A presente dissertação teve como objetivo principal o desenvolvimento de um sistema de armazenamento térmico com recurso a materiais com mudança de fase para uma casa/sala de teste. Outros objetivos propostos consistiram em estudar como os diferentes parâmetros (área coletora, condições climatéricas e volume da casa) de modo a perceber como estes afetam o dimensionamento do reservatório térmico.
O modelo dividiu-se em dois sistemas, um para aquecimento e outro para arrefecimento, o primeiro é acionado quando a temperatura no interior da casa é inferior a 23 ºC durante os meses tipicamente frios (de outubro a maio), até atingir 26 ºC, e o segundo é acionado nos meses tipicamente quentes (de junho a setembro), quando a temperatura interior da casa atinge 25 ºC e desliga-se quando atinge 22 ºC. Foi também utilizado um modelo com um reservatório térmico com água, este é o modelo convencional comumente utilizado, pelo que é ideal para comparar com o modelo com módulos de PCM. O software utilizado para as simulações foi o TRNSYS.
As simulações com as diferentes parafinas demonstraram que é imperativo uma seleção adequada das mesmas consoante as temperaturas de funcionamento, dado que, em caso de seleção errada poderia não ser compensatório a utilização de PCMs. Assim foi selecionada a parafina RT90HC, devido à sua temperatura de fusão ser superior a 80 ºC, sendo a temperatura mínima necessária para o funcionamento do sistema ejetor (arrefecimento). Desta forma obteve-se uma grande melhoria face às outras soluções testadas. Por outro lado, quando o objetivo é aquecer a sala esta foi a que apresentou piores resultados, no entanto, não invalida que na globalidade esta seja a melhor solução.
Com a alteração da área coletora para metade foi realizada uma primeira simulação com o dobro do volume, mas este ficou sobredimensionado. O reservatório de 0,55 m3 foi assim, aquele que obteve um resultado mais próximo daquele obtido no caso real. Num futuro trabalho seria interessante obter-se o ponto ótimo (economicamente) entre estes dois parâmetros, de forma a tornar o sistema o mais rentável possível, mantendo a capacidade de satisfação das necessidades próximo do que foi obtido nestas simulações.
Outro parâmetro alterado de forma a verificar o comportamento do sistema foi a área/volume da sala de teste, para isso utilizou-se na simulação uma sala com o dobro do volume, e tal como no caso da área coletora, não foi necessário um reservatório com o dobro do volume, muito pelo contrário, este parâmetro teve muito menor impacto na variação do volume reservatório, que apenas aumentou de 0,4 m3 para 0,45 m3 para ter uma performance similar ao caso inicial.
Assim, este resultado torna-se muito interessante, dado que um apartamento/casa é significativamente maior que a sala de teste levando assim a que não seja expectável um aumento muito significativo do volume do reservatório para um caso real. Para trabalhos futuros e para uma maior aproximação a um caso real, seria importante construir um modelo similar a uma casa, dado que o comportamento térmico da sala utilizada é diferente do comportamento de uma casa com janelas, portas, entre outros.
O último parâmetro alterado foi a localização da casa, selecionou-se um local com temperaturas médias anuais inferiores (Bragança) e outro com temperaturas superiores (Faro). Conclui-se que este sistema obteve melhores resultados para climas mais quentes, dado que, durante o Verão existe maior radiação incidente e melhores rendimentos no coletor, levando a mais energia disponível para utilização, ao passo que, em Bragança a radiação recebida é menor e as temperaturas exteriores são mais baixas, levando a menos energia disponível.
Foi ainda possível melhorar a simulação, devido ao facto de inicialmente os sistemas de aquecimento e arrefecimento encontrarem-se separados, em duas simulações diferentes, pelo que a junção de ambos diminuiu o tempo de simulação significativamente dado que, anteriormente era necessário realizar uma simulação adicional para o sistema de arrefecimento que demorava cerca 3 horas e 30 minutos. Neste aspeto poderiam ser implementadas melhorias, nomeadamente, um sistema de recirculação do ar no interior da casa. Dado que, por exemplo, durante a época de arrefecimento a temperatura da sala atingiu 35 ºC sendo que no exterior a temperatura era inferior, isto permitiria que o sistema fosse mais realista. O COP do sistema de ejetor é fixo, o que acaba por ser uma boa aproximação dado que a gama de temperaturas de utilização é baixa, entre 95 ºC e 80 ºC.
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ANEXO A: Propriedades termodinâmicas dos PCM
Nas tabelas A.1 a A.6 encontram-se as propriedades termodinâmicas das diferentes parafinas.
Tabela A.1 – Propriedades termodinâmicas do RT90HC.
Temperatura de fusão (aquecimento) (ºC) 91-92
Temperatura de fusão (arrefecimento) (ºC) 90-91
Capacidade térmica (kJ/kg) (de 83 ºC a 98 ºC) 170
Capacidade térmica especifica (kJ/kgK) 2
Densidade do sólido 0,95
Densidade do líquido 0,85
Condutividade térmica (W/mK) 0,2
Tabela A.2 – Propriedades termodinâmicas do RT80HC.
Temperatura de fusão (aquecimento) (ºC) 77-80
Temperatura de fusão (arrefecimento) (ºC) 80-77
Capacidade térmica (kJ/kg) (de 70 ºC a 85 ºC) 220
Capacidade térmica especifica (kJ/kgK) 2
Densidade do sólido 0,9
Densidade do líquido 0,8
Condutividade térmica (W/mK) 0,14
Tabela A.3 – Propriedades termodinâmicas do RT70HC.
Temperatura de fusão (aquecimento) (ºC) 69-71
Temperatura de fusão (arrefecimento) (ºC) 71-69
Capacidade térmica (kJ/kg) (de 62 ºC a 77 ºC) 260
Capacidade térmica especifica (kJ/kgK) 2
Densidade do sólido 0,88
Densidade do líquido 0,77
Condutividade térmica (W/mK) 0,2
Tabela A.4 – Propriedades termodinâmicas do RT64HC.
Temperatura de fusão (aquecimento) (ºC) 63-65
Temperatura de fusão (arrefecimento) (ºC) 64-61
Capacidade térmica (kJ/kg) (de 57 ºC a 72 ºC) 250
Capacidade térmica especifica (kJ/kgK) 2
Densidade do sólido 0,88
Densidade do líquido 0,78
Condutividade térmica (W/mK) 0,2
Variação do volume (%) 11
Tabela A.5 – Propriedades termodinâmicas do RT35HC.
Temperatura de fusão (aquecimento) (ºC) 34-36
Temperatura de fusão (arrefecimento) (ºC) 36-34
Capacidade térmica (kJ/kg) (de 27 ºC a 42 ºC) 240
Capacidade térmica especifica (kJ/kgK) 2
Densidade do sólido 0,88
Densidade do líquido 0,77
Condutividade térmica (W/mK) 0,2
ANEXO B: Resultados obtidos para as restantes parafinas
Nas figuras B.1, B.2, B.3 encontra-se a variação da temperatura interior da casa durante o ano para RT64HC, RT70HC e RT80HC.
Figura B.1 - Variação da temperatura interior da casa ao longo do ano utilizando um reservatório com RT64HC.