Como podemos otimizar os sistemas HVAC para responder ao uso na vida real, economizar energia e fornecer um ambiente saudável e confortável para os ocupantes do edifício?
Energia dentro de edifícios
A economia de energia é um dos temas mais importantes para muitas empresas do setor da construção civil. Considerando que o HVAC representa uma parcela considerável do consumo de energia dos edifícios ao longo de sua vida útil, a tecnologia especificada e utilizada nos edifícios deve estar na vanguarda da economia de energia. Produtos para ventilação, aquecimento e resfriamento estão se tornando progressivamente mais eficientes, impulsionados pela legislação e pelo desenvolvimento de novas tecnologias nos componentes. No entanto, ao avançarmos para novas tecnologias eficientes, é necessário garantir que a tecnologia existente seja utilizada da maneira mais inteligente e eficiente possível.
Normalmente, os sistemas de climatização (HVAC) são projetados para o pior uso possível do edifício. Os sistemas de refrigeração são projetados para as temperaturas máximas do verão e a luz solar intensa, os sistemas de aquecimento são projetados para os dias mais frios do ano e os sistemas de ventilação são baseados nos níveis máximos de ocupação. Isso é ótimo para projetar edifícios resilientes, prontos para todas as condições. Mas será que é assim que eles são usados?
Sistemas projetados para cargas de pico raramente serão utilizados nesses níveis de projeto, se é que algum dia serão. Durante a maior parte de sua vida útil, eles operarão com uma fração da carga de projeto. Essa disparidade entre as cargas de pico de projeto e as cargas operacionais reais é muito grande e, como veremos, está se tornando cada vez maior.
A lacuna de desempenho presente e futura
Dois fatores farão com que a diferença entre o pico de projeto e os pontos operacionais se torne ainda mais extrema.
Os edifícios são hoje utilizados de forma mais flexível, especialmente em escritórios e aplicações comerciais, uma vez que empresas e funcionários têm a possibilidade de trabalhar de forma flexível. Um sistema de ventilação e refrigeração de um edifício de escritórios projetado para ocupação total em 2020 raramente terá a mesma ocupação em 2023 e além.
O aquecimento global já está impactando os eventos climáticos extremos e, mesmo com mudanças substanciais nos fatores contribuintes, eventos climáticos mais extremos são esperados no futuro. A Europa provavelmente enfrentará verões mais quentes e secos. Isso, em combinação com o efeito Ilha de Calor Urbana, que agrava a temperatura do verão com condições de calor elevado nas áreas onde muitos escritórios e edifícios comerciais estão localizados, bem como a consideração sobre como projetar a mitigação do calor no nível da cidade e das ruas, provavelmente significará que os picos de carga para os quais os sistemas prediais são projetados estarão ainda mais distantes da operação diária dos edifícios.
Os projetistas de edifícios precisam integrar a nova maneira de usar os edifícios, bem como os riscos futuros de condições climáticas extremas, ao projeto atual dos edifícios, seja na fase de desenvolvimento ou de reforma.
Encontrando as eficiências na lacuna de desempenho
Quando um sistema HVAC opera em carga parcial, geralmente opera com mais eficiência. Unidades de tratamento de ar (UTAs) operando a meia velocidade do ventilador consomem menos de um quarto da potência de entrada. Um chiller ou bomba de calor operando em carga parcial aproveita ao máximo seu trocador de calor para permitir que opere com maior eficiência. No entanto, é isso que está disponível com a tecnologia que temos?
Se pudermos controlar nossas UCAs para fornecer apenas a quantidade de ar necessária para os ocupantes dentro do edifício, usando ventilação controlada por demanda (DCV), as serpentinas de resfriamento e aquecimento, que são dimensionadas para capacidade total, podem controlar a temperatura do ar fresco usando muito menos energia.
As serpentinas dentro de fan-coils ou vigas resfriadas que atendem os espaços internos também não precisam funcionar em carga máxima, pois essas unidades geralmente são selecionadas para ocupação total e em condições de pico de verão ou inverno.
Temos então uma decisão a tomar em relação a essas serpentinas que não precisam de capacidade total. O caminho tradicional seria reduzir o fluxo de líquido de resfriamento ou aquecimento usando uma válvula. Esta é uma maneira simples de controlar localmente e é padrão em quase todos os sistemas. Mas, se tivermos um pouco mais de inteligência na conexão entre o chiller/bomba de calor e a serpentina, podemos, além disso, otimizar a temperatura do líquido que alimenta a serpentina. Uma serpentina de resfriamento projetada para usar água a 6 graus Celsius, a 100% da capacidade, não precisa dessa temperatura a 50% da capacidade.
A razão para alterar a temperatura da água para as serpentinas é aumentar a eficiência do chiller/bomba de calor. Aumentar a temperatura da água que flui de um chiller em um grau a torna cerca de 3% mais eficiente. Operar uma bomba de calor um grau mais fria aumenta sua eficiência em proporções semelhantes.
Assim, quando analisamos a demanda das serpentinas que controlam o conforto nos ambientes, seja na UTA ou no ambiente interno, elas podem ser operadas com uma temperatura da água otimizada na maior parte do tempo. De fato, cálculos recentes de UTAs conectadas a bombas de calor mostram que as temperaturas da água podem ser otimizadas em mais de 95% do tempo de operação, economizando mais de 20% de energia de resfriamento e mais de 30% de energia de aquecimento. Isso simplesmente controlando o sistema de forma mais inteligente.
Esse tipo de controle de capacidade ainda proporciona grande conforto ao ambiente, bem como benefícios energéticos, reduzindo oscilações de temperatura e correntes de ar no ambiente, quando controlado adequadamente.
Resfriamento passivo e livre
Se tivermos free-cooling disponível no chiller, otimizar as temperaturas da água tem um efeito ainda maior na eficiência. Free-cooling ocorre quando o circuito de água de resfriamento é resfriado diretamente pelo ar externo, em vez de usar o circuito de resfriamento DX do chiller. Normalmente, algum free-cooling está disponível quando a temperatura do ar ambiente está um grau Celsius abaixo da temperatura da água de retorno. A quantidade de free-cooling aumenta quanto maior a diferença entre a temperatura ambiente e a da água, até que o chiller possa fornecer todo o resfriamento necessário usando sua função de free-cooling. A cada grau que aumentamos a temperatura da água de resfriamento, o número de horas que podemos obter free-cooling aumenta consideravelmente, economizando enormes quantidades de energia.
Também podemos usar o resfriamento natural disponível do solo ao usar uma bomba de calor/chiller de fonte geotérmica. Os sistemas de fonte geotérmica coletam calor de baixa qualidade no solo usando um circuito de fluido canalizado e o multiplicam usando uma bomba de calor para produzir aquecimento eficaz e eficiente para nossos espaços. Muitas bombas de calor também podem operar em modo de resfriamento, proporcionando resfriamento eficiente ao rejeitar o calor para o solo através do circuito de fluido do solo. Este tipo de sistema é perfeito para resfriamento passivo em uma situação de carga parcial, ignorando a bomba de calor e resfriando o sistema diretamente usando a temperatura mais baixa do solo é uma maneira extremamente eficiente de resfriamento. Assim como no free-cooling, otimizar as temperaturas da água na operação de carga parcial permite que o sistema esteja em resfriamento passivo pelo máximo de tempo, economizando mais energia.
Controle e inteligência
Para isso, precisamos de um sistema de controle que reconheça a carga necessária na(s) serpentina(s) e use essa informação para otimizar as temperaturas do chiller/bomba de calor de acordo. É necessária inteligência integrada aos chillers, bombas de calor, unidades de tratamento de ar e unidades de ambiente. É essencial compreender os limites dos produtos separadamente, bem como seus limites de funcionamento e saber quando não otimizar. Além disso, um sistema de controle de nível superior precisa se comunicar efetivamente entre todos esses componentes. Além disso, a economia de energia é alcançada utilizando os componentes normais do sistema, sem investir em equipamentos mais eficientes em particular, mas controlando o que temos de forma mais inteligente.
Não importa se os sistemas com os quais trabalhamos são sistemas instalados existentes em um projeto de reforma ou um novo desenvolvimento usando novos produtos eficientes de ponta, os princípios de economizar mais energia em operações de carga parcial ainda se aplicam como uma forma eficaz e sustentável de reduzir custos operacionais.
Horário da publicação: 26/04/2023
