A eficiência do sistema não se resume a um componente isolado, como o chiller, mas na harmonia e na excelência de todo o projeto

Para projetistas de refrigeração e ar-condicionado, a definição do sistema de condensação em um projeto de água gelada sempre representou um dos pontos mais críticos de decisão. Historicamente, a escolha entre condensação a água e a ar era guiada por premissas quase imutáveis: grandes capacidades eram domínio exclusivo dos sistemas refrigerados a água, enquanto a eficiência energética era um trunfo indiscutível das torres de resfriamento.

No entanto, nos últimos anos, novas tecnologias de compressores, trocadores de calor e lógicas de controle, têm redesenhado esse cenário. Para compreender a profundidade dessas mudanças e dissipar os paradigmas do passado, ouvimos quatro renomados engenheiros de aplicação: Ana Carolina Rodrigues (Copeland), Cristiano Brasil (Midea Carrier e Presidente do Chapter Brasil da Ashrae), Giancarlo Delatore (Trane) e Marcos Santamaria (Indústrias Tosi). O consenso é claro: a dicotomia entre água e ar não é mais uma questão de “qual é o melhor”, mas sim de “qual é o mais adequado”, exigindo uma análise holística que vai muito além da capacidade instalada.

Novos critérios para a definição do sistema

Até alguns anos atrás, a tomada de decisão era simplificada por diretrizes como a citada por Giancarlo Delatore: “prevalecia no mercado a premissa de que instalações com capacidade superior a 1.000 toneladas de refrigeração (TRs) deveriam ser implantadas utilizando sistemas de água gelada com condensação a água”. Hoje, essa régua está quebrada.

A complexidade dos projetos modernos exige a avaliação de uma miríade de fatores. Cristiano Brasil enumera uma série deles: “disponibilidade de água, a necessidade do menor consumo de energia possível, o menor nível global de ruído, o menor custo de instalação versos o maior ciclo de vida, a menor quantidade de componentes de manutenção”.

A água, antes vista como um recurso abundante, tornou-se um dos principais vetores dessa decisão. Marcos Santamaria é direto ao apontar os fatores iniciais: “as tarifas de energia e água do local da instalação, a disponibilidade de água no local, e a presença ou não de atmosfera agressiva”. Em regiões com escassez hídrica ou tarifas elevadas, o consumo de reposição das torres de resfriamento abertas pode inviabilizar economicamente um sistema de condensação a água, independentemente de sua eficiência energética superior.

Quando a escassez de água e a operação ditam a escolha

Se a água é um fator crítico, o sistema de condensação a ar emerge como a solução natural em contextos de restrição hídrica. Mas não apenas. Santamaria destaca um fenômeno operacional que confere vantagem competitiva aos sistemas a ar: a operação contínua. “Um sistema de condensação a ar pode ser a melhor escolha em locais com pouca disponibilidade de água, e em operações 24 horas, já que a noite e na madrugada as temperaturas caem e, consequentemente, o consumo de energia dos chillers a ar diminui”.

Esta característica tem sido decisiva para um setor específico em franca expansão: os data centers. “É por esta razão, aliada ao alto consumo de água de reposição nas torres de arrefecimento que atualmente os novos projetos de data centers, que operam 24 horas, estão sendo feitos utilizando chillers com condensação a ar”, afirma Santamaria.

Cristiano Brasil complementa essa visão, salientando que a água é um bem escasso e que “quando estratégias como a utilização de água de reuso, bons processos de tratamento químico ou a utilização de dry cooler, por exemplo, não são considerados para se comparar com o custo de água de concessionárias, a tendência é que sistemas de condensação a ar sejam mais vantajosos”.

Avanço na tecnologia dos compressores

A pergunta central desta análise reside na capacidade das novas tecnologias de equiparar o rendimento entre os dois sistemas. A resposta unânime dos especialistas é que houve, sim, uma redução significativa na diferença de performance, e os compressores são os protagonistas dessa história.

O engenheiro da Tosi é categórico ao identificar o divisor de águas: “A forma de compressão do fluido refrigerante mais eficiente é a centrífuga, e antigamente chillers com compressores centrífugos só existiam os de condensação a água. Hoje dispomos de chillers com condensação a ar com compressores centrífugos de mancais magnéticos de alta eficiência”.

A chegada dos compressores centrífugos oil-free (isentos de óleo) ao mercado de condensação a ar, com destaque para a tecnologia Turbocor, eliminou a barreira tecnológica que impedia os sistemas a ar de competirem em eficiência nas grandes capacidades. Como ressalta Santamaria, “do ponto de vista de eficiência na compressão dos fluidos refrigerantes passamos a ter disponíveis tecnologias semelhantes tanto na condensação a ar como na condensação a água”.

Ana Carolina Rodrigues, da Copeland, corrobora essa visão, destacando que os avanços vão além dos centrífugos. “Compressores com maior capacidade de modulação, aliados a um melhor controle eletrônico, como, por exemplo, a aplicação da condensação flutuante, permitem que chillers condensados a ar alcancem níveis de eficiência cada vez maiores”. Ela menciona os investimentos da empresa em compressores scroll de alta eficiência e plataformas com controle digital de capacidade, que proporcionam uma modulação precisa, especialmente benéfica em cargas parciais.

No entanto, Giancarlo Delatore insere uma nota de cautela, lembrando que a tecnologia, por si só, não é uma solução mágica. Embora reconheça que os avanços em compressores, trocadores de calor e controles “contribuíram para reduzir a diferença no consumo de energia entre sistemas de condensação a ar e sistemas de condensação a água”, ele adverte que os ganhos dos oil-free em chillers a ar dependem fortemente da aplicação. “Em condições de água gelada próxima ao padrão da ASHRAE 90.1, isto é, em torno de 7°C, é comum que chillers com mancais magnéticos apresentem eficiência muito próxima ou até mesmo inferior à de chillers parafuso de alta eficiência equipados com VFD”.

Delatore reforça que os ganhos significativos dos oil-free a ar ocorrem em aplicações com temperaturas de água gelada mais elevadas, como em data centers (acima de 20°C), e enfatiza a necessidade de estudos baseados em condições reais de operação, não em índices de laboratório como IPLV.

O impacto das tecnologias oil-free e outras inovações

As tecnologias oil-free são frequentemente citadas como o grande avanço, mas sua contribuição difere entre os sistemas de condensação.

Nos sistemas de condensação a ar, a principal contribuição foi, como já dito, trazer a eficiência da compressão centrífuga para esse universo. Ana Carolina Rodrigues adiciona outros benefícios cruciais: “A eliminação do óleo no circuito frigorífico evita a perda de eficiência nos trocadores de calor ao longo do tempo, mantendo a troca térmica mais estável e previsível durante toda a vida útil do equipamento”. Ela destaca ainda a tecnologia AeroLift™ da Copeland, que permite a operação do compressor sem atrito, sem a complexidade de sistemas magnéticos, aumentando a confiabilidade e a eficiência em carga parcial.

Nos sistemas de condensação a água, o impacto é igualmente transformador, mas consolidado. Marcos Santamaria aponta que, além da manutenção da eficiência pela ausência de biofilme de óleo nos trocadores, a grande contribuição foi a “disponibilidade de compressores centrífugos de menor capacidade”. Isso permitiu “a produção de chiller de menor capacidade com a maior eficiência dos compressores centrífugos que antes se restringiam a capacidades acima de 300 TR”. Essa modularidade, com chillers de vários compressores pequenos, otimiza drasticamente a operação em cargas parciais.

Cristiano Brasil amplia a discussão, lembrando que os oil-free também trazem vantagens como a operação em lifts cada vez menores, mas alerta que a robustez dos compressores parafuso para operações de alto lift continua sendo um diferencial em muitas aplicações.

É crucial, no entanto, colocar o impacto dos oil-free em perspectiva. Giancarlo Delatore utiliza a Figura 1 para ilustrar um ponto fundamental: o impacto dos mancais na eficiência global do chiller é limitado. A figura demonstra que o projeto e a aerodinâmica do compressor, a tecnologia do motor e o acoplamento entre motor e compressor são fatores preponderantes. “Soma-se a isso a tecnologia aplicada nos trocadores de calor e, posteriormente, as lógicas de operação e controle do equipamento e a atuação do VFD”, explica. Para Delatore, há uma “quantidade desproporcional de ações de marketing direcionadas a esse componente, quando comparada ao impacto real que ele exerce na eficiência total do chiller”.

Essa visão é complementada por Cristiano Brasil, que reforça a necessidade de uma visão sistêmica: “Muito se foca nas tecnologias de compressão, o que é muito importante, porém, não adianta um equipamento com um compressor de última geração aplicado em um projeto não tão eficaz”. Ele conclui com uma frase que resume o pensamento moderno: “a boa eficiência está nos equipamentos, a ótima eficiência está no sistema”.

Free cooling e estratégias de eficientização

Quando o assunto é ir além da eficiência do chiller e otimizar o sistema como um todo, as estratégias de free cooling são frequentemente mencionadas. A viabilidade de cada abordagem, porém, varia conforme o sistema.

Cristiano Brasil esclarece que “sistemas free cooling podem ser adotados tanto em sistema e condensação a ar (…) quanto condensação a água”, dependendo da existência de temperaturas externas baixas. No entanto, ele observa uma tendência: “Os sistemas de condensação a ar são, atualmente, mais aplicados para free cooling do que sistemas de condensação a água. Isto se deve a operação dos novos data centers que utilizam água gelada com temperaturas mais altas”.

Delatore explica a limitação do free cooling em sistemas a água no Brasil: “Para que o free cooling seja viável em chillers com condensação a água, é necessário que a temperatura da água de condensação seja inferior à temperatura da água gelada, condição pouco comum no país em aplicações voltadas ao conforto térmico”. Já nos sistemas a ar, ele vê um potencial maior, especialmente em processos industriais ou data centers com temperaturas de água acima de 20°C e em regiões de clima mais ameno.

Santamaria confirma que o free cooling pode ser incorporado em ambos, mas destaca a maior frequência em sistemas a ar, “através do uso de chillers a ar com serpentinas de free cooling incorporadas, já bastante utilizados em data centers no hemisfério norte”.

Melhores aplicações e a decisão de projeto

Diante de tantas variáveis, como definir a melhor aplicação para cada sistema? Os especialistas foram unânimes em traçar perfis.

Os sistemas de condensação a água são indicados quando:

• O custo e a disponibilidade de água são favoráveis.
• Há presença de atmosfera agressiva (maresia, ambientes industriais) que danificaria serpentinas de cobre e alumínio.
• Busca-se o maior adensamento de carga por equipamento (unidades acima de 4.000 TRs).
• A maior eficiência energética teórica é o objetivo primordial, mesmo com maior complexidade de sistema.

Como resume o engenheiro da Trane, “sistemas desse tipo oferecem melhor eficiência energética e reduzem a demanda de energia a ser contratada para atender o sistema de AVAC, podendo, portanto, representar uma opção mais atrativa para o empreendimento”.

Os sistemas de condensação a ar se destacam quando:

• A disponibilidade de água é limitada ou seu custo é proibitivo.
• A operação é 24 horas, aproveitando a queda noturna de temperatura.
• Busca-se eliminar variáveis operacionais (água, tratamento químico) em aplicações críticas como hospitais e data centers.
• O projeto visa a simplificação da manutenção e a redução de periféricos (bombas, torres).

Delatore complementa: “Chillers com condensação a ar, por sua vez, evoluíram de maneira significativa nos últimos anos/décadas, tornando-se muito mais eficientes e menos ruidosos do que já foram no passado. Ademais, o fato de não demandarem consumo de água leva muitos usuários a optar por essa solução”.

A eficiência é sistêmica, a escolha é holística

A análise dos depoimentos dos quatro engenheiros revela que a indústria de refrigeração e ar-condicionado atingiu um novo patamar de maturidade. As novas tecnologias de compressores, com destaque para os sistemas oil-free e inverter, aliadas a avanços em trocadores de calor e controles, efetivamente reduziram a diferença de eficiência energética entre os sistemas de condensação a ar e a água.

A antiga supremacia inquestionável dos sistemas a água em grandes capacidades foi substituída por uma relação de equilíbrio, onde o sistema a ar se tornou uma alternativa competitiva, especialmente em cenários de restrição hídrica e operação contínua. No entanto, o sistema a água ainda mantém a liderança em eficiência energética teórica e em aplicações de altíssima capacidade ou ambientes agressivos.

A grande lição para engenheiros e técnicos é que não existe uma resposta única ou uma regra de bolso como “acima de 1.000 TR é água”. A decisão correta exige uma análise profunda e personalizada do empreendimento, considerando não apenas a eficiência do chiller, mas todo o sistema: custo e disponibilidade de água, tarifas de energia, perfil de carga, clima local, espaço físico disponível, custos de manutenção ao longo do ciclo de vida e, por fim, a qualidade do projeto, da automação e do comissionamento.

Como bem colocou o presidente do Chapter Brasil da Ashrae, a ótima eficiência não está em um componente isolado, mas na harmonia e na excelência de todo o sistema. A escolha entre água e ar deixou de ser uma questão de dogma tecnológico para se tornar um exercício de engenharia de valor, onde cada projeto é um caso único a ser estudado em detalhes.

Crédito da foto de abertura: ID 187829868 | Chiller A Ar © Suchatbea | Dreamstime.com