De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisadores da Universidade Purdue (Purdue University), nos Estados Unidos, confirmaram que bombas de calor residenciais ar-água disponíveis no mercado, projetadas para sistemas tradicionais de corrente alternada (CA), podem operar diretamente com corrente contínua (CC) após pequenas modificações de hardware, com perda mínima de desempenho.
Os pesquisadores destacam que, em comparação com sistemas CA tradicionais, uma nanorrede CC (DC nanogrid) minimiza conversões desnecessárias de energia, aumentando a eficiência em 5% a 15%, reduzindo perdas de distribuição e melhorando a regulação de tensão. Além disso, a nanorrede CC permite que edifícios operem de forma independente durante quedas de energia na rede, aumentando a resiliência. No entanto, os altos custos de instalação, a falta de padrões unificados e os desafios técnicos relacionados à proteção CC e à disponibilidade de equipamentos ainda são os principais obstáculos para sua ampla adoção.
Para superar esses desafios, a equipe de pesquisa desenvolveu a DC Nanogrid House (Casa com Nanorrede CC). Trata-se de uma residência unifamiliar reformada de 208 m², equipada com geração solar fotovoltaica, armazenamento em baterias, circuitos duplos CA/CC e um sistema personalizado de gerenciamento de energia. A casa permite a comparação direta entre operação CA e CC em condições reais. Um marco crucial foi a adaptação de uma bomba de calor de velocidade variável para operar com ambas as fontes de energia, já que a bomba de calor representa mais de dois terços do consumo anual de energia da residência. Esta plataforma experimental permite a avaliação de longo prazo de edifícios residenciais alimentados exclusivamente por CC.
Os pesquisadores modificaram uma bomba de calor residencial split de velocidade variável com capacidade nominal de refrigeração de 14 kW, substituindo sua entrada CA padrão para que pudesse operar tanto com CA quanto com CC de 350 V. Antes de testar os dois modos, a unidade foi calibrada com refrigerante R-410A. Experimentos de laboratório foram conduzidos em uma câmara climática controlada, medindo o desempenho em operação de velocidade variável sob condições estáveis padrão, e os resultados foram verificados por meio de balanço de energia ar-refrigerante, com margem de erro inferior a 6%.
Em seguida, foram realizados experimentos de campo na DC Nanogrid House, em Indiana, utilizando uma bomba de calor similar, onde apenas a unidade externa (responsável por mais de 90% do consumo de energia) foi adaptada para operação CC, enquanto a unidade interna permaneceu em CA por questões de segurança. O sistema foi testado em condições reais de operação, com monitoramento contínuo de temperatura, pressão e potência elétrica por meio de sensores calibrados e um sistema de aquisição de dados.
As configurações CA e CC foram avaliadas sob condições meteorológicas e pontos de ajuste comparáveis, embora houvesse pequenas diferenças na temperatura externa entre os conjuntos de dados. Os resultados mostraram boa concordância entre as medições do lado do ar e do lado do refrigerante, com desvios inferiores a 6%. A equipe de pesquisa afirmou que a configuração experimental permite uma comparação confiável entre operação CA e CC em condições de velocidade variável, tanto em laboratório quanto em ambientes reais.
Os experimentos de laboratório mostraram que a capacidade de refrigeração/aquecimento da bomba de calor era quase idêntica em CA e CC, com o coeficiente de desempenho (COP) variando ligeiramente com a diferença de temperatura. Os dados de campo indicaram que o consumo de energia variava previsivelmente com as condições externas, sem diferenças estatisticamente significativas entre a operação CA e CC.
Além disso, simulações de sistemas puramente CA, sistemas CC híbridos e sistemas totalmente CC mostraram que o maior benefício vem da eliminação da arquitetura puramente CA, enquanto o sistema totalmente CC oferece apenas pequenos ganhos adicionais. No geral, a configuração CC pode reduzir a conta anual de eletricidade em cerca de 12,5% a 16,7%, principalmente devido à redução das perdas de conversão. Essas economias decorrem principalmente da redução do número de estágios de conversão de energia e do aumento da eficiência dos conversores.
No entanto, a equipe de pesquisa observou que o estudo foi limitado por uma implementação simplificada da adaptação CC, desafios de normalização meteorológica e modelagem simplificada do conversor, além de ignorar os impactos reais da rede CC, como estabilidade e proteção. Trabalhos futuros devem incluir nanorredes CC totalmente em escala real, testes aprimorados de conversores e compressores, e uma análise de custos mais detalhada para avaliar a viabilidade de implantação em condições reais.
Os pesquisadores enfatizam que os benefícios econômicos de uma nanorrede CC dependem em grande parte do nível de penetração fotovoltaica, especialmente em climas frios como o de Indiana. O autor correspondente, Aaron Farha, disse à pv magazine: "Prevejo que nossa economia de energia seja muito sensível ao nível de penetração fotovoltaica, especialmente em climas frios como o de Indiana." Ele observa que, nesses sistemas, o excesso de geração fotovoltaica durante o dia no inverno pode ser armazenado para uso posterior, particularmente porque a demanda de aquecimento do edifício geralmente não coincide com o pico de geração solar. O pico de carga térmica do edifício no inverno geralmente está completamente desalinhado com o pico de geração fotovoltaica, o que pode aumentar o valor do armazenamento de energia e ampliar a economia geral em residências altamente eletrificadas (com bomba de calor como principal consumo de energia).
Os resultados da simulação também mostraram que o projeto do sistema afeta significativamente a taxa de utilização fotovoltaica. A geração total anual do sistema fotovoltaico foi de 15,2 MWh, com uma potência líquida exportada de 6,8 MWh em operação CA e cerca de 7 MWh em configuração CC. Aaron Farha afirmou: "Isso significa que a taxa de autoconsumo da bomba de calor em operação CA é de 54,6%, enquanto em operação CC é de 53%, indicando que temos mais energia total disponível para exportar."
Em termos operacionais, observou-se que as flutuações fotovoltaicas tiveram impacto limitado no comportamento da bomba de calor, pois a estabilidade do sistema foi mantida eletronicamente. No entanto, as limitações de integração ainda são um desafio. Aaron Farha continuou: "Quando a bomba de calor está operando, não conseguimos fazer o sistema fotovoltaico ou a bateria funcionarem em nossa nanorrede CC, principalmente devido à falta de um controlador completo de estabilidade do barramento."
Por fim, os autores destacam que o tamanho do sistema desempenha um papel crucial nos benefícios econômicos. Embora a residência estudada tenha gerado apenas uma economia modesta, com uma economia anual estimada de apenas cerca de 60 dólares na conta de luz devido à adaptação CC, espera-se que sistemas maiores se beneficiem de forma mais significativa. Particularmente para sistemas comerciais ou industriais maiores, a economia projetada de 12% a 16% será mais substancial, indicando que as nanorredes CC podem se tornar economicamente mais atraentes à medida que o tamanho do sistema e a penetração fotovoltaica aumentam.
Os resultados da pesquisa foram publicados na edição recente da revista Applied Energy sob o título "Laboratory and field testing of a residential heat pump retrofit for a DC solar nanogrid".
