Uma análise de sistemas de aquecimento de piscinas domésticas através de bombas de calor assistidas por energia solar

Abstract

O Brasil possui o segundo maior mercado de piscinas no mundo e este cresce a uma taxa aproximada de 5% ao ano. Nas regiões Sul e Sudeste do Brasil, onde a temporada de calor é reduzida (Dezembro a Março), é necessário algum sistema de aquecimento para aumentar a temporada de banho. Bombas de calor assistidas por energia solar (SA-HP) têm sido estudadas nos EUA desde a década de 80, principalmente no aquecimento de ambientes. A combinação de uma bomba de calor com um sistema de aquecimento solar tende a amenizar várias das desvantagens destes sistemas quando operados separadamente. No inverno, os coletores solares fornecem água a uma temperatura muito baixa para ser utilizada no aquecimento direto, mas esta pode ser utilizada como fonte térmica para uma bomba de calor. Além disso, o sistema solar apresenta uma maior eficiência quando operado com temperaturas baixas, viabilizando a utilização de coletores baratos e sem cobertura. O sistema combinado pode compensar tanto a redução de desempenho do sistema solar convencional durante períodos nublados como a baixa capacidade de aquecimento da bomba de calor em períodos frios. Este estudo apresenta uma análise da viabilidade da utilização de SA-HP para aquecimento de piscinas. A metodologia empregada é baseada na simulação transiente de quatro configurações de sistemas de aquecimento, para uma piscina doméstica de 36m3 com uma superfície de 24m2, localizada em Florianópolis - Santa Catarina. As simulações são realizadas no software Transient System Simulation Tool (TRNSYS), onde o desempenho dos principais componentes, como coletor solar e piscina, são determinados por modelos matemáticos disponíveis na biblioteca de componentes do TRNSYS. Por outro lado, a simulação da bomba de calor é baseada em uma matriz de desempenho, a qual é determinada por um modelo termodinâmico em regime permanente implementado no software Engineering Equation Solver (EES). Esse modelo é validado a partir de dados de desempenho extraídos de um catálogo de um equipamento comercial. As quatro configurações consideradas neste estudo são: a configuração padrão, que utiliza apenas uma bomba de calor ar-água (ASHP); a configuração em paralelo, em que uma bomba de calor ar-água é instalada em paralelo ao sistema solar convencional (SA-ASHP); a configuração em série, em que o sistema de aquecimento solar é conectado em série a uma bomba de calor água-água (SA-WSHP); e a configuração dual-source que é a combinação das duas configurações anteriores, ou seja, utiliza-se uma bomba de calor com dois evaporadores (ar/água-água; SA-DSHP). Nas configurações em série e dual-source considera-se também um circuito de by-pass que possibilita o aquecimento da piscina diretamente pelos coletores solares. Além disso, em todas as configurações considera-se um aquecedor auxiliar para garantir que a temperatura da água da piscina seja mantida entre 27oC e 28oC, durante o ano todo. O desempenho térmico é avaliado em termos da fração solar, enquanto que a viabilidade econômica é quantifica através do life-cycle savings (LCS). Os resultados indicam que a configuração SA-DSHP apresenta o maior desempenho térmico, enquanto que a avaliação econômica mostra que todas as configurações apresentam viabilidade, sendo a configuração ASHP a mais atrativa. Nesse contexto, uma análise de sensibilidade da fração solar é realizada para analisar os efeitos das principais variáveis de projeto. Além disso, realiza-se uma análise de sensibilidade do LCS, em função dos principais parâmetros econômicos, com o intuito de verificar as premissas adotadas e considerar uma maior amplitude de análise.