Dominar o armazenamento térmico: a chave para um aquecimento solar de água eficiente.

Armazenamento térmico num sistema de aquecimento solar de água

Num sistema de aquecimento solar de água, um reservatório de água, também chamado de tanque de armazenamento térmico, é utilizado para armazenar o calor gerado pelos coletores solares. A utilização de líquidos (principalmente água) para armazenamento térmico é o método mais consolidado, tecnicamente sólido e amplamente utilizado de entre os vários métodos disponíveis. Geralmente, é desejável que o líquido possua não só uma elevada capacidade térmica específica, mas também um elevado ponto de ebulição e uma baixa pressão de vapor. A primeira característica visa evitar a mudança de fase (para o estado gasoso), enquanto a segunda reduz a pressão sobre o reservatório de armazenamento térmico. De entre os líquidos de baixa temperatura utilizados como fluidos de armazenamento térmico, a água oferece o melhor desempenho e, por isso, é o mais utilizado.

Vantagens e desvantagens da utilização da água como meio de armazenamento térmico

Vantagens

① As suas propriedades físicas, químicas e térmicas são muito estáveis, o seu funcionamento é bem compreendido e a sua tecnologia de aplicação é madura.

② Pode servir tanto como meio de armazenamento térmico como meio de transferência de calor, eliminando a necessidade de permutadores de calor nos sistemas de armazenamento térmico.

③ Possui excelentes propriedades de transferência de calor e fluidez. Entre os líquidos habitualmente utilizados, apresenta a maior capacidade térmica específica, o menor coeficiente de expansão térmica e baixa viscosidade, tornando-o ideal tanto para a circulação natural como forçada.

④ A relação temperatura-pressão no equilíbrio líquido-gás é muito estável, sendo adequada para coletores solares de placa plana.

⑤ É abundante e barato.

Desvantagens

① Por ser uma substância eletroliticamente corrosiva, o oxigénio produzido corrói facilmente os metais. É também um solvente para a maioria dos gases (especialmente o oxigénio), tornando-o suscetível à corrosão de recipientes e tubagens.

② Ao solidificar (congelar), o seu volume expande-se significativamente (até aproximadamente 10%), o que pode danificar recipientes e tubagens.

③ A temperaturas superiores a moderadas (superiores a 100 °C), a sua pressão de vapor aumenta exponencialmente com o aumento da temperatura da água. Assim, quando se utiliza água para armazenamento de calor, tanto a temperatura como a pressão não devem exceder o seu ponto crítico (373,0 °C, 2,2 × 10⁶ Pa). Por exemplo, o custo do armazenamento de calor a 300 °C é 2,75 vezes superior ao de 200 °C.

Ao utilizar água como meio de armazenamento de calor, os recipientes podem ser fabricados com diversos materiais, incluindo aço inoxidável, esmalte, plástico, liga de alumínio, cobre, ferro, betão armado e madeira. Os formatos podem variar de cilíndricos e retangulares a esféricos. No entanto, a resistência à corrosão e a durabilidade dos materiais utilizados devem ser cuidadosamente consideradas. Por exemplo, ao escolher o cimento e a madeira como materiais para recipientes de armazenamento de calor, deve ser tida em conta a sua expansão térmica para evitar fissuras e fugas com o uso prolongado.

Um reservatório de água quente é um dispositivo capaz de armazenar tanto calor como frio. Foi desenvolvido como um componente em sistemas que fornecem água quente, aquecimento e ar condicionado para edifícios. A sua principal função é ajustar o desequilíbrio entre o consumo de energia e a procura de calor, melhorando assim a eficiência térmica do sistema e atendendo à carga térmica necessária.

Os tanques de armazenamento de água quente podem ser categorizados em vários tipos com base nas suas características de libertação de calor (fluxo de extrusão total, fluxo de mistura completo e fluxo de mistura parcial), estado de pressão (aberto ou fechado), número de tanques (único ou múltiplo), método de instalação (vertical ou longitudinal ou horizontal ou transversal), materiais estruturais e utilização prevista. A seguir, focamos os dois primeiros tipos.

Características de libertação de calor do depósito de armazenamento de água quente

Com base nas características de libertação de calor (ou nas características de mistura dentro do tanque), os tanques de armazenamento de água quente podem ser classificados em três tipos: fluxo de extrusão total, fluxo de mistura total e fluxo de mistura parcial. Se υ representa a velocidade do fluxo de água, L representa o comprimento do tanque de água e E representa o coeficiente de difusão de mistura, então as três categorias acima podem ser classificadas de acordo com o grau de mistura da temperatura da água no tanque ou o valor da característica de mistura M=υL/(2E).

(1) Fluxo de extrusão completo

Também conhecido como fluxo pistão, ou seja, o fluxo no depósito de água é completamente semelhante ao de um pistão, e existem duas áreas de água quente e fria no depósito. A interface entre as duas é muito nítida, indicando que quase não há mistura. Neste momento, pode considerar-se que E→0 ou M→∞. Quando o depósito de armazenamento de água quente liberta calor (arrefece), a água flui de baixo (ou de cima) e todo o calor pode ser utilizado. Este é um estado ideal, como se mostra na Figura 2-11. Admita que existem 100 L de água quente a uma temperatura de 80 °C no depósito de armazenamento de água quente e, em seguida, é injetada lentamente água fria a 20 °C pela entrada inferior A, e toda a água que sai pela saída B está a 80 °C. Mas assim que a quantidade de água que sai ultrapassa os 100 L, a temperatura da água desce imediatamente para os 20 °C.

(2) Fluxo completamente misturado

A temperatura no reservatório de água é completamente uniforme, indicando que a mistura é muito completa. Neste caso, pode-se considerar E→∞ ou M→0. Em circunstâncias normais, isto só pode ser conseguido com a instalação de um misturador potente no depósito de água quente e a injeção lenta de água fria durante a agitação. Inicialmente, a temperatura da água que sai pela saída B é de 80 °C. Com o passar do tempo, a temperatura da água diminui exponencialmente. Quando o volume de água atinge os 100 L, a temperatura desce para aproximadamente 80 × e ≈ 29,3 °C.

(3) Fluxo parcialmente misturado

Também conhecido como fluxo estratificado por temperatura, indica que a distribuição de temperatura no tanque de água é desigual e ocorre estratificação. Neste caso, o valor de E pode ser considerado finito, ou seja, 0.

Estado de pressão do reservatório de água quente

De acordo com o estado de pressão do reservatório de água quente, este pode ser dividido em duas categorias: aberto e fechado. À pressão atmosférica normal, o formato do espaço a ocupar depende da situação real.

(1) Tipo aberto

Como o reservatório de água está aberto à atmosfera, está sujeito a uma pressão mais baixa, mas é facilmente corroído por ácidos. Como o oxigénio é facilmente solúvel em água, a resistência à corrosão do reservatório necessita de ser elevada. Além disso, a altura manométrica exigida pelo sistema também precisa de ser elevada. Geralmente, é utilizado em grandes sistemas de energia solar.

(2) Tipo fechado

Como o depósito de água está cheio de água, deve ser instalado um depósito de expansão na parte superior para evitar danos no depósito de armazenamento de calor. As suas vantagens são sistema de tubagem simples, pequena altura manométrica da bomba de água necessária e menor consumo de energia pela bomba de circulação; as suas desvantagens são a pressão estática relativamente grande, o requisito de alta resistência à pressão para o tanque de armazenamento de calor e o elevado custo do equipamento do recipiente resistente à pressão. É geralmente utilizado em pequenos sistemas de energia solar.

Na prática, o sistema de aquecimento de água do edifício e o reservatório térmico na cobertura (utilizado em conjunto com o sistema de aquecimento de água por circulação natural) são geralmente do tipo aberto; além disso, o aproveitamento do espaço da viga de fundação como reservatório térmico e a utilização de um reservatório térmico independente de betão são também considerados do tipo aberto. Por outro lado, quando a temperatura de funcionamento do sistema ultrapassa os 100 °C, o reservatório de água quente deve ser fechado, a menos que seja utilizado um fluido de transferência de calor específico. Ademais, os reservatórios de água quente nos sistemas de aquecimento de água por circulação forçada instalados no solo são geralmente fechados.

Os reservatórios de água quente do tipo aberto são geralmente construídos em aço galvanizado, aço inoxidável e fibra de vidro, enquanto os tipos fechados são geralmente construídos em esmalte, aço inoxidável e fibra de vidro.

Os reservatórios de água quente têm, normalmente, um formato cilíndrico. Em primeiro lugar, são fáceis de fabricar e de selar, o que os torna económicos. Em segundo lugar, oferecem uma melhor dissipação de calor e minimizam as zonas de água estagnada. Em terceiro lugar, oferecem uma melhor resistência à pressão (sob pressão interna constante, a tensão que atua na parede do cilindro é proporcional ao seu raio).

Características termodinâmicas dos tanques de armazenamento de calor

(1) Principais parâmetros das características termodinâmicas

① Dimensões da área de água morta no tanque de armazenamento de calor;

② O tamanho do valor M da característica de mistura é determinado pelo grau de mistura da água a diferentes temperaturas no tanque de armazenamento de calor;

③ O gradiente de temperatura no interior do material de armazenamento de calor;

④ A capacidade térmica do permutador de calor;

⑤ A capacidade térmica do sistema de tubagem ligado ao tanque de armazenamento de calor;

⑥ A capacidade térmica do próprio tanque de armazenamento de calor e do ambiente envolvente em contacto com o mesmo (aplicável aos tanques de armazenamento de calor enterrados no subsolo).

Para os tanques de armazenamento de calor que utilizam água como meio de armazenamento de calor, uma vez que não é necessário um permutador de calor, os dois itens ③ e ④ acima referidos podem ser ignorados.

(2) Fatores que afetam as características termodinâmicas

① Estado de mistura do fluido no depósito de água - Na utilização real dos depósitos de armazenamento de calor, a linha de fluxo de água pode formar um fluxo incompleto tipo pistão, o que não só impede o armazenamento completo do calor, como também impede a sua plena utilização.

② Estrutura do reservatório de água e volume de água em circulação — referindo-se principalmente ao número e configuração dos defletores no interior do reservatório, ao número, diâmetro e localização dos tubos de ligação, bem como à forma do reservatório e ao volume de água em circulação.

③ Perda e ganho de calor — Uma vez que o próprio reservatório de água possui uma superfície protetora, a perda e o ganho de calor são inevitáveis. Para reservatórios de armazenamento de calor de curto prazo, concebidos para mitigar picos transitórios na procura de calor, enterrá-los e isolá-los termicamente pode, na verdade, ter um impacto negativo na sua dinâmica térmica. Isto porque o solo, com a sua capacidade térmica, também pode desempenhar uma função no armazenamento de calor.

④ Temperaturas de armazenamento e extração de calor — A temperatura de armazenamento de calor refere-se à temperatura média da água no interior do tanque no final do armazenamento de calor; a temperatura de extração de calor refere-se à temperatura da água à saída, no momento em que o calor é extraído do tanque. A possibilidade de aproveitamento total do calor e a vida útil do tanque de armazenamento de calor estão intimamente relacionadas com a forma como estas duas temperaturas são medidas.

Resposta transitória de tanques de armazenamento de calor

Quando se utiliza um tanque de armazenamento de calor, a flutuação da temperatura da água à saída é crucial para determinar a carga térmica. Teoricamente, a relação funcional entre a temperatura de entrada e a temperatura de saída (vulgarmente conhecidas como temperaturas de entrada e de saída) pode ser derivada calculando a distribuição da temperatura da água no interior do tanque. No entanto, isto requer a resolução da equação da continuidade tridimensional, da equação da conservação da quantidade de movimento e da equação da conservação da energia, o que é um processo complexo e requer um longo programa computacional.

Na prática do projeto, não é necessário compreender diretamente a distribuição da temperatura da água no interior do tanque. Em vez disso, basta conhecer a variação temporal da temperatura de entrada e da entrada de calor, e ser capaz de calcular a variação temporal da temperatura de saída. Atualmente, o método mais utilizado é o "método da resposta transitória", que trata todo o tanque como um único sistema. Se for assumida uma relação linear entre a entrada e a saída (o que pode ser assumido aproximadamente quando as temperaturas da água à entrada e à saída são semelhantes), então a variação da temperatura de saída pode ser calculada para qualquer variação da temperatura de entrada utilizando uma integral de convolução.

Em resumo, a utilização de tanques de armazenamento de calor como dispositivos de armazenamento de calor de pequena escala e curto prazo para sistemas de água quente, aquecimento e ar condicionado desempenha um papel importante na utilização da energia solar térmica e encontrou uma gama de aplicações práticas. Se for necessário armazenamento de calor em grande escala e a longo prazo, ao longo das estações do ano, alguns países começaram a estudar os aquíferos subterrâneos como uma medida eficaz de armazenamento de calor e de poupança de energia nas últimas duas ou três décadas.