La energía fotovoltaica y las estrategias de control influyen poco en el tamaño óptimo de una bomba de calor en edificios rehabilitados

Investigadores de la Universidad alemana RWTH de Aquisgrán han estudiado el impacto de la energía fotovoltaica en tejados, los controles y las hipótesis de precios en el diseño de bombas de calor (HP) y almacenamiento de energía térmica para edificios modernizados, y han descubierto que la energía fotovoltaica y las estrategias de control influyen poco en el diseño óptimo de las HP.

«Nuestro trabajo ofrece un análisis exhaustivo de todos los tamaños de diseño utilizando un control basado en reglas de última generación y una simulación dinámica detallada para identificar posibles interdependencias en el diseño óptimo de los sistemas de bomba de calor asistidos por energía fotovoltaica», explicó a pv magazine el autor correspondiente de la investigación, Fabian Wüllhorst.

«Nuestro estudio se centró en envolventes de edificios bien aislados, que son comparables a los edificios nuevos. Sin embargo, los edificios nuevos de Alemania suelen utilizar sistemas de calefacción por suelo radiante con mayor inercia que los radiadores que estudiamos. Esta inercia añadida probablemente reduciría aún más la necesidad de almacenamiento de calefacción», explica. «Otro aspecto a tener en cuenta es la demanda de agua caliente sanitaria (ACS) y el tamaño del acumulador, que se mantuvieron constantes en nuestro estudio. Aunque los edificios con una elevada demanda de ACS son los que más se beneficiarán de una bomba de calor fotovoltaica, a la hora de dimensionar el acumulador de ACS deben tenerse en cuenta los aspectos higiénicos, en particular con respecto a la legionela».

Los científicos especificaron que, antes de su trabajo, no estaba claro hasta qué punto la fotovoltaica en cubierta, la utilización de una estrategia de control supervisorio y las hipótesis de precios influyen en el diseño óptimo de una HP, y señalaron que aplicaron una preselección para identificar combinaciones de entradas relevantes del modelo con una influencia potencialmente alta en el diseño óptimo.

«Aplicando una optimización del diseño basada en la simulación con un modelo detallado del sistema energético del edificio, optimizamos tres casos: sin fotovoltaica, sin control de supervisión y con un control de supervisión de última generación», explicaron además, señalando que su análisis se centró en la rehabilitación de edificios residenciales en Alemania y consideró el uso de un HP de fuente de aire, un calentador eléctrico con conexión en serie, un almacenamiento de energía térmica conectado en paralelo, un almacenamiento separado de agua caliente sanitaria (ACS) con un intercambiador de calor interno conectado en paralelo.

«El sistema se completa con la energía fotovoltaica, la envolvente del edificio y los perfiles de usuario para el ACS y la electricidad doméstica», explica el grupo de investigación.

Utilizando el software de código abierto Modelica, los académicos modelaron los componentes, el control y la envolvente del edificio. La modelización consideró un perfil típico de vivienda unifamiliar para cuatro personas con un consumo anual de 2.800 kW. También se tuvieron en cuenta seis orientaciones típicas de las instalaciones fotovoltaicas (este, sur, oeste, norte, sur-norte y este-oeste), así como parámetros como las temperaturas, los caudales de calor y los flujos de energía eléctrica.

«En todos los casos, suponemos una utilización del 100% de la superficie del tejado. Aunque esto no siempre es práctico, maximiza el posible efecto sobre el diseño óptimo», añaden. «Pensamos que si el uso del 100% de la superficie del tejado no influye en el diseño óptimo, un porcentaje menor tampoco lo hará».

Su análisis demostró que la energía fotovoltaica y las estrategias de control tienen una influencia «menor» en el tamaño óptimo de las HP, lo que justifica que no se tenga en cuenta la energía fotovoltaica en las directrices actuales, aunque las nuevas estrategias de control avanzadas deberían considerarse el diseño óptimo de las futuras HP. «La energía fotovoltaica influye poco en el tamaño óptimo de almacenamiento para calefacción de espacios, sólo en el caso de grandes HP y en supuestos de precios de la electricidad más elevados», subraya el grupo.

El análisis también demostró que un factor clave que influye en el tamaño óptimo de los HP son las hipótesis sobre el precio de la electricidad. «Con costes operativos más elevados, se deberían instalar HP más grandes para reducir el consumo de calefacción eléctrica», subrayaron los científicos.

«El hecho de que la energía fotovoltaica pueda despreciarse en el dimensionamiento de la bomba de calor es una ventaja, ya que los resultados apoyan un diseño sencillo de las bombas de calor asistidas por energía fotovoltaica», declaró Wüllhorst. «Mientras que las bombas de calor influyen en las tasas de autoconsumo y, por tanto, en el diseño óptimo del sistema fotovoltaico, los instaladores sólo tienen que tener en cuenta la interdependencia a la hora de dimensionar la fotovoltaica, y no la bomba de calor y el almacenamiento».

Presentaron sus conclusiones en el estudio «Heat pump and thermal energy storage: Influences of photovoltaic, the control strategy, and price assumptions on the optimal desig n» (Bomba de calor y almacenamiento de energía térmica: influencias de la energía fotovoltaica, la estrategia de control y supuestos de precios en el diseño óptimo), publicado en Renewable Energy. «Aunque los hallazgos ya pueden orientar a los profesionales a la hora de dimensionar la HP y el almacenamiento con fotovoltaica, futuros estudios deberían desarrollar reglas de diseño explícitas que proporcionen el diseño óptimo para diferentes supuestos de precios de la electricidad y entradas de modelos», señalaron, refiriéndose a futuras direcciones de investigación.

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