Конфигурация солнечно-термальных тепловых насосов для зданий
Итальянские исследователи рассмотрели различные конфигурации систем для фотоэлектрических тепловых насосов с солнечной батареей в зданиях. По их словам, использование фотоэлектрического коллектора в качестве испарителя теплового насоса приводит к наибольшей рекуперации тепла, но система с двумя источниками и отдельным теплообменником является наиболее перспективным решением для покрытия всех тепловых потребностей.
Изображение: Viessmann
Исследователи из Миланского политехнического университета представили обзор различных конфигураций систем фотоэлектрических и тепловых солнечных тепловых насосов (PVT-SAHP) в зданиях. Хотя большинство исследований исторически сосредоточено на тепловых солнечных насосах, ученые отметили, что “расширяется использование фотовольтаико-термических (PVT) солнечных коллекторов, которые могут быть использованы тепловыми насосами, с преимуществами для обеих систем”.
Команда сосредоточилась только на парокомпрессионных тепловых насосах и системах PVT-SAHP для нагрева или охлаждения воды – наиболее распространенное применение в зданиях. По их словам, они рассматривали только плоские коллекторы PVT на водной основе, поскольку они “являются самой эффективной технологией PVT и наиболее применимы для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха”.
Академики классифицировали системы PVT-SAHP в соответствии с тем, как тепловые насосы используют солнечную энергию. Существуют системы прямого расширения (DX), где коллектор PVT используется в качестве испарителя теплового насоса, или системы косвенного расширения (IDX), где теплообменник находится между PVT и тепловым насосом. Их можно дополнительно разделить на конфигурации с одним источником, где солнечная энергия является единственным источником тепла для теплового насоса, и системы с двумя источниками, где есть еще один источник тепла в дополнение к солнечному.
Согласно исследованию, системы PVT-SAHP с одним источником прямого расширения являются эффективным и простым решением для нагрева воды. Однако их применение для охлаждения ограничено из-за отсутствия дополнительного источника холода, например, воздушного или геотермального. Экспериментальная работа показывает средний коэффициент полезного действия (КПД) между 2,7 и 7 для таких систем, зарегистрированный во время экспериментов в благоприятных условиях окружающей среды.
Отсутствие промежуточного теплообменника упрощает их строительство и снижает затраты. Однако использование коллектора PVT в качестве испарителя теплового насоса делает систему уязвимой к переменной солнечной радиации.
“Поэтому необходимы сложные стратегии управления при нестабильных погодных условиях, а также использование компрессора с регулируемой скоростью”, – сказали ученые.
Они отметили, что очень важно выбрать хладагент, подходящий как для коллектора PVT, так и для теплового насоса, чтобы влажный хладагент не попадал в компрессор. Системы PVT-SAHP с двумя источниками косвенного расширения, с другой стороны, могут устранить многие недостатки вышеперечисленных систем, но они могут быть менее эффективными. Эти системы сообщают о среднем COPs 2,3 и 4,5, но измерения проводились в ходе более длительных экспериментов.
“Основное преимущество систем IDX-PVT-SAHP заключается в более стабильном получении тепла от солнечной стороны, поскольку хладагент испаряется в теплообменнике вода-газ в более стабильных условиях”, – говорят исследователи.
По их словам, отдельный теплообменник также позволяет сократить длину холодильных линий, уменьшая массу холодильного оборудования с экономическими и экологическими выгодами. Системы также позволяют более гибкую конфигурацию, а дополнительный источник тепла увеличивает производительность теплового насоса. Это открывает возможность добавления накопителя термальной воды как со стороны теплового насоса, так и со стороны пользователя.
Второй источник тепла делает системы PVT-SAHP с двумя источниками косвенного расширения лучшим решением для охлаждения. Они являются комплексным решением для удовлетворения всех тепловых потребностей здания, включая отопление, охлаждение и бытовое горячее водоснабжение.
“Эти системы также лучше сочетаются с тепловыми насосами с наземными источниками, которые очень популярны в регионах с преобладанием отопления”, – говорят исследователи.
Они утверждают, что плоскопластинчатые коллекторы PVT с прямым ламинированием фотоэлементов поверх рулонных абсорберов гарантируют наилучший компромисс между эффективностью, надежностью, сложностью производства и стоимостью.
“Подтверждено, что интеграция с системами тепловых насосов улучшает как электрические, так и тепловые характеристики за счет активного охлаждения, что актуально для конфигураций систем с прямым и непрямым расширением”, – заключили ученые.
Они поделились своими выводами в докладе “Фотоэлектрические и тепловые системы с солнечным тепловым насосом для применения в зданиях: Интеграция и методы проектирования”, который был недавно опубликован в журнале Energy and Built Environment.