Novel photovoltaic-thermal solar-assisted heat pump system for nearly zero energy buildings : experimental and simulation study

Climate change, environmental degradation and natural sources depletion have drawn the attention on sustainable development at global level, in particular concerning energy production and building design. Energy policies at European level are fostering construction sector towards the zero energy building paradigm. In this context, the combination of photovoltaic-thermal (PVT) collectors and vapour-compression heat pumps (HP) in the so called "photovoltaic-thermal solar-assisted heat pump" (PVT-SAHP) system represents a promising solution to cover the overall heating, ventilation and air conditioning (HVAC) needs of residential buildings in temperate climates through the exploitation of renewable energy sources (RES). The first is one of the most interesting technology for solar energy conversion, since the photovoltaic-thermal collector combines in a single device the two most diffused solar technologies: photovoltaic and solar thermal, ensuring higher overall performances and space saving with respect to separated production. The second is already considered the most suitable HVAC technology from renewable energy sources and is becoming the leading solution for nearly Zero Energy Building (nZEB) design. The integration of these two technologies allows to improve the performances of both hybrid collectors and heat pump. PVT collectors are cooled down increasing the energy conversion efficiency, while providing low-temperature thermal energy to the heat pump, which benefits from a higher evaporation temperature. The core of the research project is the development of a new integrated technical solution for nearly zero energy buildings based on hybrid PVT collectors, able to produce both electricity and thermal energy, and heat pumps, capable to cover building thermal needs. A prototype system composed by novel photovoltaic-thermal solar collectors, a dual-source heat pump, two water thermal storages and an advanced management control system was specifically designed to cover all the building thermal needs with high fraction of RES. The realization and monitoring of the pilot system, funded by the Italian Ministry of Economic Development, was fundamental to verify the feasibility and the performances of the system. Finally, the system was modelled and analysed in different application contexts. The research work may foster the diffusion of renewable sources in building sector, with a particular attention to the development of building integrated solar technologies and their coupling with heat pump systems. The investigated novel system may be largely applicable to reach the nZEB standard, even in the retrofit of existing buildings. The developed solutions may support the diffusion of distributed generation systems based on renewable energy sources, reducing the overall greenhouse gases emissions related to buildings operations.

Il cambiamento climatico, il degrado ambientale e l'esaurimento delle fonti naturali hanno concentrato l'attenzione sullo sviluppo sostenibile a livello globale, in particolare per quanto riguarda la produzione di energia e la progettazione degli edifici. Le politiche energetiche a livello europeo stanno promuovendo il settore delle costruzioni verso il paradigma degli edifici a energia zero. In questo contesto, la combinazione di collettori fotovoltaico-termici (FVT) e pompe di calore a compressione di vapore nel cosiddetto sistema "pompa di calore fotovoltaico-termico-solare-assistita" rappresenta una soluzione promettente per coprire il fabbisogno complessivo di climatizzazione degli edifici residenziali situati in climi temperati, attraverso lo sfruttamento di fonti di energia rinnovabile (FER). La prima è una delle tecnologie più interessanti per la conversione dell'energia solare, poiché il collettore fotovoltaico-termico combina in un unico dispositivo le due tecnologie solari più diffuse: il fotovoltaico e il solare termico, garantendo prestazioni complessive più elevate e un risparmio di spazio rispetto alla produzione separata. La seconda è già considerata la tecnologia più adatta per climatizzare gli edifici attraverso lo sfruttamento di fonti di energia rinnovabile e sta diventando la soluzione leader per la progettazione di edifici a energia quasi-zero. L'integrazione di queste due tecnologie permette di migliorare le prestazioni sia dei collettori ibridi che della pompa di calore. I collettori FVT sono raffreddati aumentando l'efficienza di conversione energetica, mentre forniscono energia termica a bassa temperatura alla pompa di calore, che beneficia di una temperatura di evaporazione più alta. Il focus del progetto di ricerca è lo sviluppo di una nuova soluzione tecnica integrata per edifici a energia quasi zero basata su collettori solari ibridi, in grado di produrre sia elettricità che energia termica, e pompe di calore, in grado di soddisfare il fabbisogno di climatizzazione dell'edificio. Un sistema prototipo composto da nuovi collettori solari fotovoltaici-termici, una pompa di calore a doppia sorgente, due accumulatori termici ad acqua e un sistema avanzato di controllo della gestione è stato specificamente progettato per coprire tutte le esigenze termiche dell'edificio con un'alta frazione di FER. La realizzazione e il monitoraggio del sistema pilota, finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico italiano, è stato fondamentale per verificare la fattibilità e le prestazioni del sistema. Infine, il sistema è stato modellato e analizzato in diversi contesti applicativi. Il lavoro di ricerca può favorire la diffusione delle fonti rinnovabili nel settore edilizio, con una particolare attenzione allo sviluppo di tecnologie solari integrate negli edifici e alla loro integrazione con sistemi a pompa di calore. Il nuovo sistema studiato può essere ampiamente applicabile per raggiungere lo standard nZEB, anche nel retrofit di edifici esistenti. Le soluzioni sviluppate possono supportare la diffusione di sistemi di generazione distribuita basati su fonti di energia rinnovabile, riducendo le emissioni complessive di gas serra legate al funzionamento degli edifici.