1. 1. SISTEMAS DE AR CONDICIONADO E REFRIGERAO PROCEL PROGRAMA NACIONAL DE CONSERVAO DE ENERGIA ELTRICA Eng Srgio Meirelles Pena 1 Edio - JULHO/2002
2. 2. ELETROBRS/PROCEL CEPEL2 ndice MDULO I - FUNDAMENTOS .........................................................6 1. INTRODUO ...........................................................................7 1.1. Climatizao Refrigerao Ventilao ..........................7 1.2. Diagnstico Energtico ........................................................7 1.3. Medidas de Conservao de Energia (MCES) ....................8 2. FUNDAMENTOS .........................................................................8 2.1. UMA VISO DE CONJUNTO .................................................8 2.1.1. Uma instalao de pequeno/mdio porte ..........................................8 2.1.2. Uma instalao de mdio/grande porte .............................................10 2.2. CONCEITOS BSICOS ............................................................12 2.2.1. Temperatura .........................................................................................12 2.2.2. Calor Sensvel ........................................................................................13 2.2.3. Calor Latente ........................................................................................13 2.2.4. Umidade Relativa do Ar (UR) .................................................................14 2.2.5. Temperatura de Bulbo Seco do Ar ........................................................17 2.2.6. Temperatura de Bulbo mido do Ar .....................................................17 2.2.7. Entalpia .................................................................................................17 2.2.8. Carta Psicromtrica ..............................................................................17 2.2.9. Exerccios na Carta Psicromtrica .........................................................18 2.2.10. Ciclo Frigorfico por Compresso ..........................................................26 2.2.11. Coeficiente de Performance .................................................................30 2.2.12. EER ENERGY EFFICIENCY RATE (RAZO DE EFICINCIA ENERGTICA) .....31 2.2.13. EFICINCIA EM kW/TR..............................................................................32 2.2.14. TRANSMISSO DE CALOR MECANISMOS RADIAO- CONVECO CONDUO ..........................................................................................32
3. 3. ELETROBRS/PROCEL CEPEL3 2.3. CARGAS TRMICAS SOBRE UMA EDIFICAO .......................40 2.3.1. Fatores que influem sobre as Cargas Externas ....................................41 2.3.1.1. Radiao Solar atravs de Janelas ....................................................41 2.3.1.2. Ganhos por Conduo atravs de Paredes Externas e Telhados .......43 2.3.1.3. Ar de Ventilao...................................................................................45 2.3.1.4. Infiltrao .............................................................................................47 2.3.2. Fatores que influem sobre as Cargas Internas .....................................48 2.3.2.1. Ganhos por Conduo atravs de Vidros - Paredes Internas- Forros - Pisos .............................................................................................................48 2.3.2.2. Pessoas ................................................................................................50 2.3.2.3. Potncia dissipada por Equipamentos ...............................................51 2.3.2.4. Potncia dissipada por Iluminao.....................................................51 2.3.2.5. Perdas em Dutos ..................................................................................51 2.4. PLANILHA DE CARGA TRMICA ..............................................53 2.5. CLASSIFICAES DE SISTEMAS DE AR CONDICIONADO EQUIPAMENTOS - ARRANJOS - DISTRIBUIO DE AR ..............56 2.5.1. Sistema de Expanso Direta .................................................................56 2.5.2. Sistema de Expanso Indireta ..............................................................61 2.5.2.1. Tudo gua ...........................................................................................61 2.5.2.2. Sistemas Ar gua ..............................................................................62 2.5.2.3. Sistemas Tudo Ar ..................................................................................63 2.5.2.3.1. Sistemas Multizona ...........................................................................63 2.5.2.3.2. Sistemas VAV ....................................................................................65 2.6. EQUIPAMENTOS DE AR CONDICIONADO E SEUS RENDIMENTOS TPICOS ..................................................................................66 BIBLIOGRAFIA:..............................................................................70 MDULO II - GERENCIAMENTO DO CONSUMO DE ENERGIA ELTRICA - MEDIDAS DE CONSERVAO DE ENERGIA (MCES) - DIAGNSTICO ENERGTICO ............................................................................71
4. 4. ELETROBRS/PROCEL CEPEL4 1. INTRODUO ...........................................................................72 1.1. GERENCIAMENTO DO CONSUMO DE ENERGIA ....................72 1.2. DIAGNSTICO ENERGTICO .................................................72 2.0. MEDIDAS DE CONSERVAO DE ENERGIA (MCES) ..............72 2.1. MCES COM CUSTO ZERO ...................................................73 2.1.1. Ajustes de registros (dampers) de tomada de ar exterior ...................73 2.1.2. Desligamento De Luzes.........................................................................75 2.1.3. Vazamento em Dutos ...........................................................................77 2.1.4. Desligamento de Sistemas de Exausto ..............................................77 2.1.5. Limpeza de Filtros .................................................................................77 2.1.6. Programao de Computadores Para Baixo Consumo ......................79 2.1.7. Ajustes de acionamentos .....................................................................79 2.1.8. Limpeza de Superfcies de Trocadores de Calor ..................................79 2.1.9. Ajustes de Termostatos ..........................................................................80 2.1.10. Ajustes de Vazo de Ar .........................................................................81 2.1.11. Manutenao Programada.................................................................82 2.1.12. Seminrio de Conservao de Energia ...............................................82 2.2. MCES COM BAIXO CUSTO ..................................................82 2.2.1. Reduo de Infiltrao de Ar Externo. ..................................................82 2.2.2. Reclculo de Ocupao de Pessoal - Ar Exterior - Rebalanceamento 83 2.2.3. Isolamento Trmico em Dutos ...............................................................83 2.2.4. Isolamento de Tubos .............................................................................84 2.2.5. Desligamento de Sistemas X Instalaes de Sistemas Dedicados. .....84 2.2.6. Desligamento de Bombas de Circulao (BAG e BAC) e Torres de Resfriamento .........................................................................................84 2.2.7. Segregao para rea de Fumantes..................................................84 2.2.8. Recalibrar Controles..............................................................................85 2.2.9. Instalar Barreiras ou Isolar Equipamentos .............................................85
5. 5. ELETROBRS/PROCEL CEPEL5 2.2.10. Reduzir Perdas em Circuitos de gua (Fase de Projeto ou Retrofit).....85 2.2.11. Proteo de Vidros Cortinas, Filmes, Brises, Telas ...............................86 2.3. MEDIDAS COM CUSTOS DE MODERADOS A ALTOS REFORMAS (RETROFITS) ..........................................................................87 2.3.1. Impacto da Eficientizao da Iluminao sobre o Sistema de ar Condicionado ......................................................................................87 2.3.2. Controle do Ar Exterior (Ventilao) pelo uso de Sensores de CO2 .......88 2.3.3. Isolamento Trmico em Coberturas ......................................................88 2.3.4. Uso de Motores Eficientes ......................................................................89 2.3.5. Uso de Variador de Freqncia ( VSDS) ...............................................91 2.3.6. Trocas de Centrais de gua Gelada ( CAG) ........................................92 3.0. SOFTWARES RELACIONADOS ESTIMATIVA DE CARGA TRMICA E SIMULAO PREDIAL ..........................................................96
6. 6. ELETROBRS/PROCEL CEPEL6 MDULO I - FUNDAMENTOS
7. 7. ELETROBRS/PROCEL CEPEL7 1. INTRODUO 1.1. Climatizao Refrigerao Ventilao Climatizao - Trata o ar , ajustando sua temperatura em valores geralmente acima de 20 o. C. Pode controlar alm da temperatura do ar no recinto, a presso interna, a pureza do ar (filtragem) e sua umidade relativa. A Climatizao pode ser utilizada com finalidades de conforto ambiental (como no uso residencial, em escritrios, comrcio, etc.) ou Industrial, para controlar variveis de processo (na indstria de tecelagem e grfica, controlando temperatura e umidade) na indstria eletrnica, controlando temperatura, umidade, pureza do ar e presso do recinto. Refrigerao - Quando utilizando o ar como fluido para controle da temperatura, o ar resfriado a temperaturas prximas de 0 o. C, podendo chegar a temperaturas abaixo de -10 C. Como aplicaes tpicas, o uso de Cmaras ou Balces Frigorficos. Ventilao - Nesta aplicao, o ar introduzido num ambiente para controlar a sua temperatura, limitado sempre em relao temperatura do ar exterior, removendo a energia trmica gerada no seu interior por pessoas , equipamentos, etc. Neste caso, no h como controlar a temperatura a um valor fixo. A Ventilao tambm usada para remover poluentes e odores. 1.2. Diagnstico Energtico Um Diagnstico Energtico uma ferramenta utilizada para levantar e estimar como e em que quantidades as diversas formas de energia esto sendo gastas numa Edificao, em seus Sistemas (ar condicionado, iluminao, motorizao, bombeamento, refrigerao, etc.) ou, em aplicaes Industriais, nos seus processos (ar comprimido, vapor, bombeamento, etc.). Aps o levantamento, feito estudo que permite avaliar perdas (traduzido em consumo de kWh, demanda, etc.), seus custos e indicar medidas corretivas, avaliar custos de investimentos nas modificaes (projetos, aquisio de equipamentos novos), calcular tempo de retorno dos investimentos, visando orientar os gerentes do empreendimento na tomada de decises.
8. 8. ELETROBRS/PROCEL CEPEL8 1.3. Medidas de Conservao de Energia (MCES) So medidas que visam reduzir o consumo de energia, nas suas diversas formas (eltrica, trmica, etc.). Podem ser extremamente simples como desligar lmpadas e condicionadores de ar fora de horrio de uso, ou medidas mais complexas que demandam clculos elaborados e investimentos, como a substituio de uma central de resfriadores de gua gelada (CAG), com baixa eficincia, de um Sistema de Ar Condicionado de um prdio. 2. FUNDAMENTOS 2.1. UMA VISO DE CONJUNTO 2.1.1. Uma instalao de pequeno/mdio porte Instalaes at 100 TR (este nmero limite pode variar). A instalao pode consistir no uso de um ou mais condicionador unitrio tipo janela (Fig . 1), condicionadores tipo split (Fig.2), ou num sistema um pouco mais complexo constitudo de condicionadores tipo self contained(auto portante), rede de dutos para distribuio do ar, torre de resfriamento, bomba de gua de condensao e respectivas tubulaes (Fig 3). Fig. 1
9. 9. ELETROBRS/PROCEL CEPEL9 Fig. 2- Split
10. 10. ELETROBRS/PROCEL CEPEL10 Fig. 3 2.1.2. Uma instalao de mdio/grande porte Instalaes acima de 100 TR podem assumir diversas configuraes, mas a ttulo de ilustrao, vamos apresentar os constituintes de um Sistema tpico de gua gelada (expanso indireta) . Ver Fig 4A e 4 B Fig. 4 A
11. 11. ELETROBRS/PROCEL CEPEL11 Fig. 4B
12. 12. ELETROBRS/PROCEL CEPEL12 2.2. CONCEITOS BSICOS 2.2.1. Temperatura A temperatura uma propriedade da matria. uma medida do nvel energtico de um corpo. Uma alta temperatura um indicativo de alto nvel de energia do corpo. Diz-se neste caso, que o corpo est quente. J se demonstrou que a temperatura uma funo da energia cintica interna, sendo um ndice da velocidade molecular. expressa em graus Celsius (C) , no sistema Internacional, Fahrenheit (F), e outras unidades. A correspondncia entre as escalas Celsius e Fahrenheit, mostrada na Fig. 5, a seguir: Fig. 5 A expresso que correlaciona estas unidades dada por: 9 32 5 = FC
13. 13. ELETROBRS/PROCEL CEPEL13 A ttulo de ilustrao: A gua a 100 C , corresponde a: Fx 21232))5100(9( =+ Outra relao importante, de uso freqente, a que relaciona diferenciais de temperaturas expressas em C com F, dado por: 9 )( 5 )( FTCT = A tabela no.1, no Anexo , mostra a correspondncia entre estas temperaturas. 2.2.2. Calor Sensvel Se tomarmos uma poro de uma matria, por exemplo gua na fase lquida a temperatura ambiente , digamos 25 C, por exemplo, e a aquecemos at 99 C a uma presso atmosfrica normal (760 mm Hg), dizemos que introduzimos Calor Sensvel . Ento, toda vez que introduzimos (ou removemos) calor num corpo , variando sua temperatura, sem contudo mudar de estado, dizemos que recebeu (ou perdeu Calor Sensvel). 2.2.3. Calor Latente Se tomarmos a gua do exemplo acima, levarmos a 100 C (212 F), e presso atmosfrica normal (760 mm Hg- 14,7 psia), e introduzirmos uma quantidade adicional de calor, vamos observar que ter incio a mudana de fase, ou seja, Vaporizao. Se medirmos a temperatura da gua durante toda a vaporizao, veremos que a temperatura permanece a 100 C (212 F). Neste caso o calor introduzido dito Calor Latente. Ver Figs. 6 e 7
14. 14. ELETROBRS/PROCEL CEPEL14 Fig.6 Fig .7 No caminho inverso, se tomarmos o vapor que estava sendo gerado no exemplo acima e o passssemos num Condensador (operao de Condensao), removendo o seu calor, obteramos um liquido (o Condensado), tambm a 100 C. O calor removido foi , igualmente, Calor Latente. Sumarizando: Toda vez que h troca de calor com mudana de temperatura, sem mudana de estado fsico, o calor cedido ou removido dito Sensvel. No momento em que a troca de calor acarreta mudana de estado fsico, sem ser acompanhado por mudana de temperatura, dizemos que houve troca de Calor Latente. 2.2.4. Umidade Relativa do Ar (UR) A Umidade Relativa a relao aproximada entre as massas de vapor dgua presente num volume e a massa de vapor que saturaria aquele volume, a mesma temperatura e presso total. max2 2 OvapH OvapH m m UR =
15. 15. ELETROBRS/PROCEL CEPEL15 A umidade relativa do ar pode ser medida com auxlio de higrmetros, sendo que os tcnicos de ar condicionado (A/C) usam mais comumente os psicrmetros (Fig.8). Estes consistem basicamente de dois termmetros, um de bulbo seco e outro mido. Com estas medidas, a umidade pode ser lida numa Carta Psicromtrica (Fig.9). Fig. .8
16. 16. ELETROBRS/PROCEL CEPEL16 Fig. 9
17. 17. ELETROBRS/PROCEL CEPEL17 2.2.5. Temperatura de Bulbo Seco do Ar a temperatura indicada para a mistura ar-vapor, por um termmetro comum. Esta temperatura a mesma para ambos elementos da mistura, ou seja, do vapor e ar. (Fig. 8). 2.2.6. Temperatura de Bulbo mido do Ar Esta temperatura obtida por um termmetro similar ao mostrado na Fig.8, onde seu bulbo envolto numa gaze molhada exposta a uma corrente de ar at que o equilbrio da temperatura da mistura ar-vapor /bulbo seja obtida e a temperatura pare de baixar. Esta temperatura ser inferior de Bulbo Seco. 2.2.7. Entalpia A Entalpia uma varivel termodinmica de posio ou de quantidade. De uma maneira geral trabalha-se com diferenas de entalpias . Esta diferena corresponde quantidade de calor trocado pelo ar (mistura ar- vapor), entre duas posies . 2.2.8. Carta Psicromtrica A Carta Psicromtrica um diagrama onde so representadas as propriedades termodinmicas do ar (Ver Fig. 9). As grandezas representadas neste diagrama so as seguintes: Temperatura de bulbo seco BS- o. C ou F Temperatura de bulbo mido BU- o. C ou F Umidade relativa do ar (UR)- % Umidade Absoluta do ar (W) lb vapor/lb ar seco, ou grains vapor/lb ar seco ou gramas (g) vapor/ kg de ar seco. 1 lb = 0,454 kg 1 grain vapor = 1/7000 lb vapor
18. 18. ELETROBRS/PROCEL CEPEL18 1 g vapor =15,42 grains vapor 1 g vapor / kg ar seco = 1/7 grains vapor/ lb ar seco Volume Especfico (v) m3 /kg ar ou ft 3 de ar/ lb ar (o volume especfico o inverso da massa especfica). Entalpia- (h, ou i)- BTU/ lb ar ou kcal/kg ar A Fig. 10, a seguir , apresenta de forma esquemtica as principais linhas de uma carta psicromtrica, com as respectivas grandezas termodinmicas: Figura 10 2.2.9. Exerccios na Carta Psicromtrica A) Na carta a seguir foi assinalado um ponto (1), com as seguintes caractersticas: TBS 77 o. F h = 38,5 BTU/LB TBU 75 o. F W= 127 gr/Lb ar UR 90 % W= 0,018 Lb vapor/Lb ar seco
19. 19. ELETROBRS/PROCEL CEPEL19
20. 20. ELETROBRS/PROCEL CEPEL20 B) AQUECIMENTO (RESFRIAMENTO) S COM CALOR SENSVEL Uma vazo de 1000 ft3/min (c.f.m.) ar sendo aquecido num duto por um banco de resistncias (s calor sensvel), conforme esquema, passou do ponto (1) ao ponto (2). Fig. 11 1 - A partir da carta psicromtrica, indicar as condies iniciais e finais do ar: 2 - Com a expresso a seguir, calcular a quantidade de calor sensvel acrescido ao ar: Qs= 1,08 X cfm X (t2-t1) Sendo: Qs = Calor sensvel trocado , em BTU/h cfm = vazo em ps cbicos por minuto t2, t1, Temperatura de bulbo seco , na sada e entrada do resistor INICIAL (1) FINAL (2) DIFERENA BS ( F) 75 85 10 BU ( F) 62.9 66 3.1 W (GR/LB) 66 66 0 W(LB/LB AR SECO) 0.0095 0.0095 0 h=(BTU/LB) 28.3 30.7 2.4 V= (ft3/LB) 13.4 13.9 0.5
21. 21. ELETROBRS/PROCEL CEPEL21 1,08 = fator de converso Qs= 1,08 X 1000X_(10) =10800_ Qs=10.800BTU/h A expresso do Calor Sensvel em unidades mtricas: Qs= 0,288 X m3/h X (t2-t1) Sendo: Qs = Calor Sensvel em kcal/h m3/h = vazo em m3/ h t2/t1 = temperaturas de sada e entrada em o. C Ou com a expresso do Calor Total: hcfmQt = ..5,4 Qt= 4,5X1000X(2,4) =10.800 Qt=10.800BTU/h Comparando, vemos que Qs = Qt , j que s houve variao no calor sensvel, portanto igual ao calor total. C) UMIDIFICAO (OU DESUMIDIFICAO) S COM CALOR LATENTE (Fig. 11) Uma vazo de 1000 ft3/min (c.f.m.) ar ser umidificada num duto por um umidificador (s calor latente), conforme esquema, passando do ponto (2) ao ponto (3), segundo evoluo mostrada na carta psicromtrica:
22. 22. ELETROBRS/PROCEL CEPEL22 Fig. 12 1 - Indicar as condies iniciais e finais do ar , lidas na carta psicromtrica: 2 - Com a expresso a seguir, calcular a quantidade de calor latente acrescido ao ar: Ql= 0,67 X cfm X (w2-w1) Sendo: Ql = Calor latente trocado , em BTU/h cfm = vazo em ps cbicos por minuto w2, w1, umidades absolutas (grain/lb) , na sada e entrada do umidificador 0,67 = fator de converso Ql= 0,67 X 1000X_(62) =41540 INICIAL (2) FINAL (3) DIFERENA BS ( F) 85 85 0 BU ( F) 66 77 11 W (GR/LB) 66 128 62 W(LB/LB AR SECO) 0.0095 0.0182 0.0087 h=(BTU/LB) 30.7 40.5 9.8 V= (ft3/LB) 13.9 14.1 0.2
23. 23. ELETROBRS/PROCEL CEPEL23 Ql=41540BTU/h A Expresso do Calor Latente em unidades mtricas: Ql= 0,702 X m3/h X (w2-w1) Sendo: Ql = Calor latente em kcal/h m3/h = vazo em m3/h w2/w1 = umidades de sada e entrada em g/kg ar seco (gramas/quilograma ar seco) D) RESFRIAMENTO COM DESUMIDIFICAO EM UMA SERPENTINA (Fig.13) Uma vazo de 1000 ft3/min (c.f.m.) ar ser resfriada e desumidificada numa serpentina de um condicionador de ar, conforme esquema, passando do ponto (3) ao ponto (1), segundo evoluo mostrada na carta psicromtrica: Fig.13
24. 24. ELETROBRS/PROCEL CEPEL24 1 - Indicar as condies iniciais e finais do ar , lidas na carta psicromtrica: 2 - Com a expresso a seguir, calcular a quantidade de calor sensvel removido do ar: Qs= 1,08 X cfm X (t3-t1) Sendo: Qs = Calor sensvel removido , em BTU/h cfm = vazo em ps cbicos por minuto t1, t3, temperaturas (o. C) , na sada e entrada da serpentina 1,08 = fator de converso Qs= 1,08 X 1000X(10) =10800 Qs=10.800BTU/h 3 - Com a expresso a seguir, calcular a quantidade de calor latente removido do ar: Ql= 0,67 X cfm X (w3-w1) Sendo: Ql = Calor latente trocado , em BTU/h cfm = vazo em ps cbicos por minuto w1, w3, umidades absolutas (grain/lb) , na sada e entrada da serpentina 0,67 = fator de converso Ql= 0,67 X 1000X(62) =41.540 Ql=41.540 BTU/h INICIAL (3) FINAL (1) DIFERENA BS ( F) 85 75 10 BU ( F) 77 62.9 14.1 W (GR/LB) 128 66 62 W(LB/LB AR SECO) 0.0182 0.0095 0.0087 h=(BTU/LB) 40.5 28.3 12.2 V= (ft3/LB) 14.1 13.4 0.7
25. 25. ELETROBRS/PROCEL CEPEL25
26. 26. ELETROBRS/PROCEL CEPEL26 2.2.10. Ciclo Frigorfico por Compresso A gua, com sabido, vaporiza a 100 C em presses normais. Existem fluidos contudo, que vaporizam a temperaturas bem mais baixas. Estes fluidos so chamados de Fluidos Refrigerantes, pois possuem caractersticas termodinmicas especiais. O Freon 22, vaporiza a 0 C quando recebendo calor e submetido a presso de 4 kg/cm2. Isto permite que este fluido, nesta temperatura, seja utilizado para remover calor de substncias a temperaturas mais elevadas, como no resfriamento do Ar ou gua numa instalao de Ar Condicionado. Desta forma tornou-se possvel, atravs da compresso e expanso de fluidos especiais, a obteno de baixas temperaturas e assim remover calor de uma fonte quente. A evoluo do Fluido Refrigerante num ciclo fechado chamada de Ciclo Frigorfico por Compresso. Os principais componentes (equipamentos) utilizados num Ciclo a Compresso esto mostrados na Fig.14, a seguir:
27. 27. ELETROBRS/PROCEL CEPEL27 Fig.14 A evoluo do fluido refrigerante pode ser representada graficamente num diagrama chamado de Diagrama de Mollier, ilustrado esquematicamente, com suas principais linhas e grandezas termodinmicas, na Fig. 15. Fig. 15
28. 28. ELETROBRS/PROCEL CEPEL28 As Figuras de 16 a 23, a seguir, mostram cada fase do ciclo com os respectivos balanos energticos : o calor removido no ciclo, atravs do Evaporador (serpentina); a potncia requerida no acionador do Compressor; o calor removido no Condensador e sua passagem na Vlvula de Expanso . Evaporador Fig 16 Fig 17 Compresso Fig 18 Fig 19
29. 29. ELETROBRS/PROCEL CEPEL29 Condensao Fig 20 Fig 21 Expanso Fig 22 Fig 23
30. 30. ELETROBRS/PROCEL CEPEL30 A Fig. 24 representa esquematicamente um diagrama indicando perdas de presso nas tubulaes, subresfriamento e superaquecimento nas linhas. Fig.24 2.2.11. Coeficiente de Performance Este um ndice importante para avaliar o rendimento de um equipamento de refrigerao (selfs, chillers, Tc). Ele nos d um ndice que relaciona a Capacidade de Remoo de Calor de um equipamento (Energia til ou Efeito Frigorfico) Potncia requerida pelo Compressor (Energia Consumida). Quanto maior o C.O.P. , melhor o rendimento do equipamento. Observe-se que um ndice maior que 1. dado pela expresso: 12 41 hh hh SUMIDAENERGIACON LENERGIATI COP ==
31. 31. ELETROBRS/PROCEL CEPEL31 A Fig. 25 a seguir, mostra os pontos envolvidos no conceito. Fig. 25 2.2.12. EER ENERGY EFFICIENCY RATE (RAZO DE EFICINCIA ENERGTICA) uma outra forma de indicar a eficincia de uma mquina frigorfica, relacionando o Efeito Frigorfico (EF) (4-1) produzido e o Trabalho de Compresso (w) dispendido (1-2). dado pela expresso abaixo, sendo expressa em BTU/h / Watts: A figura 26 abaixo , ilustra o significado da expresso: Fig. 26 Watts hBTU w EF hh hh EER / 12 41 == =
32. 32. ELETROBRS/PROCEL CEPEL32 2.2.13. EFICINCIA EM kW/TR Um forma bastante usual de indicar eficincia de um equipamento em kW/TR, sendo o TR (Tonelada de Refrigerao) equivalente a 12 000 BTU/h. Neste caso, estaramos relacionando o Trabalho de Compresso (em kW), com o Efeito Frigorifico (em TRs). Na Fig. 26, acima, seria dado pela relao: Existe uma correlao entre o ndice EER e a eficincia expressa em kW/TR: 2.2.14. TRANSMISSO DE CALOR MECANISMOS RADIAO- CONVECO CONDUO Embora a transmisso de calor possa se dar por um mecanismo ou pela combinao de mais de um, cabe distinguir a forma em que isto ocorre e a forma de calcular. a) RADIAO Este mecanismo envolve a transferncia de energia radiante entre dois corpos separados. Esta transferncia no requer um meio contnuo. propagada por ondas, de todos os corpos, em todas as direes. proporcional rea, ao tipo de superfcie e diferena de temperatura absoluta entre as superfcies. Para exemplificar, imaginemos a energia do sol que penetra por uma janela, aquece o piso, o qual ir irradiar seu calor para o ar ambiente, que se encontra a temperatura inferior a do piso. O fluxo trmico (taxa de calor transferido), dado pela equao abaixo: EF w hh hh TRkW = = 41 12 / EER TRkW 12 / = 4 )12.(.. TTA =
33. 33. ELETROBRS/PROCEL CEPEL33 Onde: = fluxo trmico , em kcal/h ou BTU/h A= rea da superfcie radiante ( m2, ou ft2) = emissividade do corpo = constante de Boltzman ( 5,669 W/m2. K ou BTU/h.ft2. K4 ) T2,T1 Temperaturas absolutas da fonte quente e fria , em Kelvin b) CONVECO A Conveco envolve transferncia de energia trmica dentro de um fluido, atravs de uma ao de mistura. Pode ocorrer naturalmente por diferena de densidade ou por interferncia de um agente externo (ventilador, bomba, etc.). A Fig. 27, a seguir, mostra um exemplo da transferncia por Conveco. Fig. 27 A seguir, a equao de transferncia de calor: Fig. 28
34. 34. ELETROBRS/PROCEL CEPEL34 O fluxo trmico dado pela expresso: Onde: = fluxo trmico em kcal/h ou BTU/h A= rea da superfcie radiante (m2 , ou ft2 ) h= coeficiente de pelcula (em BTU/h.ft2 . F ou kcal/h.m2 . C) T1, T2, temperaturas em F ou C c) CONDUO Envolve a transferncia de energia entre as molculas dentro de um corpo, por contato fsico. A transferncia pode ser alcanada pelo contato entre dois corpos, podendo ser dois slidos, ou fluidos, ou um de cada . A conduo dentro de um fluido concomitante com a transferncia por Conveco. A Conduo atravs de um corpo depende da sua rea ( A), da resistncia trmica oferecida pelo material do qual o corpo feito (r) ou falando de outra forma, da sua condutibilidade trmica (k), da sua espessura (x), e da diferena de temperatura (T2-T1). A resistncia oferecida pelo filme, ou seja, seu coeficiente de pelcula (h) devido a transmisso por Conveco deve ser contabilizada. Observando a Fig. 29, a seguir, vamos calcular o fluxo trmico atravs do corpo: )21.(. TThA =
35. 35. ELETROBRS/PROCEL CEPEL35 Fig.29 Onde: = fluxo trmico , em kcal/h ou BTU/h A= rea da superfcie radiante (m2 , ou ft2 ) ho , hi = coeficientes de pelcula externo e interno (em BTU/h.ft2 . F ou kcal/h.m2 . C) T1, T2,T3,T4- temperaturas em F ou C X= espessura da parede 1- clculo do fluxo trmico entre 1 e 2: da, )21( TTho A = hoA TT . )21( =
36. 36. ELETROBRS/PROCEL CEPEL36 2- clculo do fluxo trmico entre 2 e 3: da, 3- clculo do fluxo trmico entre 3 e 4: 4- da, Se somarmos (T1-T2), (T2-T3) e (T3-T4), teremos: Se fizermos: Teremos: Desta expresso, podemos observar: O fluxo trmico proporcional a rea, ao diferencial de temperatura e ao coeficiente U, chamado de coeficiente Global de Transmisso de Calor. Ele expresso em BTU/ h.ft2 .F ou kcal/h.m2 . C, e est tabelado para diversos materiais. Ver tabela 2, no Anexo. Para paredes compostas, com materiais em srie, conforme desenho abaixo: )32( TT x k A = kA x TT . )32( = )43( TThi A = hiA TT . )43( = ) 11 (41 hok x hiA TT ++= hok x hU 1 1 11 ++= )41.(.. TTUA =
37. 37. ELETROBRS/PROCEL CEPEL37 Fig. 30 onde k1, k2,k3, k4, so os coeficientes de condutibilidade dos materiais. O problema pode ser apresentado na forma de resistncias: e: , ,.. , etc. vem: logo: vem: 13 3 2 2 1 1 111 hk x k x k x hoU ++++= nrrrrR ++++= ...321 0 1 1 h r = 1 1 2 k x r = R U = 1 R U 1 = n n h r 1 =
38. 38. ELETROBRS/PROCEL CEPEL38 Exemplo 1: A parede externa de uma casa constituida de tijolos de 10 cm (4 pol) de espessura e de duas camadas de argamassa de 2,5 cm cada (1 pol), com 30 m2 de rea. Imaginando-se que a temperatura interna de 24 C e a externa de 35 C, calcular o fluxo trmico. Fig. 31 A= 30 m2 = 30 X 10,76 ft2/m2= 322,8 ft2 TC= 35 24= 11 C TC /5=TF/9 11/5=T F/9 TF=19,8 F U , da tabela, U= 0,53 BTU/h.ft2.F Exemplo 2 Calcule o fluxo trmico atravs da laje de cobertura com 30 m2, sob diferencial de temperatura de 11 C, e constituda da seguinte forma: )41.(. TtUA = hBTUXX /33878,1953,08,322 ==
39. 39. ELETROBRS/PROCEL CEPEL39 Fig. 32 No anexo, vamos encontrar as resistncias oferecidas pelos filmes de ar (air film) ou espaos de ar (air space). he = filme externo (vero) r e = 0,25 h i filme interno parado- (still) horizontal descendente ri = 0,92 Espao de ar horizontal descendente vero 4 pol r3 = 0,99 Computando as resistncias: R= re + r1 + r2 + ri + r 3 + r I + r 4 + r i Camada Material Espessura (mm-pol) K (BTU.pol/hft2.F) 1 Isopor 25,4/1 0,25 2 Concreto 100/4 12,00 3 Ar 100/4 4 Fibra de vidro 25,4/1 0,25
40. 40. ELETROBRS/PROCEL CEPEL40 R = r e + x1 / k1 + x 2 / k 2 + r I + r 3 + r I + r 4 + ri R= 0,25+ 1/0,25 + 4/12 + 0,92 + 0,99 + 0,92 + 1/0,25 + 0,92 R= 12,33 U= 1/R U-1/12,33 = 0,081 BTU/h. ft 2 .F Calculando o fluxo trmico: A= 30 m2 = 322,8 ft 2 T= 11 C T=19,8 F A ttulo de exerccio, verifique a relao entre os fluxos trmicos e U , deste exemplo e do anterior. 2.3. CARGAS TRMICAS SOBRE UMA EDIFICAO Uma forma de classificar as cargas sobre uma edificao quanto a sua origem externas ou internas. A figura 29 abaixo ilustra o fato. Fig. 33 )41.(.. TTUA = hBTUXX /31,5118,1908,08,322 ==
41. 41. ELETROBRS/PROCEL CEPEL41 Cargas externas so tipicamente aquelas provenientes da insolao atravs de uma janela; diferena de temperatura exterior/interior atravs de parede externa; admisso ou infiltraes de ar externo e outras. Cargas internas so aquelas geradas no interior da edificao. Tipicamente, provm de pessoas, equipamentos, iluminao, recintos adjacentes sob temperaturas mais elevadas. Vamos dar uma olhada nestas cargas. 2.3.1. Fatores que influem sobre as Cargas Externas 2.3.1.1. Radiao Solar atravs de Janelas Uma vez que a Terra descreve uma rbita em torno do Sol e que nosso planeta possui uma inclinao no seu eixo, a incidncia de energia solar varia de acordo com a latitude, orientao da edificao e horrio, ao longo do dia. As tabelas 3 mostram os valores da energia solar (BTU/h.ft-2 ) por rea de vidro, para latitudes 0 , 20 e 40 , diferentes fachadas e horrios do dia, evidenciando a variao acima referida. Por este fato, ao se fazer um estudo de localizao de uma edificao, de suma importncia analisar a orientao das fachadas envidraadas. Cabe observar que a energia solar incidente atravs dos vidros no se torna integralmente em carga trmica instantnea. As lajes e paredes atingidas pela energia radiante do Sol absorvem esta energia e a irradia parcialmente para o ambiente. Existem metodologias que auxiliam no clculo da energia transferida para o ambiente. A tabela 4 (A,B,C,D,E), no Anexo, extrada do Manual da Springer Carrier, indica os fatores aplicveis, para uma determinada fachada, peso de construo e horrio. Outros fatores que influenciam na energia transmitida pelos vidros, so funo das caractersticas de vidro e a existncia de elementos de sombreamento (venezianas, telas, toldos, brises, etc.). A tabela 4 F , do anexo, mostra como estes fatores influenciam na radiao transmitida.
42. 42. ELETROBRS/PROCEL CEPEL42 A seguir faremos um exerccio aplicativo. Calcular o ganho solar atravs das janelas de uma construo, com as seguintes caractersticas: Local Rio de Janeiro latitude 22 S ms dezembro rea de vidro comum (6 mm) 100 ft 2 (com esquadria de alumnio) Fachada Oeste (W) 10 h e 16 h Alternativa 1- sem veneziana Alternativa 2- veneziana interna clara Alternativa 3- veneziana externa clara Peso mdio da construo 100 lb/ft 2 Soluo: 1- rea de vidro 100 ft2 2- Pico solar: da tabela 3 B, lat sul 20 , dezembro, oeste, temos o pico de 160 BTU/h.ft2 Do rodap da tabela , tomadas as correes de 17 % e 7 % para latitude Sul, dezembro: 160 X 1,17X 1,07 = 200,3 BTU/h. ft 2 3-Fator de armazenamento (tab. 4) Alt 1/3 (sem sombreamento, c/ venez ext) tab 4 B, lat Sul, oeste, 100 lb/ft 2 10 h _ 0,09 16 h _ 0,40
43. 43. ELETROBRS/PROCEL CEPEL43 Alt 2 (venez int clara ) tab 4A lat sul oeste 100 lb/ft 2 10 h_ 0,09 16 h_ 0,66 4- Correo para proteo (veneziana tab 4 F) Vidro comum (6 mm) S/ venez. _ 0,94 Venez int. clara _ 0,56 Venez externa _0,14 O quadro a seguir, sumariza os ganhos devido insolao, para os diversos horrios, e com elementos de proteo diversos: Radiao atravs da Janela 2.3.1.2. Ganhos por Conduo atravs de Paredes Externas e Telhados O ganho por Conduo influenciado pelo diferencial de temperaturas atravs da parede ou telhado, seu Coeficiente de Transmisso Global de Calor (U) e da rea da superfcie. A localizao da cidade da edificao influencia nas temperaturas externas ambientes, acarretando maiores ou menores cargas por Conduo, atravs de paredes ou outros elementos externos da construo. Ganho BTU/h.ft2 rea Ft 2 Correc p/protec Tot BTU/h 200,3 100 10 h 0,09 0,94 1694 16 h 0,40 7531 200,3 100 10 h 0,09 0,56 1009 16 h 0,66 7403 200,3 100 10 h 0,09 0,14 252 16 h 0,40 1121 Armazenamento Alt 1 S/venez Alt 2 C/ ven int Alt 3 C/ven ext
44. 44. ELETROBRS/PROCEL CEPEL44 Considerando que a temperatura externa varia ao longo do ano e do dia, a carga trmica por Conduo atravs das paredes externas e telhados, no calculada diretamente usando uma temperatura de Projeto fixa. Numa metodologia utilizada (da Springer Carrier), foram desenvolvidos clculos de temperatura equivalente que consideram o regime transiente, do transporte atravs das paredes /telhados, que podem ser usados nos clculos em questo, com as devidas correes, para o correto diferencial de temperatura (externa/interna), fachada, latitude, ms, cor de parede e daily range. A equao que calcula o fluxo trmico : O diferencial T eq, obtido nas trs tabelas 5 A,B e C, da Springer Carrier (no Anexo). A equao mais geral, para obter condies para latitudes e meses diferentes de 40 N, Julho, a seguinte: onde: teq=diferencial equivalente, para latitude, mes tes=idem, para mesma parede ou telhado , em sombra, na hora, corrigido. tem=idem, para mesma parede ou telhado , insolado, na hora, corrigido. Rs=max ganho solar, para fachada em questo ou telhado, para mes e latitude. Rm= max ganho solar, para fachada em questo ou telhado, para julho, 40 N. Onde se fizerem necessrias correes para diferentes cores de paredes, as expresses acima se transformam em: TeqAU = .. )( testem Rm Rs testeq +=
45. 45. ELETROBRS/PROCEL CEPEL45 Paredes claras (ou tetos) Paredes mdias (ou tetos) Cores claras: branco, creme, etc. Cores mdias: verde claro, azul claro, etc. Cores escuras: azul escuro, verde escuro, marrom escuro, etc. 2.3.1.3. Ar de Ventilao O Ar de Ventilao assim chamado pois utilizado para renovar o ar interno, que vai sendo depreciado, seja pela queima no metabolismo humano (O2 CO2), seja pela agregao de poluentes internos. A ABNT estabelece valores (tabela 6), para se estimar as vazes de ar a serem adotadas num projeto de climatizao. Este ar, que se encontra nas condies externas, ao ser admitido ir introduzir uma carga trmica sobre o sistema (condicionador de ar). Condies termo- higromtricas foram estabelecidas pela ABNT, na tabela 7. Condies de conforto para ambientes diversos (temperatura e umidade) so estabelecidas pela ABNT, na tabela 8. Uma vez calculada a sua taxa de admisso (vazo), e o salto entlpico (diferena entre condio do ar exterior/ar interior), a carga trmica introduzida pode ser estimada. A seguir, faremos um exemplo ilustrativo. Um pavimento de escritrio no Rio de janeiro, com 600 m2, e taxa de ocupao mdia de 6 m2/pessoa, dever admitir ar exterior atravs de seu sistema de ar condicionado para efeito de renovao. Calcular qual a carga trmica sensvel, latente e total, que incidir sobre o sistema. testemtestemtesteq +=+= 45,055,0)( 9,0 5,0 testemtestemtesteq +=+= 22,078,0)( 9,0 7,0
46. 46. ELETROBRS/PROCEL CEPEL46 Soluo: 1- Condies termo- higromtricas. Interna - (Tab. 8 da ABNT) BS 24 C (75,2 F)- 50 % UR BU 17,2 C (62,9 F) Externa - (Tab. 7 ABNT ) BS 35 C (95 F) BU 26,5 (79,7 F) 2- Ar de Ventilao Da tab. 6 ABNT Escritrio ( pblico) 25 m3/h/pessoa 25 m3/h X 35,3 ft3/m3 X 1 h/60 min = 14,7 cfm ( ft3/min) (1 m3 = 35,3 ft3) Ocupao : 600 m2/ 6 pes/m2 = 100 pessoas Vazo : 14,7 cfm/pes x 100 pessoas = 1470 cfm 3- Carga Trmica Cs = 1,08 X cfm X Dt BS = 1,08 x 1470 x 19,8 F = 31.434 BTU/h Cl= 0,67 x cfm X Du = 0,67 x 1470 x 64 = 63.033 BTU/h Ct= 4,5 x cfm x X Dh = 4,5 x 1470 x 15 = 99 225 BTU/ h (a diferena encontrada entre a soma das parcelas de Cs e Cl contra o valor calculado de Ct, decorre de impreciso na leitura de valores na Carta Psicromtrica, aproximadamente 5 %). BS (F) BU (F) U s ( gr/lb) h ( BTU/lb) EXTERNA 95 79,7 130 43,5 INTERNA 75,2 62,9 66 28,5 DIFERENA 19,8 16,8 64 15
47. 47. ELETROBRS/PROCEL CEPEL47 2.3.1.4. Infiltrao O ar infiltrado num ambiente atravs de janelas , portas, frestas, outras aberturas ou por efeito de exaustores, constitui-se numa carga para o ambiente e, conseqentemente, para o sistema, j que o ar externo ir aquecer o ambiente (vero). A carga ser proporcional a vazo de ar (rea da abertura e velocidade do ar) e ao salto entlpico entre as condies externa/interna. A tabela 9 fornece meios para estimar a quantidade de ar infiltrado. Eventualmente, este valor ter que ser determinado por medies. A exemplo do clculo de cargas trmicas, visto no pargrafo anterior (ar de ventilao), com a vazo de ar infiltrado e as condies termo - higromtricas, pode-se estimar a carga trmica devido ao Ar Infiltrado. A carga a ser computada dever considerar situaes de projeto (1 e 2) e situao efetivamente medida (3). (1)- Caso o ar infiltrado (calculado) seja inferior vazo de ar de ventilao, apenas esta carga ser computada, j que a pressurizao do recinto evitar a infiltrao. (2)- Caso o ar infiltrado (calculado) seja superior vazo de ar de ventilao, a diferena (infiltrado ventilao), ser computada a ttulo de carga de infiltrao. (3)- Caso o ar infiltrado, seja efetivamente verificado (por medio), este valor dever ser usado para base de clculo. A seguir faremos um exemplo. Uma loja de departamentos possui quatro portas de 1,80 m de largura, que permanecem abertas durante o seu funcionamento. Sabendo-se que a ventilao (ar de renovao) foi dimensionada para 200 pessoas, calcular: a) Ar de ventilao b) Ar de infiltrao c) Vazo efetiva para clculo de carga de ar infiltrado
48. 48. ELETROBRS/PROCEL CEPEL48 Soluo; a) Ar de ventilao Da tab. 6 ABNT, loja, recomenda-se 17 m3/h/pessoa. 17 x 200 pessoas = 3400 m3/h (2000 cfm) b) Ar de infiltrao Da tabela 9 da ABNT, porta de 1,80 m de largura, temos: 2000 m3/h x 4 = 8000 m3/h (4706 cfm) c) Ar efetivamente infiltrado: Considerando que o recinto ser pressurizado pelo sistema de ar condicionado, teremos: Ar infiltrado (calculado) Ar de ventilao (calculado) 4706 cfm 2000 cfm = 2706 cfm Com esta vazo e os dados (BS, w, h) do ar exterior e interno, seguindo os clculos do exemplo anterior (Ar de ventilao), poderamos calcular a carga trmica devido infiltrao. 2.3.2. Fatores que influem sobre as Cargas Internas Cargas internas so aquelas geradas no interior do prdio, dentre outras, divisrias, tetos, pisos ,pessoas, equipamentos , luzes, e perdas em dutos. A seguir estudaremos cada caso mais detalhadamente. 2.3.2.1. Ganhos por Conduo atravs de Vidros - Paredes Internas- Forros - Pisos Este ganho proporcional a rea, ao Coeficiente U do elemento construtivo e ao diferencial de temperaturas.
49. 49. ELETROBRS/PROCEL CEPEL49 Para o caso de vidros de janelas externas em paredes no insoladas , pode-se usar o diferencial temperatura externa/interna. No caso de paredes internas (divisrias), forros e pisos, usa-se o diferencial de temperaturas dos ambientes. A seguir, um exemplo. Um escritrio em S. Paulo, tem uma rea de divisrias internas, calculada em 200 m2, adjacentes reas no condicionadas. Estimar a carga trmica atravs desta divisria, sabendo-se que o Uda divisria de 0,36 BTU/h.ft2. F. Soluo: 1- Condio interna para Escritrio (tab. 8) 24 C (75,2) 2- Condio das reas internas no climatizadas As reas no climatizadas, por experincia, costumam ficar a 5C abaixo da temperatura ambiente externa. Para S. Paulo, da ABNT (tab. 7), temperatura externa de BS = 31 C (87,8 F) Temperaturas das reas no condicionadas : 31 5 = 26 C (78,8 F) 3- Clculo da carga trmica = A x U X t A= 200 m2 x 10, 70 ft2/m2 = 2152 ft2 t= (78,8 - 75,2) = 3,6 F = 2152 x 0,36 x 3,6 = 2789 BTU/h
50. 50. ELETROBRS/PROCEL CEPEL50 2.3.2.2. Pessoas Tambm chamada de carga de ocupao, aquela proveniente do calor de metabolismo. funo da temperatura interna do ambiente, do sexo da pessoa e do nvel de atividade (mais ou menos intensa). Apresentamos no Anexo, as tabelas 10 A e 10 B, que estabelecem: (1) condies de temperatura a serem adotadas nos projetos, em funo do tipo de ambiente; (2) calor liberado pelas pessoas (em BTU/h ou kcal/h). Com estes elementos , possvel calcular a dissipao trmica devido a ocupao do ambiente. A seguir, um exemplo. Uma Empresa sofreu uma restruturao ao longo dos anos, tendo reduzido o nmero de funcionrios em 1000 pessoas. Estimar a reduo proporcional na carga trmica. Da ABNT, tab. 10 A, para escritrios, a 24 C: Calor sensvel - 61 kcal/h Calor latente - 52 kcal/h Total 113 kcal /h/pessoa Para 1000 pessoas : 113 kcal/h x 1000 pessoas = 113.000 kcal/h Em BTU/h: 1 kcal/h = 3,968 BTU/h 1BTU/h = 0,252 kcal/h 113.000 kcal/h = 448.384 BTU/h
51. 51. ELETROBRS/PROCEL CEPEL51 Em TR (toneladas de refrigerao) 1 TR = 12.000 BTU/h 448384 BTU/h = 37,36 TR 2.3.2.3. Potncia dissipada por Equipamentos Equipamentos que dissipam calor diretamente para os ambientes condicionados, devem ser contabilizados. A tabela 11 no Anexo, da ABNT e outras fontes, apresentam valores listados para dissipao de equipamentos. 2.3.2.4. Potncia dissipada por Iluminao Despeito de, na realidade, a dissipao pelos sistemas de iluminao para os ambientes tambm estarem sujeitos ao armazenamento trmico pelas estruturas da edificao, em clculos estimativos, admite-se que todo o calor dissipado pelas luminrias se tornam uma carga instantnea para o sistema de ar condicionado. As tabelas da ABNT e Springer Carrier, tabelas 12 A e B no Anexo, estabelecem critrios para clculo da energia dissipada por sistemas de iluminao. Caberia ressaltar, no entanto, que o melhor meio para calcular esta carga seria atravs do levantamento na planta de iluminao. Os valores indicados na tabela da ABNT correspondem a padres antigos, distantes em muitos casos de padres de iluminao eficiente. Valores mais atuais , podem estar na faixa de 20 w/m2 ou cerca de 2 w/ft2 . Tabelas com valores para iluminao eficiente so encontradas no Anexo. 2.3.2.5. Perdas em Dutos As perdas em dutos , em geral, tem duas fontes: (1) quando vazando para ambiente diferente daquele sob condicionamento ou (2), por passagem em reas no condicionadas e quando no estiverem devidamente isolados. No primeiro caso, a perda se d pois uma parcela adicional de ar ter que ser condicionada para atender ao recinto. Este tipo de perda ocorre, em geral, pelo
52. 52. ELETROBRS/PROCEL CEPEL52 mal acabamento nas juntas dos dutos, devido equipamento inadequado ou qualificao do duteiro. Estas perdas podem variar muito, sendo difceis de estimar, podendo ser superior a 5 %. Caso o vazamento se d para o interior do ambiente condicionado, a perda no ser computada. No segundo caso (passagem por reas no condicionadas/duto mal isolado), as perdas so proporcionais a rea do trecho do duto passante em rea no condicionada, o diferencial de temperatura interna/externa ao duto, a velocidade do ar no duto e o coeficiente U do duto isolado. Estas perdas so relacionadas (percentualmente) carga trmica do ambiente alvo do condicionamento, j que esta carga e a vazo do duto esto intimamente relacionadas. O grfico da Springer Carrier a seguir, indica os parmetros aqui mencionados.
53. 53. ELETROBRS/PROCEL CEPEL53 O exemplo, a seguir, mostra os passos a serem seguidos para o clculo em questo. Uma rede de dutos no isolada , com 20 ft (6 m) de comprimento, passa sobre uma rea no condicionada, que se encontra a 100 F (37,8 C). Conhecendo-se ainda a velocidade do ar no duto, de 2000 ft/min (10 m/seg), a temperatura do suprimento do ara de 60 F (15,6 C)e o ganho de calor sensvel no recinto de 1000.000 BTU/h, determinar o percentual adicional de calor ao recinto. Soluo: Diferena de temperatura ( ambiente duto) : 100 60 = 40 F Da carta da Springer Carrier, com 100.000 BTU/h, duto no isolado, e 20 ft de comprimento, o percentual adicional de : 4,5 % Correo para a velocidade de 2000 ft/min e 40 F : 1,26 Percentual adicional: 4,5 x 1,26 = 5,7 % Calor adicional : 0,057 x 100. 000BTU/h = 5780 BTU/h (aproximadamente 0,5 TR) 2.4. PLANILHA DE CARGA TRMICA Os clculos de carga trmica, quando executados manualmente, so lanados numa planilha com aspecto similar apresentada a seguir. Os campos so grupados de forma mais ou menos lgica, separando cargas sensveis e latentes, externas e internas, e clculos gerais de psicrometria. Ela sumariza os clculos anteriormente vistos e apresenta os campos listados a seguir: Bloco de Identificao Identificao da edificao e do executante do clculo Bloco das condies de Projeto Condies de projeto (TBS/TBU/UR, etc.)
54. 54. ELETROBRS/PROCEL CEPEL54 Vazo de ar exterior Vazo por infiltrao. Bloco de Cargas Sensveis Externas e Internas Vidros com ganho por radiao solar Paredes externas e telhados com ganhos por diferencial de temperatura (equivalente) Ganhos internos por vidros, divisrias, forros, pisos. Ganhos por infiltrao de ar externo Ganhos devido ocupao, equipamentos, iluminao e outros Ganhos de calor em dutos Ganhos de calor em motores de ventiladores dos condicionadores Ganhos pelo ar de ventilao Bloco de Cargas Latentes Infiltrao, ocupao , outros, vapor , outros Perdas nos dutos Ar de ventilao Bloco de carga sobre a serpentina Sensvel e latente Bloco de Condies Psicromtricas Ponto de orvalho Fator de calor sensvel Vazo de ar insuflado Temperatura de mistura e de insuflamento
55. 55. ELETROBRS/PROCEL CEPEL55 Fig. 34 Preparado por: Local: Conferido por: Endereo: Aprovado por: Obs.: Item rea ou Ganho Solar ou Dif. de Fator BTU/Hora Estimativa Para: Quantidade Temperatura Ms: Hora: Ganho Solar - Vidros Cond. T.S T.U UR% P.O gl/lb Vidro sq ft x x x Ext. Vidro sq ft x x x Rec. ---- Vidro sq ft x x x Dif. ---- ---- ---- Vidro sq ft x x x Ar Exterior - Ventilao Ganho Solar e Transmisso - Paredes Externas e Cobertura Pes. x CFM/ps= L Parede sq ft x ( - ) x sq ft x CFM/ps= O Parede sq ft x ( - ) x Infiltrao S Parede sq ft x ( - ) x P. Girat. pes.x CFM/pes= N Parede sq ft x ( - ) x = CFM Teto sq ft x ( - ) x P. Aber. por.x CFM/port= Portas sq ft x ( - ) x = CFM Transmisso por Paredes Internas e Teto Exaustores CFM Vidro sq ft x ( - ) x Vos ft x CFM/ft = Vidro sq ft x ( - ) x = CFM Divisrias sq ft x ( - ) x CFM = Divisrias sq ft x ( - ) x Ar Exterior Exigido: CFM Teto sq ft x ( - ) x Ponto de Orvalho da Serpent. (PO) Piso sq ft x ( - ) x FCSE= CSER = #### Infiltrao CFMx ( - ) x 1.08 CTER Calor Interno P.O (Indicado) = F Ocupao Pessoas x P.O (Selecionado) = F Equipamentos Hp ou W x 3.4 Ar Insuflado Luz Watts x x 3.4 ( 1 - FB ) x ( FR - Outros Ganhos - F P.O ) = F Calor Sensvel do Recinto (CSR) Ganhos de Calor nos Dutos % CSER =#### CFM Ganhos de Calor Dev. Hp Vent. % ( 1,08 x F ) Ar Ext. CFM x F x FB x 1.08 Temp. de Insuflamento e Mistura Calor Sensvel Efetivo do Recinto (CSER) TES=TR F + ( CFMvent / Calor Latente #DIV/0! CFM ins ) x ( TE F - Infiltrao CFMx gl/lb x 0.67 - TR F ) = #### F Ocupao Pessoas x Vapor lb/hr x 1000 Tins=P.O F + FB x Outros Ganhos x (TES #### F - P.O F ) = Calor Latente do Recinto (CLR) = #### F Perdas nos Dutos % NOTAS Ar Ext. CFM x gl/lb x FB x 0.67 Calor Latente Efetivo do Recinto (CLER) Calor Total Efetivo do Recinto (CTER) Carga de Ar Exterior Sobre a Serpentina Sensvel CFM x Fx (1- FB) x1,08 Latente CFM x gl/lbx (1- FB) x0,67 FCER= Fator de Calor Sensvel do Recinto Outros Ganhos P.O = Ponto de Orvalho TOTAL P. Girat. = Portas Giratrias GRANDE TOTAL P. Abert. = Portas Abertas
56. 56. ELETROBRS/PROCEL CEPEL56 2.5. CLASSIFICAES DE SISTEMAS DE AR CONDICIONADO EQUIPAMENTOS - ARRANJOS - DISTRIBUIO DE AR Uma maneira de classificar os sistemas de condicionamento quanto aos fluidos utilizados para a remoo da carga trmica e arranjos dos equipamentos. Uma classificao possvel a seguinte: Expanso direta Tudo gua Ar - gua Tudo ar 2.5.1. Sistema de Expanso Direta Um sistema dito de Expanso Direta , quando o ar diretamente resfriado pelo fluido refrigerante (freon).As aplicaes so as seguintes: Instalaes de Pequenas e mdias capacidades, onde so usados: Aparelhos de janela Splits Self contained Resfriamento de lquidos (expanso indireta), para mdias e altas capacidades, onde so usados chillers com compressores alternativos, centrfugos ou parafuso.
57. 57. ELETROBRS/PROCEL CEPEL57 CONDICIONADORES SPLIT 3 AT 50 TR Fig. 35
58. 58. ELETROBRS/PROCEL CEPEL58 EXPANSO DIRETA SELF CONTAINED- 5 A 40 TR CONDENSAO A GUA OU AR Fig.36
59. 59. ELETROBRS/PROCEL CEPEL59 RESFRIADORES DE LQUIDOS - (EXPANSO INDIRETA) CONDENSAO A AR - ALTERNATIVOS- AT 400 TR CONDENSAO A GUA- ALTERNATIVO - AT 280 TR PARAFUSO - 75 AT 350 TR CENTRFUGO - 165 AT 2800 TR Fig. 37 RESFRIADOR ( CHILLER ) CENTRFUGO
60. 60. ELETROBRS/PROCEL CEPEL60 COMPRESSOR TIPO PARAFUSO Fig.38 ROTOR DE COMPRESSOR TIPO CENTRFUGO Fig.39
61. 61. ELETROBRS/PROCEL CEPEL61 2.5.2. Sistema de Expanso Indireta Um sistema dito de Expanso Indireta, quando o fluido usado como refrigerante do ar a gua. Esta , por sua vez, resfriada num circuito de compresso, por um chiller. Podem ser classificados em: Tudo gua Ar - gua Tudo Ar 2.5.2.1. Tudo gua assim dito, quando a gua distribuda para os recintos, onde passa nos condicionadores de ar. Este condicionadores so chamados de Fan coil (ventilador- serpentina). Aplicao: prdios de salas onde custo de dutos se torna proibitivo. Ex: hotis, hospitais, escritrios, prdios profissionais. Arranjos duplo tubo quatro tubos Fig. 40 Fan coil Fig. 41 Arranjo fan coil dois tubos
62. 62. ELETROBRS/PROCEL CEPEL62 Fig. 42 Arranjo fan coil - quatro tubos 2.5.2.2. Sistemas Ar gua Aplicao: prdios com grande nmero de salas, muitas internas. Ex : hotis, hospitais, etc.. Fig. 43 Sistema Ar - gua
63. 63. ELETROBRS/PROCEL CEPEL63 Fig.44 Fig.45 System Ar gua dutos e tubos Sistema Ar gua tubos 2.5.2.3. Sistemas Tudo Ar assim dito, quando o ar distribudo diretamente para os recintos. Dentre outros, esto os sistemas Multizona e os sistemas VAV. 2.5.2.3.1. Sistemas Multizona Aplicao: Locais com espaos com mltiplas condies de operao e funo, requerendo grandes flexibilidades de temperatura e umidade. Requisitos para aplicao: Vrios espaos a serem controlados individualmente. Ex .: Escolas, escritrios, etc. Prdios com fachadas mltiplas e diferentes caractersticas de cargas internas. Combinao de amplas reas internas com pequenos espaos na periferia. reas com espaos internos com diferentes caractersticas de cargas (estdio de TV, Rdio, etc.). Ambientes tpicos para uso com Sistemas Multizona
64. 64. ELETROBRS/PROCEL CEPEL64 Fig.46 Fig 47 Equipamento Multizona- Arranjo de dutos (cmaras)
65. 65. ELETROBRS/PROCEL CEPEL65 2.5.2.3.2. Sistemas VAV A sigla VAV, significa Volume de Ar Varivel. Estes sistemas abrigam, via de regra, alm de caixas reguladoras de vazo, chamadas caixas VAV, controles de freqncia nos acionadores dos ventiladores . Aplicao: Sistemas com cargas internas variveis, que requeiram controle de temperatura fixo. Ex.: Prdios de escritrios com diferentes fachadas e horrios de funcionamento flexveis. Vantagens: Reduo na carga de refrigerao, pela reduo nos volumes de ar resfriado. Reduo da carga trmica, pela admisso de maiores parcelas de ar exterior em estaes amenas. Controle individual de temperatura, pelo controle de vazo de ar em caixas VAV, para diferentes recintos. Fig. 48
66. 66. ELETROBRS/PROCEL CEPEL66 Abaixo, uma caixa VAV Fig.49 2.6. EQUIPAMENTOS DE AR CONDICIONADO E SEUS RENDIMENTOS TPICOS Conforme foi visto no pargrafo 2.2.11,12,13, o rendimento de uma equipamento pode ser expresso atravs de seu COP, seu EER ou em kw/TR. O rendimento atravs do ndice EER, expresso em BTU/h / watts, representando a relao entre o efeito til e a quantidade de trabalho utilizado para produzi-lo. A relao entre o EER e seu correspondente em kw/TR : A seguir, listamos algumas tabelas com valores tpicos, para diversos tipos de equipamentos. conveniente lembrar contudo, que estes valores so apenas para referncia, devendo ser obtidos junto aos fabricantes, no caso de uso em estudos de casos reais. Outros valores, padres de equipamentos eficientes, esto includos no Anexo. EERTR kw 12 =
67. 67. ELETROBRS/PROCEL CEPEL67
68. 68. ELETROBRS/PROCEL CEPEL68
69. 69. ELETROBRS/PROCEL CEPEL69
70. 70. ELETROBRS/PROCEL CEPEL70 BIBLIOGRAFIA: Dossat, Roy- Principles of Refrigeration Marques , Iomar- Termodinmica Tcnica Buffalo Forge, Fan Engineering Carrier, System Design Manual Trane, Reciprocating Refrigeration ABNT, NBR 6401 ANS, ASHRAE STANDARD 100 1995 ENERGY STAR BUILDING MANUAL U.S. E.P.A.
71. 71. ELETROBRS/PROCEL CEPEL71 MDULO II - GERENCIAMENTO DO CONSUMO DE ENERGIA ELTRICA - MEDIDAS DE CONSERVAO DE ENERGIA (MCES) - DIAGNSTICO ENERGTICO
72. 72. ELETROBRS/PROCEL CEPEL72 1. INTRODUO 1.1. GERENCIAMENTO DO CONSUMO DE ENERGIA O gerenciamento do consumo , no sentido mais amplo, deve comear na fase de Projeto do Sistema, elaborando Especificaes claras, bem detalhadas, incluindo a documentao a ser fornecida e caractersticas fundamentais dos equipamentos, tais como eficincias. O Estudo de Soluo que leve a Equipamentos mais eficientes, com bases em estudos tcnico-econmicos.. Soluo que preveja a facilidade de execuo da manuteno. Prever nas Especificaes de Fornecimento, testes na fase de inspeo em fabricante e aps a montagem, que permitam certificar que o especificado foi efetivamente o fornecido , e instalado corretamente. Elaborar Manual de Manuteno, de forma a no atuar s na crise, mas estabelecendo regras claras, prazos para fazer ajustes de forma que os equipamentos operem nos seus set points originais . 1.2. DIAGNSTICO ENERGTICO Um Diagnstico Energtico uma ferramenta utilizada para levantar e estimar como e em que quantidades as diversas formas de energia esto sendo gastas numa edificao, em seus Sistemas (ar condicionado, iluminao, motorizao, bombeamento, refrigerao, etc.) ou, em Aplicaes Industriais, nos seus Processos (ar comprimido, vapor, bombeamento, etc.). Aps o levantamento, feito estudo que permite avaliar perdas (traduzido em consumo de kWh, demanda, etc.), seus custos e indicar medidas corretivas, avaliar custos de investimentos nas modificaes (projetos, aquisio de equipamentos novos), calcular tempo de retorno dos investimentos, visando orientar os gerentes do empreendimento na tomada de decises. 2.0. MEDIDAS DE CONSERVAO DE ENERGIA (MCES) So assim chamadas, todas aquelas aes, que tenham por objetivo introduzir modificaes na fase de Projeto ou de Operao (em sistemas j operacionais),
73. 73. ELETROBRS/PROCEL CEPEL73 com o objetivo de reduzir o consumo de energia eltrica, sem contudo, burlar leis, normas de projeto ou outros dispositivos que regulamentem questes ocupacionais, operacionais, etc. Estas medidas podem ser divididas em trs nveis ,por critrios de custos de implantao: MCES com custo zero MCES com baixos custos MCES com custos significativos 2.1. MCES COM CUSTO ZERO 2.1.1. Ajustes de registros (dampers) de tomada de ar exterior Cargas excessivas de ar exterior (Fig. 1), levam a consumos acima do normal, j que gasta uma quantidade extra de energia para resfriar aquela quantidade de ar. . No Mdulo I, vimos como avaliar as quantidades de ar requerido por critrio de Ventilao. O que excede o especificado EXCESSO e deve ser ajustado. Fig.1
74. 74. ELETROBRS/PROCEL CEPEL74 A medio do ar efetivamente tomado, deve ser feita com um anemmetro como aquele mostrado a seguir: Fig. 2 Uma vez calculada a vazo e respectiva Carga Trmica (BTU/h), pode-se chegar a um consumo de kwh e R$. A seguir um exemplo. No Mdulo I, pargrafo 2.3.1.3, calculou-se o ar de ventilao para um escritrio. Determinou-se o nmero de ocupantes (100 pessoas) e a carga trmica respectiva para o ar de renovao (1470 ft3/min e 99.225 BTU/h). Considerando-se que o gerente de manuteno mediu, na tomada de ar exterior uma vazo de 1800 Ft3/min (cfm), calcular o consumo em excesso. O ar em excesso corresponde a : (1800 1470) cfm= 330 cfm Proporcionalmente, a 99225 BTU/h, estes 330 cfm, correspondem a uma carga trmica de : (330/1470) X 99225 = 22.275 BTU/h
75. 75. ELETROBRS/PROCEL CEPEL75 Agora calcularemos o consumo em kwh e R$: Admitindo-se- O escritrio opera 22 dias/ms, 10 h/dia, 12 meses A eficincia do equipamento (chiller antigo) de 1,3 kw/TR, ou 1,3 kwh/TRh A tarifa mdia de energia de R$ 0,07/kwh: 22.275 BTU/h X 12 meses X 22 d/ms X 10 h/dia = 58.806.000 BTU/h Sendo 1TR = 12000 BTU/h , vem 1 TRh = 12.000 BTU 58.806.000BTU/h / 12000 BTU/h= 4900 TRh Assim, a despesa em excesso ser: 4900 TRh X 1,3 kwh/TRh X R$ 0,07/kwh = R$ 445,94 ( /ano) Sobre o clculo acima, algumas consideraes devem ser feitas. 1-A carga trmica foi estimada em cima de condies extremas, sendo que para clculo mais exato, deveria ter sido feito um clculo que considerasse as variaes de temperatura ao longo dos meses e horas do dia. 2-A eficincia do chiller, foi de uma mquina j obsoleta, devendo-se observar a mquina de cada caso, tarifas etc. 2.1.2. Desligamento De Luzes A iluminao tem dois impactos na conta de luz: 1) o consumo de luz propriamente dito e 2) a carga trmica (a energia dissipada) sobre o equipamento de remoo de calor, seja um self, split ou chiller. Neste segundo caso, observa-se que luzes acesas desnecessariamente ou iluminao superdimensionada (no eficientizada), acarretaro um excesso de
76. 76. ELETROBRS/PROCEL CEPEL76 carga sobre os equipamentos de A/C. O exemplo a seguir , tornar mais claro o assunto. Um prdio com 5 andares e 600 m2/andar, tem uma taxa mdia de iluminao de 20 w/m2. Estimou-se que cerca de 70 % da iluminao poderia ser desligada., no perodo ps - expediente, de 18 s 22 h Pergunta-se qual o ganho que se estima com o desligamento da iluminao, sobre a operao do sistema de A/C. A rea iluminada de : 600 m2 X 5 = 3000 m2 A carga trmica, devido iluminao por conseguinte seria de: 20 w/m2 X 3000 m2 X 0,7= 42.000w = 142.800 BTU/h = 11,9 TR Com os parmetros a seguir: Eficincia do chiller : 0,8 kw/TR (= 0,8 kwh/TRh) Horas em operao: 12 m X 22 d/ms X 4 h/dia= 1.056 h Tarifa : R$ 0,07/kwh O custo do consumo evitado seria: 11,9 TR X 1.056 h = 12.566 TRh 12.566 TRh X 0,8 kwh/TRh X R$ 0,07/kwh = R$ 703,00 este custo evitado, poderia somar o custo de operao das BAGS, BACS e Torres de resfriamento, que poderiam ser desligadas.
77. 77. ELETROBRS/PROCEL CEPEL77 2.1.3. Vazamento em Dutos A utilizao de mo -de -obra inadequada na fabricao de dutos de sistemas de ar condicionado, com juntas e acabamentos de baixa qualidade, ou a existncia de aberturas indesejveis em dutos, vai permitir a perda de quantidades expressivas de ar tratado (resfriado e desumidificado), obrigando os equipamentos a funcionarem em sobrecarga. O resultado direto que uma quantidade extra de energia eltrica ser dispendida, na proporo da vazo de ar perdido. A estimativa destas perdas difcil podendo ser, s vezes, levantada (aproximadamente), pela diferena entre o ar insuflado e o ar retornado (a menos do ar exfiltrado). Recomenda-se, portanto, a utilizao de duteiros experientes, seja na execuo de obras novas ou de reformas. 2.1.4. Desligamento de Sistemas de Exausto Sistemas de exausto, que exaurem ar tratado, devem ser desligados quando sua funo for dispensvel. Por exemplo, sistemas que operam fazendo exausto de cozinhas, lanchonetes, condicionadas ou interligadas a restaurantes condicionados. 2.1.5. Limpeza de Filtros Filtros obstrudos (Fig. 3) acarretam aumento no consumo de energia eltrica, j que o motor do ventilador obrigado a trabalhar contra um acrscimo de presso. Fig.3
78. 78. ELETROBRS/PROCEL CEPEL78 Recomenda-se que a perda de presso nos filtros seja controlada por manmetros, tipo coluna dgua, procedendo-se a limpeza ou troca dos filtros (descartveis), quando atingida a perda mxima recomendada pelo fabricante. Estas perda, em geral, expressa em mm CA (milmetros de coluna dgua) ou polegada de CA, ou Pa (Pascal), ou outras unidades de presso. As perdas de energia podem ser estimadas conforme a seguir. 750 .PDm W = onde : W= kW potncia m=vazo em massa (l/s) PD= Presso diferencial kPA (quilo Pascal) Verificou-se que uma instalao de A/C, tem seus FACS operando com 230.000 m3/ h, com filtros sujos durante trs perodos de 1 ms por ano. Estimar as perdas em energia eltrica. 750 .PDm W = PD = 10 mmCA = 0,1 kPa m= 230.000 m3/h X 1000 l/m3 x 3600 s/h = 63888 l/s W = 63 888 X 0,1/750 = 8,51 kw Consumo anual: 3 meses x 22 dias x 10 h/dia x 8,51 kW = 5622 kwh/ano Despesa: 1 kwh @ R$ 0,10 5622 kWh x R$ 0,10 = R$562,20/ano
79. 79. ELETROBRS/PROCEL CEPEL79 2.1.6. Programao de Computadores Para Baixo Consumo Computadores pessoais antigos (PCS), incluindo monitor e a CPU, podem dissipar at 200 watts. Os mais modernos, possuem a capacidade de serem programados para desligar seus monitores (e at o disco rgido), se permanecerem inoperantes aps um perodo de tempo (ajustvel). Nesta configurao, passam a consumir apenas poucos watts (cerca de 10 w,ou menos). fcil calcular a economia alcanvel com uma simples medida de programar um PC, j que raramente estes so operados em tempo integral. 2.1.7. Ajustes de acionamentos Freqentemente, encontram-se motores de ventiladores com sua correias patinando. Este deslizamento, produz uma perda de energia considervel. Recomenda-se nestes casos seu ajuste (tensionamento). Outra alternativa a troca de correias tipo V por correias sncronas (dentadas). Correias tipo V, possuem eficincia tpica de 90 a 95 %, enquanto as dentadas oferecem eficincias na faixa de 97 a 99 %. A diferena na eficincia (e preo), retorna na forma de economia de energia. 2.1.8. Limpeza de Superfcies de Trocadores de Calor Serpentinas com seus tubos (parte interna) e alhetamento obstrudo ou trocadores do tipo casco e tubo, com seus tubos sujos, acarretam perdas de bombeamento, j que ventiladores ou bombas tero que trabalhar mais para fornecer a mesma vazo. Como no caso de filtros sujos, a perda de energia, ser proporcional s perdas de carga adicionais (sujo limpo).
80. 80. ELETROBRS/PROCEL CEPEL80 Fig. 4 No caso de trocadores tipo casco e tubo, e outros, o uso de manmetros, (Fig. 5) permite o controle das perdas de carga dentro do especificado pelo fabricante do equipamento Fig.5 2.1.9. Ajustes de Termostatos Os termostatos so equipamentos destinados a controlar temperaturas, sejam dos ambientes, da gua gelada do chiller, etc. Se a temperatura ajustada for diferente da requerida por projeto , poderemos estar gastando mais energia que o requerido. Seno vejamos. Uma instalao que tenha sido projetada para ter 24 C em seus recintos, mas opera a 22 C, estar gastando quase 10 porcento a mais, j que estar resfriando em excesso.
81. 81. ELETROBRS/PROCEL CEPEL81 Para o caso, a medida simples: ajustar o termostato para 24 C. No caso de medidas destinadas a economizar energia, sempre pode-se recorrer a uma subida no set point, mantendo-o dentro do permitido por Norma. A conservao dos instrumentos tambm fundamental, j que instrumentos em mau estado de conservao daro leituras erradas. O exemplo a seguir ilustra como um termostato pode mascarar seu set point (Fig. 6) Fig.6 2.1.10. Ajustes de Vazo de Ar Freqentemente, aps um longo tempo de operao de uma instalao , ela se encontra funcionando fora de seus parmetros de projeto. Uma avaliao da carga trmica, em funo da reduo de pessoal, modificaes da finalidade do uso de ambientes (que funcionavam coma altas cargas e agora foram reduzidas), traz surpresas, podendo em alguns casos permitir um rebalanceamento das vazes, com reduo no consumo de energia de FACS, chillers e bombeamento. As redues alcanveis somente podem ser avaliadas caso a caso e aps um levantamento criterioso.
82. 82. ELETROBRS/PROCEL CEPEL82 2.1.11. Manutenao Programada A elaborao de Programas de Manuteno, baseado em um Manual, em que so previstos todos os servios em cada equipamento, freqncias, set points, contribui no s para reduzir o consumo (filtros sujos, serpentinas obstrudas, correias frouxas, etc), como para reduzir ou impedir paradas no desejadas de equipamentos. Estes manuais devem compreender, pelo menos: . Plantas e fluxogramas dos sistemas. . Desenhos dos principais equipamentos . Desenhos de Eltrica . Lista de componentes reserva, com suas especificaes . Set points para controles (chillers, de ambiente, etc) . Freqncias de ajustes ou trocas de componentes 2.1.12. Seminrio de Conservao de Energia Acreditamos que ser de grande valia um seminrio, com todos os funcionrios da empresa, desde o pessoal executivo , de apoio at o pessoal de Manuteno, baseado no que est sendo exposto neste Curso, e adequando a rea de alcance, responsabilidade, atuao e linguagem. 2.2. MCES COM BAIXO CUSTO 2.2.1. Reduo de Infiltrao de Ar Externo. A infiltrao de ar externo, como j foi visto no Mdulo I , traz uma carga trmica indesejvel para o sistema , onerando a conta de luz do usurio. As fontes podem ser, janelas (esquadrias) mal ajustadas, portas abertas continuamente ou no (comunicando com a rua ou ambientes no condicionados). Quanto s janelas, devem ser mantidas fechadas e ter seus ajustes s esquadrias verificados . Portas que do acesso a ambientes no condicionados (garagens internas por exemplo), devem ser mantidas fechadas, por molas ou outros sistemas.
83. 83. ELETROBRS/PROCEL CEPEL83 Portas com acesso rua, devem possuir sistema de fechamento automtico (mola ou eletrnico) ou quando isto no for possvel , o uso de cortinas de ar pode ser vantajoso. 2.2.2. Reclculo de Ocupao de Pessoal - Ar Exterior - Rebalanceamento Uma instalao antiga, com um projeto baseado numa ocupao do prdio diferente da atual, dever ser avaliada quanto s novas destinaes das reas, cargas de equipamentos originais (equipamentos de escritrios) e nmero de pessoas. Uma rea originalmente destinada a pessoal e que virou um depsito, ter suas taxas de ar de ventilao reduzidas. Uma rea que originalmente era um laboratrio com exaustores e se tornou uma rea de escritrio, poder igualmente ter sua carga de equipamentos e ventilao reduzidas. Esta avaliao poder indicar uma reduo na vazo de ar exterior (ventilao) , ou a necessidade de rebalancear o sistema de distribuio de ar (dutos), remanejando vazes de regies com superavit para regies com deficit, melhorando assim as condies de conforto e reduzindo as reclamaes dos ocupantes. A reduo de ar exterior, atravs de medio e atuao no damper da tomada de ar, trar uma reduo no consumo de energia. 2.2.3. Isolamento Trmico em Dutos J vimos no Mdulo I, que dutos mal isolados, passando sobre reas no condicionadas, acarretam perdas considerveis, onerando a carga trmica do sistema e, por conseguinte, aumentando a conta de energia. Aprendemos l, tambm como calcular estas perdas. Em geral, os custos para isolar dutos so bem inferiores s perdas ocasionadas pela ausncia do isolamento.
84. 84. ELETROBRS/PROCEL CEPEL84 Via de regra, para condies de conforto em ar condicionado, mantas ou placas de 25 mm de espessura de isolamento a base de l de vidro (Dutover, ou similar), isopor incombustvel, ou outros materiais , so suficientes. 2.2.4. Isolamento de Tubos Pelos mesmos motivos acima, tubulaes devem estar devidamente isoladas, evitando perdas energticas e danos provocados por condensao (tubo pingando) sobre equipamentos, mobilirio, etc. 2.2.5. Desligamento de Sistemas X Instalaes de Sistemas Dedicados. Sistemas que operam 24 horas por dia, devem ter sistemas dedicados. Exemplos so centrais telefnicas ou de computadores, que via de regra operam continuamente, porm podero obrigar grandes sistemas (grandes CAGs) a trabalharem em faixas de baixo rendimento, exclusivamente para atend-los. Assim, os equipamentos de maior porte seriam desligados, ficando em operao apenas aqueles dedicados (de menor capacidade). 2.2.6. Desligamento de Bombas de Circulao (BAG e BAC) e Torres de Resfriamento Equipamentos que operem desnecessariamente, devero ser desligados. Tipicamente, quando em baixa carga trmica (inverno ou noite), as bombas de gua gelada (BAG) ou de gua de condensao (CAC) e respectivas Torres, podem ser desligadas. Isto pode ser feito manualmente, mas preferencialmente por sistema de controle capaz de sentir a carga reduzida. conveniente lembrar que o consumo de bombas e torres na instalao expressivo. Para um clculo expedito, pode-se usar a potncia de placa dos motores e o tempo que podero permanecer desligadas. 2.2.7. Segregao para rea de Fumantes Pelas taxas de ar de renovao estabelecidas por norma percebe-se a sobrecarga que o projeto requer para rea em que sejam admitidos fumantes. No caso de escritrios os valores estabelecidos podem ser 20 % superiores. Como
85. 85. ELETROBRS/PROCEL CEPEL85 estas sobrecargas se refletem no consumo de energia, sugere-se que sejam criadas reas especficas para fumantes. Desta forma, e dotando-se e de exausto o local, conseguem-se redues expressivas nas vazes de ar de renovao , conseqentemente reduzindo o consumo de energia. 2.2.8. Recalibrar Controles Uma vez pronta a instalao de A/C de um prdio, aps decorridos alguns anos, dificilmente o responsvel pelo sistema de A/C ir lembrar-se da calibrao dos instrumentos de controle Controles descalibrados (termostatos, umidostatos), alm de complicarem a tarefa do pessoal de Manuteno (as temperaturas , umidades, ajustadas nos instrumentos no coincidem com as efetivamente medidas), tendem a produzir aumento no consumo (resfriamento ou umidade abaixo do set point desnecessrio). Chillers com desajustes de subresfriamento ou superaquecimento, so bons exemplos de efeito nocivo sobre o consumo energtico. 2.2.9. Instalar Barreiras ou Isolar Equipamentos Equipamentos que so geradores de grande dissipao trmica mas que no necessitam de trabalhar em temperaturas controladas (baixas), devem ser removidos do ambiente condicionado, providenciando ventilao adequada para o mesmo. Equipamentos de copas (geladeiras, fornos), transformadores, motores, em equipamentos condicionados, so exemplos tpicos. Com as dissipaes calculadas, ser fcil avaliar o consumo em kwh (e R$) despendido no equipamento de condicionamento. 2.2.10. Reduzir Perdas em Circuitos de gua (Fase de Projeto ou Retrofit) Filtros com crivos de mesh (furao ) maior; tubulao com traado mais suave (menor quantidade de curvas), trocando cotovelos de 90 de raio curto por raio longo; dimetros para velocidades adequadas; uso de vlvulas adequadas (globo para regulagem de vazo e gaveta para bloqueio). Por isso, o traado de uma
86. 86. ELETROBRS/PROCEL CEPEL86 tubulao deve ser produto de um estudo criterioso, no devendo ser feito por pessoa inexperiente. bom lembrar que as perdas de energia so diretamente proporcionais s perdas de carga nas tubulaes, isto , se acrescermos as perdas de carga na tubulao em 20 % desnecessariamente, as perdas no consumo sero tambm aumentadas em 20 %. 2.2.11. Proteo de Vidros Cortinas, Filmes, Brises, Telas O uso de vidros especiais; pelculas especiais aplicadas sobre os vidros comuns; o uso de cortinas internas com cores claras; o uso de brises, reduzem consideravelmente a radiao solar direta sobre os recintos condicionados, reduzindo consequentemente o impacto sobre os sistema de A/C. A tabela a seguir, mostra a carga trmica incidente num recinto , cujas janelas esto protegidas , alternativamente, por trs tipos de elementos de proteo: Sem veneziana Com veneziana interna Com veneziana externa Entre o projeto sem veneziana e com veneziana externa h uma reduo superior a 6 vezes (s 16 h) na carga trmica do recinto. Da recomenda-se , sempre que possvel , o uso destes elementos de proteo, na arquitetura do prdio. As venezianas devem ser de cores claras, preferencialmente. Ganho BTU/h.ft2 rea Ft 2 Correc p/protec Tot BTU/h 200,3 100 10 h 0,09 0,94 1694 16 h 0,40 7531 200,3 100 10 h 0,09 0,56 1009 16 h 0,66 7403 200,3 100 10 h 0,09 0,14 252 16 h 0.40 1121 Armazenamento Alt 1 S/venez Alt 2 C/ ven int Alt 3 C/ven ext
87. 87. ELETROBRS/PROCEL CEPEL87 2.3. MEDIDAS COM CUSTOS DE MODERADOS A ALTOS REFORMAS (RETROFITS) 2.3.1. Impacto da Eficientizao da Iluminao sobre o Sistema de ar Condicionado A eficientizao da iluminao de um prdio trs por si o benefcio da reduo da conta de energia eltrica. Como bnus, reduz o consumo do sistema de Ar Condicionado, j que a dissipao trmica da iluminao foi reduzida. Adicionalmente, se pretender trocar os chillers, teremos ainda uma reduo no tamanho deste equipamento e conseqentemente no custo inicial. A seguir faremos um exerccio para demonstrar estas afirmativas. Exemplo: Imaginemos que um prdio com 9300 m2 (100.000 ft2) possua um sistema de iluminao que vai ser eficientizada, passando de uma taxa mdia de 33 w/m2 (3 w/ft2) para 21 w/m2 (2 w/ft2). Calcular as economias obtidas. Tempo de operao: 10 h/dia x 22 dias /ms x 12 meses/ano= 2640 horas Reduo no consumo de iluminao: (33 21) w/m2X 9300 m2 X 2640 h/ano = 294.624.000 wh = 294.624 kwh/ano Equivalente em TRh (carga trmica acumulada): 1 w = 3,4 BTU/h 1 TR = 12000 BTU/h ento: 294.624 kwh = 84.704 TRh Se considerarmos que a eficincia de um chiller novo de 0,6 kwh/TRh:
88. 88. ELETROBRS/PROCEL CEPEL88 84.704 TRh X 0,6 kwh/TRh = 50.822 kwh de reduo de consumo no chiller A uma tarifa mdia de R$ 0,10 /kwh, teremos uma economia anual de : 50822 kwh X R$0,10 = R$ 5082,00/ano Adicionalmente, a reduo na capacidade do Chiller, no caso de substituio ser de: (33 21) w/m2 X 9300 m2 = 111.600w = 32 TR A um custo mdio de U$ 450, 00/TR, teremos uma reduo de U$ 14438,00, no custo de investimento (R$ 36.095,00). 2.3.2. Controle do Ar Exterior (Ventilao) pelo uso de Sensores de CO2 A concentrao de CO2 um bom indicador da populao de uma rea. Quanto maior o nmero de pessoas respirando , maior ser a concentrao de CO2. Controlando a taxa de ar exterior baseado num set point de concentrao de CO2 (expresso em p.p.m.), estaremos suprindo o ar de renovao baseado na demanda, e com isso reduzindo a carga trmica do sistema. A atuao do detetor feita sobre os dampers de ar exterior Em prdios com diversas reas e condicionadores (casas de mquinas), a localizao do sensor dever dar um indicativo da rea exata onde a demanda se faz maior ou menor. Outro fator que no deve ser esquecido que alm do CO2, existem outros contaminantes internos aos prdios , os quais podero exigir maiores taxas de ventilao ( fumos, gases e vapores emanados de materiais de limpeza, detergentes, tintas, etc). Desta forma, o uso deste sistema de controle, dever ser feito de forma bastante criteriosa. 2.3.3. Isolamento Trmico em Coberturas Uma carga trmica significativa sobre um prdio , aquela proveniente do calor introduzido atravs de seu telhado. A maneira mais efetiva de reduzir estes ganhos,
89. 89. ELETROBRS/PROCEL CEPEL89 pela introduo de materiais isolantes trmicos com alta Resistncia trmica (baixo U). Em prdios novos ou em reforma , adicionar placas (tipicamente com 50 mm de espessura) de isopor incombustvel, adicionar vermiculita argamassa da laje so boas prticas. Onde existir um entreforro, outras opes podem ser adotadas, tais como , aplicao de mantas de fibra de vidro ou jato de espumas a base de uretano ou fibra de vidro, sobre a laje. Apenas a ttulo de exemplo , duas situaes: Uma laje de 10 cm de espessura (4 pol) de concreto , sem ou com revestimento de 5 cm (2 pol) de isopor : Calculemos as resistncias (R) destes conjuntos: R da laje sem isopor: R = ((1/12) X 4 pol) + 0,25 + 0,92 = 1,5 da , U = 0,66 R da laje com isopor: R= (( 1/12)X 4 pol) + ((1/0,25) X 2 pol) + 0,25 + 0,92 = 9,5 , da, U= 0,10 Observa-se que a conduo (o ganho) de calor para uma mesma rea de laje tem uma relao de quase 7 vezes entre lajes sem isolamento e com isolamento. Outras tcnicas construtivas , como a proviso de espaos de ar (entreforros), na cobertura tambm contribuem para redues considerveis na carga trmica, com conseqentes redues no consumo de energia. 2.3.4. Uso de Motores Eficientes O Sistema de A/C utiliza uma quantidade de motores apreciveis: bombas , torres de resfriamento, unidades ventiladoras (fan coils) , etc. Dependendo da potncia (e idade), Os rendimentos tpicos dos motores podem
90. 90. ELETROBRS/PROCEL CEPEL90 variar na faixa de 75 a 95 %, sendo os 5 a 25 % restantes perdidos internamente no motor. Motores mais eficientes, so projetados para converter uma quantia de energia eltrica maior em trabalho. Instalando motores bem dimensionados e mais eficientes, estaremos consumindo menos energia. Na tabela a seguir, uma comparao entre motores Padro e de Alto Rendimento Em ocasies de troca de motores, principalmente aqueles de grandes potncias e que operam continuamente, deve-se considerar a possibilidade de adquirir motores de Alto Rendimento. A ttulo de estimativa, tomando um motor de 100 HP, que roda continuamente: Por definio: Para uma mesma Potncia de sada de 100 HP, temos: HP Efic. Motor Padro Efic Alto de Rendimento 5 83.3 89.5 7.5 85.2 91.7 10 86.0 91.7 15 86.3 92.4 20 88.3 93.0 30 89.5 93.6 40 90.3 94.1 50 91.0 94.5 60 91.7 95.0 75 91.6 95.4 100 92.1 95.4 PotEntrada PotSada = xTempo ARPad PotSaidaDifConsumo ) 11 ( =
91. 91. ELETROBRS/PROCEL CEPEL91 Para funcionamento contnuo em 1 ano: 8760 h E sendo: 1 HP= 745 w Vem: Dif Consumo = 24.511.298 Wh = 24.511 kWh A R$ 0,10/kwh, vem reduo de R$ 2451,00 /ano Com esta reduo no consumo, pode-se calcular o tempo de retorno do investimento (troca de motor no eficiente, por outro eficiente). 2.3.5. Uso de Variador de Freqncia ( VSDS) Os Variadores de Freqncia so dispositivos eletrnicos, que atuam sobre a freqncia da corrente dos motores, variando sua rotao. Considerando que ventiladores , bombas e outras mquinas rotativas nem sempre operam a plena carga (sua vazo varia), e que as formas de variar as vazes via de regra so obtidas atravs de estrangulamento (fechamento de vlvulas e dampers), isto introduzia perdas considerveis de energia. Considerando ainda que as vazes so linearmente relacionadas com a rotao (da bomba ou ventilador), a utilizao de VSDS, introduz a possibilidade de ajustar a vazo sem introduzir perdas, alterando a rotao do equipamento. oportuno lembrar , que a relao de potncias varia com o cubo da variao da rotao. Isto significa que reduzindo a vazo (atuando na rotao), o consumo cair em relao cbica. 8760) 954.0 1 921.0 1 (74500 xWDifConsumo = RPMb RPMa cfmb cfma 3 )( RPMb RPMa HPb HPa
92. 92. ELETROBRS/PROCEL CEPEL92 Estudos (nos EUA) tm mostrado que o uso destes dispositivos podem economizar at 52 % de energia. Abaixo, uma tabela com custo instalado (nos EUA) de VSDS para diversas potncias: Em Ar Condicionado atualmente, os sistemas VAV (Volume Varivel) e de bombeamento, j aplicam largamente estes dispositivos. 2.3.6. Trocas de Centrais de gua Gelada ( CAG) O momento da troca dos resfriadores (chillers), um momento que deve ser motivo de estudos detalhados. Em geral, equipamentos com mais de 20 anos, merecem ser considerados, uma vez que j apresentam grau de obsolescncia razovel e , em geral, um nvel de desgaste aprecivel (controles, compressores, tubos de trocadores, etc). Necessriamente, no se deve fazer a troca por um de mesma capacidade. Em geral, os chillers encontram-se superdimensionados. Recomenda-se fazer um estudo minucioso, visando verificar as possibilidades de reduo de carga trmica, considerando todas as oportunidades aqui estudadas anteriormente. bom lembrar que s o chiller, ter um custo inicial de cerca de U$ 450,00/TR, sem falar nos outros equipamentos. Uma reduo de 50 TR, numa grande instalao representar, por baixo, U$22.500,00 (R$56.250,00). Depois, de recalculada a carga trmica da instalao, com todas as redues possveis, provvel que de sada se obtenha uma reduo no tamanho da nova mquina. Deve-se ento, levantar informaes dos custos operacionais dos equipamentos existentes, isto , seu histrico de manuteno (custos anuais com trocas de componentes), prever trocas futuras previsveis (compressores, condensadores, etc) e medir sua performance (kW/TR). Em seguida, mediante HP Custo Instalado U$ 5 2975 10 3575 30 7225 50 11100 100 19400
93. 93. ELETROBRS/PROCEL CEPEL93 consulta aos fabricantes e de posse de uma Especificao Tcnica , obtem-se dados tcnicos (performance) e custos de novos equipamentos. Ento, teremos em mos os elementos necessrios para fazer uma anlise tcnico econmica criteriosa, para balizar a virtual substituio. Outro aspecto a considerar, so os refrigerantes utilizados nas mquinas. Considerando as restries que vem sendo impostas pelo Protocolo de Montreal e pelo CONAMA, os Refrigerantes R-11 e R-12 devero ser substitudos a curto prazo pelos HCFC-123 e HFC-134 a, respectivamente. Estes refrigerantes so largamente usados em equipamentos de grande porte. A Resoluo CONAMA 267 de 14 /09/2000, em funo do Protocolo de Montreal, faz restries srias ao uso do R-11 e R-12, tendo ficado suas importaes restritas a partir de janeiro de 2001. Seria bom lembrar, que estes novos refrigerantes possuem eficincia termodinmica inferior aos antigos, porm a modificao se faz em funo dos problemas verificados na camada de Oznio. A seguir uma tabela resumida com as datas previstas para proibio dos CFCs * Usado em equipamentos unitrios. Em funo das restries impostas para uso de R-11 e R-12, e no caso de equipamentos mais novos (cerca de 10 anos), poder ser mais vantajoso executar o retrofit do equipamento em vez de adquirir novos equipamentos. O retrofit pode envolver a troca de rotores, gaxetas ou mesmo do compressor. Cabe lembrar, que um estudo de reduo de cargas trmicas seria aconselhvel, tambm neste caso, j que uma reduo de capacidade do equipamento (retrofit), poder Phase Out Refrigerante Ao 1996 R11, R12, R500 Extingue a produo. Equipamentos no mais fabricados 2010 HCFC 22 * Pra a fabricao de equipamentos. 2020 HCFC 22 Pra a fabricao do refrigerante 2020 HCFC 123 Pra a fabricao de equipamentos. 2030 HCFC 123 Pra a fabricao do refrigerante
94. 94. ELETROBRS/PROCEL CEPEL94 ocorrer. Desta forma, poderamos garantir que, ao final de redues de cargas da instalao e do retrofit, o equipamento continuaria a atender plenamente. A seguir, apresentamos o estudo de um caso tpico de anlise tcnico-econmica, para substituio de chillers. Exemplo: Numa empresa foi constatada a degradao e obsolescncia de seus resfriadores (com cerca de 25 anos). Considera-se a substituio dos mesmos e foi feito um estudo tcnico-econmico em cima dos nmeros a seguir. Capacidade Instalada: 640 TR (4 x 160 TR) TRh calculada por ano : 1.136.083 TRh
95. 95. ELETROBRS/PROCEL CEPEL95 Custos Iniciais de Reposio : 4 resfriadores alternativos ( Instalados) R$ 475.680,00 ( Alt 1) 4resfriadores parafuso ( instalados)- R$ 565.920,00 ( Alt 2) Tarifa de E.E. R$0,118 /kWh Performance dos resfriadores kW/TR Existente 1,3 Alternativo 0,95 Parafuso- 0,74 Custos Operacionais ( kWh/R$) Energia Eltrica: Existente 1.476.907 174.275.13 Compressor Alternativo 1.079.278 127.354.00 Compressor Parafuso 840.701 99.202.76 Manuteno ( R$)- 1 a 5 anos e 6 a 20 anos Existente 39.000.00 14.498.00 Compressor Alternativo 14.573.00 14.573.00 Compressor Parafuso 14.573.00 14.573.00
96. 96. ELETROBRS/PROCEL CEPEL96 Custo Operacional Total (R$) 1 a 5 anos e 6 a 20 anos Existente 213.275.00 189.223.00 Compressor Alternativo 141.927.00 141.927.00 Compressor Parafuso 113.375.00 113.775.00 RESUMO - COMPARAO DOS EQUIPAMENTOS MAQ TIPO ECONOMIA ECONOMIA RETORNO RETORNO KWH/ANO % EMPRESA ANOS ANOS 10% AA 12 % AA ALTERNAT 397,629 7,7 17 40 PARAF 636,205 11,8 10 12 RET-ANOS RET-ANOS DIF CUSTO DIF CUSTO 10 % AA 12 % AA 4-ANOS 4,5 ANOS 3.0. SOFTWARES RELACIONADOS ESTIMATIVA DE CARGA TRMICA E SIMULAO PREDIAL Para desenvolver os estudos explanados nos Mdulos I e II, num nvel de preciso acima de uma mera estimativa, seria desejvel que o Administrador se apoiasse em pessoal tcnico especializado, dotado de ferramentas que possam dar um grau de confiana aos clculos (tanto maior quanto maior for a magnitude do investimento). Existem programas para calcular Cargas Trmicas de edificaes, com graus de complexidades maiores ou menores. Dentre outros, pode-se mencionar o Load Express da Trane, para clculos mais expeditos. O E-20da Carrier, com nvel bastante detalhado. Em termos de simulao predial, existe o Visual DOE, originalmente desenvolvido pelo governo Norte Americano e hoje disponvel em verso PC, que simula os diversos sistemas de um prdio iluminao, ar condicionado, arquitetura, etc.