Integrazione delle pompe di calore domestiche con il solare fotovoltaico e l'accumulo di batterie

Collegamenti del sistema idronico per i sistemi a pompa di calore

I ricercatori del Fraunhofer ISE hanno esplorato il potenziale dei sistemi di energia solare sui tetti residenziali, in particolare come possono funzionare in tandem con le pompe di calore e l'accumulo di batterie.

Il loro studio si è concentrato su una casa unifamiliare costruita nel 1960 a Friburgo, in Germania, dotata di un sistema che combinava pannelli fotovoltaici (PV), una pompa di calore e un accumulo di batterie, il tutto gestito da una rete intelligente (SG) controllo pronto. Shubham Baraskar, un ricercatore, ha condiviso con la rivista PV che il controllo intelligente ha effettivamente aumentato il funzionamento della pompa di calore aumentando le temperature impostate. Ad esempio, il controllo ha aumentato la temperatura di mandata di 4,1 Kelvin per la preparazione dell'acqua calda, il che ha comportato una diminuzione del 5,7% del fattore di prestazione stagionale (SPF) da 3,5 a 3,3. In modalità riscaldamento ambiente, il controllo intelligente ha ridotto l'SPF del 4%, da 5,0 a 4,8.

L'SPF, simile al coefficiente di prestazione (COP), differisce in quanto viene calcolato su un periodo più esteso in condizioni variabili. 

Baraskar e il suo team hanno dettagliato i loro risultati nel loro studio, "Analisi delle prestazioni e del funzionamento di un sistema di pompa di calore a batteria fotovoltaica basato su dati di misurazione sul campo", pubblicato su Solar Energy Advances. Hanno notato che i vantaggi principali dei sistemi fotovoltaici a pompa di calore sono la riduzione del consumo di rete e la riduzione dei costi dell'elettricità.

Il sistema a pompa di calore presentato è un'unità geotermica da 13,9 kW con accumulo tampone per il riscaldamento degli ambienti. Comprende anche un serbatoio e una stazione di acqua dolce per la produzione di acqua calda sanitaria (ACS), entrambi dotati di riscaldatori elettrici ausiliari.

L'impianto solare fotovoltaico è esposto a sud con un angolo di inclinazione di 30 gradi, vanta una potenza di 12,3 kW e copre una superficie di 60 metri quadrati. La batteria accoppiata in corrente continua ha una capacità di 11,7 kWh. La casa selezionata ha una superficie riscaldata di 256 m² e un fabbisogno di riscaldamento annuo di 84,3 kWh/m²a.

I ricercatori hanno spiegato che la potenza CC proveniente dalle unità fotovoltaiche e batteria viene convertita in CA tramite un inverter con una potenza massima di 12 kW e un'efficienza europea del 95%. Il controllo SG-ready interagisce con la rete elettrica regolando di conseguenza il funzionamento del sistema. Ciò consente di ridurre la tensione della rete durante i periodi di carico elevato spegnendo la pompa di calore o attivandola in situazioni inverse.

Nel sistema ideato dai ricercatori, l'energia solare proveniente dai pannelli fotovoltaici viene utilizzata innanzitutto per le esigenze domestiche. Qualsiasi energia extra viene quindi diretta alla batteria. Solo quando il fabbisogno della casa è soddisfatto e la batteria è completamente carica l'energia in eccesso viene inviata alla rete. Al contrario, se l'impianto fotovoltaico e la batteria non riescono a soddisfare il fabbisogno energetico della casa, viene utilizzata l'elettricità proveniente dalla rete.

Il team ha evidenziato che la modalità SG-Ready si attiva quando la batteria è completamente carica o si carica al massimo ed è ancora disponibile energia solare in eccesso. Si spegne quando l'energia solare è inferiore al fabbisogno domestico per almeno 10 minuti.

Il loro studio, che ha coinvolto dati dettagliati di 1 minuto da gennaio a dicembre 2022, ha esaminato i livelli di autoconsumo, la frazione solare, l'efficienza della pompa di calore e l'impatto del sistema fotovoltaico e della batteria sulle prestazioni della pompa di calore. Hanno scoperto che il controllo SG-Ready ha aumentato le temperature di fornitura della pompa di calore di 4,1 K per l'acqua calda sanitaria (ACS) e ha raggiunto un tasso di autoconsumo del 42,9% nel corso dell'anno, portando a risparmi finanziari per i proprietari di case.

La domanda di elettricità per la pompa di calore è stata coperta per il 36% dal sistema fotovoltaico/batteria, di cui il 51% in modalità ACS e il 28% in modalità riscaldamento ambiente. Tuttavia, hanno notato che temperature più elevate riducono l'efficienza della pompa di calore del 5,7% in modalità ACS e del 4,0% in modalità riscaldamento ambiente.

Baraskar ha sottolineato un inconveniente nel riscaldamento degli ambienti: il controllo intelligente a volte faceva sì che la pompa di calore funzionasse al di sopra delle temperature di riscaldamento necessarie a causa di probabili aumenti della temperatura impostata per l'accumulo, anche quando il riscaldamento non era richiesto. Ha anche menzionato la possibilità di una maggiore perdita di calore a causa di temperature di stoccaggio eccessivamente elevate.

Il team prevede di esplorare in futuro ulteriori combinazioni di sistemi fotovoltaici/pompe di calore con varie configurazioni e controlli. Hanno sottolineato che questi risultati sono specifici per i sistemi testati e potrebbero variare a seconda delle diverse specifiche dell'edificio e del sistema energetico.