Embora não se possa desprezar a evolução tecnológica dos equipamentos e componentes para sistemas de climatização, respeitados técnicos alertam para a necessidade de privilegiar os processos, ancorados na termodinâmica, na concepção dos projetos. O engenheiro Francisco Dantas, identificado com alguns dos mais inovadores projetos de AVAC no país, tem feito disso um mantra, mostrando que a partir de um mesmo tipo de equipamento pode-se auferir ganhos energéticos significativos investindo na arquitetura do sistema.

Felizmente, ele não está só. Rafael Dutra, coordenador de engenharia de aplicação da Trane e um dos mais competentes engenheiros da sua geração, compartilha essa visão. Consultado sobre as tecnologias mais promissoras para os sistemas de climatização, ele responde: “Não seria uma tecnologia, mas um conceito de sistemas de água gelada, que utiliza diferenciais de temperatura mais elevados – em torno de 10^oC, por exemplo – para minimizar a quantidade de água a ser movimentada pela instalação. Outro aspecto extremamente relevante é a automação do sistema de ar-condicionado, que precisa ser capaz de manter o sistema no ponto ótimo de operação. Temos disponíveis equipamentos de alta eficiência, mas costumam ser mal operados e a automação resolve isso.”

Cristiano Brasil, da engenharia de aplicação da Midea Carrier corrobora. “A tecnologia em equipamentos proporcionada pelos fabricantes tem apresentado melhoras constantes, porém, os saltos são cada vez menos significativos em relação à redução de consumo de energia devido aos grandes avanços alcançados nas últimas décadas. Por esta razão, cada vez mais precisamos pensar em equipamentos robustos, que possuam cada vez menos manutenções em seu ciclo de vida (o consumo de energia elétrica é um dos fatores do custo operacional total de uma instalação) e em sistemas como um todo, incluindo bombas, torres, unidades de tratamento de ar, sistemas de automação, etc. Não é recomendável pensar somente em equipamentos de forma individualizada. Falando em chillers instalados em centrais de água gelada temos uma ampla gama disponível que excedem os níveis de eficiência do Standard ASHRAE 90.1, por exemplo. No Brasil, fabricamos duas plataformas globais da Carrier com capacidades nominais de até 500TR de capacidade, que são os chillers de condensação a água modelo 30XWV e o de condensação a ar modelo 30XV. Ambos os equipamentos de última geração que têm auxiliado clientes no país todo a reduzir seus consumos de energia elétrica e de ciclo de vida, por possuírem compressores que podem superar 100.000 horas de operação sem manutenção, além de já terem sido adaptados para operação com as novas gerações de fluídos refrigerante.

Obviamente não se pode minimizar os avanços tecnológicos, fruto de investimentos milionários dos fabricantes. “Para chillers é importante enfatizar que equipamentos inverter são ainda a tecnologia com menor custo de aquisição e possuem ótimo retorno de investimento; mesmo nas regiões Norte e Nordeste o equipamento inverter oferece retorno financeiro rápido aos clientes”, diz Leonardo Martinho Dobrianskyj, Coordenador de Vendas Applied da Daikin.

“O Brasil enfrenta dois grandes problemas”, continua ele, “o primeiro é o forte apelo de custo de investimento e não de operação. Hoje, 80% dos chillers são de velocidade fixa, quando no mundo esse número é de 20%. O segundo grande problema é a campanha de criar um terceiro tipo de máquina chamada de “chiller com inversor”, de velocidade fixa com variador de frequência na partida. Esse “chiller de inversor” tem consumo elétrico de chiller de velocidade fixa, tem nível de ruído de chiller de velocidade fixa e custa 30% a mais como máquina de velocidade fixa.”

“Outra tecnologia, e essa com grande impacto financeiro, são os novos fluidos refrigerantes com HFO que têm potencial para reduzir o consumo de energia entre 5% e 20% em relação ao seu par com HFC; os maiores ganhos estão principalmente nos equipamentos de mancal magnético e centrífugos de condensação a água. Essa tecnologia já está disponível no mercado global, sempre com chillers inverter, e seu custo é maior do que máquinas com HFC. Por fim, a tecnologia de Internet das Coisas (IoT) permite acompanhamento em tempo real 24/7 do chiller. Hoje já há tecnologia disponível nos chillers Daikin para que o controle de consumo das máquinas ocorra por uma tomada de decisão por elas próprias, o IoT vem para potencializar esses ganhos oferecendo oportunidades de ganhos relacionados a outros eventos que não apenas temperatura do ambiente e temperatura da água, mas situações em que houve dias chuvosos, dias de semana, feriados, qual era o número de máquinas em operação, qual era o horário, qual era a temperatura externa no momento. O IoT permite gerar um volume de dados que, correlacionados com o comportamento da máquina, permitem reduzir o seu consumo de energia, em alguns casos, de até 15%”, conclui Dobrianskyj.

A tecnologia inverter é consensual. “Tanto em instalações de expansão indireta (água gelada), como de expansão direta, as tecnologias mais promissoras são os compressores variáveis (Inverter) que trazem economia na operação em cargas parciais, especialmente quando as condições ambientais externas para rejeição de calor são favoráveis, permitindo a redução das temperaturas e consequentemente pressões de condensação. Neste sentido, é que se enquadram os compressores centrífugos com mancais magnéticos Danfoss Turbocor, utilizados nos chillers de alta eficiência da empresa americana Multistack comercializados com exclusividade no Brasil a mais de 10 anos pelas Indústrias Tosi”, opina Marcos Santamaria Alves Corrêa, engenheiro de aplicação nas Indústrias Tosi.

Expansão direta

 Também na expansão direta a tecnologia inverter é consenso. “A tecnologia que mais se destaca hoje são os sistemas inverter como VRF. Cada vez mais eficientes e com soluções integradas como o uso de AHU (unidades de tratamento do ar), sistemas de recuperação de calor ou 100% ar externo, o VRF é hoje uma solução versátil e de grande eficiência”, pontua Dutra. 

 Mesma opinião é expressa por Leandro Lourenço, Gerente de Engenharia de Produto da Daikin. “Em relação aos equipamentos centrais de expansão direta, os sistemas de Volume de Refrigerante Variável (VRV/VRF) seguem sendo a melhor alternativa em termos de economia de energia para aplicações com múltiplos ambientes e variação de ocupação e carga térmica. A característica da tecnologia de variar o volume de refrigerante de acordo com a necessidade de cada ambiente por si só já é uma grande aliada na redução do consumo, e essa capacidade é maximizada pela tecnologia de Temperatura de Refrigerante Variável (VRT), que é uma forma adicional de responder à variação da carga térmica. As cargas parciais são predominantes durante o funcionamento do sistema, e a tecnologia VRT trabalha conjuntamente com a variação do volume para responder adequadamente às necessidades dos ambientes, resultando em economia na ordem de 30% superior às tecnologias VRV/VRF convencionais.”

Brasil, da Midea Carrier, completa a informação. “As instalações que possuem como característica principal a utilização de equipamentos de expansão direta, predominantemente, também passaram por grandes avanços tecnológicos nos últimos anos e estão demandando, cada vez mais, soluções customizadas. A linha de expansão direta que mais cresce nos últimos anos, sem dúvidas devido a sua flexibilidade e alta eficiência, são os sistemas VRF.”

A Midea Carrier, na linha de expansão direta, atende o mercado com Midea V6 e Carrier Xpower, além das linhas Large Split (Splitões) e Rooftop. “Temos trabalhado forte no fornecimento de unidades de tratamento de ar (AHU) customizadas para atender aos requisitos de nossos clientes em relação a classe específicas de filtragens, por exemplo. Neste sentido, nossa empresa é uma das únicas do mercado que pode oferecer tanto as unidades centrais (externas) quanto as unidades internas de um mesmo fabricante.

Soluções de engenharia

Como foi dito no início desta matéria, nem só de equipamentos vivem os projetos de climatização. E, neste sentido, Dutra, da Trane, é enfático: “Gostaria de reforçar o ponto de sistemas de diferencial de temperatura mais elevado. Em geral, estamos acostumados com os velhos 7-12°C na seleção de equipamentos de água gelada. Um diferencial de temperatura de 10°C poderia reduzir à metade a vazão de água circulada na instalação, isso em nível de projeto, pois, em cargas parciais esses valores também serão reduzidos. Além do custo operacional por parte do bombeamento, que será menor, o custo de instalação é bastante reduzido com tubos, válvulas, conexões e bombas menores. Se bem projetado, esta redução de consumo irá superar o aumento de consumo, observado no chiller. O conceito é bem simples, mas exigirá cuidados na seleção dos equipamentos, desde o chiller aos fancoils, para que as vazões mínimas sejam significativamente menores do que a nova vazão de projeto, e para que possamos trabalhar com alguma variação de vazão em cargas parciais.”

“Cada vez mais temos a certeza de que não existe uma solução única para cada aplicação e que as soluções como as híbridas precisam ser adotadas sempre que possível. Além disto, as ferramentas de engenharia disponíveis com cálculo de carga térmica e simulação energética devem ser utilizadas ao extremo. Não é porque uma solução traz uma economia de energia de 25% – 30% em São Paulo, por exemplo, que trará o mesmo resultado em uma região com clima mais quente ou úmido. As ferramentas como o software Hourly Analysis Program (HAP) podem trazer segurança para as empresas de projeto para determinar a melhor aplicação para cada caso. Aliado a isto, estão as estratégias de temperaturas escalonadas, que permitem trabalhar com equipamentos de alta, média e baixa temperaturas. Cada sistema atendendo consumidores diferentes como unidades de tratamento de ar externo, sistemas ar-água, como pisos e tetos radiantes, e unidades de tratamento de ar para ambientes”, completa Cristiano Brasil.

Fábio Chaim, Gerente de Engenharia de Aplicação da Daikin, introduz o tratamento do ar de renovação. “Sistemas dedicados para tratamento de ar externo não são uma solução nova, o conceito existe há bastante tempo mas, com o avanço da automação embarcada dos equipamentos, melhor controle da qualidades do ar interior, somada à integração do sistema e acesso do usuário na palma da mão através de smartphones e tablets, este conceito vem recuperando espaço nos projetos. São unidades específicas dedicadas para este fim, atualmente existem unidades VRV especificas para pré-condicionamento do ar externo, unidades especiais que trabalham com uma variação entre temperatura de entrada e saída do ar maior do que as unidades padrão, podendo ser misturadas com evaporadoras padrão em um único sistema VRV INOVA. A vantagem com a integração da automação é investir este resfriamento na massa de ar externo mínima que cada ambiente realmente necessita, então, a integração com automação e variação no volume de ar externo entregue em cada ambiente serão cruciais para atingir a maior eficiência deste sistema.”

“Sistemas dedicados de tratamento do ar exterior, ou DOAS (Dedicated Outdoor Air System), constituem-se em solução de engenharia bastante eficaz na melhoria da qualidade do ar interior, podendo trazer maior eficiência energética quando aplicada em conjunto com sistemas de temperatura escalonada na produção de água gelada, em que o fornecimento de água gelada para os fancoils de recirculação de ar dos ambientes, que são em maior quantidade e demandam maior capacidade,  é maior do que o fornecimento de água gelada para os fancoils dedicados ao tratamento do ar exterior, que ficarão com 100% da responsabilidade de remoção do calor latente”, explica Santamaria.

“Em sistemas com temperaturas escalonadas na produção de água gelada, podemos atingir maior eficiência energética por conta de o consumo dos chillers estar ligado à temperatura da água gelada produzida; quanto maior a temperatura, menor o consumo de energia. Desta forma, se tivermos uma capacidade instalada maior, operando com temperatura de água gelada maior do que a capacidade instalada operando com temperatura de água gelada menor para atender a demanda de remoção do calor latente (desumidificação), o sistema como um todo gastará menos energia e, se aliado a isto, operarmos com um DT de água gelada maior, e com chillers interligados em série, o ganho energético será ainda maior”, explica Santamaria.

Dobrianskyj , da Daikin, aborda outro aspecto vantajoso. “A alteração das temperaturas de água gelada gera benefícios instantâneos aos usuários de chiller. A adoção da tecnologia inverter com controle automático da temperatura permite que se correlacionem fatores externos para aumentar ou diminuir a temperatura de água gelada. Por exemplo, em um hotel dabe-se que após as 10h a demanda por frio desce e apenas áreas comuns são utilizadas, permitindo configurar o equipamento para que após as 10h o setpoint de água gelada seja elevado para 9°C e, após as 13h, volte para 7°C. Essa alteração reduz o consumo de energia em até 15% caso ficasse fixo.”

Tratamento do ar externo

É sabido que o tratamento do ar de renovação é um dos principais demandantes de energia nos sistemas de climatização. Assim, boa parte da preocupação dos projetistas vai no sentido de buscar maior eficiência nesta etapa. “Em termos de equipamentos e opções, podemos considerar equipamentos específicos para o pré-tratamento de ar externo, seja ele feito com expansão direta ou indireta, com sistemas inteiros dedicados para este fim. Existe a opção de inserir o ar externo sem condicionamento diretamente no ambiente, afetando o dimensionamento das unidades terminais, pois terão que atender tanto a carga interna quanto a externa, dentre outras. Não há uma solução única que atenda todos os projetos, o correto é a contratação de um projetista especialista para que ele estude os diferentes cenários que melhor se enquadram nas premissas do cliente para que, juntos, consigam encontrar a melhor solução”, diz Chaim, da Daikin.

“Contudo”, continua ele, “há um ponto em comum que todos os sistemas de tratamento de ar externo terão que lidar, que é a questão da elevada diferença de temperatura externa em relação à interna. Um cenário típico de projeto pode considerar temperatura externa de 35ºC e ambiente interno com setpoint de 24ºC, são 11ºC de diferença que precisam ser vencidos pelo sistema de resfriamento, esta diferença pode ser amenizada com unidades de recuperadoras de calor ar-ar e, para isto, a Daikin dispõe da família de equipamentos VAM. Trata-se de equipamentos tipo stand-alone (não precisam ser interligados em nenhum outro sistema para operarem, apesar de possuírem a opção de ser interligados no sistema VRV) e que permitem reduzir a temperatura do ar externo apenas direcionando o calor do ar externo para o ar que será exaurido; esta temperatura reduzida do ar externo impactará na redução da carga térmica, o que significa reduzir os equipamentos instalados e, por consequência, reduzir o investimento (não só com equipamentos mas também com infraestrutura de cabeamentos, cobre, disjuntores etc.), menores equipamentos significa menor peso, menor área ocupada e maior eficiência, então, também haverá redução do gasto operacional do sistema.”

Soluções economizadoras

“Outra solução de engenharia que também é mais eficiente energeticamente é a climatização por radiação, em que se utiliza a água como principal meio de transporte do calor absorvido dos ambientes no lugar do ar. Isto permite uma redução significativa no consumo energético dos ventiladores dos fancoils, que ficará limitado aos equipamentos de renovação de ar, enquanto a absorção e transporte da maior parte do calor absorvido dos ambientes se fará através da água gelada que circulará nos painéis radiantes ou vigas frias (ativas ou passivas) a um custo bem menor de acréscimo de consumo nas bombas de água em relação aos ventiladores dos fancoils de recirculação de um sistema a ar tradicional. Além disto, como a temperatura da água gelada dos painéis radiantes ou vigas frias é maior, é possível também se reduzir o consumo de energia na produção de água gelada, seguindo o conceito mencionado anteriormente de utilização de equipamentos dedicados ao tratamento do ar exterior e escalonamento de temperaturas de água gelada”, esclarece Santamaria.

O engenheiro de aplicação da Tosi acrescenta outras soluções benéficas para os sistemas de climatização. “Existem ainda outros recursos disponíveis para redução do consumo de energia em sistemas de climatização, através do uso de ciclos economizadores e até mesmo os chamados free cooling. O princípio nestes casos é utilizar diretamente o ar externo sempre que a sua entalpia (energia térmica) for menor do que a do ar do ambiente a ser climatizado. Para isto se faz necessário o uso de dampers com atuadores ligados a um sistema de automação inteligente que aumenta a captação de ar exterior e reduz a captação de ar ambiente de retorno nas casas de máquinas dos equipamentos responsáveis pela climatização dos ambientes. Esta solução ainda traz como benefício o aumento da qualidade do ar interior, pois aumenta a renovação de ar, especialmente no período de outono/inverno das regiões sul e sudeste, de maior incidência de doenças respiratórias. Em data centers, onde a segregação de ar quente e ar frio com o uso de confinamento de corredores vem se intensificando, já existem sites em construção até mesmo aqui no Brasil sem o uso de refrigeração mecânica dos servidores de TI e, sim, apenas com o uso do ar externo complementado com um sistema de resfriamento evaporativo quando a temperatura estiver mais alta.”

Controle e automação

O Diretor Geral para América Latina (excluindo o México) da IMI Hydronic Engineering, Hernani Paiva, um dos precursores no fornecimento de componentes para balanceamento hidrônico no mercado brasileiro, também acredita que, antes de se pensar em equipamentos ou componentes, é preciso pensar em processos e procedimentos. Ele lista:

– Comissionamento desde o início, sabendo claramente a necessidade do cliente versus o investimento necessário a ser alocado;

– Projeto expressando a necessidade acima,

– Produtos com tecnologia e custos adequados às necessidades e com qualidade e tecnologia comprovada,

– Instaladores adequados e filiados a associações e instituições de renome no mercado,

– Pessoal qualificado para operar o sistema,

– Treinamento desse pessoal pelas empresas envolvidas neste projeto,

– Comissionamento ao final da instalação garantindo a performance do sistema diante do projeto e o retorno sobre o investimento pelo cliente.

Paiva recomenda dar atenção especial à rede de distribuição, uma vez que sem ela não haverá a distribuição da energia produzida na área de produção pelos equipamentos, seja frio, calor ou vapor, pelas unidades terminais. Condicionando as soluções à disponibilidade de investimento, ele aponta os vantagens e limites de cada solução em válvulas. “Válvulas de controle simples de duas ou três vias com válvulas de balanceamento mecânico e válvulas reguladores de pressão diferencial devem ser utilizadas com equipamentos lógicos e programáveis para seu equilíbrio e controle. Válvulas conjugadas de balanceamento e controle com válvulas de reguladores de pressão diferencial, válvulas conjugadas independente de pressão e válvulas inteligentes conjugadas com capacidade de informação IoT.”

Já em relação às soluções de automação, o diretor da IMI recomenda que os circuitos elétricos devem ser somente com sinais sonoros e visuais. “Automação local com controladores e sensores operados por computadores em salas de controles operados por pessoas. Controladores e sensores operados e controlados por IoT com inteligência artificial garantindo a mínima intervenção humana na operação e manutenção do sistema.”

“Para alcançar um bom balanço na distribuição de água gelada pelos diversos terminais, garantindo o conforto térmico, com o menor dispêndio energético possível, é recomendável escolher a melhor opção de distribuição versus o custo a ser investido no projeto, produtos de primeira linha com comprovação e qualidade ilibada e, por fim, mas não menos importante, o comissionamento com um profissional ou empresa independente qualificada para isso”, conclui.

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