O aquecimento da água solar é uma coisa temperamental. A água pesa muito, expande-se quando congela, e pode causar danos de escala aos tubos quando ferve. Os sistemas térmicos solares são maravilhosamente eficientes, e alguns sistemas funcionam muito bem por décadas, mas mesmo estes precisam de inspeção regular. Quando um sistema térmico solar falha, no entanto, ele começa a se destruir, e tem sido claro há algum tempo que o aquecimento da água térmica solar não é o caminho do futuro, exceto para o uso de calor muito baixo, como piscinas.
Por muito tempo, a sabedoria tem sido que a vantagem relativa da eficiência da tecnologia térmica solar para o aquecimento da água mais do que supera a conveniência do aquecimento da água elétrica. A capacidade da térmica solar de coletar mais energia por metro quadrado significa que um sistema elétrico solar alimentando um aquecedor de água elétrica convencional sozinho nunca competirá com um sistema térmico solar.
Recentemente, no entanto, as reduções nos custos de energia elétrica solar (PV) e a maturação da tecnologia de bomba de calor ar-água forneceram um novo modelo: o aquecimento da bomba de calor assistido por energia solar (HPWH). O HPWH vem com menos desvantagens do que a térmica solar, com um preço menor para aplicações residenciais.
As informações abaixo pressupõe o uso de um aquecedor de água de bomba de calor com um fator de eficiência (EF de 2,5) e uma classificação de 1.800 kWh por ano, com 1 a 1,3 kW de PV ligado à grade adicionado à instalação ou sistema existente em uma região onde o PV produz pelo menos 1.400 kWh/kW/ano.
Vantagens PV
Menor custo inicial: Dado que sistemas abertos de menor custo provaram ser inadequados para o aquecimento doméstico da água, o custo instalado da térmica solar deve ser baseado em um sistema de loop fechado (glicol ou drainback), de dois tanques (ou armazenamento mais sem tanque), totalmente instalado. O preço médio para tal sistema, projetado para uma família de quatro pessoas, está entre US$ 7.000 e US$ 10.000 antes dos incentivos. O aquecedor de água da bomba de calor alimentado por PV custará entre US$ 1.000 e US$ 2.000 para a bomba de calor mais mão-de-obra e entre US$ 3.500 e US$ 6.000 para o PV adicional (para um sistema vinculado à rede existente), portanto um custo total instalado entre US $ 5.000 e US $ 8.500 antes de incentivos.
Mais fácil de instalar: Substituir um aquecedor de água por outro único tanque e adicionar três a cinco módulos adicionais a um sistema FOTO É muito mais fácil do que substituir um único tanque por dois tanques e fluido de transferência de calor de tubulação para painéis pesados no telhado que devem ser testados e carregados após a instalação. Isso resulta em menos oportunidades de erro do instalador.
Usa menos espaço: Para evitar que o sistema térmico solar concorra com a fonte de backup (que limita a fração solar a cerca de 60%), dois tanques são necessários: um para o backup e outro para a energia solar. É possível economizar espaço, com grande custo, com o uso de um aquecedor sem tanque, desde que o aquecedor sem tanque possa modular o fluxo de calor até um ponto muito baixo, ao mesmo tempo em que é capaz de atender à demanda máxima.
Não precisa de manutenção: O calcanhar de Aquiles da térmica solar é que, se o sistema para de funcionar, ele não deixa apenas de produzir energia: ele se coloca sobre sua própria autodestruição. Sem fluxo, os painéis podem congelar ou estagnar e superaquecer (veja abaixo). O controlador diferencial eletrônico e a bomba circuladora devem ser inspecionados anualmente para garantir que estejam funcionando corretamente e que nenhuma escala ou corrosão tenha começado que leve à falha do sistema. A tubulação também deve ser verificada, especialmente para sistemas de drenagem em edifícios mais antigos que podem se instalar ao longo do tempo e prender fluido nas linhas. Essas inspeções anuais devem ser realizadas por um profissional, e custarão metade da economia anual de gás.
Não é possível congelar: Uma vez que um painel térmico solar pode congelar a temperaturas de até 42ºF, a proteção contra congelamento é necessária em todo o continente dos EUA para sistemas térmicos solares. Com exceção dos sistemas de drenagem, os sistemas de proteção contra congelamento estão "ativos". Isso significa que eles exigem um dispositivo para operar em resposta à baixa temperatura. Como consequência, e como raramente são obrigados a funcionar, falhas de proteção de congelamento são comuns e catastróficas, resultando em milhares de dólares de danos à matriz coletora.
Não é possível superaquecer: O superaquecimento é um problema frequentemente negligenciado com sistemas térmicos solares. Há aproximadamente o dobro de energia solar entregue em julho do que em janeiro. Assim, qualquer sistema que faça uma diferença significativa no custo da água quente em janeiro terá um desempenho excessivo em julho. Isso resulta em períodos de estagnação onde não há uso para o calor solar e nenhum fluxo através do painel(s). Nesta condição, os painéis aquecerão a cerca de 400ºF dentro. Isso pode resultar em danos e acelera a deterioração das peças coletoras. Existem sistemas de radiador que foram adicionados aos painéis para mitigar esse efeito, mas não há dados sólidos sobre a quantidade de radiador necessário para resfriar um coletor estagnado em um dia quente.
Sem acúmulo de escala: A escala é o #1 inimigo dos aquecedores de água de qualquer tipo. O calor faz com que os sólidos dissolvidos precipitam-se da água onde eles coletam na superfície quente. Mesmo com o uso de um fluido de transferência no lado coletor, a escala pode ser um problema com o trocador de calor entupindo os tubos pelos que a água flui para ganhar calor. As temperaturas mais baixas usadas para aquecer a água com uma bomba de calor reduz a tendência de escala para se acumular no tanque.
Fração solar 100%alcançável: Devido aos caprichos do clima e à impraticabilidade de armazenar grandes volumes de água quente, nenhum sistema térmico solar que ofereça 100% de confiabilidade pode ter uma fração solar de 100%. Os sistemas mais bem avaliados sob o protocolo SRCC OG300 têm uma fração solar de 90%. O uso de PV amarrado à grade como fonte solar para o aquecedor de água da bomba de calor permite que o sistema "armazene" a energia na rede para uso até um ano depois. A comparação de preços acima é baseada em um sistema térmico com uma fração solar de 80% contra uma compensação de 100% pv para o aquecimento da água.
Gerenciamento da demanda da rede: Embora o aquecimento da água da bomba de calor adicione uma carga à rede quando usada para substituir uma unidade de gás ou propano, o PV adiciona energia à rede durante o horário de pico do dia, onde é mais provável que seja necessário pela comunidade. A maioria das águas quentes domésticas é usada no início da manhã e à noite, quando há menos demanda elétrica em toda a comunidade. Se o utilitário optar por usar essa vantagem, também poderá adicionar a capacidade de superaquecer o aquecedor de água através do medidor inteligente quando o excesso de eletricidade estiver disponível na rede. Usado na condução com uma válvula de mistura para proteger a casa da água escaldante, ele efetivamente "bancos" água quente e pode atrasar a necessidade de a bomba de calor ligar.
Sem emissões de CO2: Qualquer uso de gás natural ou propano, independentemente de quão eficiente ou barato, resulta na adição de CO2 à atmosfera que é o fator de risco #1 enfrentado hoje pela civilização. Um aquecedor de água da bomba de calor que é 100% alimentado (ou compensado) por PV não faz nenhuma contribuição para esse problema.
Desvantagens
Eficiência líquida da rede v. uso direto do gás: A presunção padrão ao comparar o uso de gás com o uso elétrico é que, após contabilizar perdas de conversão e transmissão, são necessárias três unidades de energia de combustível fóssil (gás, petróleo, carvão) para entregar uma unidade de energia elétrica. Assim, a lógica de que se o gás pode ser entregue ao ponto de uso, é mais eficiente usar o gás do que usar eletricidade. Uma vez que a maioria dos aquecedores de água movidos a fósseis são apenas cerca de 60% eficientes, este efeito é apenas metade do que parece. Além disso, os aquecedores de água movidos a fósseis não se aproveitam das normas de portfólio renováveis que reduzem ainda mais a proporção de gás usado à eletricidade fornecida.
Ar quente necessário: A eficiência do aquecedor de água da bomba de calor depende da fonte de calor disponível, que geralmente é o ar no espaço em que o aquecedor é colocado. Instalado em espaços não aquecidos em climas temperados, isso não apresenta nenhum problema. No entanto, se o espaço do aquecedor de água for aquecido ou cair abaixo de 55º-60ºF durante a maior parte do ano, o elemento de backup será necessário e a eficiência sofrerá. Por outro lado, o aquecedor de água da bomba de calor esfriará e desumidificará o espaço em que está localizado. Esta pode ser uma característica desejável.
Mais novo no mercado: Embora o aquecimento da água da bomba de calor ar-água use apenas conceitos experimentados e verdadeiros, o HPWH doméstico teve apenas cerca de vinte anos de desenvolvimento no mercado consumidor: tempo suficiente para ser confiante em sua eficiência e facilidade, mas não o suficiente para ser generalizado. Embora existam cerca de quinhentos modelos térmicos solares e seiscentos aquecedores de água sem tanque ("instantâneos"), reconhecidos pelo sistema Energy Star do DOE, existem atualmente apenas 23 modelos HPWH reconhecidos.
Pelo que era, a tecnologia térmica solar representava uma melhoria. Ele ainda tem algumas aplicações legítimas, mesmo. No entanto, o aquecimento da água solar em nível doméstico vem com tantas desvantagens desnecessárias que está claro que o futuro está em outra direção. Solar fotovoltaica é uma fonte altamente eficaz para um sistema de aquecimento de água de bomba de calor. Em breve, essas bombas de calor água-a-água podem estar disponíveis no mercado, mas os sistemas ar-água de hoje são a seleção ideal para muitas famílias, dependendo do clima e configuração.
