Análise energética, exergética e econômica (3E) de apartamentos

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 411 (2023) Citar este artigo

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O uso da energia solar é uma das estratégias mais proeminentes para enfrentar os atuais desafios de gestão de energia. A energia solar é utilizada em vários setores residenciais por meio de coletores solares de placa plana. A eficiência térmica dos coletores solares de placa plana é melhorada quando os fluidos de transferência de calor convencionais são substituídos por nanofluidos, porque eles oferecem propriedades termofísicas superiores aos fluidos de transferência de calor convencionais. Produtos químicos concentrados são utilizados em técnicas convencionais de síntese de nanofluidos, que produzem subprodutos tóxicos perigosos. A presente pesquisa investiga os efeitos de novos nanofluidos de água-nanotubos de carbono multiparedes tratados com ácido gálico covalentemente funcionalizados verdes no desempenho de coletores solares de placa plana. Os GAMWCNTs são altamente estáveis ​​no fluido base, de acordo com técnicas de análise de estabilidade, incluindo espectroscopia ultravioleta-visível e potencial zeta. A avaliação experimental mostra que as propriedades termofísicas do nanofluido são melhores que as da água deionizada com fluido base. A análise energética, exergética e econômica são realizadas usando concentrações de 0,025%, 0,065% e 0,1% em peso de água GAMWCNT em taxas de fluxo de massa variadas 0,010, 0,0144, 0,0188 kg/s. A introdução do nanofluido GAMWCNT melhorou o desempenho térmico dos coletores solares de placa plana em termos de eficiência energética e exergética. Há um aumento na eficiência com o aumento do fluxo de calor, taxa de fluxo de massa e concentração de peso, mas um declínio é observado à medida que a temperatura de entrada aumenta. De acordo com as descobertas experimentais, a maior melhoria na eficiência energética é de 30,88% para uma concentração de 0,1% em peso de nanofluido GAMWCNT a 0,0188 kg/s em comparação com o fluido base. A eficiência exergética do coletor aumenta com o aumento da concentração de peso, enquanto diminui com o aumento da vazão. A maior eficiência exergética é alcançada com concentração de 0,1% de GAMWCNT e vazão mássica de 0,010 kg/s. Os nanofluidos GAMWCNT apresentam valores mais elevados de fator de atrito em comparação ao fluido base. Há um pequeno incremento na potência de bombeamento relativa com o aumento da concentração em peso do nanofluido. Valores de índice de desempenho superiores a 1 são alcançados para todas as concentrações de GAMWCNT. Quando o coletor solar térmico é operado a 0,0188 kg/s e concentração em peso de 0,1% de nanofluido GAMWCNT, a maior redução de tamanho, 27,59%, é alcançada em comparação com um coletor solar de placa plana com água como fluido de transferência de calor.

A população mundial e o consumo de energia estão em rápida expansão. A industrialização e a globalização das culturas humanas modernas são as principais causas deste aumento no consumo de energia. A Agência Internacional de Energia prevê que até ao final de 2040, o consumo global de energia crescerá aproximadamente 30%1. Os combustíveis fósseis satisfazem 86% da procura mundial de energia2. As reservas mundiais de combustíveis fósseis estão a esgotar-se rapidamente e o ambiente está gravemente poluído. O desafio na era actual é satisfazer as exigências energéticas sem degradar ainda mais o ambiente. O Objectivo de Desenvolvimento Sustentável 7 torna-se um desafio que enfrenta todos os países e afecta a todos. O objectivo fundamental do Objectivo de Desenvolvimento Sustentável 7 é alcançar energia que seja económica, limpa, eficiente, fiável e acessível a todas as pessoas. Como os recursos energéticos convencionais são finitos, a busca por fontes alternativas de energia tem se intensificado em todo o mundo. Os recursos energéticos renováveis ​​provaram que podem satisfazer a necessidade de energia limpa3.

Devido à sua acessibilidade e disponibilidade, a energia solar é mais procurada do que outros recursos energéticos renováveis. A energia solar pode ser usada de diversas maneiras. O calor solar pode ser utilizado para diversas aplicações, incluindo aquecimento ambiente, água quente doméstica, refrigeração e até mesmo aquecimento de processos4,5. A recolha e conversão de energia solar é um foco fundamental neste sector energético. A energia do sol pode ser facilmente colhida e convertida em energia térmica ou elétrica. Diferentes equipamentos e tecnologias, como coletores fotovoltaicos e solares térmicos, podem realizar esse processo de conversão de energia. Os coletores solares empregam um fluido de troca de calor para converter energia solar em energia térmica. A placa absorvedora do coletor capta a energia solar e a transfere para o fluido absorvedor, aumentando sua energia interna, que poderá posteriormente ser utilizada para diversos fins. Coletores solares de placa plana (FPSC) sem concentração óptica são utilizados na faixa de temperatura de 40–100 °C. Eles são adequados para aplicações domésticas devido à sua simplicidade, facilidade de manutenção e custos operacionais mínimos. FPSC tem eficiência e temperatura de saída relativamente baixas. Materiais, design6, revestimento na placa coletora7, ângulo de inclinação8, condições climáticas9 e fluido de trabalho10 são fatores que influenciam a eficácia dos coletores solares de placa plana. Substituir água pura por um fluido de maior condutividade térmica (que serve como fluido de trabalho) é uma das maneiras mais fáceis e eficazes de melhorar a eficiência.