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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.3.2019.tde-07022019-102451
Document
Author
Full name
Adenilson Cristiano Belizario
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2018
Supervisor
Committee
Moreira, José Roberto Simões (President)
Bandarra Filho, Enio Pedone
Hernandez Neto, Alberto
Santos, Carlos Antonio Cabral dos
Schneider, Paulo Smith
Title in Portuguese
Avaliação energética e financeira para utilização de sistemas de ar condicionado acionados por energia solar em ambientes de missão crítica para diferentes regiões climáticas.
Keywords in Portuguese
Ar condicionado
Energia solar
Sustentabilidade
Termodinâmica
Abstract in Portuguese
Atualmente, o processamento de dados é uma operação vital para os negócios de qualquer companhia, indústria ou prestador de serviços. Entretanto, os servidores em operação, dissipam energia térmica, aquecendo o ambiente, podendo ocasionar problemas operacionais, como funcionamento inadequado, paradas operacionais e até incêndios. Por isso, é necessário um sistema de condicionamento de ar para controlar de temperatura e umidade ambiental, entretanto o consumo de energia elétrica deste sistema aumenta o custo operacional da instalação, sendo necessário minimizá-lo. Baseado neste fato, esta tese avalia a aplicação de 2 tipos de sistemas de resfriamento solar, absorção térmica solar e fotovoltaico, para reduzir o consumo do tradicional sistema elétrico com unidades de resfriamento elétricas operadas por compressão de vapor, apresentando economias, disponibilidade diária e vantagens em uma sala de missão crítica localiza genericamente, em São Paulo, Abu Dhabi, Los Angeles e Nova York. Além disto, analisa a contribuição de sistemas de resfriamento natural e seus efeitos sobre carga e consumo. As densidades de carga propostas foram de 0,5 kW?m-², 1,0 kW?m-², 2,0 kW?m-², 4,0 kW?m-² e 8,0 kW/m. Os índices locais de irradiação e temperaturas anuais baseiam-se nos dados apresentados no banco de dados da ASHRAE para as localidades. Os resultados, válidos para um ano típico e são comparados com (1) Sala de missão crítica acionada por um sistema convencional, (2) combinação de métodos de resfriamento solar, (3) combinação de técnicas solares e resfriamento natural. Por meio de estimativas anuais, calculando as contribuições dos métodos de resfriamento solar e natural, concluiu- maioria dos casos o método de absorção solar apresenta maiores vantagens de economia de energia e retorno de investimento que o método fotovoltaico, especialmente quando associado ao resfriamento natural indireto. Ao final, conclui-se que a utilização de resfriamento solar, pode atingir a 50% de economia na conta de energia e um TIR de 25%. Quando associado a sistemas de resfriamento natural, a economia pode atingir valores de 68% de economia e um TIR de 134%. Para tal deverá ser observado a carga aplicada, o valor de investimento e a curva característica da unidade de resfriamento que irá complementar a carga.
Title in English
Energy and financial assessment for the use of solar-powered air conditioning systems in mission-critical environments for different climatic regions.
Keywords in English
Air conditioning
Data center
Free cooling
Photovoltaic cooling
Solar absorption
Solar comparison
Solar cooling
Sustainability
Abstract in English
Nowadays, data processing is a fundamental operation for modern business such as banks, technology companies, and factories, among others. However, computers dissipate non-negligible amounts of heat and as the operating temperature increases, these machines cannot operate properly or, under extreme conditions, can come to a stop by overheating. Consequently, it is necessary air conditioning systems to keep the proper operating temperature as well as the room temperature itself. On the other hand, a data center air conditioning system drains a large amount of electrical energy in the installation. Based on this, this thesis evaluates two types of solar cooling system, an absorption thermal system, and a photovoltaic system, to support the traditional electric chiller system showing the energy saving, advantage over conventional cooling and day availability for this system. In addition, it analyzed free cooling system contribution and his effects on consumption. A case study is analyzed in a generic data center located in the city of São Paulo, Abu Dhabi, Los Angeles, and New York. At first, the electrical power density simulated by the computers is 0.5 kW/m², 1.0 kW/m² 2.0 kW/m², 4.0 kW/m² and 8 kW/m², that would occur in half loads or in high loads computer installations. Local solar irradiation and temperature indexes are based on the ASHRAE database. The results are valid for a typical year and are compared to (1) a conventional data center; (2) the event combination of solar cooling; (3) the event combination of solar cooling and free cooling. In conclusion, the energy savings, payback and internal rate of return for 10 years are presented. In the main cases, the solar absorption takes advantage than photovoltaic cooling, However, It must be observed the load replicated and the influence on the work curve of the chiller and the beginning investment. In conclusion, the solar cooling, especially solar absorption can achieve great advantage to installation, resulting in 50% on savings in the electric bill a return internal rate for 10 years of 25%. When it is associated with free cooling this savings can achieve 68% and return rate of 134%.
 
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Publishing Date
2019-02-20
 
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