Ar condicionado
Fontes geotérmicas e recursos naturais para a climatização
Estratégias evitam o uso de energia de alta qualidade
postado em: 16/10/2015 10:50 h atualizado em: 20/10/2015 09:33 h

A geotermia está associada à produção de água quente e/ou vapor para aplicações de aquecimento, mas pode-se utilizar o solo como meio de rejeitar calor para o resfriamento de fluidos na aplicação da climatização.

Segundo Alberto Hernandez Neto, Prof. Dr da POLI-USP, além do solo, pode-se utilizar aquíferos, lagos, ou rios como meios para rejeitar o calor no caso de sistemas de climatização. No caso de resfriamento, pode-se dividir os sistemas de resfriamento geotérmico no solo em captação rasa, tubulação horizontal enterrada entre 3 a 5 metros de profundidade, onde ocorre o resfriamento direto do ar que será insuflado para a edificação, e captação profunda, onde uma tubulação em U é disposta em poços de 60 a 90 metros de profundidade pela qual circula um fluido intermediário que rejeita o calor vindo do condensador do sistema.

“A escolha deve ser baseada nos níveis de temperatura em que se deseja rejeitar e no impacto da rejeição de calor, principalmente no caso de aquíferos, lagos ou rios. Para definir a vantagem de uma fonte em relação a outra deve ser feita a análise para cada situação. Já a temperatura do solo deve estar em torno de 18°C a 20°C, pois acima desta temperatura os ganhos de conforto térmico nos ambientes são reduzidos. Além disso, o uso deste sistema deve prever a regeneração periódica do solo. Isto porque, à medida que há a rejeição de calor para o solo, este solo começa a elevar a sua temperatura, reduzindo a eficiência do sistema. O local onde for instalado o sistema de resfriamento direto (captação rasa) deve ter ao longo do ano períodos em que se pode resfriar o solo (regeneração) para garantir a eficiência adequada do sistema. O resfriamento do ar de insuflação pode ser utilizado tanto no sistema de captação rasa quanto no de profunda. Em ambos, a temperatura do solo e as características deste devem ser avaliadas para verificar se o sistema permitirá um resfriamento adequado do ar. A estratégia para o resfriamento noturno da massa dos edifícios pode ser usada desde que, ao longo do período de ocupação da edificação e de operação do sistema de climatização, a temperatura de bulbo seco do ar em torno da edificação seja igual ou próxima da temperatura de insuflação do ar no ambiente climatizado”, explica Hernandez Neto.

Embora das fontes geotérmicas para a climatização de edifícios a mais comum é o subsolo do terreno, com captação e/ou rejeição de calor, o que pode ser feito por diferentes soluções técnicas, dependendo da disponibilidade de terreno etc., o mar é uma excelente solução, como também rios e lagos em localizações longe da costa.

Para Edison Tito Guimarães, diretor da Datum Engenharia, o uso da água do mar é sempre uma solução simples e de baixo custo. “Neste caso é preciso que os órgãos de meio ambiente entendam que o efeito de aquecimento da água do mar é desprezível, sendo muito mais importante a grande redução do consumo de energia elétrica devido a menor temperatura de condensação nas unidades resfriadoras. Sobre a utilização da água de subsolo para resfriamento/aquecimento radiante, basicamente não existe correlação entre as duas aplicações, podendo ser aplicadas de forma independente, pois, os circuitos hidráulicos são completamente separados. Um exemplo disto é a minha residência em Teresópolis RJ), onde as duas soluções foram aplicadas com completo isolamento entre os dois circuitos. Em princípio, a água do subsolo é apenas recirculada (em alguns casos ela é usada diretamente sem recirculação, mas não é o caso mais comum). Usando recirculação da água não existe necessidade de tomada de água no subsolo. Já os requisitos para utilizar o resfriamento direto do ar de insuflação aproveitando-se das condições geotérmicas, seria necessário ter uma temperatura bastante baixa do solo (ou da água do mar ou do subsolo), o que não é uma situação comum em nosso país. Existem sistemas instalados em países frios onde esta situação (usar o solo diretamente), mas em sistemas de pequeno porte, como, por exemplo, em residências. O resfriamento noturno da massa dos edifícios pode ser utilizado em locais onde o daily range (variação diária de temperatura externa) é grande o suficiente para permitir o resfriamento da estrutura durante a noite”, explica Guimarães.

Francisco Dantas, diretor da Interplan – Planejamento Térmico Integrado, acrescenta que a utilização de fontes geotérmicas de energia requer uma transição para uma apropriada concepção dos sistemas prediais de aquecimento e resfriamento. Tais fontes de energia se caracterizam por temperaturas próximas da temperatura do ambiente climatizado, por conseguinte, requerendo áreas de troca térmica bem maiores do que as exigidas pelos sistemas tradicionais que empregam fontes de energia de alta qualidade.

“Assim, as fontes naturais de energia térmica se caracterizam por suprir as necessidades das cargas com pequenos diferenciais de temperatura e altas superfícies de troca térmica. São os ditos sistemas de resfriamento a altas temperaturas e aquecimento a baixas temperaturas, ou seja, sistemas de baixas exigências exergéticas. Os sistemas radiantes das edificações termicamente ativas são o melhor exemplo, resultando em áreas totais de troca térmica bem maiores que as correspondentes áreas de piso dos ambientes beneficiados. A energia térmica pode ser obtida do próprio solo ou de água do lençol freático. A qualidade da energia disponível na fonte e os requisitos da carga é que define a escolha de cada uma. Na hipótese de energia armazenada no solo, a melhor hipótese é captá-la diretamente com o fluxo de ar conduzido através de dutos embutidos no solo. Na hipótese de energia armazenada no lençol freático, a melhor hipótese é captá-la através de trocadores de calor imersos na água. Entendo que o essencial é explorar as fontes em função das necessidades da carga. Por exemplo, o frio radiante nas edificações termicamente ativas com o emprego de água como fluido térmico intermediário e o ar externo resfriado e/ou desumidificado tratado diretamente com a energia térmica disponível no solo, sempre com temperaturas próximas do ar das dependências climatizadas, explorando as fontes de forma a não exceder os seus ritmos de regeneração”, orienta Dantas.

Museu de Arte de Bregenz, na Áustria, utiliza água do subsolo como suprimento da energia térmica aos sistemas de resfriamento radiante

Ele diz ainda que para captação da água de subsolo utilizam-se feixes tubulares imersos no lençol freático e fluxo secundário circulando pelo interior dos tubos, provocando a troca térmica por contato indireto entre o lençol freático e o fluxo secundário. Já para a utilização do resfriamento direto do ar de insuflação aproveitando-se das condições geotérmicas, Dantas recomenda que seja preferencialmente em contato indireto do ar com o solo, com os dutos de condução do ar embutidos no mesmo, utilizando, se necessário, tratamento complementar de desumidificarão para debelar a carga latente interna, empregando processo químico ou mecânico.

“A troca térmica entre o ar e o solo deve ser preferencialmente através de dutos condutores do ar em contato íntimo com o solo para usufruir da energia geotérmica disponível. Em regiões onde ocorrem grande amplitude térmica da noite para o dia, empregando-se lajes com vazios para circulação de ar com propósito de otimizar a troca de calor entre o ar e a massa construtiva”, explica o diretor da Interplan.

Ciclo economizador

“O ciclo economizador se torna interessante para utilização sempre que haja coincidência de baixa entalpia do ar externo com o horário de climatização da edificação. Para um projeto com ciclo economizador os equipamentos e componentes são idênticos aos tradicionais com a inclusão de registros de ar motorizados, automáticos, e ventiladores de retorno, ou expurgo. Num sistema de ciclo economizador há dispositivos que medem a psicrometria externa do ar e a energia instantaneamente utilizada na climatização, tanto na estação fria, quanto na estação quente seca, havendo disponibilidade de informações acerca da demanda instantânea e da potencialidade de obtenção da energia térmica por processos naturais, permitindo optar por esse último, sempre que possa haver equivalência, ou ‘superávit’ do processo natural”, informa Dantas.

Hernandez Neto acrescenta que existe a necessidade de instalação de dampers motorizados para controle da vazão de ar externo e de retorno bem como sensores de temperatura para avaliar a temperatura de bulbo seco do ar externo e do ar de retorno.

“Um sistema de ciclo economizador  desliga a produção de água gelada para utilizar o ar externo por meio de um sensor de temperatura de bulbo seco do ar externo, que informa o valor da temperatura, e o sistema de automação deve ser configurado de forma que, abaixo de um determinado valor (por exemplo, 15°C), o damper de ar externo deve ser acionado, aumentando a vazão de ar externo, a válvula de água gelada deve ser fechada e o damper de ar de expurgo deve ser aberto para garantir a circulação do ar .

“É necessário ter um ventilador para o retorno de ar, independente do ventilador de insuflação, além de um jogo de dampers de elevada estanqueidade e controles específicos para esta aplicação. O uso do resfriamento natural pelo uso do ciclo economizador reduz a carga térmica sobre a geração de frio, causando seu desligamento ou redução de capacidade. Isto ocorre de forma natural, com os controles da geração de frio atuando automaticamente”, complementa Guimarães.

Free cooling

Sobre o aproveitamento da capacidade das torres de resfriamento no sistema free cooling, Guimarães diz que vai de acordo com as condições meteorológicas. “Para isto é necessário um inverno com temperaturas externas razoavelmente baixas, ciclos de operação que envolvam de preferência operação 24 horas e/ou regiões com elevado daily range. Vale lembrar que o sucesso de um sistema free cooling está nas torres de resfriamento adequadamente dimensionadas, chillers que aceitem este tipo de operação e controles apropriados, além de um bom sistema de automação. A lógica pode variar de caso a caso, porém, basicamente as condições meteorológicas definem o momento em que a temperatura de bulbo úmido é suficientemente baixa para os chillers entrarem nesta condição. Existem vários aspectos positivos colaterais, como poder operar um sistema sem consumo de água (como se fosse condensação a ar) porém, com temperatura de condensação muito abaixo do que se conseguiria com condensação a ar ou a água. Existem ainda aspectos arquitetônicos positivos (não existem equipamentos de rejeição de calor como torres ou condensadores a ar), menor uso do espaço do terreno e ausência total de ruído na rejeição de calor. Temos o projeto do Hotel Westin Resort Cancun (México) com 1600 TR usando água do subsolo (com consumo zero de água) operando há 10 anos. Minha casa em Teresópolis está operando há 16 anos com 15 TR, usando o solo tanto no verão para rejeição de calor quanto no inverno (que é bastante frio naquela região) para aquecimento da casa e para geração de água quente sanitária”, informa Guimarães.

O uso do sistema free cooling dependerá dos níveis de temperatura de bulbo seco externo que permitam o resfriamento da água gelada sem a necessidade do acionamento dos resfriadores.

De acordo com Hernandez Neto, é necessária a modificação do sistema hidráulico da planta de água gelada para permitir o desvio da água gelada para a torre, bem como a instalação de sensores para o controle das válvulas que fariam este desvio (vide Quadro 1). A economia de energia tanto nos sistemas de resfriamento como de aquecimento são significativos e, no caso de sistema de aquecimento que são aplicados para geração de vapor, pode-se acrescentar a redução de uso de combustíveis fósseis, que promove uma redução no impacto ambiental causado por sistema de geração de vapor.

Dantas acrescenta que as torres de resfriamento se constituem em processo de resfriamento evaporativo direto. Sempre que ocorrem situações de baixa umidade absoluta do ar (baixas relações de umidade g vapor /kg ar seco), esses componentes assumem uma grande potencialidade para obter água recirculada a temperaturas suficientes para proceder resfriamento sensível das edificações. “Nos casos de construções termicamente ativas, dotadas de processos de resfriamento a altas temperaturas, podem proporcionar todo o frio necessário por processos naturais. Quando bem concebidos, esses sistemas podem operar também por processos híbridos, estendendo em muito sua potencialidade de economizar energia na climatização. Diria que o sucesso de um sistema free cooling depende da concepção do projeto, mais do que de conceito operacional de equipamentos, os quais são idênticos aos dos sistemas tradicionais de operação não providos das potencialidades climáticas do local. A definição da utilização do sistema deve ser tomada pela comparação entre a demanda térmica real necessária para a climatização e a potencialidade em obtê-la por processo totalmente natural (resfriamento evaporativo nas torres), ou por processo híbrido (parte natural e parte artificial com uso de refrigeração mecânica). As alternativas operacionais são obtidas com a manobra automática de válvulas motorizadas de duas posições nas redes hidráulicas”, informa Dantas.

Ele diz ainda que os benefícios dos recursos geotérmicos, além de evitar o uso de energia de alta qualidade (alto índice exergético), garante-se, também, a sustentabilidade da operação (equivalência exergética entre qualidade da fonte e exigência da carga), obtendo-se a maior redução possível do efeito equivalente total de aquecimento global (TEWI).

Edifício Solar XXI, em Lisboa, o ar primário é resfriado por energia térmica captada do solo

“Conhecemos vários exemplos, dentre os quais destacamos o Museu de Arte de Bregenz, na Áustria, edificação termicamente ativa com área total 3.750 m², dotada de 4.725 m² de superfície radiante de troca térmica, o que resultou em redução da vazão total de ar insuflada, de 25.000 m³/h para 3.000 m³/h de ar primário. É utilizada água do subsolo como suprimento da energia térmica aos sistemas de resfriamento radiante. Outro exemplo é o Edifício Solar XXI, em Lisboa, que utiliza o processo de ar primário resfriado por energia térmica captada do solo. O sistema constitui-se de dutos de condução do ar primário desde o exterior até às dependências climatizadas transpondo um aterro que armazena energia térmica durante a estação fria”, finaliza Dantas.

Funcionamento de sistema com free cooling

Durante a operação sem free cooling (Figura 1), o fluxo de água gelada passa pelo resfriador que rejeita o calor para a torre de resfriamento. Na operação com free cooling (Figura 2), o resfriador é desligado e as válvulas são acionadas para modificar o trajeto da água gelada, passando agora diretamente pela torre de resfriamento. Nas duas figuras, as linhas tracejadas representam tubulação sem escoamento. As operações de movimentação de válvulas e desligamento do resfriador são controladas pelo sistema de automação que, com base na leitura de sensor que informa a temperatura de bulbo seco externa, verifica se esta temperatura está no nível ou abaixo do nível definido para o acionamento do free cooling.

 

Ana Paula Basile Pinheiro <anapaula@nteditorial.com.br>

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