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Apr 04, 2024

Bombas de calor e armazenamentos sustentáveis ​​para aquecimento e arrefecimento eficazes

Utilizar a energia do Sol para suprir grandes parcelas das demandas de aquecimento em aplicações residenciais é uma opção significativa para muitos climas, mas não é fácil de alcançar e ao mesmo tempo é competitiva em termos de custos. O

Utilizar a energia do Sol para suprir grandes parcelas das demandas de aquecimento em aplicações residenciais é uma opção significativa para muitos climas, mas não é fácil de alcançar e ao mesmo tempo é competitiva em termos de custos. O projeto TRI-HP mostra como as necessidades de aquecimento dos edifícios podem ser supridas de forma eficiente com energia solar, utilizando o que é conhecido como gelo solar, de uma forma económica. Este conceito de sistema combina colectores solares térmicos, bombas de calor e armazenamento de gelo para satisfazer as necessidades energéticas em regiões dominadas pelo aquecimento com irradiação solar suficiente, por exemplo, a Europa Central. A pasta de gelo produzida nas estações de inverno e primavera pode ser usada para resfriamento livre como um recurso adicional em climas com baixa demanda de resfriamento.

Os sistemas solares de gelo utilizam coletores solares térmicos como única fonte de calor para a bomba de calor, que também pode ser alimentada por energia fotovoltaica (PV). Os colectores solares térmicos também são utilizados para fornecer directamente as necessidades de aquecimento e de água quente sanitária. Enquanto o Sol estiver brilhando ou a temperatura ambiente não for muito baixa, os coletores solares atuam como fonte direta de calor para a bomba de calor. Durante noites frias ou dias com baixa irradiação solar, o armazenamento de gelo é utilizado como fonte de calor. O armazenamento de gelo atua como um armazenamento solar sazonal de baixa temperatura (carregado no verão e descarregado no inverno) com uma densidade de energia muito grande na faixa de 80 kWh/m3. Um esquema conceitual do sistema solar de gelo pode ser visto na Fig.

O sistema de pasta de gelo solar pode ser comparado às bombas de calor de fonte subterrânea (GSHP) com os benefícios de não ter que perfurar poços e, portanto, não ser restringido pelas leis de proteção da água. Além disso, não há necessidade de regenerar o solo como no caso dos furos, mesmo que o armazenamento esteja enterrado no solo, uma vez que regenera anualmente através da energia solar.

A principal inovação proposta pelo TRI-HP é o desenvolvimento do conceito de pasta de gelo com método de superresfriamento, que elimina os trocadores de calor dentro do armazenamento de gelo, reduzindo em 10% o custo de instalação do sistema. Além disso, a superfície de transferência de calor (supercooler) está sempre livre de gelo e tem uma eficiência superior em comparação com os sistemas convencionais de gelo em bobina. Com esta inovação, espera-se que os sistemas de pasta de gelo solar tenham um custo semelhante ao GSHP para a mesma eficiência do sistema, sem a necessidade de perfurar poços ou regenerar em cenários futuros.

Uma das principais barreiras tecnológicas para sistemas de pasta de gelo utilizando o método de superresfriamento é o desenvolvimento de trocadores de calor que permitam operar com temperaturas de água abaixo de 0°C sem congelamento. Dentro do projeto TRI-HP, desenvolvemos revestimentos resistentes ao gelo que funcionam em fluxos de água turbulentos, permitindo-lhes suprimir a formação de gelo para as condições de trabalho necessárias. Depois que a água é super-resfriada em uma forma estável, ela é bombeada para um cristalizador de gelo, onde a pasta de gelo é formada para ser armazenada no recipiente de pasta de gelo. O grau de super-resfriamento é definido como a diferença entre a temperatura real de congelamento e a temperatura de fusão, que é 0°C no caso da água.

Os superresfriadores TRI-HP testados baseados em trocadores de calor soldados são extremamente compactos e atingem graus de super-resfriamento de até 4°C, o que está bem além dos 2°C alcançados pelas tecnologias japonesas de ponta que usam trocadores de calor menos compactos. A temperatura média de super-resfriamento foi avaliada durante sete ciclos de congelamento para diferentes revestimentos icefóbicos, que estão marcados como pontos na Fig.

O uso de refrigerantes sintéticos começou por volta de 1930. Desde então, eles foram regulamentados devido à destruição da camada protetora de ozônio da Terra, ao alto potencial de aquecimento global (GWP) e ao impacto na saúde humana. Isto levou ao desenvolvimento de três gerações de refrigerantes sintéticos. A última geração, baseada no HFO, decompõe-se na atmosfera, gerando ácido trifluoroacético e formando trifluoroacetato, que pode contaminar a água potável. Assim, a única solução duradoura e sustentável para bombas de calor é a utilização de refrigerantes naturais e ecológicos com baixo PAG, como hidrocarbonetos, água, amoníaco e dióxido de carbono (CO2). Neste contexto, foram desenvolvidas e testadas novas bombas de calor com refrigerantes naturais (propano e CO2) no âmbito do projeto TRI-HP.