68% frazione solare nel bilancio energetico annuale del Microhouse di Singen

Il progetto di ricerca fornisce risultati di misurazione affidabili

Il progetto di ricerca "IR-Bau 2 - Indagini supplementari sul potenziale dei sistemi di riscaldamento a infrarossi" dell'Università di Scienze Applicate di Costanza (HTWG Konstanz) ha utilizzato attrezzature di misurazione per studiare un microhouse a Singen per due stagioni di riscaldamento. Il progetto è stato diretto dal Prof. Dr.-Ing. Thomas Stark, Dr.-Ing. Jan Heider, Nicole Conrad e Niklas Bachmann; è durato dall'11/2020 al 04/2023.

Le misurazioni confermano l'approccio progettuale consolidato di my-PV: In edifici adatti con un sistema fotovoltaico di dimensioni sufficienti, il riscaldamento diretto controllato in modo continuo può essere combinato con un serbatoio di acqua calda controllato in una soluzione tecnicamente solida ed economica.

La casa piccola da 50 m²

L'edificio residenziale "Mikrohaus" a Singen è stato progettato nel 2020 da Kupprion nachhaltige Architektur e costruito su un piccolo sito di riempimento per aumentare la densità urbana. Il cuboide monocamera ha circa 50 m² di superficie e tre stanze, offrendo spazio per un massimo di due occupanti; attualmente è occupato da un inquilino. L'edificio a telaio in legno è isolato con fibra di legno e presenta un soffitto in legno massiccio che rimane visibile all'interno.

All'interno, la microhouse è divisa in tre zone: un'area soggiorno centrale e stanze private con una camera da letto e un bagno disposti ai lati. La facciata sud è ampiamente vetrata, mentre le altre superfici delle pareti esterne sono quasi completamente chiuse.

Inizialmente era stata considerata una pompa di calore per la fornitura di calore. Tuttavia, per questo piccolo edificio e il suo prevedibile basso fabbisogno di calore, il costo d'investimento di un sistema a pompa di calore era relativamente alto. Invece, l'edificio utilizza un sistema di riscaldamento elettrico diretto ottimizzato per l'autoconsumo.

Quattro componenti della fornitura di calore solare-elettrico

Il sistema è composto da quattro componenti:

• Un sistema di riscaldamento a pavimento elettrico DEVI/Danfoss da 4,3 kW con due circuiti di riscaldamento, incorporati direttamente nella soletta di cemento di 22 cm dell'edificio - in altre parole, attivazione termica della struttura dell'edificio.

• Uno scaldabagno elettrico piatto da 120 l di Austria Email.

• Un sistema fotovoltaico da 8,6 kWp con orientamento est-ovest e un'inclinazione di 5°, parzialmente ombreggiato dagli alberi della proprietà vicina.

• Il my-PV AC•THOR 9s connette carichi e generazione e massimizza l'autoconsumo di energia solare.

Due stagioni di riscaldamento monitorate con risultati conclusivi

Il microhouse è stato strumentato e monitorato in dettaglio per due stagioni di riscaldamento. I risultati confermano che, in edifici adatti con un sistema fotovoltaico di dimensioni sufficienti, il riscaldamento diretto solare-elettrico controllato in modo continuo può essere combinato con un serbatoio di acqua calda controllato in un sistema tecnicamente valido ed economico - ottenendo al contempo elevate frazioni solari.

Il consumo specifico di energia per il riscaldamento degli spazi nell'anno esaminato è stato di 37 kWh/m²a, equivalente a un consumo annuale di 1.834 kWh. L'edificio ha uno standard di isolamento molto alto. Tuttavia, il rapporto superficie-area-volume, che è sfavorevole per edifici piccoli, e un sistema di ventilazione senza recupero di calore aumentano significativamente la domanda energetica.

Acqua calda: perdite di accumulo come parte dello spostamento del carico

Il consumo di elettricità per la produzione di acqua calda domestica è stato di 694 kWh all'anno, o circa 14 kWh/m²a. Questo è relativamente alto per un nucleo familiare di una sola persona. La ragione principale sono le perdite di accumulo del serbatoio da 120 l. A 1,48 kWh per 24 ore, ammontano a ben 537 kWh all'anno - circa il 77% dell'elettricità utilizzata per l'acqua calda.

Queste perdite sono una conseguenza diretta della strategia di controllo selezionata: Quando è disponibile un surplus di energia fotovoltaica, l'edificio (soletta di cemento) e il serbatoio di acqua calda vengono deliberatamente riscaldati al di sopra delle loro temperature di bersaglio normali. Ciò crea capacità di accumulo termico e sposta il consumo di elettricità a periodi di alta generazione solare. Pertanto, le perdite di accumulo fanno parte dello spostamento del carico previsto.

La stagione di riscaldamento domina il bilancio energetico annuale

Circa il 91% del fabbisogno di riscaldamento degli spazi si verifica durante la stagione di riscaldamento da ottobre ad aprile. Dicembre e gennaio hanno un impatto particolarmente forte, rappresentando insieme circa il 41% del fabbisogno annuale di riscaldamento degli spazi. Questi due mesi determinano quindi in gran parte il bilancio energetico annuale - sia per il consumo che per la frazione solare.

Autosufficienza energetica triplice su un bilancio annuale

È installato un sistema fotovoltaico da 8,6 kWp. Nonostante l'ombreggiamento parziale e la produzione insolitamente bassa in dicembre - causata da una prolungata copertura nevosa e nebbia intorno al Lago di Costanza - la produzione annuale ha raggiunto gli 8.118 kWh. Ciò corrisponde a una resa specifica di 990 kWh/kWp.

Circa il 36% della produzione si verifica durante l'intera stagione di riscaldamento, mentre dicembre e gennaio rappresentano solo circa il 3%. Su un bilancio annuale, il sistema fotovoltaico genera quindi più di tre volte l'elettricità necessaria per la fornitura di calore:

• Produzione fotovoltaica: 8.118 kWh/a

• Domanda di elettricità per riscaldamento degli spazi e acqua calda: 2.529 kWh/a

• Circa il 21% della produzione solare è stata utilizzata direttamente per soddisfare la domanda di calore.

Frazione solare: media annuale del 68%

L'indicatore di prestazione chiave del progetto è la frazione solare:

• 68% frazione solare per la generazione totale di calore (bilancio annuale)

• 61% frazione solare per il riscaldamento degli spazi

Durante le stagioni di transizione, il fabbisogno di calore può essere coperto quasi interamente dall'energia solare. A seconda della resa del fotovoltaico, è qui che la strategia di controllo offre il suo pieno effetto.

In dicembre e gennaio, la disponibilità solare naturalmente bassa diventa più pronunciata. Questa limitazione intrinseca del sistema colpisce ogni forma di fornitura di calore basata sul solare.

Fattore di prestazione annuale di 3,16 con fotovoltaici

La valutazione delle frazioni solari e delle importazioni dalla rete risulta in un fattore di prestazione annuale calcolato di 3,16 per acqua calda e riscaldamento con fotovoltaico.

Rispetto all'elettricità della rete utilizzata, viene fornito più di tre volte tanto calore. Il consumo di elettricità della rete è paragonabile a quello di una pompa di calore aria-acqua - ma ad un livello di investimento decisamente diverso.

Scientificamente confermato: il riscaldamento fotovoltaico è pronto per il futuro

Il progetto di ricerca "IR-Bau 2" dimostra che il riscaldamento fotovoltaico può svolgere un ruolo importante nell'approvvigionamento di calore degli edifici idonei. Questa forma di approvvigionamento di calore è già riconosciuta dalla legge: la legge tedesca sull'energia negli edifici (GEG) riconosce il riscaldamento diretto controllato da fotovoltaico come opzione di conformità ai sensi della Sezione 71d.

I dati di misurazione disponibili dimostrano che la tecnologia funziona e può essere implementata economicamente. Una simile apertura normativa sarebbe anche auspicabile in altri paesi-

Il rapporto finale completo del progetto di ricerca è disponibile su:
https://www.htwg-konstanz.de/fileadmin/pub/ou/energie/Forschung/IR-Bau_2/Abschlussbericht_Forschungsprojekt_IR-Bau_2.pdf