住宅用ヒートポンプと太陽光発電、蓄電池を組み合わせる方法

Fraunhofer ISE の研究者は、住宅の屋上 PV システムをヒートポンプやバッテリー ストレージと組み合わせる方法を研究してきました。

彼らは、ドイツのフライブルクに1960年に建てられた一戸建て住宅におけるスマートグリッド（SG）対応制御に基づくPV-ヒートポンプ-バッテリーシステムの性能を評価しました。

「スマート制御は設定温度を上げることでヒートポンプの稼働率を高めることが分かりました」と、研究者のシュバム・バラスカー氏はpv magazineに語った。「SG-Ready制御は給湯温度を4.1ケルビン上昇させ、その結果、季節エネルギー消費係数（SPF）が3.5から3.3へと5.7%低下しました。さらに、暖房モードでは、スマート制御はSPFを5.0から4.8へと4%低下させました。」

SPF は性能係数 (COP) に似た値ですが、異なる境界条件でより長い期間にわたって計算される点が異なります。

バラスカー氏とその同僚は、その研究結果を「現場測定データに基づく太陽光発電バッテリーヒートポンプシステムの性能と動作の分析最近出版された太陽エネルギーの進歩。PVヒートポンプシステムの主な利点は、電力網の消費量が減り、電気代が安くなることだと彼らは語った。

ヒートポンプシステムは、13.9kWの地中熱ヒートポンプで、暖房用のバッファー蓄熱装置を備えています。また、給湯用の貯湯タンクと淡水ステーションも備えています。両方の貯湯ユニットには電気式補助ヒーターが備え付けられています。

太陽光発電システムは南向きに設置され、傾斜角は30度です。出力は12.3kW、モジュール面積は60平方メートルです。バッテリーはDC接続で、容量は11.7kWhです。選定された住宅の暖房面積は256平方メートルで、年間暖房需要は84.3kWh/平方メートルです。

「PVユニットとバッテリーユニットからの直流電力は、最大交流電力12kW、欧州効率95%のインバーターを介して交流電力に変換されます」と研究者らは説明し、SG対応制御は電力網と連携し、それに応じてシステムの動作を調整できることを指摘しました。「電力網の負荷が高い時間帯には、電力網運用者はヒートポンプの運転を停止して電力網への負担を軽減できます。また、負荷が高い時間帯には、強制的にヒートポンプを運転させることもできます。」

提案されたシステム構成では、太陽光発電（PV）の電力はまず住宅の負荷に使用され、余剰電力はバッテリーに供給されます。住宅で電力需要がなく、バッテリーが完全に充電されている場合にのみ、余剰電力を電力系統に送電することができます。PVシステムとバッテリーの両方で住宅の電力需要を賄えない場合は、電力系統を利用することができます。

「SG-Readyモードは、バッテリーが完全に充電されているか、最大出力で充電されており、かつ太陽光発電の余剰電力がまだ利用可能な場合に起動します」と研究者らは述べています。「一方、トリガーオフの条件は、瞬間的な太陽光発電電力が建物全体の需要よりも10分以上低い場合に満たされます。」

彼らの分析では、自家消費量、太陽光利用率、ヒートポンプ効率、そして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効率に与える影響を考慮しました。2022年1月から12月までの高解像度1分データを使用し、SG-Ready制御により、給湯用ヒートポンプの供給温度が4.1K上昇することを発見しました。また、システムは年間を通じて42.9%の自家消費を達成し、これは住宅所有者にとって経済的なメリットにつながることも確認しました。

「[ヒートポンプ]の電力需要は、PV/バッテリーシステムで36％賄われ、そのうち51％は給湯モードで、28％は暖房モードで賄われました」と研究チームは説明し、シンク温度の上昇によりヒートポンプの効率は給湯モードで5.7％、暖房モードで4.0％低下したと付け加えた。

「暖房に関しても、スマート制御によるマイナスの影響が確認されました」とバラスカー氏は述べています。「SG-Ready制御により、ヒートポンプは暖房設定温度を超えて暖房運転をしていました。これは、制御によって蓄熱設定温度が引き上げられ、暖房に熱が必要ないにもかかわらずヒートポンプが稼働していたためと考えられます。また、蓄熱温度が過度に高くなると、蓄熱損失が増加する可能性があることも考慮する必要があります。」

科学者たちは、将来的には異なるシステムと制御コンセプトによる追加のPV/ヒートポンプの組み合わせを調査する予定だと述べた。

「これらの調査結果は評価された個々の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によって大きく異なる可能性があることに留意する必要がある」と研究者らは結論付けた。