O armazenamento de energia térmica (TES) envolve a adição de energia térmica (térmica) a um meio de armazenamento e, em seguida, a remoção desse meio para uso em outro momento. Isso pode envolver o armazenamento de energia térmica em altas temperaturas (armazenamento de calor) ou em baixas temperaturas (armazenamento em frio).
Em aplicações HVAC, os meios de armazenamento mais comuns usados para armazenamento térmico frio são gelo e água. Um sistema de armazenamento de água gelada usa a capacidade de calor sensível de um grande volume de água para armazenar energia térmica. Um resfriador é usado para baixar a temperatura da água, e essa água fria é armazenada em um grande tanque para uso em outro momento. Um sistema de armazenamento de gelo, no entanto, usa a capacidade latente da água, associada à mudança de fase sólida (gelo) para líquida (água), para armazenar energia térmica.
Várias tecnologias de armazenamento de gelo foram introduzidas, floresceram por um curto período de tempo e, posteriormente, deixaram o mercado. Os sistemas de armazenamento de gelo à base de glicol continuam a ser muito populares porque são simples e semelhantes aos sistemas convencionais de água gelada. Qualquer aplicação que seja adequada para um sistema de água gelada é candidata ao armazenamento de gelo à base de glicol.
Esse tipo de sistema de armazenamento de gelo usa um resfriador para resfriar um fluido de transferência de calor, geralmente uma mistura de água e anticongelante (como glicol), a uma temperatura abaixo do ponto de congelamento da água. Este fluido é bombeado através de um ou mais tanques de armazenamento de gelo, onde o calor é transferido da água dentro do tanque para o fluido de transferência de calor. Isso faz com que a água dentro do tanque congele.
Quando a energia térmica é necessária posteriormente, o fluido de transferência de calor é novamente bombeado através do tanque de armazenamento, mas agora a uma temperatura acima do ponto de congelamento da água. O calor é transferido do fluido de transferência de calor para o gelo armazenado dentro do tanque, fazendo com que o gelo derreta.
Adicionar armazenamento de gelo a um sistema HVAC pode reduzir os custos de utilidade associados ao resfriamento, mudando a operação do resfriador de tempos de eletricidade de alto custo para tempos de eletricidade de baixo custo.
A figura acima mostra um perfil de carga de resfriamento no dia do projeto para um edifício de exemplo. Entre meia-noite e 6h, o prédio fica desocupado e não há carga de resfriamento. Às 6h, o prédio começa a ser ocupado e a carga de resfriamento aumenta. A carga de resfriamento é maior entre 11h e 16h e diminui drasticamente após as 17h, quando as pessoas saem do prédio. Há uma pequena carga de resfriamento que continua durante a noite, antes de desaparecer à meia-noite.
A maioria das concessionárias de energia elétrica experimenta a maior demanda de eletricidade durante o dia, com algumas até enfrentando escassez de capacidade. Para incentivar a redução do uso de eletricidade durante esses períodos, muitas concessionárias de energia elétrica estabeleceram tarifas que criam janelas de tempo para eletricidade de custo mais alto durante esses períodos de alta demanda. As horas em que o custo da eletricidade é alto são frequentemente chamadas de período “no pico”. Por outro lado, o período “fora de ponta” refere-se às horas em que o custo da eletricidade é mais baixo.
Para este mesmo edifício de exemplo, do meio-dia às 20h é definido como o período de pico. Todas as outras horas são definidas como o período fora de pico.
Outro componente comum da tarifa da concessionária de energia elétrica é a cobrança de demanda. Esta é uma taxa baseada no maior consumo de energia (kW), ou demanda, usada pelo edifício durante um período de tempo especificado. Normalmente, ou a cobrança de demanda se aplica apenas ao período de pico ou a cobrança de demanda de pico é significativamente mais alta do que a cobrança de demanda fora de pico.
Os sistemas de armazenamento de gelo reduzem os custos mensais de serviços públicos derretendo o gelo para satisfazer as cargas de resfriamento do edifício durante o período de pico. Isso evita ou reduz significativamente a eletricidade necessária para operar o resfriador durante esse período. A operação do chiller é deslocada para o período fora de ponta, durante o qual o custo da energia elétrica é menor e a carga de demanda é menor ou inexistente. O chiller é utilizado nesse período para congelar a água dentro dos tanques de armazenamento, armazenando a energia térmica até o horário de ponta.
Neste exemplo, as cargas de resfriamento do edifício que ocorrem durante o período de pico, que ocorre entre meio-dia e 20h, são satisfeitas pelo derretimento do gelo armazenado e o resfriador é desligado.
Este tipo de sistema, muitas vezes chamado de “sistema de armazenamento completo”, só é possível se a capacidade de armazenamento dos tanques for grande o suficiente para satisfazer as cargas de pico de resfriamento para um determinado dia.
O custo instalado de um sistema de armazenamento completo, no entanto, pode não ser viável. Muitos sistemas de armazenamento de gelo têm capacidade suficiente para satisfazer apenas uma parte das cargas de resfriamento de pico. Esse tipo de sistema costuma ser chamado de “sistema de armazenamento parcial”.
Neste exemplo de sistema de armazenamento parcial, as cargas de resfriamento que ocorrem durante o período de pico são satisfeitas pelo derretimento do gelo e pela operação do resfriador. O resfriador opera com capacidade reduzida, consome menos energia e extrai menos energia. Cargas de resfriamento maiores que a capacidade fornecida pelo resfriador são satisfeitas pelo derretimento do gelo armazenado.
Desligar o chiller, ou reduzir significativamente sua capacidade, durante o período de ponta reduz o consumo desta eletricidade mais cara e reduz a demanda elétrica de ponta. Ambos podem resultar em contas de serviços públicos mensais mais baixas.
À primeira vista, pode parecer que um sistema de armazenamento de gelo projetado para reduzir a demanda elétrica de pico (kW) é o mesmo que um sistema projetado para reduzir o consumo elétrico de pico (kWh). Qual dos dois é mais importante, no entanto, pode mudar significativamente como o sistema é projetado e/ou controlado.
Para reduzir a demanda de pico, o sistema deve derreter o gelo somente quando a demanda elétrica do edifício for maior. É perfeitamente aceitável que reste gelo dentro do tanque no final do dia. Essa abordagem, chamada de “redução de pico”, é comumente usada quando a taxa de demanda elétrica (kW) no pico é alta, mas as taxas de consumo elétrico (kWh) são quase iguais nos períodos fora do pico e nos períodos de pico. A redução de pico tenta encontrar o equilíbrio ideal entre a redução da demanda elétrica no pico (derretendo o gelo e operando o resfriador com capacidade reduzida) e evitando aumentar significativamente o consumo elétrico fora do pico (que acontece quando o resfriador precisa operar na unidade de produção de gelo modo).
Como alternativa, para reduzir o consumo elétrico no pico, o sistema deve derreter o máximo de gelo possível todos os dias. Essa abordagem, chamada de “deslocamento de carga”, é comumente usada quando a taxa de consumo elétrico no horário de pico (kWh) é significativamente maior do que a taxa de consumo fora do horário de pico. A mudança de carga tenta reduzir ao máximo o consumo elétrico no pico, derretendo todo o gelo durante o período de pico e mudando a operação do chiller para o período fora do pico.
Embora seja possível que um sistema projetado para redução de pico tenha a mesma capacidade de armazenamento de gelo que um sistema projetado para deslocamento de carga, esses dois sistemas são controlados de maneira diferente.
Além de reduzir os custos mensais de serviços públicos, outro benefício potencial do armazenamento de gelo é reduzir o tamanho e a capacidade do equipamento de resfriamento mecânico.
Quando o armazenamento de gelo é usado para satisfazer toda ou parte da carga de resfriamento do projeto (ou pior caso), o chiller pode ser reduzido desde que tenha tempo suficiente para recongelar a água dentro dos tanques.
Chillers menores, acionados eletricamente, também podem resultar em serviço elétrico menor para o edifício, o que também pode reduzir o custo de instalação.
Benefícios potenciais
- Custos de serviços públicos mais baixos
- Menor consumo elétrico no pico (kWh)
- Menor demanda elétrica no pico (kW)
- Tamanho menor do equipamento
- Chiller menor
- Serviço elétrico menor (A)
- Custo instalado reduzido
- Pode se qualificar para descontos em serviços públicos ou outros incentivos
Embora os tanques de armazenamento de gelo aumentem o custo instalado do sistema, o impacto da redução do tamanho do equipamento de resfriamento mecânico pode compensar parte (ou todo) desse custo adicional. Além disso, algumas concessionárias de energia elétrica oferecem descontos ou outros incentivos quando o armazenamento de gelo é usado para reduzir a demanda elétrica nos horários de pico. Quando esses incentivos estão disponíveis, adicionar armazenamento de gelo pode até reduzir o custo geral instalado do sistema.
Em algumas instalações, cada um desses benefícios pode ser percebido. Em outras instalações, no entanto, um ou mais podem não ocorrer. Por exemplo, adicionar armazenamento de gelo pode reduzir os custos de serviços públicos, mas o tempo disponível para recongelar a água dentro dos tanques pode ser tão curto que o resfriador deve permanecer do mesmo tamanho para congelar a água rápido o suficiente.
Referência
TRC019-EN Ice Storage Systems
