Podemos analisar os sistemas de água gelada por duas perspectivas. Do lado da água, o que se tem notado é um aprimoramento contínuo dos principais componentes, como compressores e ventiladores, o que permite aos chillers convencionais alcançarem coeficientes de performance mais altos. Além disso, a tecnologia inverter aplicada nestes dois componentes, controlando suas velocidades de rotação conforme a demanda de carga, garante um ganho de até 40% em eficiência energética nas operações em cargas parciais. Há ainda os equipamentos dotados de compressores com mancais magnéticos, sem contato entre as partes móveis e livres de óleo lubrificante. Pouco difundida no Brasil, essa tecnologia pode aumentar em até 70% a performance energética dos chillers em comparação com o modelo convencional de compressor parafuso e velocidade de rotação fixa, dependendo da aplicação.
O lado do ar costuma ser deixado em segundo plano quando se discute a eficiência energética das instalações, justamente pela parcela de consumo elétrico mais significativa representada pela central de água gelada. No entanto, em alguns casos, a parcela de consumo dos fancoils pode representar até metade do consumo total do sistema de ar-condicionado, o que nos faz prestar atenção também para esses equipamentos e para as tecnologias disponíveis para elevar sua eficiência energética.
A principal delas é a utilização de ventiladores de acoplamento direto acionados por motores eletrônicos, que podem proporcionar uma redução de consumo elétrico da ordem de 30%, além de reduzir diretamente os custos com manutenção e reposição de peças. Os emissores de radiação ultravioleta, popularmente chamados emissores UVC, podem ser instalados diante das serpentinas para garantir sua integridade e evitar a obstrução da passagem do ar, reduzindo assim a perda de carga interna do equipamento e reduzindo o consumo do motor elétrico. A utilização de filtros de alta performance, fabricados dentro dos requisitos normativos, proporciona uma perda de carga inicial menor, também colaborando para a redução do consumo elétrico. De maneira geral, é condição sine qua non para garantir a eficiência energética dos equipamentos, mesmo com a aplicação destes componentes e tecnologias citados, que eles sejam dotados de um sistema de automação e monitoramento embarcado e conectado à rede através de plataforma IoT que, além de garantir os parâmetros especificados e a otimização da operação através dos sensores e controladores, permite acompanhamento em tempo real e tomadas de ações mesmo à distância. A aplicação de cada uma dessas tecnologias agrega uma parcela no desempenho dos equipamentos que, somadas, podem garantir até 45% de ganho em eficiência energética.
A análise dos sistemas de expansão direta segue a mesma lógica dos sistemas de água gelada, podendo ser feita de forma separada para as unidades condensadoras e evaporadoras. Do lado externo, as condensadoras vêm passando por uma evolução tecnológica similar à dos chillers, com uma constante atualização dos principais componentes. Compressores do tipo scroll de alta performance, ventiladores com hélices de perfil aerodinâmico aprimorado e controladores embarcados garantem um ganho em eficiência energética mesmo em regime de rotação constante. A tecnologia inverter aplicada a estes componentes eleva ainda mais a eficiência energética das condensadoras e pode proporcionar uma redução de consumo da ordem de 30%.
Do lado interno, podemos tratar as unidades evaporadoras como fancoils de expansão direta, de modo que valem as mesmas recomendações de tecnologias disponíveis: ventiladores de acoplamento direto e motores eletrônicos, emissores UVC para proteção das serpentinas, utilização de filtros de alta performance e baixa perda de carga e, principalmente, sistema de automação e monitoramento com conexão à rede via plataforma IoT. Atenção especial deve ser dada ao fluído refrigerante utilizado, uma vez que há diversas alternativas ao R-22 que apresentam maior eficiência energética e menor volume de fluído por unidade de capacidade térmica.
Sistema dedicado ao tratamento do ar externo
O sistema dedicado para tratamento do ar exterior possui uma capacidade única de garantir elevada qualidade do ar interno e aumento de eficiência energética simultaneamente, uma vez que trata de maneira independente as diferentes demandas de carga térmica do ar externo e do ar de retorno. Em uma instalação típica de edifício comercial o ar externo pode representar até 80% da carga latente, ou seja, carga associada à umidade, enquanto a carga térmica interna dos ambientes é praticamente toda composta apenas por cargas sensíveis. Além de concentrar toda a carga latente demandada para o sistema em um único equipamento, o tratamento dedicado do ar externo também possibilita estabelecer um grau de filtragem mais elevado para todo o sistema de ar-condicionado a partir de um único equipamento.
O sistema de tratamento dedicado de ar externo é ideal para aplicações com alta carga de calor latente e alta taxa de renovação do ar, nas quais as cargas internas são basicamente cargas sensíveis. O desacoplamento das cargas térmicas sensível e latente proporcionado pela utilização do sistema dedicado para ar externo faz com que a operação dos equipamentos seja otimizada, garantindo um maior controle da umidade do ar e extraindo a máxima capacidade das serpentinas, além de permitir o selecionamento de equipamentos menores para atendimento dos ambientes, o que reduz o consumo elétrico do sistema de forma geral. O equipamento dedicado para tratamento do ar externo também pode ser reduzido em termos de capacidade térmica com a instalação de um módulo recuperador de calor, que reaproveita parte da energia térmica do ar expurgado dos ambientes para pré-resfriar o ar externo e diminuir a demanda térmica latente – em algumas aplicações o recuperador de calor é responsável por todo o tratamento térmico do ar externo. A própria instalação do sistema de ar-condicionado é otimizada e apresenta custo de execução menor, já que o sistema de suprimento de ar externo é centralizado e independente dos sistemas de ar condicionado dos ambientes.
Temperaturas escalonadas na produção de água gelada
Os diferentes arranjos de chillers e bombas na central de água gelada, bem como novas estratégias de fornecimento de água gelada em temperaturas escalonadas, têm se popularizado no Brasil pelos ganhos que proporcionam em eficiência energética.
Principalmente utilizado em projetos de grandes capacidades com dois ou mais chillers de condensação a água, as alternativas de arranjo em série e série com contrafluxo melhoram o desempenho dos chillers e proporcionam redução do consumo elétrico total do sistema. Os arranjos em série e em série com contrafluxo conduzem os fluxos de água gelada e de condensação em sentidos contrários, dividindo a carga térmica total entre os dois chillers – enquanto o fluxo de água gelada vai da saída do chiller A para a entrada do chiller B, o fluxo de água de condensação vai no sentido oposto, da saída do chiller B par a entrada do chiller A.
A diferença entre as temperaturas de saída da água nos circuitos de refrigeração e condensação determina o lift do equipamento, que afeta diretamente a capacidade total e no consumo elétrico do equipamento. Portanto, essa divisão da carga em duas etapas permite manter o lift total entre os circuitos, o mesmo que seria atingido com os chillers em paralelo, mas reduzindo o lift de cada chiller individualmente, o que faz com que o lift médio entre os chillers seja menor nestes arranjos, proporcionando economia de energia na operação sem prejudicar a capacidade térmica do sistema.
Alguns projetos aproveitam as temperaturas diferentes de água gelada para também alimentar fancoils que atendem áreas com demandas específicas. É muito comum, principalmente em laboratórios e áreas produtivas, que diferentes ambientes apresentem condições diferentes de temperatura, normalmente atendidas por equipamentos dimensionados para uma mesma condição de água gelada. Trabalhar com circuitos em temperaturas diferentes aumenta a versatilidade da instalação, permitindo que cada equipamento opere em condições específicas com maior eficiência, permitindo um controle mais preciso das vazões e temperaturas de água gelada, otimizando assim toda a operação do sistema.
Sistemas ar-água
Os sistemas ar-água certamente são o que há de mais eficiente quando se olha para o lado do ar, já que resolvem simultaneamente os problemas de carga térmica e ventilação interna dos ambientes com reduzida aplicação de materiais na instalação e baixo consumo elétrico, além de sua altíssima versatilidade de aplicação e baixo requisito de espaço para instalação.
A maior parte dos edifícios atualmente apresentam uma grande quantidade de equipamentos, fachadas envidraçadas e outras fontes internas de calor sensível. Tratar esta carga térmica juntamente com a carga térmica do ar externo demanda uma maior vazão de ar e, consequentemente, alto custo de instalação para distribuição do ar e maior consumo de energia elétrica pelos equipamentos. Os sistemas ar-água permitem que toda a carga térmica sensível dos ambientes seja tratada independentemente do tratamento do ar externo, dispensando rede de dutos para distribuição do ar e permitindo uma redução nos equipamentos dedicados para tratamento do ar externo, o que reduz consideravelmente o custo de implementação do sistema. Além disso, o fato de o sistema ar-água conduzir a energia térmica apenas através da água gelada, que possui uma capacidade de condução de calor muito maior do que o ar, proporciona uma redução significativa no consumo elétrico do sistema em decorrência da redução de até 70% na vazão de ar do sistema.
Os sistemas ar-água podem ser compostos por unidades passivas ou ativas. As unidades passivas utilizam os princípios de convecção e radiação para realizar a troca térmica entre o ar do ambiente e as serpentinas de água gelada das unidades. O calor radiado das fontes internas, como pessoas, iluminação, computadores, fachadas envidraçadas, é conduzido para a parte superior do ambiente pelo ar, que se torna mais leve por estar aquecido e sobe em direção às vigas frias. Em contato com os trocadores de calor, o ar dissipa o calor e então é resfriado, retornando para o ambiente.
As unidades ativas utilizam o princípio de indução para realizar a troca térmica entre o ar do ambiente e as serpentinas de água gelada das unidades, utilizando o fluxo de ar externo, chamado de ar de ativação, para induzir a passagem do ar de retorno, chamado de ar secundário, pelas vigas. Da mesma forma que ocorre no sistema passivo, aqui também o ar que retorna do ambiente carrega o calor radiado das fontes internas para cima, mas sua passagem pelos trocadores de calor é induzida pelo fluxo de ar externo que é insuflado no interior da viga. O ar que é distribuído no ambiente é resultado da mistura do ar externo com o ar resfriado pela viga fria.
Os sistemas ar-água demandam uma atenção especial para a temperatura de ponto de orvalho, uma vez que os trocadores de calor das vigas frias trabalham praticamente secos e qualquer variação na umidade do ambiente pode provocar condensação. Por segurança, deve-se manter a temperatura de alimentação da água gelada sempre 1 °C acima da temperatura de ponto de orvalho, o que demanda um sistema de controle preciso, tanto para as condições do ambiente como para operação dos chillers. A consequência positiva dessa operação rigorosamente controlada é que, para uma condição ambiente de 26 °C e 50% de umidade, estaremos falando em um dew point de aproximadamente 15 °C, o que significa fornecer água gelada a 16 °C – trabalhar com essa temperatura de água gelada mais elevada proporciona ganhos de até 40% na eficiência energética dos chillers.
Dada a sua versatilidade e pouca necessidade de espaço para instalação, aliadas aos sistemas de automação mais complexos que estão disponíveis atualmente no mercado e ao fortíssimo apelo por eficiência energética, pode-se dizer tranquilamente que os sistemas ar-água são soluções seguras para uma variedade de aplicações possíveis em diferentes edifícios, sejam eles escritórios, hospitais, escolas e universidades, e até mesmo shopping centers.
Thiago Boroski, Coordenador de Eficiência Energética e Contas Corporativas da Trox do Brasil
