用于生活热水加热的光伏和地热热泵

从研究者技术拉彭兰塔大学(LUT)已概述了一系列的控制方法加热家用热水(DHW)由一地源热泵(地源热泵)，结合屋顶PV系统中，在产生的北欧气候。

地源热泵，也称为地热热泵，利用浅层地能量来实现空间加热和冷却，并能够将热量传入或传出地面。

这四种方法在位于芬兰的两种系统配置上进行了测试。一个系统基于英国供应商 Nibe Energy Systems Limited 提供的容量为 12 kW 的 F1255-12 R EM 热泵和一个东西向的 21 kW 屋顶光伏系统。第二个系统依赖于相同类型的热泵和一个 5 千瓦的南向太阳能电池阵列。

这两个系统都包括一个容量为 500 升的热水储罐，对于这两种配置，太阳能首先用于满足家庭基本负荷需求的要求，然后用于 DHW 供暖。提议的解决方案不提供空间供暖，热泵专门用于加热热水箱存储。

“DHW 的能源消耗是通过假设房子是一个典型的四人家庭，每天 DHW 消耗量为 200 升来计算的，”研究人员指出。“假设冷的进水温度为 10 摄氏度，而热的出水温度为 60 摄氏度。”根据这些数据，DHW 的电力需求为每天 11.64 千瓦时。加热在上午 8 点至晚上 8 点之间进行

芬兰小组将四种方法中的第一种方法定义为“基本情况”，每天两次将水箱从 45 摄氏度加热到 55 摄氏度，最高消耗峰值出现在早上和晚上。至于第二种被科学家称为“时钟控制”的方法，水箱每天加热一次，温度为 45 至 65 摄氏度，加热多在光伏发电量较高的中午时间进行。

第三种方法被标记为“能量优化”，旨在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。据说这种方法可以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。学者解释说：“选择的低温度限制可以证明它足以保证热水提供的舒适度。”

第四种方法被称为“成本最优”，旨在最大限度地降低供暖成本，并将廉价的电网电力与太阳能结合使用。在这种配置下，水每天加热一次，从 45 摄氏度到 64 摄氏度，加热持续时间是根据 COP 曲线、DHW 需求、光伏发电预测和预期现货市场价格确定的。

研究团队表示：“2020 年 6 月至 9 月期间的结果表明，与其他三个控制案例相比，开发的成本最优控制降低了 DHW 供暖成本，即使使用了实际的光伏输出预测。”“考虑到光伏发电在 DHW 供暖中的份额，5 kWp 光伏系统的成本优化控制显示出比其他三种控制方法更大的光伏生产份额，即使使用了不完美的光伏预测。”

使用 21 kW 阵列，时钟控制中的太阳能份额高于成本优化方法，如果 PV 预测准确，DHW 加热成本较低。“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，”它进一步解释说。“在 21.1 kWp 光伏系统的情况下，当应用实际光伏预测而不是完美预测时，供暖成本增加了 9%，而在 5 kWp 的情况下，供暖成本增加了 11%。”