Sistema de Acumulação de Energia Térmica Solar com Módulo de Adsorção: Comparação do Desempenho em Edifícios de Diferentes Dimensões

Abstract

A transição energética urge num momento em que as alterações climáticas e o previsto aumento do consumo global de energia figuram como uma ameaça ao planeta. Esta mudança foca-se na descarbonização, sendo o desenvolvimento de novas tecnologias de armazenamento de energia de fonte renovável fulcral neste processo. O gás é o combustível mais utilizado para a preparação de Águas Quentes Sanitárias (AQS) no setor residencial, representando uma parcela considerável da energia final consumida na União Europeia (UE). De modo a reduzir, ou mesmo substituir, o uso dessa fonte de energia por fontes de cariz renovável, como é o caso da energia solar, os sistemas de acumulação de energia térmica desempenham um papel importante. Neste contexto, tem-se vindo a estudar a contribuição que a integração da tecnologia de sorção possa vir a ter neste tipo de sistemas, uma vez que apresenta valores de densidade de armazenamento e eficiência superiores aos sistemas convencionais (armazenamento sensível e latente). Neste trabalho, um sistema de armazenamento de energia térmica com módulo de adsorção, anteriormente desenvolvido com recurso aos programas TRNSYS e MATLAB para o caso de uma moradia unifamiliar (4 pessoas), foi usado para analisar a influência da gama de consumo de AQS no desempenho do sistema. No estudo, consideram-se edifícioscom 25, 50, 75 e 100 pessoas e é estudada a influência dos parâmetros geométricos dos vários componentes do sistema.Para os vários níveis de consumo estudados, verificou-se que um condensador mais longo, um evaporador com tubos de menor diâmetro e alhetas mais longas, bem como um adsorsor mais comprido, de menor diâmetro e com um maior número de alhetas interiores melhoram a eficiência do sistema. Em contrapartida, a utilização de alhetas exteriores no adsorsor não melhora o desempenho do sistema, pelo que podem ser desprezadas. A utilização de reservatórios de pré-aquecimento de maiores dimensões aumenta o desempenho, embora tenha que se ter em conta o custo e o espaço adicionais necessários. As configurações finais dos sistemas estudados com módulo de adsorção permitem obter poupanças relativas de energia de 15,0%; 16,0%; 13,3%; 10,8% e 8,9% em relação aos sistemas convencionais para os casos estudados de 4, 25, 50, 75 e 100 pessoas, respetiva mente. As correspondentes frações renováveis dos sistemas com adsorsor foram de 79,8%; 78,7%; 80,0%; 80,8% e 81,5%, cerca de 2 a 4% superior às frações renováveis obtidas para os sistemas convencionais. Tendo em conta apenas o meio adsorvente, as respetivas densidades de armazenamento de energia ponderada durante os períodos de descarga obtidas foram 38,8 kWh/m3; 40,1 kWh/m3; 38,9 kWh/m3; 40,2 kWh/m3 e 41,5 kWh/m3. Em síntese, à medida que a dimensão do sistema aumenta por causa de um maior consumo diário de AQS, a poupança relativa de energia tende a diminuir. Por outro lado, a fração renovável e a densidade de armazenamento tendem a aumentar ligeiramente.

The energy transition is urgent at a time when climate change and the predicted increase in global energy consumption pose a threat to the planet. This shift focuses on decarbonization, being the development of new renewable energy storage technologies essential to this process. Gas is the most widely used fuel for Domestic Hot Water (DHW) preparation in the residential sector, representing a considerable share of the final energy consumed in the European Union (EU). In order to reduce, or even replace, the use of this energy source with renewable sources, such as solar energy, thermal energy storage systems play an important role. In this context, it has been studied the contribution that the integration of sorption technology may have in this type of systems, since it presents higher values of storage density and efficiency than conventional systems (sensitive and latent storage). In this work, a thermal energy storage system with adsorption module, previously developed using TRNSYS and MATLAB programs for the case of a single family house (4 people), was used to analyze the influence of the DHW consumption range on the system performance. In the study buildings with 25, 50, 75 and 100 people are considered, and the influence of the geometric parameters of the various system components is studied.For the various levels of consumption studied, it was found that a longer condenser, an evaporator with smaller diameter tubes and lengthy fins, as well as a longer, smaller diameter adsorber with a greater number of inner fins improve the efficiency of the system. In contrast, the use of outer fins on the adsorber doesn’t improve the performance of the system and can therefore be disregarded. The use of larger preheat tanks increases performance, although the additional cost and space required must be considered. The final configurations of the systems studied with adsorption module allow relative energy savings of 15.0%, 16.0%, 13.3%, 10.8% and 8.9% compared to conventional systems for the cases studied of 4, 25, 50, 75 and 100 people, respectively. The corresponding renewable fractions of the systems with adsorber were 79.8%, 78.7%, 80.0%, 80.8% and 81.5%, about 2 to 4% higher than the renewable fractions obtained for the conventional systems. Taking into account only the adsorptive medium, the respective weighted energy storage densities during the discharge periods obtained were 38.8 kWh/m3, 40.1 kWh/m3, 38.9 kWh/m3, 40.2 kWh/m3 and 41.5 kWh/m3. In summary, as the system size increases because of higher daily DHW consumption, the relative energy savings tend to decrease, on the other hand, the renewable fraction and storage density tend to increase slightly.