Seasonal Thermal Energy Storage System provided with an Adsorption Module

Abstract

A produção de energia a nível global tem vindo a aumentar significativamente, com tendência a agravar-se ainda mais nos próximos anos, representando a energia para preparação de Águas Quentes Sanitárias (AQS) no sector dos edifícios residenciais uma parcela significativa. Assim, é de particular interesse desenvolver sistemas de armazenamento de energia térmica que contribuam para a melhoria da eficiência dos sistemas de AQS e aumento da captação de energia de origem renovável.Os sistemas de Acumulação Sazonal de Energia Térmica (STES) possibilitam o armazenamento de energia térmica durante longos períodos de tempo, sendo assim soluçõesinteressantes para aumentar a captação e aproveitamento da energia solar, dada a sua natureza intermitente. Ao implementar um sistema deste tipo, é possível acumular energia térmica em excesso no verão, que seria de outra forma desperdiçada, e aproveitá-la para o inverno quando a disponibilidade é menor e as necessidades maiores. No entanto, a maior parte dos sistemas disponíveis no mercado apresentam densidades de armazenamento e eficiência relativamente baixas. Pelo contrário, os sistemas que utilizam tecnologias de sorção, ainda que relativamente imaturos, apresentam melhores características.Este trabalho apresenta um Sistema de Acumulação Sazonal de Energia Térmica com Módulo de Adsorção, desenvolvido e estudado com o objetivo de aumentar a eficiência, poupança de energia e densidade de armazenamento de um sistema típico de acumulação sazonal, bem como para contribuir para o desenvolvimento da tecnologia de adsorção para comercialização futura. O sistema baseia-se no conceito de bomba de calor de adsorção inserida dentro de um depósito de água quente, que apoia diretamente um sistema solar térmico de AQS. Para atingir os objetivos propostos, um modelo anteriormente desenvolvido nos programas TRNSYS e MATLAB foi adaptado ao caso de acumulação sazonal, sendo simulado em várias configurações e sob diversas condições, e comparado com um sistema convencional equivalente, i.e., sem módulo de adsorção.Considerou-se, como caso de referência, uma moradia unifamiliar de quatro pessoas em Lisboa, com um período de acumulação entre abril e outubro, com o sistema composto por um reservatório de AQS de 250 L, 12.15 m2 de coletores solares, e partiu-se de um reservatório de acumulação sazonal de 3000 L. Diferentes números de coletores utilizados foram testados, aumentando a área até 17.01 m2. Foram analisados vários volumes do depósito de acumulação sazonal ao se integrar o módulo de adsorção, tendo-se verificado uma redução na utilização da energia de apoio ao se reduzir o volume do depósito. A maior poupança foi verificada para um depósito de 1800 L, o que se traduz em cerca de 17% em relação ao sistema convencional (onde se mantiveram os 3000 L). Conclui-se que o módulo de adsorção não só permite uma poupança significativa de energia auxiliar, como também permite a utilização de depósitos menores. O valor de poupança também varia consoante os períodos considerados para acumulação e o perfil de utilização do depósito de acumulação sazonal. Considerando um período de acumulação apenas entre julho e agosto, a poupança relativa da energia de apoio é de 24,2%, verificando-se uma fração renovável de aproximadamente 85%. No entanto, a densidade de energia obtida é baixa, devido a amplitudes de descarga também baixas.O desempenho do sistema foi também avaliado para diferentes climas. O sistema apresenta melhor desempenho para climas que apresentam Verões mais quentes e temperaturas médias de água da rede mais elevadas. O sistema com módulo de adsorção apresenta melhores resultados em todos os parâmetros analisados, porém estes continuam longe dos desejados e portanto requerem otimização adicional.

Global energy production and use has been increasing significantly in the past few years, and is set to increase even further in the coming future, with the energy for Domestic Hot Water (DHW) representing a significant portion in the building sector. With that in mind, it is of particular interest to improve and develop new thermal energy storage systems that increase the efficiency and the renewable fraction of such systems.By using Seasonal Thermal Energy Storage (STES) systems it is possible to store energy over long periods of time, presenting themselves as interesting solutions to store intermittent energy sources such as solar energy. By employing such systems, it is possible to store excess heat during the summer, that would otherwise be wasted, for later use during winter, when the availability is lower and the demand is higher. Although there are nowadays some commercial STES systems, their use is not yet spread, being their relatively low energy density an important limitation. Therefore, more research should be conducted to develop new technological solutions, with the sorption principle presenting promising results.This work presents a Seasonal Thermal Energy Storage System provided with an Adsorption Module, that has been developed with the objective of increasing the efficiency and energy density of the traditional sensible thermal energy storage systems. The system is based on the adsorption heat pump concept, inserted into a hot water tank which supports the main DHW system. For the present study a previous developed model using TRNSYS and MATLAB was adapted to simulate the seasonal storage, tested under different configurations and conditions, and compared to a conventional sensible heat storage system.A single-family house of four people located in Lisbon with a system composed of a 250 L DHW tank and 12.15 m2 of solar collectors, and a storage period between April and October was considered as the base case study. Different numbers of collectors were tested, with the area being increased up to 17.01 m2. Starting with a seasonal storage tank of 3000 L, several seasonal storage capacities were tested with the adsorption module integrated. The highest savings of backup energy were observed for a seasonal storage capacity of 1800 L, presenting relative savings of 17% in comparison to the conventional system (in which the 3000 L were maintained). This shows that the adsorption module allows better energy performance and the use of smaller tanks. Furthermore, the analysis of the seasonal storage duration and the usage shows that considering a storage period comprising only the months of July and August, relative savings of 24.2% were reached, as well as a renewable fraction of nearly 85%. Energy density is relatively low, however, due to low discharging amplitudes.The performance of the system in different climates was also assessed. The system performs better for climates with warmer summers, and higher average mains water temperatures. The system with the adsorption module again presented better results, but far from desired, requiring further optimization.