Репортаж от Wedoany，Исследователи из Университета Пердью (Purdue University, США) подтвердили, что серийные бытовые воздушные тепловые насосы, изначально предназначенные для традиционных систем переменного тока (AC), могут работать непосредственно от постоянного тока (DC) после минимальных аппаратных доработок с незначительной потерей производительности.
Ученые отмечают, что по сравнению с традиционными системами переменного тока, постоянная наносеть (DC nanogrid) позволяет минимизировать ненужные преобразования энергии, повышая эффективность на 5–15%, снижая потери при распределении и улучшая регулирование напряжения. Кроме того, постоянная наносеть обеспечивает автономную работу здания при отключении основной сети, повышая его устойчивость. Однако высокие затраты на установку, отсутствие единых стандартов, а также технические проблемы, связанные с защитой цепей постоянного тока и доступностью оборудования, остаются основными препятствиями для широкого внедрения.
Для решения этих задач исследовательская группа разработала проект DC Nanogrid House — отремонтированный односемейный дом площадью 208 м², оснащенный солнечной фотоэлектрической установкой, аккумуляторным накопителем энергии, двухконтурной системой переменного/постоянного тока и индивидуальной системой управления энергопотреблением. Этот дом позволяет напрямую сравнивать работу на переменном и постоянном токе в реальных условиях. Ключевым этапом стала модернизация инверторного теплового насоса для работы от обоих типов тока, так как на его долю приходится более двух третей годового энергопотребления здания. Экспериментальная платформа обеспечивает возможность долгосрочной оценки работы жилого здания, полностью питающегося от постоянного тока.
Исследователи модернизировали сплит-систему инверторного бытового теплового насоса номинальной холодопроизводительностью 14 кВт, заменив его стандартный вход переменного тока на возможность работы как от переменного, так и от постоянного тока напряжением 350 В. Перед тестированием в обоих режимах агрегат был откалиброван с использованием хладагента R-410A. Лабораторные эксперименты проводились в контролируемой климатической камере, где измерялась производительность при работе с переменной скоростью в стандартных стационарных условиях. Результаты проверялись с помощью энергетического баланса «воздух-хладагент», погрешность составила менее 6%.
Затем были проведены полевые испытания в доме DC Nanogrid House в штате Индиана с использованием аналогичного теплового насоса, где только наружный блок (на который приходится более 90% энергопотребления) был переведен на постоянный ток, в то время как внутренний блок из соображений безопасности остался на переменном токе. Система тестировалась в реальных условиях эксплуатации, при этом температура, давление и электрическая мощность непрерывно контролировались с помощью калиброванных датчиков и системы сбора данных.
Обе конфигурации (переменный и постоянный ток) оценивались при сопоставимых погодных условиях и уставках, несмотря на небольшие различия в температуре наружного воздуха между наборами данных. Результаты показали хорошее совпадение измерений со стороны воздуха и хладагента с отклонением в пределах 6%. Исследовательская группа заявила, что данная экспериментальная установка позволяет надежно сравнивать работу на переменном и постоянном токе в условиях переменной скорости как в лаборатории, так и в реальной среде.
Лабораторные эксперименты показали, что холодо- и теплопроизводительность теплового насоса практически идентичны при работе на переменном и постоянном токе, а коэффициент преобразования (COP) незначительно меняется в зависимости от разницы температур. Полевые данные показали, что энергопотребление предсказуемо меняется в зависимости от наружных условий, при этом статистически значимых различий между работой на переменном и постоянном токе не обнаружено.
Кроме того, моделирование систем с чистым переменным током, гибридной системой и системой с полным постоянным током показало, что наибольший выигрыш достигается при отказе от чисто переменной архитектуры, в то время как полный переход на постоянный ток дает лишь незначительные дополнительные преимущества. В целом, конфигурация на постоянном токе позволяет снизить годовые расходы на электроэнергию примерно на 12,5–16,7%, в основном за счет снижения потерь при преобразовании. Эта экономия достигается главным образом за счет уменьшения числа ступеней преобразования энергии и повышения КПД преобразователей.
Однако исследовательская группа отмечает, что данное исследование ограничено упрощенной реализацией модернизации для постоянного тока, сложностями нормирования погодных условий и упрощенным моделированием преобразователей. Кроме того, не учитывались реальные аспекты работы сети постоянного тока, такие как стабильность и защита. Будущие работы должны включать полномасштабные полевые испытания наносети постоянного тока, улучшенные преобразователи и тестирование компрессоров, а также более детальный анализ затрат для оценки целесообразности внедрения в реальных условиях.
Исследователи подчеркивают, что экономическая эффективность наносети постоянного тока в значительной степени зависит от уровня проникновения фотоэлектрических систем, особенно в холодном климате, подобном климату Индианы. Автор-корреспондент Аарон Фарха (Aaron Farha) сообщил журналу pv magazine: «Я предполагаю, что наша экономия очень чувствительна к уровню проникновения фотоэлектрических систем, особенно в холодном климате, как в Индиане». Он отметил, что в таких системах избыточная фотоэлектрическая генерация в зимние дневные часы может накапливаться для последующего использования, особенно потому, что потребность здания в отоплении обычно не совпадает с пиком солнечной генерации. Пиковая тепловая нагрузка здания зимой, как правило, полностью смещена относительно пика фотоэлектрической генерации, что может повысить ценность накопителей энергии и увеличить общую экономию для домов с высокой степенью электрификации (где тепловой насос является основным потребителем энергии).
Результаты моделирования также показали, что конструкция системы существенно влияет на коэффициент использования фотоэлектрической энергии. Общая годовая выработка фотоэлектрической системы составила 15,2 МВт·ч, при этом чистая отдача электроэнергии в сеть при работе на переменном токе составила 6,8 МВт·ч, а при конфигурации на постоянном токе — около 7 МВт·ч. Аарон Фарха отметил: «Это означает, что уровень собственного потребления теплового насоса при работе на переменном токе составляет 54,6%, а при работе на постоянном токе — 53%, то есть у нас больше общей энергии, которую можно отдать в сеть».
В эксплуатационном плане было отмечено, что колебания фотоэлектрической генерации оказывают ограниченное влияние на работу теплового насоса, поскольку стабильность системы поддерживается электронными средствами. Однако ограничения интеграции остаются проблемой. Аарон Фарха продолжил: «Когда тепловой насос работает, мы не можем одновременно запустить фотоэлектрическую систему или аккумулятор в нашей наносети постоянного тока, в основном из-за отсутствия полноценного контроллера стабильности шины».
В заключение авторы отмечают, что масштаб системы играет ключевую роль в экономической эффективности. Хотя в исследованном доме была достигнута лишь умеренная экономия электроэнергии, а расчетная годовая чистая экономия на счетах за электроэнергию от модернизации для постоянного тока составила всего около 60 долларов США, ожидается, что более крупные системы принесут более значительные выгоды. В частности, для более крупных коммерческих или промышленных систем прогнозируемая экономия в 12–16% будет гораздо более существенной, что указывает на то, что с увеличением масштаба системы и уровня проникновения фотоэлектрических систем наносети постоянного тока могут стать экономически более привлекательными.
Результаты соответствующего исследования были опубликованы в недавнем выпуске журнала «Applied Energy» под названием «Laboratory and field testing of a residential heat pump retrofit for a DC solar nanogrid».
