O armazenamento térmico refere-se à aplicação de armazenamento de energia térmica em materiais para utilização posterior. A figura abaixo mostra o ciclo de carga e descarga para sistemas de armazenamento térmico, ou seja, o armazenamento de energia (carregamento) e o uso posterior da energia que beneficia o usuário (descarga).
O armazenamento térmico pode resultar na redução dos custos operacionais, produzindo e armazenando a energia durante períodos de baixo custo de fornecimento de energia (fora do horário de pico/noite) e utilizando a energia armazenada durante períodos de alto custo de fornecimento de energia (horário de pico/dia).
A energia térmica pode ser armazenada de três maneiras principais:
- Armazenamento Sensível
- Armazenamento Latente
- Armazenamento Termoquímico.
Além disso, as duas estratégias comuns de armazenamento térmico empregadas são:
- Estratégia de nivelamento de carga
- Estratégia de mudança de carga
Armazenamento de calor sensível
O armazenamento de calor sensível refere-se ao armazenamento de calor num meio que não resulta numa mudança de estado (por exemplo, o líquido permanece líquido ou o sólido permanece sólido). As duas principais fontes de armazenamento de calor sensível aplicáveis a edifícios comerciais são:
- Armazenamento de água – Devido à alta capacidade térmica da água, os tanques são comumente usados como meio de armazenamento térmico em sistemas de água gelada e água quente.
- Massa do edifício – Ao aumentar a massa térmica do edifício utilizando materiais densos (tijolos, lajes de betão, etc.), os picos de carga podem ser minimizados. Esses materiais densos são capazes de armazenar calor durante todo o dia, irradiando calor de volta para o espaço quando a temperatura ambiente cai ou, alternativamente, resfriam durante a noite e removem o calor do espaço durante o dia.
Armazenamento de calor latente
Ao contrário do armazenamento de calor sensível, o armazenamento de calor latente utiliza um meio que transfere calor mudando de estado (por exemplo, líquido para sólido). Dada esta capacidade adicional de mudança de fase, os sistemas de calor latente têm maior capacidade de armazenar energia do que os sistemas de armazenamento de calor sensível, quando do mesmo tamanho físico. Os principais métodos de armazenamento de calor latente na indústria de HVAC são:
- Armazenamento de gelo – O gelo é gerado e usado direta ou indiretamente para resfriar o sistema de água gelada
- Material de mudança de fase (PCM) – O PCM normalmente usa formulações de sal específicas para aumentar o ponto de congelamento do material acima da temperatura de fornecimento de água gelada, para que o material possa ser congelado com água gelada, para armazenar a energia para uso posterior.
- Estrutura de Construção PCM – Materiais de mudança de fase podem ser usados na estrutura de construção para aumentar o armazenamento térmico na massa do edifício.
Dado o aumento do custo de capital associado ao armazenamento de calor latente, estas não são tão predominantes como as soluções de armazenamento de calor sensível. Contudo, uma vez que as soluções latentes pesam menos e são fisicamente mais pequenas do que as soluções sensíveis equivalentes, os custos de capital podem ser potencialmente compensados por poupanças estruturais.
Armazenamento Termoquímico
O armazenamento termoquímico é uma solução de armazenamento térmico que utiliza uma reação química reversível no meio para transferência de calor. Semelhante às outras soluções de armazenamento térmico discutidas acima, o armazenamento termoquímico consiste em três etapas principais, mostradas na Figura abaixo.
Durante o ciclo de carga, um material termoquímico absorve calor através de uma reação endotérmica (entrada de calor) e produz dois produtos químicos (produtos químicos A + B). Os produtos químicos A + B são então separados e armazenados. Durante o ciclo de descarga, esses produtos químicos são recombinados através de uma reação exotérmica (saída de calor), reformando o material termoquímico original e liberando calor.
A principal vantagem do armazenamento termoquímico é que ele oferece aproximadamente seis vezes a capacidade de armazenamento das principais soluções latentes. No entanto, devido aos elevados custos de capital, a adoção do armazenamento termoquímico pela indústria é baixa.
Estratégia de nivelamento de carga
Uma estratégia de nivelamento de carga visa equalizar as cargas do edifício ao longo do dia. Tal estratégia pode ser implementada através do uso de armazenamento térmico, onde o sistema descarrega quando a carga do edifício é maior que a saída do chiller e carrega quando a carga do edifício é menor que a saída do chiller. Isto é ilustrado na figura abaixo, onde a carga do chiller é constante em 50% da carga do edifício. A principal vantagem do sistema de nivelamento de carga é que o tamanho necessário do chiller pode ser reduzido.
Estratégia de mudança de carga
A estratégia de mudança de carga é onde o armazenamento térmico é carregado fora dos horários de pico, de modo que a energia armazenada possa ser usada durante os horários de pico de carga. O objetivo é transferir toda a carga de pico para horários fora de pico, conforme mostrado na figura abaixo. Ao reduzir ou eliminar o funcionamento do chiller, a eletricidade consumida durante o dia é reduzida. Esta estratégia é comumente usada para aproveitar os custos mais baixos de energia fora dos horários de pico.
Departamento de Meio Ambiente e Energia (Austrália)
FREQUENTLY ASKED QUESTIONS
Sensible storage involves storing thermal energy by raising or lowering the temperature of a material, typically water or a phase-change material (PCM), within a specific temperature range. Latent storage, on the other hand, involves storing thermal energy by melting or freezing a PCM, which absorbs or releases energy as it changes phase. Latent storage typically offers higher energy density and more consistent temperature output than sensible storage.
Thermo-chemical storage involves the use of chemical reactions to store thermal energy. This method is still in the early stages of development but has the potential to offer high energy density and long-term storage capabilities. In HVAC systems, thermo-chemical storage could be used to store energy generated from renewable sources, such as solar power, and release it as needed to provide heating or cooling.
The load levelling strategy involves storing energy during off-peak hours and releasing it during peak hours to reduce peak demand and flatten the load profile. The load shifting strategy, on the other hand, involves shifting the entire load from one time period to another, typically from peak to off-peak hours. Load shifting can be used to take advantage of time-of-use (TOU) pricing structures, where energy costs vary depending on the time of day.
Water is a common material used for sensible thermal energy storage due to its high specific heat capacity and low cost. Other materials used for sensible storage include phase-change materials (PCMs), such as paraffin wax or salt hydrates, which can store energy by melting or freezing within a specific temperature range. Some PCMs can also be designed to operate within specific temperature ranges, making them suitable for HVAC applications.
Thermal storage systems can be integrated with BMS through the use of sensors, actuators, and control algorithms. The BMS can monitor energy demand, storage capacity, and ambient conditions to optimize charging and discharging cycles. This integration enables the thermal storage system to respond to changes in building load, weather, and energy prices, ensuring maximum efficiency and cost savings.
Thermal storage is commonly used in HVAC systems for air conditioning, heating, and refrigeration applications. It is particularly useful in buildings with high cooling or heating demands, such as data centers, hospitals, and commercial office buildings. Thermal storage can also be used in district cooling systems, where it can help reduce peak demand and improve overall system efficiency.
