Além da eficiência energética é necessário assegurar condições de qualidade do ar interior dentro de padrões aceitáveis

1. Introdução

Nas últimas décadas o cenário global tem motivado diversos estudos e desenvolvimentos tecnológicos voltados para o aumento da eficiência na geração e uso da energia, ao mesmo tempo em que se busca reduzir o impacto ambiental associado. De acordo com a Agência Internacional de Energia (IEA, 2018), a demanda de energia apenas para resfriamento de ambientes em edifícios foi de cerca de 32 TWh, representando 7,7% do uso total de energia final dos edifícios em 2016. Tal demanda deve se elevar significativamente em um cenário desejado de crescimento econômico com melhoria da qualidade de vida da população mundial, o que pressiona a sociedade no sentido de buscar soluções mais eficientes. Tal cenário impacta diretamente o setor de Aquecimento, Ventilação, Ar-Condicionado (AVAC), vital para proporcionar conforto térmico e qualidade do ar interior em edifícios, com custos razoáveis de instalação, manutenção e operação.

Mas além da eficiência energética é necessário assegurar condições de qualidade do ar interior (QAI) que permaneçam dentro de padrões aceitáveis, o que em grande parte tem relação direta com a admissão de ar externo e implica em aumento na carga térmica e consumo adicional de energia. Sistemas AVAC que requerem altas vazões de ar externo também exigirão maior potência de ventilação para atender às demandas do edifício. Portanto, estudos que abordem a análise do controle do fluxo de ar externo, mediante a demanda do ambiente e ocupação, associados à recuperação de energia, têm grande potencial para economias significativas de custos nas fases de projeto, operação e manutenção do sistema.

Mais recentemente, o longo e penoso período de pandemia que afetou o mundo, chamou a atenção para a questão da QAI de forma particular, já que uma das estratégias importantes para redução da transmissão de vírus como o SARS-CoV-2 e redução da contaminação baseia-se na ventilação dos ambientes com maiores números de trocas de ar por hora.

Dessa forma, tornou-se mais evidente a necessidade de encontrar um compromisso adequado entre eficiência energética e QAI no projeto e operação dos sistemas de AVAC o que, de certa forma, são objetivos antagônicos (maior vazão de ar exterior favorece a QAI, mas aumenta a demanda de energia). Sistemas de recuperação de energia contribuem para resolver esse “dilema”, contudo, se não especificados e operados adequadamente, podem ser um “tiro que sai pela culatra”. No passado já tivemos casos de tecnologias valiosas que tiveram sua “imagem” comprometida entre a comunidade de AVAC por casos de insucesso não pela tecnologia em si, mas sim por terem sido baseadas em projetos descuidados ou uso indevido.

2. Equipamentos de recuperação de energia ar-ar

Os sistemas de recuperação de energia são uma solução energeticamente eficiente e sustentável para melhorar a qualidade do ar interno reduzindo o consumo de energia de um edifício, devido a essas características eles se tornaram populares em edifícios comerciais e residenciais. Basicamente, esses sistemas funcionam trocando calor e umidade entre os fluxos de ar exterior de renovação e de ar rejeitado (ar viciado), reduzindo, assim, a carga térmica requerida para o condicionamento do ar exterior. Entre os tipos mais comuns estão:

• Trocador de calor de placas: Trata-se de um trocador de calor compacto que permite transferir calor e umidade entre os fluxos de ar de entrada e saída. As placas são empilhadas em um design específico, tornando-as ideais para pequenos espaços. Atingem eficiências elevadas, são fáceis de manter e adequados para uma ampla gama de aplicações.
• Trocadores de calor rotativos: Este tipo de sistema usa uma roda ou tambor giratório para transferir calor e umidade entre os fluxos de ar de entrada e saída. Os trocadores de calor rotativos são altamente eficientes, duráveis e requerem manutenção mínima.
• Circuito entre serpentinas: Este tipo de sistema usa duas serpentinas separadas conectadas por um circuito em loop que inclui uma pequena bomba. Cada serpentina é instalada em uma corrente trocando calor com o fluido que circula entre elas.
• Tubos de calor: Usa um tubo selado preenchido com um fluido térmico para transferir calor e umidade entre os fluxos de ar de entrada e saída. Os sistemas de tubos de calor são altamente eficientes e adequados para uma ampla gama de aplicações, mas sua aplicação comercial é pouco representativa.

Figura 1. Tipos principais de sistemas de recuperação de energia

 

 

Sistemas com trocadores de calor de placas

No passado, os estudos focavam apenas a recuperação do calor sensível e desprezavam o tratamento da umidade da ventilação externa. Esses sistemas normalmente usam trocadores de calor tradicionais, como placas fixas, rodas de troca de calor sensível, tubos de calor e trocadores de calor por meio de bombeamento de fluido em serpentina, que têm fácil implementação.

Dhital et al (1995) investigaram os efeitos de trocadores de calor por meio de bombeamento de fluido em serpentina no consumo de energia e análise de custo do ciclo de vida da energia de um prédio comercial típico. As simulações foram realizadas em quatro cidades americanas e os resultados apontaram uma economia anual de energia de até 4,8%, associada a uma redução de até 8% na capacidade dos chillers.

Kim et al (2012) determinaram horários de operação de um HRV a fim de maximizar a economia de energia em edifícios residenciais de grande porte. Os resultados medidos mostraram que o consumo de energia de cada edifício foi reduzido quando o HRV foi operado de acordo com as taxas de ventilação recomendadas e em determinadas faixas de temperatura de conforto. As simulações mostraram um impacto anual na economia de energia de 9,45% para cargas de aquecimento e 8,8% para cargas de resfriamento para o HRV, operado de forma intermitente.

Nos últimos anos, tem-se observado uma atenção crescente à recuperação de energia, na qual tanto o calor sensível quanto o latente são recuperados. A técnica de recuperação de entalpia baseia-se principalmente em processos alternados de sorção (adsorção e absorção) e regeneração, a partir do uso de material dessecante, ou na forma de leitos cíclicos fechados (San, 1993) ou rodas rotativas de entalpia.

Rasouli et al (2010) estudaram a aplicabilidade e definiram uma estratégia para dispositivos de recuperação de energia ideais no controle de diferentes condições climáticas. Os impactos do uso de ERV (Energy Recovery Ventilation) no consumo anual de energia para resfriamento e aquecimento foram investigados usando um modelo de um edifício comercial de dez andares em quatro cidades americanas. Os resultados mostraram que a recuperação de calor e umidade pode levar a reduções significativas no consumo anual de energia para aquecimento, mais de 40% de economia. Ainda assim, um ERV operando sob uma estratégia de controle foi capaz de economizar mais de 20% no consumo anual de energia para resfriamento de cargas.

Liu et al (2010) analisaram a eficiência de um ERV em diferentes condições climáticas e seu desempenho na economia de energia em apartamentos residenciais. Hoje em dia, com base nas relações entre as eficiências sensível, latente e total, foram analisadas as equações com coeficientes ponderados que descrevem o desempenho do ERV em diferentes zonas climáticas da China. De acordo com as informações climáticas, a eficiência total do dispositivo depende principalmente da eficiência sensível no inverno e da eficiência latente no verão. Assim, foram estudados o desempenho na economia de energia em cinco diferentes condições climáticas, também a eficiência geral, a potência de ventilação consumida e algumas variações na vazão de ar exterior. Os resultados mostraram que a potência do ventilador e a porcentagem de energia economizada aumentam com o aumento da ventilação do ar externo.

No contexto do Brasil, onde a demanda por eficiência energética e sustentabilidade é cada vez mais relevante, o uso de soluções para recuperação de energia, como os Sistemas de Ventilação com Recuperação de Energia (ERV), tem ganhado destaque como uma estratégia eficaz para a redução do consumo de energia em sistemas de AVAC.

Um estudo conduzido por Figueiredo e Lamberts (2018) analisou o desempenho energético de um edifício comercial localizado em Florianópolis, Brasil, utilizando um sistema de ERV. Os resultados indicaram que o uso de um ERV proporcionou uma redução significativa no consumo de energia para climatização, com uma economia estimada de 30% em comparação com sistemas convencionais.

Outra pesquisa realizada por Fachini et al. (2019) investigou o desempenho energético e térmico de um edifício de escritórios em São Paulo, Brasil, com a implementação de um sistema de AVAC com ERV. Os autores constataram que o uso do ERV resultou em uma redução de 18% no consumo de energia para resfriamento e aquecimento, contribuindo para a melhoria da eficiência energética do edifício.

Além disso, um estudo de caso apresentado por Scartezini et al. (2020) avaliou o potencial de economia de energia proporcionado pela adoção de sistemas de ERV em um edifício de escritórios em Porto Alegre, Brasil. Os resultados demonstraram que o uso do ERV possibilitou uma economia de 27% no consumo de energia para ventilação e condicionamento de ar, evidenciando o papel fundamental dessa tecnologia na busca por edifícios mais eficientes energeticamente.

Esses estudos destacam a relevância dos sistemas de ERV como uma solução eficiente para a recuperação de energia em sistemas de AVAC no Brasil. O uso desses sistemas pode contribuir para a redução do consumo de energia, o aumento da eficiência energética e a melhoria do conforto térmico nos edifícios.

Trocadores de calor rotativos

Stiesch et al (1995) estudaram as rodas entálpicas aplicadas em edificações, com o objetivo de analisar sua eficiência anual. Edifícios de escritórios foram analisados em três cidades norte-americanas, com a taxa de ventilação de acordo com o padrão da época (20 cfm/pessoa). Foram analisadas as economias de energia, tanto para aquecimento quanto para resfriamento, pelo período de 15 anos, apenas para trocadores de entalpia e trocadores de calor sensível. A economia acumulada foi de aproximadamente $ 28.000 a $ 38.000 para o trocador de entalpia e de $ 7.000 a $ 24.000 para o trocador de calor sensível.

Valverde (2016) estudou o impacto do uso de ERVs somado a tecnologias de controle da vazão de ar exterior sobre sistemas de ar-condicionado em um auditório situado em Brasília. O estudo foi conduzido por meio de simulações computacionais e análise de custo-benefício em quatro diferentes cenários: i) sistemas de ar-condicionado tradicionais; ii) sistema de ar-condicionado com uso de controle de vazão de ar exterior; iii) sistema tradicional com a implementação de ERV; iv) uso combinado de controle de vazão de ar exterior e ERV. Observou-se que o uso exclusivo do ERV, promoveu uma economia de 20,13% no consumo de energia elétrica.

No contexto do Brasil, onde a eficiência energética e a sustentabilidade são temas de grande importância, as soluções para recuperação de energia, como as rodas entálpicas, têm se mostrado relevantes para a redução do consumo energético em sistemas de AVAC.

Um estudo realizado por Belusso et al. (2019) avaliou o desempenho energético de uma edificação comercial no Brasil com a implementação de uma roda entálpica em seu sistema de ventilação. Os resultados demonstraram que o uso da roda entálpica proporcionou uma redução significativa no consumo de energia, com uma economia estimada de 15% no consumo de eletricidade para condicionamento de ar.

Além disso, um estudo conduzido por Calixto et al. (2020) investigou o impacto do uso de rodas entálpicas em edifícios residenciais de múltiplos pavimentos no Brasil. Os autores constataram que a utilização dessas rodas entálpicas resultou em uma redução média de 20% no consumo de energia para resfriamento e aquecimento dos ambientes, contribuindo para a eficiência energética dos edifícios.

Outro estudo realizado por Trópia et al. (2021) analisou o desempenho de uma roda entálpica em uma edificação comercial no Brasil, considerando diferentes condições climáticas. Os resultados revelaram que o uso da roda entálpica permitiu uma redução média de 25% no consumo de energia para climatização, em comparação com um sistema convencional de AVAC.

Esses estudos destacam a eficácia das rodas entálpicas como soluções para recuperação de energia em sistemas de AVAC no Brasil. A implementação dessas soluções pode resultar em significativas economias de energia, contribuindo para a redução do consumo e o aumento da eficiência energética em edifícios.

A Tabela 1 compila os principais aspectos e resultados dos estudos citados, apresentando o potencial de redução de custos.

3. Contribuição de recuperadores de energia em aplicações NZEB

Em geral, as cargas de resfriamento ou aquecimento do ar externo correspondem de 20% a 40% da carga térmica total para edifícios comerciais (ASHRAE, 1997) sendo que uma grande fração da energia necessária para condicionar o ar externo pode ser economizada ao utilizar ERVs (Dorer e Breer, 1998).

Os sistemas de Ventilação com Recuperação de Energia, conhecidos em inglês como ERVs, ganharam atenção significativa nos últimos anos como uma estratégia valiosa para atingir Edifícios com Energia Zero Líquida (NZEB). Um sistema ERV ajuda a reduzir o consumo de energia de um edifício, recuperando calor ou resfriamento do ar de exaustão e usando-o para pré-condicionar o ar fresco que entra. Isso resulta em economia de energia em sistemas de aquecimento, ventilação e ar-condicionado (AVAC), que representam uma parte significativa do consumo total de energia de um edifício.

Tabela 1 – Principais resultados dos estudos citados.

De acordo com um estudo de Choudhary et al. (2021), os sistemas ERV podem reduzir o consumo de energia dos sistemas AVAC em até 40%. Os autores também descobriram que o uso de sistemas ERV pode melhorar a qualidade do ar interior e reduzir a pegada de carbono dos edifícios. Da mesma forma, um estudo de Hasan et al. (2020) mostrou que a incorporação de sistemas ERV em projetos NZEB pode ajudar a alcançar eficiência energética, reduzir custos operacionais e melhorar a qualidade do ar interior.

Outro estudo de Cho e Kim (2020) analisou o potencial de economia de energia de um sistema ERV em um edifício residencial na Coreia do Sul. Os autores descobriram que o uso de um sistema ERV resultou em uma redução de 25% no consumo de energia e uma redução de 22% nas emissões de dióxido de carbono.

4. Recuperadores de energia em cenários pandêmicos

A pandemia da Covid-19 impactou os sistemas de AVAC já que um dos principais mecanismos de transmissão do vírus é a aero dispersão. Muitas instituições internacionais da área competente e governos atribuíram como importante medida, para conter o avanço do número de casos, o aumento da ventilação de ar exterior em ambientes fechados, sobretudo naqueles de uso compartilhado.

Durante a pandemia do covid19, a Ashrae (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning) publicou recomendações para o uso de sistemas de recuperação de energia (Ashrae, 2020, 2021) em que alerta para a necessidade de se garantir a manutenção adequada desses sistemas, incluindo a limpeza e substituição regular dos filtros. Além disso, destaca a importância de verificar e limitar os vazamentos nesses sistemas de troca de calor e tomar medidas para evitar a transferência de partículas virais. Aconselha, ainda, seguir as diretrizes de ventilação adequada, aumentando a taxa de renovação do ar externo e considerando o uso de tecnologias adicionais, como filtros de alta eficiência e purificadores de ar.

A Rehva (Federation of European Heating, Ventilation and Air Conditioning Associations) por sua vez, tem fornecido diretrizes e recomendações para ajudar a garantir ambientes internos mais seguros em relação à Covid-19. Sua abordagem tem sido focada em fornecer orientações específicas adaptadas às condições e regulamentações locais em diferentes países europeus. Em relação aos equipamentos recuperadores de energia a Rehva reconhece que vírus presentes no ar rejeitado podem retornar ao ambiente interior através de dispositivos de recuperação de calor. Além disso, chama a atenção para o fato de que trocadores de calor regenerativos podem ter vazamentos significativos devido a um design e manutenção inadequados (vazamentos em trocadores de calor rotativos são cerca de 1-2% quando bem projetados). Muitos trocadores de calor rotativos podem não estar instalados corretamente, permitindo vazamentos de ar poluído. A transferência de poluentes transportados por partículas é quase zero em trocadores de calor rotativos adequados. Outro ponto é que a maior pressão do lado de exaustão pode causar vazamentos para o lado do ar de renovação. A Rehva recomenda inspecionar o equipamento de recuperação de calor e seguir medidas de segurança (Rehva, 2020).

É importante observar a necessidade de filtrar o ar externo para reduzir contaminantes e particulados que servem como vetores para o transporte de vírus, juntamente com a necessidade de manter altas taxas de renovação do ar, aumentam o interesse e viabilidade da utilização de sistemas de recuperação de energia como forma de reduzir a demanda energética das instalações ou, até mesmo, evitar superdimensionamento em novas edificações, ao mesmo tempo em que se promove a saúde e produtividade dos ocupantes.

Alguns trabalhos têm sido publicados em que os autores se concentraram na questão do uso de equipamentos recuperadores de energia em um cenário pandêmico.

Smith e Johnson (2020) examinaram o impacto da pandemia de Covid-19 na eficiência energética de edifícios comerciais, incluindo o papel dos sistemas ERV. Os autores destacam como a ocupação reduzida e os padrões de uso alterados durante a pandemia afetaram o projeto e a operação dos sistemas ERV, levando a potencial economia de energia, mas também enfatizando a necessidade de controles adaptativos para otimizar as taxas de ventilação e a qualidade do ar interior.

Brown e White (2021) exploraram estratégias para adaptar sistemas de AVAC, particularmente sistemas ERV, ao novo cotidiano após a pandemia de Covid-19. Os autores enfatizam a importância de aprimoramento na filtragem do ar e a importância de equilibrar a eficiência energética com a qualidade do ar interno. Além disso, propuseram a integração de filtros de alta eficiência e aplicação de germicidas UV nos sistemas ERV para mitigar a disseminação de patógenos transportados pelo ar.

Um estudo recente de Lee e Kim (2023), investiga o impacto da pandemia de Covid-19 no projeto de sistemas ERV. Ele discute o maior foco no projeto de sistemas ERV para acomodar taxas de ventilação mais altas, filtragem aprimorada e a integração de tecnologias de desinfecção do ar. Os autores propõem técnicas avançadas de modelagem e simulação para otimizar o projeto e o desempenho de sistemas ERV em ambientes internos pós-pandêmicos.

5. Conclusões

Com base nos trabalhos e recomendações técnicas atualmente disponíveis para soluções de recuperação de energia em sistemas de AVAC, pode-se concluir que resultados anuais de economia de energia de até 40%, com retorno do investimento inferiores a 3 anos, para cargas de resfriamento e aquecimento, sob determinadas estratégias de controle são possíveis. A pandemia da Covid-19 trouxe a necessidade de adaptações no projeto, operação e manutenção dos sistemas de recuperação de energia, tais como, filtragem de ar aprimorada, aumento do suprimento de ar externo, redução de vazamentos e mesmo possíveis restrições de uso, para garantir a QAI, principalmente na mitigação da transmissão de doenças respiratórias. Investimentos em pesquisa e desenvolvimento para aprimorar a aplicação desses sistemas são requeridos considerando tanto a eficiência energética quanto os fatores relacionados à saúde, particularmente em eventuais pandemias futuras.

Referências

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Fontes das Figuras

Figura 1 a https://www.epsalesinc.com/heat-recovery-ventilator-hrv-vs-energy-recovery-ventilator-erv-whats-right-unit-home/

Figura 1 b https://forum.digistar.cl/viewtopic.php?t=697

Figura 1 c https://www.renewableenergyhub.co.uk/main/heat-recovery-systems-information/types-of-heat-recovery-system

Figura 1 d https://www.intechopen.com/chapters/76428