Construção
Entendendo a termodinâmica para a recuperação de calor
Eficiência energética a partir de soluções de engenharia
postado em: 13/07/2015 11:19 h atualizado em: 22/07/2015 11:33 h
Na zona litorânea do Brasil, como Recife, é recomendado o uso de recuperadores de energia de ventilação
(crédito: Nova Técnica Editorial)

Francisco Dantas mostra como usar as leis da termodinâmica para otimizar o uso da energia e especificar os métodos mais eficientes de acordo com as condições climáticas

Estamos cada vez mais convencidos de que para praticar a sustentabilidade e economizar energia é necessário fazer uma compatibilização entre qualidade de energia e requisitos das cargas. Em outras palavras: altas temperaturas de resfriamento e baixas temperaturas de aquecimento. Neste entendimento, o primeiro passo é entender a qualidade da energia; sem isso não haverá economia de energia e tampouco sustentabilidade. A energia tem qualidade e é mais importante se preocupar com a qualidade do que com a quantidade.

A abordagem pela quantidade é a convencional. Por exemplo, em vez do chuveiro elétrico apela-se para um queimador para fazer o aquecimento da água sanitária, sem se preocupar que diante da primeira lei da termodinâmica ele tem uma eficiência energética ótima, de cerca de 80%, mas do ponto de eficiência exergética alcança 3% ou 4%, ao provocar uma chama de 1.700ºC para obter água a 43ºC.

Cito como exemplo um trabalho que fiz para um condomínio residencial de Salvador em 2009. Os investidores queriam um sistema de ar condicionado para um salão de festas do clube do condomínio, que devia ser da ordem de 100 TR de potência instalada. Havia uma piscina que necessitava de aquecimento. O ar condicionado pretendido era por expansão direta, do tipo splitão. Propus fazer um sistema de self contained com condensação a água, cuja água de condensação faria o aquecimento da piscina. Resultou que a temperatura da água da piscina, em torno de 29ºC, estaria num nível de exigência que dispensaria o calor recuperado por um dessuperaquecedor na descarga. Nós propúnhamos, assim, um sistema de trocador de calor de placas no circuito hidráulico. Às 5 da manhã, início de funcionamento da academia, a água da piscina estava à temperatura mais baixa do que você obtinha com a água de alimentação dos condensadores; a água da bacia das torres, antes de ir para os condensadores, passava no trocador de calor que fazia um pré-aquecimento e, quando voltava, passava por trocador de calor para um pós-aquecimento. Este estágio de pré-aquecimento acelerava o tempo para vencer a inércia da piscina por recuperar de um lado e do outro. Por exemplo, se a piscina estivesse a 22ºC e a água de saída da torre de resfriamento a 27ºC, esta passaria neste trocador de calor com a água a 22ºC, obtendo a água a 25ºC, aumentando a eficiência do ciclo de refrigeração. Na sequência, passaria em outro trocador de calor, cruzando com esta mesma água que voltava dos condensadores, antes de voltar para a torre de resfriamento. 

Ou seja, o que pode ser feito em termos de recuperação de energia está voltado para o entendimento do consumo de energia que existe ali. Chegava uma hora que a água da piscina já estava entre 27ºC e 28ºC e aquele trocador de calor não funcionava mais. É uma forma de identificar os processos, a qualidade da energia e a que ela se presta para fazer os processos de recuperação de calor. A exemplo do que acontece com a automação, o céu é o limite. Então, entendo que a mente é o limite para se entender bem os processos em toda a sua plenitude. Existe uma matéria numa revista da Ashrae que perguntava:

Heat recovery or heat pump? Ou seja, recuperação de calor ou bomba de calor? Esta resposta nunca é A ou B, depende do clima e da região onde está a instalação para a qual se pretende dar uma solução. 

Em outra direção, poderia citar um hotel no Cabo de Santo Agostinho, região metropolitana do Recife, cujo projeto contemplou uma bomba de calor para aquecimento de piscina que não tinha razão de ser, pois apenas com a recuperação de calor da compressão, principalmente aqui no Nordeste, se obteria um calor muito melhor e com mais eficiência do que usando bomba de calor, que exigia elevar a temperatura de condensação. 

Planalto Central, devido ao clima seco, o ideal é fazer free cooling a partir da água das torres de arrefecimento

É preciso olhar os requisitos necessários de energia térmica e, a partir daí, programar a instalação para atender ao que se propõe. É a maneira mais econômica, energeticamente eficiente e ambientalmente mais amigável de fazer o sistema de ar condicionado integrado ao sistema de aquecimento predial. 

Uma vez estabelecida tal premissa, pode-se partir para escolher qual o melhor sistema de recuperação de calor para um sistema de climatização. No lado do calor, os recuperadores de calor (heat recovery) ou serpentinas dessuperaquecedoras nas descargas dos compressores. Em climas frios, onde houver pequena demanda de ar condicionado no inverno, o recomendável seria uma bomba de calor, sem dúvida alguma. Sempre dando preferência ao sistema de dessuperaquecedor, porque mesmo em regiões frias existem setores da edificação que são centrais, sem contato com a envoltória, e precisam de refrigeração. Falo para uma aplicação convencional, como um hotel. Mas se pensarmos em um call center, ou data center, não restariam dúvidas que há uma carga que necessita ser combatida e, excetuando-se a zona de perímetro, que por vezes precisa de calefação, mas nas zonas centrais você continua precisando fazer o resfriamento, principalmente na atual fase dos edifícios onde se tem cuidado muito grande com a envoltória: mitigação da  perda de  calor no inverno e do ganho de calor no verão. A carga de transmissão, que é o que contará quando muda a estação do inverno para o verão, representa uns 15%. Se no verão ela é 15% de carga de aquecimento, no inverno esta é zerada, ficando 85%. Se considerarmos que a perda de calor da carga de resfriamento está entre 10% a 15%, então 75% da carga permanecem, fazendo-se sempre necessária a refrigeração e, por conseguinte, permitindo fazer o aquecimento da água predial com calor recuperado com dessuperaquecedor, ou seja, um heat recovery. 

Se olharmos pelo lado do resfriamento, do lado do ar e não da água sanitária predial, veremos grandes vantagens nos recuperadores de energia de ventilação. Isto é indiscutível mesmo em regiões onde o inverno dura 3 meses. O que é preciso verificar é se em regiões secas, como Brasília, no Planalto Central, não seria mais conveniente apelar, durante a estação fria, para o ciclo economizador ou um free cooling e, na estação quente e seca, para um resfriamento evaporativo. Talvez isto dispense o uso de recuperadores de energia de ventilação, pois faz-se um processo usando a potencialidade do clima, frio e seco no inverno, e quente e seco no verão.

Mas, em regiões com clima quente e úmido é indiscutível que a recuperação de energia de ventilação é fator fundamental: combate 65% da carga do ar exterior, que podem representar de 15% a 20% da carga total. Mas ao se fazer deve-se desonerar a potência da instalação, já deduzindo esta carga, e não adicionar este custo e manter o sistema de produção de refrigeração com a mesma potência, o que se configura um erro. É, no mínimo, não acreditar naquilo que está se propondo. É um processo quase que auto pagável. Os recuperadores de energia de ventilação têm um custo de pay back virtualmente nulo. O custo estará compensado pela desoneração feita pela redução da potência de refrigeração por processos artificiais. 

Na comparação entre sistemas, como já observamos acima, as rodas entálpicas proporcionam recuperação de energia maior do que os trocadores de calor de placas em regiões de clima quente e úmido, como toda a zona litorânea que vai do Rio de Janeiro até Macapá, incluindo a Amazônia. Já em regiões como Brasília isto não é verdade, pois a roda entálpica trabalha muito com a redução da carga latente e naquela região é muito raro existir isso. Parece que apenas durante dois meses por ano existe uma umidade absoluta mais alta, mas mesmo assim muito mais baixa que nas demais regiões e por curto período de tempo. Eu discuto, inclusive, o uso de recuperadores de energia de ventilação em tais regiões. 

Outra coisa a se considerar na comparação entre os trocadores de calor de placas e as rodas entálpicas é a questão do pequeno fator de contaminação cruzada, pois mesmo se fazendo uma purga, que normalmente se faz, da ordem de 5% para a prevenção, eu diria que é temerário o uso em instalações que exijam rigoroso controle da qualidade do ar. Apesar que não se trata de ar contaminado, mas sim equivalente àqueles outros 80% que ficaram no ambiente. Mas no caso de usar isto para fazer uma exaustão de banheiros, este ar passaria a ser contaminado.  Além de instalações de ar em sanitários, em instalações de hospitais, laboratórios e áreas de produção de medicamentos o mais seguro é usar os trocadores de calor de placas. 

Resumindo: rodas entálpicas levam vantagem, devido à quantidade de energia que recuperam levando em consideração regiões de alta umidade absoluta, e que são 54% do território nacional; os trocadores de calor de placas, pela segurança de não haver mistura entre o ar novo com o ar de recirculação, apresentam-se mais indicados nas demais situações. 

Acredito que, dentre os projetos que concebemos, dois são emblemáticos no que toca à recuperação de energia. Trata-se dos shoppings RioMar Recife e RioMar Fortaleza. Fazer o reaquecimento do ar desumidificado com a água gelada pode parecer um processo inusitado. A rigor a água gelada nunca teria condição de temperatura para fazer uma troca de calor invertida com o ar, pois o ar é o fluido quente e a água o fluido frio. Mas ao fazer o processo de desacoplamento total entre cargas e ter uma temperatura de orvalho do ar de desumidificação da ordem de 6ºC ou 7ºC, tem-se uma diferença de mais de 10ºC em relação ao ar de saída do primeiro estágio de resfriamento que é de 18,5ºC. Se pegamos aquela água gelada de saída e trazemos para o final do processo do ar exterior, este estará a 6ºC ou 7ºC e a água a 18ºC ou 19ºC. Então a água passou a ser o fluido quente e o ar o fluido frio. Esta interação permite fazer o reaquecimento e aquele calor produzido no reaquecimento do ar passa a ser um fator de resfriamento do lado da água, num processo de ciclo fechado onde o ar passou a resfriar a água naquele estágio final e não o contrário como aconteceu no início, no primeiro e segundo estágios. Além disso, a água gelada é produzida em três estágios crescentes de temperatura e, também, consumida em três estágios crescentes de temperatura, resultando em maximização da eficiência exergética (melhoria do COP total).

Diagramas mostram a utilização da água das torres de arrefecimento para aquecimento de piscina (fluxogramas 1 e 2 e legendas)

Onde começa e onde termina cada conceituação? Quem dirá é o processo, o conhecimento do profissional, o desenvolvimento do projeto e a capacidade de fazer tais processos de integração e recuperação. Outro exemplo é o caso da Simas, indústria alimentícia do Rio Grande do Norte. Havia, no local, um pequeno chiller para o resfriamento da água de processo, que saía a 42ºC, necessitando ser levada para 21ºC. Em resposta, fizemos um sistema de três chillers em série, com a mesma vazão para cada um, de tal maneira que a água entrava a 15ºC e saía a 4,5ºC para ser usada na desumidificação do ar e, ao sair a 15ºC, passava por um trocador de calor que fazia o resfriamento da água do processo, que, como já informado anteriormente, entrava a 42ºC e saía a 21ºC, chegando esta água aos 18ºC, que é aproximadamente a temperatura de retorno que já estamos acostumados a usar. Mais uma vez tratou-se de uma integração, onde um sistema atendia a diversos usos. 

A recuperação de energia pode ser obtida de várias formas. No shopping RioMar Recife, por exemplo, um sistema de 5.600 toneladas de refrigeração teve 1.418 TR feitas com recuperadores de energia de ventilação e 696 TR recuperadas neste processo de reaquecimento que, se fosse feito com a água da torre de resfriamento, teria recuperação de magnitude insignificante. Então, insisto, está ligado à capacidade que se tenha para enxergar a integração dos processos. Mas eu digo que em instalações de troca de energia térmica do lado frio e do lado quente as oportunidades são imensas. Basta identificar e ter a capacidade de organizar, no lado do consumo, os fluxos energéticos de tal forma que favoreça a produção daquela energia do lado da central de produção. Em muitos casos é possível eliminar a central térmica de aquecimento e fazer com que calor e frio sejam produzidos de forma integrada. 

Fui chamado, certa vez, para ver uma instalação da Guararapes Têxtil, que há 18 anos operava com dois chillers funcionando como bomba de calor, produzindo o ar condicionado da fábrica e mais 25 mil litros de água quente a 50ºC. A queda de rendimento era muito grande na máquina de refrigeração. A necessidade da tinturaria era de 5 mil litros de água a 75ºC, o que se obtinha por um processo complementar de queima de gás natural.  Os 20 mil litros restantes, a 50ºC, eram levados para a torre de resfriamento para alcançar os 30ºC. O que se gastava com gás natural no segundo estágio era muito menos do que o que se gastava a mais no processo de condensação. Fizemos um sistema para eles que usava apenas os gases de descarga do chiller, o que atendia plenamente a vazão horária de 5 mil litros, através de dessuperaquecedor e sem necessidade de usar queima de gás e tampouco influir na temperatura de condensação.

Recuperava-se (?) calor em alta quantidade e baixa qualidade, quando se necessitava de alta qualidade e baixa quantidade. O processo indicado era, pois, heat recovery, e não bomba de calor.

O consumo mensal de energia elétrica foi reduzido de 350 MWh para 209 kWh (redução da temperatura de condensação de 54°C para 37°C), além de ter sido zerado um consumo mensal de gás natural de 11.800 Nm³ (eliminação do 2º estágio de aquecimento da água quente de 50°C para 75°C). 

Finalmente, é importante dizer que, dependendo do processo utilizado para a desumidificação do ar necessário para fazer o desacoplamento total entre cargas, se for utilizado o processo de dessecante químico ativo o ar exterior chega a atingir uma temperatura da ordem de 52ºC, tornando necessário fazer um resfriamento sensível deste ar. A melhor maneira é integrá-lo com o processo de preparação de água quente sanitária predial a 43ºC ou 45ºC, de forma que o resfriamento sensível deste ar em fluxo cruzado, pegando água a 25ºC numa caixa d´água, o ar chegará aos 28ºC, ao mesmo tempo em que aquece a água dos 25ºC para 45ºC, fazendo os dois processos integrados com custo energético virtualmente nulo. Nesta hipótese alcança-se a entalpia do ar externo mais baixa do que a entalpia do ar interno, sem uso de refrigeração mecânica. E obtém-se uma temperatura de água de uso para consumo, por exemplo, em banho, acima da temperatura necessária, numa integração completa e com custo energético virtualmente nulo.

Tomando-se o cuidado de colocar um sistema de arrefecimento em paralelo, pois, nem sempre será certo que ao desumidificar o ar se tenha demanda de água quente.

Francisco Dantas

Diretor da Interplan Planejamento Térmico Integrado, membro do Conselho Editorial da Revista Abrava-Climatização+Refrigeração e associado da ANPRAC

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