Como podemos otimizar os sistemas de climatização (HVAC) para que respondam ao uso real, economizem energia e proporcionem um ambiente saudável e confortável para os ocupantes do edifício?
Energia dentro dos edifícios
Economizar energia é um dos temas mais importantes para muitas empresas do setor da construção civil. Considerando que os sistemas de climatização (HVAC) representam uma parcela considerável do consumo energético de um edifício ao longo de sua vida útil, a tecnologia especificada e utilizada nas construções deve ser prioridade em termos de economia de energia. Os produtos para ventilação, aquecimento e refrigeração estão se tornando cada vez mais eficientes, impulsionados por legislações e pelo desenvolvimento de novas tecnologias em seus componentes. No entanto, ao mesmo tempo em que se busca novas tecnologias eficientes, é fundamental 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 cenário de uso do edifício. Os sistemas de refrigeração são projetados para as temperaturas máximas do verão e a forte luz solar, 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, preparados para todas as condições. Mas será que é assim que eles são usados na prática?
Sistemas projetados para cargas de pico raramente serão usados nesses níveis de projeto, se é que alguma vez serão. Na 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, só tende a aumentar.
A lacuna de desempenho presente e futura
Dois fatores farão com que a diferença entre os pontos de projeto e de operação ideais se torne ainda mais extrema.
Atualmente, os edifícios são utilizados de forma mais flexível, principalmente em escritórios e espaços comerciais, visto que empresas e funcionários têm à disposição a possibilidade de trabalho flexível. Um sistema de ventilação e refrigeração de um edifício comercial projetado para ocupação total em 2020 raramente atingirá a mesma taxa de ocupação em 2023 e nos anos seguintes.
O aquecimento global já está impactando os eventos climáticos extremos e, mesmo com mudanças substanciais nos fatores que contribuem para eles, espera-se que ocorram eventos climáticos ainda mais extremos no futuro. A Europa provavelmente enfrentará verões mais quentes e secos. Isso, em combinação com o efeito de ilha de calor urbana, que intensifica as temperaturas de verão com altas temperaturas nas áreas onde muitos escritórios e edifícios comerciais estão localizados, bem como a necessidade de se projetar medidas de mitigação do calor em nível urbano e de rua, provavelmente significará que as cargas de pico para as quais os sistemas prediais são projetados estarão ainda mais distantes da operação diária dos edifícios.
Os projetistas de edifícios precisam integrar a nova forma de utilização dos edifícios, bem como os riscos futuros de condições climáticas extremas, no projeto atual, seja na fase de desenvolvimento ou de reforma.
Identificar as oportunidades de melhoria na lacuna de desempenho
Quando um sistema de climatização opera com carga parcial, geralmente funciona com maior eficiência. Unidades de tratamento de ar (UTAs) operando com metade da velocidade do ventilador consomem menos de um quarto da energia de entrada. Um chiller ou bomba de calor operando com carga parcial aproveita ao máximo seu trocador de calor, permitindo que funcione com maior eficiência. No entanto, será que isso é possível com a tecnologia disponível atualmente?
Se pudermos controlar nossas Unidades de Tratamento de Ar (UTAs) para fornecer apenas a quantidade de ar necessária para os ocupantes dentro do edifício, utilizando a ventilação controlada por demanda (VCD), as serpentinas de resfriamento e aquecimento, dimensionadas para capacidade máxima, poderão controlar a temperatura do ar fresco usando muito menos energia.
As serpentinas dentro dos ventiloconvectores ou vigas frias que servem os espaços interiores também não precisam funcionar em plena carga, uma vez que estas unidades são normalmente selecionadas para ocupação total e em condições climáticas extremas de verão ou inverno.
Em seguida, temos que tomar uma decisão 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, adicionalmente, otimizar a temperatura do líquido que alimenta a serpentina. Uma serpentina de resfriamento projetada para usar água a 6 graus Celsius, com 100% de capacidade, não precisa dessa temperatura com 50% de capacidade.
O objetivo de alterar a temperatura da água nas serpentinas é aumentar a eficiência do chiller/bomba de calor. Aumentar a temperatura da água que sai de um chiller em um grau torna-o cerca de 3% mais eficiente. Operar uma bomba de calor um grau mais fria aumenta sua eficiência em valores semelhantes.
Assim, ao analisarmos a demanda das serpentinas que controlam o conforto nos ambientes, seja na UTA (Unidade de Tratamento de Ar) ou no próprio espaço, elas podem operar com 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 refrigeração 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 no ambiente, além de benefícios energéticos, reduzindo as oscilações de temperatura e as correntes de ar no cômodo, quando controlado adequadamente.
Resfriamento passivo e gratuito
Se o chiller tiver a função de resfriamento gratuito (free cooler), a otimização da temperatura da água terá um impacto ainda maior na eficiência. O resfriamento gratuito ocorre quando o circuito de água de refrigeração é resfriado diretamente pelo ar externo, em vez de usar o circuito de expansão direta (DX) do chiller. Normalmente, há algum resfriamento gratuito disponível quando a temperatura do ar ambiente está um grau Celsius abaixo da temperatura da água de retorno. A quantidade de resfriamento gratuito aumenta quanto maior for a diferença entre a temperatura ambiente e a temperatura da água, até que o chiller consiga fornecer todo o resfriamento necessário usando sua função de resfriamento gratuito. A cada grau que aumentamos a temperatura da água de refrigeração, o número de horas em que podemos obter resfriamento gratuito aumenta consideravelmente, economizando enormes quantidades de energia.
Também podemos aproveitar o resfriamento natural disponível no solo ao usar uma bomba de calor/chiller geotérmico. Os sistemas geotérmicos captam o calor de baixa temperatura da terra por meio de um circuito de fluido canalizado e o multiplicam com uma bomba de calor para produzir um aquecimento eficaz e eficiente para nossos ambientes. Muitas bombas de calor também podem operar no modo de resfriamento, proporcionando um resfriamento eficiente ao rejeitar o calor para o solo através do circuito de fluido geotérmico. Esse tipo de sistema é perfeito para resfriamento passivo em situações de carga parcial, pois o desvio da bomba de calor e o resfriamento direto do sistema usando a temperatura mais baixa do solo são formas extremamente eficientes de resfriamento. Assim como no resfriamento gratuito, a otimização das temperaturas da água em operação com carga parcial permite que o sistema opere em resfriamento passivo pelo máximo de tempo possível, economizando mais energia.
Controle e inteligência
Para alcançar esse objetivo, precisamos de um sistema de controle capaz de reconhecer a carga necessária nas serpentinas e usar essa informação para otimizar as temperaturas do chiller/bomba de calor de acordo. É necessário que os chillers, bombas de calor, unidades de tratamento de ar e unidades de climatização ambiente possuam inteligência integrada. É fundamental compreender os limites de cada produto, bem como seus limites de operação e quando não otimizar. Além disso, um sistema de controle de nível superior precisa se comunicar efetivamente entre todas essas partes do sistema. Fora isso, a economia de energia é obtida utilizando os componentes normais do sistema, sem investir especificamente em equipamentos mais eficientes, mas sim controlando o que já temos de forma mais inteligente.
Quer estejamos trabalhando com sistemas já instalados em um projeto de reforma ou com um novo desenvolvimento que utilize produtos inovadores e eficientes, os princípios de economia de energia em operação com carga parcial continuam sendo uma forma eficaz e sustentável de reduzir os custos operacionais.
Data da publicação: 26/04/2023
