Ar condicionado
Recuperação de energia na climatização
Estratégias passivas reduzem a carga térmica relacionada ao ar externo, proporcionado menor consumo
postado em: 15/12/2014 14:04 h atualizado em: 15/12/2014 15:41 h
Edifício Infinity Tower
(crédito: Divulgação Indústrias Tosi)

Na concepção dos sistemas de climatização há hoje diversas aplicações dos recursos chamados passivos que tem dois objetivos: o primeiro, a utilização de rejeitos térmicos dos sistemas; e o segundo, a utilização de condições externas favoráveis.

No primeiro grupo estão os recuperadores de calor, tanto do lado ar como no lado água dos sistemas. No segundo grupo vêm o ciclo economizador, o free cooling e a flushing de ar noturno.

“Quem trabalha em AVAC ouve repetidamente expressões como ‘vilão do consumo energético’, entre outros elogios, mas somente faz este tipo de comentário quem ignora a evolução da eficiência energética dos equipamentos de climatização por parte dos fabricantes, e em paralelo, a melhor concepção dos sistemas de AVAC pelos 

Os sistemas de tratamento de ar do CADF utilizam recurso adicional que é o flushing noturno, aproveitando as baixas temperaturas do ar externo das madrugadas

projetistas, que, juntas, proporcionam uma performance energética das edificações inimaginável 20 anos atrás. 
A aplicação de cada estratégia está ligada ao tipo de sistema e ao clima local. Os sistemas de expansão indireta com arrefecimento a água são aqueles onde mais existem oportunidades. Nas torres de arrefecimento pode-se obter o free cooling; nas unidade resfriadoras de água pode-se ter recuperadores de calor. Nas unidades de tratamento de ar pode-se ter o ciclo economizador ou a recuperação de calor e ainda o flushing noturno. Sistemas de expansão direta, como os self contained com arrefecimento a água, também podem ter o free cooling, assim como os demais recursos acima descritos. As unidades rooftop têm integrados os recursos para operação do ciclo economizador. Os sistemas VRF são onde menos se aplicam os recursos passivos, limitando-o à recuperação de calor entre o ar exterior admitido e o ar descartado do ambiente”, explica George Raulino, diretor da Estermic Engenharia. Como estratégias passivas, Edison Tito Guimarães, diretor da Datum, cita também o emprego de maiores espessuras de isolamento térmico em paredes e tetos, vidros mais eficientes, etc.
“Qualquer solução de conservação de energia, seja ela ativa ou passiva, deveria sempre considerar os aspectos técnicos  e os econômicos pois um projeto tem que ser antes de tudo algo relacionado com o resultado financeiro das soluções aplicadas. Um bom exemplo são as espessuras econômicas de isolantes térmicos, pois não adianta aumentar a espessura a partir de um determinado ponto econômico, o que apenas representaria puro desperdício de dinheiro. Cabe portanto ao projetista saber selecionar as soluções mais apropriadas e cabíveis em cada caso, tanto do ponto de vista técnico quanto econômico”, diz Tito.

Roda entálpica é indicada para reduzir a carga térmica do ar externo de renovação em regiões de temperaturas e umidades altas ao longo de todo o ano

Portanto, os limites de aplicação de soluções alternativas seriam sempre a viabilidade econômica destas soluções .
No caso específico dos sistemas com ciclo economizador, a análise tem que considerar a influência dos horários de operação e a meteorologia da região, e, no Brasil, exceto na Região Sul do país, onde as temperaturas são mais amenas (com noites e madrugadas frias e inverno razoavelmente frio), esta solução apresenta resultados com alguma atratividade para o retorno de investimentos.
Já a recuperação de calor para o ar exterior, em geral  apresenta resultados positivos  na maioria dos casos,  com emprego de recuperadores de calor estáticos ou rotativos.

“Com o avanço das tecnologias de novos materiais com capacidade de troca simultânea de calor sensível e latente, os recuperadores estáticos se tornaram muito interessantes pois não possuem partes móveis, representando  menor manutenção e mais simples operação”, informa o diretor da Datum.

Tratando a arquitetura da edificação, o arquiteto e consultor de sustentabilidade Guido Petinelli, da Petinelli Inc., faz referência a ventilação e iluminação natural como estratégia passiva. “Em termos de arquitetura, cito a ventilação e iluminação natural. Arquitetura abrange desde a orientação e tamanho de aberturas, as propriedades térmicas de materiais, etc.  Em geral, envolve a busca por um conceito arquitetônico e a especificação de materiais que resultem em uma menor carga térmica e consumo de energia. A arquitetura também é determinante para viabilizar estratégias relacionadas a iluminação e ventilação natural.  Por exemplo, muitas vezes a ventilação natural só se torna viável se a arquitetura for capaz de reduzir drasticamente a carga térmica do edifício. Sistemas mecânicos são capazes de fornecer conforto com certa precisão.  Sistemas passivos não.  Eles exigem uma maior tolerância, ou flexibilidade, das condições aceitáveis de conforto.  A sua aplicação é adequada em edifícios onde o padrão de uso (e a cultura dos seus ocupantes) permite trabalhar com oscilações maiores de temperatura ou níveis de culminância. Isso significa que condições ideais se tornam subjetivas (vai do grau de tolerância aceitável).   Elas dependem muito mais dos ocupantes.  Por exemplo, em um escritório de advocacia onde espera-se que todos os homens utilizem terno e gravata mesmo durante o verão, será impossível assegurar conforto através de sistemas passivos.  De outro lado, para uma escola situada no Sul, se projetada corretamente, é possível assegurar conforto se for tolerada a oscilação de set point de temperatura. Entender o clima local e o comportamento termoenergético do edifício (sua tipologia, em relação a cargas internas/externas) é critico.  Sistemas passivos tiram proveito das forças da natureza.  Não é mágica.  É apenas um jeito diferente de encarar a engenharia. Nós somos fãs de sistemas híbridos.  Projetamos para que, durante períodos favoráveis, sejam utilizados sistemas passivos.  Quando sistemas passivos não forem  capazes de atender ao set point desejado, é então acionado o sistema mecânico”, explica Petinelli.
Ele cita o exemplo de sistema híbrido que ilustra a importância de tolerância e como um sistema de ventilação natural, ventilação mecânica e climatização podem funcionar juntos para reduzir consumo de energia instalado no retrofit que realizou na fábrica de escalonamento do Grupo O Boticário.  

Equipamento possibilita a desumidificação parcial do calor proveniente do ar exterior demandado

Danilo Werneck, diretor da DW Engenharia, acrescenta que, considerando as variações climáticas e a dimensão do Brasil, com áreas definidas com maior ou menor amplitude térmica, ou seja, variação térmica ao longo do dia e do ano, é possível aproveitar a energia externa para resfriamento, a energia disponível nos sistemas de exaustão para pré-resfriamento e desumidificação parcial do calor proveniente do ar exterior demandado, variar a temperatura da água de condensação com a variação da temperatura de bulbo úmido de forma a aumentar a eficiência energética do ciclo de refrigeração, ou o aquecimento de água de piscina com a água de retorno do sistema de condensação, de forma a pré-resfriar a água que será resfriada na torre de resfriamento. Também é possível aquecer água de consumo com a utilização dos gases de descarga de unidades tipo absorção ou na condensação de resfriadores, principalmente de condensação a ar.
“Onde ocorre maior variação climática é possível maior aproveitamento da energia, por exemplo, nas regiões mais frias é possível utilizar o ar exterior para arrefecimento do ambiente (ciclo entálpico) parcial ou total. Também é possível variar a temperatura de água de condensação ao longo do ano procurando um NPLV (Non-standard Part Load Value) para a central de água gelada. O limite deve ser através de estudo técnico-econômico para sempre avaliar o custo benefício da implantação do sistema, considerando as distâncias entre sistemas, custos de implantação, economia gerada, etc. Nos casos de torres de arrefecimento, é possível a redução da temperatura da água de saída das torres até o approach considerado no seu dimensionamento pelo projetista, limitado pela máxima temperatura de entrada nos resfriadores considerada no projeto e a mínima temperatura de entrada nos resfriadores limitada pelo fabricante do respectivo equipamento, que varia em função da tecnologia dos compressores e sistema de controle dos mesmos”, comenta Werneck.
Normalmente, é feita a monitoração da temperatura de bulbo seco e umidade relativa, possibilitando o cálculo da temperatura de bulbo úmido e, com estes dados, variar a temperatura de condensação de saída das torres anualmente e diariamente, ou seja, a temperatura de saída das torres não é fixa, com intuito de reduzir a energia de refrigeração. A Figura 1 mostra um exemplo de tela de sistema de automação com variação anual do set point de saída da água de condensação.

Ciclo economizador

Para Raulino, onde o ciclo economizador se mostra interessante, a recuperação de calor não é, e vice versa. “Locais onde o clima se caracteriza por grandes diferenças diárias de temperatura de bulbo seco e em regiões de baixa umidade são propícios a utilização do ciclo economizador. Entenda-se que este ciclo é aplicado em instalações que têm a capacidade de operar 100% com ar exterior e descartando totalmente o ar de retorno.

Figura 1 - Exemplo de tela de sistema de automação com variação anual do set point de saída da água de condensação

O economizador compõe-se de três registros de ar motorizados, que são controlados por sensores de temperatura e de umidade internos e externos e por sensor de CO2 no ambiente interno. O controlador compara as condições internas e externas e opera em dois estágios, o primeiro quando a temperatura do ar exterior é menor do que a do ar de retorno, e o ar que vai à serpentina condicionadora é admitido 100% do exterior, e o segundo estágio quando a temperatura do ar exterior é baixa o suficiente para cessar o uso da água gelada no condicionador. Deve-se lembrar que equipamentos de condicionamento exclusivo de ar exterior (DOAS) normalmente não operam ciclo economizador, pois não têm capacidade de manipular 100% do ar exterior”, informa Raulino.

Uma aplicação de recursos passivos para diminuição do consumo de energia no sistema de climatização citada por ele é o complexo de 16 edifícios do novo Centro Administrativo do Distrito Federal (CADF), que abriga órgãos do governo do Distrito Federal. É utilizada uma central única de resfriamento de água, nos edifícios de escritórios utiliza-se sistema de insuflação pelo piso. Estes sistemas se caracterizam por terem o ar de retorno acima de 26ºC, o que potencializa uso do ciclo economizador.
“O clima do Distrito Federal é extremamente seco e as médias de temperatura mensal estão abaixo de 24ºC e os ciclos economizadores especificados nas 122 unidades de tratamento de ar dos sistemas estima-se que irão operar com 100% do ar exterior no mínimo duas horas por dia dentro do horário comercial. Outro ponto que o ciclo economizador do CADF proporciona, agora em situação inversa, é a utilização dos mesmos registros de ar para reduzir a demanda de ar exterior, quando se tem entalpia elevada no ar exterior e a leitura dos sensores de C02 do ambiente permitem a diminuição da vazão de ar exterior. Os sistemas de tratamento de ar do CADF utilizam recurso adicional que é o flushing noturno, aproveitando as baixas temperaturas do ar externo das madrugadas na região do planalto central. Temperaturas da ordem de 15ºC são frequentes ao longo do ano. O flushing consiste no acionamento dos ventiladores de ar exterior em períodos em que os prédios estão desocupados, quando a temperatura externa está abaixo de 18ºC e 4ºC abaixo da temperatura interior, havendo o resfriamento do prédio e postergando a ligação dos equipamentos de resfriamento do prédio”, explica o diretor da Estermic.
No caso do CADF, os equipamentos do economizador têm função tripla: fazem o ciclo economizador, o controle da demanda de ar exterior (DCV) e o flushing noturno. Estima-se que proporcionará uma redução de 35% na demanda de água gelada nos sistemas UFAD.
Petinelli ainda esclarece que o ciclo economizador não é um sistema passivo: “O potencial de economia do ciclo economizador esta diretamente ligada à relação entre as cargas térmicas internas e externas de um edifício e o clima.  Quanto maior as cargas internas, em relação às cargas externas, e menores as temperaturas externas, maior o potencial de redução. A arquitetura também é importante, uma vez que o sistema de distribuição de ar tem que ser capaz de fazer a exaustão de 100% do ar de retorno.  Dependendo da tipologia do edifício, isso pode tornar inviável a utilização do ciclo economizador. Em geral, buscamos edifícios com grande consumo de energia por equipamentos, pouca influência sazonal no consumo, tipicamente lajes profundas, localizados em regiões de clima relativamente frio (ou noites frias, se a operação for noturna ou 24 horas)”, revela.
Fabio Inocêncio, engenheiro da Bry-Air, lista algumas condições ideais para a utilização de tais estratégias: zona climática onde se situa a instalação; características arquitetônicas; perfil de uso, conforto ou processo; custo de cada matriz energética: água, gás e eletricidade.
“A análise do conjunto de dois ou mais fatores acima serão decisivos na decisão da melhor solução para cada empreendimento, por exemplo, o uso de recuperador entálpico em regiões com alta temperatura de bulbo seco e umidade alta. O ciclo economizador ou free cooling direto tem como principais limitantes os níveis de contaminantes do ar exterior que podem gerar a saturação prematura dos sistemas de filtragem dos condicionadores e na maioria das regiões do Brasil o número limitado de horas que permitem a sua utilização, uma vez que as condições entálpicas precisam estar melhores que a condição de insuflação e não somente melhor que a condição do ambiente interno, pois o ar insuflado tem que estar em condição de combater a carga interna. As condições ideais para a utilização de sistemas free cooling através da recirculação da água das torres de resfriamento são sempre que o ar exterior apresenta baixas temperaturas de bulbo úmido, permitindo assim que a temperatura atingida na água da torre seja baixa o suficiente para combater a carga interna”, comenta Inocêncio.

Renovação do ar e recuperação de energia

De acordo com Marcos Santamaria Alves Corrêa, engenheiro de aplicação da Indústrias Tosi, a melhor forma de compatibilizar o consumo de energia e renovação de ar nos diversos tipos de instalação é através de projetos que se preocupem em analisar as condições climáticas da localidade ao longo de todo um ano de operação, e não apenas nas condições de pico de verão.
“Em cidades com climas quente e úmido como Manaus (AM), a carga térmica do ar externo de renovação pode ultrapassar a 30% da carga térmica total da instalação, e a utilização de equipamentos para recuperação de energia pode reduzir esta carga em até 50% ao longo de um ano inteiro de operação, o que significa que a economia total pode ultrapassar a 15% ao ano. É importante ressaltar que recuperadores de calor são trocadores de calor que podem trocar somente calor sensível (temperatura ) ou calor sensível e calor latente (vapor de água ), e as aplicações são diferentes. No caso das rodas e cubos entálpicos, que trocam calor sensível e calor latente, estes são indicados para reduzir a carga térmica do ar externo de renovação, em regiões de temperaturas e umidades altas ao longo de todo o ano. Já os recuperadores de calor que trocam apenas calor sensível têm aplicação por exemplo para promover o free cooling indireto em sistemas de climatização de Data Centers, onde o que desejamos é que o ar externo remova total ou parcialmente o calor do ar rejeitado pelos servidores, mas sem que haja migração de umidade entre os dois fluxos de ar. Desta forma, é possível até se fazer o resfriamento evaporativo do ar externo antes que este troque calor com o ar rejeitado pelos servidores, maximizando desta forma a troca térmica”, informa Santamaria. Ele cita como exemplo o edifício Infinity Tower, que possui em seu sistema fancoils com rodas entálpicas.
Ari Edison, engenheiro da FAM, acrescenta que para sistemas com baixa vazão de ar ou ar condicionado unitário é complicado o uso de tecnologias de recuperação de calor, pois tem um custo benefício bem limitado. Em caso de sistemas centrais maiores, a tecnologia de recuperação de calor se torna uma boa opção.
“Como vantagens da utilização de equipamentos para recuperação de energia em instalações, como rodas entálpicas, recuperadores de calor quimicamente ativados, a redução média de 50% da carga de calor introduzida nos ambientes reflete em redução de equipamentos de ar condicionado instalados, e redução do consumo de energia. Que podem variar de 10% a 50% do consumo de energia da instalação. Por exemplo, recuperadores de calor de placas higroscópicas tratam calor latente e sensível, têm elevada durabilidade e baixa manutenção; não existe contato entre os fluxos de ar, garantindo a pureza do ar introduzido sem contaminação cruzada. A desvantagem é a perda de pressão na passagem do ar. O trocador de placas é similar ao trocador higroscópico, porém, tem menor eficiência por não ter troca de calor latente, além de ter risco de condensação. Já a roda de entalpia, tem contato entre os fluxos de ar gerando risco de contaminação, necessita de purga que desbalanceia os fluxos de exaustão e suprimento de ar fresco; algumas usam sílica para absorver umidade, isto tem vida útil limitada requerendo reposição dos favos, e seu mecanismo rotativo requer maior manutenção”, revela Ari.
Para ele, o grande complicador dos sistemas de recuperação de calor é a necessidade de dutos de insuflação de ar fresco e exaustão, isto tem impacto no custo, mas também no espaço ocupado pela passagem dos dutos.
Matt Chmielewski, líder de aplicação e suporte a projetistas da Trane, diz que estas tecnologias beneficiam aplicações com níveis significativos de volumes de ar externo e grandes diferenças entre as temperaturas interna e externa.
“Por exemplo, considere um laboratório com necessidade de fluxo de ventilação alto em um dia quente. O ar de exaustão, para área externa do laboratório, pode estar a 25°C e o ar de insuflação, externo de entrada, pode ser de 35°C.  Esses dois fluxos de ar trocam energia em um dispositivo de recuperação de energia, resultando em um ar externo de entrada que será pré-resfriado, com apenas um pequeno impacto no consumo energético.  No Brasil, estas tecnologias podem não ser viáveis em um prédio comercial em São Paulo, por exemplo, mas seria uma boa aplicação para laboratórios em regiões quentes”, cometa Chmielewski.
Segundo ele, todos os dispositivos de recuperação de energia do ar apresentam resistência adicional ao fluxo no sistema e fazem com que o consumo energético do ventilador seja mais alto.  Os dispositivos do tipo roda necessitam de um motor pequeno para girar a roda, portanto adiciona-se um consumo energético pequeno. A melhor maneira é usar um software de simulação de energia para avaliar a recuperação de energia do ar considerando a aplicação e o clima em questão.
Inocênio acrescenta que atualmente o mercado disponibiliza quase todos os tipos de sistemas de recuperação de energia, sendo que para cada um deles existem vantagens e desvantagens.

“Acima de tudo, temos que ter em mente que existe campo para todo e qualquer sistema e que o foco é a garantia da qualidade do ar, do conforto dos ocupantes e das condições ideais para processos industriais e, independente de qualquer coisa, a eficiência energética já não é uma vantagem ou um benefício, e sim uma obrigação de todas as empresas envolvidas no processo, seja na consultoria, projeto, execução, manutenção ou operação, além de um cuidado especial na definição do cálculo da carga térmica e das características da envoltória da edificação usando vidros de melhor qualidade, reduzindo a área envidraçada sempre que possível, e melhorando a estanqueidade. Estas e outras ações vão garantir a possibilidade de muito mais do que tornar os sistemas de climatização mais eficientes e sim toda edificação”, informa o engenheiro da Bry-Air.
Raulino chama a atenção para a possibilidade de troca de calor entre o ar descartado do ambiente e o ar exterior admitido se tornar mais viável quanto maior for a diferença de estado entre estas massas de ar. Em climas extremos onde o ar exterior está a 20ºC negativos e o ambiente está a 18ºC a diferença de 38ºC proporcionará uma troca de calor elevada em um recuperador.

“Os recuperadores se tornam mais efetivos quanto maior for a diferença de temperatura e o percentual de ar exterior a ser admitido no ar insuflado no ambiente. Locais com alta densidade de ocupação como auditórios e templos, são aplicações interessantes, por ouro lado locais onde a diferença de temperatura entre interior e exterior, durante a maior parte do ano, for inferior a 8ºC, serão locais onde os recuperadores não terão investimentos com pay back atrativo. Já as rodas

entálpicas são equipamentos de recuperação de calor mais eficientes que os trocadores fixos, além de ser tratados superficialmente com dessecantes, têm a capacidade de transferir umidade. Não há garantia que ao longo da operação da roda entálpica haja efetiva estanqueidade entre as correntes de ar, e não se recomenda sua aplicação por causa da  contaminação cruzada entre os fluxos. Os trocadores de meios fixos de troca de calor têm aplicação mais frequente para pequenas vazões em sistemas splits e VRF. Têm custo elevado, mas se viabilizam quando aplicados em regiões com elevada diferença de temperatura interna e externa. Os recuperadores de calor em unidades resfriadoras de água, visando a utilização do calor rejeitado no ciclo frigorífico no condensador para aquecimento de água, se mostram uma aplicação de atrativo pay back. Nos chillers com arrefecimento a água, se economiza energia na bomba e no ventilador da torre, e, no consumo de água na torre e em centrífugas, se pode diminuir o lift com elevação do COP. A energia que seria rejeitada nas torres, ou nos ventiladores, no caso de chillers a ar, é usada para o pré aquecimento de água. Em aplicações em hotéis, hospitais ou indústrias, onde há utilização de água aquecida, é uma aplicação de alta viabilidade, economiza-se no sistema AVAC e no aquecimento da água de uso”, conclui Raulino.

Renovação do ar e a arquitetura

O arquiteto Petinelli enfatiza que “a renovação de ar é a saúde e bem estar de pessoas, sem dizer que também é Lei. É uma condicionante, e por isso o desafio se torna como fazer a renovação de ar com o menor consumo de energia possível. Primeiro, é necessário avaliar o quanto o ar externo realmente contribui para carga térmica e consumo de energia.  Dependo da situação, como um edifício de muito baixa ocupação ou em um clima temperado como o de Curitiba, pode ser inviável pensar em tecnologias como recuperação de calor”, diz ele.

Em geral, quando a renovação de ar pesa o suficiente no consumo para justificar uma ação, são duas as alternativas:

- Ventilação por demanda – controlar a vazão de ar externo no ambiente através de sensor de presença ou sensor de CO2.  Ao reduzir a vazão de ar durante períodos de ocupação parcial ou sem ocupação, é gerada a economia.  Essa estratégia é adequada para edifícios/ambientes onde o número de pessoas muda com frequência ou existem picos de ocupação muito grandes em relação à média (teatros, lojas, salas de reunião).  

- Recuperação de calor – Recuperar o calor do ar de exaustão para pré-tratar o ar externo.  Pode incluir a recuperação do calor latente e/ou sensível.  Para países tropicais, como o Brasil, quanto maiores as temperaturas externas, maior o potencial de economia.  Umidade também é um fator que deve ser considerado.

 

Ana Paula Basile Pinheiro

anapaula@nteditorial.com.br

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