Integração de bombas de calor domésticas com energia solar fotovoltaica e armazenamento de bateria

Conexões do sistema hidrônico para os sistemas de bomba de calor

Pesquisadores do Fraunhofer ISE têm explorado o potencial dos sistemas residenciais de energia solar em telhados, especificamente como eles podem funcionar em conjunto com bombas de calor e armazenamento de bateria.

O estudo se concentrou em uma casa unifamiliar construída em 1960 em Freiburg, Alemanha, equipada com um sistema que combinava painéis fotovoltaicos (PV), uma bomba de calor e armazenamento de bateria, todos gerenciados por uma rede inteligente (SG). controle pronto. Shubham Baraskar, um pesquisador, compartilhou com a revista PV que o controle inteligente aumentou efetivamente a operação da bomba de calor, aumentando as temperaturas definidas. Por exemplo, o controlo aumentou a temperatura de fornecimento em 4,1 Kelvin para a preparação de água quente, o que resultou numa diminuição de 5,7% no factor de desempenho sazonal (SPF) de 3,5 para 3,3. No modo de aquecimento ambiente, o controle inteligente reduziu o FPS em 4%, de 5,0 para 4,8.

O FPS, semelhante ao coeficiente de desempenho (COP), difere porque é calculado durante um período mais extenso sob condições variadas. 

Baraskar e sua equipe detalharam suas descobertas em seu estudo, "Análise do desempenho e operação de um sistema de bomba de calor com bateria fotovoltaica com base em dados de medição de campo", publicado na Solar Energy Advances. Eles observaram que os principais benefícios dos sistemas de bombas de calor fotovoltaicas são a redução do consumo da rede e a redução dos custos de eletricidade.

O sistema de bomba de calor apresentado é uma unidade terrestre de 13,9 kW com armazenamento temporário para aquecimento ambiente. Inclui ainda um tanque e uma estação de água doce para produção de água quente sanitária (AQS), ambos com resistências eléctricas auxiliares.

O sistema solar fotovoltaico está voltado para o sul com um ângulo de inclinação de 30 graus, ostentando uma potência de 12,3 kW e cobrindo 60 metros quadrados. A bateria acoplada a DC tem capacidade de 11,7 kWh. A casa selecionada tem uma área aquecida de 256 m² e uma necessidade anual de aquecimento de 84,3 kWh/m²a.

Os investigadores explicaram que a energia CC das unidades fotovoltaicas e da bateria é convertida em CA através de um inversor com potência máxima de 12 kW e uma eficiência europeia de 95%. O controle pronto para SG interage com a rede elétrica, ajustando a operação do sistema de acordo. Isto permite reduzir a tensão da rede durante períodos de carga elevada, desligando a bomba de calor ou ativando-a em situações inversas.

No sistema desenvolvido pelos pesquisadores, a energia solar dos painéis fotovoltaicos é usada primeiro para necessidades domésticas. Qualquer energia extra é então direcionada para a bateria. Somente quando as necessidades da casa são atendidas e a bateria está totalmente carregada é que o excesso de energia é enviado para a rede. Por outro lado, se o sistema fotovoltaico e a bateria não puderem atender às necessidades energéticas da casa, será utilizada eletricidade da rede.

A equipe destacou que o modo SG-Ready é ativado quando a bateria está totalmente carregada ou no máximo, e ainda há energia solar excedente. Desliga quando a energia solar é inferior à demanda da casa por pelo menos 10 minutos.

O estudo, que envolveu dados detalhados de 1 minuto de janeiro a dezembro de 2022, analisou os níveis de autoconsumo, a fração solar, a eficiência da bomba de calor e o impacto do sistema fotovoltaico e da bateria no desempenho da bomba de calor. Eles descobriram que o controle SG-Ready aumentou as temperaturas de fornecimento da bomba de calor em 4,1 K para água quente sanitária (AQS) e alcançou uma taxa de autoconsumo de 42,9% ao longo do ano, gerando economias financeiras para os proprietários.

A procura de eletricidade para a bomba de calor foi coberta em 36% pelo sistema fotovoltaico/bateria, sendo 51% em modo AQS e 28% em modo de aquecimento ambiente. No entanto, observaram que temperaturas mais elevadas reduziram a eficiência da bomba de calor em 5,7% no modo AQS e 4,0% no modo de aquecimento ambiente.

Baraskar apontou uma desvantagem no aquecimento ambiente: o controlo inteligente por vezes fazia com que a bomba de calor funcionasse acima das temperaturas de aquecimento necessárias devido a prováveis ​​aumentos na temperatura definida de armazenamento, mesmo quando o aquecimento não era necessário. Ele também mencionou o potencial de aumento da perda de calor devido a temperaturas de armazenamento excessivamente altas.

A equipe planeja explorar mais combinações de sistemas fotovoltaicos/bomba de calor com diversas configurações e controles no futuro. Eles enfatizaram que esses resultados são específicos dos sistemas que testaram e podem variar de acordo com diferentes especificações de edifícios e sistemas de energia.