Electricity and Heat Energy Management of a Detached House with PV/T Assisted Heat Pump in a Smart Grid Environment

Abstract

Rapidly developing technologies and diversifying products in the field of energy increase the ability of consumers to meet the electricity and heat needs in various ways. Particularly with the concept of energy transition being introduced, the energy needed in various sectors is shifting primarily to the electrical energy side. Moreover, the environmental impacts of fossil resources support the increasing penetration of renewable energy in the electricity grid. The emerging technical and legal infrastructure enables consumers to play the role of both producers and consumers. In this study, after analyzing and designing to meet the electricity and heating needs of a private house, the economic benefit in the dynamic electricity market is aimed through the energy storage system of the house. In the first stage, the heat loss of the house is calculated and a PV/T-supported heat pump suitable for the house is designed. In the second stage, it is aimed to both satisfy the needs and generate income in a smart grid environment. While the designed PV/T assisted heat pump achieves COP and efficiency values suitable for commercial standards, the effectiveness of the algorithm is tested with 6 different scenarios. In all scenarios, electricity and heating demands are fulfilled without any trouble, while income is achieved in 5 scenarios. The best revenue is obtained in Scenario 5 at $198.55 since a positive impact on PV production and heating demand is generated in April. As a conclusion, houses with energy generation capacity can play an active role in the electric grid, covering the needs and providing economic benefits at the same time.

Keywords

• Smart grid
• Energy storage
• Energy management
• Heat Pump
• PV/T system
• Renewable energy

Akıllı Şebeke Ortamında PV/T Destekli Isı Pompası ile Bir Müstakil Evin Elektrik ve Isı Enerjisi Yönetimi

Abstract

Enerji alanında hızlı gelişen teknolojiler ve çeşitlenen ürünler tüketicilerin elektrik ve ısı ihtiyacını farklı yöntemlerle karşılayabilmesi imkanını artırmaktadır. Özellikle enerji geçişi kavramının ortaya atılması ile çeşitli sektörlerde ihtiyaç duyulan enerji ağırlıklı olarak elektrik enerjisi tarafına kaymaktadır. Ayrıca, fosil kaynakların çevreye zararlı olması, elektrik şebekesinde yenilenebilir enerjinin nüfuzunun artmasını desteklemektedir. Oluşan teknik ve hukuki altyapı, tüketicilerin hem üretici hem tüketici rolünü üstlenmesini sağlamaktadır. Bu çalışmada, bir müstakil evin elektrik ve ısıtma ihtiyacını karşılamak üzere analizler ve tasarımlar yapıldıktan sonra, eve ait enerji depolama sistemi sayesinde dinamik elektrik piyasasında ekonomik fayda amaçlanmaktadır. İlk aşama olarak evin ısı kaybı hesabı yapılarak eve uygun PV/T destekli ısı pompası tasarlanmaktadır. İkinci aşamada akıllı şebeke ortamında hem ihtiyaçların karşılanması hem de gelir elde edilmesi hedeflenmektedir. Tasarlanan PV/T destekli ısı pompası piyasa koşullarına uygun COP ve verimlilik değerlerini elde ederken, oluşturulan algoritmanın etkinliği 6 farklı senaryo ile test edilmektedir. Senaryoların tamamında elektrik ve ısıtma ihtiyacı sorunsuz karşılanırken, 5 senaryoda kazanç elde edilmektedir. PV üretimi ve ısıtma talebi üzerinde nisan ayı olumlu etki ürettiğinden en iyi kazanç Senaryo 5’te 198.55 $ olarak elde edilmektedir. Sonuç olarak, enerji üretimi kapasitesine sahip evler, elektrik şebekesinde aktif rol oynayarak hem ihtiyaçlarını karşılayıp hem de ekonomik avantajlar elde edebilirler.

Keywords

• Akıllı şebeke
• Enerji depolama
• Enerji yönetimi
• Isı pompası
• PV/T sistem
• Yenilenebilir enerji

References

1. Abbas, S., Yuan, Y., Hassan, A., Zhou, J., Zeng, C., Yu, M., & Emmanuel, B. (2022). Experimental and numerical investigation on a solar direct-expansion heat pump system employing PV/T & solar thermal collector as evaporator. Energy, 254. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124312
2. Yakut, A., (2017). Yeni Nesil Soğutucu Akışkan R-32 Hakkındaki Son Gelişmeler ve Kigali Anlaşmasının Getirdikleri. Erişim adresi: https://www.termodinamik.info/teknik/dr-andac-yakut-daikin-r32-sogutucu-akiskanlar (Erişim adresi: 17 Şubat, 2025).
3. Aktar, A. K. (2025). Energy transition in smart grids: Combining hydrogen, methanation and electric vehicles for sustainable heat and power. International Journal of Hydrogen Energy, 140, 787–802. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.05.363
4. Aktar, A. K., & Karakılıç, M. (2024). Yenilenebilir Enerji Kaynaklarından Beslenen Bir Mikro Şebekenin Enerji Depolama Sistemleri Desteği ile Optimum Çalışması. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 12(4), 1018–1034. https://doi.org/10.29109/gujsc.1533522
5. Behzadi, A., & Arabkoohsar, A. (2020). Feasibility study of a smart building energy system comprising solar PV/T panels and a heat storage unit. Energy, 210. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118528
6. Bilimsel, K., Teknolojik, /, Oturumları, A., Kirtepe, E., & Güngör, A. (2019). İzmir koşullarında açık gökyüzü ışınımı için fotovoltaik/termal (PV/T) kolektörün teorik modellenmesi.
7. Chandrasekar, M., & Senthilkumar, T. (2021). Five decades of evolution of solar photovoltaic thermal (PVT) technology – A critical insight on review articles. In Journal of Cleaner Production (Vol. 322). Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128997
8. Duarte, W. M., Paulino, T. F., Pabon, J. J. G., Sawalha, S., & Machado, L. (2019). Refrigerants selection for a direct expansion solar assisted heat pump for domestic hot water. Solar Energy, 184, 527–538. https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.04.027

9. Energy Agency, I. (2050). Net Zero by 2050 - A Roadmap for the Global Energy Sector. www.iea.org/t&c/
10. Petrucci, G. A., Peñaranda Chenche, L. E., Cardenas Gomez, A. O., Jaramillo Loayza, D. M., Belman Flores, J. M., & Garcia Pabon, J. J. (2024). Energy analysis of a direct expansion heat pump assisted by a thermal photovoltaic panel for hot water production in several regions of Brazil. Energy Conversion and Management, 319. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118969
11. Sezen, K., & Gungor, A. (2023). Comparison of solar assisted heat pump systems for heating residences: A review. In Solar Energy (Vol. 249, pp. 424–445). Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.11.051
12. Singh, A. P., Tiwari, S., & Sinhmar, H. (2025). A novel photovoltaic thermal and thermoelectric converter air collector integrated with solar dryer having thermal energy storage - An experimental approach. Journal of Energy Storage, 108. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.115115
13. Türk Standardları Enstitüsü (TSE), (2021). TS 825: Binalarda Isı Yalıtım Kuralları, Ankara.
14. Zhang, L., Feng, G., Huang, K., Bi, Y., Chang, S., & Li, A. (2025). Design and optimization for photovoltaic heat pump system integrating thermal energy storage and battery energy storage. Energy and Buildings, 329. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2025.115277