Como otimizamos 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 tópicos mais importantes para muitas empresas da indústria da construção.Com o HVAC sendo uma parcela considerável do uso de energia do edifício ao longo de sua vida útil, a tecnologia especificada e usada nos edifícios deve estar na vanguarda de como economizar energia.Os produtos para ventilação, aquecimento e refrigeração estão cada vez mais eficientes, impulsionados pela legislação e pelo desenvolvimento de novas tecnologias nos componentes.Mas, ao avançar em direção a uma nova tecnologia eficiente, é preciso garantir que a tecnologia existente seja usada da maneira mais inteligente e eficiente.
Normalmente, os sistemas HVAC são projetados para o pior caso de uso do edifício.Os sistemas de refrigeração são projetados para temperaturas de pico no verão e 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, é assim que eles são usados?
Os sistemas projetados para cargas de pico raramente serão usados nesses níveis de projeto, ou nunca.Na maior parte de sua vida útil, eles estarão operando em uma fração da carga projetada.Essa disparidade entre as cargas máximas de projeto e as cargas operacionais reais é muito grande e, como veremos, está ficando cada vez maior.
A lacuna de desempenho presente e futuro
Dois fatores farão com que a diferença entre o projeto de pico e os pontos de operação se torne ainda mais extrema.
Os edifícios são hoje utilizados de uma forma mais flexível, especialmente escritórios e aplicações comerciais, uma vez que as empresas e os funcionários têm possibilidades de trabalho flexível.Um sistema de ventilação e resfriamento de prédio de escritórios projetado para ocupação total no ano de 2020 raramente terá a mesma ocupação em 2023 e além.
O aquecimento global já está tendo um impacto no clima extremo e, mesmo com mudanças substanciais nos fatores contribuintes, mais eventos climáticos extremos são esperados no futuro.A Europa provavelmente enfrentará verões mais quentes e secos.Isso, em combinação com o efeito da Ilha de Calor Urbano, que combina a temperatura do verão com altas condições de calor nas áreas onde muitos escritórios e prédios comerciais estão localizados, bem como a consideração sobre como projetar a mitigação do calor na cidade e nas ruas, provavelmente significará que os sistemas de construção de cargas de pico são projetados para ainda mais longe da operação diária dos edifícios.
Os projetistas de edifícios devem integrar a nova maneira de usar os edifícios, bem como os riscos futuros de condições climáticas extremas, no projeto atual do edifício, seja no estágio de desenvolvimento ou reforma.
Encontrando as eficiências na lacuna de desempenho
Quando um sistema HVAC opera com carga parcial, geralmente ele opera com mais eficiência.As unidades de tratamento de ar (AHUs) funcionando a meia velocidade do ventilador usarão menos de um quarto da potência de entrada.Um resfriador ou bomba de calor funcionando com carga parcial aproveita ao máximo seu trocador de calor para permitir que ele funcione com maior eficiência.No entanto, é isso que está disponível com a tecnologia que temos disponível?
Se pudermos controlar nossas AHUs 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 dimensionadas para capacidade total podem controlar a temperatura do ar fresco usando muito menos energia.
As bobinas dentro de fan-coils ou vigas resfriadas que atendem aos espaços internos também não precisam funcionar com carga total, pois essas unidades geralmente são selecionadas para ocupação total e em condições de pico de verão ou inverno.
Então, temos uma decisão a tomar em relação a essas bobinas que não precisam de capacidade total.O caminho tradicional seria reduzir o fluxo do líquido de resfriamento ou aquecimento por meio de 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 ligação entre o chiller/bomba de calor e a serpentina podemos, adicionalmente, otimizar a temperatura do líquido que serve 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 resfriador em um grau torna-o cerca de 3% mais eficiente.A operação de uma bomba de calor um grau mais fria aumenta sua eficiência em valores semelhantes.
Assim, quando analisamos a demanda das serpentinas que controlam o conforto nas salas, seja na AHU ou no espaço, elas podem operar com uma temperatura de água otimizada na grande maioria do tempo.De fato, cálculos recentes de AHUs conectadas a bombas de calor mostram que as temperaturas da água podem ser otimizadas por 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.
Este 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 devidamente controlado.
Passivo e free-cooling
Se tivermos free-cooling disponível no chiller, otimizar as temperaturas da água tem um efeito ainda maior nas eficiências.Free-cooling é onde o circuito de água de resfriamento é resfriado diretamente pelo ar externo, em vez de usar o circuito de resfriamento DX do resfriador.Normalmente, algum free-cooling está disponível quando a temperatura do ar ambiente é um grau Celsius abaixo da temperatura da água de retorno.A quantidade de free-cooling aumenta quanto maior for a diferença entre a temperatura ambiente e a temperatura 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 grandes quantidades de energia.
Também podemos usar o resfriamento natural disponível no solo ao usar uma bomba de calor/resfriador geotérmico.Os sistemas de fonte terrestre coletam calor de baixo grau na terra 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 no modo de resfriamento, fornecendo resfriamento eficiente ao rejeitar o calor para o solo por meio do circuito de fluido do solo.Este tipo de sistema é perfeito para resfriamento passivo em uma situação de carga parcial, contornando a bomba de calor e resfriando o sistema diretamente usando a temperatura mais baixa do solo é uma forma extremamente eficiente de resfriamento.Assim como no free-cooling, otimizar as temperaturas da água na operação de carga parcial permite que o sistema fique em resfriamento passivo pelo máximo de tempo, economizando o máximo de energia.
Controle e inteligência
Para conseguir isso, precisamos ter um controle do sistema que possa reconhecer a carga necessária na(s) serpentina(s) e usar essa informação para otimizar as temperaturas do resfriador/bomba de calor de acordo.É necessária inteligência integrada nos chillers, bombas de calor, unidades de tratamento de ar e unidades de ambiente.Uma compreensão dos limites dos produtos separados é essencial, juntamente com seus limites de trabalho e o conhecimento de quando não otimizar.Mais do que isso, um controle de sistema de nível superior precisa se comunicar efetivamente entre todas essas partes do sistema.Fora isso, a economia de energia é conseguida usando as partes normais do sistema, não investindo em equipamentos mais eficientes em particular, mas controlando o que temos de forma mais inteligente.
Quer os sistemas com os quais trabalhamos sejam sistemas instalados existentes em um projeto de reforma ou um novo desenvolvimento usando novos produtos eficientes de ponta, os princípios de economizar ainda mais energia na operação de carga parcial ainda se aplicam como uma forma eficaz e sustentável de reduzir os custos operacionais.
Horário de postagem: 26 de abril de 2023