Introdução
As bombas de calor estão se expandindo rapidamente como um meio eficaz de prevenir o aquecimento global e promover a neutralidade de carbono, atuando como equipamentos de aquecimento que podem substituir os equipamentos de combustão de combustíveis fósseis. A eficiência das bombas de calor tem sido aprimorada, mas o aumento dessa eficiência tem desacelerado. Como medida para melhorar ainda mais a eficiência das bombas de calor, o uso de transferência e armazenamento de calor eficientes, além da melhoria da eficiência do próprio equipamento, pode proporcionar resfriamento e aquecimento eficientes, bem como fornecimento de água quente quando necessário e na quantidade desejada.
Vantagens do armazenamento de calor
O armazenamento de calor consiste no armazenamento de energia térmica, e as superfícies terrestres e aquáticas podem ser consideradas materiais de armazenamento de calor de grande capacidade, pois armazenam energia solar e atmosférica. O armazenamento de calor apresenta diversas vantagens, como as descritas a seguir.
A capacidade do equipamento de geração de calor pode ser reduzida, e é possível compensar o desequilíbrio temporal no uso de calor, graças à utilização de uma grande quantidade de calor, armazenada em equipamentos de pequena capacidade, no momento de maior demanda.
O consumo de eletricidade pode ser equilibrado entre o período noturno e diurno, graças ao armazenamento de calor através do uso de eletricidade à noite, quando o consumo é baixo, e à utilização desse calor durante o funcionamento diurno para reduzir o consumo de eletricidade.
O funcionamento eficiente pode ser alcançado 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, reduzindo a temperatura de condensação para um funcionamento 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 ao degelo e para expelir ar quente rapidamente no início do funcionamento do aquecimento.
O uso de energias renováveis, como a solar, a geotérmica e o calor residual industrial, está se tornando mais fácil graças ao 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 aproveitando 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 ambientes. Tomando como exemplo edifícios de concreto, seus tetos, pisos, paredes, etc., são utilizados como materiais de armazenamento de calor. Como o armazenamento de calor sensível possui uma densidade de armazenamento de calor relativamente baixa, a quantidade de calor armazenada é aumentada pela expansão da diferença de temperatura do material de armazenamento.
O armazenamento de calor por mudança de fase, ou armazenamento de calor latente, é um método de armazenamento de calor que utiliza a energia térmica dissipada ou absorvida quando uma substância se transforma em sólido ou líquido, apresentando uma densidade de armazenamento de calor superior à do armazenamento de calor sensível. Um exemplo de aplicação 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 sua alta capacidade de armazenamento de calor latente, como material de armazenamento térmico para melhorar o desempenho. Além disso, polímeros funcionais com propriedades de armazenamento de calor por mudança de fase, ou resinas com essas propriedades, são utilizados como isolantes térmicos para pisos aquecidos em residências.
O armazenamento químico de calor é um método de armazenar e dissipar o calor gerado por uma reação química que é desencadeada quando o meio reacional e o material de armazenamento de calor entram em contato. Se o meio reacional 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 industrial em altas temperaturas, estão em andamento.
Sistemas que utilizam armazenamento de calor
Os sistemas que utilizam armazenamento de calor apresentam-se em diversas formas e métodos, como bombas de calor ATW para aquecimento de água e ambientes, sistemas de armazenamento térmico em gelo e sistemas de ar condicionado com armazenamento térmico em estruturas prediais. O desenvolvimento de sistemas de utilização de armazenamento de calor combinados com o uso de energia solar, energia geotérmica, energia dos gases de escape 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 apresenta muitas vantagens, mas também desafios. O primeiro é a perda de calor. O segundo é a diferença na temperatura de troca de calor entre os períodos de armazenamento e remoção de calor, o que é necessário, mas leva a uma diminuição da eficiência. O terceiro é a necessidade de equipamentos, espaços, etc., para o armazenamento de calor, como tanques e piscinas de armazenamento. É importante abordar esses desafios para tornar o armazenamento de calor mais fácil de usar e mais eficaz.
Por exemplo, para reduzir a perda por dissipação de calor 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 apresentar resistência ao calor, à umidade e durabilidade, além de bom desempenho de isolamento térmico. Dentre eles, o isolamento a vácuo é considerado um material de isolamento ideal e vem sendo utilizado em tanques de água quente, recipientes de armazenamento de calor e residências, à medida que sua espessura diminui e o custo se reduz. O isolamento térmico de casas 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 grande quantidade de calor residual resultante está causando o aquecimento global. Como medida para combater esse problema, é essencial desenvolver um sistema que utilize a energia térmica residual gerada, ao mesmo tempo que melhora a eficiência energética e reduz o consumo de energia. Bombas de calor e sistemas de armazenamento de calor são tecnologias que permitem atingir esses objetivos, e espera-se que mais pesquisas e desenvolvimento sejam realizados nessa área.
Temas importantes para o desenvolvimento incluem a rápida transferência de calor durante o armazenamento térmico em um recipiente e a dissipação do calor com menor perda, além de uma maior densidade térmica do sistema de armazenamento. Se um sistema de armazenamento térmico compacto, de grande capacidade e baixo custo puder ser desenvolvido, suas aplicações se expandirão consideravelmente. Se bombas de calor que utilizem esses sistemas de armazenamento térmico aprimorados forem viabilizadas, novos sistemas poderão ser criados, assim como veículos elétricos e drones foram criados utilizando baterias de alta densidade.
Data da publicação: 28/06/2023
