Introdução
As bombas de calor estão se expandindo rapidamente como um meio eficaz de prevenir o aquecimento global e promover a neutralidade de carbono, como equipamentos de aquecimento que podem substituir os equipamentos de combustão de combustíveis fósseis. A eficiência das bombas de calor foi aprimorada, mas o aumento da eficiência desacelerou. Como medida para melhorar ainda mais a eficiência das bombas de calor, o uso de transferência e armazenamento de calor eficientes, além de melhorar a eficiência do próprio equipamento, pode proporcionar resfriamento e aquecimento eficientes, além do fornecimento de água quente quando necessário e com a quantidade desejada.
Vantagens do armazenamento de calor
O armazenamento de calor é o armazenamento de energia térmica, e as superfícies do solo e da água podem ser consideradas materiais de armazenamento de calor de grande capacidade, pois armazenam energia solar e atmosférica. O armazenamento de calor apresenta muitas vantagens, como as seguintes:
A capacidade do equipamento da fonte de calor pode ser reduzida, e é possível compensar o desequilíbrio temporal do uso de calor, graças ao uso de uma grande quantidade de calor, que é armazenada com uma pequena capacidade, no momento de máxima demanda.
O consumo de eletricidade pode ser nivelado entre o período noturno e o diurno, graças ao armazenamento de calor pelo uso de eletricidade à noite, quando o consumo de eletricidade é baixo, e ao uso do calor durante a operação diurna para reduzir o consumo de eletricidade.
A operação eficiente pode ser alcançada graças à utilização da diferença de temperatura entre o dia e a noite, bem como ao armazenamento de calor. Por exemplo, no verão, à noite, quando a temperatura é mais baixa do que durante o dia, o calor do gelo é armazenado de forma eficiente e, em seguida, utilizado para resfriamento durante o dia, a fim de reduzir a temperatura de condensação e garantir uma operação eficiente.
O conforto pode ser melhorado graças à instalação de um acumulador de calor na unidade externa da bomba de calor. Por exemplo, o calor pode ser usado para evitar que a temperatura ambiente caia durante o aquecimento devido a operações de descongelamento e para soprar ar quente rapidamente no início da operação de aquecimento.
O uso de energia renovável, como solar, geotérmica e calor residual de fábrica, está se tornando mais fácil, graças ao uso de armazenamento de calor.
Tipos de armazenamento de calor
Existem vários métodos de armazenamento de calor.
O armazenamento de calor sensível é um método que armazena energia térmica utilizando as variações de temperatura em líquidos como a água e sólidos como tijolos e concreto, sendo amplamente utilizado. Por exemplo, o método de armazenamento de calor sensível com água é utilizado em bombas de calor ar-água (ATW) para aquecimento de água e aquecimento de ambientes. Tomando como exemplo edifícios de concreto o método de armazenamento de calor sensível com concreto, seus tetos, pisos, paredes, etc. são utilizados como materiais de armazenamento de calor. Como o armazenamento de calor sensível tem uma densidade de armazenamento de calor relativamente baixa, a quantidade de armazenamento de calor é aumentada pela expansão da diferença de temperatura do material de armazenamento de calor.
O armazenamento de calor por mudança de fase, ou armazenamento de calor latente, é um método de armazenamento de calor com a energia térmica dissipada ou absorvida quando uma substância se transforma em sólido ou líquido, e possui uma densidade de armazenamento de calor maior do que o armazenamento de calor sensível. Um exemplo do uso do armazenamento de calor por mudança de fase são os sistemas de ar condicionado com armazenamento térmico que utilizam o calor latente gerado pela mudança de fase da água e do gelo. Outro exemplo são os equipamentos de aquecimento que utilizam parafina com grande quantidade de calor latente como material de armazenamento de calor para melhorar o desempenho. Além disso, polímeros funcionais de armazenamento de calor por mudança de fase, resinas com propriedades de armazenamento de calor, são usados como materiais isolantes para aquecimento de pisos em residências.
O armazenamento químico de calor é um método de armazenamento e dissipação de calor gerado por uma reação química que é desencadeada quando o meio de reação e o material de armazenamento de calor entram em contato. Se o meio de reação e o material de armazenamento de calor forem separados, o estado de armazenamento de calor pode ser mantido por um longo período. No entanto, como a temperatura de reação para geração de calor é superior a 200°C, pesquisas e desenvolvimento (P&D), como a utilização do calor residual da fábrica em altas temperaturas, estão em andamento.
Sistemas que utilizam armazenamento de calor
Os sistemas que utilizam armazenamento de calor apresentam diversas formas e métodos, como bombas de calor ATW para aquecimento de água e ambientes, sistemas de armazenamento térmico de gelo e sistemas de ar condicionado com armazenamento térmico de estruturas de edifícios. O desenvolvimento de sistemas de utilização de armazenamento de calor combinados com o uso de energia solar, energia geotérmica, energia de gases de exaustão de fábricas, etc., também está sendo realizado ativamente, e muitos novos sistemas de armazenamento de calor têm sido relatados.
Problemas de armazenamento de calor
O armazenamento de calor tem muitas vantagens, mas também apresenta desafios. A primeira é a perda de calor. A segunda é a diferença na temperatura de troca de calor entre os períodos de armazenamento e a remoção de calor, que é necessária, mas leva a uma diminuição da eficiência. A terceira é a necessidade de equipamentos, espaços, etc. para armazenamento de calor, como tanques de armazenamento e piscinas. É importante abordar esses desafios para tornar o armazenamento de calor mais fácil de usar e mais eficaz.
Por exemplo, para reduzir a perda de calor por dissipação mencionada como o primeiro problema, é importante isolar o recipiente de armazenamento de calor. Portanto, diversos materiais de isolamento térmico, como lã de rocha, lã de vidro, espuma de polietileno, espuma de uretano e isolamento a vácuo, foram desenvolvidos. Esses materiais de isolamento térmico precisam ter resistência ao calor, resistência à umidade, durabilidade, etc., além do desempenho de isolamento térmico. Entre eles, o material de isolamento a vácuo é considerado um material de isolamento ideal e está sendo usado em tanques de água quente, recipientes de armazenamento de calor e residências, pois está sendo fabricado em espessuras mais finas e o custo está diminuindo. O isolamento térmico de residências e edifícios também é uma questão importante relacionada à carga térmica do ar condicionado.
Conclusão
A sociedade moderna consome uma grande quantidade de energia, e a consequente grande quantidade de calor residual está causando o aquecimento global. Como contramedida, é essencial desenvolver um sistema que utilize a energia térmica residual gerada, além de melhorar a eficiência energética e reduzir o consumo de energia. Bombas de calor e armazenamento de calor são tecnologias que atendem a esses objetivos, e espera-se mais P&D.
Temas importantes de desenvolvimento são a rápida transferência de calor durante o armazenamento de calor em um recipiente e a dissipação do recipiente com menor perda, além de maior densidade térmica do armazenamento de calor. Se um sistema de armazenamento de calor compacto, de grande capacidade e barato for implementado, suas aplicações se expandirão significativamente. Se bombas de calor utilizando esses sistemas aprimorados de armazenamento de calor forem implementadas, novos sistemas poderão ser criados, assim como veículos elétricos e drones foram criados usando baterias de alta densidade.
Horário da publicação: 28/06/2023
