Além da eficiência energética, sistemas de fluxo variável contribuem para a qualidade dos ambientes internos e longevidade dos equipamentos

O que define um sistema de fluxo variável? Francisco Dantas, diretor da Interplan – Planejamento Térmico Integrado, explica que considerando um processo de intercâmbio de calor entre dois fluidos, há sempre uma transferência de calor do fluido mais quente para o fluido mais frio. Essa transferência de calor subentende uma diferença de temperatura e uma vazão, tanto do fluido quente como do fluido frio, resultando numa troca térmica com magnitude determinada. No caso de um sistema de climatização essa magnitude é representada pelo valor de pico da carga térmica. A magnitude do valor calculado como pico da carga térmica ocorre apenas em intervalo de tempo médio da ordem de 1,3% do tempo total de operação do sistema. A forma mais tradicional de se adequar o valor da potência térmica produzida à magnitude da carga térmica instantânea no tempo é alterando as temperaturas do processo, mantendo constante as vazões dos fluidos em circulação. Este é um processo de intercâmbio de calor com vazão constante dos fluidos. Em contraposição, a modulação da potência de intercâmbio térmico através da alteração da vazão de pelo menos um dos fluidos, denomina-se sistema de intercâmbio de calor com fluxo variável, ou volume variável, independentemente de haver ou não alteração das respectivas temperaturas dos fluidos (LMTD).

“Vamos enfocar um sistema de produção de água gelada através de chillers com condensadores arrefecidos a água recirculada em torres de resfriamento. Partindo de equipamentos selecionados com a mesma eficiência energética à plena carga, a melhor utilização de sistemas com fluxo variável dar-se-á para uma carga com baixo fator de diversidade. Exemplificamos, que isso ocorreria em maior intensidade em sistemas que operam 24 horas por dia e que não incorrem em altas cargas internas de equipamentos e/ou processos com alto fator de utilização. Exemplos são instalações hospitalares, de hotelaria e assemelhadas. Isso porque, os chillers que operam com velocidade variável do compressor se diferenciam em eficiência energética daqueles que operam com velocidade constante do compressor, nas situações de carga térmica variando entre 90% e 50% do valor de pico para o qual foram projetados. Para esses casos deve-se recorrer ao conceito das ‘curvas naturais’ de desempenho dos chillers, as quais são construídas tendo como parâmetros a temperatura de suprimento de água gelada à carga e a temperatura de saída da água de condensação. Isso para um sistema de fluxo variável total que considera fluxo variável de refrigerante, ou seja, compressor com velocidade variável, água gelada com fluxo variável no evaporador, água de condensação com fluxo variável no condensador e fluxo variável de ar na(s) torre(s) de resfriamento de água”, explica Dantas.

“Dados estatísticos baseados em pesquisas realizadas pela Ashrae concluem por uma redução média de 28% no consumo de energia de um sistema com fluxo variável total (chillers e satélites), comparado a um sistema equivalente de fluxo constante dotado de componentes de mesma eficiência à plena carga, se comparados aos equipamentos do sistema com fluxo variável total, quando atendendo carga de climatização para conforto térmico. Isso nos remete à constatação de que os sistemas de água gelada com termoacumulação parcial, que completam a carga térmica (não termoacumulação para o período de ponta, apenas), têm menor viabilidade técnico econômica, para um sistema de fluxo variável total, pela característica aplainada da curva de produção, independentemente de uma curva variável do perfil de demanda térmica da edificação (chiller virtual cobrindo as flutuações da carga e chillers reais cobrindo a base da carga térmica)”, completa o diretor da Interplan.

George Raulino, diretor da Estermic Engenharia, acrescenta que as equações que determinam as variações na velocidade do motor do equipamento são as leis dos ventiladores, aplicadas às demais máquinas de fluxo. Entre elas, aplica-se a equação que relaciona o quociente entre as potências absorvidas variando com o cubo da relação das vazões (ou da velocidade do motor).  Por exemplo, um motor operando com 75 kW e vazão de 20.000 l/s, se reduzir sua vazão a 8.000 l/s, passará a absorver 4,8 kW.

“Mas não basta obter-se eficiência isolada de um equipamento; nada adiantará um chiller com valor ótimo de COP ou NPLV se as partes restantes do sistema não acompanham a alta eficiência do chiller. Para obter tal eficiência, as variações de fluxo nos demais equipamentos de uma CAG, harmonizados por um software que otimize a operação conjunta, é a chave da questão, quando se consegue a real redução no consumo de energia, no qual o balizador da eficiência em uma CAG não é o kW/TR do chiller, e sim o nível de eficiência líquida do sistema de água gelada. Assim, a variação do fluxo de água gelada sempre apresentará maior eficiência energética se comparada a sistemas de fluxo constante, se o sistema operar a maior parte do tempo com menos de 95% da vazão nominal. Sabemos que a carga térmica em uma edificação é dinâmica, com variações de 0 a 100% em um mesmo dia, e, considerando um processo em uma bomba secundária que distribui água gelada em uma edificação, se o fluxo é constante a potência requerida pela bomba também o será, enquanto que, se o regime de fluxo for variável, a potência requerida será apenas aquela demandada pelo fluxo parcial de água gelada”, exemplifica Raulino.

Assim, pela variação da velocidade de um motor e sua carga acionada, a capacidade poderá variar para atender em tempo real as cargas de resfriamento, aquecimento ou ventilação, obtendo-se significativa economia de energia associada ao melhor controle do conforto. Outras vantagens, segundo Mario Sérgio de Almeida, diretor da MSA Engenharia e presidente do DNPC da Abrava, incluem a operação mais silenciosa, maior vida útil do equipamento, velocidade média reduzida, e partida suave dos motores, que reduz a corrente de acionamento e impacta na carga de carregamento do equipamento.

“Fixo em três itens a eficiência energética obtida pelos sistemas de fluxo variável. Primeiramente nos motores elétricos de acionamento dos compressores dos chillers a ar ou a água; depois os motores elétricos dos ventiladores das torres de arrefecimento e dos chillers de condensação a ar; e, por último, os motores elétricos das bombas de condensação e água gelada. A utilização de variadores de velocidade nos motores elétricos dos compressores dos chillers ocasiona uma eficiente modulação de capacidade energética. Sobre a aplicação de fluxo variável nos ventiladores das torres de arrefecimento, podemos considerar que a velocidade do ventilador pode ser reduzida à medida que a carga de refrigeração e o calor de rejeição diminuem para que a temperatura da água de condensação seja mantida aproximadamente constante. No entanto, se o ventilador da torre de resfriamento operar a velocidade constante (fluxo constante), a temperatura da água de condensação diminui com carga decrescente, diminuindo a temperatura de condensação no chiller. Na maioria dos casos o chiller é capaz de, utilizando água de condensação a temperatura mais baixa, reduzir a potência de acionamento do compressor, cuja economia será maior que aquela obtida pela variação da rotação dos motores elétricos das torres de arrefecimento. Então não há vantagem em aplicar fluxo variável nos motores dos ventiladores das torres de arrefecimento. Similar raciocínio relativamente aos ventiladores do sistema de condensação dos chillers a ar. Já a velocidade da bomba de água de condensação poderia ser reduzida à medida que as cargas de refrigeração e o calor de rejeição diminuíssem, reduzindo a energia de bombeamento, enquanto se mantivesse o Δ T da água de condensação, através do condensador, aproximadamente constante. Uma séria limitação desta abordagem é que, em baixas taxas de fluxo de água no condensador, existe a tendência de aumentar o limo e a sujeira no lado da água no condensador e no enchimento da torre de resfriamento. Com fluxo de água reduzido, o fluxo de distribuição de água sobre o enchimento da torre também pode tornar-se desigual. Mantendo o Δ T da água de condensação através do chiller aproximadamente constante, aumenta a temperatura de condensação (comparando com deixar a vazão de água constante, permitindo que o Δ T da água de condensação diminua à medida que a carga se reduza), aumentando a potência de acionamento do compressor mais do que a economia de energia da bomba. Assim sendo, a bomba de água de condensação geralmente não é um bom candidato para uma operação de fluxo variável. Nas bombas de água gelada, modulando a taxa de fluxo de água gelada pela variação da velocidade do motor elétrico da bomba de água, à medida que a carga de refrigeração varia, fornece economia significativa de energia, sem qualquer penalidade correspondente no uso da energia do resfriador, ou no aumento dos requisitos de manutenção. A temperatura de água gelada saindo do chiller é geralmente mantida em um nível constante. Portanto, reduzindo a vazão de água gelada à medida que a carga térmica de resfriamento reduz, resulta em um aumento na temperatura de retorno da água gelada (comparado com a temperatura de retorno com fluxo de água gelada constante)”, explica Almeida.

Segundo ele, isto aumenta a diferença da temperatura média entre a água gelada e a temperatura de evaporação do refrigerante, compensando qualquer redução no coeficiente de transferência de calor do lado da água devido ao menor fluxo de água, com o efeito de que a temperatura de evaporação permanece aproximadamente a mesma.

“Segundo o Ashrae Journal, a aceitação de unidades de fluxo variável foi lenta inicialmente por causa de três fatores básicos: alto custo, confiabilidade questionável e experiência limitada em aplicação correta dos variadores de frequência (VFDs). Ao longo do tempo, todos esses fatores foram mitigados substancialmente. Custos de unidades completas de uso geral e de unidades personalizadas para aplicações específicas tiveram seus preços reduzidos. A confiabilidade das VFDs melhorou significativamente em seus componentes, sistemas e níveis de aplicação, e os OEMs tornaram-se mais especialistas na aplicação de unidades de forma econômica, enquanto permanecendo dentro dos parâmetros de confiabilidade. Como com qualquer tecnologia de eficiência energética, o custo adicional deve ser compensado pela recuperação nas contas de energia em um período de tempo aceitável para ser atraente ao mercado. Com períodos de retorno simples, muitas vezes menos de alguns anos, os VFDs estão agora em uso generalizado para unidades de ventilador de velocidade variável, para unidades de compressor em grandes chillers e para bombas em geral”, informa Almeida.

Componentes centrais de um sistema de fluxo variável

“Os componentes de um sistema de fluxo variável de água são compostos por motores elétricos dos compressores dos chillers a ar e a água; motores elétricos dos ventiladores das torres de arrefecimento; idem dos chillers a ar e das bombas de água gelada e condensação; variadores de frequência para os motores elétricos; transdutores de pressão diferencial; e sensores de temperatura quando for o caso. Em um sistema de fluxo variável de refrigerante (expansão direta) são motores elétricos dos compressores das unidades condensadoras VRF e inverter; motores elétricos dos ventiladores das unidades condensadoras VRF e inverter; e sensores de temperatura ambiente. Já de um sistema de fluxo variável de ar são motores elétricos dos ventiladores; caixas de volume variável; difusores de volume variável; transdutores de pressão diferencial de ar; sensores de temperatura ambiente”, lista Almeida.

Dantas acrescenta as válvulas motorizadas do tipo de duas vias (V2V), com características on-off, floating ou modulantes, e sensor(es) diferencial(is) de pressão modulante(s) instalados entre os coletores de alimentação e retorno da rede de água gelada, locados no(s) circuito(s) críticos(s) em um sistema primário único, ou secundário de distribuição de água, atuando no controle do(s) variador(es) de frequência dos sistemas de bombeamento quando se trata de um sistema de fluxo variável de água. O sistema de fluxo variável de refrigerante (expansão direta) integra dispositivos de expansão do tipo válvula eletrônica, unidades evaporadoras, sensor modulante, localizado na sucção da unidade de compressão, e motor elétrico com acionamento por variador de frequência, ou por motor elétrico do tipo EC (eletronicamente comutado).

“Completo essa intervenção com a abordagem do processo de fluxo variável no tratamento do ar externo, denominado Ventilação Controlada por Demanda (DCV, da sigla em inglês). Esse processo modula a vazão de ar de renovação em função da população presente nos recintos beneficiados, de modo a atender o índice exigido de CO2 no ar interno. Segundo a Ashrae, esse processo pode reduzir entre 20% e 70% a vazão de ar exterior, ensejando, assim, a possibilidade de economizar até 20% da energia despendida para a climatização de ambientes de grande público que não empregam essa tecnologia. Note-se que a população presente em uma edificação que comporta um centro de compras, por exemplo, varia consideravelmente de uma segunda-feira às 10h, para uma sexta-feira às 20h. Esse sistema poderá constituir-se de uma caixa-VAV com sensor modulante de CO2, ao invés de um sensor de temperatura tradicional, ou por ventilador de insuflação com variador de frequência no acionamento, provido de sensor modulante de CO2 no controle do variador de frequência, por exemplo. Na hipótese, ainda, de emprego de recuperadores de energia, o exaustor do ar de expurgo usaria variador de frequência com controle através de sensor de fluxo modulante, instalado no duto de tomada de ar externo, de modo a compatibilizar a vazão de expurgo com a vazão de admissão de ar exterior, mantendo a pressurização interna e evitando infiltração de ar externo”, finaliza Dantas.

Ana Paula Basile Pinheiro

anapaula@nteditorial.com.br

Veja também:

Fluxo variável: Aplicações em expansão direta e água gelada

Fluxo variável: Automação embarcada

Volume de vazão variável

 

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