Uma das principais razões para a adoção da dupla temperatura da água gelada é a oportunidade de conceber edificações de baixa exergia térmica. Além de constituir-se em excelência sob o ponto de vista do conforto higrotérmico e da qualidade do ar interior, o recurso propicia alto nível de economia de energia.

De acordo com Francisco Dantas, diretor da Interplan – Planejamento Térmico Integrado, “a termodinâmica nos ensina que ao procedermos o resfriamento de um fluido, nunca resfriemos além do necessário e, ao aquecermos, nunca o façamos além do necessário”.

“Em 2005, adotamos em nossos projetos o conceito de dupla temperatura no suprimento de água gelada à carga, concomitantemente com a adoção do processo de desacoplamento entre cargas sensível e latente. Acredito que a adoção da dupla temperatura da água gelada é um imperativo técnico, quer seja pelo enfoque da eficiência energética, quer pelo aspecto da qualidade do ar interior. Os processos de frio radiante e o de insuflação de ar por deslocamento vertical convectivo (displacement flow), ensejam atingir o conceito de sistemas de baixa exergia, ou seja, altas temperaturas de resfriamento e baixas temperaturas de aquecimento. Especialmente em climas quente-úmido (por exemplo, a zona climática 8, conforme o zoneamento climático brasileiro, a qual abrange 54% do território brasileiro), esse conceito psicrométrico de tratamento de ar (desacoplamento total entre cargas) oportuniza a otimização termodinâmica da produção de frio, uma vez que a carga sensível será resfriada necessariamente para temperatura acima do ponto de orvalho do ambiente, ou seja, acima de 13ºC. O processo de insuflação de ar por deslocamento vertical convectivo recomenda temperatura de insuflação não inferior à 16ºC, sendo ideal acima de 18ºC. Ora, para obter-se essa condição, é suficiente usar-se água gelada entre 12ºC e 13ºC. Já para desumidificar o ar de combate à carga latente, o que na maioria dos casos se resume à vazão de ar exterior, é necessário levá-lo a uma temperatura de orvalho da ordem de 7ºC, sendo necessária água gelada a uma temperatura 2ºC mais baixa, ou seja, 5ºC”, esclarece Dantas.

Segundo ele, a carga resfriada para desumidificação à temperatura de 5ºC representa cerca de 20% a 25% da carga total. Assim, a carga de resfriamento 100% sensível representa de 80% a 75% do total. Considerando que a eficiência energética, por questões da termodinâmica (2ª Lei), cresce 3,5% para cada ºC de elevação da temperatura da fonte fria, tem-se um crescimento de até 28% da eficiência energética e uma correspondente redução no consumo de energia na produção de frio, para a mesma eficácia do sistema de climatização. Por outro lado, a adoção de processos ar-água de resfriamento sensível do ar através da aplicação de vigas frias, teto frio, piso frio etc., enseja uma redução média entre 50% e 60% da vazão de ar de resfriamento sensível, o que corresponde a uma redução da ordem de 8% no consumo total de energia do processo de climatização (produção de frio e circulação de ar), totalizando, assim, uma economia média possível de 36%, tendo como referência um sistema todo-ar com temperatura única de suprimento da água gelada.

Ainda, segundo Dantas, levantamentos realizados mês a mês, durante um ano, entre dois shoppings centers, localizados a uma distância entre eles de 13 km, na zona climática 8, resultaram numa diferença de consumo de 39,5%, favorável ao sistema com suprimento a duas temperaturas da água gelada e com uso de sistema ar-água. “Esses shoppings estão localizados na cidade de Salvador (BA). Para um deles, cuja etapa inicial foi projetada em 2005, adotaram-se os conceitos de temperatura única da água de suprimento e processo todo-ar para a climatização, enquanto para a etapa expansão, projetada em 2007, adotaram-se os conceitos de dupla temperatura para a água de suprimento e processo todo-ar para a climatização. Para o outro shopping, projetado em 2009, adotaram-se os conceitos de dupla temperatura para a água de suprimento e processo ar-água para a climatização, notadamente o emprego de vigas frias ativas. Conforme já relatado, a redução do consumo de energia resultou em 39,5%. Salientamos que esse shopping foi o primeiro no Brasil a obter o selo Procel-Edifica, recebendo a classificação A, de maior eficiência”.

George Raulino, diretor da Estermic – Engenharia de Sistemas Térmicos, acrescenta que, embora a Ashrae/IES Standard 90.1, seção 6.5.4.4, requer reset de temperatura da água gelada resfriada em chillers em função da variação da carga térmica do edifício ou da temperatura do ar externo, o que dificilmente se constata em Centrais de Água Gelada (CAG), em climas úmidos o resfriamento da água em duas temperaturas (Dual Temperature Chiller Water Plant) distintas se mostra positivamente eficiente, pois objetiva atender à necessidade de processos diferentes que requerem temperaturas diferentes, com temperaturas menores perto de 5,5ºC para processos onde se requer desumidificação e temperatura moderadas, e perto de 13ºC, para processo onde se trata apenas da carga sensível do ar.

“Os chillers têm incremento de eficiência se diminuirmos a temperatura da água de condensação, no caso de condensadores arrefecidos a água, e se aumentarmos a temperatura de saída da água gelada. Um exemplo, mantendo os iguais parâmetros construtivos e operacionais, um certo chiller resfriando a água a 5,5ºC tem um COP de 6,11 (0,575 kW/TR), enquanto resfriando a água a 13ºC, temos um COP de 7,80 (0,451 kW/TR). Se o sistema tem desacoplado o tratamento do ar externo de higienização, e somente aí se retira a carga latente do ar, apenas neste condicionador (DOAS) utilizamos a água a menor temperatura (5,5ºC)”, diz Raulino.

Dantas cita que o artigo “Dual Temperature Chilled Water Plant & Energy Savings” publicado na edição de junho de 2017 do Ashrae Journal, revela uma economia de energia de 28,3% na produção e distribuição de água gelada para uma instalação com duas temperaturas de suprimento da água gelada, respectivamente, 5,6ºC e 12,8ºC. A instalação, cuja aprovação da solução pelo investidor ocorreu após meticuloso estudo de simulação com estimativas de custos iniciais e operacionais, destina-se a atender um total de 12 pavimentos de escritórios densamente ocupados, com 3.346 m² cada, inseridos numa nova torre empresarial construída em Manhattan, Nova Iorque, num chamado formato “building-in-building”. A simulação usou como baseline para comparação um sistema de suprimento de água gelada com temperatura única a 5,6ºC e um sistema todo-ar de deslocamento vertical convectivo com temperatura de insuflação 16,7ºC. O sistema simulado, que resultou na instalação implantada, utilizou um processo todo-ar com insuflação à 18,9ºC, dotado de unidades de subresfriamento para 15,6ºC, na zona de perímetro, no verão. O artigo concluiu que os empreendedores aprovaram a solução com dupla temperatura por considerarem um ótimo custo benefício, em razão da larga vantagem entre os custos operacionais e de uma estreita desvantagem entre os custos iniciais, resultando em rápido payback.

Rafael Dutra, executivo de vendas da Trane no Brasil, diz que quando se trata de aplicações de ar condicionado, excluindo-se processos industriais específicos, plantas com duas temperaturas de água utilizam artifícios de arquitetura de tubulação, trocadores de calor intermediários, válvulas, configurações de chillers e bombas, para disponibilizar a água em duas temperaturas às unidades de tratamento de ar ou outros trocadores.

Vigas frias no RioMar Kennedy, em Fortaleza

“Um sistema desse tipo é mais complexo, tanto em termos de configuração da planta, válvulas e bombas, como um bom sistema de controles, implicando em uma operação mais precisa, o que é um grande desafio atualmente. O projeto pode ser muito bem elaborado e executado, mas será fundamental uma boa integração com o time de operação e manutenção. Uma vantagem típica deste sistema é a separação do resfriamento sensível e latente. Este é um conceito interessante. As unidades de tratamento de ar que recebem água mais fria ficam responsáveis pela desumidificação do ar e, também, tipicamente pelo tratamento do ar externo, enquanto as unidades de tratamento de ar que recebem água de maior temperatura realizam o resfriamento sensível. Esta separação permite que as unidades de resfriamento sensível fiquem menores e mais eficientes, reduzindo espaço ocupado nos ambientes instalados. Além disso, a distribuição de ar é realizada de forma mais eficiente devido às temperaturas envolvidas. Outro benefício muito procurado é a eficiência energética e, dependendo do arranjo escolhido, é possível obter no sistema como um todo um consumo energético inferior. Ressalto, porém, que esse benefício só será obtido a partir de um bom sistema de automação e operação adequados”, destaca o executivo da Trane.

Já Cristiano Brasil, executivo da Midea Carrier, lembra que existiam dois conceitos de operação com diferentes temperaturas de água gelada. “O mais utilizado no passado foi o chamado duplo setpoint, onde o equipamento trabalhava durante o dia para atender a climatização da edificação, e a noite para a produção de termoacumulação de gelo, para a climatização da edificação em horário de ponta, por exemplo. Hoje, este conceito foi largamente alterado para tanques de termoacumulação de água gelada. Atualmente, podemos encontrar projetos que trabalham com água gelada em duas ou três temperaturas diferentes. A água gelada em diferentes temperaturas é utilizada para diferentes fases do processo de climatização, como sistemas dedicados de ar externo, vigas frias ativas ou passivas, unidades de tratamentos de ar (fancoils) dos ambientes, entre outros”.

Configuração dos chillers

De acordo com Dutra, o ponto principal é como o arranjo da central será feito. “É possível tanto utilizar um ou mais chillers, produzindo a mesma temperatura e direcionar essa água de modo que trocadores de calor, válvulas misturadoras ou outros artifícios façam a separação da água em diferentes temperaturas, como também pode-se utilizar dois ou mais chillers em temperaturas diferentes e por diferentes meios, e direcionar a água para as unidades de tratamento específicas”.

Raulino corrobora e acrescenta: “Os chillers podem ser arrefecidos a ar ou a água para se ter a CAG com dupla temperatura. A configuração dos chillers pode ser em paralelo ou em série. No caso de serem em paralelo, cada chiller será projetado para operar na máxima eficiência para o setpoint e a água resfriada de cada chiller será diretamente direcionada para o condicionador de ar de cada processo. No caso de chillers em série, na tubulação que interliga a saída de água gelada do primeiro chiller com a entrada do segundo, há uma derivação que desvia parte da vazão da água na temperatura maior, enquanto que o restante da vazão é novamente resfriada no segundo chiller para a temperatura mais baixa para processos de desumidificação. As centrais de água gelada com dupla temperatura operam normalmente com circuito único primário com vazão variável, um para cada circuito, e com diferenças de temperatura de 11ºC, nos chillers em série com diferença de 5,5ºC em cada um. Os sistemas de dupla temperatura têm inúmeras variações de configurações que incluem operar com apenas um chiller, com uma única temperatura da água na CAG alimentando o condicionador DOAS e com a água gelada, após sofrer elevação de temperatura,  alimentar os condicionadores para carga sensível; enfim, dezenas de configurações de sistemas podem ser desenvolvidas, mas o que realmente marca o sistema com dupla temperatura é a melhor eficiência da CAG e a operação sem condensação nas unidades condicionadoras de recirculação do ar interno”.

Tanques para armazenamento de água à temperatura inferior e superior de produção

“Em relação ao sistema usual, em duas temperaturas, o que muda é apenas o arranjo hidráulico, os equipamentos são idênticos aos do sistema de temperatura única. E veja que o sistema de temperatura única com chillers arranjados em série, se assemelham bastante ao arranjo do sistema de suprimento com duas temperaturas. A diferença básica é a dupla tubulação de condução da água gelada para a maioria das instalações que usam esse conceito. Diferentemente do que foi empregado no estudo de caso já citado e publicado na revista da Ashrae, o processo que vimos utilizando interliga tanto os estágios da produção de frio, como os estágios da utilização da água gelada pelo consumo. Na produção, toda a vazão de água de retorno passa necessariamente pelo estágio superior de resfriamento, enquanto apenas a parcela da água que realiza o resfriamento profundo do ar, com propósito de desumidificação intensiva (geralmente o estágio de baixa das unidades de ar exterior), é levada ao chiller de baixa temperatura. Ou seja, a vazão total de retorno, após resfriada no estágio intermediário, é subdividida, parte sendo encaminhada ao bombeamento para as unidades de resfriamento sensível do ar e parte sendo encaminhada ao estágio de baixa temperatura, após o que, é encaminhada ao estágio de desumidificação intensiva nas unidades de ar exterior (DOAS). Saindo do estágio de desumidificação, a água é introduzida no coletor de distribuição de água para o ar de resfriamento sensível. Isso evita rebombeamento, como ocorre no procedimento adotado no estudo de caso publicado na revista da Ashrae, o qual resultou num acréscimo de consumo do sistema de bombeamento da água gelada correspondente a 3,4% do total. Sem esse acréscimo, a economia total de energia passaria dos 28,3%, que resultaram, para 31,7%. Considerando que a adoção de um processo ar-água obteria ainda uma economia do lado do ar, de valor médio 8% sobre o total, a economia total passaria a ser 39,7%, muito próxima do valor medido para os dois shoppings a que nos referimos no início, que resultou em 39,5%”, reafirma o diretor da Interplan.

Um exemplo é o RioMar Shopping Recife, projetado em 2011 e inaugurado em outubro de 2012, para o qual foram adotados os conceitos de dupla temperatura para o suprimento de água gelada e processo ar-água para a climatização, compreendendo o uso de vigas frias ativas e piso frio radiante. O shopping RioMar Recife recebeu a certificação Aqua, o prêmio Smacna e o prêmio Ashrae Award Technology 2016, na versão Edifício Comercial Novo, relativo à região XII da Ashrae, que abrange o Caribe, a América Central e a América do Sul, além do Estado da Flórida – EUA. Esse programa premia projetos e instalações de maior eficiência energética e de menor impacto ao meio ambiente, além de priorizar a qualidade do ar interior, as condições de conforto higrotérmico, a racionalidade da operação e manutenção e a preocupação com o custo benefício.

Mudanças nos equipamentos e componentes 

Dantas observa que as unidades de tratamento de ar para resfriamento sensível são idênticas às utilizadas nos processos tradicionais de tratamento de ar com cargas acopladas. Já as unidades para as cargas de desumidificação (ar exterior) necessitam de serpentinas robustas (geralmente 2 estágios para resfriamento e desumidificação) e um estágio de reaquecimento, o que, na prática, resulta em dispor de dois módulos trocador de calor, ao invés de um único módulo. Trata-se, portanto, de equipamentos normais de linha, com estratégia de composição adequada à necessidade.

“Já em termos de válvulas e controles para um sistema que trabalhe produzindo água a duas temperaturas, basicamente a alteração resume-se ao sistema de controle das unidades de tratamento do ar de desumidificação (ar exterior), as quais utilizam um controle triplo (uma válvula motorizada para cada trocador de calor), ou seja, resfriamento 1º estágio, resfriamento 2º estágio e reaquecimento. Note que o reaquecimento é feito em ciclo fechado (run-around) entre o ar e a água gelada, sem debelar energia nobre, ao contrário do que ocorre nos sistemas convencionais com fluido térmico para o reaquecimento estranho ao ciclo de resfriamento. No sistema de bombeamento em uma instalação que produz água em dupla temperatura, no estudo de caso publicado na revista da Ashrae, há um circuito de bombeamento único (primary only) para cada temperatura de produção. Não há qualquer conexão hidráulica entre os dois sistemas. A única diferença é operacional, ou seja, o regime de temperaturas de suprimento e retorno. No sistema que adotamos, quer seja desdobrado em primário e secundário, ou único, os sistemas de bombeamento são interligados em série. A água gelada, inicialmente a baixa temperatura, mistura-se com a água gelada de média temperatura ao sair do trocador de calor de desumidificação intensiva, para atendimento das cargas de resfriamento sensível e do trocador de calor do 1º estágio das unidades de desumidificação (ar exterior), ou seja, a água de baixa temperatura, após o passe inicial, passa a ser de média temperatura, atingindo, também, os 18ºC do retorno geral à CAG. Ocorrem até três passes na produção (chillers de baixa, de média e de alta temperatura) e até quatro passes no consumo (1º estágio e 2º estágio de resfriamento e desumidificação, seguidos do estágio de reaquecimento nas unidades de desumidificação e, finalmente, a passagem no sistema de frio radiante)”, explica Dantas.

No caso de existir termoacumulação, Dantas diz que há duas hipóteses para a definição física do sistema. “Uma, com dois tanques para armazenamento, sendo um para água à temperatura inferior de produção e outro para água à temperatura superior de produção. Conforme já foi explicado, a água sob temperatura inferior, após o uso nos trocadores de calor de hiper desumidificação, é utilizada como água sob a temperatura superior de produção, não havendo acréscimo de volume em relação ao sistema de temperatura única de produção e suprimento. Já temos, também, projeto de sistema de termoacumulação com um único tanque e dupla temperatura, o qual utiliza três árvores de distribuição. A árvore inferior para operação com água à temperatura do estágio inferior, a árvore intermediária para operação com água à temperatura do estágio superior e a árvore superior para operar com água do retorno geral”.

Para Raulino, as unidades de tratamento do ar externo (DOAS), utilizando temperaturas mais baixas, onde ocorrem processos de resfriamento e principalmente de desumidificação, devem ter a serpentina projetada para o fator de calor sensível apropriado e, quando viável, incorporando recuperadores entálpicos de energia. “Em relação aos equipamentos de recirculação de ar, considerando que a retirada de toda carga latente foi realizada em unidade DOAS, estes podem utilizar temperaturas moderadas (por exemplo 13ºC) para realizar o processo de retirada apenas da carga sensível. A temperatura de 13ºC, quase sempre utilizada como valor mínimo para entrada destas serpentinas, é pelo fato de, na condição ambiente – muito utilizada de 24ºC e 50% de umidade relativa -, ter como temperatura do ponto de orvalho 13ºC, garantindo-se que não haverá condensação no trocador de calor, condição indispensável em sistemas de vigas frias, tetos ou pisos frios e em sistemas de insuflação periférica pelo piso”, informa o diretor da Estermic.

Não existem mudanças significativas nas unidades de tratamento de ar, entende o executivo da Midea Carrier. “O que ocorre é que as UTAs podem ser selecionadas para trabalharem para seu fim específico. Por exemplo, as unidades dedicadas para tratamento de ar externo são dimensionadas para temperaturas superiores de água gelada, e as unidades de climatização direta dos ambientes dimensionadas para operação com temperaturas inferiores de água gelada. Este dimensionamento resultará em configurações diferentes de equipamentos, diferentes tamanhos de equipamentos, números de rows etc. No caso de centrais de ar condicionado (chillers, DOAS, AHU) com operação com duas temperaturas de água gelada, existe um ganho energético na utilização de equipamentos de condensação a ar, porém, os ganhos são muito superiores quando utilizados com equipamentos de condensação a água”.

Dutra destaca a importância das válvulas de controle: “É importante ressaltar as aplicações das válvulas de controle e balanceamento independente de pressão, com atuação proporcional buscando um controle preciso dos fluxos e misturas de água nos diversos arranjos possíveis do sistema de distribuição de água. Estas válvulas absorvem melhor os choques de pressão na rede de modo a não perder a precisão da vazão e autoridade do atuador proporcional nestes momentos. Dessa forma garantimos que cada unidade de tratamento de ar receba água nas condições específicas necessárias, obtendo todos os benefícios do sistema de duas temperaturas. Sobre o sistema de bombeamento, poderá ser dedicado para cada temperatura, dependendo do arranjo do sistema. Também é possível utilizar um sistema único de bombeamento com o arranjo de válvulas e trocadores de calor. O que fizer mais sentido para a aplicação em questão poderá ser utilizado. No caso de existir termoacumulação, devido às características inerentes da termoacumulação por água, o arranjo da tubulação deve ser de tal modo que seja possível utilizar a baixa temperatura de saída dos tanques na parcela do sistema que usar menor temperatura. Esse arranjo deve tomar especial cuidado para os momentos de carregamento do tanque. Um bom sistema de automação aliado a uma operação bem instruída é fundamental”.

Hernani Paiva, diretor geral- América do Sul e Central da IMI Hydronic Engineering, é enfático ao citar a exigência de válvulas e controles para um sistema que trabalhe produzindo água a duas temperaturas: “É fundamental para o conceito de duas ou mais temperaturas de projeto, que as válvulas de controles sejam de qualidade e que garantam performance de acordo com seus catálogos e testes de fábrica. Neste caso, as válvulas são secundarias no projeto, porém, sem a correta especificação e qualidade poderão comprometer seriamente os resultados”, finaliza Paiva.

Ana Paula Basile Pinheiro – anapaula@nteditorial.com.br