Інтеграція сонячної електростанції та теплового насоса в систему гарячого водопостачання на основі цифрового двійника

Анотація

В умовах зростання загроз енергетичній безпеці України та необхідності підвищення автономності житлового сектору, дослідження ефективного поєднання теплових насосів та сонячної генерації є вкрай актуальним. Метою дослідження було обґрунтування доцільності інтеграції теплового насоса типу «повітря- вода» у систему гарячого водопостачання багатоквартирного будинку, оснащеного сонячною електростанцією, з використанням цифрового двійника задля підвищення енергоефективності та автономності. У дослідженні застосовано наступні методи: аналіз фактичної бази енергоспоживання, енергетичне моделювання в програмі PV*SOL, інструментальний моніторинг температур, витрат води й електроенергії, а також порівняння варіантів конфігурації систем з урахуванням сезонних особливостей. Проведено порівняння режимів роботи теплового насоса: повного нагріву (до 55 °C) і бівалентного (до 35 °C з догрівом). Розраховано сезонну ефективність, покриття потреб від сонячної електростанції та варіанти балансування системи. В результаті встановлено, що фактичне споживання гарячої води у 21,5 раза нижче нормативного, а понад 60 % теплової енергії витрачається на циркуляцію. Надлишкова генерація сонячним масивом (понад 16 000 кВт·год/рік) може бути ефективно використана для нагріву води через тепловий насос. У режимі нагріву до 35 °C електроспоживання знижується на 50,9 % порівняно з режимом повного нагріву води (до 55 °C). Також, в роботі запропоновано цифровий двійник гібридної системи сонячна електростанція-тепловий насос, що адаптується до змін навантаження та умов роботи. Вперше проведено кількісну оцінку ефективності бівалентного режиму в умовах реального будинку з урахуванням фактичного споживання. Результати можуть бути використані для адаптивного проєктування систем гарячого водопостачання у житлових будинках. Запропонований підхід дозволяє знизити витрати, підвищити автономність, зменшити навантаження на мережу й адаптувати системи до кризових умов і змін у поведінці споживачів