가정용 히트 펌프를 태양광 PV 및 배터리 저장 장치와 통합

히트펌프 시스템용 순환수 시스템 연결

Fraunhofer ISE의 ​​연구원들은 주거용 옥상 태양광 발전 시스템의 잠재력, 특히 열 펌프 및 배터리 저장 장치와 함께 작동할 수 있는 방법을 탐구해 왔습니다.

그들의 연구는 독일 프라이부르크에 있는 1960년에 지어진 단독 주택에 초점을 맞췄습니다. 이 주택은 모두 스마트 그리드(SG)로 관리되는 광전지(PV) 패널, 열 펌프, 배터리 저장 장치를 결합한 시스템을 갖추고 있습니다. 준비된 통제. 연구원인 Shubham Baraskar는 스마트 제어가 설정 온도를 높여 히트펌프의 작동을 효과적으로 증가시켰다고 PV 매거진과 공유했습니다. 예를 들어, 제어장치는 온수 준비를 위해 공급 온도를 4.1켈빈 높였으며, 그 결과 계절 성능 계수(SPF)가 3.5에서 3.3으로 5.7% 감소했습니다. 난방 모드에서 스마트 컨트롤은 SPF를 5.0에서 4.8로 4% 줄였습니다.

성능 계수(COP)와 유사한 SPF는 다양한 조건에서 더 오랜 기간에 걸쳐 계산된다는 점에서 다릅니다. 

Baraskar와 그의 팀은 Solar Energy Advances에 게재된 '현장 측정 데이터를 기반으로 한 태양광 배터리 히트펌프 시스템의 성능 및 작동 분석' 연구에서 연구 결과를 자세히 설명했습니다. 그들은 PV 열 펌프 시스템의 주요 이점은 전력망 소비 감소와 전기 비용 절감이라고 지적했습니다.

주요 열 펌프 시스템은 공간 난방을 위한 완충 저장 장치를 갖춘 13.9kW 접지 소스 장치입니다. 또한 가정용 온수(DHW) 생산을 위한 탱크와 담수 스테이션도 포함되어 있으며 둘 다 전기 보조 히터를 갖추고 있습니다.

태양광발전시스템은 남향으로 30도 기울어져 있으며 출력은 12.3kW, 면적은 60㎡다. DC 결합 배터리의 용량은 11.7kWh입니다. 선택한 주택의 난방 면적은 256m²이고 연간 난방 수요는 84.3kWh/m²a입니다.

연구원들은 PV와 배터리 유닛의 DC 전력이 최대 전력 12kW, 유럽 효율 95%인 인버터를 통해 AC로 변환된다고 설명했다. SG 지원 제어 장치는 전력망과 상호 작용하여 그에 따라 시스템 작동을 조정합니다. 이를 통해 열 펌프를 끄거나 반대 상황에서 활성화하여 고부하 기간 동안 그리드 변형을 줄일 수 있습니다.

연구원들이 고안한 시스템에서는 PV 패널의 태양 에너지가 먼저 가정용으로 사용됩니다. 그러면 추가 전력이 배터리로 전달됩니다. 집의 요구 사항이 충족되고 배터리가 완전히 충전된 경우에만 초과 에너지가 전력망으로 보내집니다. 반대로, PV 시스템과 배터리가 가정의 에너지 수요를 충족할 수 없는 경우 그리드의 전기가 사용됩니다.

팀은 배터리가 완전히 충전되거나 최대 충전되고 태양광 전력이 여전히 남아 있을 때 SG-Ready 모드가 시작된다는 점을 강조했습니다. 태양광 발전량이 집의 수요량보다 최소 10분 동안 낮아지면 꺼집니다.

2022년 1월부터 12월까지의 상세한 1분 데이터가 포함된 연구에서는 자체 소비량 수준, 일사량, 히트펌프 효율, PV 시스템과 배터리가 히트펌프 성능에 미치는 영향을 조사했습니다. 그들은 SG-Ready 제어 장치가 가정용 온수(DHW)의 히트펌프 공급 온도를 4.1K 높이고 연간 자체 소비율 42.9%를 달성하여 주택 소유자의 재정적 절감 효과를 가져온다는 사실을 발견했습니다.

히트펌프의 전기 수요는 PV/배터리 시스템이 36%를 충당했고, DHW 모드는 51%, 난방 모드는 28%를 차지했습니다. 그러나 온도가 높아지면 히트펌프 효율이 DHW 모드에서는 5.7%, 공간 난방 모드에서는 4.0% 감소하는 것으로 나타났습니다.

Baraskar는 공간 난방의 단점을 지적했습니다. 스마트 제어로 인해 난방이 필요하지 않은 경우에도 저장 설정 온도가 상승할 가능성이 높아 열 펌프가 필요한 난방 온도 이상으로 작동하는 경우가 있었습니다. 그는 또한 지나치게 높은 보관 온도로 인해 열 손실이 증가할 가능성도 언급했습니다.

팀은 앞으로 다양한 구성과 제어 기능을 갖춘 PV/히트펌프 시스템의 더 많은 조합을 탐색할 계획입니다. 그들은 이러한 결과가 테스트한 시스템에만 국한되며 다양한 건물 및 에너지 시스템 사양에 따라 달라질 수 있다는 점을 강조했습니다.