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

フラウンホーファー ISE の研究者は、住宅の屋上 PV システムをヒートポンプや蓄電池とどのように組み合わせることができるかを研究しました。

彼らは、ドイツのフライブルクにある 1960 年に建てられた一戸建て住宅で、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。

研究者のシュバム・バラスカル氏は、「スマート制御が設定温度を上げることでヒートポンプの動作を増加させることが判明した」とpv誌に語った。 「SG-Ready 制御は、お湯の準備のために供給温度を 4.1 ケルビン上昇させ、その後、季節性能係数 (SPF) を 3.5 から 3.3 に 5.7% 低下させました。さらに、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) に似た値ですが、境界条件を変化させて長期間にわたって計算される点が異なります。

Baraskar と彼の同僚は、その発見を「現場計測データに基づく太陽電池ヒートポンプシステムの性能・動作解析』に最近掲載されました。太陽エネルギーの進歩。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。

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 の地中熱源ヒート ポンプです。また、家庭用温水 (DHW) を製造するための貯蔵タンクと淡水ステーションにも依存しています。どちらのストレージユニットにも電気補助ヒーターが装備されています。

太陽光発電システムは南向きで、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。バッテリーは DC 結合されており、容量は 11.7 kWh です。選択した住宅には暖房付きの居住スペースが 256 平方メートルあり、年間暖房需要は 84.3 kWh/平方メートルです。

研究者らは、「PV およびバッテリーユニットからの DC 電力は、最大 AC 電力 12 kW、欧州効率 95 % のインバーターを介して AC に変換されます」と説明し、SG 対応制御が以下の機能と相互作用できることを指摘しました。電力網を調整し、それに応じてシステムの動作を調整します。 「系統負荷が高い期間中、系統運用者は系統の負担を軽減するためにヒートポンプの動作をオフにすることも、逆の場合には強制的にオンにすることもできます。」

提案されたシステム構成では、PV 電力は最初に住宅負荷に使用され、余剰分はバッテリーに供給されます。家庭で電力が必要なく、バッテリーが完全に充電されている場合にのみ、余剰電力を送電網に送出できます。太陽光発電システムとバッテリーの両方が家のエネルギー需要をカバーできない場合は、電力網を使用できます。

「SG-Readyモードは、バッテリーが完全に充電されているか、最大電力で充電されており、利用可能なPVの余剰がまだある場合にアクティブになります」と学者は述べています。 「逆に、太陽光発電の瞬間電力が少なくとも 10 分間建物の総需要よりも低い状態が続くと、トリガーオフ条件が満たされます。」

彼らの分析では、自家消費レベル、太陽光発電の割合、ヒートポンプの効率、およびヒートポンプの性能効率に対する太陽光発電システムとバッテリーの影響が考慮されました。彼らは、2022 年 1 月から 12 月までの高解像度 1 分間データを使用し、SG-Ready 制御により DHW のヒートポンプ供給温度が 4.1 K 上昇したことがわかりました。彼らはまた、このシステムが年間全体の自己消費率 42.9% を達成したことを確認しました。これは、住宅所有者にとって経済的利益につながります。

「[ヒートポンプ]の電力需要は、PV/バッテリーシステムで36%、家庭用温水モードで51%、暖房モードで28%をカバーしました」と研究チームは説明し、シンク温度が高いと電力需要が低下すると付け加えたヒートポンプ効率は DHW モードで 5.7%、暖房モードで 4.0% 向上します。

「暖房に関しては、スマート制御の悪影響も判明しました」とバラスカル氏は述べた。 「SG-Ready 制御により、ヒートポンプは暖房設定温度を超える暖房で動作しました。これは、暖房に熱が必要ないにもかかわらず、制御によりストレージの設定温度が上昇し、ヒートポンプが作動したと考えられるためです。また、過度に高い保管温度は、より高い保管熱損失につながる可能性があることも考慮する必要があります。」

科学者らは、将来的には、さまざまなシステムと制御コンセプトを備えた追加の太陽光発電とヒートポンプの組み合わせを調査する予定であると述べた。

「これらの結果は、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注意する必要があります。」と彼らは結論付けています。