Estudo técnico-económico para otimização do projeto e implementação de uma bomba de calor "heat machine"

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Estudo de uma bomba de calor de expansão direta assistida por energia solar para a preparação de AQS

Este estudo consiste na caracterização da eficiência energética de uma bomba de calor de expansão direta que utiliza a energia solar como fonte térmica. De uma forma geral, teve-se a obrigação de procurar cada vez mais recursos renováveis e neste sentido a bomba de calor de expansão direta tem um papel importante no aquecimento de águas quentes sanitárias (AQS). Como ponto de partida, foi realizada uma descrição detalhada sobre todos os equipamentos da bomba de calor e elaborado um desenho técnico que identifica todos os componentes. No laboratório (casa inteligente) realizaram-se vários ensaios a fim de interpretar com rigor os resultados obtidos do desempenho da bomba de calor (COP) e do fator médio de desempenho sazonal (SPF). No início, realizaram-se ensaios para determinar as perdas estáticas do sistema termodinâmico, de seguida foram elaborados ensaios segundo a norma EN 16147 e por fim, ensaios de acordo com o perfil de utilização de AQS definido. No estudo experimental do COP, obteve-se uma elevada eficiência energética com um valor médio de 4,12. O COP aumenta para valores médios de 5 quando a temperatura de água no termoacumulador desce para 35ºC. Verificou-se que durante o período diurno o COP aumenta aproximadamente de 10% relativamente ao período noturno. A potência elétrica é mais elevada (450W) quando a água no termoacumulador está perto da temperatura desejável (55ºC), originando um esforço maior da bomba de calor. No estudo experimental do SPF, verificou-se que nos ensaios segundo a norma EN16147 os valores obtidos variaram entre 1,39 e 1,50 (Classe “B”). No estudo realizado de acordo com o perfil de utilização de AQS definido pelo utilizador, o SPF é superior em 12% relativamente ao obtido segundo os ensaios realizados de acordo a norma EN16147. Verificou-se que o aumento da temperatura do ar exterior implica um aumento do SPF (cerca de 2% a 5%), enquanto a energia solar não influência nos resultados.

Estudi comparatiu entre un sistema de climatització solar amb planta d’absorció geotèrmica i un sistema de climatització amb bomba de calor geotèrmica

Disseny i dimensionat d’una instal•lació de climatització, durant tot l'any, i comparació entre un sistema de climatització solar amb una planta d’absorció geotèrmica i un sistema de climatització mitjançant una bomba de calor geotèrmica, per al despatx de professors i becaris del nou laboratori d’ energia de l’EPS, mitjançant la utilització d’un sistema d’energia solar tèrmica de baixa temperatura, com a medi d’aportació de calor, i per energia geotèrmica per a la climatització integral

Qué es la bomba de calor.

Se presenta un estudio detallado de qué es una bomba de calor, cómo funciona la bomba de calor, se define el coeficiente de operación (COP) de una bomba de calor, el punto de equilibrio, y se exponen los diferentes tipos de bomba de calor según sea el medio del cual el evaporador absorbe el calor y al que lo cede el condensador.

Análise teórico experimental dos evaporadores de uma bomba de calor

Faz-se um estudo da construção de uma bomba de calor residencial de baixo custo utilizando um condicionador de ar do tipo janela. Com tal equipamento operando fora das condições de projeto é preciso fazer uma avaliação das novas condições de operação, onde os evaporadores passam a ser objetivo de estudo do presente trabalho. A análise foi conduzida de duas formas. Uma tomada de dados experimental, feita em duas épocas distintas do ano, nas condições mais severas de consumo, no inverno, e nas condições mais severas de temperatura, no verão. A outra, uma análise teórica, gerando dados que podem ser comparados com a literatura. Inicialmente, é feita uma avaliação do coeficiente de performance visando a competitividade do equipamento no que tange o custo operacional. Como objetivo principal é avaliada a troca de calor nos evaporadores e os parâmetros que a influenciam, bem como o comportamento do fluido refrigerante na entra e saída. Foi preciso desenvolver uma metodologia para trocadores aletados que apresentam mudança de fase já que esta não é vista com facilidade na literatura. Faz-se uso do método NUT e- , que é adaptado de forma a ser função somente dos dados psicrométricos do ar. Para a efetividade média externa e o coeficiente de convecção externo é utilizada a metodologia desenvolvida por Schmidt em 1949 Como resultados, observou-se que o coeficiente de performance fica na faixa dos equipamentos comercias (2,6 na média anual) e o custo operacional é competitivo com o uso do gás liquefeito de petróleo, em aquecedores de passagem. A efetividade do trocador e o coeficiente de convecção externo apresentam um valor baixo, atribuído a grande área de troca de calor externa. O coeficiente de contato, apresenta um valor alto se comparado ao coeficiente de convecção externo. Quanto ao fluido refrigerante, este apresenta condições normais nas saídas dos evaporadores e título baixo na entrada de um dos evaporadores. Também é observado que um dos evaporadores apresenta baixo uso efetivo, sendo o problema atribuído a baixa vazão de refrigerante.

Estudo do Sujamento da Superfície de Transferência de Calor do Evaporador de uma Bomba de Calor aquecido pelo efluente de uma fábrica de pasta para papel

O presente trabalho tem como principal objectivo a avaliação do sujamento da superfície de transferência de calor do evaporador de uma bomba de calor, quando se utiliza o efluente da fábrica de pasta e papel da Portucel Soporcel em Cacia como fluido de aquecimento. Para a realização deste estudo montou-se uma instalação, composta por uma bomba de calor, um circuito de água de arrefecimento do condensador da bomba de calor e um circuito de água residual quente para o aquecimento do evaporador da bomba de calor. O ensaio decorreu durante um período de 84 dias, durante o qual foram registadas as temperaturas em vários pontos dos circuitos e os caudais de circulação. A evolução temporal da quantidade de calor transferida no evaporador, assim como, a comparação do coeficiente global de transferência de calor em condições ideias e experimentais, permitiu verificar que a razão U/U0 para o evaporador da bomba de calor não teve um comportamento decrescente ao longo do período de ensaio, permitindo concluir que, nas condições operatórias da experiência, não ocorreu sujamento na superfície do evaporador. No estudo de corrosão do cobre quando exposto à água residual em questão, obteve-se, para a velocidade de corrosão, o valor de 1,56 mg/(dm2 .dia), indicando assim que a corrosão do cobre naquele meio é praticamente inexistente.

Secagem da microalga Spirulina em camada delgada utilizando secador com bomba de calor

A Spirulina apresenta propriedades antioxidantes o que favorece seu uso como alimento funcional, fato que tem motivado a sua comercialização para a formulação de alimentos diversos e com finalidades terapêuticas. A secagem ganha importância durante produção de Spirulina, uma vez que a umidade necessária, para garantir que não ocorra degradação da biomassa desidratada durante o armazenamento, é alcançada através do conhecimento dos parâmetros que caracterizam a operação. Neste estudo foi utilizada a secagem com bomba de calor, um método alternativo, pois viabiliza a operação com temperaturas inferiores as tradicionalmente utilizadas, além de seu funcionamento ser independente das condições meteorológicas do ambiente. O trabalho experimental da secagem de Spirulina sp. foi iniciado com um estudo comparativo entre a secagem com bomba de calor (SBC) e a secagem tradicional (ST). O efeito dos diferentes métodos utilizados sob a amostra foi comparado em relação à cinética da operação e as características da microalga desidratada (cor, ficocianina, compostos fenólicos totais e atividade antioxidante total). As temperaturas do ar foram de 50 e 60ºC e a umidade absoluta da SBC foi dez vezes inferior a utilizada durante a ST. Os parâmetros que caracterizam a secagem foram influenciados pela temperatura do ar, bem como, pela baixa umidade absoluta na SBC. Os valores do tempo total da SBC foram 40% inferiores aos encontrados para a secagem ST, em ambas as temperaturas do ar. A maior preservação das características da Spirulina foi obtida na SBC e temperatura do ar de 50°C, e nesta condição os valores foram 14% (ficocianina), 60% (compostos fenólicos) e 10% (atividade antioxidante) superiores aos encontrados na mesma condição para a ST. Isto evidencia que o método de secagem é determinante na qualidade do produto desidratado. Posteriormente, foi realizado o estudo da cinética da SBC, bem como a otimização da operação de secagem e a reidratação das amostras desidratadas nas diferentes condições de secagem. O estudo foi realizado através de um planejamento fatorial 32, tendo como fatores de estudo a temperatura do ar (30, 40 e 50ºC) e a espessura da bandeja (1, 3 e 5 mm). As respostas utilizadas foram ficocianina, compostos fenólicos, atividade antioxidante total e cor da microalga desidratadas. Também foram realizadas a microscopia eletrônica de varredura (MEV) e as curvas termogravimétricas (DSC) das amostras desidratadas. A secagem apresentou um curto período de taxa constante, delimitado pela umidade crítica, sendo que, seus valores foram influenciados apenas pela temperatura do ar de secagem. O modelo Logarítmico forneceu elevados valores de R2ajust e os menores valores de soma dos erros quadráticos (SSE) e de critério informativo de Akaike (AIC). Os valores das energias de ativação para as espessuras de 1, 3 e 5 mm, foram na faixa de 20-23 kJ mol-1. A condição de operação mais adequada, para a secagem de Spirulina sp. com bomba de calor, foi obtida na temperatura do ar de 50°C e espessura da bandeja de 5 mm, com valores de ficocianina, compostos fenólicos, atividade antioxidante total e diferença de cor de 19,60 mg g-1, 1508 µgEAG g-1, 52,6% e 5,71, respectivamente. Os termogramas (DSC) evidenciaram que em 50 ºC e espessura de 5 mm, o produto apresentou maior estabilidade térmica. As amostras de Spirulina sp. desidratadas apresentaram estrutura morfológica (MEV), aparentemente, rígida e heterogênea, e os seus percentuais de reidratação corresponderam a 85-91% da umidade da microalga in natura.

Comparação energética de sistemas de aquecimento a energia solar para o conforto térmico dos ocupantes de um edifício residencial

Dissertação de mestrado, Energia e Climatização de Edifícios, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2015

Estudo comparativo de sistemas em aquecimento

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Sistema de climatização para um edifício da Rede de Energia Nacional

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Projetos geotérmicos para usos diretos em Portugal Continental: tipologias e viabilidade económica

Os aproveitamentos geotérmicos têm vindo a aumentar significativamente em todo o mundo, sendo os Estados Unidos da América, o maior produtor desta energia proveniente do interior da Terra, com cerca de 3.187 MW de capacidade instalada. Portugal tem capacidade instalada total de 29 MW, no entanto no que se refere ao aproveitamento de “alta entalpia”, isto é, o aproveitamento geotérmico para produção elétrica, apenas se encontra no arquipélago dos Açores, na ilha de S. Miguel, onde estão instaladas e em funcionamento duas centrais geotérmicas com a potência total de 23 MW, com produção de energia de 185 GWh. Em Portugal Continental, não se consegue produzir energia elétrica devido às temperaturas existentes, restringindo esta utilização apenas ao aproveitamento de baixa entalpia (máximo de 76 ºC). Este aproveitamento normalmente é feito em cascata, segundo, predominando o aquecimento de águas sanitárias, climatização, e para termas, usando águas termominerais. Para a exploração deste recurso renovável, é necessário conhecer a hidrogeologia do país, e relacioná-la com a fracturação, e acidentes tectónicos. Portugal Continental, está divido em quatros partes distintas a nível hidrogeológico, o Maciço Antigo, a Orla Ocidental, a Bacia Tejo-Sado e a Orla Meridional. Qualquer aproveitamento geotérmico em Portugal terá de atender a estas características, potenciando também, novas explorações geotérmicas orientadas para as pessoas, respeitando os valores sociais, culturais e ambientais. Neste contexto, existem alguns complexos geotérmicos em funcionamento, outros abandonados, e muitos outros em estudo para uma breve aplicação. Um exemplo de sucesso no aproveitamento do calor geotérmico, é o complexo de Chaves, que foi evoluindo desde 1985, até aos dias de hoje, continuando em exploração e em expansão para um melhor servir da população local. A existência de dois furos, e brevemente dum terceiro, servem para o abastecimento duma piscina, dum hotel, das termas, e da balneoterapia. Devido à riqueza a nível das temperaturas, dos caudais, e ao nível das necessidades energéticas existentes, este complexo apresenta um tempo de retorno de investimento de cerca de 7 anos, o que é geralmente considerado para investimentos para fins públicos, como é o caso. No âmbito das investigações agora realizadas, foi constatado que estes projetos suportam a cobertura de alguma incerteza hidrogeológica, dada a importante procura existente.

Diseño de una vivienda unifamiliar con instalación geotérmica de muy baja entalpía

El objetivo del presente proyecto es el diseño de una vivienda unifamiliar de manera que el aporte de energía no renovable sea el mínimo para conseguir las condiciones de confort óptimas para los ocupantes durante todo el año. Para su diseño se tendrá en cuenta el aporte de energía solar pasiva y el uso de aislantes térmicos a lo largo de la envolvente para la reducción de las necesidades de energía. Se dimensiona una instalación geotérmica para el abastecimiento de calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria (ACS). En este dimensionamiento se incluyen los sondeos geotérmicos, el equipo de bomba de calor y la instalación de suelo radiante. En el estudio de iluminación se analizan las necesidades de alumbrado de la vivienda utilizando luminarias led. Por último se evalúa la viabilidad económica que supone sustituir una instalación de caldera de gasoil por la instalación geotérmica dimensionada y la viabilidad de sustituir luminarias incandescentes por luminarias led. ABSTRACT The purpose of this paper is the design of a single family home with the lowest nonrenewable energy input, so optimum comfort living conditions for the occupants during the whole year can be reached. In order to design the house, both passive solar energy input and the use of thermal insulators will be taken into account. A geothermal installation for the heating, cooling and Domestic Hot Water (DHC) supply will be measured. In this measuring, the boreholls, the heat pump equipment and the radiant floor heating installation are included. In the study of illumination of the house, the lighting needs using LED luminaires are analised. Finally, the economic viability when replacing the installation of a diesel boiler for the measured geothermal installation is assessed, as well as the viability when replacing incandescent luminaires for LED luminaires

La certificación energética: Las instalaciones como variable

El objetivo de este Trabajo Fin de Grado es adentrarse en el mundo de la certificación energética para comprender la importancia que las instalaciones tienen en este ámbito. Una vez realizada la investigación correspondiente, procederemos a realizar un caso práctico en el que aplicaremos todo lo aprendido y servirá para !ijar conocimientos. Cada día mostramos una mayor preocupación respecto a las emisiones de CO2 que producimos, tanto a nivel nacional como internacional, y buscamos posibles soluciones que puedan mejorar estos niveles de contaminación. Muchas son las acciones que podrían llevarse a cabo a este respecto, sin embargo nosotros focalizaremos nuestra investigación en las instalaciones de los edificios. Previamente, realizamos una incursión sobre temas como el marco normativo de la eficiencia energética, la zonificación climática y la etiqueta energética, los cuales forman la base sobre la que se sustenta este trabajo. Así mismo, realizamos una pequeña exploración en el mundo informático para conocer los diferentes programas de certificación que existen en el mercado. Con una ligera idea de los parámetros que maneja cada uno de ellos, elegimos el programa más adecuado para realizar este caso práctico. Una vez adquiridas estas nociones básicas, realizamos un trabajo minucioso de investigación sobre las diferentes medidas de mejora de la certificación energética de los edificios a través de las instalaciones. La implantación de diferentes sistemas como los paneles solares térmicos, los paneles solares fotovoltaicos, la microcogeneración, las calderas de combustión de alta eficiencia, la caldera de biomasa, la bomba de calor, la incorporación de un recuperador de calor o la mejora de la instalación de iluminación son las diferentes opciones que estudiamos. Todas ellas presentan diferentes características pero persiguen el mismo !in, el ahorro de las emisiones de CO2. Por último, con toda la información de la que disponemos, llevamos a cabo la certificación energética de un edificio terciario y valoramos la posible aplicación de las diferentes mejoras en las instalaciones del mismo. En base a las conclusiones del estudio elegiremos las medidas que mejoren notablemente la calificación energética y que resulten más convenientes para el edificio.

La implementación arquitectónica de los acristalamientos activos con agua circulante, y su contribución en edificios de consumo de energía casi nulo

La presente Tesis Doctoral evalúa la contribución de una fachada activa, constituida por acristalamientos con circulación de agua, en el rendimiento energético del edificio. Con especial énfasis en la baja afección sobre su imagen, su integración ha de favorecer la calificación del edificio con el futuro estándar de Edificio de consumo de Energía Casi Nulo (EECN). El propósito consiste en cuantificar su aportación a limitar la demanda de climatización, como solución de fachada transparente acorde a las normas de la energía del 2020. En el primer capítulo se introduce el planteamiento del problema. En el segundo capítulo se desarrollan la hipótesis y el objetivo fundamental de la investigación. Para tal fin, en el tercer capítulo, se revisa el estado del arte de la tecnología y de la investigación científica, mediante el análisis de la literatura de referencia. Se comparan patentes, prototipos, sistemas comerciales asimilables, investigaciones en curso en Universidades, y proyectos de investigación y desarrollo, sobre envolventes que incorporan acristalamientos con circulación de agua. El método experimental, expuesto en el cuarto capítulo, acomete el diseño, la fabricación y la monitorización de un prototipo expuesto, durante ciclos de ensayos, a las condiciones climáticas de Madrid. Esta fase ha permitido adquirir información precisa sobre el rendimiento del acristalamiento en cada orientación de incidencia solar, en las distintas estaciones del año. En paralelo, se aborda el desarrollo de modelos teóricos que, mediante su asimilación a soluciones multicapa caracterizadas en las herramientas de simulación EnergyPlus y IDA-ICE (IDA Indoor Climate and Energy), reproducen el efecto experimental. En el quinto capítulo se discuten los resultados experimentales y teóricos, y se analiza la respuesta del acristalamiento asociado a un determinado volumen y temperatura del agua. Se calcula la eficiencia en la captación de la radiación y, mediante la comparativa con un acristalamiento convencional, se determina la reducción de las ganancias solares y las pérdidas de energía. Se comparan el rendimiento del acristalamiento, obtenido experimentalmente, con el ofrecido por paneles solares fototérmicos disponibles en el mercado. Mediante la traslación de los resultados experimentales a casos de células de tamaño habitable, se cuantifica la afección del acristalamiento sobre el consumo en refrigeración y calefacción. Diferenciando cada caso por su composición constructiva y orientación, se extraen conclusiones sobre la reducción del gasto en climatización, en condiciones de bienestar. Posteriormente, se evalúa el ahorro de su incorporación en un recinto existente, de construcción ligera, localizado en la Escuela de Arquitectura de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Mediante el planteamiento de escenarios de rehabilitación energética, se estima su compatibilidad con un sistema de climatización mediante bomba de calor y extracción geotérmica. Se describe el funcionamiento del sistema, desde la perspectiva de la operación conjunta de los acristalamientos activos e intercambio geotérmico, en nuestro clima. Mediante la parametrización de sus funciones, se estima el beneficio adicional de su integración, a partir de la mejora del rendimiento de la bomba de calor COP (Coefficient of Performance) en calefacción, y de la eficiencia EER (Energy Efficiency Ratio) en refrigeración. En el recinto de la ETSAM, se ha analizado la contribución de la fachada activa en su calificación como Edificio de Energía Casi Nula, y estudiado la rentabilidad económica del sistema. En el sexto capítulo se exponen las conclusiones de la investigación. A la fecha, el sistema supone alta inversión inicial, no obstante, genera elevada eficiencia con bajo impacto arquitectónico, reduciéndose los costes operativos, y el dimensionado de los sistemas de producción, de mayor afección sobre el edificio. Mediante la envolvente activa con suministro geotérmico no se condena la superficie de cubierta, no se ocupa volumen útil por la presencia de equipos emisores, y no se reduce la superficie o altura útil a base de reforzar los aislamientos. Tras su discusión, se considera una alternativa de valor en procesos de diseño y construcción de Edificios de Energía Casi Nulo. Se proponen líneas de futuras investigación cuyo propósito sea el conocimiento de la tecnología de los acristalamientos activos. En el último capítulo se presentan las actividades de difusión de la investigación. Adicionalmente se ha proporcionado una mejora tecnológica a las fachadas activas existentes, que ha derivado en la solicitud de una patente, actualmente en tramitación. ABSTRACT This Thesis evaluates the contribution of an active water flow glazing façade on the energy performance of buildings. Special emphasis is made on the low visual impact on its image, and the active glazing implementation has to encourage the qualification of the building with the future standard of Nearly Zero Energy Building (nZEB). The purpose is to quantify the façade system contribution to limit air conditioning demand, resulting in a transparent façade solution according to the 2020 energy legislation. An initial approach to the problem is presented in first chapter. The second chapter develops the hypothesis and the main objective of the research. To achieve this purpose, the third chapter reviews the state of the art of the technology and scientific research, through the analysis of reference literature. Patents, prototypes, assimilable commercial systems, ongoing research in other universities, and finally research and development projects incorporating active fluid flow glazing are compared. The experimental method, presented in fourth chapter, undertakes the design, manufacture and monitoring of a water flow glazing prototype exposed during test cycles to weather conditions in Madrid. This phase allowed the acquisition of accurate information on the performance of water flow glazing on each orientation of solar incidence, during different seasons. In parallel, the development of theoretical models is addressed which, through the assimilation to multilayer solutions characterized in the simulation tools EnergyPlus and IDA-Indoor Climate and Energy, reproduce the experimental effect. Fifth chapter discusses experimental and theoretical results focused to the analysis of the active glazing behavior, associated with a specific volume and water flow temperature. The efficiency on harvesting incident solar radiation is calculated, and, by comparison with a conventional glazing, the reduction of solar gains and energy losses are determined. The experimental performance of fluid flow glazing against the one offered by photothermal solar panels available on the market are compared. By translating the experimental and theoretical results to cases of full-size cells, the reduction in cooling and heating consumption achieved by active fluid glazing is quantified. The reduction of energy costs to achieve comfort conditions is calculated, differentiating each case by its whole construction composition and orientation. Subsequently, the saving of the implementation of the system on an existing lightweight construction enclosure, located in the School of Architecture at the Polytechnic University of Madrid (UPM), is then calculated. The compatibility between the active fluid flow glazing and a heat pump with geothermal heat supply system is estimated through the approach of different energy renovation scenarios. The overall system operation is described, from the perspective of active glazing and geothermal heat exchange combined operation, in our climate. By parameterization of its functions, the added benefit of its integration it is discussed, particularly from the improvement of the heat pump performance COP (Coefficient of Performance) in heating and efficiency EER (Energy Efficiency Ratio) in cooling. In the case study of the enclosure in the School of Architecture, the contribution of the active glazing façade in qualifying the enclosure as nearly Zero Energy Building has been analyzed, and the feasibility and profitability of the system are studied. The sixth chapter sets the conclusions of the investigation. To date, the system may require high initial investment; however, high efficiency with low architectural impact is generated. Operational costs are highly reduced as well as the size and complexity of the energy production systems, which normally have huge visual impact on buildings. By the active façade with geothermal supply, the deck area it is not condemned. Useful volume is not consumed by the presence of air-conditioning equipment. Useful surface and room height are not reduced by insulation reinforcement. After discussion, water flow glazing is considered a potential value alternative in nZEB design and construction processes. Finally, this chapter proposes future research lines aiming to increase the knowledge of active water flow glazing technology. The last chapter presents research dissemination activities. Additionally, a technological improvement to existing active facades has been developed, which has resulted in a patent application, currently in handling process.