Реверсивная батарея Карно для частного дома: КПД цикла заряд-разряд 35% при снижении оборотов детандера
Группа Университета Л'Акуилы (Италия) рассчитала реверсивную батарею Карно, в которой тепловой насос и установка на органическом цикле Ренкина построены на одном комплекте оборудования. Избыток выработки домовой солнечной электростанции запасается в виде тепла в баке с водой под давлением и возвращается в сеть дома электроэнергией. Ключ к эффективности — управление частотой вращения детандера.
Экспериментальные стенды для исследования органического цикла Ренкина (ORC)
в Университете Л’Акуилы. Фото: Университет Л’Акуилы
Как устроена схема
Обратимость системы обеспечивается тем, что оба контура используют одни и те же аппараты, работая во встречных направлениях. В режиме заряда (тепловой насос) два теплообменника выполняют функции конденсатора и испарителя, в режиме разряда (ORC) их роли меняются на противоположные. Объёмная машина при заряде работает компрессором, при разряде — детандером.
Как пояснил руководитель исследования Фабио Фатигати изданию pv magazine, при разряде рабочее тело расширяется в машине и вырабатывает электроэнергию, «когда солнечная генерация недоступна или недостаточна».
Рабочее тело контура — гидрохлорфторолефин R1233zd(E). В качестве реверсивной машины принята винтовая Bitzer OSK5361-K.
Схема теплового насоса обратимой батареи Карно
Расчётные параметры
Режим теплового насоса (заряд):
- теплопроизводительность — 4…31 кВт;
- потребляемая мощность компрессора — 1,6…5,1 кВт;
- температура источника низкопотенциального тепла — 50…90 °C;
- температура нагреваемого контура — 60…110 °C;
- температурный подъём — 10…25 К;
- максимальный COP — 9,5 при подъёме около 15 К.
Тип источника низкопотенциального тепла в публикации не конкретизирован.
Режим ORC (разряд):
- подвод тепла от бака — 24…67 кВт;
- электрическая мощность — 0,3…3,7 кВт;
- температура воды в баке в ходе разряда снижается со 110 до 70 °C.
В обоих режимах работает рекуперативный теплообменник, возвращающий внутреннее тепло на подогрев рабочего тела.
Управление
Контуры теплового насоса и ORC имеют раздельные системы регулирования. При заряде контроллер теплового насоса корректирует момент компрессора по фактическому избытку солнечной генерации, оставшемуся после покрытия нагрузки дома, и по заданной частоте вращения. При разряде регулятор ORC поддерживает постоянный перегрев 10 К на входе в детандер — режим, определённый авторами как благоприятный для КПД машины.
Результаты моделирования
Модель валидирована сопоставлением расчёта с экспериментальными данными из литературы. Рассматривалось домохозяйство в центральной Италии с фотоэлектрической установкой площадью 60 м². Расчётный период — январь, избыток генерации приходился на интервал с 06:00 до 15:00.
Проверялись баки-аккумуляторы объёмом 8000, 12 000 и 16 000 л. Выбран бак на 8000 л — он достигал целевой температуры 100 °C.
Увеличение расхода горячей воды при разряде с 20 до 30 л/мин подняло объём запасённой избыточной электроэнергии с 2 до 4 кВт·ч, КПД цикла заряд-разряд — с 22 до 26%, эксергетический КПД — с 16,4 до 19,8%.
Основной эффект дало снижение частоты вращения детандера. При 1000 об/мин опорожнение бака замедляется, длительность работы ORC растёт: за девять часов система накопила около 5 кВт·ч и полностью покрыла электрическую нагрузку. КПД цикла ORC при этом приблизился к 7%, КПД цикла заряд-разряд достиг 35%, эксергетический — 26%.
Снижение частоты с базовых 1900 об/мин до 1000 об/мин позволяет батарее Карно в связке с системой накопления полностью закрыть суточную потребность дома в электроэнергии с остатком 1,5 кВт·ч на конец разряда. Переход с 2000 до 1000 об/мин примерно удваивает и КПД цикла заряд-разряд, и эксергетический КПД.
Что дальше
Авторы намерены оценить влияние компоновки фотоэлектрической установки на итоговые показатели и расширить расчёт на весь год.
Исследование опубликовано в журнале Energy Conversion and Management под названием «Model-based optimisation of a reversible heat pump-Organic Rankine cycle Carnot battery for residential applications». Комментарии Фабио Фатигати приведены по публикации pv magazine от 27 августа 2026 года.
