Desempenho de um sistema AQS com base num banho termostatizado

Abstract

It is intended, with this dissertation, to explore a solution for an DHW system based on a thermostated bath (DHW-TB). Thus, the goal is the development of a study on an equipment that is based on a thermoaccumulation system but with a similar operation as an electric shower. This system is not implemented in the Portuguese market and, with this study, it is intended to analyse its possible viability either as an independent system or as a support system for some DHW equipment currently in force in the market.Thus, for the development of this system, two phases of operation are assumed:Pre-start phase: phase in which the system is full of water at the supply network supply temperature, there being no water inlet or outlet of the system, and this is undergoing heating through the electric resistance until it reaches a predefined temperature.Usage phase: phase in which there are an inlet and outlet of a water flow, the volume of water entering is at the supply temperature of the supply network, the volume of water leaving the outlet temperature as temperature is considered as the average temperature of the water inside the system, and a power resistance heats the volume of water inside the system.The DHW-TB system is made up of two fundamental elements: the thermostatized water bath that serves as an energy accumulator from an electric resistance and a copper tube arranged in a propeller through which circulates the water to be heated and used.When studying the sensitivity of the system when used to the volume of water of the bath with a pressure of 1 bar, it was concluded that the system is more efficient with the use of volumes of the thermostatized bath of smaller volume.The effect of changing the flow rate or length of the tube in the system is also verified. The flow variation, between a minimum and maximum value previously defined, was explored in the DHW-TB system with a fixed flow. It has been concluded that there is a greater use in fixed flow systems with reduced value.By varying the percentage of occupancy that the diameter of the propeller occupies to the diameter occupied by the volume of water, the maximum length of the tube varies. It has been shown that the variation of the length does not produce changes in the time of use of the system.These results point to the favouring of more compact systems, of smaller volume and smaller tube length, with the use of a smaller flow rate.By evaluating the change in the pressure at which the thermostatized bath water is subjected, and its impact on the time of use of the system, an advantage is identified in the use of pressurised systems. However, the high start-up time of the pressurised systems may make their use unfeasible.After the analysis with a fixed flow, the behaviour of the system was studied using a variable flow.The sensitivity of the system to the variation in the time of use available to the change in bath volume was thus investigated. It has been found that the smaller the pipe length, the more sensitive the system is to a change in the time of use for a larger volume tank.In order to have a good comparison factor of the system, it was considered the Utilization Performance Index, which compares the time of use to the necessary reheating time after use. It has been found that the system is much more efficient with lower thermostatted bath temperatures. However, the lower the temperature of the thermostatted bath, the more sensitive the system is to the variation of the tube length. When comparing the behaviour of the system in the approach of fixed and variable flow, there was a clear advantage for the variable flow approach.In conclusion, it can be stated that such a system will be useful, even if it requires particular parameterisations, such as the preheating temperature, for any short-term use (bathroom sink and / or kitchen). For prolonged use, and as an independent system, this depends on the user’s requirement in terms of flow rate and temperature of use. This type of equipment is indisputably viable as auxiliary equipment. If we refer to a water heater installation, such as those in most Portuguese homes, this system can largely replace the use of gas by electricity, since the water heater can only be used to preheat the water from the network to a slightly higher system inlet temperature; and also with a view to nullifying the waste of cold water characteristic of the start of use of a system provided only with water heater. As support equipment for a heater, it may do so in order to cope with peaks of use. The most interesting solution may, however, be the support for a solar thermal system.

Pretende-se, com esta dissertação, explorar uma solução para um sistema AQS com base num banho termostatizado (AQS-BT). Assim, tem-se como objetivo o desenvolvimento de um estudo sobre um equipamento que tenha como base um sistema de termoacumulação mas com um funcionamento similar a um chuveiro elétrico. Este sistema não está implementado no mercado português e, com este estudo, pretende-se analisar a sua possível viabilidade quer enquanto sistema independente, quer enquanto sistema de apoio a algum equipamento AQS atualmente em vigor no mercado.Assumem-se, assim, para o desenvolvimento deste sistema, duas fases de funcionamento:Fase de pré-arranque: fase na qual o sistema está cheio de água à temperatura de abastecimento da rede fornecedora, não havendo qualquer entrada ou saída de água do sistema, e sofrendo esta um aquecimento por via da resistência elétrica até chegar a uma temperatura pré-definida.Fase de utilização: fase na qual há entrada e saída de um caudal de água, sendo que o volume de água que entra está à temperatura de abastecimento da rede fornecedora, o volume de água que sai tem como temperatura a temperatura de saída que é considerada como sendo a temperatura média da água no interior do sistema, e o volume de água no interior do sistema é aquecido por uma resistência de potência.O sistema AQS-BT compõe-se de dois elementos fundamentais: o banho termostatizado de água que serve de acumulador de energia proveniente de uma resistência elétrica e um tubo de cobre disposto em hélice por onde circula a água a aquecer e utilizar.Ao estudar-se a sensibilidade do sistema quando utilizado em relação ao volume de água do banho com a pressão de 1 bar, concluiu-se que o sistema é mais eficaz com a utilização de volumes de banho termostatizado de menor volume.Verifica-se, igualmente, o efeito que a variação do caudal ou do comprimento do tubo teriam no sistema. Explorou-se a variação do caudal, entre um valor mínimo e máximo previamente definidos, no sistema AQS-BT com caudal fixo. Chegou-se à conclusão a existência de um maior aproveitamento em sistemas de caudal fixo com um valor reduzido.Variando a percentagem de ocupação que o diâmetro da hélice ocupa em relação ao diâmetro ocupado pelo volume de água, varia-se o comprimento máximo de tubo. Demonstrou-se que a variação do comprimento não produz alterações no tempo de utilização do sistema.Estes resultados apontam para o favorecimento de sistemas mais compactos, de menor volume e menor comprimento de tubo, com a utilização de um caudal mais reduzido. Avaliando a alteração da pressão a que a água do banho termostatizado está sujeita, e qual o seu impacto no tempo de utilização do sistema, identifica-se uma vantagem na utilização de sistemas pressurizados. No entanto, o elevado tempo de arranque dos sistemas pressurizados pode inviabilizar a sua utilização.Após a análise com caudal fixo, estudou-se o comportamento do sistema usando um caudal variável.Explorou-se, assim, a sensibilidade do sistema à variação do tempo de utilização disponível em relação à variação do volume do banho. Constatou- se que, quanto menor o comprimento de tubo, mais sensível é o sistema a uma variação do tempo de utilização para um tanque de maior volume.Para haver um bom fator de comparação do sistema considerou-se o Índice de Desempenho de Utilização, que compara o tempo de utilização ao tempo necessário de reaquecimento após utilização. Verificou-se que o sistema é muito mais eficiente com temperaturas de banho termostatizado inferiores. No entanto, quanto mais baixa a temperatura do banho ter- mostatizado, mais sensível é o sistema à variação do comprimento do tubo. Ao comparar-se o comportamento do sistema na abordagem de caudal fixo e variável, verificou-se uma clara vantagem para a abordagem de caudal variável.Em conclusão, pode-se afirmar que tal sistema será útil, ainda que requerendo parametrizações particulares, como seja a temperatura de pré-aquecimento, para qualquer uso de curta duração (lavatório de casa de banho e/ou cozinha). Para usos prolongados, e enquanto sistema inde- pendente, tal depende da exigência do utilizador em termos de caudal e temperatura de utilização. Este tipo de equipamento é indiscutivelmente viável enquanto equipamento auxiliar. Se nos referirmos a uma instalação com esquentador, como as presentes na maioria dos lares portugueses, este sistema pode substituir largamente o uso do gás por electricidade, dado que o esquentador pode servir apenas para fazer um pré-aquecimento da água de origem da rede a uma temperatura de entrada do sistema um pouco mais elevada; e também com vista a nulificar o desperdício de água fria característico do início de utilização de um sistema munido apenas de esquentador. Enquanto equipamento de apoio a um termoacumulador, podê-lo-á fazer com vista a fazer face aos picos de utilização. A solução mais interessante poderá passar, no entanto, pelo apoio a um sistema solar térmico.