As Perspectivas da Combinação de PVT com Bombas de Calor de Fonte de Ar e Bombas de Calor de Fonte de Solo

Introdução

Sob o impulso da estratégia global de neutralidade carbónica, os sistemas energéticos dos edifícios e das indústrias estão a dirigir-se rapidamente para a limpeza e a eficiência. A integração fotovoltaica e solar térmica (PVT), as bombas de calor de fonte de ar (ASHP) e as bombas de calor de fonte geotérmica (GSHP) tornaram-se gradualmente tecnologias representativas típicas entre elas. O sistema PVT tem funções de geração de energia e aquecimento, enquanto vários tipos de bombas de calor podem obter calor ambiental de fontes de ar ou geotérmicas de forma eficiente para aquecimento e arrefecimento. Se a PVT for combinada organicamente com bombas de calor de fonte de ar e geotérmicas, é possível alcançar uma solução energética abrangente que integra eletricidade, calor e frio, proporcionando uma nova direção para a conservação de energia em edifícios e o desenvolvimento da energia distribuída.

I. Uma breve descrição dos princípios de funcionamento dos sistemas PVT e de bomba de calor

1. Sistema PVT

O PVT é um sistema que integra energia fotovoltaica e solar térmica. A parte fotovoltaica converte energia radiante em energia elétrica através de células solares. A parte solar térmica recolhe o calor residual dos painéis fotovoltaicos através da chapa traseira ou de tubagens para aquecimento de água ou ar. O PVT não só aumenta a eficiência de geração de energia dos módulos fotovoltaicos, como também fornece energia térmica adicional.

2. Bomba de calor de fonte de ar (ASHP

A ASHP transfere calor de baixa qualidade do ar para a água ou para o ar através de componentes como compressores, evaporadores e condensadores para aquecimento ou arrefecimento. O seu coeficiente de desempenho (COP) situa-se geralmente entre 2,5 e 4,5, o que significa que por cada unidade de energia elétrica consumida podem ser obtidas 2,5 a 4,5 unidades de energia térmica.

3. Bomba de calor geotérmica (GSHP)

A GSHP aproveita a temperatura relativamente estável do solo subterrâneo ou dos corpos de água para conduzir a troca de calor e frio. Comparativamente à ASHP, a GSHP é menos afetada pela temperatura ambiente e tem uma eficiência energética mais estável, mas o seu custo de instalação é mais elevado.

Ii. A lógica da combinação de PVT e bombas de calor

A combinação de PVT e bombas de calor não é uma simples sobreposição, mas uma relação complementar:

O PVT fornece energia elétrica

O funcionamento das bombas de calor requer eletricidade. A eletricidade gerada pelo PVT pode acionar diretamente a bomba de calor, reduzindo assim a dependência da rede elétrica.

O PVT fornece uma fonte de calor a baixa temperatura

A eficiência de uma bomba de calor está intimamente relacionada com a temperatura da fonte de calor. Se o calor residual da placa traseira PVT puder ser utilizado como fonte de calor auxiliar para o evaporador, isto aumentará a eficiência de funcionamento da bomba de calor, especialmente nas estações frias.

A bomba de calor opera de forma estável

A bomba de calor pode continuar a funcionar à noite ou em dias nublados, compensando as flutuações de energia causadas pela radiação solar insuficiente no PVT.

Fornecimento combinado de refrigeração e aquecimento

Através do sistema combinado de PVT e bomba de calor, é possível obter um fornecimento abrangente de eletricidade, água quente, aquecimento e arrefecimento, atendendo às diversas exigências energéticas dos edifícios modernos.

Iii. As Perspectivas da Combinação de Bombas de Calor PVT e de Fonte de Ar

Resolva o problema do declínio da eficiência no inverno

Em condições de baixa temperatura no inverno, o evaporador do ASHP é propenso à formação de gelo, e a sua eficiência cai significativamente. Se o calor fornecido pelo PVT durante o dia puder pré-aquecer o evaporador, poderá reduzir eficazmente a frequência de formação de gelo e melhorar a eficiência operacional.

Adequado para arquitetura urbana

Os edifícios urbanos têm geralmente áreas de telhado limitadas e elevadas exigências de energia. O sistema PVT+ASHP pode ser instalado no telhado, gerando eletricidade, fornecendo calor e água quente para uso doméstico. É uma solução que permite poupar espaço.

Análise econômica

Investimento inicial: Relativamente elevado, mas inferior ao das bombas de calor geotérmicas.

Custo operacional: Reduza o custo de compra de eletricidade através da autogeração de PVT.

Período de retorno do investimento: É geralmente de 7 a 10 anos em regiões com preços de energia elevados.

Caso de aplicação

Em Itália, Espanha e noutros locais, alguns hotéis adotaram sistemas ASHP acionados por PVT, que podem atingir a autossuficiência em energia verde tanto para arrefecimento no verão como para aquecimento no inverno.

Iv. As Perspectivas da Combinação de Bombas de Calor PVT e Geotérmicas

Melhore a eficiência das bombas de calor geotérmicas

O GSHP consome energia elétrica. Se for alimentado por PVT, o custo de operação pode ser reduzido significativamente.

O calor residual do PVT é utilizado como fonte auxiliar de calor

No inverno, a temperatura subterrânea é estável, mas ainda relativamente baixa. Se o calor residual gerado pelo PVT puder ser transferido para o subsolo através de tubos de troca de calor, isto poderá melhorar as condições de funcionamento do evaporador da bomba de calor geotérmica e aumentar o COP global.

Fiabilidade operacional de longo prazo

O GSHP tem uma longa vida útil e um funcionamento estável. Quando combinado com o PVT, pode formar um sistema eficiente, de baixo carbono e longa vida útil, especialmente adequado para edifícios públicos de operação a longo prazo, como escolas, hospitais e parques industriais.

Análise econômica

Investimento inicial: Superior ao ASHP, principalmente devido aos elevados custos de perfuração e assentamento de tubagens.

Custo de operação: O mais baixo, devido à temperatura estável do subsolo e ao elevado índice de eficiência energética.

Período de retorno: Geralmente de 8 a 12 anos, mas a vida útil pode chegar a mais de 20 anos.

Cenários de aplicação

A combinação de PVT e GSHP é mais adequada em regiões frias, como o norte da Europa e a Alemanha, que podem satisfazer as exigências de aquecimento e água quente doméstica durante todo o ano.

V. Desafios técnicos e de aplicação

Elevado custo inicial

Quer se trate de ASHP ou GSHP, a complexidade do sistema aumenta quando combinado com PVT, e o limite de investimento mantém-se relativamente elevado.

Problema de correspondência do sistema

As características de saída da geração de energia e aquecimento PVT não satisfazem totalmente as exigências das bombas de calor, sendo necessário um controlo inteligente e armazenamento de energia em coordenação.

Padrões e promoção insuficientes

Atualmente, não existem normas unificadas para as bombas de calor PVT+, e a experiência em design e construção de engenharia é limitada.

Baixo conhecimento do utilizador

O mercado tem um certo conhecimento das tecnologias individuais de PVT e de bomba de calor, mas ainda não está familiarizado com o sistema composto combinado das duas, sendo necessários projetos de demonstração para a promoção.

Vi. Direções de desenvolvimento futuro

Sistema de controlo inteligente

Através da inteligência artificial e da Internet das Coisas, é obtida a correspondência em tempo real entre a saída do PVT e a carga da bomba de calor para otimizar as estratégias de operação.

Combinado com a tecnologia de armazenamento de energia

Armazenamento de energia elétrica: armazena eletricidade durante o dia e aciona bombas de calor durante a noite.

Armazenamento de energia térmica: O calor residual gerado pelo PVT é armazenado no depósito de água ou em materiais de mudança de fase para equilibrar as flutuações diurnas e noturnas.

Projeto modular

No futuro, a PVT e as bombas de calor poderão lançar produtos integrados para reduzir a dificuldade de integração do sistema.

Promoção de políticas

No contexto das políticas de neutralidade carbónica, espera-se que o governo ofereça subsídios ou créditos para construções ecológicas para promover a sua aplicação em instituições públicas e edifícios comerciais.

Vii. Conclusão

A combinação de PVT com bombas de calor de fonte de ar e bombas de calor de fonte geotérmica não só permite uma complementaridade diversificada de formas de energia, como também melhora significativamente a eficiência energética e reduz os custos operacionais dos edifícios. Desde edifícios comerciais a instituições públicas e parques industriais, este tipo de sistema energético composto tem amplas perspetivas de aplicação. Embora ainda enfrente desafios como o custo, as normas e o reconhecimento do mercado neste momento, com o progresso tecnológico e o apoio político, espera-se que o sistema de bomba de calor PVT+ se torne uma parte importante do sistema de energia sustentável dos edifícios na próxima década.