MINI-BOMBA DE CALOR ACOPLADA A COLETORES SOLARES

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1 III ngress Brasileir de Energia Slar - Belém, 21 a 24 de setembr de 2010 MINI-BOMBA DE ALOR AOPLADA A OLETORES SOLARES Sérgi Pereira da Rcha srcha@ifsc.edu.br Jaquim Manel Gnçalves jaquimm@ifsc.edu.br Samuel Luna Abreu abreu@ifsc.edu.br Institut Federal de Santa atarina, ampus Sã Jsé Área de Refrigeraçã e limatizaçã Resum. Este trabalh refere-se a estud teóric de um sistema de aqueciment de para banh residencial de pequen prte. Trata-se de um sistema híbrid cmpst de uma mini-bmba de calr apiada pr cletres slares (um térmic e um ftvltaic) acplads e um reservatóri térmic de pequen vlume qual é capaz de suprir a demanda de aquecida para uma pequena família. Os resultads btids mstram que, de fat, a mini-bmba de calr pera acplada as demais equipaments que pssibilita aplicar este sistema cm substitut d chuveir elétric em uma ampla faixa de habitações n Brasil, prpiciand uma cnsiderável reduçã de cnsum de energia elétrica e, principalmente, de demanda de pnt (18 às 20 hras). Palavras-chave: Mini-bmba de calr, Painel ftvltaic, Irradiância slar, OP. 1. INTRODUÇÃO A bmba de calr é uma excelente alternativa para aqueciment de, principalmente pela pssibilidade de btençã de OP bastante alts desde que td cicl de refrigeraçã seja crretamente prjetad para as cndições peracinais prpstas. Na cmparaçã cm chuveirs elétrics, alternativa mais cmum para aqueciment de residencial n Brasil, principal prblema está assciad a elevad cust da bmba de calr. Esse prblema é ainda mair em sistemas de pequen prte em funçã d aument d cust específic da bmba de calr pr unidade de energia térmica prduzida. Na cmparaçã cm sistemas de aqueciment slar, cust assciad à existência de reservatóris de termacumulaçã e placas cletras faz cm que cust adicinal da bmba de calr nã seja tã elevad. Alguns pnts devem ser levads em cnsideraçã para us de uma bmba de calr acplada a cletres slares. A alta variabilidade da irradiaçã slar faz cm que a determinaçã das cndições ideais de funcinament d cicl de refrigeraçã tenha que ser cuidadsamente analisada. Aspects cm perfil de cnsum de aquecida, dispnibilidade instantânea de irradiaçã slar, capacidade de armazenament térmic, temperaturas e pressões de trabalh e ptência de cmpressã afetarã desempenh d equipament prjetad. m base niss, uma metdlgia de simulaçã devidamente validada será de grande utilidade na timizaçã ds parâmetrs de prjet. O presente trabalh apresenta um mdel de simulaçã de uma mini bmba de calr alimentada pela energia elétrica prduzida pr um painel ftvltaic e cm evapradr acplad a um cletr slar. 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFIA A EPE (2009) Empresa de Pesquisa Energética - apresenta uma Nta Técnica para a demanda de energia elétrica d Brasil entre 2009 e Segund s estuds, cnsum de energia em 2010 deve ser 7,4% superir a de Até 2018 estud estima que cresciment médi anual d cnsum fique em 5,2%. Para iss, há uma necessidade nã só de ampliaçã, mas também de racinalizar us ds sistemas geradres existentes. Uma das alternativas é utilizar utras fntes de energia cm a energia slar e a energia eólica. N Brasil, aqueciment de para us dméstic é feit majritariamente através de aquecedres elétrics. Substituir parte dessa demanda pr energia slar é uma ba maneira de racinalizar cnsum de energia elétrica. Uma das pssibilidades de utilizar energia elétrica é acpland painéis ftvltaics (FV) a cletres slar plan. Kalgiru (2001) apresentu uma mdelagem e simulaçã de um sistema híbrid ftvltaic-térmic (FV/T) de energia slar que cnsiste de um sistema cmbinad cmpst pr um painel FV acplad na parte frntal de um trcadr de calr cm aletas. Segund autr, as vantagens deste tip de sistema sã: (1) painel FV pera a uma temperatura mais baixa, prtant, mais eficiente; (2) quente e eletricidade sã prduzidas a mesm temp. Os resultads mstraram que sistema híbrid pde aumentar a eficiência média anual d sistema de energia slar ftvltaica de 2,8% até 7,7% e, além diss, cbre 49% das necessidades de quente de uma casa (aumentand assim a eficiência média anual d sistema de 31,7%). Fraisse et al. (2007) efetuaram um estud experimental cm diversas cnfigurações de painéis ftvltaics acplads a sistemas térmics e cncluíram que é necessári que sistema ftvltaic e térmic mantenha uma frte integraçã a fim de cnceber um únic cmpnente industrial, que integra a absrçã térmica e módul ftvltaic. Vkas et al. (2006) realizaram um estud teóric em um sistema híbrid (FV/T) cnstituíd pr um painel ftvltaic n qual é acplad um cletr térmic para aqueciment dméstic. Segund s autres, estud teóric deste sistema mstru que sistema pde cbrir uma parcela cnsiderável d aqueciment dméstic e, cnsequentemente, afirmaram que a tecnlgia ftvltaic-térmica ferece uma sluçã extrardinária para prblema d aqueciment dméstic, cntribuind assim para a reduçã d cnsum de energia nas casas.

2 III ngress Brasileir de Energia Slar - Belém, 21 a 24 de setembr de 2010 Os sistemas FV/T, prém, deixam de bter resultads psitivs quant à melhria da eficiência à medida que a temperatura da aumenta. A eficiência d painel ftvltaic cm cletr térmic também cai cm aument da temperatura e melhrias cm islament e cbertura de vidr irã, também, diminuir a eficiência elétrica. Uma alternativa para cntrnar essa situaçã é acplar painel FV a evapradr de uma bmba de calr a fim de gerar energia elétrica e quente. Pei et al. (2007) desenvlveram uma bmba de calr assistida pr um sistema ftvltaic, qual designu Phtvltaic Slar Assisted Heat Pump, u simplesmente, PV-SAHP. Segund s autres, a eficiência ftvltaica fi aumentada devid à diminuiçã da temperatura de funcinament da célula FV, cm resultad d prcess de evapraçã d refrigerante. O OP - Eq. (1) - da bmba de calr também fi substancialmente melhrad devid à absrçã de energia slar. Os testes de desempenh d cmpressr fram realizads cm as freqüências de Hz e 60Hz. Os resultads indicam que sistema PV-SAHP tem um desempenh superir a sistema cnvencinal da bmba de calr e, a mesm temp, a eficiência ftvltaica também é mair. Para a frequência de 60 Hz n cmpressr, a capacidade de cndensaçã fi melhrada e temp de aqueciment necessári fi reduzid. A mesm temp, a pressã e temperatura de evapraçã diminuíram. Já para cmpressr cm uma freqüência de Hz, cnsum de energia e a taxa de cmpressã reduziram e OP d sistema aumentu. Ainda segund s autres, para uma baixa radiaçã slar, sistema PV-SAHP peru em uma freqüência baixa para manter a bmba de calr cm um bm desempenh. Quand a irradiaçã slar fi elevada, a freqüência d cmpressr (e cnsequentemente sua ptência) fi aumentada para cnduzir mais calr a cndensadr. nde OP = Q & W & (1) Q & é calr útil rejeitad pel cndensadr e W & é a ptência d cmpressr. Jie et al. (2008) apresentam um estud experimental de um nv sistema PV-SAHP cmpst de um painel FV acplad a um evapradr de uma bmba de calr cuj cmpressr tem ptência variand entre 1 W e 10 W usand R22 cm fluid refrigerante. Eles determinaram a variaçã da capacidade d cndensadr, da ptência d cmpressr, da ptência elétrica FV e d OP a lng d dia e bservaram que seus valres atingiram pic máxim próxim às 12 hras, cincidind cm períd de irradiância slar máxima. Já a ptência de cmpressã apresentu uma leve queda à medida que a radiaçã slar aumentava e uma elevaçã à medida que radiaçã slar diminuía. Os resultads mstram, ainda, que OP atingiu valres próxims a 11,0. Jie et al. (2009) cmplementaram trabalh de Jie et al. (2008) cm desenvlviment de um mdel matemátic para calcular tant as temperaturas das células ftvltaicas e ds cletres térmics quant às eficiências térmicas e ftvltaicas, além d ganh de calr d evapradr. Segund s autres, mdel apresentu-se favrável uma vez que err n cálcul d ganh de calr e da eficiência térmica d evapradr ficu próxim ds 10%. O presente artig faz um estud teóric referente a acplament de uma mini-bmba de calr, tend R134a cm fluid refrigerante, a um cletr slar térmic e a um painel FV para aqueciment de para banh em pequenas famílias. O principal bjetiv deste trabalh é mstrar que através da simulaçã d sistema mini-bmba de calr/cletr slar/painel FV é pssível integrar tds s equipaments. Para iss, variu-se a irradiância slar ttal, a temperatura da d reservatóri e a temperatura d ambiente externa e bservu-se cmprtament da rtaçã d cmpressr, das temperaturas de evapraçã e cndensaçã, da queda de pressã, da ptência de aqueciment de d reservatóri e d OP da mini-bmba de calr. 3. DESRIÇÃO DO MODELO DE SIMULAÇÃO A Fig. 1 mstra atual mdel em desenvlviment qual simula a integraçã de uma mini-bmba de calr a um painel ftvltaic e a um painel slar térmic. m se pde ntar nesta figura, tant painel FV quant cletr slar térmic recebem energia d sl e a transfrma em energia elétrica e energia térmica, respectivamente. A primeira energia é utilizada para a alimentaçã elétrica d cmpressr e da bmba de circulaçã de enquant a segunda para a evapraçã d fluid refrigerante que esca dentr d evapradr da bmba de calr, cnfrme mstra prcess d pnt 4 a pnt 5. Ainda n evapradr, há a pssibilidade de n períd nturn, quand nã há irradiância slar, fluid refrigerante receber calr d ar em um ambiente intern n qual é instalad utr evapradr em paralel. Após fluid refrigerante sair d evapradr, ele entra n trcadr de calr intermediári nde recebe calr da tubulaçã de descarga d dispsitiv de expansã. m iss, há um aument d superaqueciment na entrada d cmpressr e uma reduçã n títul 1 d fluid refrigerante na saída d dispsitiv de expansã, fazend cm que OP d sistema aumente. m se pde bservar n diagrama p x h e n cicl da mini-bmba de calr apresentads na Fig. 2, pnt 1 apresenta um superaqueciment, T SUP =T 1 -T SAT (p E ) 2, superir a superaqueciment avaliad n pnt 5. Além diss, títul n pnt 4 é inferir a títul d pnt 4. Para cas em que nã há trcadr de calr intermediári, s pnts 1 e 5 cincidem n pnt 5, s pnts 4 e 4 cincidem n pnt 4 e s pnts 2 e 2 cincidem n pnt 2. As equações que se seguem fram escritas cnsiderand a existência d trcadr de calr 1 O títul d fluid refrigerante é definid cm a razã entre a massa de refrigerante n estad gass e a massa ttal de refrigerante. 2 T SAT (p E ) é a temperatura de saturaçã d fluid refrigerante na pressã de evapraçã [ ].

3 III ngress Brasileir de Energia Slar - Belém, 21 a 24 de setembr de 2010 intermediári, mas s resultads btids fram para a cndiçã de efetividade d trcadr de calr intermediári igual a zer que crrespnde à inexistência deste equipament. O cmpressr, cndensadr e a bmba circuladra de fram instalads dentr d reservatóri térmic de frma a aprveitar calr rejeitad para aqueciment da. Tant cmpressr cm a bmba circuladra de sã alimentadas eletricamente pel cntrladr de energia elétrica qual recebe energia d painel ftvltaic e/u da rede (neste cas quand a energia d painel ftvltaic é insuficiente). A bmba circuladra tem a funçã de manter uma temperatura unifrme n reservatóri. Em se tratand da bmba de calr, s prcesss 1 para 2 (cmpressã d fluid refrigerante) e 2 para 3 (cndensaçã d fluid refrigerante) crrem predminantemente dentr d reservatóri térmic. A quente gerada n reservatóri térmic é direcinada a um misturadr nde se mistura cm préaquecida n dren 3 d banheir e se dirige a chuveir prpriamente dit. Este chuveir tem, também, a pçã de ser aquecid pr uma resistência elétrica cm ptência ajustável para cas em que a misturada nã tenha atingid a temperatura de banh. N cas d us da quente prduzida n reservatóri térmic, uma nva quantidade de é enviada para reservatóri cm um pré-aqueciment n dren d banheir. Vale infrmar que Figura 1: Acplament de bmba de calr a cletr slar térmic e a painel FV para aqueciment de e geraçã de energia elétrica. A parte d mdel relativa à bmba de calr baseia-se n trabalh de Gnçalves et al. (2009) s quais apresentaram um mdel semi-empíric para a simulaçã de refrigeradres residenciais d tip frst-free em regime permanente. Inicialmente atual mdel será dividid ns seguintes mdels: cmpressr, cndensadr acplad a reservatóri térmic, trcadr de calr intermediári, evapradr acplad a cletr slar térmic e a painel ftvltaic e a bmba de circulaçã de. 3 N presente mdel pré-aquecedr n dren ainda nã fi incluíd.

4 III ngress Brasileir de Energia Slar - Belém, 21 a 24 de setembr de 2010 Pressã absluta - p [bar] R134a 3 2' 2 4 4' Dads de entrada d mdel -1 Entalpia específica - h [kjkg ] Figura 2: Diagrama p x h d refrigerante R134a e cicl da bmba de calr. Os dads de entrada d atual mdel estã apresentads na Tab mpressr Tabela 1. Dads de entrada para mdel. Nme Símbl Valr Nme Símbl Valr [Unidade] [Unidade] Superaqueciment T sup [ ] 1,0 ndutância UA [WK -1 ] 1,0 térmica glbal d cmpressr Subresfriament T sub [ ] 1,0 ndutância UA [WK -1 ] 100,0 térmica glbal d cndensadr alr específic c p, [J (kg K) -1 ] 4,186 Vlume deslcad V [cm 3 ] 1,4 da pel cmpressr Queda de pressã p [kpa] Rendiment η FV [-] 0,1 da ftvltaic Vlume específic υ [m 3 kg -1 ] 0,001 Rendiment da η BOMBA [-] 0,3 da bmba d Vazã mássica m& [kg s -1 ] 0,02 Área d cletr A T [m 2 ] 0,2 de slar térmic Efetividade de trcadr de calr intermediári ε TI [-] 0,0 Área d painel ftvltaic A FV [m 2 ] 1,0 A análise d cmpressr tem pr bjetiv a determinaçã de parâmetrs cm vazã mássica de refrigerante deslcada pel cmpressr, ptência cnsumida n prcess de cmpressã e entalpia d refrigerante na descarga d cmpressr. Os dads técnics d cmpressr utilizad n presente trabalh sã apresentads na Tab. 2 e fram btids d catálg d fabricante. Ainda na Tab. 2 é apresentada uma ftgrafia d cmpressr. m se nta na figura, tamanh d cmpressr é cmparad a uma meda para se ter uma nçã da pequena dimensã deste equipament. Tabela 2. Ftgrafia e faixa de peraçã d cmpressr 4. Temperatura de cndensaçã - T [ ] 26,7 a 71,1 Temperatura de evapraçã - T E [ ] -1,1 a 21,1 eficiente de desempenh - OP [-] 0,4 a 9,6 apacidade de refrigeraçã R [W] 58 a 613 Rtaçã - N [rpm] 00 a Dads btids de catálg d fabricante, ver Aspen (2009).

5 III ngress Brasileir de Energia Slar - Belém, 21 a 24 de setembr de 2010 nfrme Gsney (1982), as eficiências vlumétrica e glbal d cmpressr, η v e η g, pdem ser determinadas em funçã ds parâmetrs de funcinament d cmpressr, tais cm: temperaturas de cndensaçã e de evapraçã (T e T E ), rtaçã (N) e razã de cmpressã (R) a qual é btida pela relaçã entre as pressões de cndensaçã e de evapraçã, u seja, R=p /p E. Diante diss, as Eqs. (2) e (3) representam estas eficiências cujs ceficientes sã apresentads na Tab. 3. Estes ceficientes fram determinads através de um ajuste ds dads de funcinament d cmpressr btids n catálg d fabricante s quais estã resumids na Tab. 2. η v = a 1 + a 2 T + a 3 T E + a 4 N + a 5 R + a 6 T T E + a 7 T N + a 8 T R + a 9 T E N + a 10 T E R + a 11 N R (2) η g = b 1 + b 2 T + b 3 T E + b 4 N + b 5 R + b 6 T T E + b 7 T N + b 8 T R + b 9 T E N + b 10 T E R + b 11 N R (3) Tabela 3. eficientes das Equações 2 e 3 para cálcul de η v e η g. a 1 9,6375 x 10-1 a 7 5,9617 x 10-8 b 1 1,2534 x 10 0 b 7 2,3953 x 10-6 a 2 7,58 x 10-3 a 8 1,7961 x 10-4 b 2 7,5697 x 10 b 8 8,2607 x 10-3 a 3 5,1875 x 10-3 a 9-1,9711 x 10-6 b 3,5956 x 10 b 9-3,0970 x 10-6 a 4 7,1382 x 10-6 a 10 1,2424 x 10-3 b 4-5,1088 x 10-6 b 10,3759 x 10 a 5-1,6677 x 10-1 a 11 3,09 x 10-6 b 5-1,4662 x 10 0 b 11,0941 x 10-5 a 6-2,2132 x 10-4 b 6-5,8892 x 10-4 A Eq. (4) é utilizada para cálcul da vazã mássica, m&, de refrigerante deslcada pela mini-bmba de calr B [kg s -1 ]. m se bserva, m& é calculada em funçã de quatr parâmetrs: da eficiência vlumétrica d cmpressr B [adimensinal] (ver Eq. (2) e Tab. 3); da rtaçã d cmpressr [s -1 ]; d vlume específic d fluid refrigerante na entrada n cmpressr [m 3 kg -1 ]; e d vlume deslcad pel cmpressr [m 3 ]. m & B = η V v ν 1 N (4) O cálcul da ptência de cmpressã, W &, é efetuad pela Eq. (5). Nesta equaçã, h 2s é a entalpia isentrópica na saída d cmpressr [J kg -1 ], h 1 é a entalpia na entrada d cmpressr [J kg -1 ] e η g é a eficiência glbal d cmpressr [adimensinal], calculada a partir da Eq. (3) e Tab. 3. W& = m& B ( h h ) 2s 1 η g (5) A taxa de calr rejeitad pel cmpressr, Q &, é calculada pela Eq. (6) nde se cnsidera prcess 1 para 2 da Fig. 2 cm adiabátic. Nesta equaçã, T é a temperatura de cndensaçã e T 2,A é a temperatura adiabática d refrigerante na descarga d cmpressr, send calculada a partir da pressã de cndensaçã e da entalpia adiabática d refrigerante na descarga d cmpressr dada pela Eq. (8); ε é a efetividade térmica d cmpressr que é determinada pela Eq. (8) e c p,2,a é calr específic d fluid refrigerante na descarga d cmpressr [kj kg -1 ]. = mbc p, 2, Aε 2, A ( T T ) Q& & (6) h & 2, A = h 1 + W m& (7) B ( UA m& Bc p,2, A ) ε = 1 e (8) nde UA é a cndutância térmica glbal d cmpressr, em WK -1, cuj valr se encntra na Tab. 1. A entalpia na descarga d cmpressr é btida pel balanç de energia n cmpressr apresentad na Eq. (9). nhecida esta entalpia e cm a pressã de cndensaçã, determina-se a temperatura na descarga d cmpressr, T ndensadr acplad a reservatóri térmic ( W& Q& ) m& B h 2 = h 1 + (9) O balanç de energia n cndensadr pssibilita cálcul d calr rejeitad pr ele, através da Eq. (10). Esta parcela de energia pde ser calculada também pela Eq. (11). N entant, usa-se esta última equaçã para se determinar

6 III ngress Brasileir de Energia Slar - Belém, 21 a 24 de setembr de 2010 a temperatura de cndensaçã, T. Subtraind desta temperatura sub-resfriament apresentad na Tab. 1, calcula-se T 3, apresentada na Fig. 2. Além diss, sabend-se T pde-se determinar a pressã de cndensaçã, p, clcand-a igual à pressã de saturaçã na temperatura T. m p determinad, pde-se calcular a entalpia n pnt 3, h 3, clcand as cndições de pressã igual a p e temperatura igual a T 3. ( ) Q & = m& h 2 h (10) 3 B p, ( T T ) Q& = m& c ε (11) nde ε é a efetividade térmica d cndensadr dada pela Eq. (12) [adimensinal]; c p, é calr específic da [J (kg K) -1 ] e m& é a vazã mássica de [kg s -1 ]. 3.4 Trcadr de calr intermediári ( UA m& c p ) ε = 1 (12) e, Este trcadr de calr é cmpst pela linha de sucçã e pel dispsitiv de expansã. m dit anterirmente, cm ele cnsegue reduzir títul na entrada d evapradr e elevar superaqueciment na entrada cmpressr, elevand OP d sistema. A partir deste parâmetr é pssível determinar a temperatura na entrada d cmpressr cnfrme a Eq. (13). ( T ) T = ε TI (13) 1 T5 + 3 T5 nde ε TI é a efetividade d trcadr de calr intermediári, [adimensinal] que n presente trabalh cnsideru-se igual a zer cnfrme apresentad na Tab. 1 para indicar a sua inexistência. Neste cas, tem-se T 1 =T 5. O balanç de energia n trcadr de calr intermediári frnece a entalpia n pnt 4, h 4, através da Eq. (14). Os cálculs das entalpias h 4 e h 5 sã apresentads ns mdels d cndensadr e evapradr a seguir. Da Fig. 2 bservase que h 4 = h 3, pis a linha tracejada que une estes dis pnts crrespnde a uma linha isentálpica. h ( h ) 4 h4 1 h5 3.5 Evapradr acplad a cletr slar térmic e a painel FV A Eq. (15) representa balanç de energia n evapradr nde e h 1 crrespndem às entalpias na entrada e na saída d evapradr, respectivamente. = (14) ( ) Q & E é a taxa de calr que entra n evapradr e h 4 Q & = m& h 1 h (15) 4 E B O calr que entra n evapradr é, também, calculad pela Eq. (16), integrand cletr slar térmic a evapradr. Inicialmente será utilizad um mdel para a determinaçã da eficiência térmica d cletr slar que cnsidera uma eficiência ótica de absrçã de energia e um parâmetr glbal de perdas d cletr. Esta equaçã determina a temperatura de evapraçã, T E, a qual pssibilita cálcul da pressã de evapraçã, p E, clcand esta última igual a pressã de saturaçã na temperatura T E. nhecida a p E, determina-se a razã de cmpressã, R, utilizada nas Eqs. (2) e (3). Além diss, a partir d cnheciment de T E e d superaqueciment apresentad na Tab. 1, determina-se valr de T 1 n cicl da mini-bmba de calr apresentad na Fig. 2, através da equaçã T 1 = T E + T SUP. Pr fim, cnhecidas p E e T 1, determina-se: h 1 utilizada na Eq. (14), υ 1 utilizad na Eq. (4) e s 1 (entrpia n pnt 1). Esta entrpia é útil para se determinar pnt 2 da Fig. 2 uma vez que prcess de cmpressã na mini-bmba de calr é isentrópic e p E já é cnhecida. m este prcediment determina-se a entalpia n pnt 2 seguind a linha isentrópica, h 2s, a qual é utilizada na Eq. (5). Q& = G A η (16) E TOT, T nde η T é a eficiência térmica d cletr slar [adimensinal] e dada pela Eq. (17). T R ( ) η = F τα E F U R T L T TE T G nde F R (τα) E é parâmetr de eficiência ótica para cletr slar [adimensinal]; F R U L é parâmetr glbal de perda de calr d cletr slar [Wm K -1 ]; T E é a temperatura d evapradr [ ]; T AMB é a temperatura ambiente [ ]; A T é a área d cletr térmic [m 2 ]; e G TOT é a irradiância slar ttal na superfície cletra [Wm ]. Na Tab. 4 sã AMB TOT, T (17)

7 III ngress Brasileir de Energia Slar - Belém, 21 a 24 de setembr de 2010 apresentads s dads de F R (τα) E e de F R U L para dis tips de cletres que serã utilizads n mdel d presente trabalh cm referência: (1) Islad cm cbertura e; (2) Nã islad sem cbertura. Tabela 4. Parâmetrs da curva característica de eficiência d cletr slar. Tip de letr Slar F R (τα) E, [-] F R U L, [Wm K -1 ] Islad cm bertura 0,75 5 Nã Islad Sem bertura 0,95 25 O term G TOT,T presente nas Eqs. (16) e (17) crrespnde à parcela de irradiância slar ttal que é destinada à geraçã de energia térmica e é dad pr G TOT, T =(1-η FV )G TOT. A ptência elétrica prduzida pel painel FV é determinada em funçã de seu rendiment, de sua área de trca de calr e da irradiância slar ttal incidente d painel FV, cnfrme a Eq. (18). W& = η A G (18) ELE FV FV TOT O desacplament entre cletr slar térmic e painel ftvltaic pde ser feit igualand G TOT,T a G TOT. Dessa frma cnsiderarems que cletr térmic é um cmpnente independente, nã transfrmand nenhuma parte da energia absrvida em energia elétrica. Efeits sbre rendiment d painel ftvltaic devid à diminuiçã da sua temperatura de trabalh, devid a acplament d cletr slar térmic, ainda nã fram analisads. 3.6 Bmba de circulaçã de A bmba de circulaçã da tem a funçã de manter a temperatura da distribuída unifrmemente dentr d reservatóri de e sua ptência é determinada pela Eq. (19). Nesta equaçã, & W B, é a ptência da bmba de [W]; p é a queda de pressã na bmba [Pa]; υ é vlume específic da [m 3 kg -1 ] e; η B, é rendiment da bmba [adimensinal]. Os valres destas variáveis independentes da Eq. (19) sã apresentads na Tab. 1. W& B, m = & p η B, ν (19) É pssível eliminar a bmba de circulaçã de, prém iss implicará em uma análise mais detalhada da cndutância térmica glbal d cndensadr (UA ). 3.7 OP d sistema A taxa de energia utilizada para aqueciment da d reservatóri, Q & AQUE, inclui s calres rejeitads pel cndensadr, pela bmba de circulaçã de e pel cmpressr, uma vez que estas duas últimas parcelas de energia sã frnecidas à d reservatóri sb a frma de calr, ver Fig. 1. A energia ttal que irá ser gasta para que sistema funcine, W & TOT, resume-se às energias de acinament d cmpressr e da bmba de circulaçã da. Partind d cnceit de OP cm send a relaçã entre a energia útil e a energia gasta em um sistema, OP da bmba de calr pde ser calculad pela Eq. (20). OP B Q& AQUE Q& + Q& + W& B, = = W& W& + W& (20) TOT B, 4. RESULTADOS Nas análises aqui apresentadas cnsideram-se três grandezas independentes (de entrada), quais sejam: (1) a irradiância slat ttal (de 100 a 1000 Wm ); (2) a temperatura da quente n reservatóri (de 25 a 55º); e (3) a temperatura d ar ambiente, cnsiderada igual a 20º para quase a ttalidade das análises apresentadas. Na Fig. 6.b sã apresentadas curvas para temperaturas d ambiente iguais a 10, 20 e º. Ns demais gráfics de resultads sã apresentadas curvas cmparativas para s dis tips de cletres slar caracterizads pels dads frnecids anterirmente na Tab. 4. A irradiância slar e a temperatura da fram esclhidas cm eixs cartesians ds gráfics de resultads a seguir apresentads pr serem as variáveis que mais influenciam n cmprtament e n desempenh da bmba de calr.

8 III ngress Brasileir de Energia Slar - Belém, 21 a 24 de setembr de 2010 Nas análises apresentadas tem-se sempre a bmba de calr cmpletamente acplada à energia slar, u seja, evapradr está termicamente acplad a cletr slar assim cm, principalmente, a alimentaçã elétrica d cmpressr. Esta energia elétrica é prveniente d painel ftvltaic e está ressaltad em tds s gráfics de resultads n eix hrizntal secundári lcalizad lg abaix d eix hrizntal crrespndente a irradiância slar ttal. Para manter a bmba de calr em cndições adequadas de peraçã e desempenh é necessári garantir pequens valres de subresfriament (uns 5º) na saída d cndensadr e de superaqueciment na saída d evapradr. Iss se cnsegue cntrland a rtaçã d cmpressr e a abertura d dispsitiv de expansã, pis a dinâmica da bmba de calr está diretamente influenciada pela variaçã da irradiância slar e da temperatura da. Os gráfics a seguir apresentam as variações da rtaçã d cmpressr, da ptência de aqueciment da, das temperaturas de cndensaçã e evapraçã e d OP, em funçã das variações da temperatura da d reservatóri, da irradiância slar ttal e da temperatura ambiente (apenas na Fig. 6.b). Para a cnfecçã destes gráfics, s dads de F R (τα) E e de F R U L d cletr slar estã apresentads na Tab Rtaçã d cmpressr Na Fig. 3 é apresentad mapa de cntrle para a rtaçã d cmpressr caracterizad na Tab. 2 em funçã da temperatura da e da irradiância slar ttal para sistema de referência, na temperatura ambiente de 20º. O cmprtament bservad, tant qualitativamente quant quantitativamente, para s dis tips de cletres slar cnsiderads é bastante semelhante. Tal cmprtament crre em virtude da energia elétrica dispnível para cmpressr ser limitada, neste cas, pela prduçã d painel ftvltaic instalad (1 m 2 cm 10% de eficiência elétrica) fazend, cnsequentemente, a rtaçã aumentar cm aument da irradiância slar ttal e reduzir cm aument da temperatura da. Temperatura da - T ÁGUA, [ ] Rtaçã - N [rpm] Islad cm cbertura Nã islad sem cbertura = 20 T AMB Irradiância slar ttal - G TOT [Wm ] Ptência elétrica ttal - W ELE [W] Figura 3. Mapa de cntrle da rtaçã d cmpressr em funçã da temperatura da d reservatóri e da irradiância slar. 4.2 Temperaturas de evapraçã e cndensaçã Nas Figs. 4.a e 4.b sã apresentads s cmprtaments das temperaturas de cndensaçã e de evapraçã d fluid refrigerante em funçã da temperatura da d reservatóri e da irradiância slar ttal, para a temperatura ambiente de 20º. Ambas as temperaturas sbem acmpanhand a temperatura da d reservatóri térmic. N entant, à medida que aumenta a irradiância slar ttal a temperatura de cndensaçã aumenta e a temperatura de evapraçã diminui. O aument da temperatura de cndensaçã cm aument da irradiância slar se deve a uma mair ptência de aqueciment que só será transferida para reservatóri térmic cas a diferença de temperatura entre ele e fluid refrigerante também aumente. Quant à temperatura de evapraçã, em níveis de irradiância slar baixs (<120 Wm ), praticamente nenhuma quantidade de calr é transferid para reservatóri térmic e a temperatura d evapradr mantém-se próxima à temperatura ambiente.

9 III ngress Brasileir de Energia Slar - Belém, 21 a 24 de setembr de 2010 Temperatura da - T ÁGUA, [ ] Temperatura de cndensaçã - T [ ] Islad cm cbertura Nã islad sem cbertura = 20 T AMB Irradiância slar ttal - G TOT [Wm ] Temperatura da - T ÁGUA, [ ] Temperatura de evapraçã - T E [ ] Islad cm cbertura Nã islad sem cbertura = 20 T AMB 13,5 8 2,5 13, Irradiância slar ttal - G TOT [Wm ] 8-3 2, Ptência elétrica ttal - W ELE [W] Ptência elétrica ttal - W ELE [W] (a) (b) Figura 4. Temperaturas de evapraçã e de cndensaçã em funçã da temperatura da d reservatóri e da irradiância slar. Observa-se, também, que a diferença entre as temperaturas de cndensaçã e de evapraçã, em ambs cletres, aumenta cm aument da temperatura da d reservatóri. Este aument entre as temperaturas faz cm que a diferença de pressã também aumente, fazend cm que cmpressr seja mais exigid à medida que reservatóri térmic aquece. A Fig. 5 mstra justamente esta situaçã. m se bserva nesta figura, a diferença entre as pressões de cndensaçã e de evapraçã, p=p -p E, aumenta cm aument da temperatura da d reservatóri térmic. Temperatura da - T ÁGUA, [ ] Diferença de pressã - p [bar] Islad cm cbertura Nã islad sem cbertura T AMB = Irradiância slar ttal - G TOT [Wm ] Ptência elétrica ttal - W ELE [W] Figura 5. Diferença de pressã n circuit da bmba de calr em funçã da temperatura da d reservatóri e da irradiância slar. 4.3 Ptência de aqueciment Nas Figs. 6.a e 6.b sã apresentads gráfics da ptência de aqueciment da em funçã da irradiância slar e da temperatura da d reservatóri. Na Fig. 6.a sã apresentads resultads na temperatura ambiente de 20º e para s dis cletres. Já na Fig. 6.b s resultads btids sã para cletr slar nã islad e sem cbertura cm temperaturas ambiente de 10º, 20º e º. m se bserva em ambas as figuras, a ptência de aqueciment aumenta cm aument da irradiância slar e diminui cm aument da temperatura da d reservatóri. Na Fig. 6.a se bserva que cletr slar nã islad e sem cbertura prduz mais ptência de aqueciment que cletr slar islad cm cbertura. Essa cnstataçã é muit imprtante vist que cust d primeir e bem menr que d segund, prpiciand um grande ptencial de reduçã de cust neste tip de sistema. Já na Fig. 6.b bserva-se que para uma dada temperatura da d reservatóri é necessária uma menr irradiância slar para que se btenha uma mesma ptência de aqueciment à medida que se aumenta a temperatura ambiente. Tal cmprtament já era esperad vist que quant mair fr a dispnibilidade de calr n ambiente d evapradr, mair será a capacidade de transferi-l para reservatóri térmic

10 III ngress Brasileir de Energia Slar - Belém, 21 a 24 de setembr de 2010 Temperatura da - T ÁGUA, [ ] Ptência de aqueciment - Q AQUE [W] letr islad cm cbertura letr nã islad sem cbertura T AMB= Temperatura da - T ÁGUA, [ ] Ptência de aqueciment - Q AQUE [W] T AMB =10 T AMB =20 T AMB = letr nã islad sem cbertura Irradiância slar ttal - G TOT [Wm ] Irradiância slar ttal - G TOT [Wm ] Ptência elétrica ttal - W ELE [W] Ptência elétrica ttal - W ELE [W] (a) (b) Figura 6. Ptência de aqueciment da em funçã da temperatura da d reservatóri e da irradiância slar. 4.4 eficiente de desempenh - OP Na Fig. 7 é apresentad um gráfic d ceficiente de desempenh, OP, em funçã da irradiância slar e da temperatura da d reservatóri, para uma temperatura ambiente de 20º e para s dis cletres. m se pde bservar, OP apresenta mesm cmprtament para s dis tips de cletres e as curvas de mesm OP apresentam um frmat parabólic vltad para baix. Prtant, para cada cmbinaçã de irradiância slar e temperatura da existe um pnt de máxim OP. Em uma cnfiguraçã timizada da mini-bmba de calr analisada deve-se buscar cmpnentes que visem um cmprtament melhr d OP em cndições reais de peraçã. Outra bservaçã é que nvamente fica clar desempenh superir da bmba de calr cm cletr nã islad e sem cbertura. Pr utr lad, OP pr si só nã define a pçã pr esse tip de sistema vist que a energia elétrica utilizada é prveniente ds painéis ftvltaics. Temperatura da - T ÁGUA, [ ] 55 2,1 2,4 2,1 eficiente de desempenh - OP [-] 2,4 3,0 Islad cm cbertura 2,7 Nã islad sem cbertura T = ,0 4,2 2,7 3,6 4, Irradiância slar ttal - G TOT [Wm ] Ptência elétrica ttal - W ELE [W] Figura 7. OP d cmpressr em funçã da temperatura da d reservatóri e da irradiância slar. 5. ONLUSÕES Pde-se bservar claramente neste trabalh que mdel desenvlvid apresenta uma frte integraçã entre a bmba de calr e s cletres slar, uma vez que as variações de irradiância slar, temperatura da d reservatóri térmic e temperatura ambiente sã percebidas pela bmba de calr. Os resultads apresentads ns gráfics das Figs. 6 e 7 mstram que a bmba de calr apresenta um melhr desempenh quand s cletres slar utilizads sã s nã islads e sem cbertura. Além diss, na Fig. 6.b bservase que a temperatura ambiente influencia claramente na transferência de calr para reservatóri térmic, pis para uma mesma temperatura da de reservatóri térmic huve um decréscim na irradiância slar necessária para se bter uma mesma ptência de aqueciment da à medida que a temperatura ambiente aumentu. Diante d expst, principal bjetiv deste trabalh fi atingid, já que se cnseguiu mstrar que mdel d sistema mini-bmba de calr/cletr slar/painel FV integra tds s equipaments. m iss, um ds próxims AMB

11 III ngress Brasileir de Energia Slar - Belém, 21 a 24 de setembr de 2010 trabalhs crrespnde à cnstruçã deste sistema para a aquisiçã de dads experimentais a fim de permitir uma melhr cmpreensã d sistema, pdend, em um futur próxim, cnfeccinar este sistema em escala nacinal. Agradeciments Os autres agradecem a arls Eduard Gnçalves pela sua cntribuiçã neste trabalh. REFERÊNIAS Aspen, Dads Técnics d mpressr Aspen, mdel X. Dispnível em: Síti acessad em 18/04/2010. PBE, Sistemas e Equipaments para Aqueciment Slar de Água, Prgrama Brasileir de Etiquetagem, Institut Nacinal de Metrlgia, Nrmalizaçã e Qualidade Industrial (INMETRO). Dispnível em: Síti acessad em 10/04/2010. EPE, Nta Técnica DEA 15/09. Prjeçã de Demanda de Energia Elétrica para s Próxims 10 Ans. Dispnível em: Síti acessad em 22/04/2010. Fraisse, G., Ménéz,. e Jhannes, K., Energy Perfrmance f Water Hybrid PV/T llectrs Applied t mbisystems f Direct Slar Flr Type, Slar Energy, vl. 81, pp Gnçalves, J. M., Mel,. e Hermes,. J. L., A Semi-Empirical Mdel fr Steady-Stade Simulatin f Husehld Refrigeratrs, Applied Thermal Engineering, vl. 29, pp Gsney, W.., Principles f Refrigeratin. ambridge University Press, ambridge, UK. Ji J., He H., hw, T., Pei G., He W. e Liu K., Distributed Dynamic Mdeling and Experimental Study f PV Evapratr in a PV/T Slar-Assisted Heat Pump, Internatinal Jurnal f Heat and Mass Transfer, vl. 52, pp Ji J., Pei G., hw, T. T., Liu K. L., He H., Lu J. e Han., Experimental Study f Phtvltaic Slar Assisted Heat Pump System, Slar Energy, vl. 82, pp Kalgiru, S. A., Use f TRNSYS fr Mdelling and Simulatin f a Hybrid PV-Thermal Slar System fr yprus, Renewable Energy, vl. 23, pp Pei G., Ji J., Han. e Fan W., Perfrmance f Slar Assisted Heat Pump Using PV Evapratr Under Different mpressr Frequency, Prceedings f ISES Slar Wrld ngress 2007: Slar Energy and Human Settlement, pp Vkas, G., hristandnis, N. e Skittides, F., Hybrid Phtvltaic-Thermal Systems fr Dmestic Heating and ling A Theretical Apprach, Slar Energy, vl. 80, pp Abstract. This paper refers t the theretical study f a system fr heating water fr bathing small residential. This is a hybrid system cmpsed f a mini heat pump backed by slar cllectrs (ne thermal and ne phtvltaic) cupled and a thermal reservir f small vlume which is capable f supplying the demand fr heated water fr a small family. The results shw that, in fact, the mini heat pump perates cupled t ther equipment which enables t implement this system as a replacement electric shwer ver a wide range f husing in Brazil, prviding a cnsiderable reductin in energy cnsumptin and, mainly, frm demand pint (18 t 20 hurs). Key wrds: Mini heat pump, phtvltaic panel, slar irradiance, OP.