Οι ερευνητές του γερμανικού Ινστιτούτου, Fraunhofer ISE, μελέτησαν πώς τα οικιακά φωτοβολταϊκά συστήματα σε στέγες μπορούν να συνδυαστούν με αντλίες θερμότητας και αποθήκευση μπαταριών. Αξιολόγησαν την απόδοση ενός συστήματος φωτοβολταϊκών-αντλίας θερμότητας-μπαταρίας που βασίζεται σε έναν έτοιμο έλεγχο έξυπνου δικτύου (SG) σε μια μονοκατοικία που χτίστηκε το 1960 στο Φράιμπουργκ της Γερμανίας.
«Διαπιστώθηκε ότι ο έξυπνος έλεγχος αύξησε τη λειτουργία της αντλίας θερμότητας ενισχύοντας τις ρυθμισμένες θερμοκρασίες», δήλωσε ο ερευνητής Shubham Baraskar στο περιοδικό pv. «Ο έλεγχος SG-Ready αύξησε τη θερμοκρασία προσαγωγής κατά 4,1 Kelvin για την προετοιμασία ζεστού νερού, γεγονός που στη συνέχεια μείωσε τον εποχικό συντελεστή απόδοσης (SPF) κατά 5,7% από 3,5 σε 3,3. Επιπλέον, για τη λειτουργία θέρμανσης χώρου ο έξυπνος έλεγχος μείωσε τον SPF κατά 4% από 5,0 σε 4,8».
Ο SPF είναι μια τιμή παρόμοια με τον συντελεστή απόδοσης (COP), με τη διαφορά ότι υπολογίζεται για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα με μεταβαλλόμενες οριακές συνθήκες.
Ο Baraskar και οι συνεργάτες του εξήγησαν τα ευρήματά τους στο άρθρο «Ανάλυση της απόδοσης και της λειτουργίας ενός συστήματος αντλίας θερμότητας με φωτοβολταϊκά και μπαταρίες βάσει δεδομένων μετρήσεων πεδίου», το οποίο δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο Solar Energy Advances. Είπαν ότι το κύριο πλεονέκτημα των συστημάτων φωτοβολταϊκών αντλιών θερμότητας συνίσταται στη μειωμένη κατανάλωση δικτύου και στο χαμηλότερο κόστος ηλεκτρικής ενέργειας. Το σύστημα αντλίας θερμότητας είναι μια αντλία θερμότητας εδάφους 13,9 kW, σχεδιασμένη με ενδιάμεσο αποθηκευτικό χώρο για θέρμανση χώρων. Βασίζεται επίσης σε μια δεξαμενή αποθήκευσης και έναν σταθμό γλυκού νερού για την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης (ΖΝΧ). Και οι δύο μονάδες αποθήκευσης είναι εξοπλισμένες με ηλεκτρικά βοηθητικά θερμαντικά σώματα.
«Η ισχύς συνεχούς ρεύματος από τις μονάδες φωτοβολταϊκών και μπαταρίας μετατρέπεται σε εναλλασσόμενο ρεύμα μέσω ενός αντιστροφέα που έχει μέγιστη ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος 12 kW και ευρωπαϊκή απόδοση 95 %», εξήγησαν οι ερευνητές, σημειώνοντας ότι ο έλεγχος SG-ready είναι σε θέση να αλληλεπιδράσει με το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας και να προσαρμόσει αντίστοιχα τη λειτουργία του συστήματος. «Κατά τις περιόδους υψηλού φορτίου δικτύου, ο διαχειριστής του δικτύου μπορεί να απενεργοποιήσει τη λειτουργία της αντλίας θερμότητας για να μειώσει την καταπόνηση του δικτύου ή μπορεί επίσης να υποστεί αναγκαστική ενεργοποίηση στην αντίθετη περίπτωση».
Σύμφωνα με την προτεινόμενη διαμόρφωση του συστήματος, η φωτοβολταϊκή ισχύς πρέπει αρχικά να χρησιμοποιείται για τα φορτία του σπιτιού, ενώ το πλεόνασμα τροφοδοτείται στην μπαταρία. Η πλεονάζουσα ισχύς θα μπορούσε να εξαχθεί στο δίκτυο μόνο εάν δεν απαιτείται ηλεκτρική ενέργεια από το νοικοκυριό και η μπαταρία είναι πλήρως φορτισμένη. Εάν τόσο το φωτοβολταϊκό σύστημα όσο και η μπαταρία δεν είναι σε θέση να καλύψουν τη ζήτηση ενέργειας του σπιτιού, μπορεί να χρησιμοποιηθεί το ηλεκτρικό δίκτυο.
«Η λειτουργία SG-Ready ενεργοποιείται όταν η μπαταρία είναι πλήρως φορτισμένη ή φορτίζει στη μέγιστη ισχύ της και υπάρχει ακόμη διαθέσιμο πλεόνασμα φωτοβολταϊκών», ανέφεραν οι ακαδημαϊκοί. «Αντίθετα, η συνθήκη ενεργοποίησης-απενεργοποίησης πληρούται όταν η στιγμιαία ισχύς των φωτοβολταϊκών παραμένει χαμηλότερη από τη συνολική ζήτηση του κτιρίου για τουλάχιστον 10 λεπτά».
Κατά 36% καλύφθηκε η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας για την αντλία θερμότητας
«Η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας για την αντλία θερμότητας καλύφθηκε κατά 36% με το σύστημα φωτοβολταϊκών/μπαταρίας, κατά 51% στη λειτουργία ζεστού νερού χρήσης και κατά 28% στη λειτουργία θέρμανσης χώρου», εξήγησε η ερευνητική ομάδα, προσθέτοντας ότι οι υψηλότερες θερμοκρασίες νεροχύτη μείωσαν την απόδοση της αντλίας θερμότητας κατά 5,7% στη λειτουργία ζεστού νερού χρήσης και κατά 4,0% στη λειτουργία θέρμανσης χώρου.
«Για τη θέρμανση χώρου, διαπιστώθηκε επίσης αρνητική επίδραση του έξυπνου ελέγχου», δήλωσε ο Baraskar. «Λόγω του ελέγχου SG-Ready η αντλία θερμότητας λειτούργησε στη θέρμανση χώρου πάνω από τις θερμοκρασίες του σημείου ρύθμισης θέρμανσης. Αυτό συνέβη επειδή ο έλεγχος πιθανώς αύξησε τη ρυθμισμένη θερμοκρασία αποθήκευσης και λειτούργησε την αντλία θερμότητας παρόλο που η θερμότητα δεν χρειαζόταν για θέρμανση χώρου. Θα πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη ότι οι υπερβολικά υψηλές θερμοκρασίες αποθήκευσης μπορούν να οδηγήσουν σε υψηλότερες απώλειες θερμότητας αποθήκευσης».
«Πρέπει να σημειωθεί ότι αυτά τα ευρήματα αφορούν συγκεκριμένα τα μεμονωμένα συστήματα που αξιολογήθηκαν και μπορεί να διαφέρουν σημαντικά ανάλογα με τις προδιαγραφές του κτιρίου και του ενεργειακού συστήματος», κατέληξαν.
