Pesquisadores na Itália desenvolveram e avaliaram em campo o desempenho de uma bomba de calor de dupla fonte com expansão direta, projetada para utilizar simultaneamente o ar ambiente e a radiação solar como fontes térmicas, empregando dióxido de carbono (CO₂) como fluido refrigerante natural. O objetivo do trabalho foi determinar os parâmetros ideais de operação e estabelecer lógicas avançadas de controle operacional para maximizar o rendimento energético na produção de água quente para uso doméstico.

Estrutura experimental montada em Roma

O experimento utilizou um protótipo funcional de 10 kW de potência térmica, instalado nas dependências de um centro de pesquisa localizado em Roma, capital da Itália. O sistema foi construído de modo a operar sob dois arranjos distintos de evaporação: por meio de um evaporador a ar com ventilação forçada ou através da circulação direta do CO₂ por tubulações de cobre fixadas na parte posterior de dez coletores fotovoltaico-térmicos (PVT).

Os coletores foram posicionados voltados para o norte geográfico no hemisfério sul ou, no caso da instalação italiana no hemisfério norte, voltados para o sul com inclinação de 48 graus. O circuito hidráulico de testes contava com um reservatório de armazenamento com capacidade de 300 litros para simular o consumo de água quente sanitária. Durante os ensaios, a temperatura de entrada da água foi mantida de forma controlada a 20 °C, enquanto a vazão era ajustada continuamente para garantir o fornecimento de água na saída a cerca de 60 °C.

An experimental campaign was carried out under real-field conditions on a 10 kW prototype, considering both Air-Mode and Sun-Mode operation for domestic hot water production and producing a total of 307 tests. To overcome the limitations of non-uniform experimental data, artificial neural networks (ANNs) were developed to predict system performance over a wider operating domain.Equipe de pesquisadores do estudo

Monitoramento de dados e parâmetros avaliados

Durante a campanha de campo, a frequência do compressor do sistema variou entre 50 Hz e 70 Hz. A equipe técnica monitorou continuamente grandezas termodinâmicas e elétricas cruciais, registrando medições a cada 0,5 segundo e calculando médias em intervalos de cinco segundos. A base de dados consolidada reuniu:

  • 164 pontos de teste registrados sob a operação com evaporador a ar (Modo Ar);
  • 143 pontos de teste obtidos na operação com os coletores solares (Modo Solar);
  • Temperaturas, pressões de trabalho e vazão mássica do fluido refrigerante CO₂;
  • Índices de irradiância solar incidente na superfície dos painéis;
  • Consumo elétrico total demandado pela bomba de calor em cada ciclo.

Ganhos térmicos com radiação e limites de operação

A análise dos dados indicou que o acoplamento solar oferece ampla vantagem termodinâmica quando há níveis favoráveis de radiação solar. Nos testes, a elevação da irradiância de 322 W/m² para 904 W/m² resultou em um aumento substancial da temperatura de evaporação do refrigerante, que subiu de 4 °C para 12,9 °C. Essa elevação reduziu sensivelmente a exigência de trabalho mecânico do compressor.

Com isso, a capacidade de aquecimento da bomba subiu 21,1%, passando de 8,75 kW para 10,6 kW. Concomitantemente, o Coeficiente de Performance (COP) registrou uma evolução positiva de 18,7%. Em contrapartida, sob condições de baixa luminosidade, o comportamento térmico inverteu-se.

Conversely, under low irradiance conditions, Air-Mode remained more efficient due to the lower thermal resistance of the air evaporator. These results confirm the existence of a minimum irradiance threshold above which Sun-Mode becomes advantageous.Pesquisadores da Universidade de Nápoles e da ENEA

Inteligência artificial e simulações internacionais

Com o propósito de contornar inconsistências nos registros empíricos, os cientistas treinaram redes neurais artificiais para modelar o consumo de energia elétrica, o COP e a frequência ideal do compressor em ambas as fontes de calor. Os modelos foram confrontados em capacidades térmicas de 8,5 kW e 10 kW, cobrindo temperaturas da água entre 20 °C e 60 °C para definir os momentos exatos de chaveamento automático entre a captação solar e a captação atmosférica.

Na sequência, o grupo realizou projeções anuais de funcionamento considerando um tanque ampliado de 900 litros e cinco perfis de demanda em sete cidades de diferentes zonas climáticas globais:

  • Roma (Itália);
  • Tenerife (Espanha);
  • San Diego (Estados Unidos);
  • Toronto (Canadá);
  • Cidade do México (México);
  • Perth (Austrália);
  • Pequim (China).

Viabilidade econômica e tempo de retorno do investimento

As análises tecnoeconômicas apontaram que, muito embora a simples comutação inteligente entre as fontes gere uma economia elétrica moderada — estimada em torno de 100 kWh a 120 kWh anuais nos melhores cenários —, o benefício financeiro central decorre da geração elétrica associada aos módulos solares híbridos.

The results show that, although the electrical energy savings associated with the source-switching strategy remain limited (approximately 100–120 kWh/year under the most favorable conditions), the simultaneous electricity generation of the PV/T field significantly affects the overall economic performance of the system.Autores do artigo técnico

O tempo de retorno simples do investimento (payback) demonstrou grande dependência em relação à irradiação solar disponível em cada região avaliada:

A complementary thermo-economic assessment highlighted a strong dependence on climatic conditions, with simple payback periods ranging from approximately 6–10 years in locations characterized by high solar availability to over 20 years in less favorable climates.Pesquisadores participantes do projeto

O trabalho completo, intitulado “CO₂ dual-source (air/solar) heat pump on-field testing: results and performance maps development for optimal mode selection”, foi publicado no periódico científico internacional Applied Thermal Engineering. A autoria é dividida entre especialistas da Universidade de Nápoles Federico II e da Agência Nacional Italiana para Novas Tecnologias, Energia e Desenvolvimento Econômico Sustentável (ENEA).

Leitura da LZ7 Energia

A combinação de geração fotovoltaica com sistemas de aquecimento de água de alta eficiência representa uma das fronteiras mais promissoras para a descarbonização e redução de despesas energéticas. No Brasil, e em especial na região do Norte Pioneiro paranaense, onde os índices de radiação solar são elevados ao longo de todo o ano, soluções termodinâmicas acopladas ao solar poderiam operar predominantemente em seus pontos de máxima eficiência. Além de aliviar a sobrecarga da rede em horários de pico causados por chuveiros elétricos e caldeiras resistivas, a autoprodução de eletricidade integrada reduz diretamente o custo operacional do consumidor residencial, comercial e agroindustrial.

Fonte: PV Magazine — Solar global — matéria original publicada em pv-magazine.com. Imagens e vídeos: PV Magazine — Solar global. Texto apurado e reescrito pela redação da LZ7 Energia.