Benefícios incluem redução dos custos de investimento, de operação e manutenção, além de alongar a vida útil das instalações
Preâmbulo
Sistemas distritais integrados constituem-se em soluções globalmente adequadas de como viabilizar e ensejar uso eficiente e ambientalmente amigável da energia, respeitando a 2ª Lei da Termodinâmica que estabelece patamares de qualificação que devem anteceder à quantificação regida pela 1ª Lei.
Uso eficiente da energia não significa, pois, atender as necessidades de determinado processo empregando a menor quantidade de energia sem atentar para sua qualificação, mas atendê-lo com uso de energia de qualidade estritamente necessária pela exigência da carga e, aí sim, aplicando a menor quantidade possível dessa qualidade de energia, o que conduz a oportunidades cada vez mais crescentes da utilização de energia oriunda de fontes renováveis não emitentes,em substituição a fontes fósseis altamente emitentes– principais contribuidoras para a crise climática.
Enfoque conceitual abrangente
Tradicionalmente, as edificações recebem suprimento energético de 2 fontes de altíssimas qualidades – energia elétrica, classificada como a de maior qualidade (q = 1,00) e combustível fóssil, com classificação de qualidade q = 0,90 –para atendimento de cargas com exigências de qualidades que variam entre q = 1,00 (todos os dispositivos com energia primária elétrica), até qualidade q = 0,05 (água aquecida sanitária predial a 45°C com ambiente externo a 30°C)provocando desperdício exergético ao transformar, desnecessariamente, mistura rica em exergia (q = 0,90)em mistura pobre com apenas 5% de exergia (q =0,05), quase totalmente anergia (q = zero).
Isto implica em provocar chama cuja temperatura atinge 1.200°C, para obter carga desejada a 45°C, exigindo mistura de água aquecida com água a temperatura natural e abdicando do propósito de uso de energia oriunda de fontes renováveis de qualidade compatível com a exigência – solar térmica ou geotérmica – ambas não emitentes.
O uso de gás natural como combustível resulta em taxa de emissão de 400g CO2/kWh geradoe, no caso dediesel,resulta em 1.000g/CO2 para cada banho consumindo água aquecida por combustão.
Ratificando
Os sistemas distritais proporcionam racionalização por atenderem a eficiência exergética (compatibilidade entre qualidades de suprimento e de utilização) e, também, a eficiência energética (quantidade estritamente necessária ao objetivo).Utilizamos recursos energéticos dentro de uma visão holística governada por preceitos termodinâmicos hierárquicos – 2ª Lei, e, em sequência, a 1ª Lei. Ou seja, fazer mais e melhor, com menos – utilizar energia de menor qualidade, sabendo que exigirámaior quantidade, pois só é convertida parcialmente conforme o índice de qualidade.
Como exemplo pode-se citar processos de refrigeração por absorção, ou adsorção, com COP térmico 0,7, empregados para proceder desumidificação do are que exigem energia térmica para reativação a95°C (q = 0,18), em alternativa a sistemas por compressão mecânica comCOP termodinâmico 6,0 – utilizados para desumidificação por resfriamento – porém, utilizando energia primária de qualidade máxima, q = 1,00.
Trata-se de sistemas de baixa exergia (baixas temperaturas de aquecimento), comparados a sistemas de alta exergia (baixas temperaturas de resfriamento).
Exemplos globais de sistemas distritais
De acordo com a IEA (Agência Internacional de Energia), a cidade de Paris dispõe do maior sistema distrital de resfriamento da Europa, constando de 6 grandes plantas de resfriamento conectadas à rede de distribuição, totalizando 60.000 TRs, e mais 4 plantas adicionais completando 80.000 TRs, dispondo, também, de sistemas de termoacumulação constituídos por reservatórios de água e tanquesde gelo, totalizando 40.000 TR/h.
Essa estrutura centralizada, que envolve 71 km de rede, distribui água gelada para6 milhões de m² em edificações.Em 2022 houve renovação do contrato entre a Prefeitura de Paris e a Concessionária,com duração de 20 anos, envolvendo expansão com triplicação da rede de distribuição de modo a totalizar 229 km e incorporação de 20 novas plantas de produção de frio e 10 novas plantas de termoacumulação, de forma a capacitar-se para atender mais de 3.000 usuários.
O sistema distrital dispõe de conexão ao Rio Sena, permitindo operar em modo freecooling durante a estação de inverno e se propõe a atingir operação com 100% de energia renovável projetando, até o final do contrato, em 2042, evitar emissões de 300 mil toneladas de CO2 e economizar anualmente 30.000 m³ de água.
Ainda, segundo informações da IEA, existem distritos combinados semelhantes em outros países, incluindo Dinamarca, Finlândia, Áustria, Canadá, Coreia do Sul, Holanda, Suécia, Reino Unido e Estados Unidos, dotados de freecooling, a depender da sazonalidade climática externa do local, o mesmo ocorrendo em relação à energia geotérmica.
O maior sistema distrital de resfriamentodo mundo situa-se em Dubai, para atendimento em Doha, com potência combinada 197.000 TRs e sistema de termoacumulação para142.500 TR/h, cobrindo os distritos West Bay e Pearl-Qatar, ensejando evitar uma demanda elétrica de 35 MW e economizando 1.000 GWh/ano, se comparado a múltiplos sistemas dedicados por chillers a ar ou por expansão direta.
Realidade nacional
A nossa inclinação pelo emprego de sistemas distritais remete ao ano 2000, oportunidade em que proferimospalestra sobre o tema que foi foco da versão inaugural de âmbito internacional do seminário Sannar, ocorridono Recife e que tem frequência anual itinerante e ininterrupta entre Recife, Salvador e Fortaleza, tendo sua 25ª edição recém-ocorrida no Recife. Naquela oportunidade, expusemos solução para implantação de sistema distrital no bairro do Recife Antigo, constituindo-se de CAG com chillers arranjados em série, condensação integrada ao Rio Capibaribe, processo de tratamento de ar com cargas 100% desacopladas e Dt da água gelada a 10 ºC.
O projeto previa atendimento de um centro de compras e de várias edificações incluindo instituições bancárias, edifícios tombados pelo patrimônio histórico, igreja ede usuários de espaços parciais de edificações em diversas ruas do referido bairro, inclusive com a rede de distribuição fazendo a transposição do Rio Capibaribe,que separa os bairros do Recife Antigo e de São José, ancorada na antiga ponte Giratória que interliga ambos.
A cronologia da evolução econômica dos empreendimentos e suas defasagens temporais levaram a alterações físicas da execução, iniciando-se em 2003 com a construção do centro de compras – que fica localizado no bairro do Recife Antigo – o qual cedeu, sem custo à igreja, ramal hidráulico de suprimento de frio.
Posteriormente, surgiu a oportunidade emaplicação de reocupação dos antigos armazéns do Porto do Recife –transformados em auditórios e utilizações correlatas e que se intitulou projeto Porto Novo Recife – tendo sido implantada uma central de geração de frio específica, não conectada à inicial, por questão de diversificação empresarial, e que opera até os dias atuais.
Ano passado, o projeto Porto Novo Recife concluiu mais uma etapa, estalocalizada no bairro de São José, tendo sido implantada uma 2ª central de resfriamento de água para atendê-la. Esta nova etapa constitui-se de um hotel e de um centro de convenções (Novotel e Recife Expo Center), ambos em operação desde setembro de 2024.
Para isto, foi implantada uma central de resfriamento de água de potência 1.200 TRs, com arrefecimento a água recirculada em torres de resfriamento.O hotel fica localizado na marina existente no Rio Capibaribe e foi alvo de matéria publicada na edição de janeiro de 2025 da revista Abrava + Climatização & Refrigeração.
Há um terceiro empreendimento – segundo hotel – já confirmado e localizado ao lado do centro de convençõesque será incorporado ao districtcooling, exigindopotência adicional da central de resfriamento de água distrital, ora em fase de projeto.
Por razões ocupacionais de espaço, a 1ª central implantada em 2014 para atendimento da reocupação dos armazéns do Porto do Recifedeverá ser deslocada para o terreno onde será construído o segundo hotel e será anexada à expansão e interligada à central de resfriamento que atende o Novotel e oRecife Expo Center, constituindo-se em 2 centrais interligadas ao mesmo sistema distrital, passando a usufruir de intercambialidade e de disponibilização decorrentes, resultando em centralização de mão de obra com redução de custo, equalização de eficiência e racionalização energéticas pela produção de água em dupla temperatura e processo comum de desacoplamento entre cargas.
Considerando a demanda do hotel por aquecimento, a central de produção de frio do sistema distrital – que utiliza arranjo hidrônicosérie/paralelo no modo só resfriamento e transforma-se em série/série em contrafluxo para modo resfriamento e recuperação de calor –produz água quente a temperatura de 42°C,excedendo o COP da instalação quando operando em modo só resfriamento – e disponibilizapotência de aquecimento de magnitude 460 kW(@ 1.570.000 Btu/h)com elevação da demanda elétrica em 55 kW, resultando num COPLIQaquecimento de 6,45, evitando bomba de calor de potência térmica de 130 TRs.
A adoção de arranjo série/série permanente resultaria em balanço energético negativose comparado ao processo convertível com modo produção de caloratuando em horário concentrado e exclusivamente nele, equalizando e racionalizando os perfis entre produção e demanda por calor.Adicionalmente às reduções totais de custo operacional e de manutenção proporcionadas pelo sistema distrital, obtêm-se,apenas com o modo recuperação de calor, ao longo da vida útil,redução de consumo energéticode 88% (1.584 MWh contra 13.250 MWh) e redução de emissões de 96% (176 tCO2 contra 5.300 t CO2), por empregar providências responsáveis no uso dos recursos energéticos eno combate aos impactos ambientais dele decorrente.
A adoção de sistema distrital em substituição a sistemas centralizados por edifíciopode levarà redução de custos estimada em 20%, quer na implantação, quer namanutenção, quer na ocupação de espaço, em razão de menor número de equipamentos de maior potência unitária, bem como, redução também de quantidade de fechamentos hidráulicos, componentes satélites, quadros elétricos, subestações e redes elétricas de suprimento, liberando espaçosem pisos de alto valor por m² para a atividade fim.
Aliada à racionalização energética, ocorre também a racionalização do uso da água propiciado pela resultante redução da potência em decorrência de integração frio/calor, por eficientização energética e por recolhimento e reuso da água obtida nos processos centralizados de desumidificação por desacoplamento entre cargas,com redução estimada em 50% se comparada aos processos triviais.
Adicionalmente aos sistemas já abordados, ainda no bairro do Recife Antigo, projetamos e supervisionamos a implantação de um outro sistema distrital para um conjunto de edificações no antigo Moinho Recife, sistema este composto por central resfriadora de água, tanque de termoacumulação e tratamento de ar exterior com processo de desacoplamento entre cargas, com potência total 1.600 TRs e sistema de termoacumulação para 3.600 TR-h (veja relato de caso na página 14).O sistema hidrônico compõe-se de circuitos primário e secundário, ambos com vazão variável, alimentando o conjunto de edificações conectado ao secundário de distribuição.
Um 4º sistema distrital foi adotado para o complexo hospitalar Real Hospital Português, do Recife, localizado no bairro da Boa Vista, bem distante dos demais casos já abordados.Trata-se, também, de sistema com produção em dupla temperatura da água, recuperação de calor com arranjo série/série em contrafluxo convertível como pré-aquecimento de água quente sanitária e 2º estágio de aquecimento por bombas de calor para uso por cargas de maior exigência de qualidade da energia térmica.
O sistema de termoacumulação opera em duplo reservatório, interligados em paralelo, porém, com arranjo da produção em série, de modo que a água de baixa temperatura provém do retorno geral e é previamente resfriada nos estágios de alta e média temperaturas, reduzindo assim a potência do chiller de baixa temperatura, dada a menor eficiência termodinâmica comparada aos de alta e média temperaturas.A instalação é composta por 2 grupos de chillers com 3 chillers em cada grupo, totalizando 2.100 TRs e sistema de termoacumulação para 7.500 TR-h.
Nocampo de ocupações comerciais coletivas, ressaltamos a rede de lojas Home Center Ferreira Costa como exemplo de sistemas distritais dotados de processos de resfriamento de água em dupla temperatura, tratamento de ar com desacoplamento entre cargas, acumulação de energia térmica e produção de energia elétrica fotovoltaica.
Também a rede de shopping centers RioMar, que adota processos idênticos e atende cerca de 500 lojas por unidade, suprindo-as de ar exterior frio e seco sob temperatura de orvalho a 6 °C – o que as permite operar com desacoplamento entre cargas e resfriamento 100% sensível, constituindo-se em potência de 6.200 TRs, 2.000 TRs obtidas por recuperação de energia e as outras 4.200 TRs por água gelada em 3 patamares distintos, sistema de termoacumulação para 20.000 TR/h, resultando em economia anual de 7.600 GWh (42%), 66.300 m³/ano de água (45%) e evitando 3.744 t CO2-eqpor ano (76%).
Outras instalações com conceito distrital estão em fase de planejamento, destacando-se a reutilização de antiga fábrica de produtos têxteis que será transformada em escola para hotelaria e gastronomia, centro esportivo e de lazer.
Conclusão
A centralização dos procedimentos de geração de frio/recuperação de calor, de tratamento por desacoplamento entre cargas do ar exterior, inclusive para condôminos, e adoção de planta de resfriamento com produção escalonada exergeticamente, conduzem a excelentes resultados com payback virtualmente nulo, custos operacionais reduzidos à metade e emissões operacionais insignificantes conforme já demonstrado anteriormente.
Ainda mais, a adoção de sistemas por expansão indireta com conceitos embasados na termodinâmica, na psicrometria, na transmissão de calor e na mecânica dos fluidos, e com valorização da qualidade ambiental e a mitigação de emissões de gases de efeito estufa – seja por empregar refrigerantes de mais baixo GWP,por reduzir tanto quanto possível a carga de refrigerante, seja por abandonar queima de combustíveis fósseis – direciona para solução economicamente favorável e ambientalmente responsável e sustentável.
Finalizando, destacamos que a solução por sistemas distritais se constitui em passo decisivo na rota da obtenção das edificações NZEBs, em quesistemas de termoacumulação desempenham função estratégica face às características de variabilidade e de intermitência das fontes renováveis de energia.
Relatamos aspecto episódico de sistema para atendimento de centro de compras localizado nas proximidades de estação de metrô, em São Paulo, no qual o processo adotado é termoacumulação total com carregamento durante o recesso noturno para atendimento à carga no dia seguinte, por indisponibilidade, à época, de demanda elétrica no período diurno. O sistema de produção de frio tem potência 1.400 TRs, enquanto o sistema de termoacumulação pode armazenar 10.500 TR/h.
Operação semelhante, porém,recíproca, ocorre para edificações NZEBs, com armazenamento e atendimento à carga realizados simultaneamente no período ativo de fonte renovável de origem solar, a qualpropicia transferência de energia farta e limpa, do horário em que está disponível para o horário em que é necessária.
Os sistemas de termoacumulação apresentam várias vantagens sobre armazenamento elétrico em baterias, notadamente a robustez e a vida útil, bem como, menor custo por unidade de energia armazenada, e por já fazerem parte da infraestrutura de edificações existentes que venham a ser submetidas a procedimentos de retrofit, além de emissões dos rejeitos bem inferiores às das baterias, ao final da vida útil.
Há, também, oportunidade de adoção de processos naturais de resfriamento, evaporativo, por exemplo, no curso de estação quente/seca, com as torres de resfriamento de água assumindo o papel dos chillers por elas arrefecidos, total ou parcialmente, resultando em procedimento de baixa exergia e de racionalização exergética, o mesmo ocorrendo em relação ao emprego de energia geotérmica.
Tais práticas, quando verdadeira e corretamente aplicadas, encontram respaldo econômico contributivo no Mercado Voluntário de Carbono que remunera a tonelada de CO2-eqefetivamente evitada pela irrenunciável e ecologicamente correta prática do Fazer Mais e Melhor, Com Menos.
Concluo por afirmar que o DNA da eficiênciaenergética e da sustentabilidade está presente nos profissionais que me sucedem, independentemente do laçofamiliar, pois decidiram por levar adiante essa cruzada de comprometimento social e ambiental, com o presente e com o futuro, acreditando que inovação exige fontes de referência da mais alta credibilidade, perseverança e sensatez para decidir.
Francisco Dantas, é engenheiro mecânico e consultor na Interplan Planejamento Térmico Integrado
Crédito da foto: http://www.dreamstime.com/stock-photography-green-city-future-concept-powered-renewable-energy-image109286222
Veja também:
Um sistema distrital no coração do Recife Antigo
