Integración de bombas de calor domésticas con energía solar fotovoltaica y almacenamiento en baterías

Conexiones del sistema hidráulico para los sistemas de bomba de calor

Los investigadores del Fraunhofer ISE han estado explorando el potencial de los sistemas de energía solar en tejados residenciales, específicamente cómo pueden funcionar en conjunto con bombas de calor y almacenamiento de baterías.

Su estudio se centró en una casa unifamiliar construida en 1960 en Friburgo, Alemania, equipada con un sistema que combinaba paneles fotovoltaicos (PV), una bomba de calor y almacenamiento de baterías, todo ello gestionado por una red inteligente (SG). control listo. Shubham Baraskar, un investigador, compartió con la revista PV que el control inteligente aumentó efectivamente el funcionamiento de la bomba de calor al elevar las temperaturas establecidas. Por ejemplo, el control aumentó la temperatura del suministro en 4,1 Kelvin para la preparación de agua caliente, lo que resultó en una disminución del 5,7 % en el factor de rendimiento estacional (SPF), de 3,5 a 3,3. En el modo de calefacción de espacios, el control inteligente redujo el SPF en un 4 %, de 5,0 a 4,8.

El SPF, similar al coeficiente de rendimiento (COP), se diferencia en que se calcula durante un período más prolongado en diferentes condiciones. 

Baraskar y su equipo detallaron sus hallazgos en su estudio, "Análisis del rendimiento y funcionamiento de un sistema de bomba de calor con batería fotovoltaica basado en datos de medición de campo", publicado en Solar Energy Advances. Señalaron que los principales beneficios de los sistemas fotovoltaicos de bomba de calor son un menor consumo de red y menores costos de electricidad.

El sistema de bomba de calor presentado es una unidad de fuente terrestre de 13,9 kW con almacenamiento intermedio para calefacción de espacios. También incluye un depósito y una estación de agua dulce para la producción de agua caliente sanitaria (ACS), ambos con resistencias auxiliares eléctricas.

El sistema solar fotovoltaico está orientado al sur con un ángulo de inclinación de 30 grados, tiene una potencia de 12,3 kW y cubre 60 metros cuadrados. La batería acoplada a CC tiene una capacidad de 11,7 kWh. La casa seleccionada tiene una superficie climatizada de 256 m² y una demanda de calefacción anual de 84,3 kWh/m²a.

Los investigadores explicaron que la energía CC de las unidades fotovoltaicas y de batería se convierte en CA a través de un inversor con una potencia máxima de 12 kW y una eficiencia europea del 95%. El control SG-ready interactúa con la red eléctrica, ajustando el funcionamiento del sistema en consecuencia. Esto permite reducir la tensión de la red durante períodos de alta carga apagando la bomba de calor o activándola en situaciones inversas.

En el sistema ideado por los investigadores, la energía solar de los paneles fotovoltaicos se utiliza primero para las necesidades domésticas. Luego, toda la energía adicional se dirige a la batería. Sólo cuando se satisfacen las necesidades de la casa y la batería está completamente cargada se envía el exceso de energía a la red. Por el contrario, si el sistema fotovoltaico y la batería no pueden satisfacer las necesidades energéticas del hogar, se utiliza electricidad de la red.

El equipo destacó que el modo SG-Ready se activa cuando la batería está completamente cargada o cargando al máximo, y todavía hay excedente de energía solar. Se apaga cuando la energía solar es inferior a la demanda de la casa durante al menos 10 minutos.

Su estudio, que incluyó datos detallados de 1 minuto de enero a diciembre de 2022, analizó los niveles de autoconsumo, la fracción solar, la eficiencia de la bomba de calor y el impacto del sistema fotovoltaico y la batería en el rendimiento de la bomba de calor. Descubrieron que el control SG-Ready aumentó las temperaturas de suministro de la bomba de calor en 4,1 K para el agua caliente sanitaria (ACS) y logró una tasa de autoconsumo del 42,9 % durante el año, lo que generó ahorros financieros para los propietarios.

La demanda de electricidad para la bomba de calor fue cubierta en un 36% por el sistema fotovoltaico/batería, con un 51% en el modo ACS y un 28% en el modo de calefacción. Sin embargo, observaron que las temperaturas más altas reducían la eficiencia de la bomba de calor en un 5,7 % en el modo DHW y un 4,0 % en el modo de calefacción de espacios.

Baraskar señaló un inconveniente de la calefacción de espacios: el control inteligente a veces hacía que la bomba de calor funcionara por encima de las temperaturas de calefacción necesarias debido a probables aumentos en la temperatura establecida de almacenamiento, incluso cuando no se requería calefacción. También mencionó la posibilidad de una mayor pérdida de calor debido a temperaturas de almacenamiento excesivamente altas.

El equipo planea explorar más combinaciones de sistemas fotovoltaicos/bomba de calor con varias configuraciones y controles en el futuro. Enfatizaron que estos resultados son específicos de los sistemas que probaron y podrían variar según las diferentes especificaciones del edificio y del sistema energético.