Protótipo de bomba de calor-assistida por PV com condensador duplo atinge coeficiente de desempenho de 7,59

Pesquisadores da Universidade Miguel Hernández de Elche, na Espanha, projetaram um sistema de bomba de calor ar{0}}para{1}}água que pode transferir a produção de água quente sanitária (AQS) para o horário central de verão, maximizando assim a utilização da geração de energia fotovoltaica.

A novidade do sistema está na utilização de dois condensadores em vez de uma única unidade.

Os pesquisadores explicaram que uma bomba de calor compacta convencional de água quente sanitária (AQS) inclui um compressor, um evaporador, uma válvula de expansão e um condensador enrolado no fundo do tanque de armazenamento, aquecendo todo o volume de água por convecção natural. A configuração proposta de condensador duplo-adiciona um segundo condensador na parte superior do tanque, combinado com um sistema de controle otimizado para selecionar o modo de operação, mantendo os componentes padrão.

Os condensadores inferior e superior consistem em tubos espirais instalados entre a parede do tanque e a camada de isolamento. Quando o condensador inferior funciona, o calor é entregue ao fundo do tanque de 215 litros, promovendo a estratificação e aquecendo todo o volume. Quando o condensador superior é ativado, apenas a parte superior do tanque é aquecida, permitindo uma operação mais direcionada e menor armazenamento de energia.

O protótipo foi desenvolvido a partir de uma bomba de calor comercial tipo split-de ar-para{2}}água equipada com um compressor scroll de 600 W e refrigerante R134a. A resistência elétrica original de 2.400 W foi desligada para garantir o funcionamento exclusivamente em modo bomba de calor. O sistema tinha um coeficiente de desempenho (COP) avaliado pelo fabricante de 3,17 a 14 C. As modificações incluíram a integração do segundo condensador, o redesenho do circuito de refrigeração e a atualização do sistema de controle para testes sob condições realistas de operação de AQS e PV.

A configuração experimental foi projetada para replicar a demanda real de AQS doméstica usando um sistema-de circuito fechado para evitar desperdício de água. É composto por duas câmaras climáticas, a bomba de calor-condensadora dupla, uma instalação fotovoltaica de 600 W e um circuito hidráulico controlado. A bomba de calor foi ligada à rede e ao sistema fotovoltaico, não sendo considerada qualquer compensação financeira pelo excedente de eletricidade alimentado na rede.

Um tanque auxiliar, uma bomba de circulação e um resfriador de água mantiveram a temperatura da água de entrada em 10°C para simular as condições de abastecimento da rede elétrica. Um controlador Arduino Mega gerenciava bombas, válvulas, o resfriador e a bomba de calor para permitir testes automatizados. O sistema também foi equipado com 30 sensores de temperatura, medidores de vazão e dispositivos de monitoramento elétrico, com dados registrados em intervalos de um{4}}minuto.

Os pesquisadores avaliaram três configurações a uma temperatura ambiente de 18 °C: uma bomba de calor de condensador único-convencional, o mesmo sistema acoplado com energia fotovoltaica e a bomba de calor de condensador duplo-com energia fotovoltaica. Os testes seguiram um perfil de consumo de AQS baseado na EN 16147, garantindo temperaturas de fornecimento superiores a 45 C.

Os resultados mostraram que a configuração de{{0}condensador duplo melhorou o controle de estratificação, reduziu o consumo geral de energia e manteve a qualidade do serviço de AQS, ao mesmo tempo em que aumentou significativamente o auto{1}}consumo fotovoltaico.

A análise descobriu que o COP sazonal médio da bomba de calor atingiu 3,55 na configuração de-condensador único e 3,65 quando combinada com PV.

“Como era de se esperar, os dois valores são semelhantes, pois não há diferença no modo de operação entre eles”, enfatizou a equipe de pesquisa. “No terceiro teste, com dois condensadores e uma estratégia de controlo melhorada que permite o funcionamento com uma temperatura da água mais baixa, esta eficiência sobe para 3,71. Esta tendência é mais acentuada quando se analisa a eficiência do serviço de AQS, onde os resultados são 3,08 e 3,12 para os dois primeiros modos de funcionamento e 3,37 para a configuração com dois condensadores e painéis fotovoltaicos.

O autoconsumo-de energia solar com o sistema-condensador duplo, por sua vez, passou de 9,9% para 55,5%.

"Os resultados também destacam a necessidade de considerar o auto{0}}consumo instantâneo, usando uma base de cálculo de no máximo minuto-a-minuto, em vez de hora em hora ou diariamente, já que este último resulta em contribuições solares irrealisticamente altas", concluíram os acadêmicos. “Considerando a energia fornecida pelos painéis fotovoltaicos, o desempenho do HP pode ser reavaliado, levando a um COP de 3,46 ao trabalhar com um condensador e de 7,59 ao trabalhar com a configuração de condensador duplo.”

O sistema foi descrito em "Avaliação experimental de um novo projeto de bomba de calor fotovoltaica com condensador duplo", publicado na Solar Energy.