Optimal Joint Planning of Technology Selection, Capacities Planning, and Operation Scheduling for Demand-Side Energy System considering Dynamics of Heat Pump Water Heater and Linkage of Electricity, Heat, and Water
##article.authors##
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Tomohiro Katsuzaki
Advanced Interdisciplinary Science and Technology, Graduate School of Engineering, University of Fukui
https://orcid.org/0000-0002-8673-2987
https://researchmap.jp/katsuzaki-tomohiro
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Ryuto Shigenobu
Faculty of Engineering, University of Fukui
https://orcid.org/0000-0001-8106-074X
https://researchmap.jp/ryuto_shigenobu
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Akiko Takahashi
Headquarters for Carbon Neutral Initiatives, Faculty of Basic and Generic Researches, University of Fukui
https://orcid.org/0009-0003-9308-3641
https://researchmap.jp/7000024925
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Masakazu Ito
Faculty of Engineering, University of Fukui
https://orcid.org/0000-0002-8932-4014
https://researchmap.jp/masakazu_ito
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Yosuke Suzuki
Headquarters for Carbon Neutral Initiatives, Faculty of Basic and Generic Researches, University of Fukui
https://researchmap.jp/szkysk
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Hiroaki Terasaki
Faculty of Engineering, University of Fukui
https://orcid.org/0000-0003-0087-8473
https://researchmap.jp/7000028111
DOI:
https://doi.org/10.51094/jxiv.1066Keywords:
photovoltaic system, gas water heater, coefficient of performance, energy management system, mixed-integer linear programmingAbstract
Heat pump water heaters (HPWHs) are attracting considerable attention as a pivotal renewable energy technology for achieving carbon neutrality in commercial and residential sectors. This study proposes an optimization model that comprehensively incorporates the dynamics of HPWHs and their interaction with electricity, heat, and water. Formulated as a joint optimization problem of technology selection, capacities planning, and operation scheduling, the model enables a potential evaluation of an HPWH-based energy system. Numerical simulations, conducted for a single household in Fukui City during the winter season, reveal that introducing a photovoltaic system, an HPWH, and a gas water heater (GWH) can minimize CO2 emissions. In this configuration, the optimal HPWH capacity is 11.7 kW, leading to a 41.4% reduction in CO2 emissions compared to an HPWH-only scenario. However, implementing this configuration would require reducing the current cost of renewable energy equipment by approximately 1/6.5. Furthermore, the derivation of a solution that combines HPWH and GWH is thought to derive from considering time variation in the coefficient of performance (COP), highlighting the importance of considering dynamics in HPWH modeling.
Conflicts of Interest Disclosure
The authors declare no conflicts of interest associated with this manuscript. The authors have no conflicts of interest directly relevant to the content of this article.Downloads *Displays the aggregated results up to the previous day.
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Submitted: 2025-01-31 09:46:11 UTC
Published: 2025-02-04 23:14:36 UTC
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