Un nuovo approccio per integrare le pompe di calore fotovoltaiche nelle serre

Ricercatori turchi e del Qatar hanno simulato la crescita dei pomodori in una serra dotata di un sistema di riscaldamento, ventilazione e condizionamento (HVAC) alimentato da pannelli fotovoltaici e da una pompa di calore ad aria.

Il gruppo ha sviluppato un nuovo modello di simulazione numerica in grado di tenere conto della crescita delle piante e dell’evaporazione.

“È più impegnativo mantenere l’ambiente interno della serra e determinare il dimensionamento del sistema HVAC rispetto alle case, a causa della complessità della struttura dell’edificio della serra e delle interazioni calore/massa tra il prodotto e l’aria interna”, ha spiegato. “I documenti in letteratura che simulano non tengono conto della crescita delle piante e considerano solo l’ambiente interno”.

Per la modellazione gli studiosi hanno utilizzato i software MATLAB e TRNSYS. Il sistema proposto è composto da un ventilatore, due valvole di controllo, una batteria di riscaldamento, una batteria di raffreddamento, un umidificatore e un deumidificatore per il riscaldamento, il raffreddamento e il condizionamento dell’aria interna della serra.

“Il sistema comprende anche una pompa di calore per soddisfare la domanda di riscaldamento/raffreddamento e pannelli fotovoltaici per generare l’elettricità necessaria per la pompa di calore”, hanno spiegato, aggiungendo che le altre parti della serra sono alimentate dalla rete elettrica. “Nel software TRNSYS sono stati utilizzati 450 moduli fotovoltaici HSA72M10 MF-550 con una potenza di 247,5 kWp-DC e l’efficienza dell’inverter è stata ipotizzata al 98%”.

Il modello ha simulato un intero anno, con tre stagioni di crescita: gennaio-aprile, maggio-agosto e settembre-dicembre. In base alla letteratura disponibile, la temperatura ottimale per il sistema HVAC è stata impostata tra i 20 e i 27 °C e l’umidità relativa tra il 40% e il 60%. Il modello è stato simulato per funzionare in quattro città, con condizioni ambientali ed economiche specifiche: Izmir in Turchia, Casablanca in Marocco, Tunisi in Tunisia e Valencia in Spagna.

La simulazione ha mostrato che il sistema di Izmir ha consumato 723.980 kWh di elettricità in un anno, di cui 376.030 kWh attraverso il fotovoltaico. A Casablanca, il consumo totale è stato di 690.550 kWh, di cui 416.820 kWh di energia solare; a Tunisi, il consumo totale è stato di 684.110 kWh e 417.960 di energia fotovoltaica; a Valencia, il consumo di energia fotovoltaica è stato di 379.780 kWh su 697.400 kWh.

Secondo i calcoli dei ricercatori, il periodo di ammortamento del sistema a Valencia è stato di 2,9 anni e a Casablanca di 5,7 anni. A Tunisi è stato di 9,31 anni e a Smirne di 13,55 anni.

I risultati della simulazione sono stati confrontati con un sistema di riferimento senza impianto HVAC. “Le temperature medie interne della serra con e senza sistema HVAC sono di 32,8 C e 23,5 C a Izmir. A Casablanca, la temperatura media interna della serra si riduce da 34,6 C a 23,6 C con l’implementazione di un sistema HVAC assistito da pompa di calore fotovoltaica”, hanno aggiunto. “Le temperature medie interne delle serre con e senza un sistema HVAC sono di 34,2 C e 23,5 C a Tunisi. L’implementazione di un sistema HVAC con pompa di calore fotovoltaica nella serra di Valencia provoca una riduzione della temperatura media annua interna della serra da 33,3 C a 23,5 C”.

Gli scienziati hanno presentato il sistema nell’articolo “An integrated transient model in TRNSYS for thermal management of the tomato growth process in a greenhouse with a PV-aided heat pump-assisted HVAC system“, pubblicato sull’International Journal of Thermofluids. L’articolo è stato scritto da scienziati dell’Università Eylül e dell’Università Yaşar della Turchia e dell’Università Hamad Bin Khalifa del Qatar.