Bomba de calor asistida por energía solar

Una bomba de calor asistida por energía solar ( SAHP ) es una máquina que combina una bomba de calor y paneles solares térmicos y/o paneles solares fotovoltaicos en un único sistema integrado. ^[1] Normalmente estas dos tecnologías se utilizan por separado (o solo colocándolas en paralelo) para producir agua caliente . ^[2] En este sistema el panel solar térmico realiza la función de fuente de calor de baja temperatura y el calor producido se utiliza para alimentar el evaporador de la bomba de calor. ^[3] El objetivo de este sistema es obtener un COP alto y luego producir energía de una manera más eficiente y menos costosa.

Es posible utilizar cualquier tipo de panel solar térmico (chapa y tubos, roll-bond, heat pipe, placas térmicas) o híbrido ( mono / policristalino , capa fina ) en combinación con la bomba de calor. El uso de un panel híbrido es preferible porque permite cubrir una parte de la demanda eléctrica de la bomba de calor y reducir el consumo eléctrico y en consecuencia los costes variables del sistema.

La optimización de las condiciones de operación de este sistema es el principal problema, porque hay dos tendencias opuestas del rendimiento de los dos subsistemas: a modo de ejemplo, disminuir la temperatura de evaporación del fluido de trabajo aumenta la eficiencia térmica del panel solar pero disminuye el rendimiento de la bomba de calor y, en consecuencia, el COP. ^[4] El objetivo de la optimización es normalmente la minimización del consumo eléctrico de la bomba de calor, o la energía primaria requerida por una caldera auxiliar que alimenta la carga no cubierta por fuente renovable .

Existen dos posibles configuraciones de este sistema, que se distinguen por la presencia o no de un fluido intermedio que transporte el calor desde el panel hasta la bomba de calor. Las máquinas llamadas de expansión indirecta utilizan principalmente agua como fluido caloportador, mezclada con un líquido anticongelante (normalmente glicol ) para evitar fenómenos de formación de hielo durante el periodo invernal. Las máquinas llamadas de expansión directa colocan el fluido refrigerante directamente en el interior del circuito hidráulico del panel térmico, donde se produce la transición de fase . ^[4] Esta segunda configuración, aunque es más compleja desde el punto de vista técnico, presenta varias ventajas: ^{[5] [6]}

• una mejor transferencia del calor producido por el panel térmico al fluido de trabajo lo que implica una mayor eficiencia térmica del evaporador, ligada a la ausencia de un fluido intermedio;
• la presencia de un fluido evaporante permite una distribución uniforme de la temperatura en el panel térmico con el consiguiente aumento de la eficiencia térmica (en condiciones normales de funcionamiento del panel solar, la eficiencia térmica local disminuye desde la entrada hasta la salida del fluido porque la temperatura del fluido aumenta);
• Utilizando un panel solar híbrido, además de la ventaja descrita en el punto anterior, aumenta la eficiencia eléctrica del panel (por consideraciones similares).

En términos generales, el uso de este sistema integrado es una forma eficiente de aprovechar el calor producido por los paneles térmicos en el período invernal, algo que normalmente no se aprovecharía porque su temperatura es demasiado baja. ^[3]

En comparación con el uso exclusivo de la bomba de calor, es posible reducir la cantidad de energía eléctrica consumida por la máquina durante la evolución del clima desde la temporada de invierno a la primavera, y luego finalmente utilizar solo paneles solares térmicos para producir toda la demanda de calor requerida (solo en el caso de la máquina de expansión indirecta), ahorrando así en costos variables. ^[2]

En comparación con un sistema con sólo paneles térmicos, es posible proporcionar una mayor parte de la calefacción invernal necesaria utilizando una fuente de energía no fósil. ^[7]

En comparación con las bombas de calor geotérmicas , la principal ventaja es que no se requiere la instalación de un campo de tuberías en el suelo, lo que se traduce en un menor coste de inversión (la perforación representa aproximadamente el 50% del coste de un sistema de bomba de calor geotérmica) y en una mayor flexibilidad de instalación de la máquina, incluso en zonas en las que hay espacio disponible limitado. Además, no existen riesgos relacionados con un posible empobrecimiento térmico del suelo. ^[8]

De manera similar a las bombas de calor de fuente de aire , el rendimiento de las bombas de calor asistidas por energía solar se ve afectado por las condiciones atmosféricas, aunque este efecto es menos significativo. El rendimiento de las bombas de calor asistidas por energía solar generalmente se ve afectado por la variación de la intensidad de la radiación solar en lugar de la oscilación de la temperatura del aire . Esto produce un mayor SCOP (COP estacional). Además, la temperatura de evaporación del fluido de trabajo es más alta que en las bombas de calor de fuente de aire, por lo que en general el coeficiente de rendimiento es significativamente más alto. ^[5]

En general, una bomba de calor puede evaporar a temperaturas inferiores a la temperatura ambiente. En una bomba de calor asistida por energía solar esto genera una distribución de temperatura de los paneles térmicos por debajo de esa temperatura. En esta condición las pérdidas térmicas de los paneles hacia el medio ambiente se convierten en energía adicional disponible para la bomba de calor. ^{[9] [10]} En este caso es posible que la eficiencia térmica de los paneles solares sea superior al 100%.

Otro aporte gratuito en estas condiciones de baja temperatura está relacionado con la posibilidad de condensación de vapor de agua en la superficie de los paneles, lo que aporta calor adicional al fluido caloportador (normalmente es una pequeña parte del calor total recogido por los paneles solares), que es igual al calor latente de condensación.

La configuración de la bomba de calor asistida por energía solar es sencilla, ya que utiliza únicamente paneles solares como fuente de calor para el evaporador. También puede existir una configuración con una fuente de calor adicional. ^[2] El objetivo es obtener mayores ventajas en ahorro energético pero, por otro lado, la gestión y optimización del sistema se vuelve más compleja.

La configuración geotérmica-solar permite reducir el tamaño del campo de tuberías (y reducir la inversión) y tener una regeneración del suelo durante el verano a través del calor recogido de los paneles térmicos.

La estructura aire-solar permite un aporte de calor aceptable también en días nublados, manteniendo la compacidad del sistema y la facilidad de instalación.

Al igual que en los acondicionadores de aire normales, uno de los problemas es mantener alta la temperatura de evaporación, especialmente cuando la luz solar tiene poca potencia y el flujo de aire ambiental es bajo.

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• «Bombas de calor asistidas por energía solar». Archivado desde el original el 28 de febrero de 2020. Consultado el 21 de junio de 2016 .
• "Pompe di calore elio-assistitite" (en italiano). Archivado desde el original el 7 de enero de 2012. Consultado el 21 de junio de 2016 .
• "Pompe di calore" (en italiano). Archivado desde el original el 11 de junio de 2016 . Consultado el 21 de junio de 2016 .