Introdução

Devido à crescente urbanização, crescimento populacional, mudanças nos padrões de consumo, entre outros aspectos da sociedade atual, a quantidade de equipamentos de refrigeração e ar-condicionado (RAC) em uso no mundo tem aumentado significativamente e, consequentemente, a demanda de energia elétrica a eles associada. Tal crescimento é mais significativo nos países em desenvolvimento. A climatização de ambientes residenciais é cada vez mais utilizada em função da grande oferta de produtos, preços decrescentes e mudança de hábitos da população. Uma das aplicações de condicionamento de ar com crescimento significativo no número de unidades é a de condicionadores de ar tipo split.

Segundo o relatório da Agência Internacional de Energia (IEA, 2018) The Future of Cooling, as vendas anuais e a quantidade total de condicionadores de ar em uso, estimadas para 2016, foram de 135 milhões de unidades e 1,6 bilhões, respectivamente. O estudo projeta um uso de 5,0 bilhões desses equipamentos em 2050. Nesse contexto, há uma preocupação crescente com a eficiência dos sistemas de RAC que visam reduzir o seu consumo de energia e fornecer refrigeração/aquecimento de forma mais sustentável.

O Instituto Internacional de Refrigeração (IIR, 2019) estima que o setor de refrigeração e ar-condicionado consome cerca de 20% da eletricidade global utilizada mundialmente. Este número destaca a importância do consumo de energia nesse setor. Além disso, há o fato de que o aquecimento global e as mudanças climáticas tenderão a aumentar a demanda por resfriamento, particularmente nas grandes cidades.

As figuras 1 e 2 apresentam dados sobre a venda de equipamentos split e a previsão de consumo de energia de condicionadores de ar no setor residencial no Brasil.

 

 

 

Considerando a importância do conforto térmico para as residências e escritórios e visando diminuir o seu impacto no consumo de energia e no meio ambiente, tecnologias eficientes têm que ser apoiadas e incentivadas. O impacto de equipamentos de climatização sobre o clima do planeta é devido a dois efeitos: direto, causado pelas emissões de fluidos refrigerantes gases de efeito estufa; e indireto, devido ao consumo de energia elétrica, considerando a emissão de gases de efeito estufa que ocorre na produção da energia elétrica consumida. O impacto indireto depende da intensidade de carbono ou fator de emissão de CO₂eq da matriz elétrica do país ou região.

Uma alternativa para otimizar o desempenho e reduzir o consumo de energia de unidades de ar-condicionado tipo split é o uso de compressores de rotação variável utilizando inversores de frequência que ajustam continuamente a capacidade de refrigeração das unidades às suas demandas. Esta tecnologia – cujos equipamentos nela baseados recebem a denominação de split inverter – é uma alternativa ao tradicional controle on-off do compressor.  Foi realizado em 2018, pelo grupo de pesquisa em Refrigeração e Ar Condicionado do IMT, um estudo experimental visando comparar o consumo de energia apresentado por essas duas estratégias de controle de capacidade, o qual envolveu a realização de testes de campo. A unidade split inverter apresentou desempenho energético significativamente melhor do que o da unidade split não-inverter. As reduções do consumo de energia elétrica apresentadas pela unidade inverter em relação ao da unidade não-inverter foram de 61,2%, 64,0% e 69,8%, respectivamente nos meses de março, abril e maio (Peixoto, Paiva, Melero, 2019). Os resultados dos testes permitiram também verificar outro benefício da tecnologia inverter, que foi a melhoria do conforto térmico proporcionado aos ocupantes do ambiente climatizado, como decorrência da elevação e da maior uniformidade no tempo da temperatura de insuflamento do ar em relação à do split não-inverter.

Além dos benefícios com relação aos impactos climáticos, a diminuição do consumo de energia elétrica devido ao uso de equipamentos inverter acarreta também uma redução na demanda de energia elétrica, diminuindo a necessidade de investimentos públicos e privados na construção de novas usinas de geração de energia elétrica.

Simulação numérica do ciclo de refrigeração por compressão de vapor utilizado em condicionadores de ar split

A investigação das causas principais da redução de consumo de energia obtida pelo condicionador de ar do tipo inverter é um dos aspectos importantes quando esse tipo de equipamento é analisado. Ao abordar qualitativamente essa questão, surgem de início algumas dúvidas. Argumenta-se que, se por um lado o condicionador inverter se adapta à demanda de resfriamento reduzida por meio da diminuição da velocidade do compressor, propiciando a redução de seu consumo de energia em decorrência da redução da vazão de fluido refrigerante, por outro lado, apesar do condicionador convencional tipo on-off operar a plena carga nessas mesmas condições, o compressor fica ligado apenas uma fração do tempo. Qual fator é preponderante?

Para avaliar esta questão, em continuidade ao estudo experimental desenvolvido, o grupo de pesquisa do IMT, em conjunto com pesquisadores da EPUSP, está desenvolvendo um simulador computacional para avaliar o desempenho e consumo de energia de equipamentos split inverter em diferentes condições operacionais e em diferentes regiões do Brasil.

O desenvolvimento do simulador em curso, contou com uma etapa inicial quando o desempenho de equipamento split inverter (controle de capacidade obtido pelo uso de compressores de velocidade variável) foi comparado a um modelo não-inverter, on-off (controle de capacidade mediante o ligamento-desligamento do equipamento), utilizando um modelo matemático preliminar simplificado. Este artigo apresenta os resultados de simulações numéricas feitas para esses dois tipos de condicionadores de ar, tendo como principal foco a análise do efeito da diferença de temperatura nos trocadores de calor sobre o consumo diário de energia para operação em um ambiente com perfil de carga térmica típico.

O modelo matemático foi construído a partir das equações fundamentais da termodinâmica, transferência de calor, mecânica dos fluidos, particularmente de escoamento bifásico (líquido-vapor); e/ou de informações experimentais dos componentes do equipamento, principalmente para o compressor, cujo desempenho nem sempre é bem descrito com a utilização de modelos teóricos. Além disso, para as simulações realizadas foram necessários dados de temperatura e umidade do ambiente externo, variação da carga térmica do ambiente condicionado ao longo do dia, set-point de temperatura do ambiente condicionado, taxa de renovação de ar.

Além das análises de desempenho mencionadas, simuladores numéricos permitem a avaliação do uso de diferentes fluidos refrigerantes, considerando suas características (GWP, inflamabilidade, toxidade, custo de produção etc.). Para cada tipo de refrigerante é possível estimar a massa de fluido refrigerante instalada no equipamento (carga de fluido) tamanho dos trocadores de calor e compressor. A título de exemplo, um fluido refrigerante pode produzir excelente desempenho energético, ser pouco tóxico, ter baixo GWP, mas se ele tiver um elevado volume específico nas condições de temperatura e pressão na entrada do compressor, a taxa de deslocamento requerida desse equipamento seria elevada, ou seja, ele teria que ser relativamente grande, provavelmente inviabilizando a utilização de tal fluido.

Com o modelo simplificado desenvolvido foi realizada a simulação da operação dos equipamentos em um dia típico do mês de janeiro para um ambiente com carga térmica de pico próxima à capacidade dos equipamentos. O ambiente condicionado tomado como referência é a sala de um dos prédios do campus do IMT, situado na cidade de São Caetano do Sul, cujo perfil de carga térmica desse ambiente foi calculado.

A maioria dos trabalhos de simulação numérica de ciclos de refrigeração existentes na literatura utiliza o equacionamento de regime permanente para o ciclo termodinâmico. Ou seja, não são considerados nas equações os termos de variação de massa e energia com o tempo. Não obstante, as variáveis dependentes possam variar (pressões e temperaturas) em decorrência da alteração de valor das variáveis independentes (dados de entrada), como, por exemplo, a carga térmica, a temperatura do ambiente condicionado e a do meio externo. Usar o modelamento de regime permanente significa apenas ser imediata a resposta do equipamento quando o valor de uma variável independente do problema é alterado. Tal simplificação é relativamente precisa para os equipamentos de pequeno porte. Para o condicionador de ar tradicional (on-off), o modelamento tradicional é simples e o consumo de energia pode ser calculado avaliando a porcentagem do tempo que o equipamento fica ligado para cada condição de carga térmica e temperatura externa. No presente trabalho, ao modelamento do equipamento não–inverter (on-off) foi adicionado um modelo simples de inércia térmica do ambiente condicionado (mobiliário e ar) para que o efeito de variação de sua temperatura na faixa de controle fosse analisado.

Para o condicionador de ar inverter, o modelamento tradicional deve ser modificado. O set-point da temperatura do ambiente condicionado deve ser mantido constante, calculando-se a vazão de fluido refrigerante requerida para produzir a taxa de resfriamento no evaporador, que é igual à carga térmica do ambiente no instante considerado. Trabalhos mais recentes apresentam modelos relativamente complexos para condicionadores inverter, vide Barbosa Jr. e Ribeiro (2016) e Zhang, Yu e Zhang (2004) e estão sendo considerados na etapa atual da pesquisa.

Modelo Matemático

• Condicionador Inverter

As equações utilizadas no modelamento do condicionador split inverter são apresentadas a seguir. Considerou-se um ciclo de refrigeração por compressão de vapor sem perda de carga, com graus de superaquecimento e de subresfriamento fixos, respectivamente de 5^oC e 3^oC. Foi considerado que o compressor tem rendimento isoentrópico igual a 0,9.

A equação de transferência de calor no evaporador é igual a:

Onde:  é taxa de calor no evaporador, H_ar,evap, o coeficiente de convecção do lado do ar (W/m²K); A_evap a área de troca de calor externa no evaporador. A diferença de temperatura média logarítmica entre a parede do tubo e o ar é calculada pela equação:

Onde: T_evap é a temperatura de evaporação (^oC); T_ins,ar, a temperatura de insuflamento do ar na sala (^oC); T_sala, a temperatura do ar no ambiente condicionado – set-point (^oC). A equação considera que a resistência térmica de convecção interna ao tubo e a de condução do tubo são desprezíveis. Considera também que a transferência de calor ocorre com parede seca do lado do ar, o que é aceitável no caso porque é pequena a parcela de calor latente do ambiente condicionado estudado. Foi fixado como parâmetro que a temperatura de insuflamento do ar é igual a:

Na condição de carga térmica plena. A taxa de transferência de calor no condensador pode ser calculado por:

onde:  é taxa de calor transferida no condensador; H_ar,cond, o coeficiente de convecção do lado do ar (W/m²K); A_cond, a área de troca de calor externa no condensador; T_cond, a temperatura de saturação na pressão de condensação (^oC); T_ar,ext, a temperatura de bulbo seco do ar externo. Foi considerado na equação que a temperatura do ar externo eleva-se pouco ao passar pelo condensador em decorrência de uma vazão elevada. Assim como no evaporador, a resistência térmica de convecção interna ao tubo e a de condução do tubo foram desprezadas. Os balanços de energia do ciclo de refrigeração são representados pelas seguintes equações:

 

Nas equações anteriores, a letra “h” designa a propriedade entalpia específica e os índices são: 1, entrada do compressor; 2,iso, saída do compressor na compressão isoentrópica; 2, saída do compressor na compressão real; 3, saída do condensador; 4, entrada do evaporador. A variável é a potência do compressor (W). A eficiência isoentrópica do compressor é definida por:

O coeficiente de desempenho do ciclo é calculado pela relação:

Para o condicionador inverter, é válida a relação:

 

Onde: Qcarga é a carga térmica atual no ambiente condicionado. Para os coeficientes de convecção do ar, foram admitidos os seguintes valores constantes:

H_evap é um coeficiente de convecção equivalente que, no estudo simplificado, contabiliza também o efeito de condensação da umidade do ar que se resfria. O equipamento para o qual a simulação foi realizada não tinha A_evap e A_cond conhecidas. No entanto, para a condição de carga plena (9000 Btu/h – ~2,64 kW), dispunha-se das seguintes relações aproximadas:

que permitiram a estimação daquelas áreas, as quais, posteriormente, quando da simulação numérica para várias condições operacionais, tornaram-se parâmetros de entrada. Com o modelo apresentado, é possível obter por simulação numérica as variáveis

Observe-se que a vazão de fluido refrigerante e as demais variáveis calculadas podem variar bastante ao longo do dia para o condicionador inverter, uma vez que a carga térmica e T_ar,ext podem sofrer igualmente variações consideráveis nesse intervalo de tempo e o compressor se ajusta para satisfazer a equação .

• Condicionador não-inverter

São apresentadas a seguir as principais modificações adotadas em relação ao modelo matemático desenvolvido para o condicionador inverter. A temperatura T_sala não tem mais um valor constante. Ela varia ao redor da temperatura de set-point T_set-point, na faixa de controle fixada (+/- 1^oC). A taxa de resfriamento produzida pelo evaporador não se iguala mais à carga térmica do ambiente; é um valor determinado pela capacidade do condicionador não-inverter. A diferença entre elas é responsável pela taxa de variação de temperatura do ar no ambiente condicionado. A variação de T_sala com o tempo é obtida por meio do balanço de energia, apresentado por:

onde M_ar,sala é a massa de ar contido no espaço do ambiente condicionado (kg); M_moveis, a massa do mobiliário da sala (kg); C_v, seus calores específicos. Foram arbitradas massas que produziram na simulação numérica valores realistas de tempo para o ciclo liga-desliga.

A vazão de fluido refrigerante é obtida utilizando um modelo adequado para o compressor. A relação entre vazão volumétrica e vazão mássica é igual a:

• Modelo de carga térmica do ambiente condicionado

Como mencionado anteriormente, para realização de um estudo de caso, foi considerado o perfil de carga térmica teórico da sala de um dos prédios do campus do IMT. A carga de pico calculada para o mês de janeiro é um pouco menor do que a capacidade dos equipamentos considerados (9000 BTU/h). Foi aplicado um fator de correção para igualar os valores entre a demanda e a capacidade. O perfil de carga térmica corrigido obtido é apresentado na figura 3.

Para a temperatura do ar externo, foi considerada o perfil diário típico do mês de janeiro da cidade de São Caetano do Sul, segundo os valores produzidos pelo software HAP (2019) (vide Figura 4).

Resultados

Foram realizadas simulações numéricas da operação dos dois condicionadores de ar e os principais resultados obtidos são a seguir apresentados na forma de gráficos. O set-point de temperatura adotado para o ambiente condicionado foi de 24^oC, fixo para o inverter e com faixa de variação de +/- 1^oC, para o não-inverter. A Figura 5 apresenta a variação da temperatura do ambiente condicionado ao longo do dia. O que pode ser destacado nessa figura é a duração do ciclo liga-desliga para o condicionador não-inverter. O intervalo de tempo na condição “ligado” é pequeno nos momentos de baixa carga térmica e longo ao redor das 15h, horário em que o equipamento está operando a plena carga.

A Figura 6 é uma ampliação da anterior para a faixa de horário entre 11 e 13 h, visando destacar o intervalo de tempo “ligado” e o “desligado”.

A Figura 7 apresenta a variação da taxa de resfriamento produzida pelos evaporadores dos dois condicionadores de ar. Para o condicionador inverter, a curva é idêntica à de carga térmica. Para o não-inverter, ela oscila um pouco ao redor do valor de 2750 W. O ajuste da carga de resfriamento média à carga térmica do ambiente é conseguido às custas do ligamento e desligamento do equipamento, como fica evidenciado na figura.

A Figura 8 apresenta as diferenças de temperaturas nos trocadores de calor dos condicionadores inverter e não-inverter:

No evaporador do condicionador não-inverter, a diferença de temperatura no evaporador é sempre próxima de 23^oC, ao longo de todo o dia. Para o não-inverter, o valor máximo de  é obtido apenas no instante de carga térmica de pico. Quando a carga térmica é parcial, essa variável tem valor sempre menor, atingindo o valor mínimo de cerca de 12^oC às 7h. Isso ocorre em virtude da equação . O equipamento não-inverter fica ligado o tempo todo e quanto menor a taxa de transferência de calor instantânea, menor o requerido. Para o condicionador não-inverter, no entanto, a vazão mássica de fluido refrigerante é praticamente invariante e a taxa de calor transferida é praticamente aquela da condição nominal durante o intervalo de tempo “ligado” do ciclo, exigindo um elevado nesse período. Em resumo, em cargas parciais o condicionador inverter opera durante todo o tempo com um pequeno, enquanto o não-inverter opera, sempre que está ligado, com o máximo . Para o condensador os resultados são análogos.

As figuras 9 e 10 apresentam o consumo dos compressores e o COP dos dois condicionadores ao longo do dia. Como se observa, a potência demandada pelo compressor do condicionador inverter é sempre menor do que a do modelo não-inverter. Não obstante, o compressor do equipamento não-inverter não fica ligado todo o tempo. A igualdade entre os dois ocorre apenas no momento de carga térmica de pico. É importante destacar que essa igualdade foi uma condição imposta no modelamento numérico, ou seja, que a potência consumida em condições de plena carga fosse a mesma para os dois equipamentos, pois só assim o efeito da carga parcial sobre o desempenho dos equipamentos poderia ser aquilatado.

A rigor, a figura 9 é insuficiente para determinar se o modelo inverter é mais econômico do ponto de vista energético, uma vez que isso depende da fração de tempo que o compressor do não-inverter fica ligado.

A figura 10 apresenta a variação do COP dos dois condicionadores ao longo do dia.

Novamente, os COPs igualam-se apenas no instante de carga de pico, quando atingem valor próximo de 4. Nos demais instantes, o modelo inverter tem COP sempre maior que o não-inverter, chegando a ter um valor máximo de 12, às 7h. Isso ocorre essencialmente em virtude do modelo inverter operar com valores médios menores de  nos trocadores de calor. Como se sabe, a diferença de temperatura em trocadores de calor é uma causa de ineficiência (maior , processo mais irreversível, maior potência consumida). O gráfico da figura 8 é suficiente para se poder afirmar que o consumo de energia em Wh ao final do dia será menor para o condicionador inverter, uma vez que:

Como o calor total transferido nos dois equipamentos é o mesmo (o calor total transferido do ambiente condicionado para o evaporador desde o início até o final da operação, isto é, das 7h às 21h), o consumo total de energia no compressor do condicionador inverter será menor em virtude de seu COP_médio ser mais elevado, como é evidente pela figura 10. Isso fica também evidenciado na curva de consumo de energia (Wh) integralizado ao longo do dia, conforme apresentado na figura 11. O consumo calculado de um dia no condicionador não-inverter foi de 6247 Wh e, no inverter, 4870 Wh, uma redução de consumo de 22 %.

Conclusões

As simulações numéricas realizadas com o modelo simplificado evidenciaram que o condicionador de ar inverter apresenta consumo diário de energia elétrica menor, principalmente devido à menor diferença de temperatura que ocorre nos trocadores de calor entre o fluido refrigerante e outro meio. Em virtude disso, o COP médio do condicionador inverter é mais elevado do que o do condicionador não-inverter. Para o ambiente considerado no estudo de caso, a redução de consumo do condicionador inverter em relação ao não-inverter foi de 22%. A magnitude do aumento de eficiência energética é bastante influenciada pelo perfil de carga térmica do ambiente condicionado. Quanto maior a parcela do tempo em que a carga térmica do ambiente for menor do que a capacidade nominal do condicionador de ar, e também quanto maior for essa diferença, maior a redução de consumo em relação ao condicionar com controle liga-desliga. Esse é um dos motivos pelos quais não é possível comparar os resultados das simulações numéricas deste trabalho com os resultados obtidos no trabalho de Peixoto, Paiva e Melero (2019), porque, naquele trabalho, o perfil de carga térmica era diferente do utilizado no presente estudo.

Outro provável motivo para justificar tal diferença de resultados contra os valores reais medidos por Peixoto, Paiva e Melero (2019), são as simplificações realizadas no presente trabalho. Os aprimoramentos no simulador numérico que estão sendo atualmente considerados na continuidade da pesquisa são:

• Consideração de um modelo de tubos parcialmente molhados, para transferência de calor no evaporador, devido à condensação de umidade do ar e utilizando o conceito de potencial de entalpia;
• Consideração da resistência térmica do lado interno dos tubos;
• Os trocadores de calor com as regiões de superaquecimento e/ou subresfriamento na transferência de calor do lado do fluido refrigerante;
• A carga de fluido refrigerante (massa) é constante para qualquer condição de operação;
• Deverão ser obtidas mais informações junto aos fabricantes sobre a filosofia de controle por eles utilizadas;
• Estão sendo introduzidos modelos mais precisos para determinação de H_ext,evap e H_ext,cond;
• Avaliação da influência da inércia da sala no ciclo liga-desliga do condicionador não-inverter e, subsequentemente, o efeito disso no consumo de energia;
• Avaliação da elevação da velocidade do ar nos trocadores de calor, para elevar os valores de H_ext,evap e H_ext,cond. Deverá ser considerada a limitação para essa ação devido a elevação do ruído com a velocidade do ar;
• Avaliação do efeito da variação de velocidade dos ventiladores de ar no consumo de energia.

 

 

 

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