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Departamento de Engenharia Mecânica
ESTUDO DE DIFERENTES ARQUITETURAS PARA SISTEMAS DE
TRIGERAÇÃO APLICADOS AO HOSPITAL DE CLÍNICAS DA
UNICAMP
Aluno: Felipe Portes Lanes
Orientador: José Alberto dos Reis Parise
Introdução
Vivenciamos uma época onde esforços estão sendo voltados para as pesquisas
responsáveis por desenvolver equipamentos, sistemas e processos mais eficientes e que gerem
impactos ambientais cada vez menores.
Normalmente, por serem instalações de grande porte, os hospitais consomem significativa
quantidade de energia tanto elétrica como térmica. Como energia térmica temos: a geração de
água quente, aquecimento de ambientes ou água fria para o condicionamento de ar. A redução
destes consumos contribui não só para uma economia em termos financeiros nas operações do
hospital, mas também na redução das emissões de gases que provocam o efeito estufa, bem
como para a redução da dependência do hospital à fonte de alimentação externa [1]. Fontes que
por sua vez também contribuem nas emissões de poluentes e/ou gases do efeito estufa, em
menor ou maior escala, dependendo da matriz energética em questão.
Visando conseguir que as instalações trabalhem de forma eficiente, é necessário fazer um
estudo das diferentes alternativas de projeto, antes que o mesmo seja realizado. Estudar
previamente as opções de arquiteturas disponíveis para o estabelecimento permite, não só
avaliar financeiramente se tal escolha é viável, como também se esta atende satisfatoriamente
as demandas energéticas da dependência em questão.
O presente trabalho baseia-se no estudo de três diferentes arquiteturas de projeto para
trigeração (produção simultânea de eletricidade, aquecimento e refrigeração). Em trabalhos
anteriores, foi desenvolvido um modelo termodinâmico básico a partir das características gerais
de cada componente do sistema e da variação das demandas energéticas (frio, calor,
eletricidade) [3]. Neste trabalho um estudo de caso é apresentado a partir das demandas reais
do hospital universitário da UNICAMP em Campinas [2], com dados disponíveis na literatura,
aplicados nas diferentes arquiteturas em discussão.
Objetivos
Estudar três diferentes tipos de arquiteturas de sistema de trigeração com recuperação do
calor de rejeito de um motor a gás natural. Para uma melhor compreensão do sistema, realizar
um estudo baseado em análise energética, mediante o cálculo do EUF “energy utilization
factor”, um dos parâmetros disponíveis para avaliar a performance térmica de sistemas de
trigeração. Ao final da análise, verificar a eficácia dos sistemas de trigeração na redução do
consumo de combustível primário.
Estudo de caso: Hospital Universitário da UNICAMP
O estudo de caso deste trabalho será desenvolvido considerando as demandas energéticas
do Hospital de Clínicas da Unicamp durante o ano de 2006 [2].
As demandas de energia do hospital foram coletadas mediante um sistema de tomada de
dados composto por: (i) medidor da concessionária de eletricidade, (ii) hidrômetro na linha de
reposição do sistema de água quente para fins sanitários, (iii) hidrômetro na linha de
alimentação de água da caldeira e (iv) transformador de corrente no painel de alimentação dos
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resfriadores de líquido. Com este sistema de coleta de dados foram obtidos perfis diários para
as demandas de eletricidade, água quente, vapor e de eletricidade nos chillers (carga térmica).
O sistema armazena os valores médios das demandas de energia (eletricidade, água quente,
vapor e carga térmica) a cada uma hora[2]. Devido ao grande número de dados gerado pelo
sistema, adotou-se como solução para o agrupamento dos dados uma análise estatística (desvio
padrão) [2]. O hospital compra eletricidade da rede, produz vapor saturado, água quente para
fins sanitários e água gelada para climatização.
Os dados foram agrupados por estação do ano, dias úteis e não úteis:
• Verão – dias úteis (60 dias)
• Verão – fins de semana e feriados (29 dias)
• Outono – dias úteis (65 dias)
• Outono – fins de semana e feriados (28 dias)
• Inverno – dias úteis (67 dias)
• Inverno – fins de semana e feriados (27 dias)
• Primavera – dias úteis (60 dias)
• Primavera – fins de semana e feriados (29 dias).
Metodologia
Primeiro é necessário definir o tipo de modelo termodinâmico a ser adotado, ou seja, qual
tipo de análise será utilizada (primeira e/ou segunda leis). Nesta etapa definem-se as equações
fundamentais de balanço aos volumes de controle apropriados. Têm-se como premissas para o
presente estudo: (i) o atendimento integral às três demandas; (ii) a dependência integral do
sistema a uma única fonte de combustível, não se cogitando a possibilidade de conexão a uma
rede elétrica externa; (iii) não há termoacumulação, de fluido quente ou refrigerado; (iv) a
recuperação de calor de rejeito ocorre a níveis de temperatura adequados.
Efetua-se o cálculo das demandas, a partir dos dados disponíveis no artigo utilizado como
base para este escrito, que devem ser divididas em demandas distintas de eletricidade,
aquecimento e refrigeração.
São definidos os parâmetros de desempenho energético do sistema. Eles servirão como
indicação direta na classificação dos resultados da aplicação de um sistema de trigeração no
hospital, bem como na realização de uma análise mais detalhada da eficiência dessa estrutura,
ao longo do seu período de utilização em um dia de operação.
Serão esquematizadas e discutidas quatro arquiteturas ao todo. A primeira trata-se do
sistema sem trigeração e as demais com aplicação de um projeto de trigeração para o sistema.
Foi desenvolvido um código computacional no software MATLAB (versão 2014a) para
o cálculo de consumo e parâmetros de desempenho para cada uma dessas arquiteturas.
Ao final, é realizada uma análise de resultados a partir do desempenho dessas arquiteturas,
ao longo de um dia.
Criou-se um apêndice online onde podem ser acessados conteúdos extras que, por motivo
de formatação exigida para este documento, não foram incluídos neste momento. Sendo eles:
Demandas de eletricidade, aquecimento e refrigeração do hospital [2].
Resultados finais e suas respectivas análises para os dados referentes às demandas
em dias não úteis.
Este material pode ser acessado através do link a seguir:
https://www.dropbox.com/sh/l2wy90qsyuf8zj8/AACUXjqk7IfHGnD98xFp5oXoa?dl=0
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Cálculo das demandas
As demandas de eletricidade iniciais englobavam também o consumo elétrico dos chillers
de compressão de vapor [2]. Nos modelos matemáticos que serão apresentados a seguir, não
devemos incluir o consumo de energia elétrica para acionamento de eventuais chillers de
compressão de vapor. Este consumo é computado indiretamente a partir da demanda de
refrigeração do sistema e dos coeficientes de rendimento dos chillers, (�̇�𝑐𝑜,𝑣𝑐 𝐶𝑂𝑃𝑣𝑐⁄ ). Sendo
assim, para conseguir distinguir demandas de carga térmica e eletricidade devemos:
1. Converter as demandas de carga térmica de TR (tonelada de refrigeração) para
watt.
2. Subtrair estas demandas específicas de carga térmica das demandas de
eletricidade.
As demandas de vapor e água quente, por sua vez, estavam expressas em kg/h e, para a
análise proposta, é necessário convertê-las para unidade de potência, ou seja, estas devem ser
expressas em W (watt). Para tal, basta convertermos as demandas para kg/s e multiplicarmos
pela diferença das entalpias nos respectivos pontos de tomada de dados.
A entalpia é facilmente definida tendo-se em mãos a pressão e temperatura do fluido nos
pontos de interesse:
Tabela 1 – Temperatura, pressão e entalpia nos pontos sob análise (software REFPROP)
Vapor Água Quente
Água Líq. Comprimida
(22,2 °C e 900 kPa)
Vapor Saturado (170 °C e 800 kPa)
Água Líq. Comprimida (22,2 °C e 310 kPa)
Água Líq. Comprimida (50 °C e 210 kPa)
Entalpia (kJ/kg) 93,96 2769 93,33 209,5
Feito isto, as demandas de eletricidade (figuras 1 e 2), aquecimento (figuras 3 e 4) e
refrigeração (figuras 5 e 6) foram dadas como entradas do problema ao código desenvolvido
para executar os cálculos relativos a cada um dos arranjos analisados.
Figura 1 - Demandas de eletricidade no hospital em dias úteis.
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Figura 2 - Demandas de eletricidade no hospital em dias não úteis.
Figura 3 - Demandas de aquecimento no hospital em dias úteis.
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Figura 4 - Demandas de aquecimento no hospital em dias não úteis.
Figura 5 - Demandas de carga térmica no hospital em dias úteis.
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Figura 6 - Demandas de carga térmica no hospital em dias não úteis.
Parâmetros de desempenho do sistema
a) Redução relativa no consumo de energia primária
Para compararmos as três configurações de trigeração quanto a redução no consumo de
energia primária, em relação ao sistema original sem trigeração, usaremos o fator de redução
relativa 𝜉(-):
𝜉 =
�̇�𝐼 − �̇�
�̇�𝐼 (1)
onde:
�̇�𝐼 = Taxa de consumo de combustível no sistema sem trigeração.
�̇� = Taxa de consumo de combustível na arquitetura sob estudo.
b) EUF
De acordo com a definição do “energy utilization factor”, temos que este é o somatório
dos produtos energéticos dividido pelo somatório dos consumos energéticos. Como produtos
energéticos temos as demandas de eletricidade, refrigeração e aquecimento (�̇�𝑙𝑜, �̇�𝑐𝑜 e �̇�ℎ𝑡, respectivamente). Os consumos energéticos são as taxas de consumo de combustível: (i) no
motor, �̇�ℎ𝑒, presente em todas as arquiteturas estudadas; (ii) nos chillers de absorção, �̇�𝑎𝑏,
existente apenas na arquitetura que opera exclusivamente com chillers de absorção; (iii) nos
boilers, �̇�𝑏𝑜, acionados caso o calor de rejeito aproveitado do motor e condensadores dos chillers
não sejam suficientes para atender a demanda de aquecimento.
𝐸𝑈𝐹 =
∑𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜𝑠
∑𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝑠 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜𝑠=�̇�𝑙𝑜 + �̇�𝑐𝑜 + �̇�ℎ𝑡
�̇�ℎ𝑒 + �̇�𝑎𝑏 + �̇�𝑏𝑜 (2)
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Arquiteturas
As arquiteturas estudadas diferem entre si pelo modo como o calor de rejeito é
aproveitado e como o efeito refrigerante é obtido (ciclo de compressão de vapor, acionado
eletricamente, ciclo de absorção, acionado termicamente, ou a combinação dos dois) [3]. O
sistema sem cogeração é incluído para efeito de comparação.
I. Sistema sem cogeração
O sistema sem cogeração, isto é, sem a recuperação dos calores de rejeito (expressos em
termos de taxa) na exaustão, �̇�𝑒𝑥, e no arrefecimento, �̇�𝑒𝑐, é apresentado na figura 7. Energia
elétrica é produzida no gerador, com eficiência 𝜂𝑔𝑒, acionado pelo motor térmico com
eficiência térmica 𝛼𝑒𝑠. A energia elétrica produzida se divide entre a demanda elétrica, �̇�𝑙𝑜- o
gerador acompanha a demanda de energia elétrica, e o consumo pelo "chiller" de compressão
de vapor,(�̇�𝑐𝑜 𝐶𝑂𝑃𝑣𝑐⁄ ) , com coeficiente de desempenho vcCOP , que por sua vez acompanha a
demanda de refrigeração, �̇�𝑐𝑜. A demanda de aquecimento, �̇�ℎ𝑡, é atendida por um aquecedor
("boiler") que consome o combustível primário com uma eficiência 𝜂𝑏𝑜.
Combustível
Boiler
Motor
Térmico
Gerador
Elétrico
Chiller de
Compressão
de
Vapor
F
ecQ
exQ
loE
coQ
htQ
heFboF
bo
ge
es
vcCOP
Figura 7 - Sistema sem cogeração (Fonte [3]).
O consumo de combustível, em termos de taxa de energia, �̇�𝐼, é igual à soma dos
consumos do motor térmico, �̇�ℎ𝑒, e do sistema de aquecimento, �̇�𝑏𝑜:
�̇�𝐼 = �̇�ℎ𝑒 + �̇�𝑏𝑜 (3)
onde:
�̇�ℎ𝑒 = (�̇�𝑙𝑜 +
�̇�𝑐𝑜𝐶𝑂𝑃𝑣𝑐
)1
𝜂𝑔𝑒𝛼𝑒𝑠 (4)
�̇�𝑏𝑜 =
�̇�ℎ𝑡𝜂𝑏𝑜
(5)
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II. Trigeração com chiller de compressão de vapor
Nesta configuração o calor de rejeito é todo direcionado para atender à demanda de
aquecimento, com o "boiler" atuando no caso de o calor de rejeito recuperado (exaustão e
arrefecimento do motor térmico e condensador do chiller) não ser suficiente para atender à
demanda de aquecimento. Os calores de rejeito do motor térmico, via exaustão e arrefecimento
são calculados a partir do balanço energético do motor, que fornece as frações de energia
direcionadas a estes fins, 𝛼𝑒𝑥 e 𝛼𝑒𝑐, e das efetividades térmicas dos sistemas recuperadores de
calor, 𝜀𝑒𝑥 e 𝜀𝑒𝑐. O consumo do motor térmico, �̇�ℎ𝑒, mantêm-se inalterado em relação ao sistema
sem cogeração (equação 3). Por outro lado, reduz-se a queima de combustível no sistema de
aquecimento, �̇�𝑏𝑜. Se a demanda de aquecimento for menor que o calor recuperado, �̇�ℎ𝑡,𝑟𝑒𝑐, esta taxa de consumo se torna nula.
Boiler
Motor
Térmico
Trocador
de Calor
Exaustão
Gerador
Elétrico
Chiller de
Compressão
de
Vapor
Trocador
de Calor
Arref.
Combustível
F heF boF
exQ
ecQ
ex
eces
ge
bo
loE
vcCOP
coQ htQ
Figura 8 - Trigeração com chiller de compressor de vapor (Fonte [3]).
O consumo total de combustível é, portanto:
�̇�𝐼𝐼 = �̇�ℎ𝑒 + �̇�𝑏𝑜 (6)
onde:
�̇�𝐼𝐼,ℎ𝑒 = �̇�𝐼,ℎ𝑒 = (�̇�𝑙𝑜 +
�̇�𝑐𝑜𝐶𝑂𝑃𝑣𝑐
)1
𝜂𝑔𝑒𝛼𝑒𝑠 (7)
�̇�ℎ𝑡,𝑟𝑒𝑐 = �̇�ℎ𝑒(𝛼𝑒𝑐𝜀𝑒𝑐 + 𝛼𝑒𝑥𝜀𝑒𝑥) + �̇�𝑐𝑜 (1 +1
𝐶𝑂𝑃𝑣𝑐) (8)
{
�̇�ℎ𝑡 ≤ �̇�ℎ𝑡,𝑟𝑒𝑐: �̇�𝑏𝑜 = 0
�̇�ℎ𝑡 > �̇�ℎ𝑡,𝑟𝑒𝑐: �̇�𝑏𝑜 =�̇�ℎ𝑡 − �̇�ℎ𝑡,𝑟𝑒𝑐
𝜂𝑏𝑜
(9)
(10)
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III. Trigeração com chiller de absorção
A demanda de refrigeração, na configuração da figura 9, é atendida exclusivamente por
um chiller de absorção, com coeficiente de desempenho, 𝐶𝑂𝑃𝑎𝑏, e acionado termicamente pelo
calor de rejeito do motor térmico. Se este for insuficiente para acionar o chiller na potência
frigorífica desejada, queima-se combustível diretamente no chiller de absorção,
complementando a energia térmica necessária.
Boiler
Motor
Térmico
Gerador
Elétrico
Chiller de
Absorção
Trocador
de Calor
Arref.
F heF boF
exec
ec
es
gebo
loE
abCOP
coQ htQ
abF
cdQ
cdQ
Figura 9 - Trigeração com chiller de absorção (Fonte [3]).
Têm-se três possíveis fontes de consumo de combustível: (i) �̇�𝑎𝑏: combustível adicional
queimado no chiller de absorção, quando a demanda de refrigeração, �̇�𝑐𝑜, supera sua
capacidade máxima, operando somente com o calor de rejeito, �̇�𝑎𝑏,𝑟𝑒𝑐, equação 13; (ii) �̇�ℎ𝑒:
combustível queimado no motor térmico; e (iii) �̇�𝑏𝑜: combustível queimado pelo sistema de
aquecimento (quando o calor de rejeito do sistema de arrefecimento do motor, �̇�ℎ𝑡,𝑟𝑒𝑐, não for
suficiente para atender à demanda de energia térmica para o aquecimento (equação 18).
�̇�𝐼𝐼𝐼 = �̇�𝑎𝑏 + �̇�ℎ𝑒 + �̇�𝑏𝑜 (11)
onde:
�̇�ℎ𝑒 =
�̇�𝑙𝑜𝜂𝑔𝑒𝛼𝑒𝑠
(12)
�̇�𝑎𝑏,𝑟𝑒𝑐 = �̇�ℎ𝑒𝛼𝑒𝑥𝜀𝑒𝑥 (13)
�̇�ℎ𝑡,𝑟𝑒𝑐 = �̇�ℎ𝑒𝛼𝑒𝑐𝜀𝑒𝑐 + �̇�𝑐𝑜 (1 +1
𝐶𝑂𝑃𝑎𝑏) (14)
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{
�̇�𝑐𝑜 ≤ �̇�𝑎𝑏,𝑟𝑒𝑐: �̇�𝑎𝑏 = 0
�̇�𝑐𝑜 > �̇�𝑎𝑏,𝑟𝑒𝑐: �̇�𝑎𝑏 =�̇�𝑐𝑜 − �̇�𝑎𝑏,𝑟𝑒𝑐
𝐶𝑂𝑃𝑎𝑏
(15)
(16)
{
�̇�ℎ𝑡 ≤ �̇�ℎ𝑡,𝑟𝑒𝑐: �̇�𝑏𝑜 = 0
�̇�ℎ𝑡 > �̇�ℎ𝑡,𝑟𝑒𝑐: �̇�𝑏𝑜 =�̇�ℎ𝑡 − �̇�ℎ𝑡,𝑟𝑒𝑐
𝜂𝑏𝑜
(17)
(18)
IV. Trigeração combinada com chillers de absorção e de compressão de vapor
Nesta configuração, similarmente à anterior, o calor de rejeito da exaustão do motor
térmico é recuperado para acionar um chiller de absorção. A diferença reside no fato de, na
eventualidade de a demanda de refrigeração requerer capacidade frigorífica superior àquela
obtida com o ciclo de absorção acionado pelo calor de rejeito, a queima suplementar de
combustível no chiller de absorção é substituída pela operação de um chiller elétrico de
compressão de vapor.
Boiler
Motor
Térmico
Gerador
Elétrico
Chiller de
Compressão
de
Vapor
Trocador
de Calor
Arref.
FheF boF
ex
eces
ge
bo
loE
vcCOP
coQhtQ
Chiller de
AbsorçãocdQ
cdQcdQ
abCOP
ec
Figura 10 - Trigeração com combinação de chillers de absorção e de compressão de vapor
(Fonte [3]).
A demanda de refrigeração, �̇�𝑐𝑜, divide-se, figura 10, entre o chiller de compressão de
vapor, �̇�𝑐𝑜,𝑣𝑐, e o chiller de absorção, �̇�𝑐𝑜,𝑎𝑏, (este último utilizando o calor de rejeito da
exaustão do motor térmico, integral ou parcialmente, dependendo da demanda de refrigeração).
O chiller de compressão de vapor somente entra em operação quando o chiller de absorção
atingir sua capacidade máxima, �̇�𝑎𝑏,𝑟𝑒𝑐, não queimando combustível adicional.
�̇�𝐼𝑉 = �̇�ℎ𝑒 + �̇�𝑏𝑜 (19)
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A taxa de energia primária consumida pelo motor térmico, �̇�ℎ𝑒, quando multiplicada pelas
eficiências deste e do gerador elétrico, 𝛼𝑒𝑠 e 𝜂𝑔𝑒, traduz-se em potência elétrica, distribuída
entre a demanda de eletricidade, �̇�𝑙𝑜, e o consumo elétrico do chiller de compressão de
vapor, (�̇�𝑐𝑜,𝑣𝑐 𝐶𝑂𝑃𝑣𝑐)⁄ .
�̇�ℎ𝑒 =
1
𝜂𝑔𝑒𝛼𝑒𝑠(�̇�𝑙𝑜 +
�̇�𝑐𝑜,𝑣𝑐𝐶𝑂𝑃𝑣𝑐
) (20)
{
�̇�𝑐𝑜 ≤ �̇�𝑎𝑏,𝑟𝑒𝑐:
�̇�𝑐𝑜,𝑐𝑣 = 0
�̇�𝑐𝑜,𝑎𝑏 = �̇�𝑐𝑜
�̇�𝑐𝑜 > �̇�𝑎𝑏,𝑟𝑒𝑐: �̇�𝑐𝑜,𝑐𝑣 = �̇�𝑐𝑜 − �̇�𝑎𝑏,𝑟𝑒𝑐
�̇�𝑐𝑜,𝑎𝑏 = �̇�𝑎𝑏,𝑟𝑒𝑐
(21)
(22)
(23)
(24)
�̇�𝑎𝑏,𝑟𝑒𝑐 = (
�̇�𝑙𝑜𝜂𝑔𝑒𝛼𝑒𝑠
)𝛼𝑒𝑥𝜀𝑒𝑥 (25)
A demanda de aquecimento, �̇�ℎ𝑡, é atendida, em primeiro lugar, pelo calor de rejeito do
fluido de arrefecimento do motor térmico, �̇�ℎ𝑡,𝑟𝑒𝑐, seguido pelo calor rejeitado pelos
condensadores de ambos os chillers, ∑ �̇�𝑐𝑑. Somente se a demanda de aquecimento superar o
calor total recuperado, entra em operação a caldeira suplementar, consumindo combustível
primário, à taxa de �̇�𝑏𝑜.
{
�̇�ℎ𝑡 ≤ �̇�ℎ𝑡,𝑟𝑒𝑐 +∑�̇�𝑐𝑑 : �̇�𝑏𝑜 = 0
�̇�ℎ𝑡 > �̇�ℎ𝑡,𝑟𝑒𝑐 +∑�̇�𝑐𝑑 : �̇�𝑏𝑜 =�̇�𝑏𝑜𝜂𝑏𝑜
(26)
(27)
onde:
�̇�𝑏𝑜 = �̇�ℎ𝑡 − (�̇�ℎ𝑡,𝑟𝑒𝑐 +∑�̇�𝑐𝑑) (28)
�̇�ℎ𝑡,𝑟𝑒𝑐 = �̇�ℎ𝑒𝛼𝑒𝑐𝜀𝑒𝑐 (29)
∑�̇�𝑐𝑑 = �̇�𝑐𝑜,𝑎𝑏 (1 +1
𝐶𝑂𝑃𝑎𝑏) + �̇�𝑐𝑜,𝑣𝑐 (1 +
1
𝐶𝑂𝑃𝑣𝑐) (30)
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Resultados
Após pesquisa bibliográfica [2] e a partir de informações sobre os equipamentos do
sistema [3], foram utilizados os seguintes dados característicos: 𝛼𝑒𝑐=0,3; 𝛼𝑒𝑥=0,3; 𝛼𝑒𝑠=0,39; 𝜀𝑒𝑐=0,75; 𝜀𝑒𝑥=0,75; 𝜂𝑔𝑒=0,9; 𝜂𝑏𝑜=0,8; 𝐶𝑂𝑃𝑣𝑐=4.4; 𝐶𝑂𝑃𝑎𝑏=0.8;
As equações 3 a 30, referentes as arquiteturas sem trigeração, trigeração com chiller de
compressão de vapor, trigeração com chiller de absorção e trigeração combinada com ambos
os chillers, foram aplicadas as demandas apresentadas anteriormente (figuras 1 a 6). A partir
dessas equações foram calculados os consumos de combustível em taxa de energia para, então,
através das equações 1 e 2 calcular os parâmetros de desempenho, ξ e EUF, das alternativas de
trigeração.
A figura 11 apresenta o consumo de combustível sob a forma de taxa de energia primária,
requerida ao longo de um dia útil, para o sistema sem trigeração. Analogamente, a figura 12
para a arquitetura de trigeração operando com chillers de compressão de vapor, 13 para
trigeração operando com chillers de absorção e 14 trigeração com chillers de absorção e
compressão de vapor trabalhando combinados. As figuras 15 a 18 expressam a redução relativa
no consumo de energia primária das arquiteturas que utilizam trigeração em relação ao sistema
sem trigeração. De maneira que, estão divididas pelas estações do ano (verão, outono, inverno
e primavera) em dias úteis. As figuras 19 a 22, de maneira análoga, expressam a evolução do
“energy utilization factor” no intervalo de operação do hospital para cada caso.
A tabela 2 apresenta o consumo diário de energia, expresso em Joules (J), em dias úteis.
A tabela 3 apresenta a redução relativa no consumo de energia das arquiteturas que utilizam
trigeração, em relação ao sistema sem trigeração, nos mesmos dias. Essas tabelas nos dão uma
visão geral do consumo diário de energia por arquitetura e qual delas resulta na maior economia
de combustível em forma de energia primária no período de um dia e, consequentemente, ao
longo de um ano.
Consumo de combustível em taxa de energia
Figura 11 - Consumo de combustível em de taxa de energia para uma configuração sem
trigeração, operando em dias úteis.
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Figura 12 - Consumo de combustível em de taxa de energia para uma configuração com
trigeração utilizando chillers de compressão de vapor, operando em dias úteis.
Figura 13 - Consumo de combustível em de taxa de energia para uma configuração com
trigeração utilizando chillers de absorção, operando em dias úteis.
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Figura 14 - Consumo de combustível em de taxa de energia para uma configuração com
trigeração utilizando chillers de absorção e de compressão de vapor, operando em dias úteis.
A partir dos gráficos apresentados podemos fazer as seguintes conclusões:
- O perfil do consumo nos dias úteis é bem definido e se assemelha ao das demandas para
eletricidade e carga térmica nestes mesmos dias. Podemos citar dois motivos para este
comportamento: o fato dessas demandas terem um patamar superior nítido que vai das oito da
manhã até as dezesseis horas da tarde e, além disso, nas configurações de trigeração não ocorreu
eventual consumo de combustível adicional nos boilers para suprir a demanda de aquecimento,
diferente do sistema sem trigeração onde o perfil é alterado.
- O menor consumo se deu na arquitetura IV que utilizou chillers de absorção e, caso estes não
sejam suficientes para atender a demanda de refrigeração, chillers de compressão de vapor.
Como todas as configurações atenderam integralmente às demandas de aquecimento para
produção de água quente e vapor saturado, sua superioridade em relação as demais arquiteturas
pode ser relacionada ao melhor aproveitamento de combustível, destinado para suprir as
demandas de refrigeração. Este fato será melhor visualizado nos gráficos de redução relativa
no consumo de combustível em taxa de energia primária.
- O maior consumo de combustível ocorreu nos arranjos sem trigeração e trigeração com
chillers de compressão de vapor. Sabidamente, quando o arranjo opera sem trigeração, não há
nenhum aproveitamento energético para o calor de rejeito dado pela exaustão e arrefecimento
do motor. Logo, consome-se combustível para suprir as demandas de eletricidade e refrigeração
e, adiciona-se a este consumo, combustível queimado nos boilers para suprir as demandas de
aquecimento. No arranjo com chiller de compressão de vapor, apenas as demandas de
aquecimento são atendidas pelo calor de rejeito. Grande parte desse calor poderia ser
aproveitado para suprir as demandas de refrigeração, porém é desperdiçado.
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Redução relativa no consumo de energia primária
Figura 15 - Redução relativa no consumo de energia primária em relação ao sistema sem
trigeração, operando durante o verão em dias úteis.
Figura 16 - Redução relativa no consumo de energia primária em relação ao sistema sem
trigeração, operando durante o outono em dias úteis.
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Figura 17 - Redução relativa no consumo de energia primária em relação ao sistema sem
trigeração, operando durante o inverno em dias úteis.
Figura 18 - Redução relativa no consumo de energia primária em relação ao sistema sem
trigeração, operando durante a primavera em dias úteis.
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A partir dos gráficos apresentados podemos fazer as seguintes conclusões:
- Em todas as estações do ano, a configuração de trigeração combinada com chillers de absorção
e compressão de vapor obteve redução máxima de consumo relativo de combustível. Como
discutido anteriormente esta configuração se mostrou a que melhor atende as demandas do
hospital ao longo do ano.
- Nas figuras 16 e 17 (outono e inverno dias úteis, respectivamente) os arranjos de trigeração
com chillers de absorção e chillers de absorção e compressão de vapor combinados obtiveram
o mesmo resultado em parte do dia, no caso do outono dias úteis, e ao longo de todo o dia, no
caso do inverno dias úteis. Verificando que nestes pontos de mesmo valor os chillers de
compressão de vapor não foram acionados quando operando em trigeração com chillers
combinados.
- No verão, quando a demanda de refrigeração é elevada, o arranjo operando com chillers de
absorção apresentou, em alguns momentos, redução relativa no consumo de combustível
inferior ao aranjo operando somente com chillers de compressão de vapor. Pois, quando o calor
de rejeito destinado aos chillers de absorção não é suficiente para atender esta demanda,
queima-se combustível adicional nos mesmos. Como o coeficiente de performance do chiller
de absorção, 𝐶𝑂𝑃𝑎𝑏, é inferior ao coeficiente de performance do chiller de compressão de
vapor, 𝐶𝑂𝑃𝑣𝑐, a melhor opção é utilizar chillers de compressão de vapor para atender as
demandas de refrigeração.
“Energy utilization factor” – (EUF)
Figura 19 - EUF do sistema, operando durante o verão em dias úteis.
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Figura 20 - EUF do sistema, operando durante o outono em dias úteis.
Figura 21 - EUF do sistema, operando durante o inverno em dias úteis.
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Figura 22 - EUF do sistema, operando durante a primavera em dias úteis.
A partir dos gráficos apresentados podemos fazer as seguintes conclusões:
- Similarmente ao que ocorreu na análise da redução relativa no consumo de combustível, nas
figuras 20 e 21 (outono e inverno dias úteis, respectivamente), houve coincidência de valores
para o EUF. A razão para tal acontecimento é a mesma apresentada na análise da redução
relativa no consumo de combustível nessas estações.
- Percebe-se que, em dias úteis, no período de meia-noite às cinco horas da manhã, o EUF quase
não se altera. Mas, a partir das seis horas de manhã há uma queda do EUF, voltando a crescer
de forma oscilatória a partir das quinze/dezesseis horas da tarde. Como visto anteriormente,
temos que esse intervalo corresponde a um patamar superior nas demandas de eletricidade e
carga térmica no hospital, ou seja, o somatório dos produtos energéticos aumenta. Porém, o
somatório dos consumos energéticos também sobe significativamente. Nesta situação, temos
que há calor de rejeito em excesso. Resultando, mesmo em sistemas com trigeração, uma
utilização não integral deste rejeito, sendo então desperdiçado. Isto leva a uma redução no valor
do EUF durante esse intervalo específico, voltando a subir depois do período de maiores
demandas energéticas.
Consumo energético
O consumo energético diário do hospital, 𝐸𝐷,foi calculado a partir das taxas de consumo
de combustível de cada arranjo e do intervalo de tempo entre esses valores (∆𝑡 = 1h = 3600
segundos):
𝐸𝐷 = ∑(�̇�𝑁+1 − �̇�𝑁)
24
𝑁=0
(∆𝑡
2) (31)
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Tabela 2 - Consumo diário de energia primário ao longo do ano, operando em dias úteis.
Consumo Diário de Energia Primária (MJ)
Arquitetura verão dias úteis outono dias úteis inverno dias úteis primavera dias úteis
I 305,71 272,47 271,23 269,04
II 220,21 210,57 212,48 204,03
III 211,31 189,08 192,53 189,26
IV 194,51 185,48 192,53 179,43
Tabela 3 - Redução relativa no consumo diário de energia primária em relação ao sistema sem
trigeração ao longo do ano, operando em dias úteis.
Redução Relativa no Consumo diário de Energia Primária (-)
Arquitetura verão dias úteis outono dias úteis inverno dias úteis primavera dias úteis
II 0,28 0,23 0,22 0,24
III 0,31 0,31 0,29 0,30
IV 0,36 0,32 0,29 0,33
Como já foi constatado, o menor consumo e, portanto, a maior redução relativa de
energia primária se deu na configuração que opera com trigeração combinada.
Conclusões Finais
Três configurações básicas de sistemas de trigeração foram estudadas. Os principais
componentes foram caracterizados por parâmetros globais e um modelo termodinâmico básico
foi desenvolvido. Os resultados apontaram a quarta arquitetura (IV) como sendo a melhor
configuração dentre as opções de trigeração.
O estudo também mostra a importância de se considerar, no próprio modelo de avaliação,
as demandas energéticas (refrigeração, aquecimento e potência elétrica), pois a relação entre
estas e a capacidade do sistema determinará a melhor configuração para o sistema de trigeração.
Foram estudados dois usos para o calor de rejeito do motor térmico: diretamente para o sistema
de aquecimento ou para acionar um ciclo de refrigeração por absorção.
Cumpre lembrar que o presente trabalho não levou em consideração fatores importantes na
maioria das possíveis aplicações para sistemas de trigeração: a existência de tarifas
diferenciadas, disponibilidade de mais de um combustível primário e termoacumulação (a
baixas ou altas temperaturas), entre outros.
Referências
1 – RENEDO, C. J., ORTIZ, A., SILIÓ, D., MANANÃ, M., PERÉZ, S., CARCEDO, J.
Cogeneration in a Hospital: a case Study, Energy and Buildings, ISSN 0378-7788, 38 p. 484-
490, maio 2006.
2 - ESPIRITO SANTO, D. B. Cogeração de alta eficiência: uma metodologia de análise para
predizer o desempenho, Revista ABRAVA, Ed.306, p. 38-44, agosto 2012.
3 – COELHO V. M. E., PARISE J.A.R., MERCOFRIO 2014 - 9º CONGRESSO
INTERNACIONAL DE AR CONDICIONADO, REFRIGERAÇÃO, AQUECIMENTO E
VENTILAÇÃO, Estudo de diferentes arquiteturas para sistemas de trigeração com aplicação
em um caso de centro comercial, 2014, Porto Alegre.
