家庭用ヒートポンプと太陽光発電および蓄電池の統合

ヒートポンプ システムの温水システム接続

フラウンホーファー ISE の研究者は、住宅の屋上太陽光発電システムの可能性、特にヒートポンプや蓄電池とどのように連携できるかを研究してきました。

彼らの研究は、太陽光発電 (PV) パネル、ヒートポンプ、蓄電池を組み合わせたシステムを備えた、ドイツのフライブルクにある 1960 年築の一戸建て住宅に焦点を当て、すべてスマート グリッド (SG) によって管理されました。準備ができたコントロール。研究者のShubham Baraskar氏は、スマート制御により設定温度が上昇し、ヒートポンプの動作が効果的に増加したとPVマガジンに語った。たとえば、この制御により、お湯の準備のために供給温度が 4.1 ケルビン上昇し、その結果、季節パフォーマンス ファクター (SPF) が 3.5 から 3.3 に 5.7% 減少しました。暖房モードでは、スマート コントロールにより SPF が 5.0 から 4.8 に 4% 減少しました。

SPF は成績係数 (COP) に似ていますが、さまざまな条件下でより長期間にわたって計算される点で異なります。 

Baraskar と彼のチームは、Solar Energy Advances に掲載された研究「現場測定データに基づく太陽電池ヒートポンプ システムの性能と動作の分析」でその結果を詳しく説明しました。彼らは、PV ヒート ポンプ システムの主な利点は、グリッド消費量の削減と電気コストの削減であると述べました。

注目のヒート ポンプ システムは、暖房用のバッファー ストレージを備えた 13.9 kW の地上電源ユニットです。また、家庭用温水 (DHW) 製造用のタンクと淡水ステーションも含まれており、どちらも電気補助ヒーターを備えています。

太陽光発電システムは 30 度の傾斜角で南に面しており、12.3 kW の出力を誇り、面積は 60 平方メートルです。 DC 結合バッテリーの容量は 11.7 kWh です。選択した住宅の暖房面積は 256 ㎡、年間暖房需要は 84.3 kWh/㎡a です。

研究者らは、PV ユニットとバッテリーユニットからの DC 電力は、最大電力 12 kW、欧州効率 95% のインバーターを通じて AC に変換されると説明しました。 SG 対応制御は電力網と相互作用し、それに応じてシステムの動作を調整します。これにより、ヒート ポンプをオフにするか、逆の状況でヒート ポンプを作動させることにより、高負荷期間中のグリッドの負担を軽減できます。

研究者らが考案したシステムでは、PV パネルからの太陽光発電はまず家庭用に使用されます。余分な電力はバッテリーに送られます。家のニーズが満たされ、バッテリーが完全に充電された場合にのみ、余剰エネルギーが送電網に送られます。逆に、太陽光発電システムとバッテリーが家のエネルギー需要を満たすことができない場合は、送電網からの電力が使用されます。

チームは、SG-Ready モードは、バッテリーが完全に充電されているか、最大充電されていて、太陽エネルギーがまだ余っている場合に起動することを強調しました。太陽光発電が家の需要を少なくとも 10 分間下回ると、電源がオフになります。

彼らの調査では、2022 年 1 月から 12 月までの 1 分間の詳細なデータが含まれており、自家消費レベル、太陽光発電の割合、ヒートポンプの効率、太陽光発電システムとバッテリーがヒートポンプの性能に及ぼす影響が調査されました。研究者らは、SG-Ready 制御により、家庭用温水 (DHW) へのヒート ポンプの供給温度が 4.1 K 上昇し、年間で 42.9% の自己消費率を達成し、住宅所有者の経済的節約につながることがわかりました。

ヒートポンプの電力需要は 36% が PV/バッテリー システムで賄われ、51% が DHW モード、28% が暖房モードで賄われました。ただし、温度が高くなると、ヒート ポンプの効率が DHW モードで 5.7%、暖房モードで 4.0% 低下することがわかりました。

Baraskar 氏は、暖房の欠点を指摘しました。スマート制御により、暖房が必要でない場合でも、保管庫の設定温度が上昇する可能性があり、必要な暖房温度を超えてヒート ポンプが動作することがありました。また、過度に高い保管温度によって熱損失が増加する可能性についても言及しました。

チームは、将来的に、さまざまな構成と制御を備えた PV/ヒートポンプ システムの組み合わせをさらに検討する予定です。彼らは、これらの結果はテストしたシステムに固有のものであり、建物やエネルギー システムの仕様が異なると異なる可能性があることを強調しました。