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Publicação
Improving Energy Efficiency in the Wine Sector by Thermal Energy Storage Analysis of the Technical and Economic Feasibility of Integrating Phase Change Materials in Wineries
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
The maturation of wine entails a meticulous control of temperature and humidity. Many
cellars employ air conditioning units throughout the year to facilitate optimal conditions
for the creation of an excellent wine, as is the practice at HSLB. Thus, this study aims
to assess and propose a potential solution to reduce the energy consumption incurred
during the wine maturation process.
Previous studies substantiate that the implementation of PCM for latent heat storage
can be advantageous and contribute to the reduction of energy consumption, by reducing
heating and cooling energy loads for the most diverse applications in the industry. The
agricultural sector lacks scientific innovation and energy-saving solutions, and PCM
can emerge as a practical and economical solution for space climate control. In the
specific context of this study, the reduction of costs and utilization of electricity from the
Portuguese electrical grid can significantly impact HSLB. While numerous studies delve
into the technical aspects of PCM, there is a substantial lack of research demonstrating
the real-world performance of these materials in practical applications.
In order to assess the impact that PCM can have at HSLB, the study presented in this
thesis is comprised of three phases: the presentation of practical experimental results, the
utilization of computer simulations for energy performance, and an economic evaluation of
the installation of PCM in the wine maturation cellar of HSLB. The practical study involves
installing a structure containing PCM and three humidity and temperature sensors. The
obtained values will be compared with results from a sensor measuring the temperature
and humidity of the area without PCM. This approach will yield distinct graphs, allowing
for the observation of direct differences arising from the use of PCM.
The computational simulations will be conducted considering the installation site. A
computational model has been developed, taking into account the specifications required
for the thermal comfort of wine maturation, as well as the exact dimensions of the
location where the structure was installed. The results will precisely indicate the energy
consumption required to climate-control the room both with and without PCM. Finally, an economic evaluation will be conducted to obtain an estimate of the payback
period for the investment at HSLB. Respecting certain economic indicators, but always
subject to assumptions that will be carefully considered and chosen in light of the specific
context of this problem, they may not align precisely with what would occur in reality.
Regarding the obtained results at the end of this study, the following conclusions
can be drawn concerning the experimental results. Due to an error on the part of the
HSLB staff, the sensors did not function throughout the entire period of their installation.
Nevertheless, it is possible to observe certain differences when temperature and humidity
values are read in proximity to the PCM. This may indicate that a well-insulated space with
PCM can be more easily climate-controlled with reduced expenditures on air conditioning.
The simulations conducted using EnergyPlus were also deemed satisfactory, despite
the results not aligning with the initially anticipated outcomes, particularly during colder
months. Nonetheless, clear and concise findings regarding thermal variations and energy
consumption were achieved. It was also possible to infer that the model required additional
variables and internal gains to better approximate real-world conditions.
The financial analysis served primarily to understand the most significant factors to
consider when conducting a detailed economic and financial study for a specific PCM
application. Factors such as the price paid for PCM, the anticipated utilization of each one
of them, its energy density, and the potential time for return on investment are the key
considerations when contemplating investments in PCM for these types of applications.
After this study, it can be inferred that PCM materials will indeed have an impact
on reducing costs associated with climate control, by computer simulations was possible
to obtain a 20% reduction in total energy consumption for a year. Economic returns are
anticipated to be realized given an investment payback period of approximately 15 to 20
years, contingent upon the effective planning of the project. It is evident that this solution
does not eliminate the need for air conditioning; however, the utilization of these materials
in cellars situated in locations experiencing significant thermal variation throughout the
day will notably affect the reduction of costs linked to climate control.
A maturação do vinho implica um controlo meticuloso da temperatura e humidade. Muitas adegas empregam unidades de ar condicionado ao longo do ano para facilitar condições ótimas para a criação de um excelente vinho, conforme é prática na HSLB. Assim, este estudo tem como objetivo avaliar e propor uma solução para reduzir o consumo de energia durante o processo de maturação do vinho. Estudos anteriores corroboram que a implementação de PCM para armazenamento de calor latente pode ser vantajosa e contribuir para a redução do consumo de energia, diminuindo as cargas de energia para aquecimento e arrefecimento para as mais diversas aplicações na indústria. O setor agrícola carece de inovação científica e soluções de poupança de energia, e os PCM podem surgir como uma solução prática e econômica para o controle climático de espaços. No contexto específico deste estudo, a redução de custos e a utilização de eletricidade da rede elétrica portuguesa podem impactar significativamente a HSLB. Embora numerosos estudos abordem os aspectos técnicos do PCM, há uma falta substancial de pesquisa demonstrando o desempenho real desses materiais em aplicações práticas. Para avaliar o impacto que o PCM pode ter na HSLB, o estudo apresentado nesta tese é composto por três fases: a apresentação de resultados experimentais práticos, a utilização de simulações computacionais para desempenho energético e uma avaliação económica da instalação de PCM na cave de maturação de vinho da HSLB. O estudo prático envolve a instalação de uma estrutura contendo PCM e três sensores de humidade e temperatura. Os valores obtidos serão comparados com resultados de um sensor medindo a temperatura e humidade da área sem PCM. Esta abordagem resultará em gráficos distintos, permitindo a observação de diferenças diretas decorrentes do uso de PCM. As simulações computacionais serão conduzidas considerando o local de instalação. Um modelo computacional foi desenvolvido, levando em consideração as especificações necessárias para o conforto térmico da maturação do vinho, bem como as dimensões exatas do local onde a estrutura foi instalada. Os resultados indicarão precisamente o consumo de energia necessário para controlar o clima da sala com e sem PCM. Finalmente, uma avaliação econômica será realizada para obter uma estimativa do período de retorno do investimento na HSLB. Respeitando certos indicadores económicos, mas sempre sujeitos a suposições que serão cuidadosamente consideradas e escolhidas à luz do contexto específico deste problema, eles podem não se alinhar precisamente com o que ocorreria na realidade. Relativamente aos resultados obtidos no final deste estudo, as seguintes conclusões podem ser tiradas. Devido a um erro por parte da equipa da HSLB, os sensores não funcionaram durante todo o período de sua instalação. No entanto, é possível observar certas diferenças quando os valores de temperatura e humidade são lidos próximos ao PCM. Isso pode indicar que um espaço bem isolado com PCM pode ser mais facilmente climatizado reduzindo consumos de ar condicionado. As simulações realizadas com o uso do EnergyPlus também foram consideradas satisfatórias, apesar de os resultados não se alinharem com os resultados inicialmente esperados, particularmente durante os meses mais frios. No entanto, descobertas claras e concisas sobre variações térmicas e consumo de energia foram alcançadas. Também foi possível inferir que o modelo necessitava de variáveis adicionais e ganhos internos para se aproximar melhor das condições do mundo real. A análise financeira serviu principalmente para entender os fatores mais significativos a serem considerados ao conduzir um estudo económico e financeiro detalhado para uma aplicação de PCM. Fatores como o preço pago pelo PCM, a utilização antecipada de cada um deles, sua densidade de energia e o tempo de retorno do investimento são considerações chave ao contemplar investimentos em PCM. Após este estudo, pode-se inferir que os PCM terão, de facto, impacto na redução dos custos associados ao controle climático; por meio de simulações computacionais, foi possível obter uma redução de cerca de 20% no consumo total de energia por ano. Os retornos económicos são previstos serem alcançados num período de retorno do investimento de aproximadamente 15 a 20 anos, dependendo do planeamento efetivo do projeto. É evidente que esta solução não elimina a necessidade de ar condicionado; no entanto, a utilização desses materiais em adegas situadas em locais com variação térmica significativa ao longo do dia afetará consideravelmente a redução dos custos ligados ao controlo climático.
A maturação do vinho implica um controlo meticuloso da temperatura e humidade. Muitas adegas empregam unidades de ar condicionado ao longo do ano para facilitar condições ótimas para a criação de um excelente vinho, conforme é prática na HSLB. Assim, este estudo tem como objetivo avaliar e propor uma solução para reduzir o consumo de energia durante o processo de maturação do vinho. Estudos anteriores corroboram que a implementação de PCM para armazenamento de calor latente pode ser vantajosa e contribuir para a redução do consumo de energia, diminuindo as cargas de energia para aquecimento e arrefecimento para as mais diversas aplicações na indústria. O setor agrícola carece de inovação científica e soluções de poupança de energia, e os PCM podem surgir como uma solução prática e econômica para o controle climático de espaços. No contexto específico deste estudo, a redução de custos e a utilização de eletricidade da rede elétrica portuguesa podem impactar significativamente a HSLB. Embora numerosos estudos abordem os aspectos técnicos do PCM, há uma falta substancial de pesquisa demonstrando o desempenho real desses materiais em aplicações práticas. Para avaliar o impacto que o PCM pode ter na HSLB, o estudo apresentado nesta tese é composto por três fases: a apresentação de resultados experimentais práticos, a utilização de simulações computacionais para desempenho energético e uma avaliação económica da instalação de PCM na cave de maturação de vinho da HSLB. O estudo prático envolve a instalação de uma estrutura contendo PCM e três sensores de humidade e temperatura. Os valores obtidos serão comparados com resultados de um sensor medindo a temperatura e humidade da área sem PCM. Esta abordagem resultará em gráficos distintos, permitindo a observação de diferenças diretas decorrentes do uso de PCM. As simulações computacionais serão conduzidas considerando o local de instalação. Um modelo computacional foi desenvolvido, levando em consideração as especificações necessárias para o conforto térmico da maturação do vinho, bem como as dimensões exatas do local onde a estrutura foi instalada. Os resultados indicarão precisamente o consumo de energia necessário para controlar o clima da sala com e sem PCM. Finalmente, uma avaliação econômica será realizada para obter uma estimativa do período de retorno do investimento na HSLB. Respeitando certos indicadores económicos, mas sempre sujeitos a suposições que serão cuidadosamente consideradas e escolhidas à luz do contexto específico deste problema, eles podem não se alinhar precisamente com o que ocorreria na realidade. Relativamente aos resultados obtidos no final deste estudo, as seguintes conclusões podem ser tiradas. Devido a um erro por parte da equipa da HSLB, os sensores não funcionaram durante todo o período de sua instalação. No entanto, é possível observar certas diferenças quando os valores de temperatura e humidade são lidos próximos ao PCM. Isso pode indicar que um espaço bem isolado com PCM pode ser mais facilmente climatizado reduzindo consumos de ar condicionado. As simulações realizadas com o uso do EnergyPlus também foram consideradas satisfatórias, apesar de os resultados não se alinharem com os resultados inicialmente esperados, particularmente durante os meses mais frios. No entanto, descobertas claras e concisas sobre variações térmicas e consumo de energia foram alcançadas. Também foi possível inferir que o modelo necessitava de variáveis adicionais e ganhos internos para se aproximar melhor das condições do mundo real. A análise financeira serviu principalmente para entender os fatores mais significativos a serem considerados ao conduzir um estudo económico e financeiro detalhado para uma aplicação de PCM. Fatores como o preço pago pelo PCM, a utilização antecipada de cada um deles, sua densidade de energia e o tempo de retorno do investimento são considerações chave ao contemplar investimentos em PCM. Após este estudo, pode-se inferir que os PCM terão, de facto, impacto na redução dos custos associados ao controle climático; por meio de simulações computacionais, foi possível obter uma redução de cerca de 20% no consumo total de energia por ano. Os retornos económicos são previstos serem alcançados num período de retorno do investimento de aproximadamente 15 a 20 anos, dependendo do planeamento efetivo do projeto. É evidente que esta solução não elimina a necessidade de ar condicionado; no entanto, a utilização desses materiais em adegas situadas em locais com variação térmica significativa ao longo do dia afetará consideravelmente a redução dos custos ligados ao controlo climático.
Descrição
Palavras-chave
Maturation of wine temperature and humidity control air conditioning units energy consumption PCM (Phase Change Materials) atent heat storage