A utilização de água para o transporte de calor favorece ganhos energéticos em relação ao uso do ar

1. Introdução

O consumo de energia para climatização dos ambientes teve crescimento rápido no mundo nos últimos anos. A International Energy Agency (IEA) estima que em 2016 10% da demanda elétrica global foi destinada para atender sistemas de resfriamento. Na concepção de um edifício, a eficiência energética muitas vezes não tem peso nas tomadas de decisões de projeto e construção, sendo o investimento inicial o fator preponderante (IEA, 2018). A escolha por sistemas que permitam o controle adequado das condições de conforto interno dos ambientes com racionamento de energia deve ser avaliada.

Nall (2017) mostrou um projeto que foi aprovado para instalação em uma torre comercial na cidade de Nova York onde o conceito de dois fluxos de água com temperaturas diferentes foi aplicado, proporcionando uma redução de 28,3% do consumo de energia do sistema de ar-condicionado em relação a um sistema tradicional de temperatura única. Pinheiro (2018) comenta que a adoção de sistemas com o conceito de dupla temperatura de água gelada em conjunto com o processo de desacoplamento entre cargas sensível e latente promove benefícios de redução de consumo energético nas instalações. Estes sistemas são compostos por unidades de ar externo denominadas DOAS com sistemas para tratamento das cargas sensíveis internas do ambiente. Quando o tratamento das cargas internas é feito por processos ar-água, utilizando-se de sistemas radiantes do tipo vigas frias, piso frio ou teto frio, há uma potencialização dos ganhos de economia energética, estimando-se uma economia média de 36% em comparação a um sistema todo-ar com temperatura única.

Sastry e Rumsey (2014) realizaram uma comparação real em um empreendimento, onde metade da edificação possui um sistema Volume de Ar Variável (VAV) e a outra metade foi concebida com um sistema radiante com DOAS. Foi identificado que após 2 anos de operação, o sistema radiante economizou 34% de energia em relação ao sistema VAV. Um caminho rápido para a comparação entre sistemas que podem ser utilizados em um projeto é a simulação energética por meio de softwares, como o Carrier Hourly Analysis Program (HAP), que é uma ferramenta computacional que permite estimar as cargas térmicas e simular o uso de energia no edifício.

A partir do exposto acima, o objetivo deste trabalho é fazer uma análise comparativa de consumo energético, por meio de simulações utilizando o software HAP, entre um sistema DOAS com vigas frias ativas e um sistema com unidades de tratamento de ar do tipo fan & coil com Volume de Ar Constante (VAC) e ar externo sem tratamento prévio.

2. Revisão da literatura

Os sistemas de ar-condicionado têm a finalidade de proporcionar ambientes internos confortáveis e saudáveis, contribuindo com o desempenho dos seus ocupantes. Para isto, é necessário controlar parâmetros como temperatura do ar interno, temperatura média radiante, umidade, velocidade e qualidade do ar; tudo isso conciliado a um reduzido consumo energético (BABIAK; OLESEN; PETRAS, 2007). Para a retirada de calor do ambiente, podem ser utilizados sistemas todo-ar com volume de ar constante ou variável conectados a uma rede de dutos para distribuição de ar nos ambientes (ASHRAE, 2012). Alternativamente, sistemas que fazem uso de água ao invés de ar para o intercâmbio de calor, podem ser usados para remoção de cargas sensíveis dos ambientes, por exemplo utilizando-se vigas frias.

A utilização de água para o transporte de calor favorece ganhos energéticos em relação ao uso do ar, conforme tabela 1 (ALEXANDRE, 2009). Sistemas de vigas frias são associados com DOAS, que é responsável pela injeção do ar de renovação, assegurando a qualidade do ar interno, remoção das cargas latentes e controle de umidade (BABIAK; OLESEN; PETRAS, 2007).

Tabela 1 – Comparativo de capacidade de transporte de energia entre o ar e a água

2.1 – Vigas frias

As vigas frias podem ser ativas ou passivas. Nas ativas, ocorre um processo de transferência de calor por convecção forçada, originada pela indução entre o ar ambiente e a serpentina de água, que ocorre a partir da descarga de ar externo tratado em alta velocidade por meio de bocais, induzindo o ar ambiente a passar pela serpentina, sendo resfriado ou aquecido, e, na sequência, misturado ao ar primário (ar externo, condicionado e desumidificado oriundo de uma unidade de tratamento de ar), conforme Figura 1 (a). Nas vigas passivas ocorre um processo de transferência de calor por convecção natural entre o ar ambiente e a serpentina de água, em que, nas situações de resfriamento, o ar ambiente quente ao entrar em contato com a superfície mais fria do trocador de calor baixa a sua temperatura e aumenta a sua densidade, movendo-se para baixo, conforme Figura 1 (b). O volume e o teor de umidade do ar primário injetado nas vigas são responsáveis pelo controle dos requisitos de renovação de ar e cargas latentes internas. (WOOLLETT; RIMMER, 2015).

A aplicação de sistemas com vigas frias em relação a sistemas todo-ar deve levar em consideração alguns fatores, como o percentual de suprimento de ar externo em relação ao volume de ar total para remoção das cargas térmicas. As aplicações mais viáveis serão aquelas que tiverem um menor percentual de vazão de ar externo. A carga de calor sensível interna também deve ser observada, caso seja muito superior às cargas latentes, um sistema de vigas frias se torna uma boa opção (WOOLLETT; RIMMER, 2015).

Figura 1 – Viga fria ativa (a) e viga fria passiva (b)

Fonte: Adaptado de Woollett e Rimmer (2015)

Para ambientes em que altas taxas de renovação de ar são necessárias, como salas de reunião, é recomendável a utilização de sistemas com capacidade de desumidificação localizada, (VIRTA et al., 2004). Em locais com condições externas de umidade mais elevadas, com maiores riscos de infiltrações, como proximidades de portas, um sistema complementar deve ser utilizado para controle dos níveis de umidade interna, (WOOLLETT; RIMMER, 2015).

2.2 – DOAS

A utilização do sistema dedicado de tratamento de ar externo (DOAS), possibilita o desacoplamento das cargas térmicas interna e externa. Ele fornece 100% de ar externo ao ambiente, sendo este resfriado ou aquecido, desumidificado ou umidificado. Quando utilizado em conjunto com sistemas de vigas frias e pisos frios radiantes que são projetados para tratar apenas cargas térmicas sensíveis, toda a desumidificação é feita pelo DOAS, que deve ser projetado e dimensionado para fornecer ar o mais seco possível, de forma a absorver as cargas de umidades internas e oriundas de infiltrações da envoltória (TRANE, 2020).

O volume de ar a ser fornecido pela DOAS, denominado de ar primário, é calculado em função dos requisitos de renovação de ar e das cargas latentes internas. A carga latente total em um sistema de ar-condicionado é a soma das cargas de infiltração pela envoltória e frestas, internas (oriundas principalmente dos ocupantes) e da umidade presente no ar externo, utilizado no processo de renovação (HOLDER et al., 2015).

A vazão de ar primário necessário para desumidificação do ambiente interno pode ser calculada pela equação 1.

Q_V=  H_LAT/[ρ*L*(HR_AI – HR_SUP)]                                                                                     (1)

Após o cálculo do volume de ar necessário para atender os requisitos de desumidificação, deve ser verificada a vazão necessária para atendimento das necessidades de renovação, calculada pela equação 2, (ABNT, 2008).

V_ef = P_Z * F_P + A_Z * F_a                                                                                                                                                            (2)

Os valores de  e  são tabelados para cada tipo de recinto e nível de ventilação desejada, (ABNT, 2008). Comparando os dois resultados, deve prevalecer o de maior valor, sendo o ideal que o valor máximo se aproxime do fluxo de ar necessário para atender os requisitos de renovação.

Situações em que ocorre alta desumidificação, faz-se necessário um processo de reaquecimento em seguida, para evitar a entrega de ar excessivamente frio ao ambiente. O DOAS pode ser configurado com uma ou mais serpentinas de resfriamento e desumidificação, com uma serpentina de reaquecimento em série (TRANE, 2020). Em série pode haver também a presença de um dispositivo de recuperação de energia, por exemplo, do tipo roda entálpica que pré-condiciona o ar externo, transferindo energia do ar com temperatura e umidade mais alta para o ar de exaustão mais frio e seco oriundo do ambiente interno, (BABIAK; OLESEN, PETRAS, 2007). A utilização de DOAS em conjunto com sistemas radiantes e recuperadores de energia possui elevado potencial de ganhos energéticos em comparação com outras tecnologias, (DOE, 2002). A utilização de DOAS favorece a coleta de condensado proveniente do processo de desumidificação do ar, este resíduo pode ser utilizado, por exemplo, como parte do volume de água de reposição para torres de resfriamento, (DANTAS, 2018). Na figura 2 é possível visualizar os processos psicrométricos pelos quais o ar passa em uma unidade DOAS.

Figura 2 – Processo psicrométrico que o ar externo é submetido em uma DOAS

AE: Ar externo. INSUF: Insuflamento
Fonte: Autor

2.3 – Sistema todo-ar VAV ou VAC

Um sistema convencional de tratamento de ar é constituído de unidade composta por uma serpentina de resfriamento e desumidificação, um ventilador e uma rede de dutos para distribuição do ar, conforme pode ser observado no esquema da figura 3.

Figura 3 – Configuração de uma unidade de tratamento de ar VAC ou VAV

Fonte: Adaptado de ASHRAE (2012)

O volume de ar fornecido ao sistema de distribuição pode ser constante ou variável e comumente o equipamento fica fora da região climatizada, localizado em uma casa de máquinas ou em áreas de serviços e coberturas. Nos equipamentos do tipo fan & coil, o ar que passa pelas serpentinas de água gelada para troca de calor é uma mistura de ar que recircula no ambiente (ar de retorno) com ar externo, adicionado ao sistema para atender aos requisitos de renovação. Uma característica deste sistema é a de trabalhar com serpentina molhada, devido ao processo de condensação do vapor de água presente no ar de mistura ao entrar em contato com as aletas da serpentina (ASHRAE, 2012).

3. Metodologia

Com o objetivo de avaliar de forma comparativa o consumo de energia entre sistemas ar-água e todo ar, foi idealizado um edifício de piso único destinado a atividades típicas de centros de eventos, as características detalhadas da edificação e das condições climáticas consideradas para dimensionamento e simulação energética são demonstrados na tabela 2.

Tabela 2 – Dados da edificação para cálculo de carga térmica

Os sistemas utilizados na simulação são um do tipo fan & coil com volume de ar constante recebendo água gelada em sua serpentina a 5 °C e outro composto por DOAS e vigas frias ativas. O DOAS selecionado possui um recuperador de energia de ventilação (REV) do tipo roda entálpica, com eficiência térmica de 55%. O sistema DOAS & vigas frias foi idealizado com o conceito de um circuito único de água gelada conforme mostrado no fluxograma da figura 4. O controle da vazão de água nas serpentinas de resfriamento e desumidificação do DOAS é feito por válvula de 2 vias que utiliza a umidade absoluta de 6,0 g/kg como ponto de referência. Para reaquecimento do ar após o processo de resfriamento e desumidificação profunda, foi projetado um sistema auxiliar que reaproveita a água a temperaturas mais altas da saída dos condensadores dos chillers para este fim.

Figura 4 – Sistema DOAS com vigas frias ativas

Fonte: Autor

A vazão de ar necessário para o controle das cargas latentes internas é calculada de acordo com a equação 1 e depende diretamente do valor de umidade absoluta de insuflamento e do valor de carga latente interna, portanto, só pode ser dimensionado após o cálculo das cargas térmicas internas, o valor obtido deve ser comparado com a vazão necessária para renovação de ar do ambiente interno, prevalecendo o maior valor. A CAG idealizada para simulação tem o conceito de circuito único e variável de água gelada para os dois sistemas, com chillers compressores parafuso e condensação a água. O diferencial de temperatura para o sistemas de fan & coils é de 8°C, no segundo sistema o diferencial de temperatura da CAG é de 9°C, sendo que na DOAS é de 8°C e nas vigas de frias de 3°C. Para os chillers, foram utilizadas as características base de eficiência do próprio software de simulação, no sistema de fan & coil com temperatura de fornecimento de água a 5°C o Coeficiente de Performance (COP) é de 0,637 kW/TR, no sistema de DOAS com vigas frias, onde a temperatura de fornecimento de água é de 4°C, o COP será de 0,662 kW/TR, 4% maior, algo que se justifica pela menor temperatura de fornecimento de água gelada.

A figura 5 demonstra os perfis horários de ocupação, iluminação e equipamentos da edificação, sendo considerado para efeitos de simulação o período das 09:00 às 22:00 para funcionamento do sistema de ar-condicionado; foi admitido também que a edificação é aberta de segunda-feira a sábado. Para o cálculo de carga térmica e dimensionamento dos sistemas, foi considerado como base o perfil de ocupação característico dos sábados.

Outro resultado a ser avaliado é o do volume de água produzido pelo processo de desumidificação de ar externo, para isto, foi realizada uma análise horária da vazão de ar e da variação de umidade absoluta na entrada e saída da serpentina de desumidificação. Foi considerado na simulação que a vazão de ar externo é variável de acordo com o nível de CO₂ do ambiente.

Figura 5 – Perfil de ocupação, iluminação e equipamentos da edificação

Fonte: Autor

4. Resultados e discussão

Seguindo os parâmetros indicados na tabela 2 e na figura 5, a edificação foi configurada e os valores de cargas térmicas internas obtidos, assim como o dimensionamento das capacidades dos dois sistemas. Os resultados são demonstrados na tabela 3.

Tabela 3 – Resultados dos valores de cargas e capacidades dos sistemasQ_AE: Vazão de ar externo. FCS: Fator de calor sensível.

Fonte: Autor

É possível verificar que há uma diferença de capacidade total na ordem de 19% a menos na CAG do sistema DOAS & vigas frias, algo que pode ser justificado pela utilização do recuperador de energia do tipo roda entálpica que remove cerca de 1908,7 kW, uma parcela importante de carga térmica oriunda do ar externo. A partir do valor de carga latente e dos valores de umidade absoluta pré-estabelecidos para o ambiente e o insuflamento, foi calculada a vazão de ar primário necessária, obteve-se 74,7 m³/s, valor menor que o calculado para renovação de ar, logo a vazão de ar primário se torna igual a vazão de ar externo que é de 83,4 m³/s.

Na figura 6 é possível visualizar o perfil anual de carga de refrigeração solicitado e produzido pelas duas centrais de água gelada; fica clara a maior necessidade de carga na CAG do sistema de fan & coils.

Figura 6 – Perfis de carga de refrigeração da edificação ao longo do ano

Fonte: Autor

Na figura 7 é possível visualizar o fluxograma do sistema DOAS & vigas frias com as vazões de água calculadas e as condições psicrométricas do ar primário.

Figura 7 – Sistema DOAS com vigas frias ativas com vazões de água calculadasFonte: Autor

Na figura 8 é possível visualizar o fluxograma do sistema fan & coil com a vazão de água calculada e as condições psicrométricas do ar.

Figura 8 – Sistema VAC com valor de vazão de água calculadaFonte: Autor

Na tabela 4 é possível verificar os consumos anuais de energia dos dois sistemas em comparação. O resultado total indica uma redução de 21% de consumo energético no sistema de DOAS e vigas frias. Observando os itens de forma detalhada verifica-se que o sistema de ventilação é o que gera maior impacto no resultado, já que a redução é de 71%, sendo essa significativa diferença devido ao fato que o volume de ar movimentado é apenas o necessário para renovação de ar do ambiente, enquanto no sistema de fan & coils, além do volume de renovação, é movimentada também a quantidade de ar necessária para tratamento das cargas sensíveis internas.

Também no sistema DOAS e vigas frias, o consumo de refrigeração ficou menor em 7% apesar da menor eficiência dos chillers, já para bombeamento e ventiladores das torres as reduções observadas são de 9% e 15%, respectivamente, estes resultados se justificam em virtude da menor capacidade e necessidade de refrigeração, conforme indicados na tabela 3 e na figura 6.

Tabela 4 – Detalhamento dos consumos energéticos

Na figura 9 é possível visualizar o volume de água produzido a partir do processo de desumidificação do ar externo no sistema DOAS. O perfil demonstra uma queda no período de inverno, sendo o volume total anual produzido de 8.154,30 m³ que pode ser utilizado como reposição para as torres de resfriamento.

Figura 9 – Produção de condensado no sistema DOAS ao longo do anoFonte: Autor

5. Conclusões

A utilização de sistemas com desacoplamento de cargas térmicas, utilizando-se DOAS com sistemas radiantes e recuperadores de energia, proporciona vantagens importantes de redução de consumo de energia em comparação a sistemas do tipo fan & coil com volume de ar constante. A principal redução observada está no sistema de ventilação, confirmando o que é colocado pela literatura de que o custo para transportar energia é mais baixo com água do que com ar. O volume de água produzido pela desumidificação do ar mostra-se como um importante benefício de ganho para a instalação, uma vez que a utilização do sistema DOAS facilita o aproveitamento ao centralizar a coleta. A utilização de uma parcela da energia rejeitada pelos condensadores dos chillers para reaquecimento do ar na DOAS mostra-se uma boa solução ao evitar a adição de mais um sistema consumidor de energia para realização deste processo.

Raphael Silva, engenheiro mecânico na Sethvac

Referências

 ABNT NBR 16401-3: 2008 – Instalações de ar-condicionado – Sistemas centrais e unitários – Parte 3 – Qualidade do ar interior.

ALEXANDRE, Celso Simões. DISTRIBUCIÓN DE AIRE. San Pablo: Novatécnica, 2009. 98 p.

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BABIAK, Jan; OLESEN, Bjarne W.; PETRAS, Dusan. Low temperature heating and high temperature cooling. Brussels: Rehva, 2007. 113 p.

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