Thermodynamic modeling of a fourth generation disctrict heating system in Brazil
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Modelagem termodinâmica de um sistema de aquecimento distrito de quarta geração no Brasil
Primeiro orientador
Membros da banca
Ahmad Arabkoohsar
Wadaed Uturbey da Costa
José Guilherme Coelho Baeta
Tatiana Paula Alves
Wadaed Uturbey da Costa
José Guilherme Coelho Baeta
Tatiana Paula Alves
Resumo
Aquecimento e refrigeração são responsáveis por cerca de metade do uso global de energia, onde o aquecimento doméstico é a principal parte deste consumo de energia. Devido à importância do aquecimento na crise energética global, os sistemas de aquecimento urbano estão à beira de uma transição para a quarta geração da terceira geração em operação. Em um sistema de aquecimento urbano de quarta geração, a penetração de energias renováveis deve ser muito maior (até 100%), há uma forte sinergia entre os setores de energia, a taxa de perdas é consideravelmente menor e todo o sistema é notavelmente mais eficiente em termos energéticos . Apesar do grande avanço nos sistemas de aquecimento urbano, esta tecnologia ainda não foi praticamente introduzida no sistema energético brasileiro. As principais razões para isso são a baixa demanda de aquecimento ambiente no país devido ao clima moderado a quente, e o setor elétrico de base altamente renovável do país que tornou racional o uso de eletricidade para aplicação de aquecimento. Neste projeto será projetado, dimensionado e modelado um sistema de aquecimento urbano, baseado nos mais recentes padrões da quarta geração, para uma região residencial no sul do Brasil. O principal objetivo do projeto é avaliar a viabilidade técnica da implementação de tais sistemas avançados de aquecimento urbano na futura matriz energética do Brasil. Para isso, serão investigadas várias possíveis tecnologias de aquecimento urbano compatíveis com o conceito 4GDH e proposta uma solução inovadora. O desempenho desses sistemas será amplamente comparado em termos de perdas de calor, dimensionamento da tubulação, trabalho da bomba e etc. Portanto, será feita uma comparação técnica da geração existente de aquecimento urbano, a chamada 3ª geração de aquecimento urbano, sistema de temperatura ultrabaixa e sistema de temperatura não uniforme proposto. Os resultados mostram que o sistema de energia da área de estudo de caso pode efetivamente abrigar um sistema de aquecimento urbano. Os casos considerados incluem a terceira geração, a baixa temperatura e uma proposta inovadora de sistemas de aquecimento urbano. Estas são as melhores soluções que podem ser implementadas na prática até hoje. Entre esses casos, o sistema proposto, chamado sistema de aquecimento urbano de temperatura não uniforme, pode efetivamente superar as outras soluções em termos de um ponto de vista geral de economia de energia. Além disso, o projeto avalia a compatibilidade dos tubos duplos, sendo usados nos sistemas de aquecimento urbano atualmente em operação, com o esquema de aquecimento urbano proposto termo-hidráulico.
Abstract
Heating and cooling is accounted for about half of the global energy use where
domestic heating is the main part of this energy consumption. Due to the importance of
heating in the global energy crisis, district heating systems are on the verge of a transition to
their fourth generation from in-operation third generation. In a fourth generation district
heating system, the penetration of renewables is supposed to be much higher (up to 100%),
there is strong synergy between the energy sectors, the rate of losses are considerably lower
and the whole system is remarkably more energy efficient. In spite of the extensive
advancement made in district heating systems, this technology has not been practically
introduced to the Brazilian energy system yet. The main reasons for this are the low demand
of space heating in the country due to the moderate to hot climate, and the highly renewablebased electricity sector of the country that it has made the use of electricity for heating
application rational. In this project a district heating system, based on the latest standards of
the fourth generation will be designed, sized and modeled for a residential region in the south
of Brazil. The main objective of the project is to evaluate the technical feasibility of the
implementation of such advanced district heating systems in the future energy matrix of
Brazil. For this, various possible district heating technologies that are compatible with the
4GDH concept will be investigated and an innovative solution will be proposed. The
performance of these systems will be comprehensively compared in terms of heat losses, the
pipeline sizing, the pump work, and etc. Therefore, a through technical comparision of the
existing generation of district heating, so-called the 3rd
generation of district heating, ultra-low
temperature system and proposed non-uniform temperature system will be done. The results
show that the energy system of the case study area can effectively host a district heating
system. The considered cases include the third generation, the low-temperature and an
innovative proposed district heating systems. These are the best solutions that can be
practically implemented by today. Among these cases, the proposed system so-called nonuniform temperature district heating system can effectively outperform the other solutions in
terms of an overall energy-economy point of view. In addition, the project assesses the
compatibility of the twin pipes, being used in the currently in-operation district heating
systems, with the proposed district heating scheme thermo-hydraulically.
Assunto
Engenharia mecânica, Termodinâmica, Energia, Aquecimento
Palavras-chave
District Heating Systems, the 4th Generation of District Heating, Thermodynamic Modeling, Thermo-hydraulic Performance, Twin-pipes