Utilizzo dell’energia fotovoltaica in eccesso per l’accumulo termico sotterraneo

Gli scienziati hanno proposto un nuovo sistema che utilizza l’energia fotovoltaica in eccesso in primavera e in autunno per caricare l’accumulo di energia termica nel sottosuolo da utilizzare successivamente in estate e in inverno. Lo hanno simulato su un impianto scolastico di Seoul, con alcune configurazioni opzionali per l’accumulo termico. Il risparmio energetico è stato fino al 39%.

Settembre 19, 2024 Lior Kahana

Estremità superiore di uno scambiatore di calore

Immagine: Robin Müller, wikimedia commons, https://bit.ly/3hQMldJ

Un team di ricerca internazionale ha sviluppato un nuovo sistema di pompa di calore alimentato da energia fotovoltaica che sfrutta l’elettricità prodotta in eccesso per ricaricare un impianto di accumulo termico sotterraneo (UTES), che a sua volta potenzia l’attività della pompa di calore.

Sulla base della simulazione di tre casi di studio, il sistema è stato in grado di risparmiare fino al 14% di energia nelle operazioni di produzione di energia termica (P2H) e fino al 39% nelle operazioni di produzione di energia termica (P2C).

“Gli impianti solari fotovoltaici sono aumentati enormemente, dando origine a un’enorme eccedenza di generazione di elettricità, che è diventata una questione che richiede metodi alternativi per essere affrontata”, hanno affermato gli accademici. “Un equilibrio tra generazione e consumo può essere fornito sfruttando gli approcci P2H e P2C per utilizzare efficacemente l’elettricità fotovoltaica in eccesso. Tuttavia, uno dei problemi principali nella sua applicazione include la mancanza di una configurazione di sistema sofisticata con una strategia operativa abbinata a metodi di controllo semplici o complessi per realizzare questo bilanciamento”.

Il nuovo sistema è stato simulato nel software TRNSYS 18. Il suo principale metodo operativo è l’uso dell’energia fotovoltaica in eccesso in primavera e autunno, poiché riscaldamento e raffreddamento sono meno richiesti durante quei mesi. In primavera, la pompa di calore raffredda l’UTES, supportando in seguito il raffreddamento l’estate successiva. In autunno, d’altro canto, la pompa di calore carica l’UTES con il riscaldamento, supportando in seguito temperature confortevoli in inverno.

La simulazione di sistema proposta è stata applicata a un edificio scolastico pubblico a Seoul, Corea del Sud. Il suo tetto di 2.500 m2 è stato ricoperto di pannelli fotovoltaici con un’efficienza del 21% per alimentare una pompa di calore air-source water-load (ASWL). Si presume che abbia una capacità di riscaldamento e raffreddamento di 160 kW con un consumo di energia di 40 kW e 50 kW rispettivamente per il raffreddamento e il riscaldamento. Per convertire l’energia termica dell’acqua in aria che può essere utilizzata nella pompa di calore, hanno anche ipotizzato uno scambiatore di calore da 4 kW con portate di aria e acqua di 10.000 l/s e 300.000 kg/ora.

Lo scenario di base testato utilizzava solo la pompa di calore alimentata da PV, mentre il caso 1 utilizzava un UTES poco profondo e il caso 2 distribuiva un UTES profondo. Inoltre, l’installazione poco profonda consisteva in 964 fori di trivellazione con un volume modificato di 800 m3 e una profondità di 1,5 m, e l’UTES profondo consiste in 10 fori di trivellazione con una profondità di 150 m e lo stesso volume di 800 m3.

“Il modello di edificio scolastico è stato selezionato per semplicità ed è composto da quattro piani, ciascuno con una superficie esterna totale di 1.312 m2 attraverso cui si verificano le perdite termiche”, hanno aggiunto i ricercatori. “Il segnale di condizionamento della zona mantiene la temperatura ambiente tra 18 °C e 22 °C durante il periodo di riscaldamento e tra 24 °C e 28 °C durante il periodo di raffreddamento. I carichi di raffreddamento e riscaldamento erano rispettivamente di 26,27 kWh/m2 e 52,69 kWh/m2”.

I risultati della simulazione hanno mostrato che il coefficiente di prestazione stagionale (SCOP) è aumentato rispettivamente del 9% e del 27% in inverno e in estate per il caso 1 e del 9% e del 25% per il caso 2. Rispetto al caso base, ciò ha comportato un risparmio energetico nel riscaldamento del 14% e nel raffreddamento del 39% nel caso 1 e del 13% e del 36% nel caso 2.

“I casi 1 e 2 hanno prodotto approssimativamente lo stesso rapporto di autoconsumo (SCR) e lo stesso rapporto di utilizzo dell’energia in eccesso (SEUR), con valori approssimativi dell’81% per l’SCR e del 26% per l’SEUR”, hanno affermato gli accademici. “Inoltre, l’efficienza termica UTES di circa il 60% e il 52% è stata ottenuta rispettivamente per i casi 1 e 2”.

Il sistema è stato descritto in ” Sviluppo e valutazione simulata di energia termica e di raffreddamento interstagionale con accumulo termico sotterraneo per l’autoconsumo di energia solare in surplus negli edifici “, pubblicato in Energy Conversion and Management. Il team di ricerca comprende scienziati dell’Università di Nairobi in Kenya e del Korea Institute of Energy Research della Corea del Sud .

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