Perspectivas de la combinación de PVT con bombas de calor aerotérmicas y geotérmicas

Introducción

Impulsados ​​por la estrategia global de neutralidad de carbono, los sistemas energéticos de edificios e industrias avanzan rápidamente hacia la limpieza y la eficiencia. La integración fotovoltaica y solar térmica (PVT), la bomba de calor aerotérmica (ASHP) y la bomba de calor geotérmica (GSHP) se han convertido gradualmente en tecnologías representativas. El sistema PVT tiene funciones tanto de generación de energía como de calefacción, mientras que diversos tipos de bombas de calor pueden obtener eficientemente calor ambiental de fuentes aéreas o geotérmicas para calefacción y refrigeración. Si el PVT se combina orgánicamente con las bombas de calor aerotérmicas y geotérmicas, es posible lograr una solución energética integral que integra electricidad, calor y frío, abriendo un nuevo camino para la conservación de energía en edificios y el desarrollo de la energía distribuida.

I. Una breve descripción de los principios de funcionamiento de los sistemas PVT y de bomba de calor

1. Sistema PVT

PVT es un sistema que integra energía fotovoltaica y solar térmica. La parte fotovoltaica convierte la energía radiante en energía eléctrica mediante células solares. La sección solar térmica recoge el calor residual de los paneles fotovoltaicos a través de la lámina trasera o tuberías para calentar agua o aire. PVT no solo mejora la eficiencia de generación de energía de los módulos fotovoltaicos, sino que también proporciona energía térmica adicional.

2. Bomba de calor de fuente de aire (ASHP)

La bomba de calor de baja presión (ASHP) transfiere calor de baja intensidad del aire al agua o al aire a través de componentes como compresores, evaporadores y condensadores para calefacción o refrigeración. Su coeficiente de rendimiento (COP) suele estar entre 2,5 y 4,5, lo que significa que por cada unidad de energía eléctrica consumida se pueden obtener de 2,5 a 4,5 unidades de energía térmica.

3. Bomba de calor geotérmica (GSHP)

La bomba de calor geotérmica (GSHP) aprovecha la temperatura relativamente estable del suelo o de los cuerpos de agua subterráneos para el intercambio de calor y frío. En comparación con la bomba de calor asistida (ASHP), la GSHP se ve menos afectada por la temperatura ambiente y presenta una eficiencia energética más estable, pero su costo de instalación es mayor.

Ii. La lógica de la combinación de PVT y bombas de calor

La combinación de PVT y bombas de calor no es una simple superposición sino una relación complementaria:

PVT proporciona energía eléctrica

El funcionamiento de las bombas de calor requiere electricidad. La electricidad generada por PVT puede impulsar directamente la bomba de calor, reduciendo así la dependencia de la red eléctrica.

PVT proporciona una fuente de calor de baja temperatura

La eficiencia de una bomba de calor está estrechamente relacionada con la temperatura de la fuente de calor. Si el calor residual de la placa posterior del PVT se puede utilizar como fuente de calor auxiliar para el evaporador, mejorará la eficiencia de la bomba de calor, especialmente en estaciones frías.

La bomba de calor funciona de forma estable.

La bomba de calor puede seguir funcionando durante la noche o en días nublados, compensando las fluctuaciones energéticas provocadas por la radiación solar insuficiente en el PVT.

Suministro combinado de refrigeración y calefacción

A través del sistema combinado de PVT y bomba de calor, se puede lograr un suministro integral de electricidad, agua caliente, calefacción y refrigeración, satisfaciendo las diversas demandas energéticas de los edificios modernos.

iii. Perspectivas de la combinación de PVT y bombas de calor de fuente de aire

Resolver el problema de la disminución de la eficiencia en invierno

En condiciones de baja temperatura durante el invierno, el evaporador de la bomba de calor de aire acondicionado (ASHP) es propenso a la formación de escarcha, lo que reduce significativamente su eficiencia. Si el calor proporcionado por el PVT durante el día puede precalentar el evaporador, se puede reducir eficazmente la frecuencia de formación de escarcha y mejorar la eficiencia operativa.

Adecuado para arquitectura urbana.

Los edificios urbanos suelen tener techos limitados y una alta demanda energética. El sistema PVT+ASHP puede instalarse en el techo, generando electricidad, proporcionando calefacción y agua caliente sanitaria. Es una solución que ahorra espacio.

Análisis económico

Inversión inicial: Relativamente alta, pero inferior a la de las bombas de calor geotérmicas.

Costo de operación: Reducir el costo de compra de electricidad a través de la autogeneración PVT.

Periodo de recuperación: Normalmente es de 7 a 10 años en regiones con precios de energía elevados.

Caso de aplicación

En Italia, España y otros lugares, algunos hoteles han adoptado sistemas ASHP impulsados ​​por PVT, que pueden lograr la autosuficiencia en energía verde tanto para la refrigeración en verano como para la calefacción en invierno.

Iv. Las perspectivas de la combinación de PVT y bombas de calor geotérmicas

Mejorar la eficiencia de las bombas de calor geotérmicas

La bomba de calor geotérmica (GSHP) consume energía eléctrica. Si se alimenta con PVT, el costo operativo puede reducirse significativamente.

El calor residual del PVT se utiliza como fuente de calor auxiliar.

En invierno, la temperatura subterránea se mantiene estable, pero relativamente baja. Si el calor residual generado por la PVT se transfiere al subsuelo mediante tuberías de intercambio de calor, se pueden mejorar las condiciones de funcionamiento del evaporador de la bomba de calor geotérmica y aumentar el COP general.

Fiabilidad operativa a largo plazo

La bomba de calor geotérmica (GSHP) ofrece una larga vida útil y un funcionamiento estable. Al combinarse con sistemas de ventilación forzada (PVT), puede formar un sistema eficiente, de bajas emisiones de carbono y de larga duración, especialmente adecuado para edificios públicos con funcionamiento a largo plazo, como escuelas, hospitales y parques industriales.

Análisis económico

Inversión inicial: Superior a la ASHP, debido principalmente a los altos costos de perforación y tendido de tuberías.

Costo operativo: El más bajo, debido a la temperatura subterránea estable y al alto índice de eficiencia energética.

Periodo de recuperación: Normalmente es de 8 a 12 años, pero la vida útil puede alcanzar más de 20 años.

Escenarios de aplicación

La combinación de PVT y GSHP es más adecuada en regiones frías como el norte de Europa y Alemania, que pueden satisfacer las demandas de calefacción y agua caliente sanitaria durante todo el año.

V. Desafíos técnicos y de aplicación

Alto costo inicial

Ya sea ASHP o GSHP, la complejidad del sistema aumenta cuando se combina con PVT, y el umbral de inversión sigue siendo relativamente alto.

Problema de coincidencia del sistema

Las características de salida de la generación de energía y calefacción PVT no coinciden totalmente con las demandas de las bombas de calor, y se requiere un control inteligente y un almacenamiento de energía en coordinación.

Estándares y promoción insuficientes

En la actualidad, no existen estándares unificados para las bombas de calor PVT+ y la experiencia en diseño e ingeniería de construcción es limitada.

Baja conciencia del usuario

El mercado tiene una cierta comprensión de las tecnologías individuales de PVT y bomba de calor, pero aún no está familiarizado con el sistema compuesto combinado de las dos, y se necesitan proyectos de demostración para promocionarlo.

VI. Direcciones de desarrollo futuro

Sistema de control inteligente

A través de la inteligencia artificial y la Internet de las cosas, se logra una correspondencia en tiempo real entre la salida de PVT y la carga de la bomba de calor para optimizar las estrategias de operación.

Combinado con tecnología de almacenamiento de energía

Almacenamiento de energía eléctrica: almacena electricidad durante el día y acciona bombas de calor durante la noche.

Almacenamiento de energía térmica: el calor residual generado por PVT se almacena en el tanque de agua o en materiales de cambio de fase para equilibrar las fluctuaciones día-noche.

Diseño modular

En el futuro, PVT y bombas de calor pueden lanzar productos integrados para reducir la dificultad de integración del sistema.

Promoción de políticas

En el marco de las políticas de neutralidad de carbono, se espera que el gobierno ofrezca subsidios o créditos de construcción verde para promover su aplicación en instituciones públicas y edificios comerciales.

VII. Conclusión

La combinación de PVT con bombas de calor aerotérmicas y geotérmicas no solo permite una complementariedad diversificada de formas de energía, sino que también mejora significativamente la eficiencia energética y reduce los costos operativos de los edificios. Desde edificios comerciales e instituciones públicas hasta parques industriales, este tipo de sistema energético compuesto tiene amplias posibilidades de aplicación. Si bien aún enfrenta desafíos como el costo, las normas y el reconocimiento del mercado, con el progreso tecnológico y el apoyo de las políticas, se espera que el sistema PVT+bomba de calor se convierta en una parte importante del sistema energético de los edificios ecológicos en la próxima década.