来自拉彭兰塔科技大学(LUT)的研究人员概述了在北欧气候下由地源热泵(GSHP)产生的生活热水(DHW)加热的一系列控制方法,并与屋顶光伏系统相结合。


地源热泵,也被称为地热泵,利用浅层地面的能量来实现空间加热和冷却,并且能够将热量传递到地面或从地面传递出来。

将屋顶光伏与地热泵相结合,可以降低家庭用水加热成本

这四种方法在位于芬兰的两个系统配置上进行了测试。一个系统是基于英国供应商Nibe能源系统有限公司提供的容量为12千瓦的F1255-12 R EM热泵,以及一个东-南-西向的21千瓦屋顶光伏系统。第二个系统依靠相同的热泵和一个5千瓦的南向太阳能阵列。


这两个系统都包括一个容量为500升的热水储存罐,对于这两种配置,太阳能首先用于满足家庭的基本需求,然后再用于DHW加热。拟议的解决方案不提供空间加热,热泵只用于加热热水箱的储存。


DHW的能耗是通过假设房子是一个典型的四人家庭,每天的DHW消耗量为200升来计算的,假设冷进水温度为10摄氏度,而热出水温度为60摄氏度。根据这些数据,发现DHW的电力需求为每天11.64千瓦时。供暖是在上午8点到晚上8点之间进行。


对于四种方法中的第一种,芬兰小组将其定义为 "基本情况",水箱每天两次从45摄氏度加热到55摄氏度,最高消费高峰出现在早上和晚上。至于第二种方法,科学家们称之为 "时钟控制",水箱每天被加热一次,温度为45至65摄氏度,加热主要在中午时分进行,此时光伏发电量较大。


第三种方法被称为 "能源优化",其目的是优化热泵的性能系数(COP)值。COP定义了用于加热或冷却的有用传热与所需驱动能量之间的比率。据说这种方法通过将储水箱温度保持在45摄氏度来减少水加热的电力消耗。学者们解释说:"所选择的低温度限制是合理的,因为它刚好可以保证热水所提供的舒适性。"


第四种方法被称为 "成本最优",旨在最大限度地降低加热成本,并使用廉价的电网电力和太阳能。在这种配置下,水每天被加热一次,从45摄氏度到64摄氏度,加热时间是根据COP曲线、DHW需求、光伏发电预测和预期的现货市场价格来确定。


2020年6月至9月期间的结果显示,与其他三个控制案例相比,开发的成本最优控制降低了DHW加热成本,即使使用实际的光伏产量预测,考虑到光伏生产在DHW加热中的份额,使用5 kWp光伏系统的成本最优控制显示出比其他三种控制方法更大的光伏生产份额,即使使用了不完善的光伏预测。

将屋顶光伏与地热泵相结合,可以降低家庭用水加热成本

对于21千瓦的阵列,在时钟控制中太阳能的份额高于成本最优方法,如果光伏预测是准确的,DHW加热成本会更低。模拟结果还表明,随着光伏系统规模的增加,光伏产量预测的准确性失去了意义,在21.1 kWp光伏系统的情况下,当应用实际的光伏预测,而不是完美的预测时,供暖成本增加了9%,而在5 kWp的情况下,供暖成本增加了11%。


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