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AVALIAO DO CONTROLE DE ACIONAMENTO DO SISTEMA DECIRCULAO DE
FLUIDO INTERMEDIRIO EM SISTEMAS CENTRAIS DECLIMATIZAO.
Vinicius Navarro [email protected]
Resumo. O trabalho aqui apresentado tem como principal objetivo
identificar a configurao de controle de acionamento do
sistema de circulao de gua gelada que apresenta o menor consumo
energtico de sistemas de climatizao de edifcios. A
avaliao realizada considerando um edifcio comercial localizado
na cidade de So Paulo. O edifcio desenhado em um
aplicativo de modelagem 3D, e o consumo energtico anual avaliado
no aplicativo EnergyPlus variando-se 3 parmetros:
intensidade de uso (ocupao e uso de equipamentos), nvel de
iluminao e regime de vazo do sistema de circulao de gua
gelada (fluido intermedirio). A modelagem realizada segundo as
diretrizes apresentadas na norma ASHRAE 90.1. O sistema de
referncia no mercado brasileiro de sistemas centrais de
climatizao utiliza bomba de rotao constante no anel primrio sem
acionamento no secundrio. Os resultados mostraram que o sistema
com bomba varivel no primrio,sem secundrio, apresentamenor consumo
energtico (-1,5% em relao referncia) e as outras opes (primrio
constante com secundrio varivel e vice-
versa) apresentaram consumos superiores (+0,5% e +2,0%,
respectivamente) para todas as condies estudadas. O mesmo
edifcio
simulado no Rio de Janeiro e em Salvador apresentou alta no
consumo de 23% e 34%, respectivamente, em comparao com So
Paulo. Nessas cidades observou-se a mesma tendncia de consumo
para os diferentes regimes de vazo de gua gelada, e a
estratgia de menor consumo ainda mais econmica comparativamente,
apresentando baixa de 1,9% em relao referncia.
Palavras chave:Climatizao, simulao, controle, fluido
intermedirio.
1. Introduo
O uso de recursos para obteno de energia, matrias-primas e gua
fundamental para a sade, segurana, bem-estar e conforto das
pessoas, porm a obteno desses recursos traz sempre desvantagens
para o meio ambiente (comoemisses de poluentes, resduos lquidos e
slidos, etc). Nesse contexto o tema dos edifcios sustentveis tem
crescidoem importncia, apesar da alta complexidade envolvida. Com
essa nova filosofia de edificaes, se deseja um prdiocapaz de
aproveitar melhor os recursos da natureza durante seu funcionamento
sem abrir mo do conforto dos usurios.
Dessa forma, com o auxlio de um aplicativo de simulao energtica
de edificaes, o estudo aqui desenvolvidoavalia o consumo energtico
anual de um edifcio para diferentes controles de acionamento do
sistema de gua gelada.A modelagem do prdio realizada levando em
conta caractersticas como arquitetura (formas, dimenses),
orientao
das faces, rea envidraada, propriedades trmicas dos materiais
utilizados na construo (inclusive vidros), perfis deuso (taxa de
ocupao, luzes e equipamentos para cada hora do dia) e o sistema de
climatizao do edifcio. Uma vezmodelado, o prdio simulado tendo em
vista a obteno de resultados de base em termos de consumo de
energiaeltrica. Em seguida a simulao repetida, porm com alteraes em
dois fatores: (1) regime de circulao de guagelada no sistema de
climatizao e (2) intensidade de uso do edifcio (i.e. quantidade de
pessoas, nveis de iluminaoe utilizao de equipamentos).
As diferentes combinaes mostram a influncia de cada um dos
fatores no consumo energtico da edificao. Adeterminao da melhor
estratgia de circulao de gua gelada o principal objetivo deste
trabalho. A anlise decustos de implantao e retorno econmico
constituem objetivos secundrios. O programa de simulao
energticautilizado o EnergyPlus.Trata-se de uma ferramenta
gratuita, cuja estrutura modular permite a rpida implementao
esimulao de modelos complexos. A insero dos dados geomtricos do
edifcio (modelagem das zonas trmicas) noEnergyPlus pode ser feito
atravs do programa Google SketchUp 8, e de seu aplicativo Open
Studio.
Vale ressaltar que, no mercado brasileiro de sistemas de
climatizao, a configurao de referncia de circulao de
gua gelada apresenta acionamento constante no circuito primrio,
sem acionamento no secundrio. Os resultados dessaconfigurao so
considerados como base de comparao neste trabalho. Alm disso, as
demais condies de baseconsideradas so: taxa de calor liberado de 12
W/m2 para iluminao, 16,2 W/m2para equipamentos, e uma taxa deocupao
de 9,3 m2/pessoa.
2. Norma 90.1 da ASHRAE
A norma 90.1 da ASHRAE (2007), utilizada como base para a
concepo do edifcio, foi criada com o propsito defornecer os
requisitos mnimos de projeto de edifcios energeticamente
eficientes. Mais especificamente, nela sodefinidas condies mnimas a
serem atendidas na construo de novos edifcios, novas partes de
edifcios existentes ouna instao de novos sistemas e equipamentos.
Alm disso so estabelecidos critrios para a determinao
daconformidade com esses requisitos.
Nela so estabelecidos critrios para construo da envoltria do
edifcio, sistemas de climatizao, aquecimento de
gua, sistemas eltricos, iluminao e equipamentos em geral. No que
diz respeito envoltria, so definidos limites deisolamento (
infiltrao de ar externo) e transmitncia trmica de paredes, tetos,
pisos e janelas, alm da reaenvidraada mxima permitida (40% da
superfcie total da parede). Todos os limites so estabelecidos de
acordo com a
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zona climtica onde o edifcio se localiza (zona climtica 2 no
caso de So Paulo e zona climtica 1 para Rio de Janeiroe
Salvador).
3. Caracterizao do edifcio
O estudo se desenvolve para um prdio de escritrios localizado na
cidade de So Paulo. Trata-se de um edifcio de20 (vinte) pavimentos,
com estrutura metlica, cuja planta de cada andar consiste num
retngulo de 30 por 40 metros eum vo interno quadrado de 7 metros de
lado (para escadas e elevadores) no climatizado; o p direito de 3
metros eexiste um plenum de 0,6 metro de altura. A Fig. (1) mostra
a representao do modelo tridimensional de um andartpico do prdio
modelado no Google SketchUp 8.
Figura 1. Modelo tridimensional de um andar tpico do edifcio em
estudo.
3.1. Materiais e elementos construtivos
A estrutura do edifcio predominantemente metlica, mas h tambm
outros materiais correspondentes s camadasdas paredes, tetos e
pisos que devem ser inseridos no programa para simulao. Os
materiais considerados so usuais nomercado de construo civil. As
paredes so formadas por quatro camadas: gesso, l de rocha, bloco de
concreto eargamassa. No caso de pisos e tetos as camadas so trs:
contrapiso, isopor e concreto.
A espessura das camadas foi definida tendo em conta as
propriedades e inrcia trmica dos materiais utilizados, deforma a
obedecer os limites definidos pela norma para isolamento (contra
infiltrao de ar) e coeficiente detransferncia de calor de paredes,
pisos e tetos. Os fatores considerados so para edifcios de
estrutura metlica retiradosda norma ASHRAE 90.1 (ASHRAE, 2007),
inicialmente para condies climticas da cidade de So Paulo, que para
anorma utilizada se insere na zona climtica 2. A Tab. (1) mostra os
requisitos construtivos da norma para um prdiolocalizado na zona
climtica 2.
Tabela 1. Requisitos para a zona climtica 2.Propriedade Unidade
Paredes Tetos Pisos JanelasCoeficiente de troca de calor W/(m2K)
0,642 0,369 0,295 3,975
Isolamento mnimo m2K/W 3,522 3,346 6,692 -Coeficiente de ganho
de calor solar [-] - - - 0,25
A Tab. (2) mostra as propriedades dos elementos construtivos, de
maneira a atender aos requisitos da Tab. (1).
Tabela 2. Propriedades dos elementos construtivos zona climtica
2.
Propriedade UnidadeParedes Piso Teto
argamassabloco deconcreto
l derocha
gesso concreto isoporcontrapiso
concreto isoporcontrapiso
condutividade
trmica W/(mK) 0,65 0,91 0,03 0,35 1,75 0,04 1,28 1,75 0,04
1,28densidade kg/m3 1600 1700 190 1200 2400 30 2000 2400 30
2000
calorespecfico J/(kgK)
754 1005 754 910 1005 1000 1005 1005 1000 1005
espessura m 0,020 0,190 0,038 0,015 0,105 0,132 0,025 0,100
0,100 0,025
3.2.Janelas
Conforme estabelecido pela norma ASHRAE 90.1 (ASHRAE, 2007), a
rea envidraada das paredes no pode sersuperior a 40% da rea total,
de forma a garantir o compromisso entre iluminao natural e demanda
energtica paraclimatizao. A partir das caractersticas do edifcio,
as reas das paredes de cada andar so 120 m2e 90 m2(sendo 2pares de
paredes iguais). Dessa forma, as janelas do modelo possuem reas de
48 m2 e 36 m2. As mesmas socentralmente posicionadas nas paredes e
foram concebidas de forma retangular de dimenses (32 x 1,5) m 2e
(24 x 1,5)m2.
As janelas constituem um fator fundamental no comportamento
trmico do edifcio, tanto pela possibilidade deperdas ou ganhos de
calor por meio de frestas (infiltrao) quanto pelo ganho interno
devido radiao solar. De forma
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semelhante aos materiais de composio das paredes, tetos e pisos,
as janelas tambm devem seguir os requisitos detransmitncia trmica e
ganho solar da ASHRAE 90.1, conforme a Tab. (1).
3.3. Perfis de utilizao do edifcio e nveis de atividade
Fatores imprescindveis para a simulao do edifcio so os perfis de
ocupao, e de utilizao de luzes eequipamentos (i.e. as variaes
dessas quantidades ao longo do dia). O trabalho considera que o
perfil de equipamentos igual quele de ocupao. Os perfis inseridos
seguem as orientaes da ASHRAE 90.1. A Fig. (2) mostra comoexemplo o
perfil de ocupao utilizado nas simulaes.
Figura 2. Perfil de ocupao utilizado nas simulaes.
No que se refere aos nveis de atividade, tambm foram seguidos os
requisitos da ASHRAE 90.1 para iluminao(12 W/m2) e da norma NBR
16401-1/2008 para pessoas (115 W/pessoa, 9,3 m 2/pessoa) e
equipamentos (16,2 W/m2).
4. Sistema de refrigerao
O sistema de refrigerao do edifcio possui trs circuitos trmicos,
sendo um resfriador (chiller), um sistema derejeio de calor, e
outro para climatizao do ar propriamente dito. A Fig. (3) mostra um
esquema do sistema. As setasrepresentam os sentidos de circulao dos
fluidos.
Figura 3. Sistema de refrigerao.
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4.1. Funcionamento do sistema
A gua gelada, que uma mistura de gua e um sal denominada fluido
intermedirio, escoando pelos anis primrioe secundrio resfriada ao
perder calor para o evaporador do refrigerador (chiller). O fluido
intermedirio ento bombeado para os andares do edifcio, onde trocar
calor com o ar a ser enviado para os ambientes internos. Ao
ganharcalor do ar, o fluido retorna aquecido ao chiller, onde torna
a perder calor no evaporador, repetindo o ciclo.
O fluido refrigerante no circuito do chillerinicialmente ganha
calor do sistema de gua gelada no evaporador. Entoo fluido
refrigerante (na fase vapor) comprimido e, em seguida, rejeita
calor no condensador, retornando faselquida, expandindo-se para
novamente ganhar calor no evaporador, repetindo o ciclo.
O sistema de gua de condensao (Fig. 3) tem como funo rejeitar o
calor do condensador do chillerpara o meioexterno. Para isso, ao
receber o calor no condensador, a gua de condensao bombeada para
uma torre deresfriamento, rejeitando calor para o meio externo, e
retornando mais fria at o condensador.
Para os ambientes climatizados do edifcio, so fornecidas vazes
de ar por meio de caixas VAV (volume de arvarivel), que so na
realidade equipamentos reguladores dessas vazes. O ar fornecido aos
ambientes distribudo porum sistema de dutos ligado a um ventilador,
cuja rotao pode ser variada de acordo com a demanda por
climatizao.A Fig. (4) mostra o esquema do sistema de distribuio de
ar de um andar tpico do edifcio.
O resfriamento do ar ocorre por meio de um equipamento
denominado fan-coil, que consiste basicamente em umventilador
acoplado a um trocador de calor. Ali o ar flui por entre os tubos
da serpentina, dentro dos quais escoa a guagelada.
Figura 4. Sistema e caixas VAV.
4.2. Detalhes do sistema de bombeamento de gua gelada e possveis
configuraes
No sistema de bombeamento de gua gelada, pode-se ter diversas
configuraes no que diz respeito ao controle de
vazo nos anis primrios e secundrios (vide Fig. 3). Na Fig. (3)
so apresentados os principais elementos dessesistema, que so as
bombas nos circuitos primrio e secundrio (identificados como 1 e 2
na Fig. 3). Nas diversasconfiguraes possveis do sistema, essas
bombas podem estar presentes (ou no) em ambos os circuitos, e
podemapresentar rotao constante ou varivel, de acordo com a presena
de dispositivos denominados variadores defrequncia.
Na Fig. (3) so mostradas tambm as vlvulas de controle do
sistema, sendo uma de isolamento (para impedirrefluxo), uma de
bypass (para controlar a vazo no anel primrio) e outras nos andares
(para possibilitar o controle davazo de acordo com a demanda por
climatizao em cada andar).
Alguns autores como Kisner (1996) e Taylor (2002) mostram que
sistemas de climatizao com bombas variveissomente no anel primrio
(e portanto sem sistema de bombeamento no secundrio) apresentam
consumo energticomenor que o sistema convencional utilizado nos
Estados Unidos, com acionamento em ambos os anis (primrioconstante
e secundrio varivel).
Este trabalho avalia, para o edifcio em questo, as quatro
configuraes para o sistema de acionamento do circuito
de gua gelada: (1) acionamento varivel no anel primrio, e
constante no secundrio; (2) acionamento constante noprimrio, sem
secundrio (esta configurao corresponde referncia mais utilizada no
mercado brasileiro) ), (3)acionamento constante no anel primrio,
varivel no anel secundrio e (4) acionamento varivel no primrio,
semsecundrio. O intuito comparar o impacto de cada configurao no
consumo de energia eltrica em um edifciocomercial tpico
climatizado.
5. Modelagem do problema
O EnergyPlus um aplicativo livre desenvolvido para auxiliar no
dimensionamento de sistemas de climatizao eanalisar o desempenho
energtico de edifcios. A partir da insero de dados caractersticos
da edificao, o programacalcula a carga trmica solicitada para
manter os limites estabelecidos de temperatura, o consumo de
energia pelossistemas de condicionamento de ar e por outros fatores
como iluminao e equipamentos eltricos.
A insero dos dados de geometria do edifcio realizada a partir da
criao de um modelo 3D no programa GoogleSketchUp 8. Alm da
geometria, o clima e a localizao so fundamentais dentro das
solicitaes de normas paraedificaes como a ASHRAE 90.1 (ASHRAE,
2007), influenciando na escolha de materiais e tcnicas de
construo.Conforme mencionado anteriormente, o edifcio inicialmente
considerado na cidade de So Paulo (SP).
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Demais fatores comentados tambm so implementados no aplicativo,
tais como os perfis e intensidade de uso,propriedades de materiais
e todas as caractersticas construtivas do sistema de climatizao
dentre as quais est o regimede vazo de gua gelada nos anis primrio
e secundrio, fundamental para as anlises a serem realizadas.
Finalmente,para as simulaes tambm so utilizados arquivos com dados
climticos da cidade em estudo.
6. Simulaes
O intuito principal deste trabalho a comparao de diferentes
configuraes do sistema de circulao de guagelada em sistemas de
climatizao para um edifcio comercial tpico. Para esta comparao sero
realizadassimulaes para as quatro configuraes descritas
anteriormente. Alm disso, para avaliar o impacto dessasconfiguraes
para diferentes nveis de ocupao de uma edificao comercial, so
realizadas simulaes nas quaistambm modificado o perfil de ocupao da
edificao. Nesses casos, sero utilizados nveis deocupao/equipamentos
e de iluminao descritos na norma NBR 16401 (ABNT, 2008) e que so
apresentados na Fig.(5). Deve-se ressaltar que para cada configurao
do sistema de circulao de gua gelada, sero realizadas todas
asvariaes dos perfis de ocupao apresentados na Fig. (5).
Figura 5. Simulaes.
Para proceder com as comparaes, a configurao a ser adotada como
referncia ser: acionamento do anelprimrio constante, sem secundrio,
intensidade mdia/alta para ocupao/equipamentos e iluminao 12 W/m2.
Emcada simulao obtm-se resultados de consumo de energia eltrica
para cada ms do ano, bem como a contribuio decada fonte de consumo
no consumo de energia total (equipamentos, luzes, ventiladores,
bombas e resfriadores). Em
seguida so implementadas alteraes no modelo, de maneira a
verificar como diferenas na intensidade de utilizaodo prdio e vazes
de fluidos intermedirios no sistema de circulao de gua gelada
influenciam no consumo deenergia da edificao.
Deve-se ressaltar que o tipo de ocupao (leve, mdia, mdia/alta e
alta) define simultaneamente o calor liberadopor equipamentos e a
taxa de ocupao dos ambientes. Em outras palavras, essas
caractersticas esto atreladas, e nopodem ser alteradas
independentemente, conforme mostrado na Fig. (5).
Com base nos resultados obtidos como o consumo anual de energia
pelo sistema de climatizao e os gastosfinanceiros totais com
fornecimento de eletricidade, conveniente identificar as fontes de
consumo mais relevantes, eprincipalmente verificar se ocorrem
variaes significativas dessas parcelas para as variaes propostas
anteriormente.
Por fim, so realizadas mais algumas simulaes para o mesmo
edifcio com a configurao denominada dereferncia localizado em
outras cidades brasileiras, conforme j dito. O intuito dessas
simulaes verificar como ascaractersticas climticas locais
influeciam no consumo de energia eltrica do edifcio.
6.1.
Resultados da simulao para o edifcio de referncia
O Energy Plus realiza clculos de acordo com as solicitaes do
programador e das caractersticas do edifciomodelado. As sadas de
interesse no caso em estudo so: consumo de eletricidade por fonte
de uso e gastos financeirosanuais do edifcio. Sendo assim a Tab.
(3) resume os principais resultados obtidos para a simulao da
edificaodenominada aqui como referncia.
Tabela 3. Resultados anuais do sistema de climatizao de
referncia (primrio constante, sem secundrio) nascondies de
base.
Ventiladores(MWh)
Bombas(MWh)
Chiller(MWh)
Calorrejeitado(MWh)
Climatizaototal (MWh)
Gasto financeiroanual total doedifcio (R$)
127,11 134,62 1046,73 24,32 1332,78 809.664,02
A Fig. (6) apresenta graficamente os resultados obtidos ao longo
de um ano, e possibilitam visualizar as principaisfontes de
consumo.
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(a)
(b)Figura 6. Matriz de consumo desagregado de energia (a);
distribuio do consumo de energia mensal (b) para a cidadede So
Paulo.
Os resultados obtidos pela simulao da edificao de referncia
mostram que o sistema de climatizao (a saber,resfriador, bombas,
ventiladores e calor rejeitado na torre de resfriamento) responsvel
por 42% de todo o consumoenergtico anual do edifcio. Equipamentos e
iluminao interna consomem o restante, embora individualmente
sejammenos expressivos. Alm disso, na Fig. (6) possvel observar que
(como esperado) o consumo energtico do sistemade refrigerao maior
de novembro a maro, mostrando coerncia dos resultados pois trata-se
do perodo mais quentedo ano. Pode-se acrescentar que o consumo de
energia de equipamentos e iluminao variam pouco de ms a ms.
6.2.
Resultados para as demais configuraes
Os resultados das demais configuraes propostas neste estudo
mostram que para intensidades de iluminao,ocupao e utilizao de
equipamentos menores, o edifcio tem nveis de consumo de energia
menores. Por outro lado,para configuraes onde os ndices de utilizao
so mais elevados, maiores consumos de energia eltrica soverificados
(vide Fig. 7). No que se refere aos resultados obtidos quando da
mudana de estratgias para controle deacionamento do sistema de
circulao de gua gelada, pode-se observar na Fig. (7) que os
sistemas de climatizao comacionamento somente no anel primrio e com
bombas com rotao varivel apresentam menor consumo de energia.
Osresultados obtidos neste trabalho concordam com outros trabalhos
pesquisados, como Taylor (2002).
Figura 7. Consumo de energia eltrica anual total para as condies
de uso mxima, mnima e de referncia. Intensidade
mxima corresponde s condies mximas de ocupao, equipamentos e
iluminao; intensidade mnima correspondes condies mnimas, conforme
descrito na Fig. (5).
Da Fig. (7) observa-se que o consumo de energia eltrica, para
uma dada intensidade de uso, sempre mnimo parao sistema com bomba
de rotao varivel no circuito primrio, e sem acionamento no
secundrio. Outro fato a serressaltado que as diferenas percentuais
de consumo de energia eltrica entre as estratgias em relao ao caso
dereferncia aproximadamente igual para todas as intensidades de
uso.
Em comparao com a referncia, a estratgia com anel primrio com
rotao varivel e sem bombeamento no anelsecundrio (descrita na Fig.
(7) como primrio varivel, sem secundrio) apresenta reduo de 1,5%, e
as outras duasestratgias apresentam aumentos de aproximadamente
0,5% e 2,0%.
Foram realizadas anlises referentes aos gastos financeiros
anuais com energia eltrica, onde se verificarampequenas alteraes
entre a aplicao das tarifas horo-sazonais verde e azul, sendo que a
tarifa verde mostrou-seligeiramente vantajosa em todas as
simulaes.
Para avaliar as razes pelas quais o consumo de energia teve o
comportamento aqui apresentado, lanou-se mo dacomparao da
contribuio de cada fonte de consumo sobre o total, e a comparao
entre cada estratgia, sendo que osresultados so apresentados na
Fig. (8).
So Paulo
Resfriador
34%
Iluminao27%
Calor
rejeitado
1%
Equipamentos
31%
Bombas
3%
Ventiladores
4%
0255075
100Consumo energtico (MWh)
Iluminao Equipamentos VentiladoresBombas Resfriador Calor
rejeitado
0
1000
2000
3000
4000
5000
base intensidade mnima intensidade mxima
Consumoanual
(MWh)
primrio varivel; sem secundrio primrio constante; sem
secundrio
primrio constante; secundrio varivel primrio varivel; secundrio
constante
+0,5% +2%
+0,4%+2,1%
+0,5%+1,9%
-1,5%
-1,7%
-1,4%
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Figura 8. Participao percentual de cada fonte consumidora de
energia para cada estratgiano consumo de energia dosistema de
climatizao.
As porcentagens na Fig. (8) referem-se variao de cada parcela em
relao condio de referncia (anel
primrio com rotao constante; sem bombeamento no anel secundrio).
Como esperado, o aumento de consumo nasconfiguraes menos vantajosas
se d em funo do aumento expressivo do consumo por bombas no anel
secundrio.
6.3.Resultados das simulaes para outras cidades
Todos os resultados apresentados at aqui foram gerados a partir
de simulaes do edifcio na cidade de So Paulo.A fim de entender o
comportamento do mesmo prdio em outras condies climticas e
geogrficas, simulaes foramfeitas com a edificao nas condies de
referncia para as cidades de Rio de Janeiro e Salvador (ambas
localizadas nazona climtica 1 de acordo com a classificao da norma
90.1 (ASHRAE,2007)).
Para atender as orientaes da norma 90.1 (ASHRAE,2007), foram
alterados apenas os dados geogrficos dascidades (latitude,
longitude, altitude), a espessura da camada de isopor dos pisos e
as propriedades do vidro (visto queas solicitaes de transmitncia
trmica agora seguem os valores da zona climtica 1), bem como os
arquivos climticosutilizados na simulao.
A Fig. (9) permite comparar o consumo de energia eltrica entre
as trs cidades analisadas.
Figura 9. Consumo de energia eltrica anual total nas cidades
analisadas.
Observa-se que Rio de Janeiro e Salvador apresentam consumos
anuais mais elevados (respectivamente 23% e 35%maiores em relao a
So Paulo), devido ao clima mais quente, o que implica em maior
demanda energtica por partedo sistema de climatizao.
A Fig. (10) permite avaliar que o sistema de climatizao mais
requisitado nas cidades mais quentes, o queexplica o consumo de
energia mais elevado observado. Enquanto que em So Paulo o sistema
de climatizaocorresponde a 42% do total, no Rio de Janeiro essa
parcela cresce para 53%, e em Salvador, 57%.
A Fig. (11) mostra os valores de consumo de energia eltrica de
cada componente do sistema de climatizao,evidenciando a contribuio
de cada parcela no total consumido, podendo inferir o crescimento
das contribuies doscomponentes do sistema de climatizao. Na Fig.
(11), os valores percentuais correspondem s variaes de consumode
energia em relao aos dados obtidos para a cidade de So Paulo.
Na Fig. (12) so apresentados os resultados obtidos devido a
mudana de configurao do sistema de circulao degua gelada para as
trs cidades analisadas. Verifica-se inicialmente que a configurao
com anel primrio com rotao
varivel sem secundrio a soluo com menor consumo de energia
eltrica para as trs cidades. Alm disso, observa-se que as demais
configuraes promovem nveis de consumo de energia eltrica maiores
para as cidades do Rio deJaneiro e Salvador, em relao aos nveis
atingidos na cidade de So Paulo.
127106,66 127105,32 127175,82 127176,1493866,78 134616,29
146553,37 187133,47
1040726,47 1046730,95 1048414,22 1055797,71
24108,84 24324,71 24374,82 24604,09
0%
10%
20%
30%40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
primrio varivel; sem
secundrio
primrio constante; sem
secundrio
primrio constante;
secundrio varivel
primrio varivel;
secundrio constante
Calor rejeitado Resfriamento Bombas Ventiladores
+39,0%
+0,1%
+0,9%
+1,1%+0,2%
+0,2%
+8,9%
+0,1%-30,3%+0,0%
-0,6%
-0,9%
+23%+35%
0
1000
2000
3000
4000
5000Consumo anual total (MWh)
So Paulo Rio de Janeiro Salvador
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Figura 10. Demanda anual de eletricidade (por fonte consumidora)
Rio de Janeiro e Salvador.
Figura 11. Contribuio de cada parcela no consumo total do
edifcio para as trs cidades (valores em kWh).
Figura 12. Comparativo de consumo de energia eltrica para
diferentes configuraes do sistema de circulao de guagelada, para as
cidades de So Paulo, Rio de Janeiro e Salvador.
6.4.
Anlise econmica das alternativas
Alm da reduo de consumo observada para algumas estratgias em
comparao a outras, e consequente reduonas despesas anuais com
energia eltrica, analisado o impacto causado no oramento com a
instalao dos sistemas.Dessa maneira, realizada uma anlise econmica
do projeto, visando observar se a alternativa aparentemente
maisvantajosa em termos de consumo apresenta custos de instalao
aplicveis. Essa anlise limita-se apenas s condiesde referncia, e
cidade de So Paulo.
Toda a anlise parte das caractersticas das bombas dos circuitos
de refrigerao. Os resultados da simulaomostram que a potncia de
pico consumida pelas bombas de 12 kW, ou cerca de 15 CV, e a vazo
mxima calculada de 44 kg/s. Para essas condies, foram esconhidas
bombas e variadores de frequncia com 20 CV, e bombas commotores
eltricos com 4 plos.
Para efeito de anlise sero comparados os custos e a anlise
econmica ser realizada usando como base aedificao de referncia com
sistema de bombeamento no anel primrio com vazo constante sem
bombeamento no
anel secundrio. A comparao ser feita ento com a edificao que
apresentou o menor consumo, ou seja, comsistema de bombeamento
primrio com rotao varivel sem bombeamento no anel secundrio.
Rio de Janeiro
Resfriador
44%
Equipamentos
25%
Ventiladores
4%
Bombas4%
Calor
rejeitado
1%
Iluminao
22%
Salvador
Resfriador
48%
Calor
rejeitado
2%
Bombas
4%
Ventiladores
3%
Iluminao
20%
Equipamentos
23%
127163,69 135130,36 142049,75
93897,84 137379,46 154665,3
1041244,31 1662610,74 1964812,17
24122,33 54479,4 76011,21
0%
20%
40%
60%
80%
100%
So Paulo Rio de Janeiro Salvador
Ventiladores Bombas Resfriamento Calor rejeitado
+6,27%
+46,32%
+59,69%
+125,89%
+11,72%+64,73%
+88,73%
+215,19%
00
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
So Paulo Rio de Janeiro SalvadorConsumoanualtotal(MWh)
primrio varivel; sem secundrio primrio constante; sem
secundrio
primrio constante; secundrio varivel primrio varivel; secundrio
constante
+0,5%+2,0%
+0,6% +2,5% +0,7%+2,5%
-1,5%
-1,9%-1,8%
-
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10
Alm disso, definiu-se que a vida til dos equipamentos seria de
10 anos e os valores de gastos de consumo deenergia relacionados
operao do edifcio foram calculados com base no valor presente com
uma taxa de juros de 8%a.a.
Para a avaliao de viabilidade econmica da configurao de rotao
varivel, calculou-se a economia gerada aolongo de 10 anos de operao
e comparou-se com o custo de operao total da edificao, sendo que os
resultadosobtidos so apresentados na Tab. (4). Cabe ressaltar que
nesta anlise no foram includos efeitos de inflao e impostose foi
utilizada a estrutura tarifria horo-sazonal verde. Analisando a
Tab. (4), pode-se inferir que o investimento nosvariadores de
fequncia amortizado em menos de 1 ano, podendo ser considerada uma
alterantiva economicamentevivel.
Tabela 4. Resultados da anlise econmica.
Bombas InversoresCusto de
equipamentosEnergia
Consumo anual Economia em 1 ano
Primrio constante,sem secundrio
1 1 R$ 7.132,00 R$ 809.664,02 R$ - -
Primrio varivel,sem secundrio
1 1 R$ 7.132,00 R$ 794.965,94 R$ 14.698,08 1,8%
7. Concluses
Este trabalho estudou diferentes tipologias de sistemas de
acionamento de circulao de gua gelada, comparando-as a fim de
identificar a que apresenta menor consumo de energia eltrica. A
anlise foi feita para um edifcio deescritrios, localizado na cidade
de So Paulo, sob diferentes intensidades de uso (intensidade de
luzes, equipamentos epessoas), para identificar a influncia desses
fatores no consumo de energia eltrica.
Em comparao com os resultados de referncia, intensidades mais
elevadas de ocupao apresentaram consumosat 30% maiores, o que tambm
refletiu no levantamento de despesas com energia (com aumentos da
mesma ordem).Naturalmente, cargas mais leves trazem menores
consumos e gastos (redues de at 44% foram verificadas).
Em paralelo, as variaes no controle de acionamento dos sistemas
de circulao de gua gelada nos anis primrioe secundrio do sistema de
climatizao foram variados para 3 condies diferentes. Algumas
publicaes (Taylor,2002 e Kisner, 1996) atestam que a condio de anel
primrio com rotao varivel, somente, a mais vantajosaatualmente no
mercado. De fato, isso foi verificado, e essa estratgia apresentou
reduo da ordem de 1,5% em relaoao sistema de referncia. As outras
alternativas com acionamentos primrio constante e secundrio
varivel, e vice-versa, apresentaram consumos superiores referncia
em 0,5% e 2,0%, respectivamente.
Alm disso, foi mostrado que a localizao do edifcio tem papel
fundamental em seu consumo anual. Esse fato foiavaliado com
simulaes do mesmo modelo em Salvador e no Rio de Janeiro. Essas
cidades pertencem zona climtica1, e portanto apresentam outros
requisitos construtivos. Com o clima mais quente, o consumo do
sistema declimatizao muito superior nessas cidades. Sendo assim, o
edifcio no Rio de Janeiro apresentou um consumo 23%superior ao de
So Paulo, e Salvador, 35%.
Verificou-se que a configurao com anel primrio com rotao varivel
sem secundrio a soluo com menorconsumo de energia eltrica para as
trs cidades. Alm disso, observa-se que as demais configuraes
promovem nveisde consumo de energia eltrica maiores para as cidades
do Rio de Janeiro e Salvador, em relao aos nveis atingidos nacidade
de So Paulo
Por fim, foi realizada uma breve anlise econmica da estratgia de
circulao de gua gelada de referncia,considerando sua substituio
pela opo de menor consumo. A anlise mostrou que a economia em
nmeros absolutosfoi muito expressiva, e os investimentos so
neutralizados j no primeiro ano. A reduo na conta de luz foi de
1,8% no
ano de nmero um, e de 1,7% considerando vida til dos
equipamentos de 10 anos.Em uma anlise mais ampla, o projeto
permitiu o contato com um tema muito atual, e que vem ganhando
aindamais importncia nos ltimos tempos. Muito mais do que a questo
financeira, o tema da sustentabilidade e daconservao do meio
ambiente vm sendo bastante explorados. A melhor utilizao dos
recursos da natureza deixa ohomem cada vez menos dependente de
fontes de energia mais poluentes, o que certamente traz benefcios
sociedade.Assim, fundamental criar projetos preocupados com o meio
ambiente, como o caso da construo de edifciossustentveis.
Nessa linha, de grande valor a existncia de normas reguladoras
no setor de construo civil. Naturalmente essasiniciativas so muito
mais avanadas em pases desenvolvidos, mas felizmente observa-se a
crescente participao doBrasil nesse cenrio, e trabalhos como este
tm por objetivo tambm a divulgao dessa tendncia, mostrando
sociedade mais essa forma para contribuir para a melhoria da
qualidade de vida.
Finalmente, embora os ganhos observados (em termos de consumo
energtico) entre as diferentes estratgias declimatizao para o
exemplo estudado neste trabalho tenham sido pequenos (inferiores a
4% no melhor caso), j so
suficientes para gerar interesse, e chamam a ateno pelo rpido
retorno do investimento obtido. Dessa forma, otrabalho tambm teve
como objetivo incentivar o estudo do tema, eventualmente
considerando diferentes possibilidadesno avaliadas aqui.
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Houve indcios de que sistemas de climatizao com vazo varivel em
ambos os anis de refrigerao poderiamgerar resultados ainda mais
vantajosos. Esses indcios colocam como sugesto de continuao deste
trabalho apossibilidade de estudo comparativo de todos os regimes
possveis de vazo entre primrio e secundrio. Issodemandaria
trabalho, inclusive de programao, para adicionar algumas condies ao
software Energy Plus, mas quecertamente valeriam a pena para um
estudo mais completo.
Outra forma de sofisticar as anlises iniciadas aqui atravs da
atuao sobre estratgias de controle do sistema.Nesse caso
poder-se-ia explorar parmetros de controle utilizados no software
Energy Plus. H publicaes (Gao et al2011 e Ma&Wang 2008) que
tratam desse tema, e resultados bastante expressivos tm sido
obtidos no que se refere melhoria da eficincia de sistemas como os
estudados neste trabalho.
Uma outra possibilidade o estudo integrado de diferentes
estratgias de melhoria do consumo, partindo de umestudo como o
desenvolvido neste relatrio, como por exemplo o uso conjunto de
economizadores ou de vigas frias. Aprincpio essas combinaes trariam
benefcios maiores, mas seria conveniente quantificar a vantagem e
verificar suaviabilidade. Alm disso certamente as estratgias so
mais ou menos eficazes de acordo com o clima da cidade emestudo,
fato que poderia ser includo na anlise.
Enfim, trata-se de um tema amplo, abrangente, e com muitas
vertentes passveis de observao. Em virtude de suaatualidade,
importncia e interesse crescente, muitas publicaes vm sendo
produzidas, o que serve como incentivo efonte de estudo e pesquisa
para estudantes que venham a se interessar.
8. Referncias
ASHRAE Standard 90.1, 2007, Energy Standard for Buildings Except
Low-Rise Residential Buildings. I-Pedition, 183 p.Gao, D.; Wang,
S.; Sun, Y., 2011 A fault-tolerant and energy efficient control
strategy for primarysecondary
chilled water systems in buildings, Elsevier Journal of Energy
and Buildings, Vol. 43, Issue 12, pp. 3646-3656.Kirsner, W., 1996,
The Demise of the Primary-Secondary Pumping Paradigm for Chilled
Water Plant Design,
HPAC Engineering, Vol. 68, Issue 11, pp. 73-78.Ma, Z.; Wang, S.,
2008, Energy efficient control of variable speed pumps in complex
building central air-
conditioning system, Elsevier Journal of Energy and Buildings,
Vol. 41, Issue 2, pp. 197-205.Taylor, S. T., 2002, Primary-Only vs.
Primary-Secondary Variable Flow Systems, ASHRAE Journal, Vol.
44,
Issue 2, pp. 25-29.
EVALUATION OF CONTROL OF ACTIVATION OF CIRCULATION OF
INTERMEDIATE FLUID INCENTRAL HVAC SYSTEMS.
Vinicius Navarro [email protected]
Abstract. The paper here presented has as its main objective
identifying the configuration of the control system of circulation
ofchilled water that has the lowest energy consumption of HVAC
systems for buildings. The evaluation is performed considering
a
commercial building located in the city of So Paulo. The
building is designed in a 3D modeling software, and the annual
energy
consumption is evaluated in the software EnergyPlus, by varying
three parameters: intensity of use (occupancy and use of
equipments), lighting levels and flow regime in the chilled
water loop (intermediate fluid). The modeling is performed
according to
the guidelines of the standard ASHRAE 90.1. The reference system
in the Brazilian market of central HVAC is a constant speed
pump
in the primary loop without secondary pump. The results showed
that the system with variable pump in the primary, no
secondary,
has a lower energy consumption (-1.5% compared to the reference)
and the other options (constant primary with variable
secondary,
and vice versa) had higher ones (+ 0.5% and +2.0%, respectively)
for all conditions studied. The same building simulated in Rio
de
Janeiro and Salvador presented increases in consumption of 23%
and 35%, respectively, compared with So Paulo. In these cities
the same trend was observed for different flow regimes of
chilled water, and the strategy of lower consumption is still
moreinteresting comparatively, with reduction of 1.9% compared to
the reference.
Keywords. HVAC, simulation, control, intermediate fluid.
