The effects of the global warming on the yearly performances of hybrid PV : thermal system and combined photovoltaic, thermal system

With the increasing mean Earth temperature during the seasons due to global warming, humanity is striving to find many solutions to reduce greenhouse gas emissions, which are the main contributors to temperature rise. This can be achieved by using renewable energy sources or by reducing energy consumption in buildings. Buildings consume a significant amount of energy, both in terms of thermal energy and electricity. Currently, one of the best solutions to reduce energy demand from power plants is to generate power on-site using photovoltaic (PV) technology. This helps meet the user’s electricity needs either partially or completely. However, also Domestic Hot Water (DHW) represents a relevant share of the total energy demand in certain buildings, such as hotels, and the question of which solar panel technology is best between PV and solar thermal (ST) arises. The objective of this study is to analyze the optimal plant configuration that can be installed on the rooftop of a hotel from both technical and economic perspectives. This analysis takes into account the impact of global warming on the performance of the plant. Three different solar panel technologies are considered: PV panels, flat plate thermal collectors (FPC), and hybrid thermal-photovoltaic panels (PVT). These configurations are designed to provide a fixed amount of DHW and a concurrent production of electricity. Two plant configurations are analyzed: a full PVT plant and a combined PV/FPC plant. Both configurations are designed to produce about the same amount of DHW and electricity as the PVT case. Due to global warming and so the increasing ambient temperature, the energy performance of each panel type will vary depending on the technology used. An annual simulation of the systems is conducted using weather data from Milano Linate, updated to 2020 and predicted up to 2050, considering two different emission scenarios (RCP4.5 and RCP8.5). The yearly energy savings (in terms of gas and electricity) are calculated for each plant. The energy performance is then extrapolated for the period between 2020 and 2050, considering climate change influences based on linear interpolation for both emission scenarios. After determining the annual performances and return on investment of the two plants, the final result indicates that a plant based on PVT technology is more advantageous.

Con l’aumento della temperatura media terrestre durante le stagioni, a causa del riscaldamento globale, l’umanità sta cercando varie soluzioni per ridurre le emissioni di gas serra, che sono la principale causa dell’aumento della temperatura. Una di queste soluzioni è l’uso di fonti di energia rinnovabile o la riduzione dei consumi energetici degli edifici. Gli edifici richiedono una grande quantità di energia termica ed elettrica, e attualmente una delle migliori soluzioni per il risparmio energetico è l’installazione di impianti solari fotovoltaici (PV) sul tetto per soddisfare in tutto o in parte l’energia elettrica richiesta dagli utenti. Tuttavia, anche l’Acqua Calda Sanitaria (ACS - DHW) rappresenta una quota significativa della domanda totale di energia in alcuni edifici, come ad esempio gli hotel, e sorge la domanda su quale tecnologia sia la migliore tra il PV e il solare termico (ST). Lo scopo di questo lavoro è analizzare la migliore configurazione impiantistica che può essere installata sul tetto di un hotel, sia dal punto di vista tecnico che economico, tenendo conto delle modifiche alle prestazioni dell’impianto a causa del riscaldamento globale. Le configurazioni del sistema solare prese in considerazione includono tre diverse tecnologie di pannelli solari: fotovoltaico (PV), collettore termico a piastra piatta (FPC) e pannello termo-fotovoltaico ibrido (PVT). Gli impianti analizzati includono un impianto completo PVT e un impianto combinato PV/FPC che producono la stessa quantità di DHW ed elettricità del caso PVT. A causa del riscaldamento globale e quindi dell’aumento della temperatura ambiente, le prestazioni energetiche di ciascun tipo di pannello varieranno a seconda della tecnologia utilizzata. Utilizzando i dati meteorologici di Milano Linate aggiornati al 2020 e previsti fino al 2050, con due diversi scenari di emissione (RCP4.5 e RCP8.5), sono state effettuate simulazioni annuali dei sistemi per calcolare il risparmio energetico annuale (gas ed elettricità) per ciascun impianto. Successivamente, le prestazioni energetiche sono state correlate con un’interpolazione lineare tra il 2020 e il 2050 per tenere conto dell’influenza dei cambiamenti climatici nei due scenari di emissione. Dopo aver definito le prestazioni annuali e il ritorno dell’investimento per i due impianti, i risultati finali indicano che l’utilizzo di un impianto basato sulla tecnologia PVT risulta essere più vantaggioso.