Uma equipe de pesquisa da Áustria apresentou um método inovador para o planejamento de investimentos em sistemas de bombas de calor, que promete revolucionar a forma como esses equipamentos são dimensionados. A metodologia desenvolvida leva em conta a eficiência não linear em cargas parciais, um fator crucial que, até então, era frequentemente simplificado em modelos de otimização devido à complexidade computacional. A iniciativa visa aprimorar a precisão do dimensionamento, refletindo de forma mais fiel as condições reais de operação e, consequentemente, gerando economias significativas.
Entendendo a Inovação no Dimensionamento
O cerne da nova abordagem reside no reconhecimento de que a eficiência de uma bomba de calor não é constante, mas varia consideravelmente dependendo do percentual da sua capacidade total que está sendo utilizada em um determinado momento. Essa característica, conhecida como eficiência em carga parcial, é particularmente relevante para sistemas com inversores de frequência, que ajustam a operação do equipamento conforme a demanda.
As características de desempenho das bombas de calor são inerentemente não lineares, dependendo de fatores como restrições de carga mínima e eficiência de carga parcial, especialmente para sistemas acionados por inversor. Embora existam métodos avançados de otimização para agendamento operacional, os modelos de planejamento de investimento geralmente negligenciam o comportamento de carga parcial devido aos desafios computacionais associados à resolução de problemas não lineares de inteiros mistos. Em vez disso, aproximações lineares simplificadas são comumente empregadas.
A declaração da equipe de pesquisa destaca a lacuna que o novo método busca preencher. Ao integrar o dimensionamento e a operação da bomba de calor em uma única estrutura de otimização, considerando as mudanças de eficiência em diferentes proporções de carga parcial, os pesquisadores conseguiram criar um modelo mais robusto e realista.
Detalhes Técnicos da Metodologia
A metodologia proposta oferece três formulações distintas para lidar com a complexidade da eficiência em carga parcial:
- Formulação Linear por Partes Exata (PWL): Modela o comportamento de carga parcial com maior precisão, utilizando segmentos lineares para representar as variações de eficiência.
- Formulação Linear por Partes Relaxada (PWLR): Simplifica algumas das restrições da PWL para reduzir o esforço computacional, mantendo uma boa representação do comportamento.
- Relaxamento de Cone de Segunda Ordem (CR): Utiliza uma aproximação convexa das relações não lineares, oferecendo outra via para diminuir o tempo de cálculo sem comprometer significativamente a representação do desempenho da bomba de calor.
As abordagens relaxadas (PWLR e CR) são projetadas para reduzir os requisitos computacionais, ao mesmo tempo em que preservam a relação crucial entre a capacidade instalada, a entrada elétrica, a saída de calor e a eficiência em carga parcial. Além disso, um subestimador linear pode ser aplicado para limitar pontos de operação fisicamente inviáveis que poderiam ser permitidos pelas relaxações, garantindo a validade dos resultados.
Estudo de Caso e Resultados Práticos
Para demonstrar a eficácia do método, os pesquisadores aplicaram-no em um estudo de caso envolvendo seis edifícios administrativos públicos renovados em Innsbruck, no oeste da Áustria. O sistema de aquecimento modelado incluía duas bombas de calor água-água potenciais e um tanque de armazenamento de água quente de 4.000 litros. Os dados de demanda de calor, gerados com o software TRNSYS, foram coletados em intervalos de 15 minutos para anos com condições climáticas frias, quentes e médias.
Os edifícios apresentavam uma demanda média anual de calor de 2.087 MWh e uma carga térmica de pico de 1.664 kW. As bombas de calor utilizavam água subterrânea com temperatura constante de 8 °C e operavam com uma taxa mínima de carga parcial de 10%. Os modelos PWL, PWLR e CR foram executados separadamente e seus desempenhos foram comparados com duas formulações de referência: Programação Linear (LP) e Compromisso de Unidade (UC), utilizando o mesmo estudo de caso.
Os resultados foram notáveis: enquanto os modelos de referência selecionaram uma única bomba de calor com 623,5 kW de capacidade elétrica, os modelos que consideram a carga parcial favoreceram duas unidades de tamanhos diferentes, mas com aproximadamente a mesma capacidade combinada. Essa configuração otimizada trouxe benefícios tangíveis:
- Redução no consumo de eletricidade: 4,5% a menos.
- Redução nos custos anuais: 2,9% a menos.
O projeto de sistema resultante reduz o consumo de eletricidade em 4,5% e os custos anuais em 2,9%, confirmado em uma validação ex-post no horizonte de tempo completo e não agregado. Além disso, a análise de desempenho computacional mostra um aumento de velocidade de 10,3 vezes para o relaxamento linear por partes e um aumento de velocidade de 4,3 vezes para o relaxamento cônico, medido em unidades de trabalho determinísticas, abrindo caminho para sua aplicação em problemas maiores de hub de energia e investimento multi-tecnologia.
A pesquisa, intitulada “Modeling nonlinear heat pump part-load efficiency for optimal investment planning”, foi publicada na revista Applied Energy. Participaram do estudo pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Graz e do Centro de Pesquisa ENERGETIC, ambos na Áustria.
O que isso significa para a região
A otimização no dimensionamento de bombas de calor, como a proposta pelos pesquisadores austríacos, tem implicações diretas para a eficiência energética e a economia de custos. No Norte Pioneiro do Paraná, onde a busca por soluções de aquecimento eficientes é constante, a aplicação de metodologias que consideram a eficiência em carga parcial pode levar a sistemas mais bem ajustados à demanda real, evitando o superdimensionamento e o consequente desperdício de energia. Para empresas e residências que buscam reduzir sua pegada de carbono e seus gastos com energia, a adoção de tecnologias de bombas de calor, aliada a um dimensionamento preciso, representa um avanço significativo. Essa precisão se traduz em menor consumo de eletricidade, impactando diretamente a conta de luz e contribuindo para a sustentabilidade ambiental da região.
Leitura da LZ7 Energia
A otimização no dimensionamento de bombas de calor, como a proposta pelos pesquisadores austríacos, tem implicações diretas para a eficiência energética e a economia de custos. No Norte Pioneiro do Paraná, onde a busca por soluções de aquecimento eficientes é constante, a aplicação de metodologias que consideram a eficiência em carga parcial pode levar a sistemas mais bem ajustados à demanda real, evitando o superdimensionamento e o consequente desperdício de energia. Para empresas e residências que buscam reduzir sua pegada de carbono e seus gastos com energia, a adoção de tecnologias de bombas de calor, aliada a um dimensionamento preciso, representa um avanço significativo. Essa precisão se traduz em menor consumo de eletricidade, impactando diretamente a conta de luz e contribuindo para a sustentabilidade ambiental da região.
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.