يصل النموذج الأولي للمضخة الحرارية المدعومة بالطاقة الكهروضوئية مع مكثف مزدوج إلى 7.59 معامل أداء
Mar 03, 2026
صمم الباحثون في جامعة ميغيل هيرنانديز في إلتشي في إسبانيا نظام مضخة حرارية من الهواء إلى-يمكنه تحويل إنتاج الماء الساخن المنزلي (DHW) إلى ساعات النهار المركزية، وبالتالي زيادة الاستفادة من توليد الطاقة الكهروضوئية.
تكمن حداثة النظام في استخدام مكثفين بدلاً من وحدة واحدة.
وأوضح الباحثون أن المضخة الحرارية التقليدية المدمجة للمياه الساخنة (DHW) تشتمل على ضاغط ومبخر وصمام تمدد ومكثف ملفوف حول الجزء السفلي من خزان التخزين، مما يؤدي إلى تسخين حجم الماء بالكامل من خلال الحمل الحراري الطبيعي. يضيف تكوين المكثف المزدوج- المقترح مكثفًا ثانيًا في الجزء العلوي من الخزان، بالإضافة إلى نظام تحكم محسن لتحديد وضع التشغيل، مع الاحتفاظ بالمكونات القياسية.
يتكون كل من المكثفات السفلية والعلوية من أنابيب حلزونية مثبتة بين جدار الخزان والطبقة العازلة. عندما يعمل المكثف السفلي، يتم توصيل الحرارة إلى قاع الخزان سعة 215 لترًا، مما يعزز التقسيم الطبقي وتسخين الحجم بالكامل. عند تنشيط المكثف العلوي، يتم تسخين الجزء العلوي فقط من الخزان، مما يتيح تشغيلًا أكثر استهدافًا وتخزينًا أقل للطاقة.
تم تطوير النموذج الأولي من مضخة تجارية من نوع -الهواء المنفصل-إلى-مضخة حرارية مائية مزودة بضاغط حلزوني بقدرة 600 واط ومبرد R134a. تم فصل سخان المقاومة الكهربائية الأصلي بقدرة 2400 واط لضمان التشغيل حصريًا في وضع المضخة الحرارية. يحتوي النظام على معامل أداء مقدر من قبل الشركة المصنعة - يبلغ 3.17 عند 14 درجة مئوية. وتضمنت التعديلات دمج المكثف الثاني، وإعادة تصميم دائرة التبريد، وترقية نظام التحكم للاختبار في ظل ظروف التشغيل الواقعية للمياه الساخنة والكهربائية الكهروضوئية.
تم تصميم الإعداد التجريبي لتكرار الطلب الحقيقي على المياه المنزلية الساخنة باستخدام نظام حلقة مغلقة- لتجنب هدر المياه. يتكون من غرفتين مناخيتين، ومضخة حرارية مزدوجة المكثف، وتركيب كهروضوئي بقدرة 600 واط، ودائرة هيدروليكية يمكن التحكم فيها. تم توصيل المضخة الحرارية بكل من الشبكة والنظام الكهروضوئي، دون النظر في التعويض المالي عن فائض الكهرباء الذي يتم تغذيته بالشبكة.
يحافظ الخزان المساعد، ومضخة الدوران، ومبرد الماء على درجة حرارة الماء الداخل عند 10 درجة مئوية لمحاكاة ظروف إمداد التيار الكهربائي. تقوم وحدة التحكم Arduino Mega بإدارة المضخات والصمامات والمبرد والمضخة الحرارية لتمكين الاختبار الآلي. وقد تم تجهيز النظام أيضًا بـ 30 جهاز استشعار لدرجة الحرارة، وأجهزة قياس التدفق، وأجهزة مراقبة كهربائية، مع تسجيل البيانات بفواصل زمنية -دقيقة واحدة.
قام الباحثون بتقييم ثلاثة تكوينات عند درجة حرارة محيطة تبلغ 18 درجة مئوية: مضخة حرارية مكثفة تقليدية فردية-، نفس النظام مقترنًا بالطاقة الكهروضوئية، ومضخة حرارية مزدوجة المكثف -مع الطاقة الكهروضوئية. اتبعت الاختبارات ملف تعريف استهلاك الماء الساخن المستند إلى EN 16147، مما يضمن درجات حرارة أعلى من 45 درجة مئوية.
أظهرت النتائج أن تكوين المكثف- المزدوج أدى إلى تحسين التحكم في التقسيم الطبقي، وتقليل الاستهلاك الإجمالي للطاقة، والحفاظ على جودة خدمة المياه الساخنة مع زيادة الاستهلاك الذاتي-من الطاقة الكهروضوئية بشكل ملحوظ.
وجد التحليل أن متوسط COP الموسمي للمضخة الحرارية يصل إلى 3.55 في تكوين المكثف الفردي- و3.65 عند دمجه مع الطاقة الكهروضوئية.
وشدد فريق البحث على أنه "كما هو متوقع، فإن كلا القيمتين متشابهتان، حيث لا يوجد اختلاف في وضع التشغيل بينهما". "في الاختبار الثالث، مع مكثفين واستراتيجية تحكم محسنة تسمح بالتشغيل مع درجة حرارة مياه منخفضة، ترتفع هذه الكفاءة إلى 3.71. ويكون هذا الاتجاه أكثر وضوحًا عند تحليل كفاءة خدمة DHW، حيث تكون النتائج 3.08 و3.12 لوضعي التشغيل الأولين و3.37 للتكوين بمكثفين وألواح كهروضوئية. وبما أن الخزان أكثر برودة في التكوين بمكثفين، يكون هناك فقدان أقل للحرارة."
وفي الوقت نفسه، ارتفع الاستهلاك الذاتي للطاقة الشمسية-مع نظام المكثف-المزدوج من 9.9% إلى 55.5%.
وخلص الأكاديميون إلى أن "النتائج تسلط الضوء أيضًا على الحاجة إلى مراعاة الاستهلاك الذاتي-الفوري، باستخدام قاعدة حسابية تبلغ على الأكثر دقيقة-في-دقيقة بدلاً من كل ساعة أو يوميًا، حيث يؤدي الأخير إلى مساهمات طاقة شمسية عالية بشكل غير واقعي". "بالنظر إلى الطاقة التي توفرها الألواح الكهروضوئية، يمكن إعادة تقييم أداء HP، مما يؤدي إلى COP يبلغ 3.46 عند العمل مع مكثف واحد و7.59 عند العمل مع تكوين المكثف المزدوج."
تم وصف النظام في "التقييم التجريبي لتصميم جديد لمضخة حرارية كهروضوئية بمكثف مزدوج"، نُشر في مجلة الطاقة الشمسية.
