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Aplicação de sistemas energeticamente eficientes caracterizam-se pela adoção de altas temperaturas de resfriamento, baixas temperaturas de aquecimento, integração entre fluxos com propósitos de circularidade e arranjos em cascatas
Preâmbulo
Os supermercados constituem-se em consumidores que utilizam refrigeração para múltiplas e distintas finalidades, representando um segmento que oportuniza condições estratégicas para redução do uso de energia e de emissões dele resultantes, quando observado de uma forma holística que envolva a utilização dos conceitos fundamentais da transmissão de calor, da psicrometria, da termodinâmica, da mecânica dos fluidos e com integração a sistema de gerenciamento e de automação predial e IoT.
Esses condicionantes,combinados com o aproveitamento de possíveis ciclos climáticos naturais sazonaisproporcionados pela zona do local,conduzirão asistemasexergeticamente eficientes, caracterizando-se pela adoção de altas temperaturas de resfriamento, baixas temperaturas de aquecimento, integração entre fluxos com propósitos de circularidade – rejeitos de um usados como insumos do outro – e arranjos em cascataspara equalização entre qualidade e exigência de fluxos exergéticos, quer seja no suprimento, quer seja na utilização.
Os sistemas mais eficientes devem ser avaliados com base em um enfoque exergético – 2ª Lei da Termodinâmica – para que a escolha evite, tanto quanto possível, destruição de exergia em transformações.
Os fabricantes de boilers a combustão indicam eficiência térmica de até 96% quando procedendo aquecimento da água a 80ºC, apesar de utilizarem combustível de qualidade exergética 0,90 para obter um produto de qualidade exergética 0,04, considerando o ambiente a 20°C.
A eficiência de 96% informada é relativa à quantidade de fluxo energético, considerando o poder calorífico inferior do combustível e o quanto dessa quantidade é aproveitada no aquecimento da água. Não considera a qualidade de exergia destruída na combustão nem a discrepância entre a temperatura da chama (1.200°C) e a desejada temperatura da água(80°C). Sob uma visão exergética a eficiência é de 4%, resultando em grande transformação de exergia (energia nobre) em entropia (energia degradada) e consequente alto impacto ambiental provocado.
Não é incomum ver-se,em supermercados, compressores de refrigeração que atendem os produtos congelados eque operam com temperatura de evaporação de -30°C e correspondente temperatura de descarga do gás superaquecido a@ 120°C (quanto mais baixa for a temperatura de evaporação, mais alta será a temperatura de descarga para um mesmo fluido frigorígeno, sob uma mesma temperatura saturada de condensação) e esse fluxo térmico ser descarregado no meio ambiente exterior, através do rejeito dos condensadores, tendo ao lado um boiler gerando chama à 1.200°C para aquecer água a 80°C. É um descalabro energético.
Integração energética – sistemas híbridos de refrigeração
A aplicação de desumidificador por dessecagemque permite ser selecionado para operar com energia térmica primária para reativaçãoatemperatura de95°C (e até mais baixa), proporciona reduzir a potência frigorífica necessária do sistema de ar-condicionado e aumentar a eficiência termodinâmica dos geradores de frio do referido sistema, por ensejar elevar a temperatura de evaporação em razão do desacoplamento entre cargas procedido pela desumidificação – que não recorreà condensação do vapor d’água – resultando em melhoria de eficiência termodinâmica da ordem de 25%e redução por resfriamento mecânico da ordem de 20% (carga térmica com FCTS 0,80).
Outra vantagem é aoperaçãodas serpentinas das unidades de climatização com resfriamento 100% sensível, eliminando a ocorrência de biofilme, contribuindo na sanitização do processo de tratamento do ar, na eficientização energéticado processo, na melhoria da qualidade do ar interior e na simplificação dos serviços de manutenção.
Case de integração energética implementado:Interação entre sistemas de refrigeração e de ar-condicionado em hipermercado
Este case ocorreu em 2001 e foi objeto de artigo publicado pela Revista Climatização, em sua edição de junho/2001, sob o título: Desumidificação – Processo alternativo de tratamento do ar externo. À época, ocorria o racionamento de energia elétrica com decorrentes restrições de liberação de demanda e contingenciamento do uso da energia elétrica. Recorria-se a fontes alternativas, sendo o gás natural a de maior viabilidade quanto a disponibilidade.
A instalação de frio alimentar, com projeto independente (não integrado) ao projeto do sistema de climatização, utilizou a descarga de gás quente do sistema de congelados para obter água quente sanitária prediala 45°C, empregando um dessuperaquecedor gás-água.
Como autores do projeto de climatização,procedemos aintegração do frio alimentar com o ar-condicionado introduzindo um trocador de calor gás-ar na descarga do referido sistema de refrigeração, para uso em processo de desumidificação de arpor dessecagem,para atender o sistema de climatização da loja, priorizado em relação ao trocador originalmente adotado para aquecimento de água – que teve o fluxo de água desviado – fazendo a descarga do gás, oriunda da compressão do sistema frigorífico de congelados, passar pelo trocador de calor de dessuperaquecimento, em contrafluxo com o ar externo de reativação do desumidificador dessecante.
O desumidificador requer ar a 95°C (q = 0,18), tendo sido possível obter,por interação com o fluxo de gás de descarga,a 115°C (q = 0,22). A potência térmica liberada pela descarga do compressor mostrou-se compatível com o requisito energético para aquecer a vazão necessária do ar de reativação até 95°C, usando parte da carga relativaà condensação (40°C) e toda a energia resultante dodesuperaquecimento do gás de descarga, propiciando ao ar atingir os95°C.
O ar de processo, ao ser desumidificado por dessecagem, resultou em umidade absoluta na saída de 5,7 g/kg e temperatura de saída em 52°C, ou seja, a redução da umidade implica em acréscimo da temperatura.
A integração só foi viabilizada porque assumimos a responsabilidade pelos resultados– por exigência do fornecedor do sistema de frio alimentar aos prepostos do empreendedor – no que concordamos.
Fizemos o dimensionamento, desenho construtivo e detalhamento do trocador de calor gás-ar para ser inserido na descarga de gás quente do sistema de refrigeração de congelados, com propósito de obter ar externo aquecido até 95°C para realizar a reativação de um desumidificador sólido, por dessecagem.
Segue a descrição do processo:
Logo quando posto em marcha, realizada sob a nossa orientação e acompanhamento, a tecnologia incrementada ao sistema atendeu às necessidade de preparação térmica do fluxo de ar de reativação do desumidificador, resultando em eficiência térmica condizente, tanto no que respeita à adsorção, quanto à desadsorção, conferindo eficácia no propósito de obter o fluxo de ar desumidificado para o processo de climatização do supermercado, sem provocar qualquer intercorrência em relação ao desempenho do sistema de refrigeração ao qual foi acoplado.
Há uma permutaentre calor sensível e calor latente;a entalpia do ar se mantém.A vantagem consiste no fato de que a umidade teria que ser tratada com baixa temperatura de resfriamento (alta exergia), enquanto o ar desumidificado por dessecagempossibilitava o tratamento com altas temperaturas de resfriamento (baixa exergia).
Então o ar dessecado a 52°C de temperatura (q = 0,07) é compatível com aquecer a água até os 45°C pretendidos (q = 0,05) e, ao mesmo tempo, é resfriado até 27°C (água para aquecer a 24°C na entrada), tornando os ciclos de propósitos recíprocos duplamente atendidos (circularidade). Na hipótese de não ocorrência de demanda por água quente, um sistema de arrefecimento, composto por torre de resfriamento e sistema de bombeamento, assume a carga do 1º estágio do processo de dessecagem.
A entalpia final do ar dessecado após a interação situou-se em valor inferior à do ambiente interior, em razão da alta exergia por estar hiperdesumidificado (temperatura de orvalho de 6°C).
Dessa forma, após arrefecido no contrafluxo com o fluxo de água a ser aquecida do sistema sanitário predial e sob baixa entalpia, o fluxo de ar passa a ser resfriado por água gelada a temperatura de 12°C (e não a5°C,como seria necessário para desumidificar por condensação do vapor d’água), elevando o COP dos chillers do sistema de ar-condicionado em 26% (3,7% para cada °C de elevação da temperatura de evaporação), seguindo o ciclo invertido de Carnot.
Em situações de paralisações no sistema de ar-condicionado – o que resultaria na indisponibilidade de troca de calor no dessuperaquecedor gás-ar– o fluxo de água a aquecer passa a circular pelo dessuperaquecedor originalmente instalado na descarga de gás do sistema de congelados, interagindo com o fluxo de gás quente a 115°C e aquecendo a água até 65°C, suficiente para proceder sanitização periódica do sistema de água quente sanitária predial.
Caso não fosse priorizado o atendimento do fluxo de gás quente para o processo de dessecagem do ar em relação ao processo de aquecimento de água, ocorreria a quebra da hierarquia de qualidade necessária para obter a desumidificação do fluxo de ar pretendido de reativação do desumidificador. Constitui-se em sistema exergético em cascata entre fontes de energia e cargas por elas supridas.
É uma definição com hierarquia de qualidade exergética compatibilizada às necessidades.Daí pode-se depreender que as maiores oportunidades de ganhos – quer seja na redução, quer seja em mitigação de emissões resultantes do uso da energia – estão no correto emprego da energia – qualidade compatível entre fonte e exigência – e interação do uso, ensejando que resíduos sejam utilizados como fontes para processos de menor exigência (2ª Lei).Mesmo que o consumo seja em maior quantidade – exemplo do rotor dessecante cujo COP é 0,7, ao invés do resfriamento até atingir a condensação por refrigeração mecânica com COP 5,0 (sete vezes maior), porém utilizando energia elétrica (q = 1,00) ao invés de resíduo de processo que se degradaria se não utilizado de imediato (q = 0,22), constituindo-se em reuso de energia.
Considerando que a aquisição do desumidificador químico foi realizada anteriormente à intervenção que integrou as instalações frigoríficas, o mesmo veio provido de queimador para aquecimento ativo por combustão de gás natural; todavia, o aquecimento foi viabilizado por processo passivo proporcionado pela troca térmica free-heating no dessuperaquecedor instalado no sistema de refrigeração do frio alimentar, fornecendo ao sistema de climatização a energia térmica para o processo de desumidificação – beneficiando energeticamente a instalação de climatização e recebendo, em contrapartida, os benefícios do ar hiperdesumidificado nas trocas com o ar do salão de vendas e, como resultado, redução de consumo de energia, mitigação da formação de gelo nos evaporadores dos expositores e maximização do tempo entre os ciclos de degelo, culminando com a preservação da qualidade e validação da vida útil dos produtos. O dispositivo de aquecimento por queima de gás natural – originalmente incorporado – destina-se apenas para eventual uso em caso de indisponibilidade ocasional da operação do sistema de refrigeraçãoa ele integrado.
O questionamento a ser feito é se a energia está sendo criteriosamente empregada (integração energética progressiva e não emitente), ao invés de questionamentoacerca de vantagens de sistema por expansão indireta sobresistema por expansão direta, ou vice-versa. As oportunidades de vantagens estão concentradas fundamentalmente nos conceitos integrados de emprego dos recursos energéticos, bem mais do que as possíveis de serem obtidas por diferentes conceitos de equipamentos disponíveis para utilização; são só complementares.
Extensão da integração entre sistemas ao lado do ar
A utilização de expositores frigoríficos passou porvárias alterações no sentido de reduzir trocas de ar entre o interior dos expositores e o ambiente da loja, até por influência da AshraeSt. 189-1 que estabelece desempenho para edificações de alta performance. Apesar da redução de expositores abertos, substituindo-os por expositores fechados, há transferência de ar frio dos expositores para o ambiente por ocasião das aberturas de portas, com vazão estimada equivalente a 35% do valor para expositores abertos.
Mesmo assim, há formação de corredores frios, sendo recomendado o processo de circulação de ar, com captação próxima aos expositorese ao nível do piso e reposição de ar desumidificado sem provocar turbulência e sem favorecer trocas de ar entre os expositores e o ambiente da loja.
Os expositores de frios operam a 4°C e umidade relativa de 80%, resultando em 4,0 g/kg de umidade absoluta.Já os expositores de congelados operam a -18°C e umidade relativa de 90%, resultando em0,7 g/kg de umidade absoluta.
Considerando uma umidade na insuflação do ar de 5,7 g/kg oriunda do desumidificador por dessecante, evita-se 72% dacarga de umidade transferida para oexpositor de resfriamento e 46% para os de congelados, racionalizando a operação, se comparada aos 10 g/kg dos processos tradicionais.
O processo de desumidificação por dessecagem, que leva a umidade absoluta do ar à 5,7 g/kg, favorece grandemente a otimização do desempenho desses equipamentos ao evitar significativa carga latente que seria inevitavelmente congelada nos evaporadores da maioria dos expositores, o que intensificaria o uso dos dispositivos de degelo,contribuindo com a preservação da qualidade e da vida útil dos produtos, com a assepsia e com a eficientização energética por evitar congelamento e degelo.
Além do suprimento de ar hiperdesumidificado, a adoção de ventilação no entorno dos expositores, captando o ar “despejado” dos expositores junto ao piso e insuflando-o em regiões da loja a serem climatizadas, é fator importante para mitigar o fluxo de compensação da vazão trocadaentre expositores e salões de vendas.
Isso significa que a distribuição de ar para a climatização deverá considerar o layout dos expositores e suas configurações, de modo a não causar turbulências que venham a favorecer o acréscimo dessas trocas de ar entre o ambiente da loja e o interior dos expositores.
Outro fator importante: as potências de resfriamento da loja (aquecimento dos expositores) deverão ser cuidadosamente contabilizadas e deduzidas das potências dos sistemas de climatização.Dessa forma, a interação é benéfica para ambos os sistemas, o de frio alimentar recebendo ar frio e seco, e o de climatização recebendo potência frigorífica, com valor e fator de calor sensível definidos por tipo de expositor e regime de operação, racionalizando os custos das instalações e os processos de produção de frio, dados os cuidados adotados na direção de uma circularidade operacional holisticamente integrada.
Não é incomum constatar-se em supermercados processos de distribuição de ar com bocas de insuflação uniformemente locadas e espaçadas, ignorando a contribuição dos expositores e, até jatos de ar com fluxo dirigidos aos gabinetes dos expositores (bocas de saída laterais) incorrendo em turbulências e favorecendo o aumento de trocas de ar entre expositores e ambiente.
Quanto ao GWP dos fluidos refrigerantes
Não vamos nos referir ao uso dos fluidos naturais por constituir-se em parcela significativamente especializada, e por considerar que a presente matéria deve ter como foco a parcela fundamentalmente majoritária que, supomos, está dividindo o mercado em foco, parte atendendo ao setor de frio alimentar e parte atendendo ao setor de climatização.
Mas isso não impede – e até exige – uma integração para que o cliente final usufrua os benefícios dela decorrentes.A integração não exige um compartilhamento de sistemas frigoríficos comuns às duas finalidades.Porém, a preocupação com os impactos ambientais deve ser um compromisso profissional e um posicionamento ético de respeito à sustentabilidade, e de preservação dos ecossistemas e do meio ambiente para as gerações futuras.
Deve-se ressaltar que o impacto ambiental provocado pelos fluidos refrigerantes depende da taxa de vazamentos e do valor do GWP, sendo que o produto entre esses define o valor das emissões.Conforme constam na Ansi/Ashrae Standard 228, o vazamento de gás em sistemas de expansão direta corresponde a 4 vezes o equivalente de um sistema por expansão indireta, enquanto os respectivos valores de GWP ora vigentes resultam em 50% maiores para os sistemas por expansão direta, o que resulta em emissões relativas aos fluidos refrigerantes nos sistemas por expansão direta 6 vezes o valor correspondente ao de sistemas por expansão indireta equivalente.
Também com respeito às instalações frigoríficas para supermercados, a referida Norma informa vazamentos anuais de fluido refrigerante correspondentes a 30% da carga, o que levou Japão, Estados Unidos, Reino Unido, Suécia e Dinamarca,entre outros países, a optarem por fluido secundário no intuito de obter redução significativa das cargas de fluido refrigerante e, também, para mitigar ocorrências de vazamentos por evitar longos trechos de tubulações e grande número de acessórios e,por consequência, reduções em vazamentos e emissões.
Considerando a nova geração de fluidos refrigerantes sintéticos, os HFOs, de baixíssimo GWP, que misturados com os atuais HFCs, conduzem a refrigerantes com valores deGWPs em conformidade com as prescrições da EU de redução das emissões para 1/3 das correspondentes a 2014 até 2030, e a EPA (USA), de valores do GWP £ 700, em atendimento à Emenda de Kigali.Deve-se considerar que os resultantes RCLs dos novos refrigerantes sintéticos são bem inferiores (±75 g/m³) com classificaçãoA2L, em comparação ao do R-410A adotado em sistemas atuais por expansão direta(420 g/m³) classificado como A1,exigindo os cuidados estabelecidos pela Ansi/Ashrae St. 15 e ABNT-NBR 16669.Para supermercados, a escolha predominante tem recaído no R-407A, cujo GWP é equivalente à 50% do GWP do R-404A.
Conclusão:
Aí está a grande diferença. Edificações de alta exergia recebem suprimento energético oriundo de 2 fontes de altíssimas qualidades:
Eletricidade q = 1,00
Combustível q = 0,90
Edificações de baixa exergia recebem suprimento energético de fontes de qualidades variáveis, conforme as necessidades das cargas:
Eletricidadeq = 1,00
Energia térmica de resíduos (no caso a 115°C) q = 0,22
Interagem, ainda, obtendo suprimento a cargas de menor exigência a partir de rejeitos de cargas de maior exigência, majorando a eficientização (reuso), minimizando emissões (rejeitos com menor qualidade proporcionados pelo arranjo em cascata) e até evitando queima de combustível.
Francisco Dantas é engenheiro mecânico, consultor e diretor da Interplan Planejamento Térmico Integrado; é membro do Conselho Editorial da revista Abrava+Climatização& Refrigeração
Referências
Ashrae Handbook Refrigeration 2022
Ashrae Handbook Applications 2023
Rehva,LowTemperatureHeating And High TemperatureCooling – Guidebook N° 07
International Energy Agency – IEA – Annex 26
International Energy Agency – IEA – Annex 37
International Energy Agency – IEA – Annex 49
International Energy Agency – IEA – Annex 59
International Energy Agency – IEA – Annex 80
IPCC Sixth Assessment Report – AR6
Ansi/Ashrae/USGBC/IES Standard 189.1
Ansi/Ashrae Standard 228-2023
Ansi/Ashrae Standard 15/34
ABNT – NBR 16069/16666
