Las bombas de calor residenciales conectadas a un sistema solar con almacenamiento logran un mayor factor de rendimiento estacional

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Un grupo de investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE) de Alemania investigó el rendimiento de bombas de calor (HP, por sus siglas en inglés) preparadas para la red inteligente combinadas con generación de energía solar en tejados y almacenamiento en baterías en viviendas unifamiliares y descubrió que tanto las matrices fotovoltaicas como las baterías pueden mejorar significativamente el rendimiento de las bombas de calor.

El operador de la red puede apagar las bombas de calor inteligentes durante los periodos de mayor carga de la red. También ofrecen la ventaja de maximizar el autoconsumo fotovoltaico ajustando su funcionamiento en función de la energía solar disponible.

“El modo listo para la red inteligente se activa cuando la batería está totalmente cargada o se está cargando a su máxima potencia y todavía hay excedente fotovoltaico disponible”, explican los científicos, que señalan que las HP listas para la red inteligente pueden ajustar su funcionamiento en función de la red. “Por el contrario, la condición de desconexión se cumple cuando la potencia fotovoltaica instantánea sigue siendo inferior a la demanda total del edificio durante al menos 10 min”.

Los académicos analizaron, en concreto, el rendimiento de un sistema FV-HP utilizando datos de campo con resolución de 1 minuto de una casa unifamiliar adosada construida en 1960 en Friburgo, al sur de Alemania. La casa tiene una demanda anual de calefacción de 84,3 kWh/m²a y una superficie habitable calefactada de 256 m2.

En el análisis se analizó cómo el control inteligente utilizado en el sistema de energía solar más almacenamiento puede afectar al rendimiento de la bomba de calor. Tuvieron en cuenta indicadores clave de rendimiento (KPI) como la tasa de autoconsumo, la fracción solar, el factor de rendimiento estacional y la curva de calefacción. “Puede ser útil evaluar el rendimiento de la bomba de calor sólo para la electricidad consumida de la red”, explicaron. “Este enfoque se basa en el supuesto de que la electricidad generada por las unidades fotovoltaicas domésticas y las baterías es efectivamente gratuita para los propietarios de viviendas”.

La configuración del sistema propuesto incluye una bomba de calor geotérmica de 13,9 kW destinada a calefacción y agua caliente sanitaria (ACS), un sistema fotovoltaico de 12,3 kW orientado al sur con un ángulo de inclinación de 30 grados, un inversor de 12 kW y una batería acoplada de CC con una capacidad de 11,7 kWh.

El análisis demostró que el sistema FV-HP era capaz de alcanzar una tasa media de autoconsumo del 42,9% a lo largo del año, alcanzando los picos más altos en invierno. “Por el contrario, un alto excedente fotovoltaico conduce a un menor autoconsumo en verano, normalmente durante las horas de máxima luz solar”, explicó el equipo de investigación. “Una mayor capacidad de la batería ayudaría a maximizar el autoconsumo; sin embargo, esto también implica que la mayor parte de la capacidad de la batería quedaría sin utilizar durante los meses de invierno con un excedente fotovoltaico limitado”.

Los científicos también descubrieron que el sistema solar más almacenamiento era capaz de cubrir alrededor del 36% de la demanda de electricidad de la bomba de calor. “Debido a las mayores temperaturas del sumidero, la eficiencia de la HP disminuye un 5,7% en modo ACS y un 4,0% en modo calefacción”, especificaron también. “Los resultados mostraron que al considerar la electricidad fotovoltaica suministrada a la bomba de calor, el factor de rendimiento estacional aumentaba de 4,2 a 5,2. Cuando se consideró el suministro combinado de FV y batería a la bomba de calor, el factor de rendimiento estacional aumentó a 6,7”.

Sin embargo, también señalaron que el control inteligente puede afectar negativamente a la eficiencia de la bomba de calor debido al aumento de las temperaturas de suministro. “La evaluación a largo plazo a nivel de sistema, teniendo en cuenta el efecto de las pérdidas de almacenamiento y considerando el rendimiento económico puede evaluar mejor el efecto del control inteligente en el sistema”, concluyeron.

Sus conclusiones están disponibles en el estudio “Analysis of the performance and operation of a photovoltaic-battery heat pump system based on field measurement data” (Análisis del rendimiento y funcionamiento de un sistema de bomba de calor con baterías fotovoltaicas basado en datos de mediciones de campo), publicado en Solar Energy Advances.

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