Eficiência Energética em Edificações – Chillers

Nesse artigo iremos retomar um assunto com um abordagem mais técnica, mas de extrema importância quando falamos em eficiência energética de edificações. Em um artigo anterior (Eficiência de Ar Condicionado e seus indicadores) explicamos como é o funcionamento básico de um sistema de refrigeração, que é igual para praticamente todo sistema que deve “resfriar” algo (seja uma geladeira, seja um shopping inteiro). Em todos esses sistemas temos um evaporador, condensador, compressor e fluidos que serão usados na troca de calor. Obviamente com as suas devidas proporções. Quando falamos em edificações (prédios inteiros ou fábricas), essas proporções podem se tornar bem maiores que imaginados. Vamos falar exatamente sobre esses casos: os Chillers!

Chillers – o que são?

O Chiller é a máquina mais usada quando se fala em refrigeração predial, seja comercial ou industrial . Claro que o sistema como um todo possui vários outros elementos, porém essa máquina é de longe a maior consumidora de energia elétrica. De fato, é comum vermos edificações em que o consumo do sistema central de refrigeração corresponda a mais de 40% do consumo do prédio inteiro! 

A figura abaixo ilustra o funcionamento básico de um Chiller. O ciclo é muito semelhante ao mostrado no artigo anterior, porém com certas particularidades. 

 4 passos do Ciclo de um Chiller

  • Compressão: Um compressor ou conjunto de compressores elétricos comprime o fluido refrigerante, aumentando a sua pressão e temperatura. Essa é a etapa que mais consome energia.
  • Condensação: O fluido passa pelo condensador, onde troca calor através de serpentinas com a água de resfriamento. Esta por sua vez é bombeada para as torres de resfriamento localizadas em área externa. Alguns modelos de chillers não possuem água de resfriamento, e o fluido refrigerante é resfriado diretamente por radiadores e ventiladores.
  • Expansão: A válvula de expansão faz com que o fluido refrigerante vaporize por expansão, fazendo sua temperatura cair drasticamente.
  • Evaporação: Esse fluido frio passa por um evaporador localizado dentro do ambiente, resfriando a água gelada. O circuito de água gelada circula dentro do prédio, sendo usado por outros subsistemas (Fancoils, Unidades de Tratamento de Ar, máquinas industriais, etc)
chillers

Figura adaptada e traduzida de hvac investigators.

Como podemos notar, o sistema inteiro não passa de um transporte de calor de dentro da edificação para o ambiente externo (respectivamente Qin e Qout, na figura), usando energia elétrica para isso. Logo, podemos associar diversos índices de eficiência a esses sistema, sendo que o principal deles é o CoP (Coeficiente de Performance).

Se você quiser ver um pouco mais sobre como calcular o CoP, basta visitar meu último artigo sobre o tema, neste link AQUI.

Consumo e Eficiência Energética em Chiller

Como gastam quase metade da energia de um prédio, os Chillers são os sistemas que chamam mais atenção quando falamos em eficiência energética de edificações. É normal encontrarmos sistemas rodando há anos sem nenhuma manutenção, e que acabam se tornando bastante ineficientes com o tempo.

Selecionamos aqui 4 possíveis melhorias que ajudam a tornar um Chiller mais eficiente e que podem economizar dezenas de milhares de reais em energia por mês.

Troca do Compressor

Em muitos casos, o compressor de um chiller pode ser adaptado com uma tecnologia mais recente. Nesse caso, o retorno do investimento pode ser muito rápido. Por exemplo, a substituição de um compressor do tipo Scroll, de velocidade fixa, por um compressor de velocidade variável pode levar a uma redução em torno de 9% no consumo de energia. O fator que mais afeta a economia é qual a parcela de tempo no uso que o chiller opera com carga parcial. Se estiver em carga total durante a maior parte do ano, haverá pouca ou nenhuma economia. No entanto, se o chiller operar em carga parcial na maior parte do ano (que ocorre na maioria dos casos) então há um grande potencial aqui para economia de energia .

Aumentar temperatura de saída da Água Gelada

A temperatura de saída (do evaporador) da água gelada é normalmente fixa em torno de 6ºC. Porém está se tornando uma prática comum alterar essa temperatura sob certas condições de operação em carga parcial. Isso reduz a quantidade de trabalho realizado pelo compressor dos chillers.

Como regra geral, a eficiência do equipamento pode ser aumentada em 1~2% a cada ºC aumentado na saída do evaporador.
O ideal, neste caso, é consultar um especialista para entender em quais momentos da operação essa medida pode ser tomada. 

Alterar temperatura de retorno da Água de Resfriamento

Isso só pode ser implementado em chillers resfriados a água, já que resfriados a ar não usam água no condensador. É muito semelhante à redefinição da temperatura da água gelada que acabamos de ver: ao reduzir a temperatura da água do condensador, você reduzirá a quantidade de trabalho que o compressor precisa fazer pois resultará em uma redução na pressão do fluido refrigerante do condensador.

Novamente, como regra geral, você pode economizar 1~2% por redução de grau Celsius. Normalmente, o ponto de ajuste da temperatura de retorno da água do condensador é fixado em cerca de 27°C e os ventiladores da torre de resfriamento ou linhas de bypass se ajustam para controlar esta temperatura.

Em algumas regiões com climas mais moderados é possível reduzir a temperatura da água do condensador conforme a temperatura do bulbo úmido externo diminui. No entanto, existem limites para o quão baixo você pode ir; eventualmente, o chiller irá desligar para se proteger. Portanto, é sempre essencial consultar um especialista antes de adotar essas medidas.

Limpar o Chiller

Parece bastante óbvio, mas é normal encontrar edifícios que nunca limparam os trocadores de calor dos Chillers ou fazem isso com pouca frequência.

Cada chiller é projetado para ter alguma quantidade de incrustação na tubulação. Porém ao longo do tempo, o crescimento biológico, poeira, partículas estranhas e partículas internas provenientes de corrosão irão se acumular nas superfícies dos tubos e trocadores de calor, fazendo com que as bombas trabalhem mais, mas também reduzindo a capacidade de o trocador de calor (tanto evaporador quanto condensador) transferir energia térmica entre a água e o refrigerante.

O tratamento adequado da água deve ser realizado por um especialista para determinar os produtos químicos corretos e os intervalos de dosagem. 

Para condensadores conectados a torres de resfriamento abertas, é uma boa prática limpá-los anualmente. Evaporadores e condensadores em circuitos fechados, é uma boa prática limpar fisicamente a cada 3 anos.

A quantidade que se pode economizar realmente depende de quanta incrustação se acumulou nas superfícies. Limpar um chiller muito sujo pode levar a uma economia de energia de até 10%, enquanto um chiller levemente sujo teria uma melhora de 1~3%. É essencial manter um registro das condições operacionais para comparar o desempenho ao longo do tempo, por monitoramento de energia e de temperaturas.

Se você nunca viu um sistema capaz de realizar esse tipo de acompanhamento em tempo real e análises avançadas por conta própria, fique a vontade para entrar em contato com nossos especialistas que eles podemos mostrar vários exemplos de usos em nossos próprios clientes.  

Muito importante limpar também as aletas do condensador de um chiller refrigerado a ar. Com o tempo, eles podem acumular sujeira, poeira, pedaços de lixo, ninhos de animais e material biológico que se acumulam nas superfícies e reduzem a eficácia da transferência de calor.

Bruno Scarpin

Engenheiro Mecatrônico pela USP e Mestre em Sistemas Integrados de Manufatura pelo Rochester Institute of Technology. É cofundador da CUBi e atual COO.

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