Investigadores liderados por el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (Fraunhofer ISE) de Alemania han estudiado una instalación residencial de bomba de calor (HP, por sus siglas en inglés) acoplada a energía fotovoltaica, almacenamiento en baterías y un sistema preparado para la red inteligente.
«Falta una investigación en profundidad sobre el impacto del control inteligente en la eficiencia del rendimiento dinámico de la bomba de calor», afirman los investigadores. «Es necesario llevar a cabo un trabajo exhaustivo para analizar el efecto de las unidades fotovoltaicas y de baterías en la energía consumida por la bomba de calor redefiniendo los límites del sistema de los sistemas fotovoltaicos-HP».
Su análisis se basa en un año de datos de una vivienda unifamiliar en Friburgo (Alemania). Utiliza una bomba de calor geotérmica con una capacidad nominal de 13,9 kW. La unidad fotovoltaica tiene una superficie de módulo de 60 metros cuadrados y una potencia nominal de 12,3 kW. La batería tiene una capacidad de 11,7 kWh. El sistema tenía que calentar un espacio habitable de 256 metros cuadrados, así como un depósito de agua caliente sanitaria (ACS).
La bomba de calor de la instalación tiene la etiqueta SG-Ready, lo que significa que puede comunicarse con la red y ajustar su propio funcionamiento. En el contexto de esta investigación, sin embargo, se utilizó para maximizar el autoconsumo fotovoltaico ajustando el funcionamiento de la bomba de calor en función de la electricidad fotovoltaica disponible.
«En el sistema analizado, el SG-Ready está configurado para activar el funcionamiento reforzado de la bomba de calor, con lo que aumentan las temperaturas de suministro de calefacción y ACS», explica el grupo. «El modo SG-Ready se activa cuando la batería está totalmente cargada o se está cargando a su máxima potencia, y todavía hay un excedente fotovoltaico disponible».
Cuando la potencia fotovoltaica instantánea se mantiene por debajo de la demanda total del edificio durante al menos 10 minutos, se cumple la condición de activación, lo que hace que la bomba de calor vuelva al funcionamiento normal definido por los parámetros del sistema, explicaron los investigadores. Los datos térmicos y eléctricos de los sistemas utilizados en la investigación se recogieron durante todo el año 2022 y se analizaron con una resolución de un minuto.
Según los investigadores, el sistema combinado alcanzó una tasa de autoconsumo del 43% anual. Durante el invierno, con una generación fotovoltaica reducida, la tasa alcanzaba entre el 94% y el 100%. En los meses de verano, con una elevada generación fotovoltaica, el autoconsumo cayó por debajo del 50%, alcanzando su punto más bajo en julio, con un 25%.
Los científicos también analizaron la fracción solar (FS), que se refiere a la relación entre la electricidad fotovoltaica suministrada directamente a la carga de la bomba de calor, o a través de la descarga de la batería, y el consumo eléctrico total de la bomba de calor.
«Durante el periodo de evaluación, la bomba de calor consumió un total de 5.064 kWh, de los cuales el 63,8% procedía de la red», explican. «El conjunto fotovoltaico suministró 899 kWh (17,8%) y la unidad de baterías 934 kWh (18,4%), lo que da una fracción solar anual de 0,36».
Los investigadores calcularon el factor de rendimiento estacional (SPF) del sistema combinado y obtuvieron un índice de 6,7, lo que supone una mejora del 59,5% respecto a un sistema que dependiera únicamente de la red para alimentar la bomba de calor. Además, el sistema preparado para la red inteligente aumentó las temperaturas de suministro de agua caliente sanitaria en 4,1 K y de calefacción de espacios en 1,8 K. Sin embargo, sólo el 5% de la energía térmica en modo calefacción de espacios y el 28% en modo agua caliente sanitaria se suministraron a temperaturas elevadas.
«El aumento de temperatura reduce la eficiencia del 3,5 en 0,2 puntos y, por tanto, en un 5,7%», señalaron. «En el modo de calefacción de espacios, la eficiencia se reduce de 5,0 a 4,8 y, por tanto, en sólo un 4,0%».
Presentaron sus conclusiones en «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 batería fotovoltaica basado en datos de medición de campo), publicado recientemente en Solar Energy Advances. El equipo estaba formado por científicos de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Offenburg.
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