Come combinare le pompe di calore residenziali con il fotovoltaico e l’accumulo in batteria

I ricercatori del Fraunhofer ISE hanno studiato come i sistemi fotovoltaici residenziali sui tetti potrebbero essere combinati con pompe di calore e accumulatori a batteria.

Hanno valutato le prestazioni di un sistema fotovoltaico con pompa di calore e batteria basato su un controllo predisposto per la rete intelligente (SG) in una casa unifamiliare costruita nel 1960 a Friburgo, in Germania.

“Si è scoperto che il controllo intelligente ha aumentato il funzionamento della pompa di calore aumentando le temperature impostate”, ha detto alla rivista pv il ricercatore Shubham Baraskar . “Il controllo SG-Ready ha aumentato la temperatura di mandata di 4,1 Kelvin per la preparazione dell’acqua calda, riducendo quindi il fattore di prestazione stagionale (SPF) del 5,7% da 3,5 a 3,3. Inoltre, per la modalità di riscaldamento dell’ambiente, il controllo intelligente ha ridotto l’SPF del 4% da 5,0 a 4,8.”

L’SPF è un valore simile al coefficiente di prestazione (COP), con la differenza che viene calcolato su un periodo più lungo con condizioni al contorno variabili.

Baraskar e i suoi colleghi hanno spiegato le loro scoperte in “ Analisi delle prestazioni e del funzionamento di un sistema di pompa di calore a batteria fotovoltaica basato su dati di misurazione sul campo ”, recentemente pubblicato su Solar Energy Advances. Il vantaggio principale dei sistemi fotovoltaici a pompa di calore consiste nel ridotto consumo di rete e nei minori costi dell’elettricità.

Il sistema a pompa di calore è una pompa di calore geotermica da 13,9 kW progettata con un accumulo tampone per il riscaldamento degli ambienti. Si avvale inoltre di un serbatoio di accumulo e di una stazione di acqua dolce per la produzione di acqua calda sanitaria (ACS). Entrambi i contenitori sono dotati di riscaldatori elettrici ausiliari.

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

“La potenza CC proveniente dalle unità FV e batteria viene convertita in CA tramite un inverter che ha una potenza CA massima di 12 kW e un’efficienza europea del 95%”, hanno spiegato i ricercatori, sottolineando che il controllo SG-ready è in grado di interagire con dalla rete elettrica e regolare di conseguenza il funzionamento del sistema. “Durante i periodi di carico di rete elevato, il gestore della rete può disattivare il funzionamento della pompa di calore per ridurre la sollecitazione della rete o, nel caso opposto, può anche sottoporla ad un’accensione forzata.

Nella configurazione di sistema proposta, l’energia fotovoltaica deve essere inizialmente utilizzata per i carichi domestici, mentre l’eccedenza viene fornita alla batteria. L’energia in eccesso può essere immessa nella rete solo se l’abitazione non ha bisogno di elettricità e la batteria è completamente carica. Se sia l’impianto fotovoltaico che la batteria non sono in grado di coprire il fabbisogno energetico della casa, è possibile utilizzare la rete elettrica.

“La modalità SG-Ready viene attivata quando la batteria è completamente carica o si sta caricando alla massima potenza e c’è ancora un surplus di fotovoltaico disponibile”, hanno affermato gli accademici. “Al contrario, la condizione di attivazione è soddisfatta quando la potenza fotovoltaica istantanea rimane inferiore alla domanda totale dell’edificio per almeno 10 minuti”.

La loro analisi ha considerato i livelli di autoconsumo, la frazione solare, l’efficienza della pompa di calore e l’impatto del sistema fotovoltaico e della batteria sull’efficienza prestazionale della pompa di calore. Hanno utilizzato dati ad alta risoluzione di 1 minuto da gennaio a dicembre 2022 e hanno scoperto che il controllo SG-Ready ha aumentato le temperature di mandata della pompa di calore di 4,1 K per l’acqua calda. È stato inoltre accertato che nel corso dell’anno l’impianto ha raggiunto un autoconsumo complessivo pari al 42,9%, il che si traduce in vantaggi economici per i proprietari di casa.

“La domanda di elettricità per la [pompa di calore] è stata coperta per il 36% con il sistema fotovoltaico/batteria, per il 51% in modalità acqua calda sanitaria e per il 28% in modalità riscaldamento ambiente”, ha spiegato il team di ricerca, aggiungendo che temperature più elevate del lavandino hanno ridotto efficienza della pompa di calore del 5,7% in modalità ACS e del 4,0% in modalità riscaldamento ambiente.

“Anche per il riscaldamento degli ambienti è stato riscontrato un effetto negativo del controllo intelligente”, ha affermato Baraskar. “Grazie al controllo SG-Ready, la pompa di calore funzionava in modalità riscaldamento ambiente al di sopra delle temperature di setpoint del riscaldamento. Ciò è dovuto al fatto che il controllo probabilmente ha aumentato la temperatura impostata per l’accumulo e ha azionato la pompa di calore anche se il calore non era necessario per il riscaldamento dell’ambiente. Va inoltre considerato che temperature di stoccaggio eccessivamente elevate possono portare a maggiori perdite di calore di stoccaggio”.

Gli scienziati hanno affermato che in futuro studieranno ulteriori combinazioni fotovoltaiche/pompe di calore con diversi concetti di sistema e controllo.

“Va notato che questi risultati sono specifici per i singoli sistemi valutati e possono variare notevolmente a seconda delle specifiche dell’edificio e del sistema energetico”, hanno concluso.