Experimental and analytical study of solar-assisted heat pump

In the last years, it has been registered an increased energy share of renewable energy for heat and electricity production together with an increase of fossil fuels consump- tions. In this scenario, Heat Pump (HP) can reduce the primary energy consumptions from fossil fuels for heating and cooling sectors. The integration of solar energy with HP, concept also known as Solar-Assisted Heat Pump (SAHP), could improve the efficiency of this technology, maintain low costs and high installation flexibility and exploit solar radiation more efficiently increasing its penetration in the residential sector. Considering this, the thesis aims to identify the advantages of this system respect to standard technologies and eventual functioning problematics, to compare different typologies of SAHPs and clarify their potentiality in energetic and economic therms. To do that, firstly a series of experimental campaigns with different SAHP systems were carried out at SolarTech Lab at the Department of Energy of Politecnico di Milano. From a comparison of different Photovoltaic/Thermal (PV/T) typologies, roll-bond technology was selected, thanks to higher performance and lower costs, to couple with a HP in a Indirect Solar-Assisted Heat Pump (I-SAHP) asset, outlining the potential- ity of the concept, which reaches high values of Coefficient Of Performance (COP), around 5, and the importance to a correct sizing of the components. Moreover, a Integrated Dual-Source Heat Pump (I-DSHP) system was analyzed, observing clear advantages respect to a standard Air-Source Heat Pump (ASHP) but finding problems to obtain high performance due to the prototype nature of the machine. In both the cases, self-consumption conditions were reached in most of the experimental points. In parallel, analytical models of all the heat pump’s components and the solar panels R were built using the MATLAB software. I-SAHP and I-DSHP concepts were mathe- matically detailed and, after a validation procedure, their behaviors were analyzed as functions of the environmental conditions. Results have confirmed the experimental trends, underling the problems of I-SAHP functioning in unsuitable conditions (low solar irradiance and ambient temperature) and the benefits of I-DSHP concept in terms of performance, with a gain of 14 % respect to a ASHP. Finally, an energetic and economical annual analysis were conducted and several comparisons with standard systems were done. Results shown that even if advantages in terms of Primary Energy Saving (PES) are present, the higher cost of the SAHP system (especially for the PV/T modules) is actually the main barrier of the diffusion of this technology in the market.

Negli ultimi anni si è registrato un incremento della produzione di energia termica ed elettricità da rinnovabili, in parallelo con un aumento del consumo di combustibili fossili. I questo scenario, le pompe di calore possono ridurre i consumi di energia primaria da combustibili fossili nei settori di riscaldamento e raffrescamento. L’integrazione dell’energia solare con le pompe di calore, concetto noto come Pompe di Calore Elio-Assistite, può aumentare l’efficienza di questa tecnologia, mantenere bassi i costi e alta la flessibilità di installazione e sfruttare la radiazione solare in maniera più efficiente, aumentandone la penetrazione nel settore residenziale. Sotto questa premessa, questa tesi ha l’obbiettivo di identificare i vantaggi di questo sistema rispetto a tecnologie standard e eventuali problematiche di funzionamento, comparare differenti tipologie di pompe di calore elio-assistite e chiarire la loro potenzialità dal punto di vista energetico ed economico. Per fare questo, per prima cosa sono state condotte una serie di campagne sperimentali con differenti systemi presso il SolarTech Lab al Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. Da un confronto di diverse tipologie di pannelli fotovoltaici/termici, la tecnologia roll-bond è stata selezionata, grazie alle alte prestazioni e ai bassi costi, per essere accoppiata con una pompa di calore in un assetto di tipo indiretto, evidenziando le potenzialità del concetto, che ha raggiunto alto valori del Coefficiente di Prestazione, circa 5, e l’importanza di un corretto dimensionamento dei componenti. Inoltre, un sistema a doppia sorgente integrato è stato analizzato, osservando chiari vantaggi rispetto ad una pompa di calore ad aria ma avendo problemi ad ottenere elevate prestazioni a causa della natura prototipale della macchina. In entrambi i casi, una condizione di auto-consumo è stata raggiunta nella maggiorparte dei punti sperimentali. In parallelo, sono stati sviluppati modelli analitici dei vari componenti della pompa di calore e R dei pannelli solari usando il software MATLAB . I due concetti di pompa di calore elio-assistiti sopra-descritti sono stati dettagliati matematicamente e, dopo una validazione sperimentale, il loro comportamento è stato analizzato in funzione delle condizioni ambiente. I risultati hanno confermato gli andamenti sperimentali, sottolineando i problemi di non funzionamento del sistema indiretto in condizioni sfavorevoli (bassi irraggiamento e temperatura ambiente) e i benefici del sistema integrato a doppia sorgente in termini di prestazioni, con un guadagno del 14 % rispetto ad una pompa di calore ad aria. Infine, è stata condotta un’analisi annuale sia energetica che economica e sono stati fatti dei confronti con tecnologie di riferimento. I risutlati hanno mostrato che, anche se sono presenti vantaggi in termini di energia primaria, il maggiore costo di questo sistema (specialmente per quanto riguarda i pannelli fotovoltaici/termici) è attualmente la maggiore barriera della diffusione di questa tecnologia nel mercato.