Engenharia do Ar Condicionado

TREINAMENTO AVANÇADO

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Na próxima turma do curso ENGENHARIA DO AR CONDICIONADO, que será ministrada no Rio de

Janeiro,no período de 16 a 20 de maio próximo haverá um item sobre o uso da energia solar em sistemas de ar

condicionado.

Trata-se de prática comumente usada em países europeus e em Israel. No Brasil certamente, pelas características climáticas, este sistema é bastante atraente e deverá ser

largamente utilizado. As páginas a seguir são parte da rica apostila que será

fornecida aos alunos do curso. Para maiores informações entre em contato com o NTT

pelo telefone: (21) 3325-9942 ou e-mail: [email protected]

Garanta sua vaga desde já.


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SISTEMAS DE AR CONDICIONADO ALIMENTADOS POR ENERGIA SOLAR 1 – INTRODUÇÃO 1.1 – Porque o arrefecimento solar?

Na última década a procura global de ar condicionado no setor terciário aumentou, resultado da procura de um melhor conforto e das elevadas temperaturas no verão. As técnicas passivas e semi-ativas utilizadas durante séculos para manter as condições de conforto interior, parecem ter sido esquecidas em muitos dos novos edifícios.

Este desenvolvimento da climatização em edifícios é responsável por um aumento da procura de energia elétrica durante o verão, que por diversas vezes atinge os limites da produção e distribuição de eletricidade.

Associada à procura está o aumento das emissões de gases de efeito de estufa, quer devido à produção de energia, quer pelo derrame dos fluídos refrigerantes, contribuindo para o ciclo vicioso das mudanças climáticas.

Uma larga gama de soluções passivas disponíveis – as estratégias bioclimáticas – permitem melhorar as condições interiores tanto para novos edifícios em fase de projeto, como para edifícios já existentes, reduzindo o recurso a sistemas ativos de ar condicionado.

A tecnologia de arrefecimento de edifícios com energia solar já provou em alguns países, em períodos superiores a 10 anos, a sua eficiência e viabilidade. Estas tecnologias utilizam como fluído refrigerante um fluído inofensivo (água) e muito menos energia primária que os sistemas clássicos.

Apesar da utilização eficiente das técnicas solares passivas bioclimáticas, é necessário um sistema de climatização, pelo que, o arrefecimento solar pode ser uma solução interessante.

Com efeito, durante o verão, a procura de energia elétrica cresce fortemente devido à utilização intensiva de sistemas de climatização, sendo os picos de consumo a origem da maioria dos problemas de fornecimento de eletricidade. Este problema é ainda mais grave


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nos anos secos, visto que as centrais hidroelétricas são incapazes de corresponder a uma parte desses picos.

Dentro deste contexto, a utilização de energia solar para o arrefecimento é um conceito atrativo, pois as necessidades de arrefecimento coincidem, na maior parte do tempo, com a disponibilidade de radiação solar.

Assim, porque não utilizar a energia solar para manter no verão as condições de conforto interior aconselhadas para os edifícios?

Os sistemas de arrefecimento solar têm a vantagem de suprir a maioria das exigências de um sistema clássico:

• O consumo de energia elétrica pode ser até 20 vezes inferior, quando comparado com um sistema clássico de compressão;

• Os fluídos refrigerantes utilizados são inofensivos, utilizando-se normalmente água e soluções salinas;

• O incômodo sonoro provocado pelo compressor é eliminado. Estes sistemas podem ser utilizados autonomamente ou em complemento a um

sistema clássico de ar condicionado; onde o objetivo principal é o de utilizar tecnologias de emissão zero para reduzir o consumo energético e as emissões de CO2.

1.2 – As tecnologias de arrefecimento solar são com petitivas?

Apesar de existir um grande potencial de mercado para as tecnologias de arrefecimento solar, os sistemas já existentes não são, ainda, economicamente competitivos quando comparados com os sistemas elétricos ou a gás natural, principalmente devido ao elevado investimento que os sistemas de arrefecimento solares acarretam e ao baixo preço da energia utilizada nos sistemas clássicos.

Reduzir os custos de diferentes componentes (coletores solares, chiller, etc.) e melhorar a seu rendimento, mudará drasticamente esta situação, mesmo apesar de se saber que ainda é difícil prever a data em que esta tecnologia solar atingirá a maturidade econômica.

Por outro lado, a comparação da tecnologia solar com a tecnologia clássica só pode ser feita se incluir os custos externos (ambientais e sociais). O caráter imprevisível do custo dos combustíveis convencionais, num futuro a médio/longo prazo, deverá, também, ser tido em linha de conta numa análise econômica.

De um modo geral, pode-se observar que para as tecnologias solares: • O seu custo diminui com a sua produção em grande escala; • Ao nível técnico, são já tecnologias maduras; • São muito mais amigas do ambiente que os sistemas convencionais. Estas diferentes vantagens mostram que estas tecnologias devem ser apoiadas, quer

através de incentivos financeiros, quer através de uma taxa energética que reflita os custos ambientais face às energias convencionais. Em muitos países, o apoio financeiro a sistemas com energia solar permite tornar esta solução economicamente mais atrativa.

1.3 – Porque optar por uma instalação de arrefecime nto solar?

Deve-se está convencido que: • Para parar o ciclo vicioso das alterações climáticas, necessitamos de uma

abordagem mais conscienciosa em termos ambientais ao nosso consumo de energia;

• A redução das necessidades de arrefecimento através de técnicas bioclimáticas ou passivas são a primeira etapa desta abordagem;


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• Ao ser necessário um sistema de arrefecimento, a tecnologia de arrefecimento solar é uma solução coerente com o discurso de todos aqueles que desfraldam a bandeira do desenvolvimento sustentável.

2 – REDUZIR AS NECESSIDADES DE ARREFECIMENTO 2.1 – Princípios gerais

Os sistemas de arrefecimento por energia solar permitem arrefecer os edifícios, praticamente sem impactos ambientais. Contudo, apesar da energia solar ser gratuita, para uma igual capacidade de arrefecimento, os sistemas alimentados com energia solar ainda apresentam custos mais elevados que os sistemas clássicos de compressão.

Se decidirmos instalar um sistema de arrefecimento solar, devemos primeiro analisar as características do edifício e adotar todas as medidas possíveis para reduzir as necessidades de arrefecimento.

Os princípios, estratégias e técnicas que permitem a redução das necessidades de arrefecimento já são maduras, de domínio público e são a base das certificações energéticas das edificações – não confundir certificações energéticas com certificações verdes. Esses princípios são aplicáveis tanto em edifícios em fase de projeto, nos quais é possível adotar medidas mais inovadoras, bem como, nos edifícios já existentes para os quais existem, também, diversas técnicas de intervenção possíveis.

Nos sistemas de arrefecimento, a potência de arrefecimento é calculada com base na carga térmica no verão, que é a soma de todas as cargas internas e externas, que afetam o equilíbrio entre o ambiente interior a arrefecer e o ambiente exterior (não apenas o espaço exterior, mas também os espaços contíguos não climatizados).

No verão, a quantidade de calor a ser rejeitado depende de numerosos fatores, alguns dos quais variáveis ao longo do dia, tal como a radiação solar incidente.

Os fatores que têm maior impacto nas necessidades de arrefecimento são os seguintes:

• Efeito da radiação solar através das superfícies transparentes; • Efeitos da transferência de calor por condução através de superfícies claras e

opacas; • Inércia térmica do edifício; • Cargas térmicas internas, tanto sensíveis como latentes, devido à presença de

pessoas e fontes produtoras de calor (tais como iluminação, maquinaria, etc.); • Ganho de calor, sensível e latente, devido à infiltração de ar e ventilação do

local. As necessidades de arrefecimento no verão são fortemente influenciadas pelos

elementos arquitetônicos que definem a envolvente do edifício. É por esse motivo que as certificações energéticas de edifícios têm uma componente que se refere à certificação energética da envolvente, envoltória ou envelope da edificação.


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Figura 1 – Fluxograma para o cálculo da carga térmica de um edifício no verão

O esquema apresentado na figura 1 mostra que as necessidades de arrefecimento no verão são fortemente influenciadas pelos elementos arquitetônicos que definem a envolvente do edifício.

Um sistema de arrefecimento projetado para os meses de verão deve ser capaz de remover tanto o calor sensível como o calor latente do edifício.


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Figura 2 – Escritórios da Câmara do Comércio e da Indústria de Friburgo na Alemanha: exemplo da redução da carga térmica no Verão (proteções solares, cobertura ventilada e ajardinada e dispositivos de

sombreamento)

• Calor sensível, é a soma do calor que resulta apenas no aumento da temperatura. É proveniente do exterior e resulta da radiação solar e da diferença de temperatura entre o exterior e o interior do edifício (transmissão de calor por condução através da envolvente). E proveniente também das cargas internas, como as pessoas e todas as fontes de calor (iluminação, equipamento informático, máquinas, etc.).

• Calor latente, é a soma do calor que conduz ao aumento da quantidade de

vapor de água no ar. É proveniente da umidade emitida pelas pessoas através da respiração e transpiração e por todas as fontes geradoras de vapor. Sempre que um local é ventilado, o ar proveniente do exterior traz calor sensível se a temperatura externa é superior à temperatura ambiente do local, e calor latente em função do teor de vapor de água.

2.2 – Estratégias

As necessidades de arrefecimento de um edifício durante o verão podem ser reduzidas, adotando estratégias bioclimáticas.

a) Redução das cargas térmicas na fase de concepção do edifício: • Proteções solares nas janelas, paredes e cobertura, utilizando barreiras artificiais

ou naturais (Fig. 4 e 5); • Forte inércia térmica associada com uma sobre ventilação noturna; • Ventilação adequada. b) Redução da temperatura exterior, intervindo nas proximidades do edifício,

através de: • Aumento da umidade relativa do ar com lagos, fontes e vegetação; • Utilização de plantas para sombreamento;


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• Redução do coeficiente de reflexão solar do meio-ambiente, por exemplo, através da criação de espaços verdes;

• Escolha de cores claras para as paredes exteriores. c) Protecção do sol No verão, a radiação solar atravessa as superfícies transparentes do edifício (portas

e janelas) causando um ganho de energia imediato. Diferentes dispositivos de sombreamento permitem reduzir esse impacto:

• Estrutura de sombreamento vertical para as orientações este e oeste ou horizontal para a orientação norte) (Fig. 7);

• Persianas exteriores fixos ou ajustáveis; • Toldos exteriores ou cortinas internas; • Vidros especiais.

Figura 3 – A redução da carga térmica no Verão pode ser obtida, na fase de projeto de um

edifício, recorrendo a estratégias bioclimáticas

Figura 4 – Dispositivos de sombreamento exterior vertical num edifício de escritórios em Dresden, na

Alemanha

Figura 5 – Proteções solares com avançado horizontal e persianas exteriores num edifício de

escritórios em Dresden na Alemanha

Figura 6 – Avançado horizontal com módulos

fotovoltaicos integrados: (casas solares em Friburgo na Alemanha)

As estruturas de sombreamento externo são as mais eficazes, pois impedem a

radiação solar de atingir as superfícies envidraçadas.


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Figura 7 – Eficácia de diferentes sistemas de proteção solar, em função de: - a geometria do dispositivo; - a orientação da fachada; - o período do ano.

A proteção solar é também importante para as superfícies opacas, e em particular

para os revestimentos exteriores, que são as superfícies da envolvente mais expostas à radiação solar.

Mesmo que seja impossível utilizar dispositivos de sombreamento eficazes, é aconselhável escolher superfícies exteriores com baixo coeficiente de absorção.

d) Inércia térmica A inércia térmica de um edifício tem um elevado impacto na transferência de calor

com o ambiente interior. Um edifício caracterizado por uma massa térmica importante aquece lentamente, o

que permite atenuar o sobreaquecimento provocado pela radiação solar através dos envidraçados.

De fato, a envolvente exterior acumula a radiação direta e restituem-na lentamente no ambiente interior, nas horas seguintes. Deste modo, uma elevada inércia térmica limita os picos da necessidade de arrefecimento.

e) Ventilação No verão, a ventilação é uma das formas mais simples de garantir o conforto

térmico dos ocupantes de um edifício.


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Existem duas estratégias possíveis: • A primeira , que tem um impacto imediato no bem estar dos ocupantes, consiste

em movimentar o ar no interior do edifício por agitação, com ventoinhas (de teto, ou outras) ou então pela circulação de ar, eventualmente com a ajuda do ar exterior (correntes de ar), desde que não esteja mais quente que o ar interior.

• A segunda forma, direcionada para o arrefecimento do edifício, consiste em arejar fortemente as divisões com ar exterior, desde que este esteja a uma temperatura inferior à do ar interior: desta forma as estruturas arrefecem, prolongando o conforto dos ocupantes, mesmo durante as horas mais quentes do dia.

Em ambos os casos, o objetivo pode ser atingido de forma mecânica ou de forma

natural (correntes de ar). Para tal é necessário: • Divisões com dupla orientação (pelo menos duas paredes exteriores e com

direções opostas); • Paredes com aberturas para espaços pouco ruidosos (para permitir aberturas de

tomada de ar); • Controlar os três parâmetros – proteção solar, inércia térmica e ventilação,

permite uma redução das temperaturas interiores médias no verão.

Figura 8 – Impacto térmico da radiação solar em função da cor do revestimento

Figura 9 – A ventilação natural depende da

configuração do edifício. Os locais que disponham de pelo menos duas aberturas exteriores, em fachadas

opostas, permitem uma boa ventilação.

2.3 – Técnicas para a redução da carga térmica no v erão

Se os edifícios forem concebidos cuidadosamente, tendo em conta os aspectos referidos anteriormente, a necessidade de ar condicionado no Verão será reduzida drasticamente.

Apesar de algumas das técnicas apresentadas poderem ser aplicadas eficientemente em edifícios em fase de projeto, muitas intervenções que tenham como objetivo reduzir as necessidades de arrefecimento no verão podem ser implementadas em edifícios já existentes com custos aceitáveis.

a) Arrefecimento passivo As técnicas de arrefecimento passivo podem ser divididas em dois grandes grupos: • As que limitam as cargas térmicas: cargas solares, cargas internas, etc;


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• As que contribuem para a remoção das cargas térmicas para outros ambientes: água, ar, solo, etc;

Todas as soluções a adotar estão amplamente descritas nas diversas publicações

existentes de bioclimatismo, que tratam do arrefecimento natural e de baixa energia em edifícios.

b) Redução das cargas térmicas em edifícios existentes As técnicas consideradas nos pontos anteriores podem reduzir drasticamente as cargas térmicas de um edifício, tanto ao nível da potência máxima necessária como de consumo global de energia, através de:

• Melhorando a gestão operacional do edifício; • Reduzindo as cargas térmicas internas; • Procedendo a intervenções estruturais na envolvente exterior do edifício; • Intervindo no sistema de ventilação. A redução das cargas depende de vários fatores: características técnicas da

envolvente exterior, orientação, inércia térmica do edifício, latitude, condições climáticas, etc.

Uma simulação numérica foi desenvolvida, considerando um hipotético escritório localizado em Roma (Latitude 43ºN), caracterizado por uma inércia média e uma fachada externa com 80% de envidraçado. A simulação considerou diferentes orientações do edifício e diversas medidas de economia de energia. Os resultados, apresentados na Tabela 1, demonstraram que uma redução importante das necessidades em frio é possível (até 45%) com a adoção de simples medidas passivas. Estes resultados, devido à sua especificidade para um determinado edifício, devem ser vistos como um exemplo, e não como valores gerais para qualquer outro edifício.


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Tabela 1 - Intervenções técnicas para a redução da carga térmica no verão.

Os resultados, obtidos para um edifício específico, são dados a título de exemplo

Descrição das intervenções Custo Redução da carga térmica

Gestão do edifício

Regulação da temperatura interna de cada espaço

Aumento da temperatura ambiente (p.ex.: 27ºC em vez de 25ºC)

Aumento da umidade relativa (p.ex.: 60-55% em vez de 50%)

Utilização correta do sistema de iluminação e dos aparelhos elétricos

Gestão correta das aberturas exteriores, das janelas e persianas

baixo

nulo

nulo

nulo

nulo

0% - 6%

4% - 8%

1% - 5%

3% - 7%

0% - 5%

Redução das cargas

internas

Regulação da iluminação (variação da intensidade, sensores de movimento, etc) com lâmpadas incandescentes

Regulação da iluminação (variação da intensidade, sensores de movimento, etc) com lâmpadas fluorescentes

Utilização de iluminação de baixo consumo (p.ex.: lâmpadas fluorescentes em vez de lâmpadas incandescentes)

Baixo

Baixo

médio

4% - 6%

2% - 4%

10% - 13%

Intervenções na envolvente

exterior do edifício

Estruturas de sombreamento interior (persianas internas, cortinas...)

Estruturas de sombreamento exterior (persianas externas, toldos...)

Aplicação de avançados verticais (0,6m)

Aplicação de avançados horizontais (1,5m)

Aplicação de avançados horizontais (0,6m)

Aplicação de vidros duplos refletores

Aplicação de película refletora

Paredes exteriores com cores claras com baixo poder de absorção

Isolamento da cobertura

Estruturas de sombreamento na cobertura

Cobertura ventilada

Cobertura com vegetação

baixo

médio

elevado

elevado

elevado

elevado

médio

baixo

médio

elevado

elevado

elevado

2% - 5%

8% - 19%

2% - 18%

1% - 9%

2% - 8%

4% - 7%

3% - 11%

1% - 8%

3% - 6%

3% - 6%

2% - 8%

4% - 15%

Intervenção nos

equipamentos

Central de duplo fluxo com recuperação térmica do ar extraído

Sobre ventilação noturna

Sistema de regulação eficiente

elevado

médio

elevado

2% - 4%

4% - 8%

2% - 8%

3 – TÉCNICAS DE ARREFECIMENTO SOLAR

Os sistemas mais comuns de arrefecimento que utilizam o solar térmico para

produzir frio são apresentados no quadro 2. Estes sistemas podem ser classificados em duas grandes famílias:

• Sistemas fechados: Chillers térmicos que produzem água refrigerada (absorção e adsorção) para alimentação de unidades de tratamento de ar (arrefecimento, desumidificação) ou para uma rede de água refrigerada de alimentação de sistemas descentralizados (p.ex.: ventilo-convectores). As máquinas disponíveis no mercado e adaptadas à energia solar são os chillers de absorção (mais comuns) e de adsorção (poucas centenas de máquinas em todo o mundo, mas com um interesse crescente para os sistemas de ar condicionado assistidos por energia solar);

• Sistemas abertos: O ar é diretamente tratado (arrefecido e desumidificado) em função das condições de conforto desejadas. O refrigerante continua a ser a água, dado que está em contacto direto com o ar a arrefecer. Os sistemas mais comuns utilizam uma roda exsicante giratória.


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Tabela 2 – Tecnologias de arrefecimento solar mais utilizadas atualmente.

Método Ciclo fechado Ciclo aberto

Ciclo do refrigerante Ciclo do refrigerante fechado O refrigerante (água) está em contacto com a

atmosfera

Princípio Água refrigerada Desumidificação do ar e arrefecimento evaporativo

Fase do sorvente sólido líquido sólido líquido

Mistura utilizada água - sílica gel Água - Brometo de lítio Amoníaco - água

Água - sílica gel Água - cloreto de lítio

Água - cloreto de cálcio Água - cloreto de lítio

Tecnologia disponível no

mercado Chiller adsorção Chiller absorção Sistema exsicante Próximo de introdução

no mercado

Gama de potência de arrefecimento

(kW frio) 50 – 430 kW 15 kW – 5 MW 20 kW – 350 kW

(por módulo)

COP nominal 0.5 – 0.7 0.6 – 0.75 (single effect) 0.5 – >1 > 1

Temperatura de funcionamento 60 – 90 °C 80 – 110 °C 45 – 95 °C 45 – 70 °C

Coletores solares Tubos de vácuo, coletores planos, CPC Tubos de vácuo, CPC Coletores planos,

coletores a ar Coletores planos,

coletores a ar

3.1 – Produção de água fria por chiller de absorção ou de adsorção

As máquinas de absorção e de adsorção podem ser caracterizadas por três níveis de temperatura:

• Nível de temperatura alta (TA), que corresponde ao calor fornecido ao sistema (circuito de água quente);

• Nível de temperatura baixa (TB), que corresponde à temperatura de produção de frio (circuito de água refrigerada);

• Nível de temperatura média (TM), quando a temperatura do circuito de água quente e do circuito de água refrigerada é rejeitada.

A rejeição de calor, na maioria dos casos, é efetuada através de uma torre de

arrefecimento.


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Figura 10 – Esquema de princípio do processo: Qfrio é a quantidade de calor extraído da água arrefecida no evaporador. Qcalor é a quantidade de calor requerido para fazer funcionar o processo (calor motriz). Qrejeitado, soma de Qfrio e Qcalor, é a quantidade de calor a remover à temperatura média TM. Qcalor pode ser fornecido pelos coletores solares ou por um sistema de apoio (rede de calor ou caldeira por exemplo).

Um parâmetro chave para descrever a eficiência de um chiller assistido

termicamente é o COeficiente de Performance térmico (COP), definido como a razão entre o calor rejeitado do ciclo de arrefecimento de água e o calor requerido para o sistema funcionar: COPtérmico = Qarref /Qaquec. O COPtérmico é diferente do COPconv de um chiller de compressão clássico, definido por COPconv = Qarref /Eelétrico, com Eelétrico representando o consumo de energia elétrica do chiller.

Esta definição do COPtérmico não inclui nenhum consumo elétrico adicional. Uma comparação realista das diferentes tecnologias requer que se considere o total de energia utilizada (térmica e energia elétrica das bombas e ventiladores). De realçar que quanto menor o COP, mais calor é requerido e mais calor terá que ser rejeitado na torre de arrefecimento. Pelo contrário, um COP elevado tem a vantagem de reduzir tanto o calor requerido, como o consumo de energia elétrica das bombas.

A temperatura da água refrigerada depende do sistema de distribuição instalado nos locais a arrefecer. No caso de ser necessária a desumidificação do ar, a temperatura da água refrigerada deverá ser inferior ao ponto de orvalho. Para o caso de se pretender apenas uma diminuição da temperatura, sem desumidificação, a temperatura da água refrigerada deverá estar entre 12ºC a 15ºC, o que permite um melhor rendimento do chiller.

a) Chillers de absorção Os chillers de absorção são os mais utilizados em todo o mundo. A compressão

térmica do refrigerante é conseguida através da utilização de uma solução refrigerante/absorvente líquido, e uma fonte de calor, substituindo assim o consumo de eletricidade de um compressor mecânico. Para água arrefecida acima dos 0ºC, tal como é utilizada na climatização, é usada normalmente uma solução água/brometo de lítio (H2O/LiBr), em que a água é o refrigerante.

No funcionamento de um chiller de absorção H2O/LiBr, é importante evitar a cristalização da solução através de um controle interno da temperatura do ciclo de rejeição de calor.

A produção de frio é baseada na evaporação do refrigerante (água) no evaporador a muito baixa pressão. O refrigerante vaporizado é aspirado no absorvedor, diluindo assim a solução H2O/LiBr. Para tornar o processo de absorção eficiente, é necessário arrefecer a solução. Ela é bombeada continuamente para o gerador onde é aquecida (calor motriz). O vapor de água gerado é então enviado para o condensador, onde, através da aplicação de


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água de arrefecimento, é condensado. A água líquida, após passar por uma válvula de expansão, é novamente reencaminhada para o evaporador. A potência de arrefecimento dos chillers de absorção é geralmente da ordem de várias centenas de kW. Geralmente, são alimentados por uma rede de calor ou por um sistema de co-geração. A temperatura do calor necessária é, normalmente, acima dos 80ºC para chillers de efeito simples, com um COP de 0.6 a 0.8. Os chillers de duplo efeito, com dois níveis de gerador, requerem temperaturas acima dos 140ºC, e atingem um COP na ordem de 1.2.

Figura 12 – Chiller de absorção - Hotel de Rethymnon - Creta (Grécia)

Os chillers de absorção com capacidade inferior a 50 kW são os que estão mais disponíveis no mercado. Em sistemas de ar condicionado assistidos por energia solar com chillers de absorção, muitas vezes são utilizadas estas unidades pequenas. Um chiller, recentemente desenvolvido para pequenas capacidades permite o funcionamento em carga parcial com uma temperatura de 65ºC e com um COP de0.7; o que é interessante para a utilização de energia solar e mostra que existe forte potencial para o desenvolvimento deste tipo de máquinas.

b) Chillers de adsorção Neste caso, em vez de uma solução líquida, são utilizados materiais adsorventes

sólidos. As máquinas disponíveis no mercado utilizam a água como refrigerante e um gel de sílica como adsorvente. A máquina consiste em dois compartimentos adsorventes (compartimentos 1 e 2, da fig. 13), um evaporador e um condensador.

O adsorvente do primeiro compartimento é regenerado por aquecimento (água quente solar), o vapor de água gerado é enviado para o condensador onde se condensa. A água líquida, através de uma válvula de expansão, é enviada a baixa pressão para o evaporador onde se evapora (fase de produção de frio).

O adsorvente do segundo compartimento mantém a baixa pressão ao adsorver o vapor de água. Este compartimento tem que ser arrefecido para permitir uma adsorção contínua. Quando a produção de frio diminui (saturação do adsorvente no vapor de água), as funções dos dois compartimentos são efetuadas pela abertura e fecho de válvulas. Atualmente, apenas alguns fabricantes asiáticos produzem chillers de adsorção.


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Figura 13 – Esquema de princípio de um chiller de adsorção

Com temperatura do circuito de água quente de 80ºC, estes sistemas atingem um COP de 0.6, mas podem funcionar a temperaturas de50ºC. A potência de arrefecimento dos chillers varia entre 50kW e 500kW.

A robustez dos chillers de adsorção é uma vantagem. Não apresenta nenhum perigo de cristalização, o que implica que não existem constrangimentos em relação à temperatura média de arrefecimento. Não necessita de bomba interna, pelo que, o consumo de eletricidade é reduzido. Uma desvantagem é o volume e peso destes chillers quando comparados com outros. Existe, contudo, um potencial importante ao nível da melhoria dos permutadores nos compartimentos de adsorção, e por conseguinte uma redução no peso e no volume das gerações futuras de chillers de adsorção. Por outro lado, devido ao reduzido número de unidades produzidas, o preço dos chillers de adsorção é, atualmente, elevado.

Figura 14 - Chiller de adsorção em Sarantis na Grécia


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3.2 – Sistemas de arrefecimento exsicantes Os sistemas de arrefecimento exsicantes são, basicamente, sistemas de ciclo aberto,

que utilizam água como refrigerante em contato direto com o ar. O ciclo de arrefecimento é uma combinação de arrefecimento evaporativo com uma desumidificação através de umexsicante, i.e.: material higroscópico, que pode ser tanto líquido como sólido.

O termo aberto significa que o refrigerante é rejeitado do sistema depois de produzir o efeito de arrefecimento, e que uma nova quantidade de refrigerante seja injetada num circuito aberto. Assim, apenas é possível utilizar água como refrigerante, visto estar em contacto direto com o ar ambiente. A tecnologia mais atual usa rodas exsicantes rotativas, equipadas com gel de sílica ou com cloreto de lítio como material adsorvente.

3.2.1 – Sistema com utilização de material desidratante sólido em roda rotativa

Os principais componentes do sistema são apresentados na figura 15.

Figura 15 – Esquema de princípio de um sistema exsicante

a) Arrefecimento (funcionamento no verão) A circulação de ar no espaço a arrefecer, remove as cargas térmicas internas, calor

sensível e calor latente, proveniente de computadores, pessoas, máquinas e ganhos solares/ambiente através de janelas, envidraçados, paredes, tetos, etc. O ar ambiente do exterior é primeiro desumidificado adiabaticamente (1-2) numa roda que contém o elemento exsicante (p.e. silicagel), deixando-a sob a forma de ar quente e seco. É então arrefecido (arrefecimento sensível 2-3) num permutador (roda recuperadora) pelo ar mais frio proveniente do interior do edifício, que circula em contracorrente. Segue-se o processo de umidificação (arrefecimento adiabático 3-5) que promove um maior arrefecimento do ar antes deste entrar na conduta de distribuição de ar pelo espaço (5) a climatizar. As cargas internas e ganhos solares/ambiente atrás referidas levam ao aquecimento do ar e o vapor de água produzido levam a um aumento da umidade do ar (5-6). Ao mesmo tempo o ar é sugado para fora do edifício, é arrefecido por umidificação (6-7), aquecido na roda recuperadora (7-8), novamente aquecido (8-9) por uma fonte de calor externa ligada ao sistema térmico solar e atravessa a roda desumidificadora (9-10) para promover a regeneração do elemento exsicante.

Uma concepção particular do sistema exsicante é necessária no caso de condições climáticas extremas, por exemplo, nas zonas costeiras, devido à taxa de umidade elevada, uma configuração típica do sistema exsicante não permite reduzir a umidade a um nível


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aceitável para a aplicação de um arrefecimento evaporativo. Uma configuração mais complexa da central de tratamento de ar com a aplicação, por exemplo, de mais uma roda de entalpia ou um grupo de frio complementar pode ser também utilizado.

b) Aquecimento (fucionamento de inverno) O ar ambiente do exterior é aquecido em contracorrente com o ar proveniente do

interior do edifício; o desumidificador (1-2) pode estar ativo funcionando como permutador de entalpia (umidificação regenerativa do ar na entrada.) ou inativo o que diminui o consumo de eletricidade pois ao desumidificador poderá ser feito um bypass: serão as condições climáticas que determinarão o seu estado de funcionamento. A roda recuperadora (2-3) estará geralmente ativa e além disso o ar proveniente do exterior é aquecido (4-5) no permutador de calor água-ar, que está acoplado ao sistema térmico solar. Se a temperatura do depósito solar for insuficiente a fonte de calor será então o apoio energético convencional. O umidificador (3-4) em geral está desativado podendo ser usado na umidificação do ar proveniente do exterior se necessário. O ar arrefece ao longo do seu percurso no interior do espaço a climatizar (5-6) devido às perdas térmicas (paredes, janelas, etc.), e ao atravessar a roda recuperadora (7-8) pré-aquecendo o ar proveniente do exterior e eventualmente transfere umidade e calor para o ar proveniente do exterior (9-10). O umidificador de ar (6-7) e o permutador de calor (8-9) estão desativados.

3.2.2 – Sistema com utilização de material desidratante líquido

Um novo desenvolvimento, perto de chegar ao mercado, utiliza para a exsicante do ar um sorvente líquido: solução água/cloreto de lítio. Por comparação com os sistemas exsicante que utilizam material um solvente sólido, este tipo de sistemas apresenta várias vantagens: maior taxa de desumidificação do ar para a mesma temperatura e a possibilidade de um grande nível de armazenamento de energia, sob a forma de solução concentrada. Esta tecnologia representa sem dúvida, um futuro prometedor para o arrefecimento solar.

Figura16 - Sistema que utiliza um material desidratante líquido, instalado no novo edifício do Centro de Inovação Solar (SOBIC) em Friburgo na Alemanha


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3.3 - Coletores solares Os principais tipos de coletores solares disponíveis no mercado são apresentados na

tabela 3. O arrefecimento solar diferencia-se da produção de água quente, pelo nível elevado

de temperatura à qual o calor útil deverá ser fornecido. Para os chillers térmicos (de absorção e adsorção), a temperatura é, normalmente, acima dos 80ºC, sendo o valor mais baixo admitido de 50ºC. Para sistemas de arrefecimento exsicantes, a temperatura necessária varia entre os 55ºC e os 90ºC. Tendo em conta os elevados caudais para alimentar o sistema, é difícil obter uma estratificação no armazenamento de água quente e a temperatura de retorno do coletor solar é também ela relativamente elevada refletindo uma limitação na escolha do tipo de coletor a utilizar.

Conseqüentemente, coletores planos e coletores a ar adaptam-se bem aos sistemas exsicantes. Em sistemas que utilizem chillers de adsorção, a utilização de coletores planos seletivos está limitada a locais de elevada radiação solar.

Para outros locais com menos radiação solar, ou para grupos de frio que necessitam de elevadas temperaturas, como os sistemas de absorção de efeito simples, devem ser utilizados coletores de alta eficiência. Para sistemas onde é necessário atingir temperaturas ainda mais elevadas, os coletores de tubo de vácuo com concentração óptica e os coletores tipo CPC podem ser considerados. Esta é uma opção interessante para sistemas que utilizem chillers de absorção de alta eficiência (duplo efeito).

Tabela 3

Tipo de colector Colector a ar Colector plano Colector plano com

concentrador parabólico

Colector de tubo de vácuo

Abreviatura CA CP CPC CTV

Princípio Aquecimento directo do ar

Aquecimento de um líquido

(água, água+glicol)

Aquecimento de um líquido

(água, água+glicol), concentração da

radiação

Tubos a vácuo para reduzir as perdas

térmicas

Diferentes tecnologias:

- com heat pipe

- com fluxo directo

- com concentração,

tipo Sydney

Aplicações Principais

Pré-aquecimento do ar de ventilação Água quente sanitária

Água quente sanitária e industrial

Água quente sanitária e industrial

Aplicações principais em arrefecimento

solar

Sistemas abertos exsicantes

Sistemas exsicantes, adsorção, absorção (efeito simples) com colectores selectivos

Adsorção e absorção (efeito simples)

- Adsorção, absorção

- Absorção (duplo efeito): Sydney


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3.4 – Torres de arrefecimento e unidades de tratame nto de ar

As unidades clássicas de tratamento de ar utilizam geralmente sistemas de umidificação. Na maioria dos casos, uma torre de arrefecimento deve ser instalada com os sistemas de absorção e adsorção. As duas tecnologias podem apresentar riscos de contaminação com legionella, se as instalações não tiverem uma manutenção regular e séria.

Este problema não é exclusivo dos sistemas de arrefecimento que utilizam energia solar. Com medidas básicas de segurança e manutenção o risco pode ser evitado. 3.5 – Investimentos e custos de operação e manutenç ão

A maioria das instalações existentes atualmente é de pesquisa ou de demonstração sendo necessário reunir esforços para otimizar a concepção das novas instalações.

O esforço técnico na implementação de um sistema de ar condicionado assistido por energia solar é maior quando comparado com a implementação de um sistema clássico, pelo fato de ser necessário calcular e instalar o sistema solar (produção de energia não incluída numa instalação clássica); e devido às maiores necessidades de arrefecimento do sistema aliado à utilização dos chillers de absorção (COP mais baixo que um sistema clássico). O custo de certos componentes é ainda bastante elevado, e o nível de produção está longe de ter atingido uma fase de forte desenvolvimento industrial (por exemplo para os sistemas de adsorção).

Em resumo, o investimento neste tipo de sistemas é mais elevado quando comparados aos investimentos nos sistemas clássicos. Este fato é menos válido para os sistemas de arrefecimento exsicantes, visto que a maioria dos custos do sistema de ventilação é necessária tanto para o sistema assistido por energia solar como para o sistema clássico, e os custos adicionais com os coletores são parcialmente compensados com a ausência do chiller, que seria necessário no sistema clássico.

Por outro lado, os custos de exploração de um sistema assistido com energia solar são consideravelmente mais baixos, quando comparados com os custos de exploração de um sistema clássico. Isto é particularmente interessante quando a potência elétrica contratada deve ser aumentada para fazer face aos picos de consumo associados a um sistema de climatização clássico.

Em geral, e embora o balanço econômico de um sistema de ar condicionado assistido por energia solar dependa da especificidade desse mesmo sistema, em geral o custo total anual do sistema (incluindo o investimento, os custos de funcionamento e de manutenção) é atualmente superior ao custo anual de um sistema clássico. Para sistemas de arrefecimento por exsicante, é esperado que, com um decréscimo moderado do custo dos componentes, possa tornar os custos competitivos, em determinadas aplicações, com as soluções clássicas.

Para os sistemas que usam chillers térmicos, são necessárias reduções de custo mais importantes. Se bem que, são esperadas reduções sobre os chillers de adsorção, coletores de tubo de vácuo e CPC, são necessários esforços suplementares no aumento da performance técnica (COP) dos chillers. O aumento da experiência dos fabricantes, projetistas e instaladores também deverá resultar num decréscimo no custo. Com estes melhoramentos, estes sistemas podem chegar a um custo global aproximado aos sistemas clássicos, permitindo sempre poupar quantidades consideráveis de energia primária, contribuindo para os objetivos de redução dos impactos ambientais da climatização.

Este benefício ambiental justifica o apoio dos poderes públicos a projetos de demonstração, geralmente sob a forma de subsídios ao investimento, permitindo assim torná-los economicamente mais viáveis.


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4 – ALGUMAS INSTALAÇÕES DE ARREFECIMENTO SOLAR EXIS TENTES NA EUROPA 4.1 – Centro Hospitalar Universitário de Freiburg

• País: Alemanha • Localização: Freiburg, Estado Federal de Baden Württemberg • Edifício: Laboratórios • Capacidade de arrefecimento: 70 kWf • Tecnologia: Chiller de adsorção • Tipo de coletor: CTV - Tubos de vácuo com fluxo directo • Área bruta de coletores: 230 m2 • Em funcionamento desde: 1999 • Descrição: O centro hospitalar universitário de Freiburg tem em funcionamento

diversos laboratórios. Um edifício dos laboratórios, que funciona num edifício separado, está equipado com um sistema de ar condicionado assistido por energia solar. A área total arrefecida do edifício é aproximadamente 550 m². Dois sistemas de ventilação com débito variável (débito nominal 10.550 m³/h e 6.350 m³/h) utilizam permutadores térmicos de duplo-fluxo com recuperação do calor durante a época de aquecimento. Durante a época de arrefecimento, o ar novo é arrefecido através de permutadores de calor com água arrefecida, fornecida por um chiller de adsorção. A temperatura do ar novo é mantida a 18ºC. O calor produzido pelos colectores solares térmicos é utilizado no Verão para alimentar o chiller de adsorção e no Inverno para pré-aquecer o ar ventilado. Um depósito de água quente com 6 m³ e um de água fria com 2 m³ são integrados na instalação. No caso de não haver suficiente radiação solar e baixas temperaturas de armazenamento de água quente, um complemento é fornecido pela rede de vapor do hospital. Uma torre de arrefecimento úmida e fechada arrefece a água utilizada em função das fases do ciclo de adsorção. Após ajustamentos no controlo o funcionamento específico do chiller, a análise dos dados monitorizados de 2002 revelam valores diários de Coeficiente de Performance térmico, COP (frio útil/calor motriz), durante vários dias no


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período de climatização, próximos do valor esperado de 0.60. A eficiência anual dos coletores é de 32%.

• Aspectos financeiros: Custo de investimento total do sistema: 352.000€ (sem custos de monitorização). A instalação foi subsidiada pelo Ministério Federal da Economia e do Trabalho e pela empresa Sulzer Infra. O subsídio total foi de 262.000€. Os custos anuais de funcionamento e manutenção são de aproximadamente 12.000€

• Aspectos energéticos e ambientais: Este sistema permite uma utilização estável da rede de calor, evitando picos de consumo de vapor e eletricidade durante os períodos de forte necessidade de frio, que corresponde a fortes índices de radiação solar. Isto conduz à economia de energia primária e, portanto a uma redução das emissões de CO2. O chiller de adsorção é constituído exclusivamente por material que respeita o ambiente.

4.2 – Gr. Sarantis S.A., Viotia

• País: Grécia • Localização: Oinofyta, Viotia • Edifício: Armazém de produtos de cosmética da empresa Gr. Sarantis S.A. • Capacidade de arrefecimento: 700 kWf • Tecnologia: Adsorção • Tipo de colector: CP – Coletor plano seletivo • Área bruta de coletores: 2.700 m² • Em funcionamento desde: 1999 • Descrição: Este projeto é chamado PHOTONIO e está relacionado com a

instalação de um sistema central de ar condicionado usando energia solar para o aquecimento e arrefecimento de novos edifícios e depósitos da empresa de cosméticos Sarantis S.A. O espaço climatizado é de 22.000 m² (130.000 m³). Um parque de 2.700 m² de coletores solares planos seletivos foi instalado pela sociedade SOLE, S.A. As necessidades anuais de arrefecimento do edifício são de 2.700.000 kWh. Os coletores solares fornecem dois chillers de adsorção com água quente a uma temperatura de 70-75ºC que operam com um COP de 60%. Os dois chillers de adsorção usam a água quente como fonte de energia e produzem água fria à temperatura de 8-10ºC. Os chillers de adsorção não necessitam de partes móveis e usam um mínimo de energia elétrica para o funcionamento das bombas de vácuo (1.5 kW). A potência útil de cada chiller é de 350kW sendo a potência total de 700 kW. Para cobrir os picos de consumo, foram instalados três chillers convencionais de 350 kW cada. Queimadores a Diesel (1.200 kW) substituem


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os coletores solares durante os períodos sem sol. No Inverno, os coletores solares produzem regularmente água quente a 55ºC que é diretamente utilizada nos ventilo-convectores instalados no edifício. A água, fria no Verão e quente no Inverno é direcionada para as unidades de dissipação que arrefecem ou aquecem o ar ambiente conforme as necessidades.

• Aspectos financeiros: O custo total do investimento foi de 1.305.943€, dos quais 50% financiados pelo Programa Nacional Operacional para a Energia (Ministério Grego do Desenvolvimento). O projeto foi premiado com o Energy Globe Award 2001 como o terceiro melhor investimento do Mundo para a energia sustentável em 2001 e pelo CRES (Centre for Renewable Energy Sources) na Grécia como o melhor investimento de poupança de energia na Grécia no ano de 1999.

• Aspectos energéticos e ambientais: Período de observação: 12 meses; Produção solar: 1.719.000 kWh onde 1.090.000kWh para arrefecimento e 629.000 kWh para aquecimento; Necessidade total de energia: 2.614.000 kWh; Fração solar: 66%; Redução de emissão de CO2: 5.125 t/ano

4.3 – Escritórios Sede da Inditex, Arteixo – Corunh a Fundado em 1963, o grupo Inditex é primeiro grupo europeu e segundo mundial de confecção de roupas, proprietária de marcas como Zara, Massimo Dutti, Oysho etc.

• País: Espanha • Localização: Arteixo – Corunha • Edifício: Escritórios e lojas • Capacidade de arrefecimento: 170 kWf • Tecnologia: Chiller de absorção (LiBr-H2O) • Tipo de coletor: CP – Coletor plano seletivo • Área bruta de coletores: 1.626 m² • Em funcionamento desde: 2003 • Descrição: O edifício onde os coletores solares térmicos estão localizados é o

edifício principal da Inditex. Este edifício é utilizado principalmente para escritórios e uma parte para lojas. É composto por dois andares com 10.000 m². cada. O andar superior é utilizado para a concepção de artigos ZARA (roupas e acessórios) e é um espaço aberto com pé direito de 4,10 m. A climatização é efetuada através de três unidades de tratamento de ar, controlados por sensores da temperatura ambiente regulados para 23ºC.


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No térreo, mais compartimentado, as unidades de tratamento de ar estão associadas a ventilo-convectores. O edifício é utilizado desde as 8 da manhã até as 10 da noite, de segunda-feira a sexta-feira e tem uma ocupação média de 500 pessoas nos dois andares. O sistema era anteriormente constituído por duas bombas de calor elétricas e um grupo de frio elétrico que produzia todo o ano água quente a 55ºC e água fria a 7ºC, com um retorno de 45ºC e 12ºC. Com a instalação solar, o calor é acumulado em dois depósitos de 30.000 litros. Quando a temperatura nos depósitos excede 55ºC, o sistema solar recebe ordem para enviar água para o circuito de água quente impedindo o funcionamento das bombas de calor. No Verão, quando a temperatura nos depósitos atinge 80ºC, a água de retorno é enviada para o chiller de absorção que depois de arrefecida é introduzida no circuito de água fria evitando o funcionamento do grupo de frio elétrico.

• Aspectos financeiros: Investimento total: 900.000€ Subsidiado pelo Ministério da Indústria e do Comércio da Região Autônoma da Galiza (100.000 €) e pelo IDAE, Instituto Espanhol para a Diversificação e Economia de Energia

• Aspectos energéticos e ambientais: O sistema solar irá economizar um total de 565.060 kWh/ano que representa 15% do consumo total e reduzir as emissões de CO2 e outros gases poluentes em 282 t/ano.

4.4 – INETI Lisboa

• País: Portugal • Localização: Lisboa • Edifício: Escritórios • Capacidade de arrefecimento: 36 kWf • Tecnologia: Sistema exsicante e bomba de calor • Tipo de coletor: CPC - Colector plano concentrador • Área bruta de coletores: 48 m² • Em funcionamento desde: 1999 • Descrição: Trata-se do edifício do Departamento de Energias Renováveis do

INETI, sede das atividades de pesquisa aplicada no domínio das energias renováveis. Compreende os laboratórios de mecânica e de química e escritórios. Os escritórios do primeiro andar são climatizados exclusivamente por um


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sistema exsicante. O envidraçado exterior representa 70% e são orientadas a Sudoeste (28º Oeste) o que provoca um pico de climatização ao final da tarde. A seção dos dutos de distribuição de ar (dimensionados para um sistema tradicional) limita a vazão de ar, o que obriga a reduzir a temperatura do ar insuflado, pelo que, foi necessário instalar uma bomba de calor complementar. A produção solar compreende 24 coletores CPC instalados na cobertura do edifício. O sistema foi concebido para corresponder às seguintes condições: o Vazão máxima de ar externo 5.000m³/h; o Temperatura do ar exterior: 32ºC; o Umidade relativa de 40,4%; o Umidade absoluta de 12g/kg. Nos escritórios, a temperatura pretendida é de 24ºC com uma umidade relativa de 50%.

• Aspectos financeiros: O sistema foi instalado como uma unidade de demonstração no âmbito de um projeto europeu. Por esta razão, compreende um importante dispositivo de instrumentação destinado à monitorização o que contribui para o custo final elevado da instalação. O custo de reprodução do sistema, sem este dispositivo de instrumentação será de cerca de 75.000€

• Aspectos energéticos e ambientais: O sistema exsicante associado à produção solar permite cobrir as necessidades de arrefecimento dos escritórios com um COP de 0,6 e fração solar de 44% o que corresponde a uma economia anual de cerca de 7.000 kWh elétricos que representam 3,5 t/ano de CO2 não enviados para a atmosfera.

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Engenharia do Ar Condicionado