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Una combinazione di tecnologie energetiche rinnovabili è superiore alla somma delle sue parti. I sistemi fotovoltaico-termici abbinati a sistemi a pompa di calore rappresentano una delle soluzioni ibride più promettenti per un approvvigionamento energetico sostenibile negli edifici. A differenza delle forme convenzionali di riscaldamento solare o di trasmissione della luce solare, le tecnologie FV-T sono in grado di produrre sia energia elettrica sia calore, mentre la pompa di calore innalza l’energia termica a bassa temperatura (calore) fino a una temperatura utilizzabile. Insieme, formano una coppia efficace, dimostrata e testata in installazioni reali in tutto il mondo.
Come funziona il sistema ibrido
Il collettore FV-T (fotovoltaico-termico) è l'elemento chiave di questo sistema e consiste in celle fotovoltaiche applicate a un assorbitore termico sul lato opposto. Le celle FV producono elettricità quando vengono colpite dalla luce solare, mentre l'assorbitore termico raccoglie il calore residuo dei pannelli e lo trasferisce a un fluido circolante nel sistema. La progettazione bifunzionale di questo prodotto risolve uno dei principali inconvenienti dei moduli fotovoltaici convenzionali: il surriscaldamento. In condizioni operative normali del sistema di raffreddamento FV-T, è stato studiato questo tipo di energia e si è osservato che l'efficienza elettrica migliora significativamente grazie all'uso del sistema di raffreddamento FV-T.
Il calore recuperato viene quindi utilizzato come fonte di calore a bassa temperatura in un ciclo a pompa di calore, riducendo il carico imposto sul compressore. Per molte configurazioni, l’energia termica generata dai collettori fotovoltaici termici (PVT) costituisce una frazione significativa del calore immesso nel sistema. Il metodo a sovralimentazione liquida, ad esempio, garantisce un miglior bagnamento delle pareti e un pieno sfruttamento della superficie disponibile per lo scambio termico; ciò consente al compressore di aspirare un vapore con densità maggiore e migliora le prestazioni termiche ed elettriche. Questa combinazione efficace delle due tecnologie realizza un circuito chiuso, poiché il calore di scarto viene utilizzato come risorsa.
Parametri prestazionali da installazioni reali
Le prestazioni degli ibridi pompa di calore PVT sono impressionanti e i dati reali lo confermano. Per la serra situata presso l’impianto di prova per condizioni invernali reali, sono stati analizzati i sistemi ibridi — costituiti da campi di collettori solari PVT da 12 kW e da una pompa di calore a velocità variabile da 10 kW — in termini di prestazioni termiche ed elettriche. La temperatura interna della serra è rimasta stabile a 10 °C indipendentemente dalla temperatura esterna, scesa fino a -10,5 °C, per tutta la stagione invernale; è stata fornita una quantità di calore pari a 11.253 kWh. Poiché durante la bassa stagione non vi era quasi alcuna richiesta di riscaldamento degli ambienti, gli altri 11.125 kWh sono stati immagazzinati e successivamente trasferiti sul carico termico annuale, portando l’apporto totale di calore su base annua a 22.378 kWh.
Sul versante elettrico, il sistema PVT ha generato 3.839 kWh di elettricità nell’arco dell’anno, coprendo il 36,72% del consumo totale di elettricità della pompa di calore e del sistema ausiliario. Un coefficiente stagionale di prestazione (CoP) pari a 3,38 ha dimostrato che l’integrazione dei collettori PVT con la pompa di calore in condizioni fredde consente notevoli risparmi sui consumi energetici e sulla dipendenza dall’energia elettrica della rete convenzionale.
In un edificio commerciale, il sistema dotato di un impianto PVT di 392 m² ha mostrato un CoP per il riscaldamento compreso tra 5,8 e 6,3 durante una settimana tipica. Il CoP complessivo del sistema ha raggiunto un valore massimo di 11,4, mentre il CoP medio annuale si è attestato a 5,5. Il periodo di ritorno dell’investimento è stato soltanto di 3,8 anni. Un ulteriore studio condotto su base annua ha rilevato un CoP medio di 2,92 in inverno, 3,69 in estate e 3,46 nelle stagioni di transizione, con un evaporatore PVT caratterizzato da un’efficienza termica media del 60,37% e da un’efficienza termoelettrica totale del 70,12% nei mesi medi. Questi risultati riguardano applicazioni specifiche e i relativi vantaggi economici.
Applicazioni e vantaggi economici
I sistemi ibridi pompa di calore PVT possono essere particolarmente vantaggiosi per siti con un’elevata domanda termica annuale, come piscine, lavanderie e serre. Questi sistemi possono soddisfare la maggior parte, se non tutti, i requisiti di riscaldamento e coprire molti dei fabbisogni elettrici degli elettrodomestici domestici in un sito di queste dimensioni quando utilizzati come fonte di energia 'primaria' per il solare. Negli ultimi anni sono stati introdotti sistemi pompa di calore geotermica assistiti da PVT (PVT-GHP), i quali hanno dimostrato un’efficienza exergetica complessiva PVT fino al 20 per cento superiore e una temperatura di picco del pannello fotovoltaico ridotta del 25,6 per cento.
I risparmi sui costi non riguardano soltanto il consumo energetico. In un’applicazione commerciale, il sistema ha ridotto la variazione annuale della temperatura di accumulo termico nel terreno a soli 0,4 °C e ha garantito un periodo di recupero del capitale investito di 3,8 anni. Con un aumento della distanza tra i fori di perforazione, il periodo di recupero si è ridotto del 18,8%. L’installazione di collettori fotovoltaici termici (PVT) abbinati a pompe di calore ha dimostrato un risparmio di energia prelevata dalla rete fino al 70%, con conseguenti riduzioni delle emissioni di CO₂ e dei costi complessivi su tutto il ciclo di vita!
Implicazioni future
La transizione energetica è ormai alle nostre porte; le normative sull’efficienza energetica degli edifici verranno applicate con maggiore rigore che mai e i sistemi ibridi PVT–pompa di calore avranno un ruolo fondamentale. Questa tecnologia dimostra inoltre che i sistemi a energia rinnovabile possono essere progettati in modo tale che, operando in combinazione, le loro prestazioni superino ampiamente quelle di ciascun componente preso singolarmente. Il sistema ibrido PVT–pompa di calore rappresenta quindi una soluzione consolidata, economica e vantaggiosa per l’ambiente per chi sta valutando investimenti nei propri immobili al fine di raggiungere la sostenibilità energetica.
Fondata nel 2009, Jiangsu DHC Environmental Si-Tech Co., Ltd opera nel settore dei prodotti per l’energia verde. Grazie alla sua elevata qualità e ai servizi offerti, l’azienda fornisce moduli solari PVT, pompe di calore, turbine eoliche e batterie LiFePO₄ destinate all’impiego in sistemi ibridi. Contattateci subito per scoprire come le nostre soluzioni riducono i vostri costi operativi e vi garantiscono indipendenza energetica.
