Como a simulação ajudou a Alklima a otimizar o sistema de armazenamento e controle de água quente
Ao simular a demanda realista de água quente e o comportamento de controle, a Alklima pôde investigar o desempenho de seu sistema de armazenamento térmico ao longo do dia e identificar oportunidades para melhorar a eficiência energética, mantendo a disponibilidade confiável de água quente.
Você já entrou em um chuveiro de hotel e se perguntou se a água quente estava sendo gerada de forma sustentável e o mais eficiente possível?
Para proprietários de edifícios e projetistas de sistemas, essa questão está se tornando cada vez mais importante. Os sistemas de água quente sanitária não são fáceis de descarbonizar, pois exigem temperaturas de água relativamente altas. Uma bomba de calor de CO₂ é uma das soluções sustentáveis disponíveis para enfrentar esse desafio.
Essas bombas de calor atingem seu desempenho máximo quando a diferença de temperatura dentro do reservatório é grande. Isso exige uma otimização cuidadosa do sistema de armazenamento de água quente, levando em consideração tanto a demanda de água quente quanto a geração de calor, garantindo que o conforto do usuário permaneça a principal prioridade. Reclamações sobre água fria ou morna no chuveiro são simplesmente inaceitáveis.
O desafio de projetar um reservatório de água quente com desempenho otimizado é, portanto, essencial para alcançar um sistema de água quente sustentável e confiável.
Para melhor compreender esses desafios, a Alklima e a Femto Engineering utilizaram simulação de dinâmica de fluidos computacional (CFD) para investigar como um sistema de bomba de calor com armazenamento de CO₂ se comporta durante o uso diário realista.
Para a Alklima, o objetivo era garantir um fornecimento confiável de água quente para hotéis, mantendo o sistema de bomba de calor de CO₂ o mais eficiente possível em termos energéticos. O sistema de armazenamento precisava, portanto, responder às variações na demanda de água quente sem consumir mais energia do que o necessário.
Água quente confiável atende às metas de descarbonização
Água quente confiável é algo que a maioria das pessoas simplesmente espera, seja em hotéis, prédios residenciais ou instalações esportivas. Por trás desse conforto, existe um sistema complexo. À medida que os edifícios adotam tecnologias mais sustentáveis, como bombas de calor de CO₂, garantir água quente suficiente durante os horários de pico de demanda torna-se essencial. Ao mesmo tempo, produzir essa água quente com a máxima eficiência se torna um desafio de engenharia cada vez maior.
A Alklima, distribuidora exclusiva das soluções de climatização da Mitsubishi Electric na Holanda, trabalha continuamente no desenvolvimento de tecnologias de aquecimento inovadoras e sustentáveis. Para melhor compreender o comportamento de um de seus sistemas de água quente, a Alklima firmou uma parceria com a Femto Engineering para investigar o desempenho de um sistema de armazenamento com dois tanques, mantendo o conforto do usuário.
A questão fundamental era simples: como o sistema mantém a maior diferença de temperatura possível dentro do tanque de armazenamento em condições operacionais realistas, enquanto continua a atender à demanda de água quente sanitária.
Figura 1. Desenho CAD do sistema de tanque de compensação duplo
Por que esse desafio é importante para os operadores de edifícios?
O sistema consistia em dois tanques de água interligados que funcionavam como um amortecedor térmico para uma instalação de bomba de calor de CO₂. À primeira vista, armazenar água quente pode parecer simples. Na realidade, porém, a água dentro desses tanques está em constante movimento e com temperatura variável.
A demanda também varia ao longo do dia. Banhos matinais, atividades de limpeza e períodos de baixo consumo influenciam a forma como o calor é distribuído dentro do sistema.
Outro aspecto importante é a recirculação de água quente. Em muitos edifícios, um pequeno fluxo contínuo garante que a água quente esteja imediatamente disponível nos chuveiros e torneiras. Embora isso melhore o conforto, também pode perturbar a separação natural das camadas de água quente e fria dentro dos reservatórios.
Esses efeitos são difíceis de prever com cálculos de engenharia simples. A construção de um protótipo físico também exigiria tempo e custos consideráveis. É aí que a simulação CFD pode agregar valor.
Ao criar um modelo virtual do sistema, os engenheiros podem entender como a água flui, como as temperaturas mudam e como o sistema de controle se comporta muito antes de o sistema ser instalado.
Para fabricantes, integradores de sistemas e engenheiros de HVAC, isso pode reduzir significativamente os riscos de engenharia e evitar redesenhos dispendiosos mais tarde no projeto.
Simulações do Simcenter STAR-CCM+ revelam oportunidades de otimização ocultas
Analisar apenas o fluxo e a temperatura mostraria como o calor e a água se movem pelos tanques, mas não como o sistema de controle responde. Por outro lado, analisar os controles sem considerar o comportamento subjacente do fluxo e da temperatura não explicaria o funcionamento do sistema. Ao combinar ambos, a simulação mostrou como a localização dos sensores e as configurações de controle influenciam a distribuição de temperatura e a quantidade de água quente utilizável disponível ao longo do dia.
A verdadeira questão não era se o sistema conseguia produzir água quente, mas sim se conseguiria continuar a fornecer água quente suficiente quando a procura aumentasse subitamente.
Para responder a essa pergunta, foi necessário mais do que apenas analisar temperaturas e padrões de fluxo. A equipe também precisava entender como a bomba de calor reagiria conforme as condições mudassem ao longo do dia.
Utilizando o Simcenter STAR-CCM+, a Femto Engineering conseguiu modelar o comportamento completo do sistema, incluindo os controles automáticos que ligam e desligam a bomba de calor. Isso criou uma representação virtual realista da operação diária e ajudou a revelar problemas potenciais muito antes da construção do sistema.
Crie um modelo virtual do sistema
A Femto Engineering criou um modelo virtual dos dois tanques de armazenamento e de parte da tubulação de ligação. Para manter a eficiência do modelo, o próprio trocador de calor foi simplificado.
Utilizando dados realistas de consumo de água quente da Alklima, a equipe simulou um ciclo operacional completo de 24 horas, incluindo um segundo cenário com recirculação contínua de água quente.
As simulações mostraram como as temperaturas variam ao longo do dia e como a água se move naturalmente dentro dos tanques. A água quente é mais leve e sobe, enquanto a água fria desce. Isso cria camadas naturais dentro dos tanques, o que afeta significativamente a quantidade de água quente utilizável disponível.
Diferentes tamanhos e configurações de malha também foram testados para garantir resultados confiáveis. Essa abordagem virtual permitiu que a equipe compreendesse melhor o comportamento do sistema e identificasse melhorias antes dos testes físicos ou da instalação.
O posicionamento do sensor de temperatura proporciona ganhos de eficiência cruciais
As simulações mostraram que a estratégia de controle geral funcionou conforme o esperado. No entanto, também revelaram um problema importante: durante certos períodos do dia, a temperatura de saída caiu abaixo do nível desejado.
Figura 2. Os resultados da simulação sem recirculação de água quente mostram que a temperatura de saída permanece acima de 30°C durante a maior parte do dia, mas cai na última hora, revelando uma oportunidade para otimizar o projeto do sistema e a estratégia de controle.
Figura 3. Os resultados da simulação com recirculação contínua de água quente mostram que a temperatura de saída permanece acima de 50°C ao longo do dia, embora o trocador de calor precise operar por períodos mais longos para manter esse desempenho.
A análise mostrou que a localização dos sensores de temperatura e as configurações de controle selecionadas influenciaram fortemente a quantidade de água quente disponível.
Com base nessas descobertas, várias opções de melhoria foram identificadas. Uma possível melhoria seria mover um sensor de temperatura para uma posição mais baixa dentro de um dos tanques, aumentando efetivamente a reserva de água quente utilizável. Outras opções incluíam o ajuste das configurações de controle para que o reaquecimento começasse mais cedo.
As simulações mostraram que a adição de um fluxo instantâneo de água quente alterou o funcionamento do sistema. Em vez de as temperaturas do tanque serem o principal fator determinante, as configurações de proteção do trocador de calor tiveram o maior impacto no comportamento do sistema.
Figura 4. A lógica de controle implementada no Simcenter STAR-CCM+ liga e desliga automaticamente o trocador de calor com base nas leituras do sensor de temperatura, replicando com precisão o comportamento operacional real do sistema ao longo de um ciclo de 24 horas.
A simulação CFD reduz o risco de engenharia e acelera as decisões de projeto
Para a Alklima, o projeto não se tratava simplesmente de validar um design. Tratava-se de alcançar a eficiência ideal, mantendo o nível de conforto esperado pelos usuários finais.
Ao utilizar o Simcenter STAR-CCM+, a Femto Engineering conseguiu testar virtualmente o sistema antes mesmo de sua construção. As simulações forneceram informações sobre o comportamento da temperatura, estratégias de controle e cenários operacionais que seriam difíceis de obter apenas por meio de cálculos tradicionais.
Isso permitiu identificar melhorias potenciais precocemente, reduzindo os riscos de engenharia e apoiando melhores decisões de projeto.
Para fabricantes, integradores de sistemas e engenheiros de HVAC que enfrentam desafios semelhantes, a simulação CFD oferece uma maneira poderosa de entender o comportamento do sistema, otimizar projetos e reduzir custos com retrabalho em fases posteriores do projeto.
Agende uma reunião com a CAEXPERTS e conheça como o Simcenter STAR-CCM+ pode ajudar sua empresa a otimizar sistemas térmicos, melhorar a eficiência energética e reduzir riscos de engenharia por meio da simulação CFD. Nossa equipe oferece suporte especializado para aplicar a ferramenta aos desafios do seu projeto. Conduzimos os primeiros projetos em colaboração com sua equipe para maximizar o retorno do investimento, ajudando sua empresa a extrair o máximo desempenho da ferramenta e obter resultados mais rápidos, precisos e confiáveis em seus projetos.
WhatsApp: +55 (48) 98814-4798
E-mail: contato@caexperts.com.br
