PV-geassisteerd warmtepompprototype met dubbele condensor bereikt prestatiecoëfficiënt van 7,59

Onderzoekers aan de Miguel Hernández Universiteit van Elche in Spanje hebben een lucht{0}}naar-water-warmtepompsysteem ontworpen dat de productie van warm water (SWW) naar centrale daglichturen kan verschuiven, waardoor het gebruik van PV-energie wordt gemaximaliseerd.

De nieuwigheid van het systeem ligt in het gebruik van twee condensors in plaats van één enkele unit.

De onderzoekers legden uit dat een conventionele compacte warmtepomp voor warm water voor huishoudelijk gebruik een compressor, verdamper, expansieklep en een condensor omvat die rond de bodem van de opslagtank is gewikkeld, waardoor het volledige watervolume wordt verwarmd door natuurlijke convectie. De voorgestelde dubbele-condensorconfiguratie voegt een tweede condensor toe bovenaan de tank, gecombineerd met een geoptimaliseerd regelsysteem om de bedrijfsmodus te selecteren, terwijl de standaardcomponenten behouden blijven.

Zowel de onderste als de bovenste condensor bestaan ​​uit spiraalbuizen die tussen de tankwand en de isolatielaag zijn geïnstalleerd. Wanneer de onderste condensor in werking is, wordt warmte naar de bodem van de tank van 215 liter gevoerd, waardoor stratificatie wordt bevorderd en het hele volume wordt verwarmd. Wanneer de bovenste condensor wordt geactiveerd, wordt alleen het bovenste gedeelte van de tank verwarmd, waardoor een gerichtere werking en een lagere energieopslag mogelijk is.

Het prototype is ontwikkeld op basis van een commerciële split-type lucht-naar-water-warmtepomp, uitgerust met een scrollcompressor van 600 W en koelmiddel R134a. De oorspronkelijke elektrische weerstandsverwarmer van 2.400 W werd losgekoppeld om uitsluitend werking in de warmtepompmodus te garanderen. Het systeem had een door de fabrikant-geschatte prestatiecoëfficiënt (COP) van 3,17 bij 14 C. Aanpassingen waren onder meer de integratie van de tweede condensor, het opnieuw ontwerpen van het koelcircuit en het upgraden van het regelsysteem voor testen onder realistische SWW- en PV-bedrijfsomstandigheden.

De experimentele opstelling is ontworpen om de werkelijke vraag naar warm water in huishoudens te repliceren met behulp van een gesloten-lussysteem om waterverspilling te voorkomen. Het bestond uit twee klimaatkamers, de dubbele-condensorwarmtepomp, een PV-installatie van 600 W en een gecontroleerd hydraulisch circuit. De warmtepomp was zowel op het elektriciteitsnet als op het PV-systeem aangesloten, zonder dat er een financiële compensatie in aanmerking werd genomen voor overtollige elektriciteit die aan het elektriciteitsnet werd geleverd.

Een hulptank, circulatiepomp en waterkoeler hielden de inlaatwatertemperatuur op 10 C om de netvoedingsomstandigheden te simuleren. Een Arduino Mega-controller beheerde de pompen, kleppen, de koelmachine en de warmtepomp om geautomatiseerd testen mogelijk te maken. Het systeem was ook uitgerust met dertig temperatuursensoren, debietmeters en elektrische bewakingsapparatuur, waarbij de gegevens met tussenpozen van één-minuut werden geregistreerd.

De onderzoekers evalueerden drie configuraties bij een omgevingstemperatuur van 18 C: een conventionele warmtepomp met enkele-condensor, hetzelfde systeem gekoppeld aan PV, en de dubbele-condensorwarmtepomp met PV. Tests volgden een op EN 16147 gebaseerd SWW-verbruiksprofiel, waardoor aanvoertemperaturen boven 45 C werden gegarandeerd.

Uit de resultaten bleek dat de dubbele-condensorconfiguratie de stratificatiecontrole verbeterde, het totale energieverbruik verlaagde en de kwaliteit van de sanitaire voorzieningen op peil hield, terwijl het eigen- PV-verbruik aanzienlijk toenam.

Uit de analyse bleek dat de gemiddelde seizoensgebonden COP van de warmtepomp 3,55 bereikte in de configuratie met één-condensor en 3,65 in combinatie met PV.

"Zoals verwacht zijn beide waarden vergelijkbaar, omdat er geen verschil is in de werkingsmodus ertussen", benadrukte het onderzoeksteam. "In de derde test, met twee condensors en een verbeterde regelstrategie die werking met een lagere watertemperatuur mogelijk maakt, stijgt dit rendement naar 3,71. Deze trend is duidelijker bij het analyseren van het rendement van de tapwatervoorziening, waar de resultaten 3,08 en 3,12 zijn voor de eerste twee bedrijfsmodi en 3,37 voor de configuratie met twee condensors en PV-panelen. Omdat de tank kouder is in de configuratie met twee condensors, zijn er minder warmteverliezen."

Het eigen-verbruik van zonne-energie met het dubbele- condensorsysteem steeg ondertussen van 9,9% naar 55,5%.

"De resultaten benadrukken ook de noodzaak om rekening te houden met het ogenblikkelijke eigen-verbruik, met behulp van een berekeningsbasis van maximaal minuut- per- minuut in plaats van per uur of per dag, omdat dit laatste resulteert in onrealistisch hoge zonnebijdragen", concludeerden de academici. "Rekening houdend met de energie die door de PV-panelen wordt geleverd, kunnen de prestaties van de HP opnieuw worden geëvalueerd, wat leidt tot een COP van 3,46 bij het werken met één condensor en van 7,59 bij het werken met de dubbele condensorconfiguratie."

Het systeem werd beschreven in "Experimentele beoordeling van een nieuw fotovoltaïsch warmtepompontwerp met dubbele condensor", gepubliceerd in Solar Energy.