Diversidade de sistemas e tecnologias é aliada da eficiência energética - Portal EA
Diversidade de sistemas e tecnologias é aliada da eficiência energética
A diversidade de sistemas e tecnologias disponíveis permite ao projetista de climatização um leque de opções para a manutenção do conforto térmico e da qualidade do ar, sem elevação substancial no consumo de energia. Ambientes que funcionam em condições diferentes do restante de um edifício atendido por um sistema de água gelada, como pequenos CPDs, ou que operem em horários irregulares, como salas de reuniões, quando a central da edificação está desligada ou, ainda, situações que exigem redundância, podem recorrer a um sistema de expansão direta dedicado.
Rafael Dutra, executivo de vendas da Trane, explica que, além dos exemplos citados, "é muito comum a utilização de sistemas splits em guaritas ou ambientes que ficam distantes do corpo central da edificação. Um exemplo interessante é utilizar sistemas de expansão direta para pré-condicionamento do ar externo, suprindo o sistema central de fancoils com chillers. A vantagem de utilizar esse sistema é que por usar a expansão direta no ar externo, não seria necessário utilizar temperaturas mais baixas de água gelada no chiller ou fancoils com serpentinas muito profundas. Estes componentes devem ser devidamente selecionados, é claro, e avaliado se a solução faz sentido econômico em cada aplicação. De fato, a decisão de utilizar em uma edificação um sistema alternativo ao principal é uma decisão econômica, ou seja, sendo atendidos os critérios de projeto em termos de conforto e aplicação, deve ser avaliado se faz mais sentido econômico a utilização de um sistema alternativo ou não."
"Aplicações em que o controle de umidade relativa, por exemplo, é fundamental, a utilização de sistemas com água gelada podem ser os mais indicados. No setor da saúde, sistemas com água gelada podem muito bem ser compartilhados com sistemas onde a expansão direta pode ter uma maior eficiência, como quartos de internação climatizados por sistemas VRF, enquanto os centros cirúrgicos por água gelada. Aplicações que necessitam de altos volumes de ar podem ser atendidas com sistemas de expansão direta do tipo Large Split ou Rooftop, ou água gelada, em que os sistemas VRF dificilmente conseguiriam manter os níveis de umidade relativa controlados, ou a associação de sistemas VRF para escritórios e de água gelada para áreas de produção", defende Cristiano Brasil, coordenador de aplicações da Midea Carrier.
Segundo Brasil, a utilização de sistemas de expansão direta e indireta em uma mesma edificação pode trazer ganhos energéticos. "A Midea Carrier tem se esforçado para difundir este conceito já há alguns anos. O assunto foi tema de palestras nossas no Mercofrio e no Encontro Nacional de Projetistas e Consultores de 2018. Nos dois eventos demonstramos, com o auxílio do software Hourly Analysis Program da Carrier Corporation, que os sistemas híbridos devem ser sempre considerados."
Leonardo Dobrianskyj, da Daikin, percebe que edifícios comerciais têm utilizado sistemas com expansão direta em função de uma transferência de investimento para o usuário. "Entretanto, é possível que determinados usuários desejem sistemas backup com splits para pequenas salas de CPD ou qualquer outra área que julguem necessária uma climatização constante e alternativa ao sistema empregado. Ao mesmo tempo essa solução pode ser utilizada em sistemas onde o edifício comercial é de apenas um grande usuário e o sistema de expansão indireta seja utilizado para reduzir área técnica, neste caso utilizando sistemas de expansão indireta para as mesmas situações descritas anteriormente."
"Todos os sistemas existentes podem ser complementares, entretanto há de se colocar uma distinção entre encher de penduricalhos um empreendimento e fazer um projeto de engenharia de ar-condicionado. Sistemas híbridos bem feitos requerem projetistas que levem em conta todo o ciclo de vida útil do equipamento, não só o investimento inicial, mas os custos operacionais de manutenção, energia elétrica e da troca futura dos equipamentos, visto que expansão direta e expansão indireta possuem vidas úteis diferentes", alerta Dobrianskyj.
"A variedade de situações torna difícil a generalização, sendo indicado um processo de simulação computacional. De uma maneira superficial, os sistemas de água gelada com chillers centrífugos (expansão indireta) possuem altíssima eficiência energética na carga plena. Já os sistemas VRF (expansão direta) possuem alta eficiência em carga parcial", defende Daniel Fraianeli, gerente de produto da Samsung.
Elimara Cardoso, analista de imprensa da Gree, reforça a necessidade do projeto. "Antes de se decidir qual o tipo ou modelo de ar condicionado que se deve aplicar a uma determinada situação, é necessário que um profissional habilitado faça um levantamento de carga térmica dos locais que se deseja climatizar. Após esse estudo, teremos como resultado um total de calor que se deve retirar ou inserir dentro de uma ambiente e, por fim, devemos avaliar cada cômodo ou ambiente da edificação para que então façamos a seleção dos tipos, modelos e capacidades que podemos aplicar para a situação, sem esquecer de levar em consideração alguns pontos importantes, como necessidade e opinião do cliente, custo x benefício e eficiência energética."
Patrice Tosi, diretora comercial da Indústrias Tosi, entende que mesmo em ambientes de uso descontinuado os sistemas de automação podem dar uma resposta sem a necessidade de soluções híbridas. "Neste caso, temos o chiller MagLev, com compressor de mancal magnético, que trabalha gradativamente partindo de 2A."
Patrice Tosi, da Indústrias Tosi
Sandra Botrel, da Protherm
A diretora da Tosi concorda que os diversos sistemas podem ser combinados, "um não é excludente do outro, as melhores soluções serão sempre de melhor eficiência energética. Quando você tem uma área que funciona em horário diferente dos demais, academias em shoppings é um caso, mas podemos pensar também em equipamentos médicos presentes em edifícios comerciais, uma alternativa seria o uso da termoacumulação."
Soluções mais usuais e o processo decisório
Na combinação de aplicações de equipamentos, as alternativas são amplas, mas não aleatórias. "Os sistemas VRF podem ser na teoria mais eficientes quando se analisa a performance de catálogo, porém, ser um agente dificultador no controle de umidade. Por outro lado, quando se trata de linhas com longas distâncias, o sistema VRF com certeza será o candidato ideal a complementar ou substituir os sistemas de água gelada", pondera Brasil.
"Indústrias, principalmente a farmacêutica, vêm cada vez mais utilizando expansão direta nos escritórios e, para suas salas limpas, sistemas bomba de calor para produção de água gelada e quente para manter temperatura e umidade adequadas, reduzindo no final do mês a demanda contratada de água quente e reduzindo a necessidade de gás natural. Clubes têm investido cada vez mais nas soluções bomba de calor com expansão indireta para climatização de áreas como salas de academia, saunas e vestiários, ao passo que a expansão direta tem trabalhado em vestiários, salas de espera e demais ambientes", informa Dobrianskyj.
Leonardo Dobrianskyj, da Daikin
"Muitas vezes se dá importância, e com razão, à carga máxima de projeto e se esquece da carga mínima de inverno, ou seja, a capacidade mínima do sistema. Independentemente de ser expansão direta ou indireta, há uma carga térmica mínima necessária que, se não for conhecida, pode trazer descontentamento para o usuário do ar-condicionado. Ambientes climatizados com 100% de redundância por sistemas alternativos são sempre mais caros em função dos custos bem mais altos de aquisição de máquinas e de instalação. A melhor solução é o projeto de ar-condicionado prever as situações de carga térmica mínima e, em sistemas de água gelada, projetar equipamentos adequados a esta operação; e, em situações extremas, com carga térmica a menor possível, com maior temperatura externa. É difícil encontrar em projetos de água gelada especificações com máquinas de diferentes capacidades, geralmente todas as máquinas têm a mesma capacidade; nestas situações é provável que na carga térmica mínima em algum momento ocorra um desconforto térmico ou consumo desnecessário de energia elétrica", completa Dobrianskyj.
"Não acredito que seja simples definir uma solução mais eficiente em termos absolutos. A resposta para essa pergunta sempre irá depender da aplicação específica e de uma análise energética compreensiva com o auxílio de uma ferramenta computacional de modelagem adequada. Alguns projetos levam em consideração a utilização de um chiller menor, que possa atender as cargas noturnas. Um sistema de automação e um projeto de hidráulica pensado para esse fim pode também trazer um bom resultado para o empreendimento", pondera Dutra.
O executivo da Trane acredita que uma solução interessante, empregada em edificações de maior porte, é o VRF com condensação a água, que "além de eficiente, permite distâncias de tubulação bem elevadas e pouco uso de espaço útil de locação. Mais recentemente a utilização de unidades evaporadoras de grande capacidade, comumente chamadas de AHU ou evaporadora de "splitão", permitiu o uso em ambientes maiores para este tipo de solução também, e em alguns casos sendo possível unidades com serpentina de água gelada e de expansão direta."
Ventilação natural, free-cooling e ciclo economizador
Existem soluções que tiram partido das condições ambientais e dos recursos naturais, com as devidas cautelas. "Deve-se observar com muita atenção a não simultaneidade de operação dos sistemas. Para isso, os sistemas de automação devem ser utilizados, evitando que o sistema de condicionamento de ar mecânico opere em conjunto com a ventilação natural, desperdiçando energia elétrica. Um exemplo disso seriam janelas abertas exaurindo o ar tratado pelos sistemas de ar-condicionado. O mercado de automação evoluiu muito rápido nos últimos anos. A Fujitsu, com sua linha de controles e acessórios opcionais, pode fornecer soluções nesse sentido. É possível, de forma relativamente simples, integrar um mini-split, por exemplo, ao sistema de automação residencial, impedindo que os equipamentos sejam acionados caso janelas estejam abertas", afirma Samir Hernandez, do departamento comercial da Fujitsu.
A projetista Sandra Botrel, diretora da Protherm Projetos Termo-Acústico, explica que "no caso dos climas mais frios é possível tentar fazer sistemas híbridos, que quando as condições externas estiverem adequadas, o sistema operaria apenas com a ventilação natural. Outra opção seria o resfriamento passivo da estrutura no período noturno. Esta solução foi adotada no prédio da Forluz, em Belo Horizonte."
Botrel faz dois alertas: "No caso do sistema híbrido, é preciso garantir que as janelas sejam fechadas quando se for operar o condicionamento do ar. No caso do resfriamento passivo é preciso garantir que as aberturas para a circulação do ar estejam abertas no período noturno e que sejam fechadas no período diurno."
Também, a depender das condições climáticas, e sempre obedecendo as normas que estabelecem os parâmetros para a qualidade do ar de interiores, é possível lançar mão do free cooling e do ciclo economizador.
"Existem três tipos básicos de ciclos economizadores e free cooling. A ar, a água e, ainda, diretamente no ciclo de refrigeração. Sistemas a ar utilizam as condições de entalpia ou temperatura de bulbo seco do ar externo para reduzir a demanda por resfriamento nas unidades interiores ou mesmo zerar essa demanda em condições suficientemente favoráveis, realizando o free cooling. Neste formato o ar externo pode ser conduzido às unidades interiores ou insuflado diretamente nos ambientes climatizados, seguindo uma rotina de controle bem definida que seja capaz de tanto identificar as condições externas favoráveis, quanto de modular a quantidade de ar externo e a refrigeração combinadas para melhor eficiência do sistema. Sistemas a água utilizam condições favoráveis de clima para reduzir a água de condensação a temperaturas tais que essa água possa ser utilizada para pré-condicionar o ar de retorno das unidades internas ou até mesmo pré-resfriar o retorno de água gelada do circuito primário com a utilização de trocadores de calor intermediários. O terceiro sistema é a utilização dos próprios equipamentos de refrigeração como chillers em situações que a água de condensação estiver a uma temperatura menor do que a água gelada. Isso é possível em aplicações de data centers, por exemplo. Nessa configuração, a menor temperatura e pressão do condensador em relação ao evaporador produz o diferencial de pressão necessário para que haja movimentação do fluido refrigerante dentro do chiller sem o acionamento do compressor, quanto maior for esse diferencial de temperatura, maior será a capacidade de resfriamento em free cooling possível", explana Dutra, da Trane.
"As unidades Rooftop são um bom exemplo da utilização de ciclos economizadores. Normalmente, são controladas via sensores de CO2 nos ambientes ou por temperatura externa. São controladas por termostatos ou sistemas de automação que monitoram estas condições. Já os sistemas free cooling podem utilizar a baixa temperatura externa do ar para resfriar o refrigerante e, consequentemente, o ar de insuflação (sistemas DX, por exemplo), ou a baixa temperatura externa para resfriar a água de condensação a uma temperatura suficiente para a climatização interna. No mercado americano estes sistemas são denominados Water Side Economizers", explica Brasil.
Torres de resfriamento e o free cooling
Tags:água gelada, ar condicionado central, ciclo economizador, eficiência energética, expansão direta, free coling, sistemas VRF, ventilação natural