Um sistema de termoacumulação funciona em conjunto com um sistema de água gelada, utilizando um ou mais tanques de grande volume para armazenar energia térmica em baixa temperatura. O processo ocorre no interior dos tanques, onde um líquido é resfriado ou congelado e mantido a baixa temperatura até o momento do uso.

O fluido mais comum é a água, utilizada em dois modos: por resfriamento (aproveitando o calor sensível) ou por congelamento (aproveitando os calores sensível e latente). Outros fluidos, como os Materiais de Mudança de Fase (PCM), são raros no Brasil. Os PCM possuem alto calor latente de fusão e temperatura de fusão acima de 10°C, permitindo reduzir o volume de armazenamento e usar chillers com água gelada (sem anticongelante), resultando em maior eficiência. Eles podem ser inorgânicos (sais hidratados) ou orgânicos (ácidos graxos, parafinas).

A principal vantagem da termoacumulação é a capacidade de produzir frio durante períodos de baixa demanda (ex.: noturno) ou tarifa de energia elétrica mais baixa, acumulando a energia térmica. Essa energia é utilizada durante o período de ponta (tarifa mais alta), permitindo reduzir ou até desligar os chillers. Nesse modo, apenas as bombas de água gelada operam para circular o fluido entre os tanques e os equipamentos, reduzindo substancialmente a demanda contratada e o consumo de energia no horário de ponta.

Alguns sistemas são dimensionados para atender toda a carga térmica durante o pico de verão, o que exige tanques maiores e chillers de menor capacidade. Isso reduz a demanda contratada também no período fora de ponta, mas exige análise cuidadosa e um chiller reserva.

Os dois tipos mais comuns de termoacumulação são:

1. Termoacumulação de água gelada

Este é considerado o sistema mais eficiente disponível. O modelo mais comum utiliza um tanque de grande volume com fluxo estratificado, no qual a baixa velocidade da água garante a separação entre a porção “gelada” (mais densa) e a “quente” (menos densa) por diferença de densidade.

O arranjo típico é o de duplo circuito:

• Circuito primário: Bombas primárias (BAGP) atendem os chillers.
• Circuito secundário: Bombas secundárias (BAGS) atendem os equipamentos usuários.

O tanque de termoacumulação é instalado no bypass entre os dois circuitos, e o fluxo para o tanque depende da diferença de vazão entre o primário e o secundário.

Operação:

• Carregamento (período fora de ponta/baixa demanda): Com as BAGS desligadas, os chillers e BAGP operam. A água gelada dos chillers alimenta a parte inferior do tanque, enquanto a água “quente” do retorno sai pelo topo e volta para os chillers. O tanque se carrega totalmente com água gelada.
• Descarregamento (período de ponta): Com os chillers e BAGP desligados, a água gelada da parte inferior do tanque é succionada pelas BAGS e enviada aos equipamentos. A água “quente” que retorna volta para o topo do tanque, descarregando-o de cima para baixo.
• Operação mista (demanda parcial): Se a vazão primária for maior que a secundária, o excesso de água gelada é armazenado no tanque. Se a vazão secundária for maior, a diferença é suprida pela água gelada do tanque, que se descarrega parcialmente.

Vantagens:

• Ótimo controle, com possibilidade de otimização da sequência de operação dos chillers.
• Menor consumo de energia, podendo atingir economia anual de até 50% comparado a sistemas tradicionais. Em dias amenos, os chillers podem operar apenas à noite (com melhor COP) para carregar o tanque, atendendo toda a demanda diurna.
• Permite que os chillers evitem operar em cargas muito reduzidas.

Desvantagem e cuidados:

• A principal desvantagem é o uso apenas do calor sensível, o que exige um volume de água cerca de sete vezes maior do que sistemas com gelo (que usam calor latente). Isso torna sua aplicação em edifícios altos difícil devido à pressão elevada nos tanques.

Um problema crítico é a Síndrome de Baixo DT (pequena diferença de temperatura). Se as BAGS operarem com vazão excessiva, ocorre um descarregamento natural do tanque enquanto os chillers trabalham com carga reduzida. Isso pode esvaziar o tanque antes mesmo do horário de ponta, forçando o acionamento dos chillers nesse período e elevando o custo de energia. Portanto, um sistema de automação bem configurado é essencial para evitar esse desvio.

2. Termoacumulação de gelo

Este sistema utiliza o calor latente de fusão da água como fonte de armazenamento, reduzindo significativamente o volume dos tanques. A contrapartida é que os chillers precisam operar com temperaturas mais baixas (em torno de -6°C) durante o período de fabricação de gelo.

Os dois sistemas mais utilizados são:

1. a) Ice Balls(esferas de gelo):

• Utiliza um ou dois tanques de grande volume com centenas de milhares de esferas herméticas (cerca de 100 mm de diâmetro) contendo água destilada, soltas no tanque.
• O tanque é preenchido com solução de água e etileno glicol a 25% (ponto de congelamento a -11,5°C), que circula por todo o sistema.
• Produção de gelo: A solução de glicol circula a baixa temperatura (-6°C) pelo tanque, congelando a água no interior das esferas.
• “Queima” de gelo: A solução de glicol que retorna dos equipamentos (cerca de +12°C) circula pelo tanque, derretendo o gelo.

1. b) Tanques com Serpentinas:

• Utiliza dezenas de tanques de menor volume com serpentinas flexíveis de polietileno imersas em água da rede.
• No interior das serpentinas, circula a solução de água e etileno glicol a 25%.
• Produção de gelo: A solução de glicol circula a -6°C no interior das serpentinas, congelando a água ao redor delas.
• “Queima” de gelo: A solução de glicol que retorna dos equipamentos (+12°C) circula pelas serpentinas, derretendo o gelo.

Operação dos chillers em sistemas com gelo:
Os chillers operam com dois setpoints de temperatura:

• Modo ar-condicionado (período normal): A temperatura de saída da solução de glicol é de cerca de 6°C, atendendo a demanda do sistema.
• Modo fabricação de gelo (período noturno): A temperatura de saída é reduzida para -6°C para congelar a água nos tanques.

Modo queima de gelo (horário de ponta):
Os chillers são desligados. As bombas primárias (BAGP) fazem a solução de glicol circular pelos tanques de gelo (em série com os chillers desligados), derretendo o gelo e resfriando a solução que retorna dos equipamentos (entre 8°C e 13°C) até a temperatura de setpoint de 6°C, que é então enviada ao circuito secundário para os condicionadores de ar.

Figura 1: Acumulação de água gelada (extraído do “manual de sistemas de água gelada” – cortesia Trane)

Figura 2: Acumulação de gelo (extraído do “manual de sistemas de água gelada” – cortesia Johnson Controls)

Informações extraídas do “Manual sobre Sistemas de Água Gelada – Vol. I, item 8.6” – Leonilton Tomaz Cleto, editado pelo MMA/PNUD

Leia também:

Termoacumulação contribui significativamente para a redução de emissões

Termoacumulação: solução para o aproveitamento de energias renováveis