Foram comparados o custo inicial e os custos operacionais dos sistemas, envolvendo o consumo de energia e o consumo de água, no caso de condensação a água

Os anos que vão do final da II Guerra Mundial ao início da década de 1960 foram marcados por intensa produção cultural. No final dos anos 1940, por exemplo, foram criados o Museu de Arte Moderna (MAM) e o Museu de Arte de São Paulo (MASP), na capital paulista, ambos com acervo comparável aos mais destacados similares em todo o mundo. O primeiro, situado na marquise do Ibirapuera, tem projeto original de Oscar Niemeyer e o segundo, de Lina Bo Bardi.

Ainda, em 1948 acontece a criação da companhia Teatro Brasileiro de Comédia (TBC), também em São Paulo, notabilizada por grandes produções e pela quantidade de talentos que gestou. Cacilda Becker, Paulo Autran, Cleide Yáconis e Fernanda Montenegro são alguns dos nomes que por lá iniciaram suas carreiras. Importante salientar que essa foi uma época em que a elite empresarial do país financiava a arte e a cultura.

Foi com esse mesmo espírito que, em novembro de 1949, tinha início a Companhia Cinematográfica Vera Cruz. O projeto ambicionava equiparar a indústria cinematográfica brasileira à mundial, equiparando-se às nações europeias e aos Estados Unidos da América. A tarefa para dirigir as atividades foi entregue a Alberto Cavalcanti, consagrado cineasta então atuando na Inglaterra. Galpões situados em um terreno de 100 mil metros quadrados, antiga granja da família Matarazzo, acomodaram os estúdios na cidade de São Bernardo do Campo.

Apesar de ter produzido obras de impacto mundial, como o Cangaceiro, de Lima Barreto, que faturou à época mais de 50 milhões de dólares em cerca de 80 países, e de ter conquistado prêmios nos festivais de Cannes e Veneza, o empreendimento terminou sua experiência no final da década de 1950. Pouco vinha do faturamento para os cofres da Vera Cruz, já que a distribuição era feita pela Columbia Pictures, que ficava com a parte do Leão.

Os pavilhões passaram para a administração municipal de S. Bernardo do Campo que, depois de um curto espaço de tempo sob gestão privada, foram retomados para que lá fossem alocados estúdios para produções televisivas e projetos ligados ao lazer e cultura. O principal deles será a primeira unidade do Sesc na cidade, e a segunda no ABC paulista.

O espaço, cujas obras de adaptação estão em vias de conclusão, contará com teatro, sala de exposições, espaços multiuso, ginásio poliesportivo, piscinas, quadra, além de outros equipamentos. Quando terminado, o teatro do complexo será o maior da cidade, com capacidade para mais de 800 pessoas. O projeto é do arquiteto Marcelo Carvalho Ferraz, da Brasil Arquitetura.

O espaço, como de regra são os administrados pelo Sesc, tem inúmeros aspectos inovadores. O sistema de ar-condicionado, por exemplo, já incorpora no projeto o comissionamento, raridade no Brasil. E, antes de qualquer outra medida, passou por inúmeros estudos e simulações, a começar pelo tipo de sistema de condensação. Este é o objeto do estudo abaixo detalhado pelo engenheiro Leonilton Tomaz Cleto, da Yawatz Engenharia (Nota do Editor).

Introdução

Durante o processo de análise de viabilidade de um sistema de água gelada, uma tarefa importante é a comparação entre diferentes tipos de sistemas aplicáveis e diferentes tipos de chillers que podem ser aplicados naquele projeto e qual a melhor alternativa.

Muitas vezes os estudos analisam apenas o custo inicial e eventualmente incluem a avaliação da eficiência energética tendo como base apenas o IPLV dos chillers analisados. Mas a melhor alternativa pode envolver vários quesitos:

  • Custo inicial de investimento;
  • Eficiência energética (custos de consumo de energia);
  • Consumo de água;
  • Custos de manutenção do equipamento;
  • Custos de manutenção dos demais componentes do sistema de água gelada;
  • Área total ocupada pela central de água gelada (chillers, bombas, torres de resfriamento, painéis elétricos e demais componentes);
  • Vida útil do equipamento;
  • Relacionamento do cliente com o fabricante do chiller;
  • Preferência pessoal do cliente.

No entanto, é muito importante que a análise seja realizada de maneira independente, preferencialmente pelo consultor responsável pelo projeto.

As comparações mais comuns envolvem comparações entre chillers com diferentes tipos de compressores ou entre chillers com condensação a água e condensação a ar.

Este artigo trata da apresentação de um estudo para a aplicação de um sistema de água gelada no projeto do sistema de ar-condicionado central, da nova unidade do Sesc em São Bernardo do Campo – SP, executado pela PROJETARG Engenharia, tendo como responsável o mestre engenheiro Ariel Gandelman.

1.0 CARGA TÉRMICA TOTAL

Conforme a análise de carga térmica do projeto, os três cenários de picos de carga verificados foram os seguintes:

2.0 SISTEMAS ANALISADOS

Neste projeto foram analisados os seguintes sistemas:

Observações:

  • Para as opções com sistemas de termoacumulação de água gelada os chillers foram dimensionados para uma capacidade total menor, uma vez que os picos de carga (acima de 1313 kW) ocorrem por períodos curtos (de no máximo 3 horas por dia). Assim, durante os períodos com carga térmica total dos ambientes superior à capacidade total dos chillers, o excesso de carga térmica será atendido pelo tanque de termoacumulação de água gelada.
  • Além disso, durante o período de ponta da tarifa energética (17:30 às 20:30) nos dias de semana, o tanque de termoacumulação de água gelada será utilizado para atender a carga térmica total, com os chillers

Nesta análise foram comparados o custo inicial e os custos operacionais dos sistemas, envolvendo o consumo de energia e o consumo de água (para sistemas com condensação a água).

A tabela a seguir mostra um comparativo de requisitos mínimos de eficiência energética para vários tipos de chillers com acionamento elétrico, estabelecidos pelo ASHRAE Standard 90.1-2019 SI para a faixa de capacidade dos chillers aplicada no projeto (entre 650 kW e 850 kW, dependendo da opção).

A seguir as considerações específicas para este estudo:

  • Todos os chillers foram selecionados para atender os requisitos mínimos do ASHRAE Standard 90.1-2019 SI – Path B, quando operando nas condições de projeto do AHRI Standard 551/591-2020 (SI).
  • Todos os chillers utilizados na análise (em qualquer opção de sistema, inclusive os sistemas de referência) são equipamentos certificados AHRI ou EUROVENT.
  • Para os chillers com condensação a ar foram selecionados modelos qualificados como de Alta Eficiência, uma vez que os requisitos do ASHRAE Standard 90.1-2019 SI para os chillers com condensação a ar são relativamente baixos em relação aos melhores equipamentos do mercado (apesar de todos os fabricantes de chillers elétricos com condensação a água também possuírem vários equipamentos com índices de eficiência mais elevados que a norma de referência);
  • Para todos os sistemas foi inclusa a análise de perda de pressão nos circuitos de água gelada, considerando valores calculados, conforme a seguir:
    • Circuito Único Variável – chillers em Paralelo – 41 m.c.a.
    • Circuito Único Variável – chillers em Série – 37 m.c.a. – o valor total ficou menor que o calculado para os sistemas com chillers em Paralelo devido ao DT maior e à perda de pressão menor dos chillers
    • Sistemas com Termoacumulação de Água Gelada:
      • Circuito Principal – chillers em Série – 37 m.c.a.
      • Circuito Auxiliar – Tanque de termoacumulação – 23 m.c.a.
    • Circuito Primário (Sistema de Referência) – 25 m.c.a. (valor típico dos projetos anteriores do cliente)
    • Circuito Secundário (Sistema de Referência) – 40 m.c.a. (valor típico dos projetos anteriores do cliente)
  • Para todos os sistemas com condensação a água foi inclusa a análise de perda de pressão no circuito de água de resfriamento, considerando o valor médio calculado de 17 m.c.a. As diferenças verificadas devido à perda de pressão nos condensadores dos chillers selecionados foram muito pequenas. Para o sistema de referência foi utilizado o valor típico dos projetos anteriores do cliente, de 30 m.c.a.
  • As torres de resfriamento foram selecionadas com base nas condições de operação definidas neste projeto:
    • Temperatura de entrada de água de resfriamento: 34,0ºC
    • Temperatura de saída de água de resfriamento: 27,5ºC
    • Temperatura de bulbo úmido do ar exterior: 23,0ºC
  • Para o cálculo do consumo anual estimado de energia elétrica dos sistemas foi utilizado o SPLV (considerando a variação da TBU ou TBS do ar externo conforme a porcentagem de carga) com o sistema operando 12 horas/ dia, durante 30 dias no mês e por 12 meses.
  • Não foi considerado o sistema operando com carga parcial total do sistema menor que 25% (com apenas um chiller operando com 50% de carga ou menos), uma vez que o sistema de ar-condicionado utiliza ciclos economizadores nos fan coils, o que permite o desligamento total do sistema de água gelada nos períodos mais frios do ano.
  • Nos sistemas com termoacumulação de água gelada, os chillers permanecem desligados durante o período de ponta da tarifa energética (17:30 às 20:30) nos dias de semana, porém nesses sistemas está prevista a operação de um chiller durante um período de até 7.5 horas para o resfriamento do tanque de água gelada durante o período noturno, após a parada do sistema de ar-condicionado.
  • Não foi considerado nos sistemas com termoacumulação de água gelada a operação otimizada do sistema durante os períodos com temperaturas mais amenas e menor carga térmica de pico, quando será possível operar o sistema com os chillers desligados por mais tempo, utilizando apenas o tanque de termoacumulação.
  • Nos chillers com condensação a água, para o cálculo do consumo de água de reposição na torre de resfriamento foi considerado 1,1 L/h por kW de calor rejeitado (em função do diferencial de temperatura de água de resfriamento), considerando os fatores de carga do SPLV.
  • Para o cálculo do custo do consumo de energia elétrica foi utilizada a tarifa Verde de energia elétrica aplicada para instalações comerciais, do subgrupo A4 (2,3 kV a 25 kV), para a cidade de São Bernardo do Campo (Enel), vigente em 07/2022, com os seguintes valores:
    • Demanda = R$ 18,82/kW;
    • Consumo – TUSD Fora da Ponta = R$ 0,11119/kWh;
    • Consumo – TUSD na Ponta = R$ 0, 86312/kWh;
    • Consumo – TE Fora da Ponta = R$ 0,24850/kWh;
    • Consumo – TE na Ponta = R$ 0,39208/kWh;
  • Para o cálculo do custo do consumo de energia elétrica foram ainda adicionados os impostos (ICMS, PIS e COFINS).
  • Para o cálculo do custo do consumo de água foi utilizada a tarifa aplicada para instalações comerciais de entidade de assistência social para a cidade de São Bernardo do Campo (Sabesp), vigente em 07/2022, com os seguintes valores:
    • 0 a 10 m³ = R$ 32,84/mês;
    • 11 a 20 m³ = R$ 6,38/m³;
    • 21 a 50 m³ = R$ 12,29/m³;
    • Acima de 50 m³ = R$ 12,77/m³;
  • Neste caso, foi ainda considerada a tarifa de lançamento de esgoto, no mesmo valor. É importante observar que se houver um medidor de consumo de água dedicado apenas para a água de reposição na torre de resfriamento e outro medidor no dreno, é possível obter a isenção da cobrança da tarifa de esgoto para o valor da diferença;
  • Os custos de manutenção dos chillers foram obtidos a partir de preços Budget de um fornecedor de referência.
  • Os custos de manutenção dos demais equipamentos da CAG foram obtidos a partir de um levantamento obtido dos contratos de manutenção de dez unidades de referência do Sesc.
  • Não foram considerados os custos de substituição de peças ou componentes dos equipamentos durante a sua vida útil, pois entende-se que os sistemas são similares e os custos também.
  • Os custos de tratamento de água das torres de resfriamento foram obtidos a partir de preços Budget de um fornecedor de referência.
  • Os custos de investimento para os chillers foram obtidos a partir de proposta com preços para Budget de um fornecedor de referência.
  • Não foi considerada na análise comparativa a vida útil dos chillers uma vez que todos os sistemas analisados são similares. Além disso, nos estudos mais recentes da ASHRAE (RP 1237 – Interactive Web-based Owning and Operating Cost Database – Abramson B. – 07/2005), considerando os equipamentos analisados (principalmente com compressor do tipo parafuso inverter e turbo compressor com mancal magnético), não há dados históricos disponíveis para comparação. Mesmo na comparação de outros chillers entre condensação a água e condensação a ar (com compressores parafuso sem inversores) não há diferença relevante.
  • Os custos do sistema de água gelada e do sistema completo de ar-condicionado foram obtidos a partir de informações de preços para Budget de um instalador de referência. Os preços são para o sistema completo incluindo as instalações mecânicas (equipamentos, tubulações hidráulicas e redes de dutos), elétricas (painéis de força e comando dos equipamentos) e do sistema de automação (instrumentação de campo, controladoras, gerenciadoras e sistema supervisório), mas não incluindo as instalações civis.
  • Para cada tipo de condensação (a ar ou a água) foi aplicado um sistema de água gelada de referência, com compressores parafuso, de rotação fixa, circuitos primário e secundário de água gelada e chillers com níveis de eficiência com o padrão do mercado para sistemas que atendem os requisitos da certificação LEED® atual e o ASHRAE Standard 90.1-2010, um sistema típico utilizado nas instalações dos projetos mais recentes do cliente das unidades do SESC.

Auditório

A tabela a seguir apresenta a comparação dos resultados, tendo como base o sistema de referência com condensação a ar e os sistemas classificados pelos resultados da economia anual (ou pelo custo anual de consumo de energia elétrica e água).

Comparação dos resultados, tendo como base o sistema de referência com condensação a ar e os sistemas classificados pelos resultados da economia anual (ou pelo custo anual de consumo de energia elétrica e água).

A seguir, os comentários sobre os resultados:

  • Os sistemas que apresentaram maior resultado de economia com custos operacionais foram os que utilizam termoacumulação de água gelada.
  • O sistema que apresentou o menor custo operacional anual foi o 05, que utiliza chillers com turbo compressores com mancais magnéticos, com condensação a água, dispostos em série e com termoacumulação de água gelada. A estimativa de economia anual foi de 56% em relação ao sistema de referência. Porém foi o sistema que apresentou o maior custo de investimento inicial (cerca de 45% maior que o sistema de referência a ar) e o ROI estimado foi de 42 meses (3.5 anos).
  • Em segundo lugar, ficou o sistema 04, com as mesmas características do sistema 05, porém com compressores do tipo parafuso inverter. A estimativa de economia anual foi de 49% em relação ao sistema de referência. Mas a grande vantagem foi que o custo de investimento inicial estimado ficou 25% menor que o sistema 05. O ROI em relação ao sistema de referência foi de apenas 9 meses. Na comparação entre os sistemas 04 e 05, o ROI seria superior a 20 anos.
  • O melhor sistema sem termoacumulação de água gelada foi o 03, que utiliza chillers com compressores do tipo parafuso inverter, com condensação a água, dispostos em série. A estimativa de economia anual foi de 34% em relação ao sistema de referência. Foi o sistema com menor custo de investimento (menor ainda que o sistema de referência com condensação a ar).
  • Na comparação dos sistemas 03 e 04, verificou-se que, apesar do custo de investimento ser 11% maior, o sistema 04 se mostrou mais vantajoso para o cliente, com uma economia anual de 16% e um ROI de 60 meses, apenas 1/5 da vida útil do sistema.

Piscina coberta do novo complexo

A partir desses resultados, e após a aprovação do Sesc, foi adotado o sistema 04 para o projeto, que utiliza chillers com compressores do tipo parafuso inverter, com condensação a água, dispostos em série e com termoacumulação de água gelada.

3.0 CONCLUSÃO

Para o projeto do sistema de água gelada da nova unidade do Sesc em São Bernardo do Campo – SP, foi proposto um sistema utilizando um conceito de circuito único com vazão variável de água gelada, com chillers em série, com equipamentos de alta eficiência e um tanque para termoacumulação de água gelada, com energia térmica a ser utilizada no período da ponta da tarifa de energia (com os chillers desligados) e nos períodos de pico de carga térmica (como opção de carga complementar), que propiciará uma redução significativa no consumo de energia elétrica, além de melhorar em muito a estabilidade e a confiabilidade operacional do sistema de água gelada.

Após análise comparativa utilizando simulação de desempenho anual entre o sistema proposto e um sistema de referência (considerando um sistema típico convencional, que atende os requisitos do ASHRAE Standard 90.1-2010, utilizado nos projetos mais recentes de unidades do Sesc), além de outros tipos de sistemas otimizados, estima-se que os resultados de economia de energia e redução de custo operacional anual serão da ordem de 56% em relação ao sistema de referência, com ROI de apenas 9 meses.

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