Estudo de soluções de utilização de sistemas de armazenamento de energia térmica em climatização de edifícios

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Lambrou, Alexandre Dimitrios Viçoso
Data de Publicação: 2019
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.21/10438
Resumo: Trabalho final de mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia Mecânica
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spelling Estudo de soluções de utilização de sistemas de armazenamento de energia térmica em climatização de edifíciosArmazenamento de energia térmicaThermal energy storageMateriais de mudança de fasePhase change materialsClimatizaçãoClimatizationSimulação Energética de edifíciosEnergy Simulation of buildingsTrabalho final de mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia MecânicaA evolução tecnológica da Humanidade tem crescido de forma súbita, principalmente desde os tempos da Revolução Industrial, que ocorreu no século XIX. Esta evolução, no entanto, teve como consequência o aumento da dependência de recursos energéticos, de tal forma, que a partir deste século as fontes de energia primária de natureza fóssil deixaram de ser suficientes para os consumos energéticos. Sendo que o setor dos edifícios o que apresenta uns dos maiores valores de consumo. Em resposta a estes factos, a União Europeia implementou uma série de medidas para aumentar a utilização de fontes renováveis e racionalizar os consumos de energia. Sendo que grande parte do consumo no setor dos edifícios é proveniente dos sistemas de AVAC, tornou-se imperativo estudar soluções de melhoria de eficiência destes sistemas e a racionalização do consumo que estes acarretam. Algumas destas soluções consistem em métodos de acumulação de energia térmica, contribuindo para aumentar a percentagem de utilização de fontes renováveis de energia, aumentar a eficiência energética, ajudar a equilibrar a rede elétrica e reduzir a fatura energética. Será este tipo de solução estudada no âmbito do presente trabalho, com principal foco no uso emergente das tecnologias de acumulação de calor na sua forma latente, e o impacto na melhoria de eficiência energética associada. O âmbito deste trabalho será estudar estas técnicas e avaliar o impacto destas na redução do consumo de edifícios, tendo em especial atenção às técnicas de acumulação de calor latente com a utilização de materiais de mudança de fase, que serão abordados ao longo do documento. O armazenamento de energia térmica latente (LTES) foi estudado tendo em conta a aplicação de PCM em sistemas ativos de ar condicionado, como em métodos passivos, tais como a integração destes nos elementos construtivos (Ex: Paredes exteriores). A influência da utilização dos sistemas LTES na eficiência energética dos edifícios foi estudada para diferentes condições climáticas (Lisboa, Barcelona, Graz e Varsóvia). O edifício é constituído por uma área de pavimento de 1420m2 dividido por dois pisos. A maioria dos espaços são zonas de escritórios e no primeiro piso existe um restaurante em que o espaço de refeição possui 55m2. Foram usadas as reverências de envolvente térmica baseadas no “Energy Performance Certificate system” (EPC) para cada região estudada. O sistema de ar condicionado é constituído por um Chiller/Bomba de Calor arrefecido a ar, para aquecimento e arrefecimento. A dissipação da energia térmica nas zonas é assegurada pelas unidades terminais do tipo ventiloconvector e duas unidades de tratamento de ar novo (UTAN) que asseguram a ventilação do local. O edifício foi simulado utilizando o software DesignBuilder para as condições de referência e para a incorporação de PCM nas paredes exteriores em que o impacto da sua aplicação foi estudado. Para o estudo de LTES em sistemas ativos foram considerados tanques de acumulação térmica modulares, para arrefecimento e aquecimento. O volume líquido de cada tanque é de 150L. Foi utilizado PCM orgânicos parafínicos com uma temperatura de fusão de 9ºC para os tanques frios (CPCM) e 44ºC para os tanques quentes (HPCM). O número de tanques CPCM e HPCM foi otimizado para cada zona climática, tendo em conta as tarifas elétricas típicas, custo de investimento e de operação do sistema. Foi possível concluir que a utilização de PCM em edifícios de serviços não é muito atrativa e existe ainda muito desenvolvimento a ser feito nesse sentido. Também é possível concluir que a utilização de LTES, principalmente em sistemas ativos, têm uma grande contribuição para o aumento da eficiência energética dos edifícios e redução do consumo de energia primária, emissões CO2 e custos energéticos e ao mesmo tempo, contribuir para uma maior flexibilidade da rede de distribuição de energia elétrica. Contudo, é necessário progresso no sentido de reduzir os custos dos tanques PCM, e integração destes com energias renováveis e sistemas de controlo inteligentes que possam contribuir para a utilização de LTES nos edifícios de serviços.The technological evolution of mankind has been growing at an accelerated rate, mainly since the Industrial Revolution, which happened in the XIX century. However, this evolution had its consequence, the increase of energy dependence, in such a way, that the fossil fuels are no longer enough to satisfy the energy needs. The building sector presents some of the greatest values in energy consumption. In response to these facts, the European Union implemented a series of measures to increase the usage of Renewable Energy sources and to rationalize energy consumption. As a great part of building energy consumption is due to HVAC systems, it became imperative to study efficiency improvements and to rationalize the energy consumption associated. Some of these solutions consist on Thermal Energy Storage (TES) systems, contributing to increase the percentage of use of renewable energy sources, increasing energy efficiency, help balancing the electricity grid and reduces the energy bill. This kind of solution will be studied in the scope of this work, with a special focus on the rising usage of Latent Thermal Energy Storage (LTES) systems, and the associated impact in increasing energy efficiency. The scope of this work will be the study of these techniques and to evaluate their impact in reducing energy consumption in buildings, having special attention to LTES solutions with the usage of Phase Change Materials (PCM). For this study, the software DesignBuilder was used, which has EnergyPlus as a simulation engine. A model of an office building was created, based on drawings of an existing building. Several scenarios were created for simulation, which will be approached throughout the document. The latent energy thermal storage (LTES) has been studied considering the application of PCM in active air conditioning system, as well in a passive way, where the PCM is integrated in the construction elements of the building (e.g. external walls). The influence of the use of the LTES systems in the energy building performance has been studied for different climate conditions (Lisbon, Barcelona, Graz and Warsaw). The building consists of a pavement area of 1420 m2, divided by two levels. Most of the spaces are office rooms and at the first level there is a restaurant, which the meal room has an area of 55 m2. It was used the reference thermal envelop solutions based in Energy Performance Certificate system (EPC) for each region studied. The air conditioning system consists of air source chiller/heat pumps for cooling and heating. The thermal energy dissipation is assured by fan-coils and there are two handling air units for ventilation. The building was simulated using the DesignBuilder software for the base conditions and for the PCM included in the external walls. The effect in the energy performance of the PCM in external wall was analysed. For TES in active system they were considered thermal energy storage tanks in a modular way, for heating and for cooling. The net volume of PCM is 150 liters per tank. They were used organic PCMs, paraffin, with a melting point around 9oC for the cold PCM tanks (CPCM) and 44oC for the hot PCM tanks (HPCM). The number of CPCM and HPCM tanks was optimized for each climatic condition, considering the typically electric tariffs schemes and the capital and operating expenses. It is possible to conclude that the use of PCMs in service buildings, was not very attractive, and there is still much progress to be made in the future to improve its appeal. It is also possible to conclude that the use of TES, mainly in active systems for cooling and heating and for the cases studied, has an important contribution for increasing the energy efficiency of the buildings and for reducing the primary energy consumption, CO2 emissions and energy costs and at the same time, to contribute for the increase of the flexibility of the electricity distribution network. However, some important progress in order to decreases the costs of the PCM tanks should be done, and the integration with renewable energies and with smart control systems can contribute for the use de LTES in the service buildings.Instituto Superior de Engenharia de LisboaCoelho, Luís Manuel RodriguesRCIPLLambrou, Alexandre Dimitrios Viçoso2019-08-29T16:05:56Z2019-04-242019-04-24T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.21/10438TID:202278891porLAMBROU, Alexandre Dimitrios Viçoso - Estudo de soluções de utilização de sistemas de armazenamento de energia térmica em climatização de edifícios. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, 2019. Dissertação de mestrado.info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-08-03T10:00:27Zoai:repositorio.ipl.pt:10400.21/10438Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T20:18:51.833464Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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