Análise técnico-económica do armazenamento de energia térmica em sistemas AVAC

Mestrado em Engenharia MecânicaO desenvolvimento económico resultou num aumento do consumo de energia primária, sendo o setor dos edifícios um dos maiores consumidores a nível europeu. A União Europeia tem vindo a propor medidas que obrigam este setor a melhorar o seu desempenho energético. Para tal, desenvolveram-se políticas energéticas e diretivas comunitárias de eficiência energética nas quais se pode enquadrar a produção de energia de forma local e decentralizadas. A EPBD revista, publicada em 2010, veio obrigar os estados membros (incluindo Portugal) a tomar medidas. Algumas dessas medidas obrigam a que os edifícios comecem a tornar-se nearly zero-energy building a partir de 2018. Para que seja cumprido esse requisito, será necessário a utilização de sistemas de energia renovável nos edifícios, porém estes possuem um enorme problema, a sua intermitência. A utilização de sistemas de armazenamento de energia anula esse problema e permite diminuir as perturbações que possam surgir na rede elétrica devido ao excesso de energia produzida. No presente trabalho estudou-se a viabilidade energética e económica do armazenamento de energia térmica em sistemas de AVAC e a sua importância quando integrado com sistemas de energia renovável. No desenvolvimento do trabalho recorreu-se às ferramentas de simulação DesignBuilder e EnergyPlus. Para estudar o problema considerou-se uma fração autónoma de um edifício com vários andares, estando este localizado na cidade do Porto. Como componente de armazenamento de energia térmica foi optado pela utilização de um banco de gelo, pois é uma tecnologia bastante desenvolvida e de fácil aplicação nas ferramentas de simulação. Numa primeira análise foi verificado como um banco de gelo permitia deslocar, para períodos noturnos, as cargas elétricas associados às necessidades de arrefecimento, onde o preço eletricidade é muito menor, permitindo também diminuir as necessidades de pico exigidas à rede durante o período diurno. Numa segunda fase foram introduzidos sistemas de energia renovável e integrados com o banco de gelo. Foi analisado uma estratégia de autoconsumo, onde o excedente de produção poderia ser injetado na rede ou utilizado no chiller para carregar o banco de gelo. Constatou-se que a integração destas duas componentes permitia diminuir a energia comprada e vendida à rede, podendo o utilizador retirar um proveito económico considerável desta implementação, e também tornar o sistema elétrico mais equilibrado, permitindo funcionar de uma forma eficiente e homogénea.The economic development occasioned a large intensification of energy consumption; in Europe, buildings are pointed as great responsible for this increase. European Union has, therefore, start proposing actions to implement improvements in the energetic balance of buildings. For that, the EU has developed energy policies and directives of energy efficiency for local and decentralized energy production. The most important document is EPBD recast of 2010 that stated that every member countries had to improve their regulations and policies. In what concerns to Portugal, those actions required that service buildings should start to be converted in nearly zero-energy building until 2018. To accomplish this requirement, the use of renewable energy systems will be necessary in buildings, but they have a huge problem, its intermittency. The use of energy storage systems cancels this problem and reduces disturbances that may occur in the electrical grid due to excess of energy production. In the present work we studied the energy and economic viability of thermal energy storage in HVAC systems and their importance when integrated with renewable energy systems. The software used to perform simulations was DesignBuilder and EnergyPlus. The simulation was accomplished by means of a test cell with both adiabatic floor and roof to simulate an isolated building with several floors that would be located in Porto. As thermal energy storage component was chosen the use of ice storage, since it is a well developed technology and easy to use in simulation tools. In a first analysis was verified that a ice storage allowed the shifting of electrical charges, associated with the cooling requirements, to night shifts, where the electricity price is much lower, allowing also to decrease the peak demand during the daytime. In a second phase, renewable energy systems were introduced and integrated with the ice storage. It was analyzed a selfconsumption strategy, where the excess of production could be injected into the grid or used in the chiller to charge the ice storage. It was found that the integration of these two components allows reduction of energy purchased and sold to the grid, allowing the user to take a considerable economic advantage of this implementation, and also to make the electrical system more balanced, allowing it to work in an efficient and uniform way