Energetic, economic and environmental analysis of a direct-expansion heat pump assisted by photovoltaic-thermal panel for domestic hot water heating operating with low-GWP refrigerants
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Luiz Machado
Daniel Dornellas Athayde
Tiago de Freitas Paulino
Daniel Dornellas Athayde
Tiago de Freitas Paulino
Resumo
The use of heat pumps may contribute to a substantial reduction in greenhouse gas emissions
which is in accordance with climate commitments. A direct expansion photovoltaic thermal solar
assisted heat pump (DXPVT-SAHP) is capable to generate both electrical and thermal energy
and this work explores the lack of studies of DX-PVT-SAHP using refrigerants with low Global
Warming Potential (GWP). The main objective of this work is to evaluate the performance of
low GWP refrigerants from an energy, economic, and environmental (3E) perspective when used
in a DX-PVT-SAHP. To achieve this objective, a mathematical model was developed to simulate
the heat pump operation under different operating conditions. A bench test was constructed
to validate the proposed model. The numeric model that employs a moving boundary model
for the heat exchangers and a semiempirical model for the compressor was used to compare
the refrigerants coefficient of performance (COP) and power output of R134a, R1234yf, R290,
R600a, R513A, R454C and R455A. Additionally, the seasonal performance factor (SPF) and
total equivalent warming impact (TEWI) were calculated considering the hourly mean solar
irradiation, ambient temperature, dew point temperature and wind speed from 07:00 a.m. to 6:00
p.m. in 2024 for Belo Horizonte-MG, Florianópolis-SC and São Luís-MA. R1234yf presented
the best results of COP among the compared low GWP pure refrigerants, increasing the COP
value from 2.21 at 50 W/m2 to 4.06 at 1,000 W/m2, additionally the best TEWI value was
presented by R1234yf due to its low GWP value combined with the best SPF among the low
GWP fluids. The payback for R1234yf was 2.8 years. The highest solar fraction (SF) was 1.0
in September in São Luís-MA with the DX-PVT-SAHP operating with R1234yf and the worst
SF of 0.59 occurred with R454C in the city of Florianópolis in June. The results confirm that
the refrigerant achieving the highest COP, combined with the highest solar irradiation, yielded
the greatest SF. Conversely, the fluid with the lowest COP under the lowest solar irradiation
conditions resulted in the smallest SF.
Abstract
O uso de bombas de calor pode contribuir para uma redução substancial nas emissões de gases
de efeito estufa. Uma bomba de calor de expansão direta utilizando um evaporador fotovoltaico-
térmico assistida por energia solar (DX-PVT-SAHP) é capaz de gerar simultaneamente energia
elétrica e térmica. Este trabalho explora a lacuna de estudos sobre as DX-PVT-SAHP utilizando
refrigerantes com baixo potencial de aquecimento global (GWP). O principal objetivo deste
estudo é avaliar o desempenho de refrigerantes de baixo GWP sob as perspectivas energética,
econômica e ambiental (3E) quando aplicados em uma DX-PVT-SAHP. Para atingir esse objetivo,
desenvolveu-se um modelo matemático para simular a operação da bomba de calor em diferentes
condições de funcionamento. Um protótipo foi construído para validar o modelo proposto. O
modelo numérico, que emprega um modelo de fronteira móvel para os trocadores de calor e
um modelo semiempírico para o compressor, foi utilizado para comparar o COP e a potência
gerada com R134a, R1234yf, R290, R600a, R513A, R454C e R455A. Além disso, o SPF e o
TEWI foram calculados considerando a média horária da irradiação solar, temperatura ambiente,
temperatura do ponto de orvalho e velocidade do vento das 7h00 às 18h00 no ano de 2024 para
Belo Horizonte-MG, Florianópolis-SC e São Luís-MA. O R1234yf apresentou os melhores
resultados de COP entre os refrigerantes puros de baixo GWP, elevando o valor do COP de 2,21 a
50 W/m2 para 4,06 a 1.000 W/m2. Adicionalmente, o melhor valor de TEWI também foi obtido
com o R1234yf, devido ao seu baixo GWP aliado ao melhor SPF entre os fluidos de baixo GWP.
O tempo de retorno (payback) para o R1234yf foi de 2,8 anos. O maior SF foi de 1,0 em setembro
na cidade de São Luís-MA, com o DX-PVT-SAHP operando com R1234yf, enquanto o pior
SF de 0,59 ocorreu com o R454C em Florianópolis no mês de junho. Os resultados confirmam
que o refrigerante que alcançou o maior COP, associado à maior radiação solar, apresentou o
maior SF. Por outro lado, o fluido com o menor COP sob as menores condições de radiação solar
resultou no menor SF.
Assunto
Engenharia mecânica, Bombas de calor, Refrigeradores, Energia, Sustentabilidade, Efeito estufa (Atmosfera), Evaporadores
Palavras-chave
Heat pump, Photovoltaic thermal evaporator, Low GWP refrigerants, TEWI