Gli ultimi anni in Europa sono caratterizzati da uno sviluppo delle installazioni di sistemi impiantistici a pompa di calore. Tale soluzione infatti porta a una riduzione delle emissioni di gas a effetto serra e un maggiore sfruttamento delle fonti energetiche rinnovabili, compresa l'energia solare., sono quindi sistemi che rientrano negli obiettivi e scopi della Direttiva europea 2020.
In questo progetto di ricerca si studieranno le prestazioni di un impianto di riscaldamento costituito da pannelli fotovoltaici raffreddati tramite uno scambiatore di calore posto sottostante il pannello, che alimentano una pompa di calore acqua/acqua a servizio di un edificio con destinazione d'uso terziario. In una fase preliminare si studierà attraverso un codice termofluidodinamico la forma ottimale dello scambiatore di calore posto al di sotto del pannello fotovoltaico. Tali risultati saranno confrontate con le misure effettuate presso l'apparato sperimentale allestito all'interno dell'Università Politecnica di Cracovia. Successivamente verrà implementato un modello matematico del sistema impiantistico completo in ambiente Mathlab che, dapprima verrà tarato, e successivamente verrà utilizzato per analizzare tutti i parametri termodinamici del sistema al fine di valutarne l'efficienza energetica. In particolare si studierà e ottimizzerà il sistema di accumulo termico per l'alimentazione della pompa di calore e il funzionamento della stessa in funzione del fabbisogno energetico dell'edificio. Infine si confronteranno i risultati con quelli ottenuti da un sistema di riscaldamento tradizionale che utilizza una pompa di calore aria / acqua. Le analisi ovviamente verranno fatte per il clima di Cracovia dove è posizionato l'apparato sperimentale e successivamente verranno ripetute le considerazioni per il clima della città di Roma.
L'innovatività della ricerca proposta è strettamente legata allo sviluppo dei sistemi full electric per il riscaldamento in climi rigidi o laddove si cerchi di migliorare l¿efficienza del sistema. Inoltre un sistema di questo tipo, coadiuvato da un sistema di accumulo termico ed elettrico può essere una strada importante verso l¿indipendenza energetica congiuntamente alla rinuncia all¿utilizzo di combustibili fossili.
Molte ricerche in questo periodo tendono allo sviluppo della tecnologia della pompa di calore e al miglioramento dell¿efficienza soprattutto dove il clima rigido ne limita il funzionamento e il rendimento, dovendosi utilizzare diversi cicli di sbrinamento durante la giornata.
Nell¿ambito di soluzioni che migliorino l¿efficienza della macchina in funzione della temperatura della sorgente di calore esterna, possiamo sicuramente annoverare le pompe di calore geotermiche.
Tali tipologie di pompe di calore hanno dei costi di esercizio bassi, seppur con un costo di investimento iniziale più elevato. Questo è possibile grazie alle proprietà termiche intrinseche del terreno e al fatto che le temperature del terreno sono più stabili durante l¿anno a differenza della temperatura dell¿aria che ha marcate fluttuazioni. Esiste uno svantaggio che è quello della deriva termica, nel senso che estrarre calore dal terreno, porta nel lungo termine ad una riduzione della sua temperatura con una conseguente riduzione delle prestazioni della pompa di calore.
In questo ambito una recente ricerca [1] ha studiato una possibile soluzione in cui una pompa di calore geotermica è supportata da collettori solari. La pompa di calore utilizza il terreno come fonte di calore, al contempo sono presenti dei collettori solari che consentono riscaldare il terreno quando necessario. Molti studi sono recenti [2], e differenti soluzioni pensate. Viene utilizzato per esempio il pannello solare per la produzione di acqua calda sanitaria oltre che per fornire calore al terreno tramite scambiatori verticali. In relazione alle iniezioni solari nel terreno sono stati condotti anche studi sulla posizione relativa dei tubi verticali degli scambiatori, nonché sulle loro dimensioni, sul loro numero e sulla loro profondità.
Altri sistemi studiati riguardano l¿utilizzo di pompe di calore ad acqua in accoppiata ad un serbatoio di accumulo termico. L¿idea è quella di usare dei collettori solari per riscaldare l¿acqua sfruttando il calore che proviene dalla radiazione solare. Quest¿acqua viene poi stoccata all¿interno di un serbatoio di accumulo termico, il quale è poi collegato tramite un apposito circuito all¿evaporatore della pompa di calore.
Un importante ricerca [3] è stata condotta per un edificio, di nuova costruzione nella città di Atene. E¿ stata confrontata questa tecnologia con la classica pompa di calore raffreddata ad aria. Per questo tipo di clima con alti valori della radiazione solare, dall¿analisi energetica è emerso che la pompa di calore ad acqua è più efficiente da punto di vista energetico, in quanto è quella che assorbe il minor quantitativo di energia elettrica, e quindi presenta i minori costo di gestione, ma al contempo è quello che presenta il maggior costo di investimento.
Oltre ai collettori solari un altro sistema che può essere utilizzato per ¿raccogliere¿ l¿energia termica resa disponibile dalla radiazione solare sono i pannelli fotovoltaici termici (PVT) , questi pannelli seppur con una minore efficienza rispetto ad un collettore solare consentono la fornitura di energia termica, oltre che a garantire una maggior produzione elettrica rispetto ad un pannello fotovoltaico. Uno studio interessante in questo contesto [4] è quello in cui si accoppiano con una pompa di calore geotermica per il riscaldamento di un edificio.
Infine è importante inoltre menzionare un altro lavoro [5] che studia come integrare i pannelli PVT con sistemi a pompa di calore multisorgente.
[1] G. Emmi, A. Zarrella, M. De Carli, A. Galgaro, An analysis of solar assisted ground source heat pumps in cold climates, Energy Conversion and Management, Vol. 106, 2015, pp. 660-675
[2] M. Mohanraj, Ye. Belyayev, S. Jayaraj, A. Kaltayev, Research and developments on solar assisted compression heat pump systems ¿ A comprehensive review (Part-B: Applications), Renewable and Sustainable Energy Reviews 83 (2018) 124¿155
[3] Energetic and financial evaluation of a solar assisted heat pump heating system with other usual heating systems in Athens Christos ¿ Tzivanidis, Evangelos Bellos, Georgios Mitsopoulos Kimon, A.Antonopoulos, AsimakisDelis]
[4] M. Bakker, H.A. Zondag, M.J. Elswijk, K.J. Strootman, M.J.M. Jong, Performance and costs of a roof-sized PV/thermal array combined with a ground coupled heat pump, Solar Energy 78 (2005) 331¿339
[5] G. Emmi, A. Zarrella, M. De Carli, A heat pump coupled with photovoltaic thermal hybrid solar collectors: A case study of a multi-source energy system, Energy Conversion and Management 151 (2017) 386¿399.