I ricercatori della Technical University of Denmark hanno studiato come le pompe di calore aria-acqua su larga scala possano essere combinate con sistemi di teleriscaldamento alimentati a energia fotovoltaica. L’obiettivo è ridurre il costo livellato del calore e migliorare la flessibilità del sistema. Le pompe di calore aria-acqua hanno la capacità di produrre e immagazzinare calore in serbatoi quando i prezzi dell’elettricità sono bassi, consentendo di utilizzare il riscaldamento immagazzinato durante i periodi di prezzi elevati dell’elettricità.
L’approccio proposto è stato simulato tramite il software TRNSYS in un sistema di teleriscaldamento ad energia solare esistente nella città danese di Ørum. Il sistema è composto da un impianto solare termico a terra, una pompa di calore da 2,5 MW, una caldaia a gas e un serbatoio cilindrico verticale per l’acqua calda di 1.000 m3.
“In questo sistema la pompa di calore svolge un ruolo dominante in un mercato energetico fluttuante grazie alla sua flessibilità in collaborazione con la caldaia” hanno spiegato gli scienziati. “L’acqua a temperatura medio-bassa nel serbatoio può preriscaldare il refrigerante prima che entri nel compressore, aumentando così il coefficiente di prestazione (COP) della pompa di calore. Di conseguenza, la pompa di calore dovrebbe migliorare la compatibilità delle apparecchiature e la flessibilità del sistema di riscaldamento”.
Il gruppo ha ipotizzato il funzionamento del sistema tra il 2020 e il 2022, specificando che il primo anno funzionerà senza pompa di calore, mentre il secondo e il terzo anno la includeranno. L’impianto solare termico di 6.355 m2 è in grado di soddisfare la domanda di calore durante l’estate, ma in inverno sono necessarie caldaie a gas per soddisfare la maggiore richiesta. Il serbatoio può funzionare in diverse modalità per disaccoppiare la produzione di calore dalla domanda.
Si ipotizza che la pompa di calore utilizzi l’ammoniaca come refrigerante e che si avvalga di un compressore a vite e di un compressore a pistoni. La temperatura di uscita è indicata a 67°C.
“Viene incorporato un economizzatore per aumentare la temperatura del refrigerante prima che entri nel compressore”, sottolinea il gruppo. “Questo miglioramento porta a una riduzione del consumo di elettricità, poiché il compressore mantiene la temperatura di uscita richiesta in modo più efficiente rispetto a un sistema a pompa di calore senza economizzatore”.
L’analisi tecno-economica condotta dagli scienziati ha dimostrato che l’economizzatore è in grado di aumentare il COP della pompa di calore da 3,33 a 3,53 con una temperatura ambiente inferiore a 5 C. Ha inoltre mostrato che il costo livellato del calore del sistema è migliorato fino al 19% nel 2021 e al 37% nel 2022.
“La produzione della pompa di calore diminuisce quando il prezzo dell’elettricità sale a un livello accettabile”, spiega il gruppo. “Quando il prezzo spot dell’elettricità supera una certa soglia, la pompa di calore si spegne e la caldaia diventa il principale riscaldatore ausiliario”.
L’analisi ha anche mostrato che il COP stagionale annuale del sistema è aumentato da 1,22 a 2,62 durante i tre anni di simulazione.
“Tuttavia, l’effetto di accoppiamento della pompa di calore e del suo economizzatore ha migliorato solo leggermente l’efficienza del collettore solare e della pompa di calore stessa”, hanno spiegato gli studiosi. “La sostituzione della pompa di calore ad aria con una pompa di calore acqua-acqua potrebbe abbassare la temperatura dell’acqua di ritorno del campo SC, il che dovrebbe aumentare l’efficienza dello SC”.
I dettagli del sistema sono disponibili nello studio “Thermo-economic analysis of a solar district heating plant with an air-to-water heat pump”, pubblicato su Renewable Energy.
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