Almacenamiento Térmico (HVAC)

El almacenamiento térmico se refiere a la aplicación de almacenamiento de energía térmica en materiales para su posterior utilización. La siguiente figura muestra el ciclo de carga y descarga de los sistemas de almacenamiento térmico, es decir, el almacenamiento de energía (carga) y el uso de energía en un momento posterior que beneficia al usuario (descarga).

El almacenamiento térmico puede resultar en la reducción de los costos operativos al producir y almacenar la energía durante los períodos de bajo costo de suministro de energía (fuera de las horas pico/noche) y al utilizar la energía almacenada durante los períodos de alto costo del suministro de energía (horas pico/día).

La energía térmica se puede almacenar de tres formas principales:

1. Almacenamiento inteligente
2. Almacenamiento latente
3. Almacenamiento termoquímico.

Además, las dos estrategias comunes de almacenamiento térmico empleadas son:

1. Estrategia de nivelación de carga
2. Estrategia de cambio de carga

Almacenamiento de calor sensible

El almacenamiento de calor sensible se refiere al almacenamiento de calor dentro de un medio que no da como resultado un cambio de estado (por ejemplo, líquido permanece líquido o sólido permanece sólido). Las dos principales fuentes de almacenamiento de calor sensible aplicables a los edificios comerciales son:

1. Almacenamiento de agua: debido a la alta capacidad calorífica del agua, los tanques se usan comúnmente como medio de almacenamiento térmico dentro de los sistemas de agua fría y agua caliente.
2. Masa del edificio: al aumentar la masa térmica del edificio utilizando materiales densos (ladrillos, losas de hormigón, etc.), se pueden minimizar las cargas máximas. Estos materiales densos pueden almacenar calor a lo largo del día, irradiando calor hacia el espacio cuando la temperatura ambiente ha bajado o, alternativamente, se enfrían durante la noche y eliminan el calor del espacio durante el día.

Almacenamiento de calor latente

A diferencia del almacenamiento de calor sensible, el almacenamiento de calor latente utiliza un medio que transfiere calor cambiando de estado (por ejemplo, de líquido a sólido). Dada esta capacidad adicional de cambio de fase, los sistemas de calor latente tienen mayor capacidad para almacenar energía que los sistemas de almacenamiento de calor sensible, cuando tienen el mismo tamaño físico. Los principales métodos de almacenamiento de calor latente dentro de la industria HVAC son:

1. Almacenamiento de hielo: el hielo se genera y se usa directa o indirectamente para enfriar el sistema de agua helada.
2. Material de cambio de fase (PCM): el PCM generalmente usa formulaciones de sal específicas para aumentar el punto de congelación del material por encima de la temperatura del suministro de agua enfriada, de modo que el material se pueda congelar con agua enfriada para almacenar la energía para su uso posterior.
3. Tejido de construcción PCM: los materiales de cambio de fase se pueden usar en el tejido del edificio para aumentar el almacenamiento térmico en la masa del edificio.

Dado el mayor costo de capital asociado con el almacenamiento de calor latente, no son tan frecuentes como las soluciones de almacenamiento de calor sensible. Sin embargo, dado que las soluciones latentes pesan menos y son físicamente más pequeñas que las soluciones sensibles equivalentes, los costos de capital pueden compensarse potencialmente con ahorros estructurales.

Almacenamiento termoquímico

El almacenamiento termoquímico es una solución de almacenamiento térmico que utiliza una reacción química reversible en el medio para la transferencia de calor. Al igual que las otras soluciones de almacenamiento térmico discutidas anteriormente, el almacenamiento termoquímico consta de tres etapas principales, que se muestran en la Figura siguiente.

Durante el ciclo de carga, un material termoquímico absorbe calor a través de una reacción endotérmica (entrada de calor) y produce dos productos químicos (químicos A + B). Luego, los productos químicos A + B se separan y almacenan. Durante el ciclo de descarga, estos productos químicos se recombinan a través de una reacción exotérmica (calentamiento) reformando el material termoquímico original y liberando calor.

La principal ventaja del almacenamiento termoquímico es que ofrece aproximadamente seis veces la capacidad de almacenamiento de las principales soluciones latentes. Sin embargo, debido a los altos costos de capital, la adopción industrial del almacenamiento termoquímico es baja.

Estrategia de nivelación de carga

Una estrategia de nivelación de carga tiene como objetivo igualar las cargas del edificio a lo largo del día. Esta estrategia se puede implementar mediante el uso de almacenamiento térmico, donde el sistema se descarga cuando la carga del edificio es mayor que la salida del enfriador y se carga cuando la carga del edificio es menor que la salida del enfriador. Esto se ilustra en la figura siguiente, donde la carga del enfriador es un 50 % constante de la carga del edificio. La principal ventaja del sistema de nivelación de carga es que se puede reducir el tamaño requerido del enfriador.

Estrategia de cambio de carga

La estrategia de cambio de carga es donde el almacenamiento térmico se carga durante las horas de menor actividad, de modo que la energía almacenada se pueda utilizar durante las horas de máxima carga. Su objetivo es cambiar toda la carga en horas pico a horas fuera de horas pico, como se muestra en la figura siguiente. Al reducir o eliminar el funcionamiento de la enfriadora, se reduce la electricidad consumida durante el día. Esta estrategia se usa comúnmente para aprovechar los menores costos de energía fuera de las horas pico.

Departamento de Medio Ambiente y Energía (Australia)