Ar-Condicionado Solar Térmico

Transcrição

1 Ar-Condicionado Solar Térmico Lucio Mesquita, Ph.D. ABRAVA, 11 de Dezembro de 2012 AMBIENTE EXTERNO AC 1

2 TR= Tonelada de Refrigeração Energia necessária equivalente a para derreter (ou produzir) 907 kg de gelo em 24 horas UNIDADE DE POTÊNCIA 1 TR = Btu/h = kw = kcal/h 2

3 Calor Sensível = Temperatura Calor Latente = Umidade Condensador a ar ou água (rejeito). Expansão direta ou indireta (extração). Distribuição: água gelada, ar ou refrigerante. 3

4 4

5 5

6 100.00% 90.00% 80.00% 70.00% % % % 30.00% % 10.00% % Antes 1940 a 1950 a 1960 a 1970 a 1980 a 1990 a 2000 a Total 87% das residências 99 milhões de unidades habitacionais 23%(1978) a 61%(2009) central TYPE OF COOLING EQUIPMENT - COMMERCIAL PER FLOOR SPACE Swamp Coolers 2% 78% das edificações comerciais 88% do espaço GWh Other 2% Residential-Type Central 14% Heat Pumps 11% Packaged Units 37% Individual 15% Central Chillers 15% District Chilled Water 4% 0,88 quad BTU= GWh GWh Solar (PV+ Térmico) GWh Total Brasil

7 CHILLERS - % OF FLOOR SPACE PACKAGED - % OF FLOOR SPACE Ten or More 6% One 7% Ten or More 30% Two 17% Four to Nine 14% One 41% Three 11% Three 12% Four to Nine 34% Two 28% Lucio Mesquita, PhD Saturação de Mercado Graus-Dia de Resfriamento, base 18 C 7

8 Localidade Graus-Dia de Resfriamento (Tref = 18,3 ºC) Aracaju 3114 Belém 3338 Belo Horizonte 1644 Brasília 1346 Campinas 1439 Campo Grande 2563 Curitiba 603 Florianópolis 1320 Fortaleza 3423 Recife 3432 Rio de Janeiro 2504 Salvador 3022 São Paulo 1123 Vitória % SPLIT 8

9 9

10 Percentual de prédios que dispõem de sistemas de ar condicionado e/ou ventilação 36 Ventilação e exaustão 82 Aparelhos parede e "split" 34 "Roof top" e "Self contained" 32 Água gelada 0 Percentual de empresas que dispõem de sistemas de ar condicionado e/ou ventilação Ve ntila çã o e e x a ustã o (% prédios) 33 Apa re lhos pa re de e "split" 77 "Roof top" e "Se lf conta ine d" Água ge la da (% e mpre sa s) IPCC = 4-5%/ano 10

11 11

12 12

13 Acesso setor comercial Aumento do mercado total SEXY!!! Reservas Mundiais de Energia Primária Urânio Gás Petróleo Carvão Consumo Energético Mundial Introduction

14 Recurso Solar Reflexão, Espalhamento Radiação Direta Radiação Difusa Albedo Solar Resources - Solar Radiation Recurso Solar Solar Resources - Solar Radiation

15 Recurso Solar Irradiação Global Hor Recurso Solar Solar Resources - Solar Radiation 2-6 Recurso Solar Solar Resources - Solar Radiation

16 Recurso Solar Irradiação Total Incl Recurso Solar Solar Resources - Solar Radiation 2-6 Recurso Solar Solar Resources - Solar Radiation

17 Recurso Solar Solar Resources - Solar Radiation 2-6 Recurso Solar Solar Resources - Solar Radiation 2-6 Recurso Solar 2-6 Recurso Solar

18 Recurso Solar Solar Resources - Solar Radiation 2-6 Components and Subsystems of Solar Thermal Installation

19 E0 Radiação Solar E1 Perdas óticas Q1e2 Perdas Térmicas Q3 Energia Útil Components and Subsystems of Solar Thermal Installation

20 Components and Subsystems of Solar Thermal Installation 3-9 Components and Subsystems of Solar Thermal Installation 3-9 Components and Subsystems of Solar Thermal Installation 3-9 Components and Subsystems of Solar Thermal Installation

21 Components and Subsystems of Solar Thermal Installation 3-9 Components and Subsystems of Solar Thermal Installation 3-9 Components and Subsystems of Solar Thermal Installation

22 Components and Subsystems of Solar Thermal Installation 3-7 Components and Subsystems of Solar Thermal Installation 3-7 Components and Subsystems of Solar Thermal Installation

23 Components and Subsystems of Solar Thermal Installation 3-8 Components and Subsystems of Solar Thermal Installation

24 Eficiência do coletor (%) sem cobertura cobertura simples cobertura dupla cobertura tripla Components and Subsystems of Solar Thermal Installation

25 100 PERDAS ÓTICAS PERDAS TÉRMICAS ENERGIA ÚTIL 0 (Ti-Ta)/I Components and Subsystems of Solar Thermal Installation 3-14 Components and Subsystems of Solar Thermal Installation PERDAS ÓTICAS 0 (Ti-Ta)/I Components and Subsystems of Solar Thermal Installation

26 Lucio Mesquita, PhD 26

27 ABSORVEDOR ABERTURA EXTERNA OU BRUTA 27

28 1000 W/m2 0.9 PLANO TINTA PLANO SELETIVA EVACUADO Eficiência C C 230C (Ti-Ta)/I Ta=20 C 28

29 200 W/m2 0.9 PLANO TINTA 0.8 PLANO SELETIVA EVACUADO 0.7 Eficiência C 42C C (Ti-Ta)/I Ta=20 C

30 44% x 36% a 800 W/m2, Ta=30C e Ti=90C 22% menos área 30

31 SOPOGY 31

32 IST/ABENGOA NEP SOLITEM CHROMASUN 32

33 COGENRA COGENRA Industrial Solar 33

34 CHROMASUN 34

35 2% 14% Tecnologia por número de instalações 13% COP Coeficiente de Performance 71% COP = frio(benefício)/energia gasta(investimento) Wh/Wh ou MJ/MJ Absorption AD, 1, 4% LD, 1, 4% Adsorption DEC solid DEC liquid AB-2E, 3, 13% EER Energy Efficiency Ratio EER = frio/eletricidade (BTU/Wh) Capacity (cooling/dehumidification) Chillers kw/tr AB-1E, 19, 79% AB-1E, absorção de simples efeito; AB-2E, absorção de efeito duplo; AD, adsorção; LD, dissecante liquido. CICLO DE COMPRESSÃO DE VAPOR Tecnologia por capacidade instalada LD 1% Qsaida AD 28% Condensador W AB-2E 8% Compressor V.E. AB-1E 63% Evaporador Capacidade Total: 1084 TR Qent 35

36 CICLO DE ABSORÇÃO DE VAPOR Qent Qsaida Condensador V.E. Gerador W Evaporador Qent Absorvedor Qsaida 36

37 Condensador Evaporador Absorvedor Trocador de calor Gerador Bombas Fluidos de trabalho mais comuns H2O/LiBr ( água refrigerante): Sorvente tem alto P.E. (vapor quase só H2O) Pode cristalizar Limitado pelo ponto de congelamento da água NH3/H2O (amônia refrigerante): Vapor contem both NH3 e H2O > precisa retificador Alta pressão de vapor Tóxico 37

38 Ciclo Absorção: H2O/LiBr Qg Par H2O/LiBr NH3/H2O Phigh Pressão de Operação COP Generator Alta COP 0.7 congelamento: Tevap > 0 C Cristalização: Tabs < 40 C COP 0.5 Retificador Tóxico mfr = m [kg/s] mfr = m f [kg/s] 7 2 Expansion Device 1 Plow Aplicação Ar condicionado Evaporator baixa Absorber Refrigeração Water Rejeição mfr = m (f-1) [kg/s] Solution Heat Exchanger 6 3 Pump Expansion Device Qc Pressure Limitação Baixa 8 Condenser 10 Qe LiBr Poor Solution alta Qa LiBr Rich Solution Temperature C ] 70 Water % 40% [O R ef rig er an tt em pe ra tu re % a 30 Pl= 1.2 kpa Pl= 0.9 kpa % l tal ys Cr LiBr 58% LiBr 62% Source: ASHRAE Handbook a 5 5a ine nl tio iza a % 50 Ph= 9.6 kpa Ph= 9.6 kpa 40 Saturation Pressure [kpa] 2a 50 7a Solution Temperature [OC] LiBr 61% LiBr 65% 38

39 40 50% 4 4b 5 5b b l tal ys Cr ine nl tio iza 10b 20 Pl= 1.2 kpa Pl= 0.9 kpa 2b 7b % % % % % % 0.1 Graph for 27 deg C heat rejection temperature 130 0% Solution Temperature [OC] LiBr 51% LiBr 55% COP [-] 10 70% % 20 60% Cooling capacity [%] R ef rig er an tt em pe ra tu re COP (85 degc) Ph= 4.6 kpa Ph= 4.6 kpa % Saturation Pressure [kpa] [O C ] % Water % 40% Heat removal temperature [deg C] LiBr 54% LiBr 58% 180% % % % % % 120% % % % % % % % % % % % Graph for 15 deg C heat removal temperature 0% Graph for 15 deg C heat removal temperature 0% Heat rejection temperature [deg C] COP [-] Cooling capacity [%] COP (85 deg C) COP [-] Cooling capacity [%] COP (85 deg C) Heat rejection temperature [deg C] 39

40 Te=15/18 C, Ta,c=27/35 C Diminui rejeição em 1 C, aumenta capacidade em 7% Aumenta distribuição em 1 C, aumenta capacidade em 5% Aumenta geração em 1 C, aumenta capacidade em 3% 40

41 Temperatura da fonte de calor Comparação de Sistemas com Energia Solar Efeito Triplo 220 C Efeito Duplo 120 C 60 C Efeito Simples Efeito simples 0.7 COP 880C AQ 1 TR=> 5kW calor de geração Back-up separado 1 TR=8,5 kw rejeito Efeito Duplo 1.30 COP 1650C Fluido térmico (pode ser água pressurizada), ou direto 1 TR=2,7 kw calor de geração Pode ter back-up integrado Back-up pode ser integrado 1 TR=6,2 kw rejeito Valvula Condensador Qout Qin Gerador Armazenador Evaporador ISAAC Solar Icemaker 54 kg de gelo por dia com 12m2 coletor parabólico (ciclo intermitente)

42 Valvula Condensador Qout Gerador Armazenador Qin Evaporador 42

43 Yazaki Broad Air Conditioning EAW Dunham-Bush Inc. Energy Concept Thermax Kawasaki Sanyo Hitachi Empresa Produto Par Capacida de Nominal Temp. Gerador Temp. Água Gelada Temp. Rejeito Climatewell CW 10 LiCl/H2O 1,7 TR 80 C 7 C EAW Wegracal SE 15, ESC15 LiBr/H2O 4,3 TR 90 C Thermax LT 0.5 LiBr/H2O 5 TR Yazaki WFCSC5, WFC18 LiBr/H2O 5 TR EAW Wegracal SE 30, ESC30 LiBr/H2O Thermax LT 1 Yazaki WFC-SC 10 WFC35 EAW Wegracal SE 50, ESC50 Dimensões Peso 30 C 2.2x1.4x0.7m 740kg C 27 C 1.75x0.76x1.75m 700kg 85 C 6-8 C 30 C 2,0x1,0x0,9m 1300kg 88 C 6-8 C 31 C 1,82x0,74x0,6m 420 kg 8,5 TR 90 C C 27 C 2,2x0,79x2,14m 1400 kg LiBr/H2O 10 TR C 6-8 C 31 C 2,1x1,6x1,6m 2000 kg LiBr/H2O 10 TR 88 C 6-8 C 31 C 1,98x0,86x0,97m 600 kg LiBr/H2O 14,2 TR 86 C C 27 C 2,31x1,10x2,95m 2250 kg Empresa AGO AAC25 chillii ACC50, congelo 50 Chilii PSC 19 Par Amônia/Água Amônia/Água Amônia/Água 5,4 TR 7,1 TR 14,2 TR Temp. Gerador 85 C 95 C 115 C Temp. Rejeito 24 C 24 C 25 C Temp. Água Gelada 6 C -3 C -10 C 0,62 0,5 0,54 2,0x1,4x1,4m 2,35x2,63x1,35m 950 kg 1600 kg COP Dimensões SolarIce Produto Capacidade de Refrigeração FLEX > SANYO, HITACHI, KAWASAKI Pink 1,9x0,8x0,6m Peso 550 kg Electrical power 450 W 43

44 LOS ANGELES VALLEY COLLEGE SUNCHILLER/SUNDA 2000 m2 TE 350 TR AB 1-E Broad Maio 2009 SOUTHEAST FALSE CREEK Vila Olímpica VANCOUVER, BC 220 m2 TE YAZAKI Dez, 2009 OXFORD GARDENS WOODSTOCK, ON 530 m2 VT 30 ton AB-1E YAZAKI Out, 2009 Lucio Mesquita, PhD 44

45 SUNPORT INTERNATIONAL AIRPORT ALBUQUERQUE, NM 650 m2 FR 30 TR AB-1E Fev, 2010 RESIDÊNCIA ELDORADO HILLS, CA 80 m2 FP 3 TR AB-1E 1985 AUSTIN POWER/SOLARGENIX 370 m2 CPC 30 TR AB-1E YAZAKI ABRIL,

46 DESERT OUTDOOR CENTER Fênix, AZ 120 m2 plano duplo 20 TR AB-1E YAZAKI Março, 2006 SOUTHERN CALIFORNIA GAS DOWNEY, CA 50 m2 Parab m2 Fresnel 10 TR AB-1E YAZAKI Jul, 2009 PROJETO FREEDOM FIELD ROCKFORD, IL 68 m2 TE 10 TR AB-1E YAZAKI Nov, 2009 STEINWAY&SONS Nova York, NY 520 m2 Parabólico 90 TR AB-2E Abril,

47 47

48 Valvula Condensador Qout Valvula Condensador Qin Qout Gerador Armazenador Gerador Armazenador Qin Evaporador Evaporador Polímeros sintéticos Silica gel Silicato de Titânio Zeolitas sintéticas ou naturais Alumina ativada Carvão ativado silica gel 250 m2/cm3 Poros tem diametro de nanometros e seu volume representa aprox. metade do volume total 48

49 ADSORÇÃO CICLO DE ADSORÇÃO DE VAPOR Qout Condensador E.V. Reator 1 Aquec. Evaporador Qout Resf. Qin Reator 2 W Qin 49

50 FLETCHER PARK 1800 m2 plano 300 TR AD Dezembro, 2008 ADSORÇÃO Intermitente COP ~0.3 Quase-Contínuo MYCOM COP ~0.6 Temperatura 75 C Saha et al COP=0.36 Temperatura 55 C 140% % % % COP (85 deg C) COP (-) Cooling capacity (%) 100% % % 0.1 Graph for 27 deg C heat rejection temperature 0% Invensor Heat removal temperature (deg C) 50

51 140% % 0.9 Cooling capacity (%) 100% % % % Graph for 18 deg C heat removal inlet temperature % % % 0.1 0% % 40% % % 0.7 COP (-) Cooling capacity (%) 140% 0.8 COP (-) Graph for 18 deg C heat removal inlet temperature 0% Heat rejection temperature (deg C) Heat rejection temperature (deg C) Diminui rejeição em 1 C, aumenta capacidade em 4% Aumenta distribuição em 1 C, aumenta capacidade em 3% Aumenta geração em 1 C, aumenta capacidade em 2% AD x AB Custo Espaço Corrosão Peso Temperatura de trabalho Cristalização 51

52 Empresa Produto Par Capacidade de Refrigeração Temp. Gerador Temp. Rejeito Temp. Água Gelada COP InvenSor SorTech InvenSor SorTech LTC 7 ASC 08 HTC 10 ASC 15 água/zeolita água/silica gel água/zeolita água/silica gel Mayekawa Mycom ADR-15 água/silica gel 2 TR 2,3 TR 2,8 TR 4,3 TR 14,2 TR 65 / 60 C 72 / 65 C 85 / 77 C 72 / 65 C 75 / 70 C 27 / 31 C 27 / 32 C 27 / 32 C 27 / 32 C 29 / 33 C 18 / 15 C 18 / 15 C 18 / 15 C 18 / 15 C 14 / 9 C x 1.06 x 0.94 m x 1.30 x 1.65 m x 1.34 x 1.39 m x 1.93 x 2.20 m 295 kg 370 kg 590 kg 5,500 kg Dimensões 0.65 x 1.30 x 1.65 m Peso 370 kg Desumidificação=calor latente Temperatura=calor sensível Tdb Ф MCDB MCWB dry bulb temperature, C relative humidity of the humid air mean coincident dry bulb, C mean coincident wet bulb, C 52

53 BELÉM BRASÍLIA 53

54 PORTO ALEGRE RIO DE JANEIRO 54

55 SALVADOR SÃO PAULO 55

56 DESSECANTE SÓLIDO 56

57 Volume 450 m persons 57

58 1250 m3/h 24 kw 58

59 59

60 3,000 cfm, Queens U. Supermercados TYNDALL AIR FORCE BASE PANAMA CITY, FL 120 m2 TE m3/h LD Fevereiro

61 5/29/2010 8:00 5/29/2010 4:00 5/31/2010 8:00 5/31/2010 4:00 6/4/2010 8:00 6/4/ :00 6/4/ :00 6/4/2010 4:00 6/4/2010 0:00 6/3/ :00 6/3/ :00 6/3/ :00 6/3/2010 8:00 6/3/2010 4:00 6/3/2010 0:00 6/2/ :00 6/2/ : galões 6/2/ :00 6/2/2010 8:00 6/2/2010 4:00 6/2/2010 0:00 6/1/ :00 6/1/ :00 6/1/ :00 6/1/2010 8:00 6/1/2010 4:00 6/1/2010 0:00 Scroll: SHIFT + Move Mouse Zoom: CTRL + Move Mouse 5/31/ :00 5/31/ : /31/ : /31/2010 0:00 5/30/ :00 5/30/ :00 5/30/ :00 5/30/2010 8:00 5/30/2010 4:00 5/30/2010 0:00 5/29/ :00 5/29/ :00 5/29/ :00 Pressure Difference (Pa) 5/29/2010 0:00 5/28/ :00 Volume armazenado (gal) Tyndall AFB Panama City, FL Storage Volume Storage Volume galões

62 solar collector heat exchanger heat storage backup hot side 45C T T solar system solar collector G T heat exchanger heat storage backup hot side T heat rejection cooling tower M T C cooling water T A flat plate collector vacuum-tube collector concentrating collector cold side load chilled water E sorption chiller 4% 2% solar collector 8% heat exchanger heat storage 46% Tecnologia de coletores por num. de instalações backup hot side 45C T 40% T solar system G T T heat rejection cooling tower FP ETC CPC Air PTC M T CPC/ICPC, 3, 13% C cooling water FP, 7, 28% T PT, 5, 21% A cold side load CF, 3, 13% chilled water VT, 6, 25% FP, placa plana; VT, tubo evacuado; (I) CPC; PT, calha parabílica; CF, concentrador tipo Fresnel. E sorption chiller 62

63 solar collector main cooler heat exchanger auxiliary cooler heat exchanger heat exchanger heat storage backup hot side heat rejection 45C M T T T solar system G T T T heat rejection cooling tower M T wet cooling, closed wet cooling, open M dry cooling C swimming pool cooling water M T T T T A T cold side load borehole ground heat exchanger well chilled water E sorption chiller Diferença de Temperatura baixa C média C Temperatura do frio, sistema de distribuição C e.g. Teto/forro e piso resfriado Temperatura de rejeito média C alta C muito alta > 40 C C 4-10 C e.g. Teto/forro e e.g. fan coil piso resfriado 4-10 C e.g. fan coil < 0 C e.g. gelo C torre de resfriamento, solo C trocador seco C torre de resfriamento; solo C trocador seco C trocador seco Temp. do Calor do processo, efeito simples C C C C C Tipo de Coletor Placa Plana Tubo Evacuado Placa Plana Placa Plana Tubo Evacuado Tubo Evacuado distribution radiative heating/cooling cold storage AHU E-185 backup cold side fan coil E-187 EA Tubo Evacuado Rastreado 1 Rastreado 1 eixo eixo T IA M load FA RA Temp. do Calor do Processo, efeito duplo C C Tipo de Coletor Rastreado 1 eixo Rastreado 1 eixo Source: Dr. Hans-Martin Henning, Fraunhofer 63

64 Primary Energy Ratio x COP for Different Solar Fractions Fossil Fuel Burner Effic. = 0.85 PER PER Primary Energy Ratio PER = Primary Energy Input / Cooling PER PE 1 1 1,1 Q0 COP ηp 3 0, f= f= f=0.4 9 f=0.6 8 f= PE 1 1 PER 1,7 Q 0 COP ηb 0,7 0, PER 1 f ηb 1 f 1 COP COP 1.9 AVALIAÇÃO INICIAL AVALIAÇÃO INICIAL ÁREA PARA ATENDER CAPACIDADE NOMINAL (3,0-4,5 m2/kw ou m2/tr) ÁREA PARA ATENDER TRh Retscreen/SHC Tool/F-chart CUSTO da ENERGIA DO COLETOR Análise de Carga Térmica Horária SACE POLYSUN TRNSYS 64

65 CUIDADOS BÁSICOS ALGUNS VALORES DE REFERÊNCIA KISS SAZONALIDADE CIRCUITO FECHADO Vazão Alta, delta T baixo > 72 l/hm2 EXPANSÃO, SEGURANÇA, AR POSIÇÃO/INSTALAÇÃO DE SENSORES ISOLAMENTO TÉRMICO DAS TUBULAÇÕES CONSUMO ELÉTRICO VENTILADORES E BOMBAS BLOQUEIO DE FLUXOS INDESEJADOS POR TEMOSSIFÃO TROCADOR DE CALOR PARA DIFERENCIAL MÉDIO DE 5 C CORRETA DISTRIBUIÇÃO DE FLUXO ENTRE COLETORES CONTROLE/DESENHO HIDRÁULICO P/ RÁPIDA PARTIDA RESERVATÓRIO FRIO X QUENTE DEPENDE DE DIF.DE TEMP E COP ADSORÇÃO 2,5 TR = EUR ABSORÇÃO 1-E 30 TR= US$ ABSORÇÃO 1-E 5 TR= US$ ABSORÇÃO 1-E 10 TR= US$ ABSORÇÃO 2-E 6 TR= US$* * internalizado ALGUNS VALORES DE REFERÊNCIA Other CONTA NO GUARDANAPO DEC + FPC ABS + FPC Design and commissioning Control and monitoring - electricity connection Back-up CHILLER and auxiliaries Storage tank and auxiliaries Cooling tower and auxiliaries - water treatment Solar cold production (sorption chiller or DEC) Auxiliary heating systems + pump and piping Auxiliaries for collectors (piping, valves, pumps) Solar collectors and structures 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 65