Специалисты Университета Палермо (Италия) разработали модель для оценки работы зданий, оснащённых тепловыми насосами и фотоэлектрическими системами, при различных стратегиях управления спросом (demand response, DR). Здания оценивались по способности корректировать потребление электроэнергии в ответ на внешние сигналы — цену энергии и ограничения энергосистемы.
«Анализ рассматривает ценовой подход, определённый по единой национальной цене оптового рынка электроэнергии Италии (Prezzo Unico Nazionale, PUN), и программу DR, управляемую выработкой ФЭ-системы и направленную на улучшение интеграции переменных возобновляемых источников, — отмечают исследователи. — Их влияние на энергопотребление и комфорт пользователей оценивалось в суточном и годовом масштабах».
Для расчёта было смоделировано трёхэтажное офисное здание с низким уровнем теплозащиты: кондиционируемая площадь 4982,2 м², 18 тепловых зон, доля остекления в фасаде 33% (652,87 м² светопрозрачных конструкций при валовой площади стен 1977,92 м²). Здание оборудовано реверсивным тепловым насосом «воздух–вода», баком-аккумулятором тепловой энергии (TES), гидравлической системой распределения с циркуляционными насосами, смесительными и разделительными клапанами, трубопроводами и фанкойлами. В части сценариев система дополнялась связкой «ФЭ-модули + аккумуляторная батарея» (PV-B).
Здание и интегрированная энергосистема моделировались в динамике в TRNSYS, тепловой насос рассчитывался отдельно в IMST-ART v4.0. Годовые расчёты выполнялись для климата Палермо.
За базовый принят сценарий без управления спросом (No DR), относительно которого оценивались четыре стратегии. Первые две опирались на цены PUN: DR1 корректировала уставки температуры в тепловых зонах в периоды высокой цены, сокращая работу теплового насоса; DR2 дополнительно использовала периоды низкой цены для предварительного нагрева зимой и предварительного охлаждения летом, смещая электрическую нагрузку.
Две другие стратегии управлялись выработкой ФЭ-системы. DR3 изменяла уставки температуры в зонах, увеличивая работу теплового насоса в периоды высокой солнечной генерации с последующими паузами. DR4 корректировала уставку бака-аккумулятора: тепловая энергия запасалась при избытке выработки ФЭ-системы и затем использовалась для снижения отбора электроэнергии из сети. Определив DR4 как наиболее эффективную стратегию, авторы дополнительно проверили её в здании с качественной теплоизоляцией и ночной естественной вентиляцией, а также в сочетании с системой PV-B.
«Годовой анализ показывает, что динамическая ценовая стратегия DR1 серьёзно ухудшает качество внутренней среды: коэффициент соответствия комфортным условиям (Comfort Compliance Ratio, CCR) падает до 23,82% против 34,71% в базовом варианте, при скромной экономии энергии в 3,42%, — сообщают исследователи. — Напротив, DR2 успешно смещает нагрузку, незначительно повышая годовой показатель комфорта до 36,14% и сокращая годовое потребление электроэнергии на 2,14%».
Статическая стратегия DR3, управляемая выработкой ФЭ-системы, дала промежуточный результат: CCR снизился до 31,18% при существенном сокращении потребления электроэнергии на 14,73%. DR4 в неутеплённом здании, напротив, привела к серьёзному рассогласованию: поддерживать приемлемые внутренние условия не удалось, CCR упал до 24,11%, а годовая экономия энергии ограничилась 4,31%.
«Наиболее показательный результат достигается при внесении конструктивных изменений в стратегию DR4, — указывают авторы. — Сочетание утепления оболочки, ночной вентиляции и управления баком-аккумулятором повышает годовой CCR до 81,22%, более чем вдвое превышая базовое значение. С энергетической точки зрения такая конфигурация снижает годовое потребление электроэнергии до 28,22% относительно исходного случая. Интеграция системы PV-B дополнительно улучшает показатели за счёт совпадения по времени солнечной генерации и потребности здания, увеличивая экономию сетевой электроэнергии до 59,89%».
Результаты опубликованы в статье «Exploring the flexibility potential of office building with air-to-water heat pumps in the Mediterranean climate» в журнале Energy Conversion and Management.
