Bombas de calor de refrigerante natural para edifícios residenciais

© Ausra Barysiene

Daniel Carbonell, coordenador do projeto TRI-HP, explica os sistemas solares de lama de gelo e supercoolers, e relata as últimas inovações em bombas de calor de refrigerante natural para edifícios residenciais multifamiliares

Sistemas solares de gelo e supercoolers para produção de lama de gelo

Os edifícios podem ser eficientemente abastecidos com aquecimento e resfriamento renováveis ​​usando o que é conhecido como sistemas de gelo solar. Esses sistemas combinam coletores solares térmicos, bombas de calor e armazenamento de gelo para suprir as necessidades de energia em regiões dominadas por aquecimento com irradiação solar suficiente, por exemplo, Europa Central.

Os sistemas de gelo solar usam coletores térmicos solares como a única fonte de calor para a bomba de calor. Os coletores solares térmicos também são usados ​​para suprir diretamente as demandas de aquecimento e água quente sanitária. Enquanto o sol estiver brilhando ou a temperatura ambiente não for muito baixa, os coletores solares atuam como uma fonte de calor direta para a bomba de calor. Durante noites frias ou dias com baixa irradiação solar, quando a energia dos coletores solares é insuficiente para gerar calor suficiente para o funcionamento da bomba de calor diretamente dos coletores solares, o armazenamento de gelo é utilizado como fonte temporária de calor. Transformar água líquida em gelo libera muita energia térmica: congelar 1 kg de água fornece aproximadamente a mesma energia que resfriar a mesma quantidade de água de 80 ° C a 0 ° C. Assim, o armazenamento de gelo pode armazenar calor solar com alta capacidade de armazenamento volumétrico.

O sistema de pasta de gelo solar é um caso particular do sistema de gelo solar. A principal diferença entre eles é que no conceito de pasta de gelo, o depósito de gelo não contém trocadores de calor, o que reduz em 10% o custo de instalação do sistema. Além disso, o trocador de calor (supercooler) está sempre livre de gelo e, portanto, tem uma eficiência superior em comparação com o ice-on-coil.

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O sistema de lama de gelo solar pode ser comparado a bombas de calor de fonte subterrânea (GSHP) com os benefícios de não ter que perfurar poços e, portanto, não ser restringido por leis de proteção de água. Além disso, não há necessidade de regenerar o solo como no caso dos furos, mesmo que o armazenamento seja enterrado no solo, uma vez que se regenera anualmente pela energia solar. Este conceito de sistema é desenvolvido no projeto TRI-HP para climas dominados por aquecimento com resfriamento como um recurso adicional usando a pasta de gelo produzida no recipiente de armazenamento.

Supercoolers

A principal barreira tecnológica para sistemas solares de lama de gelo está relacionada aos supercoolers, ou seja, trocadores de calor que podem diminuir a temperatura da água abaixo de 0 ° C, permitindo a existência de água no estado meta-líquido e suprimindo a formação de gelo.

No contexto do projeto TRI-HP, supercoolers eficientes foram projetados e testados pelo SPF Institute for Solar Technology (SPF) da OST Eastern Switzerland University of Applied Sciences. Para os novos supercoolers, revestimentos de gelofóbico feitos pelo Instituto Tecnológico Dinamarquês (DTI) da Dinamarca e Industrielack AG (ILAG) foram usados ​​e aplicados a trocadores de calor da ALFA LAVAL. O custo destes revestimentos com base no pressuposto de 250 m2 de superfícies de placas revestidas por dia é da ordem de € 4 por kW de capacidade nominal da bomba de calor.

Os supercoolers TRI-HP testados alcançaram graus de super-resfriamento de até 4 K, que está bem além dos 2 K alcançados por tecnologias de ponta. A temperatura média de super-resfriamento foi avaliada por sete ciclos de congelamento para diferentes revestimentos glifóbicos. Potências de super-resfriamento de cerca de 6 kW foram alcançadas com os novos trocadores de calor. Os novos supercoolers serão testados pelo SPF junto com as bombas de calor durante o verão de 2021. O objetivo é avaliar a faixa de capacidade total e a confiabilidade em condições dinâmicas.

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Novas bombas de calor com refrigerantes naturais

O uso de refrigerantes naturais e ecológicos com baixo Potencial de Aquecimento Global (GWP), como hidrocarbonetos, água, amônia e dióxido de carbono (CO2) recentemente atraiu muita atenção como uma medida para mitigar as emissões de gases de efeito estufa de refrigeração, ar condicionado e sistemas de bombeamento de calor. Nesse sentido, novas bombas de calor com refrigerantes naturais (propano e dióxido de carbono) estão sendo desenvolvidas e testadas no contexto do projeto TRI-HP.

bombas de calor para refrigeração residencial
Figura 1: Graus experimentais de super-resfriamento (à esquerda) obtidos na bancada de teste SPF usando revestimentos fóbicos de gelo aplicados em trocadores de calor de placa plana (à direita).

A Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia (NTNU) de Trondheim (Noruega) desenvolveu uma única unidade de resfriamento de gás tripartite para um novo projeto de bomba de calor de CO2. Este projeto inovador de bomba de calor inclui três trocadores de calor de placas brasadas desenvolvidos pela ALFA LAVAL e visa simplificar o layout da bomba de calor e reduzir os requisitos de tubulação.

A investigação experimental mostra um desempenho promissor, embora tenha um design mais compacto e um custo de cerca de € 308 por kW de capacidade nominal da bomba de calor. De acordo com as condições do projeto, a taxa de calor atende aos requisitos para fornecer as temperaturas de alimentação de 35 ° C e 70 ° C para aquecimento ambiente e aplicações de água quente sanitária. Mais informações podem ser encontradas no site da TRI-HP.

Comportamento de falha de bombas de calor: métodos de detecção e diagnóstico

As bombas de calor estão cada vez mais sendo instaladas em edifícios residenciais, o que é uma oportunidade para reduzir a energia necessária para aquecer e resfriar edifícios. No entanto, essa redução só será possível se o equipamento for mantido corretamente. Os sistemas de detecção e diagnóstico de falhas (FDD) podem melhorar o custo de operação e manutenção dos sistemas de aquecimento e ar condicionado, especificamente a bomba de calor, sem influenciar seu desempenho.

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No projeto TRI-HP, o Instituto de Pesquisa Energética da Catalunha (IREC) desenvolveu um algoritmo FDD emulando falhas em um modelo detalhado de bomba de calor. Posteriormente, o FDD foi validado com dados experimentais obtidos a partir de falhas reais em bombas de calor. As falhas mais comuns da bomba de calor, a metodologia completa e a validação experimental do novo algoritmo FDD são publicadas em uma revisão e no site do TRI-HP.

Consórcio TRI-HP

O TRI-HP envolve 12 parceiros de sete países europeus diferentes (Bélgica, Dinamarca, Alemanha, Noruega, Espanha, Suécia e Suíça): sete parceiros de P&D (SPF, TECNALIA, IREC, ISOE, NTNU, DTI, UASKA), três PMEs (HEIM , EFC, ILAG), um grande parceiro da indústria (ALFA LAVAL e uma ONG (REHVA).

Este projeto recebeu financiamento do programa de pesquisa HORIZON 2020 da União Europeia sob o acordo de subvenção no. 814888.

* Observação: este é um perfil comercial

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