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

A gestão sustentável de calor residual produzido em processos de arrefecimento em sistemas de Aquecimento, Refrigeração e Ar Condicionado (AVAC), tem recebido uma especial atenção nos últimos anos. O aproveitamento do calor normalmente desperdiçado por estes sistemas para o meio ambiente, pode resultar em poupanças energéticas significativas. Em colaboração com as empresas “ACET Engenharia e Termodinâmica” e “Recipharm”, observou-se a possibilidade de implementar um sistema para reaproveitamento do calor residual produzido no processo de arrefecimento de água dos sistemas de AVAC da Recipharm, utilizando o calor reaproveitado para a produção de água aquecida responsável pelo aquecimento e controlo de humidade dos mesmos sistemas. Para tal, foi necessária a elaboração de um estudo, motivado pelo fato de não existir qualquer tipo de otimização no sistema de produção de água aquecida desde a sua instalação inicial, apresentando um enorme potencial de melhoria face a tecnologias atuais. A presente dissertação consiste no estudo da otimização técnico-económica na instalação de uma bomba de calor do tipo "água/água”, como alternativa ao sistema de produção de água aquecida existente, essencialmente composto por duas caldeiras a gás natural de evaporação rápida. Modelaram-se computacionalmente todos os sistemas de AVAC fundamentais ao estudo energético recorrendo ao programa HAPv4.8. da empresa “Carrier”, sendo necessário desenvolver tambémalgoritmos para o cálculo dos balanços energéticos e análise de resultados, com base nos regimes de funcionamento dos equipamentos. Foram disponibilizadas pela ACET, três tipos de bombas de calor possíveis de complementar o sistema atual: os modelos 30XWH354, 30XWH402 e 30XWH452 da “Carrier”. Os cálculos levam à conclusão de que, a implementação destes equipamentos pode conduzir a umaredução de consumo energético até 1145939 kWh/ano, permitindo igualmente uma redução no consumo total de gás natural entre 14% e 15%, verificando-se assim duas soluções para o problema. Em primeiro lugar a solução de menor consumo energético, através da instalação do modelo XWH –452 e em segundo a instalação do modelo XWH – 354, que se concluiu ser a solução ótima, com uma recuperação do investimento (PRS) de 1,3 anos.

Abstract: Sustainable management of heat waste produced in heating, ventilating and air conditioning (HVAC) systems, has been receiving a special attention in the last decades. Normally, wasted heat recovery from environment, can yield significant energy savings.In cooperation with “ACET-Engineering Thermodynamics" and “Recipharm" companies, it was observed the possibility to install a heat recovery system to recover heat from the chiller water process of Recipharm HVAC systems, for indoor heating and humidity control. This study was motivated by the fact that Recipharm hot water system haven’t had any optimization since its initial installation, therefore there is a huge improvement potential due to the advance of newtechnologies. The present dissertation consists on a technical and economic study about the optimization of a water/water heat pump installation as an alternative of the existing hot water production system, whichconsists essentially in two natural gas boilers. HVAC systems were designed and sized using the HAPv4.8 software from Carrier. It was also necessary to develop algorithms for energy calculation and results analysis afterwards. According to ACET previous calculations, there were three potential types of heat pumps to be install: the 30XWH354, 30XWH402 and 30XWH452 model from Carrier. Calculations led to the conclusion that the installation of one heat pump can involve a reduction of energy consumption over 1145939 kWh per year, allowing also a decrease on overall consumption of natural gas between 14% and 15%, thus there were two solutions verified. The first one with the lowest power consumption, with 452 model installation and second one with 354 model that was found to be the optimal solution, given the lowest payback period of 1.3 years.