Le prospettive della combinazione di PVT con pompe di calore ad aria e pompe di calore geotermiche

Introduzione

Sotto l'impulso della strategia globale per la neutralità carbonica, i sistemi energetici di edifici e industrie si stanno rapidamente orientando verso la pulizia e l'efficienza. L'integrazione fotovoltaica e solare termica (PVT), la pompa di calore aria-acqua (ASHP) e la pompa di calore geotermica (GSHP) sono gradualmente diventate tecnologie rappresentative tipiche di queste tecnologie. Il sistema PVT svolge sia funzioni di generazione di energia che di riscaldamento, mentre vari tipi di pompe di calore possono ottenere in modo efficiente il calore ambientale dall'aria o dal terreno per il riscaldamento e il raffrescamento. Se il PVT viene combinato organicamente con le pompe di calore aria-acqua e le pompe di calore geotermiche, è possibile ottenere una soluzione energetica completa che integra elettricità, calore e freddo, aprendo una nuova direzione per il risparmio energetico degli edifici e lo sviluppo dell'energia distribuita.

I. Una breve descrizione dei principi di funzionamento dei sistemi PVT e delle pompe di calore

1. Sistema PVT

Il PVT è un sistema che integra l'energia fotovoltaica e quella solare termica. La parte fotovoltaica converte l'energia radiante in energia elettrica attraverso le celle solari. La sezione solare termica recupera il calore residuo dei pannelli fotovoltaici attraverso il backsheet o le tubazioni per riscaldare l'acqua o l'aria. Il PVT non solo migliora l'efficienza di generazione di energia dei moduli fotovoltaici, ma fornisce anche energia termica aggiuntiva.

2. Pompa di calore ad aria (ASHP

L'ASHP trasferisce il calore di bassa qualità dall'aria all'acqua o all'aria attraverso componenti come compressori, evaporatori e condensatori per il riscaldamento o il raffreddamento. Il suo coefficiente di prestazione (COP) è solitamente compreso tra 2,5 e 4,5, il che significa che per ogni unità di energia elettrica consumata si possono ottenere da 2,5 a 4,5 unità di energia termica.

3. Pompa di calore geotermica (GSHP)

La pompa di calore geotermica sfrutta la temperatura relativamente stabile del suolo o dei corpi idrici sotterranei per lo scambio termico e termico. Rispetto alla pompa di calore aria-acqua, la pompa di calore geotermica è meno influenzata dalla temperatura ambiente e ha un'efficienza energetica più stabile, ma i costi di installazione sono più elevati.

Ii. La logica della combinazione di PVT e pompe di calore

L’abbinamento tra PVT e pompe di calore non è una semplice sovrapposizione ma un rapporto complementare:

PVT fornisce energia elettrica

Il funzionamento delle pompe di calore richiede elettricità. L'elettricità generata dal fotovoltaico può alimentare direttamente la pompa di calore, riducendo così la dipendenza dalla rete elettrica.

Il PVT fornisce una fonte di calore a bassa temperatura

L'efficienza di una pompa di calore è strettamente correlata alla temperatura della fonte di calore. Se il calore di scarto della piastra posteriore del PVT può essere utilizzato come fonte di calore ausiliaria per l'evaporatore, si migliorerà l'efficienza operativa della pompa di calore, soprattutto nelle stagioni fredde.

La pompa di calore funziona stabilmente

La pompa di calore può continuare a funzionare di notte o nelle giornate nuvolose, compensando le fluttuazioni energetiche causate dall'insufficiente irraggiamento solare nel PVT.

Fornitura combinata di raffreddamento e riscaldamento

Grazie al sistema combinato di PVT e pompa di calore, è possibile ottenere una fornitura completa di elettricità, acqua calda, riscaldamento e raffreddamento, soddisfacendo le diverse esigenze energetiche degli edifici moderni.

Iii. Le prospettive della combinazione di pompe di calore PVT e ad aria

Risolvere il problema del calo di efficienza in inverno

In condizioni di basse temperature invernali, l'evaporatore di una pompa di calore aria-acqua è soggetto a brina e la sua efficienza diminuisce significativamente. Se il calore fornito dal PVT durante il giorno riesce a preriscaldare l'evaporatore, si può ridurre efficacemente la frequenza della brina e migliorare l'efficienza operativa.

Adatto per l'architettura urbana

Gli edifici urbani hanno generalmente superfici di copertura limitate e un elevato fabbisogno energetico. Il sistema PVT+ASHP può essere installato sul tetto, generando elettricità, fornendo calore e acqua calda sanitaria. È una soluzione che occupa poco spazio.

Analisi economica

Investimento iniziale: relativamente alto, ma inferiore a quello delle pompe di calore geotermiche.

Costi operativi: riduzione dei costi di acquisto dell'elettricità tramite l'autogenerazione fotovoltaica.

Periodo di ammortamento: solitamente è compreso tra 7 e 10 anni nelle regioni con prezzi energetici elevati.

Caso di applicazione

In Italia, Spagna e altri luoghi, alcuni hotel hanno adottato sistemi ASHP alimentati da pannelli fotovoltaici, che possono raggiungere l'autosufficienza energetica verde sia per il raffrescamento estivo che per il riscaldamento invernale.

Iv. Le prospettive della combinazione di pompe di calore fotovoltaiche e geotermiche

Migliorare l'efficienza delle pompe di calore geotermiche

GSHP consuma energia elettrica. Se è alimentato da PVT, i costi operativi possono essere notevolmente ridotti.

Il calore di scarto del PVT viene utilizzato come fonte di calore ausiliaria

In inverno, la temperatura del sottosuolo è stabile ma ancora relativamente bassa. Se il calore di scarto generato dalla pompa di calore geotermica può essere trasferito al sottosuolo attraverso tubi di scambio termico, si possono migliorare le condizioni operative dell'evaporatore della pompa di calore geotermica e aumentare il COP complessivo.

Affidabilità operativa a lungo termine

La pompa di calore geotermica (GSHP) ha una lunga durata e un funzionamento stabile. In combinazione con il PVT, può formare un sistema efficiente, a basse emissioni di carbonio e di lunga durata, particolarmente adatto per edifici pubblici con funzionamento a lungo termine come scuole, ospedali e parchi industriali.

Analisi economica

Investimento iniziale: superiore a quello delle ASHP, principalmente a causa degli elevati costi di perforazione e posa delle tubazioni.

Costo operativo: il più basso, grazie alla temperatura sotterranea stabile e all'elevato rapporto di efficienza energetica.

Periodo di ammortamento: solitamente da 8 a 12 anni, ma la durata può superare i 20 anni.

Scenari applicativi

La combinazione di PVT e GSHP è più adatta nelle regioni fredde come l'Europa settentrionale e la Germania, che possono soddisfare la domanda di riscaldamento e di acqua calda sanitaria durante tutto l'anno.

V. Sfide tecniche e applicative

Costo iniziale elevato

Che si tratti di ASHP o GSHP, la complessità del sistema aumenta se combinato con PVT e la soglia di investimento rimane relativamente alta.

Problema di corrispondenza del sistema

Le caratteristiche di uscita della generazione di energia e del riscaldamento PVT non corrispondono pienamente alle esigenze delle pompe di calore, e sono necessari un controllo intelligente e un accumulo di energia coordinati.

Standard e promozione insufficienti

Attualmente mancano standard unificati per le pompe di calore PVT+ e l'esperienza nella progettazione e costruzione ingegneristica è limitata.

Scarsa consapevolezza dell'utente

Il mercato ha una certa conoscenza delle singole tecnologie PVT e pompa di calore, ma non ha ancora familiarità con il sistema composito combinato dei due, e sono necessari progetti dimostrativi per la promozione.

Vi. Direzioni di sviluppo futuro

Sistema di controllo intelligente

Grazie all'intelligenza artificiale e all'Internet delle cose, si ottiene un abbinamento in tempo reale tra l'uscita PVT e il carico della pompa di calore per ottimizzare le strategie operative.

Combinato con la tecnologia di accumulo di energia

Accumulo di energia elettrica: immagazzina l'elettricità durante il giorno e aziona le pompe di calore di notte.

Accumulo di energia termica: il calore di scarto generato dal PVT viene immagazzinato nel serbatoio dell'acqua o nei materiali a cambiamento di fase per bilanciare le fluttuazioni giorno-notte.

Progettazione modulare

In futuro, PVT e pompe di calore potrebbero lanciare prodotti integrati per ridurre la difficoltà di integrazione del sistema.

Promozione delle politiche

Nel contesto delle politiche di neutralità carbonica, si prevede che il governo offra sussidi o crediti per l'edilizia verde per promuoverne l'applicazione nelle istituzioni pubbliche e negli edifici commerciali.

Vii. Conclusione

La combinazione di PVT con pompe di calore ad aria e pompe di calore geotermiche non solo consente una complementarietà diversificata delle fonti energetiche, ma migliora anche significativamente l'efficienza energetica e riduce i costi di gestione degli edifici. Dagli edifici commerciali, alle istituzioni pubbliche ai parchi industriali, questo tipo di sistema energetico composito ha ampie prospettive di applicazione. Sebbene al momento si trovi ancora ad affrontare sfide come costi, standard e riconoscimento del mercato, con il progresso tecnologico e il supporto politico, si prevede che il sistema a pompa di calore PVT+ diventerà una parte importante del sistema energetico degli edifici ecosostenibili nel prossimo decennio.