Un grup de cercetare britanico-chinez a dezvoltat un nou concept de pompă de căldură, care constă într-o pompă de căldură, un rezervor de PCM și colectoare solare tubulare. Destinat schimbării cererii în aplicații de încălzire a spațiilor și de apă caldă menajeră (DHW), sistemul este capabil să atingă un coeficient de performanță mai mare decât cel al pompelor de căldură convenționale.

Un grup internațional de cercetători condus de Universitatea Nottingham din Regatul Unit a dezvoltat un nou sistem rezidențial de pompă de căldură rezidențială cu expansiune directă asistată de energie solară (DX-SAHP) care utilizează un rezervor de stocare a căldurii realizat dintr-un material cu schimbare de fază (PCM).

PCM-urile pot absorbi, stoca și elibera cantități mari de căldură latentă pe intervale de temperatură definite. Acestea au fost adesea utilizate la nivel de cercetare pentru răcirea modulelor fotovoltaice și pentru stocarea căldurii.

Cercetătorii au explicat că noul lor concept de pompă de căldură este destinat schimbării cererii în aplicațiile de încălzire a spațiilor și de apă caldă menajeră (DHW). Acesta este format dintr-o pompă de căldură, rezervorul PCM și colectori de căldură solară cu tuburi.

“Spre deosebire de colectoarele solare convenționale goale/învelite, colectorii cu tuburi vidate demonstrează performanțe superioare în zonele/perioadele reci și cu radiație solară scăzută”, au spus academicienii, referindu-se la tehnologia solar-termală pe care au ales-o. “Prin adoptarea colectoarelor cu tuburi sub vid, sistemul poate depăși impactul negativ al condițiilor meteorologice reci și poate funcționa în mod optim zi și noapte.”

Pompa de căldură este formată dintr-un compresor, un condensator, o supapă de expansiune și un evaporator. Temperatura de ieșire a apei calde atinge până la 73 C pentru diferite sarcini de încălzire, iar debitul de apă este constant la 0,32 kg/s. Rezervorul de stocare este un rezervor cilindric convențional, în interiorul căruia sunt scufundate tuburile de PCM pentru a-i spori capacitatea termică.

În configurația sistemului propus, colectorii acționează ca un evaporator al agentului frigorific din pompa de căldură. Agentul frigorific evaporat este apoi transportat către compresor, unde presiunea și temperatura acestuia cresc. Acest fluid de lucru este apoi condensat într-un schimbător de căldură. Într-o etapă ulterioară, temperatura și presiunea acestuia sunt scăzute de către supapa de expansiune. “Procesul de încărcare a PCM este limitat la orele de soare, deoarece pompa de căldură poate funcționa doar în această perioadă”, au explicat academicienii, adăugând că căldura de înaltă temperatură furnizată de colectoarele solare este transferată către o buclă de apă caldă, conectată la rezervorul de stocare a PCM, unde apa circulată încălzește tuburile de PCM. “Ca urmare, sistemul impune schimbarea sarcinii din perioadele de vârf în timpul zilei, alinierea cu disponibilitatea energiei solare.”

Potrivit echipei de cercetare, după ce este complet încărcat, rezervorul de apă poate stoca apă caldă la temperaturi de până la 70 C, temperatura PCM ajungând până la 58 C. Această apă poate fi utilizată în timpul nopții sau chiar pentru a acoperi sarcina de vârf de dimineață devreme, fără scăderi substanțiale de temperatură, a precizat grupul.

Cercetătorii au efectuat o serie de simulări luând în considerare o suprafață a colectorului tubular de 31 m2, o iradiere solară de 150 W/m2 și o temperatură ambientală de -5 C. Ei au constatat că sistemul a fost capabil să atingă un coeficient de performanță (COP) de 2,3 și o putere de încălzire de 6 kW. “Atunci când puterea de încălzire este redusă cu 1 kW sau când temperatura ambientală crește la 8 °C, COP-ul sistemului demonstrează o creștere semnificativă de 13% în ambele scenarii”, au adăugat ei.

În comparație cu pompele de căldură convenționale, s-a constatat, de asemenea, că sistemul reduce consumul de energie electrică cu 9,4% într-o zi cu soare slab. “Pentru o lună de funcționare, COP-ul global al unităților DX-SAHP și HP convenționale a fost de 3,98 și, respectiv, 2,33”, au concluzionat cercetătorii.

Sistemul propus a fost prezentat în studiul “Direct-expansion solar-assisted heat pump coupled with crystallisation-controlled supercooled PCM for shifting building electricity demand“, publicat în Energy and Buildings. Grupul de cercetare include, de asemenea, oameni de știință de la Hubei University of Technology din China.