Investigadores del instituto alemán Fraunhofer ISE y del Instituto de Investigación de Energía Solar de Hamelin (ISFH) han estudiado el potencial de los colectores fotovoltaicos-térmicos (PVT) para aumentar la eficiencia de las bombas de calor residenciales. Sus conclusiones se recogen en el artículo “Comparison of PVT – heat pump systems with reference systems for the energy supply of a single-family house” (Comparación de los sistemas PVT – bomba de calor con los sistemas de referencia para el suministro energético de una vivienda unifamiliar), publicado recientemente en Solar Energy Advances.

Los científicos compararon seis sistemas de referencia con dos sistemas PVT-bomba de calor utilizando como parámetros el coeficiente de rendimiento estacional (SCOP) y las emisiones de carbono.

El primer sistema PVT-bomba de calor utiliza un colector PVT descubierto con aletas en la parte trasera para aumentar la energía procedente del sol y del aire ambiente. Este sistema produce 340 W con una eficiencia eléctrica del 17,5%. Su tensión en circuito abierto es de 48,0 V y su tensión en cortocircuito es de 9,45 A. El segundo sistema PVT-bomba de calor utiliza un colector PVT descubierto estándar con una potencia de salida de 300 W, una eficiencia eléctrica del 18,3%, una tensión en circuito abierto de 39,9 V y una tensión en cortocircuito de 9,77 A.

En cuanto a la bomba de calor, los sistemas simulados utilizan una bomba de calor agua-salmuera con el colector PVT como única fuente de calor, o un intercambiador de calor de pozo (BHE) como fuente adicional. La bomba de calor agua-salmuera tiene una capacidad térmica de 9,1 kW con un coeficiente de rendimiento (COP) de 4,13 a una temperatura de la fuente de 0 ºC y una temperatura del agua de salida de 35 ºC (B0/W35). Ambos sistemas disponen de un depósito de almacenamiento de agua caliente sanitaria de 560 litros, y la bomba de calor geotérmica simulada utiliza un BHE de 70 metros de profundidad.

Los sistemas de referencia se alimentan de paneles fotovoltaicos o de la red e incluyen bombas de calor geotérmicas y aerotérmicas, así como calderas de condensación de gas, independientes o combinadas con colectores solares térmicos. Los módulos fotovoltaicos de los sistemas de referencia presentan datos de rendimiento similares a los del colector PVT con aletas. La bomba de calor aerotérmica tiene una capacidad de calefacción térmica de 7,4 kW con un COP de 3,5 a A2/W35. La profundidad de la BHE para la bomba de calor geotérmica de referencia es de 110 metros, y la caldera de gas tiene una potencia calorífica nominal de 15 kW, una capacidad de agua de 7,3 litros y un rendimiento del 96,59%. El sistema solar térmico tiene una superficie de 15 metros cuadrados.

El estudio demuestra que el uso de PVT con aletas como única fuente de calor para bombas de calor produce un SCOP de 3,49 con 20 metros cuadrados de colectores PVT y de 3,80 con 30 metros cuadrados. En cambio, los sistemas PVT estándar tienen un rendimiento entre un 8% y un 14% inferior y requieren superficies mayores para lograr resultados comparables. Los investigadores señalan que la combinación de sistemas PVT-bomba de calor con un BHE de 70 metros de profundidad produce SCOP superiores a 4,0, independientemente de la tecnología específica del colector PVT.

En comparación, una bomba de calor aerotérmica genera un SCOP de 3,29 cuando se combina con un sistema fotovoltaico de 20 metros cuadrados y un SCOP de 3,82 con una instalación fotovoltaica de 30 m2. Los académicos afirman que la comparación directa de los sistemas de bomba de calor FVT con las bombas de calor aerotérmicas indica que los sistemas de bomba de calor FVT son una alternativa competitiva a estos sistemas de referencia.

La bomba de calor geotérmica, cuando se combina con una BHE de 110 metros de profundidad, ofrece un SCOP de 4,24, que aumenta a 4,87 cuando se combina con un sistema fotovoltaico de 30 m2. Por tanto, los investigadores subrayan que la combinación de PVT con BHE abre la posibilidad de reducir la longitud del BHE en torno a un 35% sin afectar a la eficiencia del sistema.

Por último, el estudio concluye que el uso de PVT como única fuente de los sistemas de bomba de calor puede reducir las emisiones de carbono hasta un 57% en comparación con las calderas de condensación de gas. La combinación de la tecnología fotovoltaica con sistemas de bomba de calor BHE más pequeños podría reducir las emisiones de carbono hasta en un 63%. Las bombas de calor aerotérmicas combinadas con FV pueden reducir las emisiones en un 52%, y las bombas de calor geotérmicas con una BHE de 110 metros podrían reducir las emisiones en un 63%, en comparación con la caldera de gas de referencia.