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Title: Sistema de armazenamento de energia térmica com módulo de adsorção
Authors: Fernandes, Marco Alexandre dos Santos 
Orientador: Costa, José
Gaspar, Adélio
Costa, Vítor
Keywords: Armazenamento de energia; Sistema solar térmico de acumulação; Módulo de adsorção; Águas quentes sanitárias; Modelação; Análise paramétrica
Issue Date: 23-Jan-2017
Citation: FERNANDES, Marco Alexandre dos Santos - Sistema de armazenamento de energia térmica com módulo de adsorção. Coimbra : [s.n.], 2017. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/32215
Project: info:eu-repo/grantAgreement/FCT/SFRH/SFRH/BD/90520/2012/PT 
Abstract: 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.
This thesis is devoted to the development and study of a domestic hot water system (DHW) which includes an adsorption module, aiming to increase the thermal energy storage capacity and to reduce the backup energy consumption of the DHW system. The adsorption module is essentially composed of (i) an adsorber immersed in the water tank of a conventional DHW system, (ii) a condenser inside a secondary water tank and (iii) an evaporator in contact with the ambient air. The proposed system enables thermal energy storage in the adsorber, without thermal losses and indefinitely in time, releasing it into the DHW tank water whenever its temperature drops below a specified level. Also, it is capable of preheating the cold mains water by reusing the energy released from the condenser during the loading phase. The silica-gel/water pair was selected from a comparative study of various adsorbent/adsorbate pairs. A detailed numerical model to simulate the system’s dynamic behaviour was developed, based on the mass and energy balance equations of the system components, and considering the sorption kinetics and the adsorbent-adsorbate equilibrium conditions. The formulation of these principles was integrated into a simulation program based on the combination of two software tools: TRNSYS, to simulate the operation of the DHW solar thermal system, and MATLAB, to solve (in parallel) the adsorption module equations. A parametric study covering various configurations was conducted to separately evaluate the influence of each of the relevant variables on the overall system´s performance. Thus, the system’s best parametric configuration was characterized and defined, which served as the starting point for an optimization study, conducted with the GenOpt software, to determine the system’s optimal configuration and operating conditions leading to its maximum annual performance. Results show that the proposed system, for the optimized configuration and location – 250 L DHW tank, 37 kg of silica-gel, 4 people consumption profile, in Coimbra –, allows for an annual saving of 16% in the backup energy consumption. Moreover, an increase of the renewable energy fraction is predicted (85% to 87%, in this case) due to the energy received by the evaporator from the ambient air. It was also concluded that the proposed system performs better for a smaller temperature setpoint of the hot water for consumption, for smaller water consumption levels, when operating in warmer regions, and with higher inclination of the solar collectors. The overall performance foreseen for the proposed system is encouraging, and the transition prospects for the experimental phase are very promising. However, some aspects still need to be improved, especially in terms of the adsorption module compactness (adsorber and evaporator). Overall, it can be concluded that the proposed system is a promising solution to increase the efficiency and the thermal energy storage capacity of DHW systems.
Description: Tese de doutoramento em Engenharia Mecânica, na especialidade de Energia e Ambiente, apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/32215
Rights: openAccess
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