Acoplamiento de bombas de calor con colectores fotovoltaicos térmicos laminados

Investigadores del KTH Royal Institute of Technology de Suecia afirman haber identificado el diseño tecnoeconómico óptimo del sistema para acoplar una bomba de calor geotérmica (GSHP) con energía fotovoltaica-térmica (PVT).

Los científicos diseñaron el sistema con colectores fotovoltaicos unidos por laminas con canales incrustados entre dos láminas de aluminio laminado, que tienen un coeficiente de transferencia de calor superior al de los paneles fotovoltaicos convencionales que utilizan absorbedores de lámina y tubo.

“Un inconveniente del diseño de unión por laminación es una mayor caída de presión, que resultó ser más del doble que la del PVT de lámina y tubo de referencia en las mismas condiciones de funcionamiento”, explicaron. “Se puede utilizar un diseño de caja-canal para aumentar aún más el área de transferencia de calor entre el absorbedor y el fluido”. Sin embargo, también señalaron que los paneles adheridos con rodillo tienen unos costes de fabricación más elevados.

El equipo de investigación probó los colectores en lámina a temperaturas del fluido inferiores a la ambiente en combinación con una GSHP en una amplia gama de condiciones meteorológicas y de funcionamiento a baja temperatura mediante experimentos de laboratorio al aire libre en Estocolmo. En la configuración del sistema propuesto, los colectores PVT actúan como fuentes de calor secundarias.

“Las pruebas de la norma ISO 9806:2017 se utilizan como base para la evaluación del rendimiento térmico, aunque el hecho de que las pruebas se realicen a temperaturas inferiores a la ambiente y al punto de rocío es una excepción de la norma”, especificaron los académicos.

El análisis tecnoeconómico partió de la base de que el sistema se desplegaría en una vivienda plurifamiliar con una superficie total calentada de 2.000 m2, una demanda de calefacción de 125 kWh/m2a y una demanda de agua caliente sanitaria (ACS) de 38 kWh/m2a. El sistema estaba formado por una caldera GSHP de 88 kW y 144 colectores fotovoltaicos orientados al sur con un ángulo de inclinación de 45 grados.

El sistema incluía un acumulador de agua caliente y un intercambiador de calor aire-agua de 10 kW para disipar el calor generado por la bomba de calor. El rendimiento del sistema se comparó con el de un sistema de referencia con colectores PVT convencionales.

Las pruebas mostraron que los colectores PVT de propileno de canal de caja producen más calor por metro cuadrado que sus homólogos convencionales, al tiempo que muestran una producción térmica un 34,4 % inferior. Además, se comprobó que los colectores de propileno en rollo eran un 9 % más caros que los paneles de referencia.

“De los diseños sin aletas, el de chapa y tubo tiene un coste unitario térmico similar al del diseño de aluminio de canal de caja con aletas, pero produce anualmente un 40 % menos de calor por metro cuadrado”, destacaron los académicos, que señalaron que el diseño de unión en rollo da como resultado un mejor rendimiento general.

“Este enfoque permitirá explorar en profundidad sus efectos sobre la regeneración de la perforación y el rendimiento de la bomba de calor, lo que en última instancia permitirá identificar el diseño óptimo tecnoeconómico para integrar colectores PVT con sistemas de bomba de calor geotérmica teniendo en cuenta los precios de PVT, perforación y energía”, señalaron en referencia a la futura dirección de su trabajo.

El sistema se presentó en el estudio “Empirical investigation of solar photovoltaic-thermal collectors for heat pump integration” (Investigación empírica de colectores solares fotovoltaicos-térmicos para la integración de bombas de calor), publicado en Applied Thermal Engineering.

Otro grupo de investigación del KTH Royal Institute of Technology investigó recientemente el posible acoplamiento de una GSHP tanto con energía fotovoltaica-térmica (PVT) como con refrigeración libre (FC).