Sistema de armazenamento de energia térmica com módulo de adsorção

Palavras-chave: Armazenamento de energia,Sistema solar térmico de acumulação,Módulo de adsorção,Águas quentes sanitárias,Modelação,Análise paramétrica

Nesta tese apresenta-se o desenvolvimento e o estudo de um sistema de águas quentes sanitárias (AQS) que inclui um módulo de adsorção, com o objetivo de aumentar a capacidade de armazenamento de energia térmica e possibilitar a redução do consumo de energia de apoio do sistema de preparação de AQS.  O módulo de adsorção é essencialmente composto por (i) um adsorsor imerso no reservatório do sistema de AQS convencional, (ii) um condensador inserido num reservatório secundário e (iii) um evaporador em contacto com o ar ambiente. O sistema proposto possibilita armazenar a energia térmica no adsorsor, por tempo indeterminado e sem perdas, libertando-a para a água do reservatório de AQS sempre que a sua temperatura desce abaixo de um nível predefinido. É também capaz de efetuar o pré-aquecimento da água proveniente da rede, aproveitando a energia libertada no condensador durante a fase de carga. Com base num estudo comparativo de vários pares adsorvente/adsorvato, selecionou-se para este estudo o par sílica-gel/água.  Desenvolveu-se um modelo numérico detalhado que permite simular o comportamento dinâmico do sistema, com base nos balanços de massa e de energia em cada um dos componentes do sistema, e considerando a cinética de sorção e condições de equilíbrio adsorvente-adsorvato. A formulação destes princípios foi integrada num programa de simulação assente na utilização conjugada de dois softwares: o TRNSYS, para simular o funcionamento do sistema solar térmico de AQS, e o MATLAB, para a resolução em paralelo das equações referentes ao módulo de adsorção. Realizou-se um estudo paramétrico em várias configurações para avaliar separadamente a influência de cada uma das variáveis relevantes no desempenho global do sistema. Assim se caracterizou e se definiu a melhor configuração paramétrica do sistema, a qual serviu de ponto de partida para um estudo de otimização, realizado com o auxílio do software GenOpt, determinando a configuração e as condições operacionais do sistema que otimizam o seu desempenho anual. Os resultados mostram que o sistema proposto, para a configuração e a localização otimizadas – reservatório de AQS de 250 L, 37 kg de sílica-gel, consumo típico de 4 pessoas, em Coimbra –, permite alcançar uma poupança anual de 16% no consumo de energia de apoio. Além disso, aumenta-se a sua fração de energia renovável (neste caso, de 85% para 87%), devido à energia captada do ar ambiente pelo evaporador. Concluiu-se ainda que o sistema apresenta melhor desempenho para menores temperaturas de setpoint do consumo de água quente, menores consumos de água quente, operando em regiões mais quentes, e com maiores inclinações dos coletores solares. O desempenho global previsto para este sistema é animador, sendo as perspetivas de transição para a vertente experimental bastante promissoras. No entanto, será ainda necessário melhorar alguns aspectos, especialmente ao nível da compacidade do módulo de adsorção (adsorsor e evaporador). Em termos globais, pode-se concluir que o sistema proposto constitui uma solução promissora para aumentar a eficiência e a capacidade de armazenamento de energia térmica em sistemas de produção de AQS.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias