O que é uma CAG (Central de Água Gelada) com bom desempenho? Comumente a definição circunscreve-se à especificação dos chamados “chillers eficientes” para, a partir daí, agregar componentes também considerados eficientes num jogo de adição. Entretanto, nem sempre a simples somatória de equipamentos resulta no melhor custo x benefício.
“Muito se fala de tecnologias de chillers, por exemplo, que o equipamento possui o melhor Coeficiente de Performance (COP) ou melhor eficiência em carga parcial conforme AHRI, porém, o que realmente importa é a eficiência do sistema. Dito de outra forma, como o conjunto de chillers, bombas, torres de resfriamento, AHU, automação etc. pode trazer a melhor eficiência do sistema e não tomando-se um componente de forma individual. Por exemplo, eu posso especificar um chiller centrífugo com inversor de frequência, uma ótima combinação de COP/IPLV e ele ser instalado em uma região onde, devido as condições climáticas, a água de condensação sempre estará por volta de 29.5ºC. Neste caso, o equipamento nunca entregará a eficiência em carga parcial prometida na especificação. Isto porque o chiller centrífugo com inversor de frequência pode não ser a melhor opção para esta aplicação”, explica Cristiano Brasil, engenheiro de aplicação da Midea Carrier.
Ricardo Suppion, gerente para América do Sul da Oventrop, concorda. Para ele, o conceito de sistema eficiente deve atender as necessidades do cliente consumindo o mínimo de energia. Avaliação que deve ser feita considerando não somente a carga total, ou máxima, e sim as várias condições de carga parcial, em que o sistema vai operar durante grande parte do uso.
“Portanto, quantos chillers e bombas vão ser usadas, a dimensão de cada um, isto é, se vão ser iguais ou diferentes, a disposição, o número de bombeamentos etc. vai depender das respostas às questões abaixo relacionadas:
– Tamanho do sistema;
– Tipo de edifício: o sistema irá mudar bastante, como um shopping center, ou vai ser mais constante, como um supermercado ou um edifício comercial, com poucos equipamentos e mudando, basicamente, os dutos de ar para atender o layout de cada cliente?
– Tipo e variação de carga: é um shopping center, com grande carga latente e variável, ou um data center, com mais carga sensível e constante?
– Operação: na região da obra existe mão de obra qualificada para operar e manter sistemas mais automatizados e complexos; há velocidade de reposição de peças para o sistema de automação no caso de falhas ou defeitos?
Por isso é vital o comissionamento da obra e a definição clara do OPR (Owner’s Project Requirements) para que o projeto seja concebido e executado da melhor forma possível e atendendo às expectativas operacionais e de custo.”
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- Cristiano Brasil, da Midea Carrier
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- Katuaki Hayashida Junior, da Danfoss
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- Ricardo Suppion, da Oventrop
Ou, ainda, como conclui Katuaki Hayashida Júnior, engenheiro de vendas da Danfoss: “Para uma CAG eficiente é necessário que todos os componentes dos sistemas estejam trabalhando em harmonia. Portanto, de nada adianta possuir um chiller de alto rendimento se os demais componentes não trabalharem de forma adequada conforme o projeto. É necessário pensar na instalação como um todo interligado, no qual é importante observar desde a geração de água gelada nos chillers, passando pelas bombas, válvulas de controle e balanceamento e os trocadores de calor (FC/UTA).”
Arranjo da CAG
O tipo de arranjo escolhido, se fluxo variável ou constante, por exemplo, a depender das condições de operação poderá determinar não só o desempenho do sistema, como a localização dos diversos componentes da CAG. Entretanto, é necessário conceitualizar cada um deles, segundo Brasil.
“Podemos trabalhar com o arranjo somente primário com vazão constante, primário/secundário, com o sistema primário em vazão constante e o secundário vazão variável, e o arranjo primário variável, operando sempre com vazão variável. Os arranjos dos tipos primário e primário variável possuem menos componentes em relação ao arranjo primário/secundário; o que os diferencia não é a quantidade de componentes e, sim, a forma de controle da CAG. Com a introdução das bombas in-line, por exemplo, a adoção de um arranjo primário variável pode reduzir drasticamente a necessidade de área de instalação”, diz o engenheiro de aplicação da Midea Carrier.
O consultor Leonilton Tomaz Cleto, da Yawatz Engenharia, explica que a posição dos chillers impacta alguns componentes, como as bombas. “Chillers em paralelo terão a vazão total dividida pela quantidade de chillers em paralelo e a perda de pressão no trecho de tubulação de cada chiller será a mesma. Ou seja, a perda de pressão total no circuito será a perda de pressão do circuito geral mais a perda de pressão no trecho de um chiller. Portanto, a perda de pressão total será menor quando comparado com chillers em série.”
Por outro lado, continua Tomaz Cleto, “chillers em série terão a vazão total circulando em cada chiller em série e a perda de carga em cada chiller será adicionada à perda de pressão total no circuito. Ou seja, a perda de pressão total no circuito será a perda de pressão do circuito geral mais a perda de pressão no trecho de cada chiller em série. Nesse caso, a perda de pressão total no circuito será maior.”
Operação das bombas e o desempenho do sistema
Tomaz Cleto alerta para o fato de o arranjo das bombas nos circuitos, assim como o seu conceito de operação, pode influenciar sensivelmente no desempenho dos sistemas de água gelada. “As concepções mais antigas (com válvulas de três vias nos fan coils ou com válvulas de duas nos fan coils e válvula de controle de pressão no bypass geral do circuito) operavam com vazão total constante nos chillers e bombas de água gelada. O desempenho desses sistemas é razoavelmente menor que o dos sistemas com circuitos primário e secundário, que podem ter uma eficiência energética total entre 25% e 30%, quando comparada à eficiência dos sistemas mais antigos. E os sistemas com circuitos únicos com vazão variável podem ter uma eficiência entre 30% e 40% maior, quando comparada com a eficiência dos sistemas mais antigos. No entanto, é muito importante que a concepção do sistema (envolvendo o próprio circuito hidrônico), que o selecionamento das bombas e do sistema de controle sejam dimensionados de maneira adequada para garantir os índices de eficiência”, alerta o consultor.
Tem ganhado espaço, na discussão sobre a eficiência dos sistemas de água gelada, os diversos modelos ou tecnologias de bombeamento. Entretanto, como acontece não poucas vezes, é necessário se interrogar se não estamos frente a mais um “museu de grandes novidades”.
“O ‘estado da arte’ das bombas é muito simples, muito antigo, mas até hoje quase sempre negligenciado. Trata-se apenas do dimensionamento do sistema e da configuração de operação (em campo) adequados. Apesar de simples é preciso engenharia. Ocorre que a maioria dos circuitos hidrônicos existentes não foram dimensionados de maneira adequada, considerando uma visão sistêmica da operação”, dispara Tomaz Cleto.
“Há muitos detalhes importantes a serem considerados (a maioria sem custo adicional para a instalação ou com incrementos mínimos), mas que são fundamentais para a operação eficiente. E, no entanto, é notório perceber que se trata de total desconhecimento, desde o projeto até a instalação e a lógica de controle. Basta comparar nos desenhos dos projetos os detalhes sobre os elementos da rede de distribuição de ar em relação aos detalhes dos elementos dos circuitos hidrônicos. Esses últimos são muito negligenciados. E é comum verificar detalhes típicos do circuito hidrônico totalmente diferentes do projeto em questão. E, por fim, quando chega a fase de operação, criam-se as teorias mais estapafúrdias para explicar alguns erros crassos até hoje repetidos nos projetos, nas instalações e nas lógicas de controle”, continua o consultor da Yawatz.
O modelo da bomba é determinado basicamente em função da vazão de projeto e da altura manométrica do sistema (perda de pressão total no circuito hidrônico). No entanto, para um dimensionamento adequado das bombas, há que se considerar uma visão sistêmica do funcionamento de cada circuito hidrônico. Normalmente o circuito é dimensionado para várias bombas operando em paralelo. Neste caso, o selecionamento das bombas e do motor elétrico pode ser sensivelmente afetado para garantir o funcionamento adequado em função da quantidade de bombas em operação no circuito. Muitas vezes é necessário considerar um controle com inversores de frequência para manter a vazão constante (nos chillers, por exemplo) em função da quantidade de bombas (e chillers) em operação. Isto é muito importante no dimensionamento das bombas do circuito primário (em sistemas primário-secundário) e nas bombas do circuito de água de resfriamento.
“Como exemplo, um circuito com 4 chillers e 4 bombas de água de resfriamento, dependendo do tamanho do trecho da tubulação com vazão total, terá a vazão de projeto em cada chiller/ bomba quando operam todos os equipamentos, mas quando operam apenas um ou dois chillers/bombas, a vazão será excessiva em cada equipamento (devido à diminuição da perda de pressão no circuito, com vazão total menor), podendo requerer uma potência maior do que a nominal do motor. É comum, nesse caso, a equipe de operação restringir a vazão nas bombas, limitando a vazão equivalente à máxima corrente elétrica (potência) do motor para a condição de apenas um chiller/bomba em operação. Como consequência, quando o sistema operar com 4 chillers/bombas, a vazão por equipamento será razoavelmente menor”, explica Tomaz Cleto.
“Outro fator importante, especificamente para o selecionamento das bombas do circuito de água de resfriamento, quando as torres de resfriamento estiverem instaladas no mesmo nível das bombas de água de resfriamento, é o NPSH (Net Positive Suction Head), que é a pressão absoluta (no SI é indicada em m.c.a.) na sucção das bombas. No selecionamento das bombas deverá ser verificado o NPSH requerido pela bomba selecionada e este valor deverá ser sempre menor que o NPSH disponível, calculado considerando a perda de pressão desde o nível das bacias das torres de resfriamento até a sucção da bomba, para a vazão total do circuito. De outra forma haverá cavitação na bomba quando em operação”, alerta o consultor da Yawatz.
Quando os variadores de frequência são requeridos
Os conversores (ou variadores) de frequência representaram um grande passo no sentido de dotar os sistemas de maior eficiência energética. “Para bombas e ventiladores há uma relação cúbica entre vazão e potência. Portanto, a cada porcentagem de redução de vazão é diminuída essa porcentagem ao cubo em relação à potência (energia utilizada). Ou seja, uma redução de apenas 20% na velocidade de bombeamento ou vazão pode gerar uma economia de até 50% no consumo de energia. O nível de economia de energia é considerável. Além da economia de energia direta, o conversor de frequência auxilia no desempenho do sistema e na redução nos custos de manutenção, desde o gerenciamento da pressurização até o aumento da vida útil dos demais componentes, devido as proteções ao sistema”, afirma Hayashida Júnior, da Danfoss.
Entretanto, há que usar de ponderação. Cristiano Brasil, da Midea Carrier, explica que da mesma forma que os compressores e ventiladores DC Inverter trouxeram um avanço muito importante para a eficiência energética dos sistemas Large Split (Splitão) e VRF, os variadores de frequência (VFD), quando bem utilizados, trazem alta eficiência e a possibilidade da operação em pontos ótimos de uma central de água gelada.
“Neste sentido, quando digo ‘bem utilizados’, me refiro a limitações de aplicações em que o cliente dificilmente terá vantagens na utilização de VFDs. Um caso é o já mencionado sobre a utilização de variadores de frequência em chillers com compressores centrífugos em regiões onde as condições climáticas não são favoráveis. É preciso ter em mente que o conceito de chiller centrífugo com VFD não é um equipamento para carga parcial e, sim, para lift (lift: Pressão de Descarga – Pressão de Sucção (dados de saturação)) parcial. Se eu tenho condições de baixa demanda térmica, mas com condições de alto lift, o equipamento estará em operação em carga reduzida, porém, com o VFD operando a 60Hz devido as condições climáticas. Já com o compressor parafuso é diferente, por possuir deslocamento positivo, opera normalmente tanto em carga parcial quanto em lift parcial. Outros pontos a serem considerados, que o lift de operação interfere diretamente, são a adoção de VFDs em torres de resfriamento e bombas de água de condensação (BAC). Quando analisamos uma CAG, o maior consumidor de energia são os motores dos chillers; se eu desejo reduzir o consumo de energia da instalação, preciso reduzir o consumo de energia dos chillers. O consumo de energia do motor está associado ao trabalho do compressor, que está associado ao lift de operação. Se eu quero reduzir o consumo, preciso reduzir o lift. Uma das variáveis para a redução do lift de operação é a baixa temperatura de água de condensação; para isto, o ideal é que as torres de resfriamento trabalhem mais para haver uma economia de energia nos chillers. Neste sentido, há de se analisar a real vantagem da aplicação de VFDs nas torres de resfriamento. Outro ponto a ser considerado é sobre a adoção de VFDs nas BAC. Se reduzirmos a velocidade da BAC, economizaremos energia na bomba; porém, estaremos aumentando o lift de operação do chiller e, consequentemente, seu consumo de energia. Como já dito, o motor do chiller é o maior consumidor de energia. Não que estas soluções não devam ser aplicadas, mas devem ser discutidas com os fabricantes para se chegar a um consenso sobre a melhor combinação de componentes em uma instalação e, para isto, a simulação energética é fundamental”, conclui Brasil.
