Nieuw onderzoek van het Duitse Fraunhofer Instituut voor Zonne-energiesystemen (Fraunhofer ISE) heeft aangetoond dat het combineren van PV-systemen op het dak met batterijopslag en warmtepompen de efficiëntie van de warmtepomp kan verbeteren en tegelijkertijd de afhankelijkheid van elektriciteit uit het elektriciteitsnet kan verminderen.
Fraunhofer ISE-onderzoekers hebben onderzocht hoe PV-systemen op daken van woningen kunnen worden gecombineerd met warmtepompen en batterijopslag.
Ze beoordeelden de prestaties van een PV-warmtepomp-batterijsysteem op basis van een Smart Grid (SG)-ready-besturing in een eengezinswoning uit 1960 in Freiburg, Duitsland.
“Het bleek 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, waardoor de seizoensprestatiefactor (SPF) vervolgens met 5,7% daalde van 3,5 naar 3,3. Bovendien verlaagde de slimme bediening voor de ruimteverwarmingsmodus de SPF met 4% van 5,0 naar 4,8.”
De SPF is een waarde die vergelijkbaar is met de prestatiecoëfficiënt (COP), met het verschil dat deze 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 warmtepompsysteem met fotovoltaïsche batterijen op basis van veldmeetgegevens”, dat onlangs werd gepubliceerd inVooruitgang op het gebied van zonne-energie.Ze zeiden dat het belangrijkste voordeel van PV-warmtepompsystemen bestaat uit het lagere elektriciteitsverbruik en de lagere elektriciteitskosten.
Het warmtepompsysteem is een bodemwarmtepomp van 13,9 kW, ontworpen met een bufferopslag voor ruimteverwarming. Het is ook afhankelijk van een opslagtank en een zoetwaterstation voor de productie van warm water voor huishoudelijk gebruik (SWW). Beide opslagruimtes zijn voorzien van elektrische bijverwarming.
Het PV-systeem is zuidgericht en heeft een kantelhoek van 30 graden. Het heeft een vermogen van 12,3 kW en een moduleoppervlak van 60 vierkante meter. De accu is DC-gekoppeld en heeft een capaciteit van 11,7 kWh. De geselecteerde woning heeft een verwarmd woonoppervlak van 256 m2 en een jaarlijkse warmtevraag van 84,3 kWh/m²a.
“Het gelijkstroomvermogen van PV- en batterijeenheden wordt omgezet in wisselstroom via een omvormer die een maximaal wisselstroomvermogen heeft van 12 kW en een Europees rendement van 95%”, legden de onderzoekers uit, waarbij ze opmerkten dat de SG-ready besturing kan communiceren met het elektriciteitsnet en pas de werking van het systeem hierop aan. “Tijdens de periodes van hoge netbelasting kan de netbeheerder de werking van de warmtepomp uitschakelen om de netbelasting te verminderen, of in het tegenovergestelde geval ook een gedwongen inschakeling ondergaan.”
Volgens de voorgestelde systeemconfiguratie moet PV-energie in eerste instantie worden gebruikt voor de huisbelasting, terwijl het overschot aan de batterij wordt geleverd. Overtollige stroom kan alleen naar het elektriciteitsnet worden geëxporteerd als het huishouden geen elektriciteit nodig heeft en de batterij volledig is opgeladen. Als zowel het PV-systeem als de batterij niet in de energievraag van het huis kunnen voorzien, kan gebruik worden gemaakt van het elektriciteitsnet.
“De SG-Ready-modus wordt geactiveerd wanneer de batterij volledig is opgeladen of op maximaal vermogen wordt opgeladen en er nog steeds een PV-overschot beschikbaar is”, aldus de academici. “Omgekeerd wordt 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.”
In hun analyse werd gekeken naar het niveau van het eigen verbruik, het aandeel zonne-energie, de efficiëntie van de warmtepomp en de impact van het PV-systeem en de batterij op de prestatie-efficiëntie van de warmtepomp. Ze gebruikten gegevens van 1 minuut met hoge resolutie van januari tot december 2022 en ontdekten dat de SG-Ready-regeling de aanvoertemperaturen van de warmtepomp met 4,1 K voor warm water verhoogde. 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 met het PV/batterijsysteem, via 51% in de modus voor warm water voor huishoudelijk gebruik en 28% in de modus voor ruimteverwarming”, legde het onderzoeksteam uit, eraan toevoegend dat hogere puttemperaturen verminderde efficiëntie van de warmtepomp met 5,7% in de SWW-modus en met 4,0% in de ruimteverwarmingsmodus.
“Voor ruimteverwarming werd ook een negatief effect van de slimme regeling gevonden”, zei Baraskar. “Dankzij de SG-Ready-regeling werkte de warmtepomp bij ruimteverwarming boven de ingestelde verwarmingstemperaturen. Dit kwam omdat de regeling waarschijnlijk de ingestelde opslagtemperatuur verhoogde en de warmtepomp aandreef, ook al was de warmte niet nodig voor ruimteverwarming. Er moet ook rekening mee worden gehouden dat extreem hoge opslagtemperaturen kunnen leiden tot hogere opslagwarmteverliezen.”
De wetenschappers zeiden dat ze in de toekomst aanvullende PV/warmtepompcombinaties met verschillende systeem- en besturingsconcepten zullen 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.
Posttijd: 13-nov-2023