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INSTITUTO POLITÉCNICO – Centro Universitário UNA
ANÁLISE DE VIABILIDADE EM INSTALAÇÕES DE SISTEMA DE
AR CONDICIONADO USANDO O CONTROLE ENTÁLPICO
Charles Daniel da Paixão Marques chdanimarques@gmail.com Fernanda Christina Teotonio Dias Troysi Orientador Técnico Breno Augusto Ribeiro Aredes Coordenação do curso de Engenharia Mecânica
Resumo – A conservação de energia recebe hoje em dia uma maior atenção devido à sua importância em termos sustentáveis, e o ar condicionado é uma das disciplinas em uma edificação que carece de grandes consumos. Diante disso, foi analisado a viabilidade econômica de uma instalação de expansão indireta usando o controle entálpico em um Call Center que funciona durante 8h/dia por mês, em um comparativo entre as cidades de Florianópolis e Fortaleza, a fim de avaliar onde será viável economicamente. Uma análise de consumo entre Janeiro de 2014 a Dezembro de 2017 foi feita, encima de um projeto de ar condicionado e automação. A viabilidade se mostrou eficiente e eficaz somente em Florianópolis, devido às grandes diferenças de consumo nos meses predominantemente frios. Palavras chave – Controle entálpico, temperatura, umidade absoluta e relativa, ar condicionado.
1. Introdução
No cenário atual, a necessidade pela conservação de energia tem recebido maior atenção no campo das pesquisas científicas e tecnológicas. Associado a esse fato, discussões acerca dos impactos ambientais causados pelo crescimento desenfreado das populações se tornaram mais constantes. Assim, diversas pesquisas nas mais variadas áreas das ciências têm sido desenvolvidas com o intuito de buscar tecnologias que aumentem a eficiência dos sistemas atuais e diminuam os impactos ambientais causados (VALVERDE; PIMENTA, 2014).
Uma das principais preocupações do país é a questão energética. O crescimento industrial e demográfico exige cada vez mais dos recursos de energia. O Brasil vem fazendo constantemente programas de racionalização para diminuir a demanda. De acordo com dados da Agência Nacional de Energia Elétrica a potência demandada por instalações de ar condicionado e refrigeração é da ordem de 14.000 MW, representando 11,8% da capacidade instalada no país (ANEEL, 2012 apud VALVERDE; PIMENTA, 2014). Dessa forma, soluções mais eficientes também são necessárias nos diversos sistemas de engenharia, de maneira a manter as mesmas funções e exceder a eficiência exigida por sistemas anteriores. Esse é caso em
sistemas de Aquecimento, Ventilação, Ar Condicionado (AVAC), que são sistemas requeridos para prover conforto térmico e qualidade do ar interno em edifícios ou escritórios, com razoáveis custos de instalação, manutenção e operação (VALVERDE; PIMENTA, 2014). Na Figura 1, mostra o consumo do ar condicionado em comparação ao consumo total de todos os eletrodomésticos.
Figura 1: Consumo do ar condicionado em edificações
Fonte: Adaptado de Light, 2012 apud UOL, 2012
O alto custo energético da utilização desse sistema é um problema em grandes empreendimentos. No início, havia só a busca por maior eficiência ao menor custo de instalação. Mas com o tempo devido à sucessivas crises no fornecimento de energia elétrica, otimizar o seu consumo passou, então, a ser o fator obrigatório para o desenvolvimento de um projeto.
1.1 Objetivo Geral
Analisar a melhor situação que viabilize a instalação do sistema que proporciona o controle entálpico.
1.2 Objetivos Específicos
maquina de lavar; 2%
bomba dagua;
6 lampadas; computador, impressora e estabilizador;
ar condicionado; 45%
geladeria economica;
TV; 5%
chuveiro; 26%
ferro eletrico; 5%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
50%
Figura 2: Linhas da Carta Psicométrica
Fonte: Adaptado de TROYSI, 2017
2.2 Expansão indireta
Em instalações de ar condicionado que utilizam o sistema de expansão indireta (água gelada), há a transferência de calor em mais de um meio antes de chegar a transferir o calor contido no meio que se deseja resfriar, no caso o ar do ambiente. Através da instalação de resfriadores de líquidos chamados de chillers, é efetuado o resfriamento da água que circula no interior das tubulações hidráulicas. Bombas primárias e secundárias são responsáveis pela pressurização do fluído, no caso analisado a água, e que por sua vez alimentam as unidades de tratamento do ar dos ambientes, chamados de FanCoils. Esse conjunto de equipamentos se dá o nome de CAG, que significa Central de água gelada (Adaptado de DIAMONT, 2014). Na Figura 3 tem-se uma CAG.
Figura 3: Central de água gelada
Fonte: Guimarães, 2017
Os Fancoils são responsáveis por promover o arrefecimento dos ambientes, através da transferência de calor contido no ar do ambiente para a água que circula no interior da serpentina (trocador de calor) do equipamento. Geralmente é composto por três módulos: módulo equalizador (caixa de mistura), módulo trocador (serpentina) e módulo ventilador.
No módulo equalizador é feita a mistura do ar externo com o ar de retorno, esse oriundo do ambiente climatizado. No módulo trocador, tem em seu interior uma serpentina de cobre ou alumínio onde circula água gelada, geralmente a 5 °C. É instalado uma válvula de controle 2 vias periférica à tubulação conectada à serpentina, nela é controlada a vazão que escoa na serpentina, de acordo com os dados de entrada recebidos da automação. No módulo ventilador tem-se os ventiladores providos de motores e correias, que tem a função de captar o ar do ambiente, através de um diferencial de pressão negativo, passar o mesmo por filtros e após pela serpentina onde será refrigerado e devolvido ao ambiente através de insuflamentos, esses feitos por dutos ou a pleno.
Na figura 4 tem-se um FanCoil instalado e seus respectivos módulos representados: A: Módulo trocador; B: Módulo equalizador; C: Módulo ventilador.
Os controles entálpicos ou ciclos economizadores, são caracterizados pela modulação da tomada de ar exterior por meio de registros motorizados (dampers) que irão ser acionados segundo limites de condições climáticas, controle do sistema e ambiente. Figura 5 mostra um damper de regulagem motorizado junto com o periférico do atuador da automação, responsável pelo acionamento.
Figura 5: Damper de regulagem de vazão.
Fonte: Adaptado de Catálogo TROX, 2013
Os dampers são acionados e tornam-se responsáveis pelo funcionamento efetivo do ciclo, através da definição dos parâmetros listados a seguir, que são analisados e viram dados de entrada nos processos de automação (INATOMI; LEITE, 2008):
Temperaturas de bulbo seco do ar exterior máxima e mínima: Quando a temperatura de bulbo seco do ar exterior estiver entre a mínima e a máxima estabelecidas, a utilização de maior vazão de ar exterior será permitida; Entalpia do ar exterior: Se a umidade absoluta do ar exterior estiver superior à estabelecida, a vazão do ar exterior será limitada ao valor mínimo estabelecido; Entalpia do ar de retorno: Se a entalpia do ar de retorno estiver menor que a entalpia do ar exterior, a vazão do ar exterior será limitada ao valor mínimo estabelecido; Temperatura do ar de retorno: Se a temperatura do ar de retorno estiver menor que a temperatura do ar exterior, a vazão do ar exterior será limitada ao valor mínimo estabelecido.
Com a atuação destes controles, a vazão de ar exterior é modulada de maneira que as condições do ar no módulo equalizador do ar exterior permitam que o sistema de condicionamento do ar atinja o conforto térmico no ambiente.
2.3.2 Sistema de automação dos dampers
O sistema de automação voltada para o ar condicionado tem como objetivo principal o controle dos multi processos existentes, além da busca constante por atingir uma melhor eficiência energética ao maximizar as variáveis de temperatura, pressão, entre outros, em conjunto com a instrumentação e o funcionamento dos diversos motores utilizados. O Sistema de automação, se consiste em:
- Computador;
- Software de Gerenciamento do ar Condicionado / Insumos;
- Controladoras / Sub Controladoras;
- Periféricos e Pontos E/S dos equipamentos a serem automatizados;
- Rede de comunicação;
O sistema monitora os valores recebidos pelos periféricos instalados, comparando com os set points pré-estabelecidos, a fim de verificar o total rendimento do equipamento de HVAC.
São monitoradas as temperaturas de retorno, insuflamento e do ambiente externo, através de sensores que enviam a informação a uma controladora e a mesma atua nos motores atuadores de válvulas de controle do tipo duas vias, instaladas nas tubulações de água gelada dos fancoils. A umidade absoluta é monitorada através do sensor instalado no duto de insuflação e retorno.
Os ventiladores de exaustão são comandados através de contato seco, além de status através de contatores e defeito a partir de relé de sobre carga, localizados nos respectivos quadros elétricos. A Central de Água Gelada é monitorada e controlada pelo sistema de automação, buscando sempre propiciar e garantir a eficiência no gerenciamento e energética.
Os chillers são ligados e desligados por programação horária. Antes da partida de cada chiller deve ser ligada uma bomba primária BAGP. Essas bombas só poderão ser desligadas após a parada total do chiller correspondente. Os chillers devem ser ligados de forma escalonada conforme a necessidade, ou seja, em cargas parciais.
Sempre que a temperatura e umidade absoluta do ambiente externo forem maiores as do ar de retorno o damper (A1) permanece fechado, porém o atuador do damper (A2) é acionado, fazendo com que o mesmo abra, em seguida a válvula de controle 2 vias, é modulada de forma a atender o set point de temperatura ambiente predefinido. Dessa maneira o ar de retorno é direcionado para dentro do módulo equalizador do Fancoil, de acordo com a Figura 6.
Figura 6: Fluxograma do ciclo entálpico - Retorno.
BAGS BAGP
FIXA ‐ 70% 70%
CHILLER
FANCOIL
CASA DE MÁQUINAS
A
A
A
VENTILADOR RETORNO DE AMBIENTE CLIMATIZADO
V2V
ST
ST
ST
ST
VF
VF
70%
Fonte: Próprio autor, 2018
Sempre que a temperatura e umidade absoluta do ambiente forem menores que as mesmas do ar de retorno, o damper (A2) permanece fechado, porém o atuador do damper (A1) é acionado fazendo com que o mesmo abra, em seguida a válvula de água gelada, é modulada de forma a atender o set point de temperatura ambiente predefinido. Dessa maneira o ar de retorno é expurgado da casa de máquinas e o Fancoil estará com 100% ar externo, de acordo com a Figura 7.
Figura 7: Fluxograma do ciclo entálpico – 100% ar externo.
BAGP^ BAGS
FIXA ‐ 70%
FIXA ‐ 30%
70%
CHILLER
FANCOIL
CASA DE MÁQUINAS
A
A
A
VENTILADOR RETORNO DE AMBIENTE CLIMATIZADO
V2V
ST
ST
ST
ST
VF
VF
Fonte: Próprio autor, 2018
Outros parâmetros foram definidos sem o auxílio de normas e ou memoriais descritivos:
- Vidro com persianas internas e cortinas claras: 5,52 kcal/(h.m².°C);
- Telhado com o coeficiente global de transferência de calor de 1, kcal/(h.m².°C);
- Parede interna: 1,70 kcal/(h.m².°C);
- Parede externa: 1,38 kcal/(h.m².°C);
- ∆T de projeto: É o diferencial de temperatura do fluido no sistema, no caso a água: ∆T de 5,5°C, logo a entrada da água nos Fancoils será de 6,5°C e sua de 12°C.
3.2 Dados climáticos
A coleta dos dados climáticos foi através do Banco de Dados Meteorológicos para Ensino e Pesquisa (BDMEP, 2018). Foi coletado as média de temperatura de bulbo seco máxima, e Umidade Relativa de cada dia de Janeiro de 2014 até Dezembro de
- Logo após foi feito uma média para cada mês do ano. E os dados restantes de temperatura de bulbo úmido, umidade absoluta e volume específico foi determinado usando os dados coletados com a carta psicométrica, mostrada na Figura 2. Usando o software Excel, os dados compilados de Florianópolis e Fortaleza estão apresentado no Apêndice 4. Assim, com dados climáticos e parâmetros definidos, foi efetuado o cálculo de estimativa de carga térmica para cada cidade.
3.3 Seleção dos equipamentos
Após feitos os cálculos, foram selecionados os equipamentos de ar condicionados (chiller, Fancoils, bombas e ventiladores) fixado nas condições de verão (Apêndice 5).
3.4 Projeto executivo de ar condicionado
Posteriormente foi feito o projeto executivo de ar condicionado. Ficou definido que cada pavimento teriam 03 casas de máquinas onde ficariam instalados os Fancoils, os dampers automatizados e os ventiladores que fariam o retorno do ar do ambiente e que cada casa teriam:
- 02 Fancoils, trabalhando em paralelo, com 01 válvula de controle 2 vias
cada;
- 02 ventiladores de retorno trabalhando em paralelo;
- 03 dampers que fariam a modulação de ar;
Totalizando uma edificação com 18 Fancoils, 18 ventiladores e 54 dampers automatizados. No Apêndice 6 apresenta um desenho do layout de uma casa de máquinas típico.
Na cobertura serão 03 chillers com condensação a ar, e fator de adversidade de 80%, trabalhando em paralelo com 03 bombas primárias e 04 bombas secundárias, sendo estas últimas instaladas com variadores de frequência a fim de modular o consumo de acordo com a demanda de parâmetros de entrada da automação. O mesmo vale para os chillers, que estão com variadores de frequência integrados ao seu compressor.
3.5 Projeto executivo de automação
Com base no projeto executivo de ar condicionado, foi feito o projeto da automação. E através dele, foi gerado o custo geral dessa instalação, levando em consideração os equipamentos da Central de água Gelada, atuadores das válvulas de controle 2 vias, sensores de temperatura e umidade, cabos de alimentação e infraestrutura, mão- de-obra e demais equipamentos.
No projeto de automação é definido o set point da automação, ou seja, a partir de valores abaixo desse ponto, em que é analisado pelos sensores da automação, aconteceria o acionamento dos dampers e assim e controle entálpico. Ele foi definido com base nas condições teóricas que estariam o ar retornando para a casa de máquinas em cada cidade:
Florianópolis: Temperatura de bulbo seco: 27,01°C Umidade absoluta 14,5 g/kg de ar seco Fortaleza: Temperatura de bulbo seco: 32°C Umidade absoluta 22,7 g/kg de ar seco
Tabela 1: Carga térmica média mensal de Florianópolis. mês carga térmica mês carga térmica mês carga térmica jan/14 795 TR mai/15 524 TR set/16 464 TR fev/14 780 TR jun/15 497 TR out/16 522 TR mar/14 705 TR jul/15 454 TR nov/16 560 TR abr/14 608 TR ago/15 538 TR dez/16 680 TR mai/14 510 TR set/15 495 TR jan/17 776 TR jun/14 455 TR out/15 501 TR fev/17 773 TR jul/14 435 TR nov/15 565 TR mar/17 693 TR ago/14 460 TR dez/15 701 TR abr/17 589 TR set/14 502 TR jan/16 718 TR mai/17 537 TR out/14 558 TR fev/16 756 TR jun/17 498 TR nov/14 608 TR mar/16 694 TR jul/17 483 TR dez/14 706 TR abr/16 584 TR ago/17 470 TR jan/15 791 TR mai/16 457 TR set/17 536 TR fev/15 754 TR jun/16 349 TR out/17 554 TR mar/15 680 TR jul/16 399 TR nov/17 561 TR abr/15 602 TR ago/16 450 TR dez/17 649 TR Fonte: Próprio autor, 2018 Tabela 2: Carga térmica média mensal de Fortaleza. mês carga térmica mês carga térmica mês carga térmica jan/14 787 TR mai/15 826 TR set/16 775 TR fev/14 798 TR jun/15 788 TR out/16 814 TR mar/14 811 TR jul/15 795 TR nov/16 827 TR abr/14 824 TR ago/15 736 TR dez/16 830 TR mai/14 814 TR set/15 757 TR jan/17 804 TR jun/14 792 TR out/15 770 TR fev/17 813 TR jul/14 772 TR nov/15 816 TR mar/17 809 TR ago/14 760 TR dez/15 816 TR abr/17 824 TR set/14 777 TR jan/16 824 TR mai/17 827 TR out/14 784 TR fev/16 824 TR jun/17 805 TR nov/14 793 TR mar/16 854 TR jul/17 789 TR dez/14 789 TR abr/16 826 TR ago/17 772 TR jan/15 787 TR mai/16 818 TR set/17 775 TR fev/15 814 TR jun/16 802 TR out/17 788 TR mar/15 807 TR jul/16 800 TR nov/17 778 TR abr/15 825 TR ago/16 769 TR dez/17 807 TR
Fonte: Próprio autor, 2018
Observa-se valores maiores para Fortaleza, cidade predominantemente com histórico de temperaturas mais elevadas.
4.2 Cálculos de consumo
As tabelas 3 e 4, mostra o consumo mensal, média calculado em função da variação média horária da temperatura para cada cidade:
Tabela 3: Consumo mensal Florianópolis. mês consumo mês consumo mês consumo jan/14 267231,0 kW mai/15 191035,8 kW set/16 172548,1 kW fev/14 263158,9^ kW^ jun/15 182813,3^ kW^ out/16 190382,6^ kW mar/14 241924,1 kW jul/15 169300,9 kW nov/16 201718,7 kW abr/14 214755,8^ kW^ ago/15 194995,2^ kW^ dez/16 235115,0^ kW mai/14 186693,2 kW set/15 182152,7 kW jan/17 261901,1 kW jun/14 169743,5^ kW^ out/15 184044,2^ kW^ fev/17 261021,9^ kW jul/14 163513,2 kW nov/15 202566,4 kW mar/17 238672,8 kW ago/14 171267,3^ kW^ dez/15 241086,4^ kW^ abr/17 209649,4^ kW set/14 184170,8 kW jan/16 245712,6 kW mai/17 194719,5 kW out/14 200645,2^ kW^ fev/16 256538,8^ kW^ jun/17 183050,0^ kW nov/14 214816,8 kW mar/16 238908,0 kW jul/17 178169,4 kW dez/14 242199,8^ kW^ abr/16 207964,1^ kW^ ago/17 174147,3^ kW jan/15 266192,1 kW mai/16 170135,6 kW set/17 194442,8 kW fev/15 255758,0^ kW^ jun/16 137216,5^ kW^ out/17 199547,7^ kW mar/15 234865,0 kW jul/16 149585,3 kW nov/17 201786,6 kW abr/15 213116,2 kW ago/16 168190,8^ kW^ dez/17 226200,5^ kW
Fonte: Próprio autor, 2018
Tabela 5: Acionamento dos dampers Florianópolis.
DATA Temperatura bulbo seco [°C]^ de^ Umidade [g/Kg]^ Absoluta STATUS jun/14 21,88 13,9 DAMPER ON jul/14 21,72 13,15 DAMPER ON ago/14 23,00 13,45 DAMPER ON jul/15 21,88 13,84 DAMPER ON mai/16 22,26 13,73 DAMPER ON jun/16 18,97 11,15 DAMPER ON jul/16 20,72 12,24 DAMPER ON ago/16 22,39 13,39 DAMPER ON set/16 23,40 13,39 DAMPER ON jul/17 23,33 14,19 DAMPER ON ago/17 23,19 13,73 DAMPER ON Fonte: Próprio autor, 2018 Tabela 6: Acionamento dos dampers Fortaleza.
DATA Temperatura bulbo seco [°C]^ de^ Umidade [g/Kg]^ Absoluta STATUS jan/14 31,47 22,27 DAMPER ON jun/14 31,23 22,62 DAMPER ON jul/14 31,17 21,82 DAMPER ON ago/14 31,56 21,09 DAMPER ON set/14 31,64 21,77 DAMPER ON nov/14 31,88 22,28 DAMPER ON dez/14 31,77 22,15 DAMPER ON jan/15 31,49 22,24 DAMPER ON jun/15 30,97 22,6 DAMPER ON ago/15 30,99 20,41 DAMPER ON set/15 31,16 21,16 DAMPER ON out/15 31,83 21,35 DAMPER ON jul/16 31,79 22,63 DAMPER ON ago/16 31,73 21,35 DAMPER ON set/16 31,74 21,58 DAMPER ON jul/17 31,59 22,26 DAMPER ON ago/17 31,56 21,59 DAMPER ON nov/17 31,78 21,69 DAMPER ON
Fonte: Próprio autor, 2018
Percebe-se que em Fortaleza os dampers abririam mais vezes que em Florianópolis.
4.4 Valor da economia em relação ao custo da automação
De acordo com o valor de economia a cada acionamento do dampers e a cada consumo calculado em cada período do ano, o valor de custo da instalação da automação foi avaliado no total de economia gerada. O valor da instalação da automação foi de R$ 250.887,95, como é demostrado no Apêndice 7.
A soma da economia gerada somente em cada situação de abertura dos dampers, é diluída no custo total da automação, e assim tem-se o valor de viabilidade da relação ao custo gerado pelo economizado. No Gráfico 1 tem-se a economia do custo de energia elétrica gerada e somada, nos meses onde houve o acionamento dos dampers, para Florianópolis e no Gráfico 2 para Fortaleza.
Gráfico 1: Somatório da economia de energia elétrica gerada em Florianópolis.
Fonte: Próprio autor, 2018
R$ 0,
R$ 50.000,
R$ 100.000,
R$ 150.000,
R$ 200.000,
R$ 250.000,
R$ 300.000,
R$ 350.000,
R$ 400.000,
R$ 450.000,
