Operação de sistemas de trigeração com diferentes arquiteturas e em função de demandas de eletricidade, aquecimento e refrigeração DEM – Departamento de Engenharia Mecânica Aluno: Felipe Portes Lanes Orientador: José Alberto dos Reis Parise Introdução Instalações de médio e grande porte como hospitais, shoppings e hotéis consomem significativa quantidade de energia tanto elétrica como térmica. A redução destes consumos contribui não só para menores gastos com a fonte energética, como também para redução da emissão de gases do efeito estufa. Neste contexto temos a Trigeração ou CHCP (da expressão, em inglês, “Combined Heat, Cooling and Power”) onde há produção simultânea de energia útil em forma de eletricidade e, com a recuperação do calor de rejeito de um motor térmico, produção de aquecimento e refrigeração. Arquiteturas As arquiteturas estudadas diferem entre si pelo modo como o calor de rejeito é aproveitado e como o efeito refrigerante é obtido (II-ciclo de compressão de vapor, acionado eletricamente, III-ciclo de absorção, acionado termicamente, IV-a combinação dos dois anteriores ou V – ORC acionando um ciclo de compressão de vapor) [1]. O sistema sem trigeração (I) é incluído para efeito de comparação. I) II) III) Objetivos Estudar quatro tipos diferentes de arquiteturas de trigeração a partir das demandas energéticas de três sistemas, a saber: Hospital de Clínicas da UNICAMP [2], de um complexo comercial em Hong Kong [4] e um hotel cinco estrelas em Tianjin, China [3]. Cálculo e análise dos parâmetros de performance energética: Redução relativa da taxa de consumo de energia primária: 𝜉= 𝐹 𝐼 − 𝐹 𝐹 𝐼 onde: 𝐹 𝐼 é a taxa de consumo de energia primária do sistema sem trigeração 𝐹 é a taxa de consumo de energia primária do sistema operando com trigeração EUF (“energy utilization factor”): 𝐸𝑈𝐹= 𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜𝑠 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑠 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜𝑠 = 𝐸 𝑙𝑜 + 𝑄 𝑐𝑜 + 𝑄 ℎ𝑡 𝐹 ℎ𝑒 + 𝐹 𝑎𝑏 + 𝐹 𝑏𝑜 Potência total consumida: 𝑃 𝑇𝑜𝑡 = 𝑗=0 𝑁 𝐹 𝑗+1 + 𝐹 𝑗 2 Verificar a eficácia dos sistemas de trigeração na redução do consumo de energia primária. IV) V) Figura 2 – Sistema sem trigeração (I) e quatro diferentes arquiteturas de trigeração estudas (II,III,IV,V) (Fonte: [1]). Resultados Com a aplicação dos sistemas de trigeração houve uma redução considerável no consumo de energia primária (36% no melhor caso – Hospital da Unicamp, verão dias úteis), observados na Figura 3 e nas Tabelas 1 e 2 de consumo e redução de energia primária. Nos horários onde a demanda de eletricidade e refrigeração aumentam, o EUF cai, sinalizando que o sistema ainda possui grande capacidade de reaproveitamento de calor de rejeito nesse período do dia que não está sendo utilizado. Demandas Refrigeração Eletricidade Figura 3 – Redução relativa na taxa de consumo de energia primária e EUF – Unicamp Verão, dias úteis. Potência total consumida por dia (MW) Arquitetura verão outono inverno primavera I 97,5 87,3 86,7 86,2 II 73,7 70,1 70,4 68,1 III 65,1 59,9 63,2 58,7 IV 62,8 59,8 57,6 V 72,4 68,7 68,0 66,9 Redução relativa no consumo diário de combustível (%) Arquitetura verão outono inverno primavera I 0% II 24% 20% 19% 21% III 33% 31% 27% 32% IV 36% V 26% 22% Tabela 1 – Consumo diário de energia primária. Tabela 2 – Redução relativa no consumo diário de energia primária. Conclusões Os resultados apontaram a quarta arquitetura (IV – chillers de compressão de vapor e absorção combinados) como sendo a melhor configuração dentre as opções de trigeração, para os casos indicados. O estudo ressalta a importância de se considerar a relação entre as demandas e a arquitetura adotada, pois esta determinará a melhor configuração. Figura 1 – Demandas de eletricidade, refrigeração e aquecimento. Referências 1 – Coelho, V. M. E., Parise, J.A.R., Mercofrio 2014 - 9º Congresso Internacional de Ar Condicionado, Refrigeração, Aquecimento e Ventilação, Estudo de Diferentes Arquiteturas para Sistemas de Trigeração com Aplicação em um Caso de Centro Comercial, 2014, Porto Alegre. 2 – Espirito Santo, D. B. Cogeração de alta eficiência: uma metodologia de análise para predizer o desempenho, Revista ABRAVA, Ed.306, p. 38-44, agosto 2012. 3 – Han G. et al, Analysis of combined cooling, heating, and power systems under a compromised electric–thermal load strategy, Energy and Buildings, Volume 84, December 2014, Pages 586-594, ISSN 0378-7788. 4 – Lai, S.M., Hui, C.W., Integration of trigeneration system and thermal storage under demand uncertainties, Applied Energy 87 (9) (2010) pp.2868-2880.