Projeto de protótipo: uma bomba de calor ar–água com COP = 3,5 deve aquecer diariamente um tanque de V = 150 L…

Questão

Projeto de protótipo: uma bomba de calor ar–água com COP = 3,5 deve aquecer diariamente um tanque de V = 150 L de água de 20 °C até 60 °C. Considere ? = 1000 kg·m?³ e c = 4180 J·kg?¹·K?¹. Compare consumo elétrico diário e redução de emissões de CO2 em relação a aquecimento resistivo (COP = 1). Use Q = m·c·?T e E_el = Q/COP. Considere intensidade de carbono da eletricidade = 0,50 kg CO2·kWh?¹. Indique também três intervenções (físicas e digitais) e calcule seus efeitos previsíveis.

✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.

Resposta esperada

Cálculos básicos: 1) Massa: m = ?·V = 1000 kg·m?³·0,150 m³ = 150 kg. ?T = 60-20 = 40 K. 2) Energia térmica necessária: Q = m·c·?T = 150·4180·40 = 25 080 000 J = 25,08 MJ = 25,08·106/3,6·106 kWh = 6,967 kWh. 3) Consumo elétrico diário: E_resistiva = Q/1 = 6,967 kWh; E_bomba = Q/3,5 = 6,967/3,5 = 1,990 kWh. 4) Economia elétrica diária = 6,967 - 1,990 = 4,977 kWh/dia (˜4,98 kWh/dia). Economia anual ˜ 4,98·365 = 1 818 kWh/ano. 5) Emissões: Resistiva = 6,967·0,50 = 3,484 kg CO2/dia; Bomba = 1,990·0,50 = 0,995 kg CO2/dia; redução ˜ 2,489 kg CO2/dia (˜0,91 t CO2/ano). Intervenções e efeitos estimados (exemplos calculáveis): A) Isolamento térmico do tanque que reduz a carga térmica em 30% ? Q' = 0,70·6,967 = 4,877 kWh; E_bomba' = 4,877/3,5 = 1,393 kWh (redução adicional de 0,597 kWh/dia). B) Controle digital com inver-ter e gestão de curva de aquecimento melhora COP em 10% ? COP' = 3,85; com Q original E_bomba = 6,967/3,85 = 1,810 kWh (economia ˜0,180 kWh/dia comparado a COP=3,5). C) Integração com painel fotovoltaico que fornece, por exemplo, 2 kWh/dia ? reduz compra de rede; se PV cobre E_bomba (1,99 kWh), operação diária pode ser quase neutra em emissões diretas. Conclusão: usando as fórmulas Q = m·c·?T e E_el = Q/COP obtém-se números claros para consumo e emissões; intervenções físicas (isolamento) e digitais (controle, otimização) reduzem Q ou aumentam COP, e a integração solar reduz a demanda de energia da rede, quantificável pelos cálculos acima.

Explicação

A explicação apresenta cálculos detalhados que demonstram a eficiência energética da bomba de calor em comparação ao aquecimento resistivo, evidenciando a economia de energia e a redução das emissões de CO2. As intervenções sugeridas são práticas e quantificáveis, mostrando como melhorias no isolamento, controle digital e integração com fontes renováveis podem otimizar ainda mais o sistema. Essa abordagem permite uma compreensão clara dos benefícios ambientais e econômicos associados ao uso de tecnologias mais eficientes.

Raio-X da questão

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