Salvador Norte Shopping utilizou vigas frias em conjunto com o sistema DOAS
(crédito: NT Editorial)
Ana Paula Basile Pinheiro
Os sistemas dedicados para o tratamento do ar exterior, mais conhecidos como DOAS - Dedicated Outdoor Air Systems - têm por função inserir nos ambientes condicionados, ou nas casas de máquinas que condicionam estes ambientes, o ar externo de renovação já devidamente tratado, ou seja, filtrado, resfriado e desumidificado, para que este não mais incorpore a carga térmica a ser atendida pelos demais equipamentos de ar condicionado da instalação. “Desta forma, os equipamentos dedicados exclusivamente ao tratamento do ar exterior de renovação devem ser capazes de insuflar o ar após este tratamento em temperaturas e umidades absolutas no mínimo iguais, mas preferencialmente inferiores, às desejadas no ambiente condicionado”, diz o engenheiro Marcos Santamaria Alves Corrêa, diretor da MSAC Soluções Térmicas.
Segundo ele a utilização de unidades dedicadas exclusivamente ao tratamento do ar exterior de renovação facilita a introdução deste ar nas vazões necessárias a cada ambiente, o que nem sempre ocorre em sistemas convencionais, principalmente em sistemas com VAVs e inversores de frequência, quando em cargas parciais em que as vazões de ar são reduzidas. Desta forma, o sistema DOAS facilita o cumprimento da NBR 16.401 capítulo 3 – Qualidade do Ar Interior no que tange a distribuição correta do ar externo de renovação.
Para Francisco Dantas, diretor da Interplan – Planejamento Térmico Integrado, a melhoria da eficiência enérgica de equipamentos e sistemas tem sido assunto recorrente em todos os setores produtivos. Algumas aplicações às quais se pode recorrer para consumir menos energia nos sistemas, bem como para melhorar o seu desempenho, aumentar a segurança e o conforto e, ainda, diminuir os custos associados, são as unidades de tratamento do ar dedicadas ao ar de renovação agregadas aos sistemas de recuperação de calor; desumidificação do ar, entre outros.
Ele explica que o sistema projetado para tratamento do ar externo utiliza condicionadores dedicados a essa função (Dedicated Outdoor Air Systems). No processo de tratamento do ar externo, procede-se o resfriamento do mesmo até atingir o ponto de orvalho (dew point), visando obter exclusivamente através do sistema de ar exterior capacidade suficiente para rejeição de toda a carga latente gerada internamente, seguindo-se reaquecimento do ar para prevenir ocorrência de condensação, em ciclo fechado com a própria instalação de resfriamento e, por conseguinte, sem perda de energia.
“O desacoplamento do consumo em cargas sensível (resfriamento) e latente (desumidificação) proporciona a produção da energia frigorífica por estágios de qualidade (exergia) resultando em economia de energia elétrica, se comparado a um sistema trivial com temperatura única da água gelada a 5°C, por exemplo, equivalente a 17% do consumo total na produção de frio. Mesmo que a implementação dos benefícios energéticos represente 3% do custo total (o que equivale a 13,7% do custo inicial de 22%), esse investimento seria ressarcido em menos de três anos, ou seja, dentro da vigência de um possível financiamento incentivado para redução do uso de energia, o que confirma a capacidade de auto pagamento. Impedir a implantação de providências para redução de consumo, em razão de contingenciamento de custo inicial, além de ser péssima decisão econômica é, também, evidente demonstração de descaso com a questão ambiental”, enfatiza Dantas.
Ele cita um exemplo de aplicação, no Shopping Difusora, localizado em Caruaru (PE). Para garantir a capacidade de rejeição da carga latente interna, a vazão de ar de insuflação do dito sistema é mantida constante, mas um sistema de dampers motorizados modulantes controla a vazão de ar exterior pelo nível de CO2 do ambiente, compensando a redução da vazão de ar exterior nas situações de baixa população presente no shopping com ar de recirculação, para manter a capacidade de combater a carga latente interna. Para o tratamento do ar de recirculação fez-se uso do processo de ciclo economizador. O ciclo economizador funciona por monitoramento da entalpia do ar externo, priorizando a utilização da energia geotérmica do local sempre que a condição climática externa apresentar vantagem em captar ar externo para substituir o ar de recirculação do processo tradicional. Unidades de tratamento de ar que operam com ciclo economizador geralmente dispõem de ventilador de retorno e ventilador de insuflação, para permitir o direcionamento do fluxo de ar de retorno para o condicionador, ou para o exterior. Em contrapartida, abre-se uma comporta para o exterior, através da qual é captado ar externo sob entalpia abaixo da do ambiente climatizado, evitando, ou reduzindo, a necessidade de refrigeração mecânica para o resfriamento do ar de insuflação. O ciclo economizador consiste, pois, em adicionar à unidade tradicional de tratamento de ar um ventilador e três comportas automáticas coordenadas entre si, que permitem expurgar o ar do ambiente, captar 100% de ar externo ou fazer uma mistura de retorno e ar externo, esta última para obter a condição desejada para o ambiente climatizado na hipótese de baixas temperaturas externas e sistema com vazão de ar constante (evitar resfriamento excessivo).
“O ciclo economizador adotado consiste de um modelo simplificado, o qual evitou o uso do ventilador de retorno, fazendo expurgo do ar através de abertura automática da porta de acesso ao mall a partir do estacionamento, enquanto uma comporta automática comunica o módulo ventilador das unidades de tratamento do ar de recirculação com o exterior, passando a operar com 100% de ar externo e mantendo a serpentina livre do fluxo de ar. Considerando o desacoplamento conseguido entre cargas de qualidades diferentes (sensível e latente), adotou-se sistema com volume constante de ar, para maximizar o uso do ciclo economizador”, informa Dantas.
Outro projeto que contemplou a utilização de sistemas dedicados ao tratamento do ar exterior foi o do Salvador Norte Shopping, localizado na capital baiana. O conceito do projeto foi norteado pelos seguintes pilares: respeito ao meio ambiente, respeito aos usuários que ocupam os espaços climatizados e a parceria no sentido que a sustentabilidade venha acompanhada da viabilidade econômica.
Movido por tais parâmetros, Dantas desenvolveu um conceito onde a produção de frio é estabelecida em patamares de temperaturas mais elevadas, fazendo com que o ciclo de refrigeração, independentemente do equipamento ou do fluido refrigerante, alcance a eficiência energética.
Ele explica que o primeiro passo é ter processos de tratamento do ar dos ambientes climatizados estabelecidos em estágios em função das necessidades. “Por exemplo, para a desumidificação numa região como a litorânea nordestina é necessário resfriar esse ar até 12°C, porém, resfriamos a uma temperatura bem abaixo dos 12°C. Se mantivéssemos os 12°C teríamos 1 grama de vapor d´água do ar tratado abaixo do que seria a necessidade do ambiente. Assim, utilizamos somente o ar externo, aproximadamente 25% dessa vazão, e desumidificamos para 6 gramas de vapor d´água por quilo e com isso obtemos a mesma capacidade de rejeição de carga térmica de desumidificação interna. Todo o restante do ar de circulação fica liberado para a temperatura que for conveniente, sem influenciar o processo de desumidificação”.
Dantas explica ainda que num sistema convencional, se o ar não estiver a temperatura de 12°C, não é possível controlar a umidade do ambiente. O escalonamento do frio, assim, ocorre através de diferentes temperaturas: a 4°C, a 10°C e a 14°C. Ou seja, a água que é produzida a 4ºC irá desumidificar o ar a 6ºC. Mas, alerta ele, este princípio deve estar baseado no desacoplamento entre cargas sensível e latente do ar de climatização e é possível apenas por meio do sistema DOAS – condicionadores dedicados ao tratamento do ar externo. Entre os equipamentos escolhidos pelo consultor para auxiliar no desempenho do sistema, estão às rodas entálpicas. “O clima do nordeste litorâneo, incluindo também o Rio de Janeiro e Vitória, é quente e úmido durante todo o ano. Mesmo nos dias de inverno, com maior volume de chuvas, a umidade é muito alta, então a entalpia do ar em todos os dias do ano é muito acima da entalpia considerada para o ambiente interno. Assim, a utilização de trocadores de calor, no caso as rodas entálpicas, promove a recuperação de energia do ar, reduzindo em torno de 60% da carga de resfriamento e desumidificação que seriam necessárias num processo de renovação de ar convencional”, revela o diretor da Interplan.
Sistema DOAS instalado no Hotel Mercury, em Aracaju
Benefícios da aplicação
Santamaria lista os principais benefícios gerados na implantação de sistema DOAS:
- Melhor Qualidade do Ar Interior (QAI), por conta do controle mais efetivo da umidade dos ambientes, mesmo em condições de cargas parciais, quando os sistemas convencionais passam a ser deficientes na desumidificação do ar por conta do aumento das temperaturas de insuflação, e por facilitar a distribuição deste ar nas vazões necessárias a cada ambiente, o que é mais difícil com um sistema de climatização convencional com tomada de ar externo de renovação na casa de máquinas dos equipamentos que atendem a vários ambientes diferentes através de uma mesma rede de dutos;
- Economia de energia no sistema de climatização, tanto por facilitar a utilização de sistemas de recuperação de calor como rodas ou cubos entálpicos, como também por propiciar o desacoplamento da remoção dos calores sensível e latente, possibilitando a operação com temperaturas diferentes para cada sistema, o que otimiza a performance dos sistemas, principalmente os de expansão indireta ( água gelada );
- Reduz custos de manutenção, pois permite que todo o calor latente da instalação, tanto o do próprio ar externo, como também o produzido no ambiente pelas pessoas e outras fontes, seja removido de forma independente, o que possibilita que os demais equipamentos possam operar “à seco”, reduzindo o trabalho de manutenção das serpentinas, o que também reduz o risco de proliferação de fungos e bactérias que normalmente se formam na presença da água condensada nas serpentinas que escorre para as bandejas de condensado;
- Possibilitam a utilização de sistemas de climatização por radiação e por “displacement ventilation”, que aumentam ainda mais os ganhos de eficiência energética e de melhoria da qualidade do ar interior.
Sob o ponto de vista de Santamaria, o DOAS é ideal para quaisquer situações, em especial para aplicações de climatização por radiação, e em locais de alta entalpia do ar externo durante todo o ano, quando a utilização de sistemas de recuperação de calor podem operar por longos períodos.
“Os citados por Dantas, especialmente o do Salvador Norte Shopping, onde a tecnologia de vigas frias ativas foi utilizada em conjunto com o sistema DOAS, são a meu ver o melhor exemplo da utilização deste sistema como projetos “state of art”, visto que até a própria água de condensação nestes equipamentos é aproveitada para atender termicamente aos fancoils das casas de máquinas dos chillers e, na sequência, ajudar no abastecimento da água de reposição das torres de arrefecimento, reduzindo desta forma também o consumo de água. Outro exemplo da aplicação deste sistema ainda não muito difundida no mercado brasileiro é o do novo CPD do Banco Santander onde o sistema DOAS foi utilizado para controle da umidade das salas de TI”, comenta Santamaria.
No caso do CPD do Banco Santander, previsto para se inaugurado em 2012, em Campinas (SP), a utilização de fancoils de tratamento de ar externo capazes de trazer a umidade do ar exterior para cerca de 8,29g/kg (equivalentes ao ponto de orvalho de 10,0ºC, ideal para este tipo de ambiente), possibilitou que todos os fancoils de precisão que atendiam as salas de TI trabalhassem removendo apenas calor sensível, dispensando portanto a utilização das tradicionais resistências de aquecimento com elevado consumo de energia, e que também trariam aumento significativo na infra estrutura elétrica da instalação, que por sua redundância já tem custos dobrados em relação as instalações de conforto. Com isto, não só se economizou energia para se controlar a umidade sem uso de resistências elétricas, como também os fancoils de precisão puderam ser abastecidos com água gelada em temperatura superior aos 7,0ºC convencionais, o que possibilitou a redução de mais de 12% no consumo de energia dos chillers.
Danilo Decoussau, gerente comercial das Indústrias Tosi, destaca que o sistema DOAS permite principalmente trabalhar com o volume da ar de renovação conforme a necessidade de cada ambiente. Isso aplica-se a casos de sistemas que usam caixas VAVs, as quais trabalham com vazões baixas à cargas reduzidas, assim como sistemas por radiação (tetos e vigas frias ), tratando-se o ar conforme a necessidade do volume de renovação.
Ele cita a aplicação no Edifício Infinity Tower: “O sistema DOAS permitiu uma diminuição da carga térmica de ponta e por consequência a diminuição da capacidade dos equipamentos de resfriamento. Isso proporcionou tanto economia na demanda contratada e na energia ao longo do ano. Vale lembrar também os créditos somados à obtenção da certificação de prédio verde pelo LEED. Com o sistema DOAS, principalmente com aplicação de ERVs, pode-se conseguir uma redução significativa na carga térmica do prédio, o que diminuirá o tamanho e, consequentemente, o consumo da instalação. Se optar-se por utilizar sistemas radiantes (teto e vigas frias) ou sistemas de baixa vazão de ar (displacement flow) também pode-se obter uma melhor eficiência com o aumento da temperatura de água gelada a ser fornecida pelo chiller. Neste caso, a economia pode chegar a 4% para cada grau centígrado de aumento de temperatura de água gelada”, informa Decoussau.
Recuperadores de energia: exemplo de roda entálpica
Eficiência agregada
Equipamentos ativados termicamente em processos como os recuperadores de energia, tratam com eficácia as cargas de desumidificação para o tratamento do ar nas unidades DOAS, evitando as máquinas de refrigeração por compressão mecânica acionadas por eletricidade, ou reduzindo a necessidade delas e maximizando sua eficiência energética
Recuperadores de calor são equipamentos dotados de rodas térmicas ou trocadores de placas ar/ar que permitem que seja aproveitado o frio do ar de retorno que está sendo desprezado ou expurgado.
“O recuperador de energia tem como objetivo recuperar a energia térmica jogada para fora do edifício pelo sistema de exaustão e transferindo esta energia gasta através do sistema de ar condicionado, para a tomada do ar externo, diminuindo a carga. Esta redução de carga térmica externa, dependendo da velocidade, pode chegar a 80%, representando uma economia no consumo de energia em torno de 20%”, explica Luiz Roberto Dzialoschinsky, desenvolvedor de negócios da DRI.
Ou seja, o ar de renovação troca calor com o ar que retorna do ambiente e está sendo desprezado para atmosfera. Dessa forma pode-se reduzir muito o consumo de chillers ou condensadoras, principalmente em sistemas de 100% de ar externo.
“A entrada de ar externo, depende da abertura de portas e janelas e, também, de frestas e exaustão de sanitários. É uma instalação bem simples, ideal para pequenas obras. Mas para um shopping pode não ser o suficiente para cumprir as exigências da Anvisa quanto as taxas de renovação de ar. Neste caso é indicado a instalação de rodas entálpicas para garantir a quantidade de ar exterior desejado no ambiente”, diz Dzialoschinsky.
Assim, a recuperação de energia pode ser aplicada nos casos de condicionadores que operam com vazões de ar maiores que as necessárias pelo cálculo psicométrico. Estas condições ocorrem quando o número de re-circulações são elevadas, geralmente para que se mantenham os níveis de filtragem dos ambientes, ou seja, a aplicação dos recuperadores é viável sempre que um condicionador opere com elevada taxa de ar externo e que posterior à serpentina de resfriamento e desumidificação seja necessário o reaquecimento. São casos em que o controle de umidade é fundamental. Essa solução permite que seja diminuída a capacidade requerida de resfriamento (chiller ou condesadora) bem como diminui ou elimina o consumo de água quente, vapor ou eletricidade no reaquecimento.
A aplicação consiste em utilizar no condicionador uma serpentina de pré-resfriamento interligada em sistema fechado com uma serpentina de reaquecimento. O calor é trocado através da água que re-circula em um sistema fechado, sendo este sistema provido de uma pequena bomba auxiliar. A água “fria” entra na serpentina de pré-resfriamento, troca calor com o ar que entra no condicionador, saindo “quente” deste primeiro trocador. A água quente caminha até a serpentina de reaquecimento e troca calor com o ar frio e desumidificado que acaba de sair da serpentina de resfriamento. O ar que agora chega à temperatura ideal ou próxima dela para insuflação resfriou a água que, novamente, irá fazer a função de água fria na serpentina de pré-resfriamento.
“A vantagem do DOAS é uma economia de energia em escala, pois você consegue diminuir o tamanho das unidades internas, que passam agora a tratar somente o ar interno, diminuindo a potência de bombeamento de água gelada, isso diminui custos de instalação, como tubos, isolamentos e etc. e finalmente pode diminuir a vazão de ar das unidades internas, se o ar externo for insuflado a 10ºC abaixo do dew-point interno, deixando as unidades internas a tratar somente o calor sensível interno”.
Uma obra que vale a pena se destacar, diz Dzialoschinsky, é o Hotel Mercury de Aracajú (SE). A instalação possui dois sistemas de tratamento de ar exterior com roda entálpica, onde o ar dos apartamentos é expurgado pelo banheiro e o ar exterior é injetado nos apartamentos já pré-tratado, deixando a unidade interna, um hi-wall hidrônico, a tratar somente a carga térmica interna do apartamento.
“O Hotel Mercury de Aracajú possui dois sistemas de DOAS (Sistema de Tratamento do Ar Externo), com roda entálpica, um em cada extremidade do edifício. A recuperação de cada roda entálpica no pico de verão é de 52 kW de um total de 67 kW de carga térmica do ar exterior. Sobrando assim para o sistema de água gelada uma capacidade de resfriamento de apenas 2 x (67-52-kW) x 860 / 3024 = 8.5-TR. Se não tivesse roda entálpica, a carga térmica do ar exterior seria de 2 x 67 x 860 / 3024 = 38.1-TR. Ou seja, a roda entálpica gerou uma economia de 38.1 – 8.5 = 29.6-TR. Uma redução de 77.7%. O fan-coil insufla o ar externo na condição de conforto, 24 ºC. Quanto à contaminação cruzada entre o ar exterior e o ar de exaustão, não houve, pois os ventiladores foram colocados a jusante da roda entálpica e a pressão de exaustão ficou bem mais negativa do que a pressão do ar externo devido a dutos, grelhas e roda entálpica, contra os filtros e ar externo e a própria roda”, informa.
Dantas acrescenta que o calor dos sistemas de refrigeração (energia térmica) pode ser aproveitado por meio desses equipamentos, como é o caso dos recuperadores de energia.
“Pode-se fazer uso da energia térmica contida nos gases de descarga dos sistemas de geração de energia elétrica, para suprir as necessidades de aquecimento e de refrigeração das edificações, ou indústrias, reduzindo o uso de energia primária e minimizando os impactos causados ao meio ambiente, quer seja pela redução das emissões e contaminantes químicos, quer pela redução da temperatura de descarga, dos 500°C triviais médios para cerca de 50°C”, informa Dantas.
Segundo ele, ao invés de majorar a necessidade de geração de eletricidade e, consequentemente, o desperdício de energia térmica e a agressão ao meio ambiente, racionalizam o uso dos recursos energéticos, transformando energia degradada em energia nobre.
“A aplicação dessa alternativa poderia reduzir em 50%, e até mais, a demanda por energia elétrica nas edificações e evitar em cerca de 20% as emissões de gases de efeito estufa, e ainda eliminar o aquecimento global direto provocado pelos gases da combustão em até 90%”, explica Dantas.
Os sistemas de adsorção por rotores dessecantes, afirma o diretor da Interplan, além de promoverem a racionalização já abordada do uso da energia, descontaminam o ar dos sistemas de climatização através de processo de co-adsorção de compostos orgânicos voláteis (VOC) contidos no ar, resultando em melhoria da qualidade do ar interior (QAI) e em economia de energia em razão da redução da necessidade de ar renovado que propiciam.
Desacoplamento entre cargas sensível e latente
O desacoplamento entre cargas sensível e latente permite o escalonamento da produção da água gelada em três patamares distintos, cujo objetivo é dotar de eficiência a produção da energia frigorífica.
É possível, com esse procedimento, produzir a mesma energia frigorífica, despendendo, em média, 20% menos de energia elétrica (melhora progressiva do COP). Nas situações em que a entalpia do ar externo igualar o valor da entalpia no duto de insuflação das unidades de tratamento de ar, a central de água gelada será desativada 100%.
Caso a temperatura interna seja obtida por processo natural de climatização (ciclo economizador), mas a umidade atinja valor acima do limite estabelecido (60%), acionam-se apenas os estágios de baixa temperatura das unidades de tratamento do ar externo e a unidade resfriadora específica de baixa temperatura que alimenta as cargas de alto fator de calor latente, passando a operação da instalação a ser controlada pelos sensores de umidade. O ciclo economizador será ativado através de comparação entre a entalpia do ar externo e a entalpia do ar insuflado pelas unidades de climatização. Sempre que indicar uma economia de 10% ou acima, o sistema de ciclo economizador será ativado. A central de água gelada completará, quando necessário, o processo de climatização.
Salas de TI – CPD Santander
Pelas condições climáticas da região de Campinas (SP) e por se tratar de um ambiente que não gera calor latente uma vez que o número de pessoas é desprezível, predominando a carga térmica sensível de equipamentos, houve uma especificação diferente de tratamento do ar em relação a desumidificação e no escalonamento de temperaturas para climatizar as salas de TI. Os fancoils dedicados ao sistema de tratamento de ar externo (DOAS) possuem três serpentinas, uma delas alimentada por um chiller exclusivo com a função de trazer o ar entre 9°C a 10°C atingindo o "dew point" nominal para as salas de TI segundo a recomendação atual (2008) da ASHRAE para o ar de entrada nos equipamentos de TI. No Comand Center a climatização contemplou o sistema "displacement ventilation". Neste ambiente o ar é insuflado nos degraus para o ambiente a 20ºC com retorno que pode chegar a 30Cº. Optou-se pelo escalonamento da temperatura da água e sistema DOAS. Por conta disso foi dimensionado chillers com escalonamento de temperaturas e fancoils dedicados para tomada de ar externo. De acordo com o baseline da Ashrae conseguiu-se alcançar 36% de economia de energia com a adoção destas tecnologias.
Ana Paula Basile Pinheiro - Editora da revista Climatização & Refrigeração