Palácio do Planalto - retrofit contemplou automação com sistema BMS que se comunica via gateway por meio do protocolo BacNet
(crédito: LG)
Ana Paula Basile Pinheiro
Desenvolvida para trabalhar junto, a automação embarcada em equipamentos que atendem sistemas de climatização gera diversas vantagens às instalações, a começar pela eficiência.
A definição da melhor tecnologia ou do melhor sistema a serem utilizados, no que diz respeito a automação embarcada, dependerá da aplicação e requerimentos específicos de cada ambiente, edifício e clima. Portanto, para a escolha do tipo de tecnologia e de sistema a ser utilizado, seja ele sistemas de água gelada ou VRF, o ideal é fazer um estudo caso a caso, com a utilização de softwares de dimensionamento, simulação e análise energética e econômica.
De acordo com José Romariz Filho, diretor desenvolvimento de negócios da Trane do Brasil, a eletrônica embarcada proporciona aos sistemas confiabilidade, proteção da máquina e economia de energia.
Confiabilidade porque com software em memória não volátil sabemos que a máquina vai executar exatamente o que foi programada para fazer. Proteção, porque o software escrito nos controladores vai sempre protegê-la de situações adversas. Hoje, uma queima de motor nos chillers modernos é raríssima. As máquinas se protegem até de operadores não qualificados e economia de energia uma máquina que trabalhe na faixa superior dos intervalos de seus parâmetros de controle vai gastar durante sua vida útil (20 a 25 anos) de quatro a cinco vezes o seu próprio preço em energia desperdiçada. Com a eletrônica, e uma manutenção adequada é possível fazer essa economia.
“A eletrônica embarcada é o desenvolvimento mais fantástico que vi em meus 38 anos de AVAC. Hoje um painel eletrônico monitora continuamente mais de 60 sensores que controlam todas as funções do chiller. Esses painéis tem capacidade de armazenar entre 60 e 100 diagnósticos (ocorrendo um alarme a máquina se auto diagnostica e armazena a informação), que em uma instalação estabilizada cobrem cerca de um ano de operação. Um técnico ao chegar na obra, liga o seu laptop ao painel da máquina e tem acesso a cerca de um ano de histórico de alarmes. Ele pode também baixar as leituras simultâneas dos 60 sensores de segundo em segundo. E fazer gráficos de qualquer variável em função de qualquer variável. É bem mais fácil do que no tempo em que eu comecei, em 1975. Para fazer uma leitura de cada sensor levávamos vários minutos andando em volta da máquina, e quando líamos o último sensor, as condições da máquina já eram bem diferentes da primeira leitura”, conta Romariz.
Ele lembra que a eletrônica atua como um imenso coletor de dados, direta ou aplicando inteligência escrita e embutida nos controladores (software), mas a grande quantidade de dados gerados ainda precisa de alguém preparado que os analise e produza inteligência. Então, o fator humano e fundamental. Isso posto, a eletrônica embarcada nas máquinas atua como um imenso amplificador de produtividade para esses elementos bem preparados. Assim, os controles embarcados na máquina, no caso os chillers, podem manter a correta aproximação entre fluidos nos trocadores de calor (approach), eliminar incondensáveis em chillers de baixa pressão, evitar operação em sobtensão, permite o uso de variação de fluxo no anel primário.
Se for utilizado um software de automação predial, as opções são bem maiores, como o reset de temperatura de água gelada, controle de demanda, otimização de CAG, minimizar o consumo de chillers + bombas+ torres+circuitos de água gelada e condensação, o uso intensivo de variadores de freqüência, e operar os chillers em sequência otimizada.
Romariz conta que no final da década de 70, a Trane adquiriu uma empresa especializada em eletrônica embarcada em equipamentos. Desde então vem aplicando mais e mais a eletrônica em seus equipamentos em geral e nos chillers em particular. No caso de unidades resfriadoras de líquido, são dotados de controladores microprocessados CH530 e AdaptiView que consolidam dados dos cerca de 60 sensores instalados nos equipamentos. O software de gerenciamento predial, o Tracer Summit, foi introduzido em 1993 e tem mais de 45.000 aplicações. Os equipamentos permitem integração e interoperabilidade a usuários através dos padrões de protocolos abertos e os incorporou como serviços inerentes à seus produtos BAS - BACnet e LonTalk.
Painel eletrônico monitora continuamente mais de 60 sensores que controlam todas as funções do chiller
Emilio Pancera, engenheiro de aplicação da Johnson Controls, acrescenta que o centro de controle em uma unidade resfriadora de líquido (chillers) gerencia toda a operação do equipamento, desde o simples liga/desliga, bem como atua sobre toda segurança a fim de manter a integridade do equipamento dentro de parâmetros de operação pré-definidos, e otimiza seu funcionamento segundo a demanda requerida, seguindo o melhor ponto de operação e menor consumo de energia.
“Oferecemos ao mercado equipamentos dotados de centros de controle microprocessados, e pelo controle é possível ainda a comunicação com redes externas e WEB através de protocolos de comunicação como o BACnet, ModBUS, LonWOrks, N2, entre outros. Atualmente, temos uma estratégia chamada CPO-10, que migra de um sistema de automação BAS para o novo sistema de otimização CPO (Chiller Plant Otimization). O CPO-10 é um processo onde ele identifica e opera o equipamento mais eficiente da planta, configura o sistema no ponto ótimo de operação, controla o sistema de forma mais eficiente, monitora, mede, ajusta e reporta aos operadores. Em resumo, a automação é a otimização na sequência de operação do sistema, monitoração e gerenciamento de dados para suporte a tomada de decisões operacionais e de manutenção, redução de desperdícios e racionalização de consumo energético. As maiores vantagens são a redução de custos, contribuindo para um mundo sustentável, com menor consumo de energia elétrica, a redução do uso de água, que é um recurso cada vez mais escasso, e a redução de emissão de sólidos e gases que contribuem para o efeito estufa”, afirma Pancera.
Ele cita como exemplo de aplicação o Shopping Iguatemi de Campinas - Campinas (SP) na substituição de unidades resfriadoras de líquido antigas e ineficientes por outras novas com tecnologia de VSD embarcada; o Shopping Iguatemi Alphaville – Barueri (SP) e Shopping Iguatemi JK - São Paulo (SP), novas instalações com automação embarcada com processo que identifica e opera o equipamento mais eficiente da planta, configura o sistema no ponto ótimo de operação, controla o sistema de forma mais eficiente, monitora, mede, ajusta e reporta aos operadores
Centralização de operação
A centralização da operação do sistema, seja do tipo VRF ou de água gelada, é destacada por Luciano de Almeida Marcato, gerente de engenharia de aplicação da Daikin do Brasil.
“Estes sistemas nos permitem monitoração remota ativa para linha VRF ou água gelada, possibilitando economia de energia, aumento da vida útil e redução do tempo de reparo das unidades, já que na maior parte das vezes o técnico vai atender ao chamado já sabendo do tipo de problema que será encontrado na obra. Como exemplo no Japão, a Daikin projeta aumento de vida útil média para o VRF de 16 a 19 anos, com uso do sistema de monitoramento e controle remoto”, informa Marcato.
Segundo ele, como conceito, a eletrônica embarcada nos sistemas VRF faz uso da eletrônica de cada unidade evaporadora e condensadora possibilitando que o sistema central de controle otimize a operação do sistema, adequando a produção de frio ou calor nas unidades condensadoras e sua distribuição para os diversos ambientes de forma a reduzir o consumo do sistema em cargas parciais.
Para sistema de água gelada, a maior velocidade de processamento dos controles dos equipamentos permite a sua operação com fluxo variável de água gelada no circuito primário, ou no sistema de água de condensação, gerando economia de energia para o sistema de geração/distribuição de água gelada para as unidades condicionadoras de ar (fancoils, Air Handlers e fancoletes).
“Além disto, vários sistemas hoje se utilizam de variadores de frequência nos compressores centrífugos, parafuso ou scroll, que reduzem sua rotação/velocidade e a geração de frio ou calor de forma proporcional, possibilitando economias operacionais, tanto devido ao uso em cargas parciais ou com menores temperaturas ambientes (chillers a ar) ou menor temperatura da água do sistema de torres de resfriamento (chillers a água), aumentando entre 35% e 40% o IPLV das unidades se comparado com sistemas de velocidade constante. Como benefícios, os sistemas VRF/Multi Splits contribuem para economia de energia, maior conforto do usuário e facilidade de operação e manutenção, já os sistemas de água gelada, geram também economia de energia, aumento da disponibilidade e da confiabilidade do equipamento, facilidade de interligação com sistemas de controles de terceiros com uso de placas de interface via protocolos abertos, sejam por ModBus, LonTalk ou BacNet”, explica o gerente de engenharia da Daikin.
Marcato lista as opções que a Daikin oferece aos usuários, tanto de sistemas VRF quanto para água gelada com automação embarcada: Sistemas VRV - I Touch- para a automação simples, tipo central, dedicado aos equipamentos; I Manager- para automação mais sofisticada, tipo central, sistema dedicado, periféricos (torres, bombas, ventiladores e exaustores) e com possibilidade de interface com sistemas de terceiros via protocolos de comunicação (BacNet, por exemplo); multi para aplicação residencial com possibilidade de interface dos sistemas de controle individualizados para serem monitorados e comandados por BMS de terceiros; Sistemas de Tratamento de Ar Externo Dedicado – DOAS – uso de equipamentos tipo Rooftop Inverter com controle diretamente ligado ao sistema central de controle do VRF para monitoramento, operação e facilitação da manutenção com alarmes , identificação de filtro sujo, etc; Sistemas de Rooftop VAV com sistema de controle central pré configurado de fábrica, reduzindo tempo de instalação e comissionamento em obra de até 40%, interligados à monitoração dos níveis de CO2 dos ambientes condicionados e à função de ajuste da vazão exterior de acordo com a ocupação do edifício; Chillers com condensação a água com módulo de controle para bombas de água gelada, de condensação e até das torres de resfriamento desde que dedicadas aos chillers eliminando sistemas de automação externos em projetos de arranjo hidráulico simplificado. Tal possibilidade elimina a necessidade de instalação de sistema central de controles em algumas aplicações; Chillers com eletrônica embarcada e dispositivos de partida rápida em caso de falta de energia, sendo a aplicação sugerida para instalações de missão crítica (hospitais, data centers) e fábricas, onde cada minuto sem geração de água gelada pode gerar imensas perdas aos usuários.
Automação permite controle individual do consumo das unidades de ar condicionado internas e externas
Unidades de ar condicionado
Thiago Arbulu, gerente de produto AE B2B da LG, destaca o controle individual do consumo das unidades internas e externas, limite máximo do consumo de energia e o gerenciamento dos níveis de acesso, modo agenda que possibilita gerenciamento total do funcionamento do sistema e o histórico de qualquer tipo de alteração e código dos sistemas VRF.
“A linha Multi V III lançada no mercado brasileiro em 2011, possui tecnologia embarcada em seus equipamentos que aumenta a eficiência energética, a confiabilidade de instalação, operação e manutenção. Conhecida como a FDD (detecção e diagnostico de falha), trata-se de um dispositivo que proporciona diagnóstico e back up de compressores e válvulas em tempo real, verificação da quantidade de refrigerante e checa automaticamente as conexões e comunicação entre as máquinas, identificando a localização da falha. Além disso, oferece sistema de automação central que permite controle total das unidades de ar condicionado, e monitoramento dos equipamentos periféricos de um sistema”, informa Arbulu.
Em relação a redução no consumo de energia elétrica, o gerente de produtos da LG diz que as soluções de automação não reduzem o consumo, porém oferecem ferramentas para evitar o desperdício, ou seja, garantem o consumo racional e consciente dentro das necessidades mínimas da instalação. Como por exemplo, os comandos de agenda delimitam os horários e dias de funcionamento, a determinação do consumo máximo evita que extrapole o consumo desejado e restrições de acesso ao sistema de controle não permite o mau uso dos condicionadores de ar.
“Recentemente, o número de edificações que estão pleiteando certificação tem aumentado significativamente, e da mesma forma, tem aumentado a demanda pelos sistemas de automação, como exemplo cito a obra do Palácio do Planalto, localizado em Brasília (DF), que utiliza um sistema BMS que se comunica com os equipamentos de ar condicionado via gateway de linguagem BacNet, e outra aplicação de retrofit em um edifício na região da Av. Paulista, em São Paulo (SP), onde foi instalado um sistema de protocolo fechado que permite gerenciamento do consumo e utilização, além do rateio do consumo de energia entre os condôminos”, explica Arbulu.
Andre Antonio Doro, gerente nacional de vendas da Midea do Brasil, compara o controle embarcado nos VRF ao cérebro humano: “O controle embarcado nos equipamentos de VRF, são como nosso cérebro, existe uma parametrização para que estes sistemas sejam utilizados em diversas aplicações e que suas condições de eficiência sejam mantidas próximas do “ótimo”, fazendo com que os usuários dos mesmos tenham um maior custo beneficio, gerando conforto, com o menor custo operacional e de manutenção. Hoje, a Midea do Brasil disponibiliza em seus equipamentos de VRF, o que há de mais avançado em termos de automação embarcada. Desde a concepção do sistema com a utilização de software de seleção desenvolvido por nós até o controle minucioso da operação do sistema. No que se refere a equipamento, possuímos uma inteligência embarcada, fazendo com que o sistema trabalhe em faixas de rendimento energético alta, podendo ser, muitas vezes, comparados com sistemas de água gelada. As condições operacionais dos sistemas VRF podem ser visualizadas via Web, em qualquer lugar do mundo em tempo real”, diz Doro.
Ele acrescenta que com este sistema de automação é possível ter o consumo instantâneo da instalação, criar gráficos de tendência possibilitando operar o sistema com maior eficiência energética.
“Imagine um edifício comercial contendo várias empresas de diversos tamanhos e características de consumo. Com a automação é possível ratear o custo do ar condicionado por unidade consumidora. Além do mais, o LEED leva muito em consideração a eficiência energética, logo, se dispomos de equipamentos com elevada automação embarcada, este terá maior eficiência energética e, consequentemente, contará pontos para a certificação. São diversos os benefícios, porém o principal é saber exatamente como o sistema está operando naquele momento, bem como possibilitar analisar o comportamento deste e com isso possibilitar melhorias operacionais”, revela o gerente da Midea.
Sistemas permitem monitoração remota ativa para linha VRF
Controle e monitoração
Segundo Romariz, durante a vida útil de um chiller (20 a 25 anos) o custo da energia que ele consome é cerca de 95% do desembolso total do cliente com esse equipamento, portanto, a eficiência no uso de energia deve ser o fator principal na escolha de um chiller.
“Um sistema de ar condicionado pode ser responsável por 60% da energia consumida em um prédio. Mesmo que um cliente compre a máquina mais eficiente que podemos oferecer, com seis meses de funcionamento essa máquina pode estar operando de forma ineficiente. Condensadores (ar ou água) sujos podem elevar muito o consumo de energia. A carga de refrigerante pode estar um pouco abaixo do valor correto. A vazão do evaporador pode estar um pouco fora do ponto. Tudo isso contribui para alterar substancialmente o consumo de um chiller eficiente. A eletrônica embarcada ou residente em um sistema supervisório nos permite monitorar e controlar isso”, informa Romariz.
Ele cita as duas maiores instalações de ar condicionado que conhece no Brasil que usam um sistema bem interessante. Ambas são da Petrobras, duas Usinas Termoelétricas (UTE): a Mario Lago (12 centrifugas de 8790 kW - 2500 TR) e a Barbosa Lima Sobrinho (8 centrifugas de 8790 kW 2500 TR).
“As turbinas usadas nessas UTEs perdem muito rendimento (cerca de 25% da capacidade) e consomem mais combustível (gás) se a temperatura do ar na entrada das turbinas for muito diferente do ponto de performance (15°C) e também consomem mais combustível. Então usamos água gelada produzida pelas centrifugas para resfriar o ar na entrada da turbina, que tem o mesmo efeito de um tubo compressor na aspiração de um motor de carro: aumenta o fluxo de massa de ar pela turbina, mantendo sua eficiência alta. Alem da eletrônica embarcada nos chillers, o sistema supervisório otimiza a operação dos chillers, torres bombas e gerencia o fluxo de água nos air houses. Esse sistema se chama TIAC (Turbine Inlet Air Cooling)”, explica Romariz.
Mas ele faz um alerta: “Boa engenharia é fundamental. Nenhuma tecnologia vai substituir um engenheiro fazendo um bom projeto. Um exemplo disso foi a palestra de Francisco Dantas no último CONBRAVA, e o melhor exemplo que eu já vi de um projeto eficiente. Fornecer equipamento para um bom projeto permite que a tecnologia execute o que foi bem pensado”, diz Romariz.
Investimentos
Existem muitas discussões sobre como mensurar o retorno sobre o investimento no sistema de automação. Esses sistemas geralmente são comprados durante a construção e previstos no projeto como uma parte de seu “budget”, para garantir benefícios ao empreendimento como performance, eficiência, segurança e facilidade de operação e manutenção. De acordo com Mauricio Noguti, diretor da Sysc, devido a grande quantidade de subsistemas presentes em uma edificação moderna (detecção de incêndio, iluminação, elevadores, ar condicionado, geradores, no-breaks, TI, circuito fechado de TV e medições de energia, entre outros), o sistema de automação deve ter a capacidade de integrar estes subsistemas de forma nativa ou por meio de protocolos padrão de mercado como BACnet, LonWorks e Modbus, entre outros, em sistemas de água gelada ou expansão direta.
“Na automação dos sistemas, geralmente o fator decisivo é o preço de aquisição. No entanto, para o usuário final, um dos fatores mais importantes é a economia durante o ciclo de vida da instalação. E no decorrer do tempo os custos mais significativos dentro da totalidade são os de manutenção, reparos e operação, incluindo toda a mão de obra de serviços especializados”, diz Noguti.
Ele destaca que o sistema de automação deve suceder um projeto elaborado para tal fim, e acima de tudo, entender o que se está contratando. E principalmente o propósito do sistema e sua automação embarcada.
“Pude observar muitos empreendimentos onde o sistema de automação requer um operador efetuando o papel do termostato através do software supervisório, ou seja, ele recebe um chamado de reclamação do usuário e intervém no processo através do acionamento de válvulas ou registros de volume de ar variável. Estes elementos devem funcionar de forma automática e o fato de colocarmos um operador para efetuar esta função distorce a definição do termo automação onde entendemos que o mesmo deve funcionar sem intervenção humana”, alerta Noguti.
A automação e o LEED
Fazer uso da automação embarcada nos equipamentos chamados de alta eficiência conta pontos para o LEED?
De acordo com Emilio Pancera, engenheiro de aplicação da Johnson Controls, no LEED existe um pré-requisito (EA C1 - Energia e Atmosfera, 1 a 19 pontos) onde o projeto deve ser inserido dentro de parâmetros de performance com redução forte no consumo de energia, portanto quanto maior for a tecnologia embarcada, melhor será o desempenho do equipamento contribuindo assim para a certificação LEED e valorizando o imóvel.
Segundo José Romariz Filho, diretor desenvolvimento de negócios da Trane do Brasil, o LEED NC (Novas Construções) garante que em um dado momento, aquela edificação cumpriu uma série de requisitos de sustentabilidade e o LEED O&M, que a edificação foi operada no período de performance de acordo com uma série de pré requisitos e é valida por três anos. Para que se consiga essa certificação, uma imensa quantidade de dados devem ser coletados, e armazenados, para demonstrar performance. E ai comprova-se a eficácia das medidas de conservação, por exemplo, de energia e água, onde é impossível de ser executar sem a automação.
Luciano de Almeida Marcato, gerente de engenharia de aplicação da Daikin do Brasil, acrescenta que a utilização de controles de última geração, trabalhando em conjunto com sistemas de inversor de frequência nos compressores otimiza o desempenho em cargas parciais do sistema de ar condicionado (IPLV ou IEER), que sempre é levado em conta nas simulações energéticas e segundo programa de certificação LEED, quanto maior a economia contra a base de consumo indicada na ASHRAE (base line), maior a pontuação gerada pelo sistema de ar condicionado para atingir níveis Gold ou Platinum, por exemplo.
Ana Paula Basile Pinheiro - editora da revista Climatização & Refrigeração