Nieuw onderzoek van het Duitse Fraunhofer Instituut voor Zonne-energiesystemen (Fraunhofer ISE) heeft aangetoond dat de combinatie van PV-systemen op daken met batterijopslag en warmtepompen de efficiëntie van warmtepompen kan verbeteren en tegelijkertijd de afhankelijkheid van netstroom kan verminderen.
Onderzoekers van Fraunhofer ISE hebben onderzocht hoe PV-systemen op daken van woningen gecombineerd kunnen worden met warmtepompen en batterijopslag.
Ze beoordeelden de prestaties van een PV-warmtepomp-batterijsysteem op basis van een smart-grid (SG)-regeling in een eengezinswoning uit 1960 in Freiburg, Duitsland.
"Er werd vastgesteld dat de slimme regeling de werking van de warmtepomp verhoogde door de ingestelde temperaturen te verhogen", vertelde onderzoeker Shubham Baraskar aan pv magazine. "De SG-Ready-regeling verhoogde de aanvoertemperatuur met 4,1 Kelvin voor de warmwaterbereiding, wat vervolgens de seizoensgebonden prestatiefactor (SPF) met 5,7% verlaagde van 3,5 naar 3,3. Bovendien verlaagde de slimme regeling de SPF voor de ruimteverwarmingsmodus met 4%, van 5,0 naar 4,8."
De SPF is een waarde die vergelijkbaar is met de prestatiecoëfficiënt (COP), maar het verschil wordt berekend over een langere periode met variërende randvoorwaarden.
Baraskar en zijn collega's legden hun bevindingen uit in "Analyse van de prestaties en werking van een fotovoltaïsch-batterijwarmtepompsysteem op basis van veldmeetgegevens, dat onlangs werd gepubliceerd inVooruitgang in zonne-energie.Volgens hen ligt het grootste voordeel van PV-warmtepompsystemen in het lagere verbruik van het elektriciteitsnet en de lagere elektriciteitskosten.
Het warmtepompsysteem is een 13,9 kW grondwaterwarmtepomp, ontworpen met een bufferopslag voor ruimteverwarming. Het systeem maakt ook gebruik van een opslagtank en een zoetwaterstation voor de productie van warm tapwater. Beide opslagunits zijn uitgerust met elektrische bijverwarming.
Het PV-systeem is op het zuiden gericht en heeft een hellingshoek van 30 graden. Het heeft een vermogen van 12,3 kW en een moduleoppervlak van 60 vierkante meter. De batterij is DC-gekoppeld en heeft een capaciteit van 11,7 kWh. De geselecteerde woning heeft een verwarmd woonoppervlak van 256 m² en een jaarlijkse warmtebehoefte van 84,3 kWh/m².
"De gelijkstroom van de PV- en batterijunits wordt via een omvormer met een maximaal wisselstroomvermogen van 12 kW en een Europees rendement van 95% omgezet in wisselstroom", legden de onderzoekers uit. Ze merkten op dat de SG-ready regeling kan communiceren met het elektriciteitsnet en de werking van het systeem dienovereenkomstig kan aanpassen. "Tijdens periodes met een hoge netbelasting kan de netbeheerder de warmtepomp uitschakelen om de belasting van het net te verminderen, of in het tegenovergestelde geval de warmtepomp geforceerd inschakelen."
In de voorgestelde systeemconfiguratie moet de PV-stroom in eerste instantie worden gebruikt voor de elektriciteitsvoorziening van het huis, waarbij het overschot aan de accu wordt geleverd. Overtollige stroom kan alleen aan het net worden geleverd als het huishouden geen elektriciteit nodig heeft en de accu volledig is opgeladen. Als zowel het PV-systeem als de accu niet in de energiebehoefte van het huis kunnen voorzien, kan het elektriciteitsnet worden gebruikt.
"De SG-Ready-modus wordt geactiveerd wanneer de accu volledig is opgeladen of op maximaal vermogen wordt opgeladen en er nog steeds PV-overschot beschikbaar is", aldus de academici. "Omgekeerd is aan de trigger-off-voorwaarde voldaan wanneer het momentane PV-vermogen gedurende ten minste 10 minuten lager blijft dan de totale vraag van het gebouw."
Hun analyse hield rekening met het eigen verbruik, het aandeel zonne-energie, de efficiëntie van de warmtepomp en de impact van het PV-systeem en de batterij op de prestaties van de warmtepomp. Ze gebruikten hoge-resolutie 1-minuutgegevens van januari tot en met december 2022 en ontdekten dat de SG-Ready-regeling de aanvoertemperaturen van de warmtepomp met 4,1 K verhoogde voor warm water. Ze stelden ook vast dat het systeem gedurende het jaar een totaal eigen verbruik van 42,9% behaalde, wat zich vertaalt in financiële voordelen voor de huiseigenaren.
"De elektriciteitsvraag voor de [warmtepomp] werd voor 36% gedekt door het PV/batterijsysteem, voor 51% in de modus voor warm tapwater en voor 28% in de modus voor ruimteverwarming", legde het onderzoeksteam uit, eraan toevoegend dat hogere temperaturen in de gootsteen de efficiëntie van de warmtepomp met 5,7% verlaagden in de modus voor warm tapwater en met 4,0% in de modus voor ruimteverwarming.
"Bij ruimteverwarming werd ook een negatief effect van de slimme regeling gevonden", aldus Baraskar. "Dankzij de SG-Ready-regeling werkte de warmtepomp bij ruimteverwarming boven de ingestelde verwarmingstemperatuur. Dit kwam waarschijnlijk doordat de regeling de ingestelde opslagtemperatuur verhoogde en de warmtepomp liet werken, ook al was de warmte niet nodig voor ruimteverwarming. Er moet ook rekening mee worden gehouden dat te hoge opslagtemperaturen kunnen leiden tot hogere warmteverliezen."
De wetenschappers zeiden dat ze in de toekomst nog meer PV/warmtepompcombinaties met andere systeem- en regelconcepten gaan onderzoeken.
"Opgemerkt moet worden dat deze bevindingen specifiek zijn voor de individueel geëvalueerde systemen en sterk kunnen variëren, afhankelijk van de specificaties van het gebouw en het energiesysteem", concludeerden ze.
Plaatsingstijd: 13-11-2023