Energia e Sistemas

Os sistemas VAV são geralmente conhecidos por consumirem menos energia do que os sistemas de caudal de ar constante. O investimento necessário é, no entanto, superior. As poupanças de energia advêm do facto de o caudal ser variável e da utilização de arrefecimento gratuito. Num modelo aplicado a um edifício estimou-se que um sistema com VCs gastaria entre 4,8% a 11,1% mais energia do que um sistema VAV [4.25]. Outro estudo aplicado ao VAV considerou um único registo na UTA, tendo utilizado como plataforma o programa Energy Plus. Os resultados obtidos determinaram que 71,1% dos consumos estavam no intervalo de ±15% dos resultados experimentais [4.26]. O Energy Plus foi usado noutro estudo para simular um sistema VRF, comparando-o com os sistemas VAV e de VC com ar novo. Concluiu que o VRF consumiria menos 22,2% do que o VAV e menos 11,7% do que os sistemas com VC [4.27].

Um estudo de um sistema VAV com 100% de ar novo utilizou a modulação de temperatura de insuflação. Aponta para a possibilidade de se obterem economias relativamente a sistemas VAV de temperatura fixa de 8 a 27%. No entanto, não sendo usado reaquecimento, existem limites mínimos para a temperatura de insuflação, de modo a evitar-se o sobre-arrefecimento em algumas zonas [4.28].

A modulação da temperatura de insuflação, ao fazer variar o caudal de insuflação, tem grande importância no consumo de energia do edifício. Estimou-se que uma diferença de 5 ºC entre a temperatura de insuflação e a do ar ambiente pode originar uma potência global de projecto superior ao dobro do registado para uma diferença de 8 ºC [4.29].

O problema da concentração de CO2 em sistemas VAV foi identificado num estudo em

dois edifícios de escritórios em Xangai. Verificou-se que o caudal de ar exterior varia muito de zona para zona, em especial durante períodos de carga parcial. Torna-se assim difícil

garantir concentrações de CO2 inferiores a 1.000 ppm em todos os espaços. A partir de uma

modelação numérica chegou-se à conclusão de que os sistemas VAV teriam um consumo 5,54% inferior ao de um sistema com VCs [4.30].

Noutra aplicação, concluiu-se que os sistemas com ar novo dedicado poupam energia quando comparados com um sistema VAV, devido à redução na energia de ventilação, à redução dos caudais globais de ar novo e por evitar o reaquecimento do ar. Num estudo de um espaço comercial, colocado em quatro climas diferentes, estimou-se que a utilização de sistemas de ar novo dedicado, relativamente a sistemas VAV, permitiria uma redução nos consumos de energia entre 14% e 27% e na potência do GPFC, entre 15% e 23% [4.31].

Nos sistemas de TA, a utilização de uma roda excicadora e a recuperação de calor permitem reduzir o consumo de energia [4.32]. Terão um conforto térmico superior aos sistemas convencionais, permitindo reduções no consumo de energia de cerca de 8,2% relativamente a sistemas VAV [4.21].

A simulação térmica de edifícios na Austrália permitiu concluir que a aplicação de vigas arrefecidas com indução permitiria reduzir o consumo de energia de 10 a 20% [4.33].

Finalmente há ainda a considerar a importância do ar novo no consumo de energia. Numa controvérsia sobre este assunto, um estudo em 2009 avaliou o impacto do acréscimo do ar novo sobre o consumo de energia em várias aplicações terciárias, em cinco estados do EUA. Concluiu que haveria vantagens energéticas em aumentar os caudais de ar novo em cerca de 30%, para as situações em que o caudal por pessoa se situasse entre 3 e 8 l/s [4.34].

Face ao apresentado, às diferenças de climas e às aplicações dos sistemas, será sempre erróneo indicar uma conclusão sobre os melhores sistemas em termos de consumo de energia. No entanto, pode colocar-se a hipótese de em determinados climas o consumo de energia de sistemas com ar novo dedicado ser inferior aos sistemas VAV.

Face à importância do consumo de energia na definição dos sistemas, há portanto que considerar uma nova função nos sistemas de climatização: a de Reduzir o Consumo de Energia. Esta função está estritamente relacionada com o próprio edifício, e a sua avaliação será exposta nos capítulos quinto e sexto.

4.9 Resumo e Conclusões

Neste capítulo foram apresentados os sistemas de volume de ar variável (VAV) e os sistemas com ar novo dedicado. Deste tipo de sistemas apresentou-se os sistemas com ventiloconvectores (VC), com tectos arrefecidos (TA) e com unidades de indução (UI).

Os sistemas VAV funcionam com temperatura de insuflação geralmente constante, adaptando-se à carga a remover por variação do caudal de insuflação nas caixas VAV de cada espaço. Em modo de aquecimento utilizam um caudal mínimo, que será reaquecido nas baterias das caixas VAV. O caudal de ar insuflado em cada caixa é uma mistura de ar exterior, ou ar novo, com ar recirculado. Assim, a quantidade de ar novo insuflado em cada espaço depende da carga térmica de cada momento. Quando as condições exteriores são favoráveis, o VAV permite aproveitar o arrefecimento gratuito do ar novo.

Os sistemas com ar novo dedicado utilizam uma unidade de tratamento de ar novo (UTAN), para tratar e insuflar o ar novo necessário a cada espaço. Geralmente, o caudal de ar novo é fixo na UTAN, assim como em cada espaço. Estes sistemas removem a carga interna prioritariamente nas unidades terminais.

Num sistema com VC, o ar novo é insuflado nos espaços às condições médias interiores. A carga térmica interna é removida na bateria de arrefecimento ou, em modo de aquecimento, introduzida pela bateria de aquecimento. Um sistema a dois tubos terá normalmente dificuldade em garantir o conforto térmico na meia-estação.

Os sistemas com TA removem a carga interna por efeitos conjuntos de convecção e de radiação. São conhecidos como sistemas que, em modo de arrefecimento, originam ambientes de grande conforto, de baixo ruído e com baixas velocidades residuais do ar. No entanto, a carga que removem é muito baixa, o que tem obrigado à insuflação do ar novo a velocidades de 3 a 5 m/s, de modo a obter-se convecção forçada junto aos painéis. Esta opção reduz as características de conforto referidas. Estes sistemas são normalmente incapazes de funcionamento em modo de aquecimento e arrefecimento simultâneo, sendo possível a opção de modular a temperatura do ar novo de modo a introduzir alguma carga térmica nos espaços.

Nos sistemas com unidades de indução (UI) o ar proveniente da unidade de tratamento de ar é arrefecido. Este ar, designado por ar primário, é geralmente apenas ar novo, pelo que existe uma capacidade de aproveitamento de arrefecimento gratuito inerente ao sistema. Assim, a carga interna é removida em parte na bateria da unidade e em parte pelo ar novo arrefecido. O sistema poderá funcionar em aquecimento e arrefecimento simultâneo, desde que utilize uma bateria suplementar para aquecimento. Neste sistema, a carga térmica de cada espaço determina geralmente o caudal de ar novo.

4.10 Contributos, Opinião e Prosseguimento

É contributo deste capítulo a descrição dos sistemas de climatização e o seu correspondente mapeamento de projecto, a partir do segundo nível de decomposição. Este nível de decomposição tinha sido obtido no capítulo anterior, sendo comum aos diversos sistemas de climatização.

Foram escolhidos os sistemas mais comuns nos EUA e na EU: os sistemas VAV, de VC, de TA e de UI. O mapeamento de projecto foi efectuado para cada um destes sistemas até ao nível três, onde se verificaram diferenças assinaláveis entre os seus parâmetros de projecto.

Como linha de orientação, para desenvolvimento futuro, será importante discutir em que intervalos os sistemas de climatização devem satisfazer as funções para que foram projectados. Face aos investimentos efectuados nestes sistemas, não é razoável que sejam definidos sem que se garanta que cumprem permanentemente essas funções.

Coloca-se ainda a necessidade de discutir as características dos sistemas dependentemente do clima, para adaptá-los ao meio ambiente e às cargas internas. Em particular, seria interessante avaliar para os climas de Lisboa e do Porto, as necessidades de aquecimento e de arrefecimento simultâneo e o potencial de arrefecimento gratuito.

Este tipo de estudos poderia comprovar a hipótese da necessidade de sistemas a quatro tubos para o nosso clima. Na realidade, a variação da carga de radiação nas fachadas e a variação de temperatura exterior nos períodos de meia estação indiciam a necessidade de utilização de sistemas com aquecimento e arrefecimento simultâneo.

Deixa-se ainda em aberto a discussão relativa à utilização de conforto adaptativo. Num clima como o de Portugal, geralmente referido como ameno, a utilização mais corrente do conforto adaptativo permitiria reduzir o consumo de energia nos edifícios. Nomeadamente, seria interessante conhecer o desempenho energético de sistemas mistos, activos e adaptativos, sujeitos ao nosso clima, já que, em diversos períodos do ano, a abertura de janelas permitiria reduzir concomitantemente a carga de arrefecimento e o consumo em ventilação.

Finalmente, há que avaliar qual deve ser o papel de uma função associada ao ruído dos sistemas. Esta função foi deliberadamente considerada externa a este trabalho, mas é importante a sua avaliação por ser muitas vezes usada como critério de escolha entre sistemas.

Capítulo 5

54

Energia

“We owe our prosperity, security and way of life to the passion and dedication of past generations. Now it is our time to experience and share an unifying cause of rising to conquer the crisis that we are all faced with… there really is no other option.

It is now our time to carry the fire of the ASHRAE promise of a sustainable future”.

Terry Townsend, Presidente da ASHRAE, 2006-07

5.1 Introdução

No Capítulo 3 foram apresentadas as principais funções de um sistema de climatização. Recorrendo às normas que retratam as necessidades do utilizador do sistema, realizou-se a decomposição das referidas funções. Tal decomposição foi efectuada até um nível de detalhe, em que as funções e parâmetros de projecto são comuns à generalidade dos sistemas existentes.

Para além destas funções, o projecto de um sistema de climatização deve considerar os interesses do investidor e da sociedade. São interesses do investidor os custos de investimento, manutenção e de energia; são do interesse da sociedade o ciclo de vida dos materiais e o consumo de energia. Debruçar-nos-emos neste trabalho apenas no consumo de energia.

O consumo de energia nos edifícios, em particular nos sistemas de climatização, relaciona-se com o investidor por via dos custos associados à exploração do edifício; relaciona-se com a sociedade pelas consequências sociais da transformação da energia, quer pelos problemas ambientais provocados por essa transformação, quer pelos conflitos emergentes da escassez de reservas de combustíveis fósseis.

O problema da energia nos sistemas de climatização tem tido tal premência que, muitas vezes, as funções do utilizador são esquecidas em benefício da redução do consumo de energia. Há, pois, que incluir nos sistemas de climatização outra função do primeiro nível de decomposição: “Reduzir o consumo de energia”.

Neste capítulo abordar-se-á de modo genérico o problema da escassez de recursos energéticos, como pano de fundo à função referida. Reflectiremos em seguida sobre o consumo de energia nos edifícios, que representa nas sociedades ocidentais entre 30 a 40% do consumo de recursos de energia primária.

O modo como a energia é utilizada nos edifícios será analisado com suporte em normas, directivas e regulamentos associados. Face ao tema deste trabalho, este capítulo foca principalmente o consumo de energia em edifícios e, em particular, o consumo associado aos sistemas de climatização.

Apresentar-se-á a norma ASHRAE relativa ao consumo de energia em edifícios e a directiva europeia, sua congénere. Em seguida, apresentar-se-á com algum detalhe o resultado da transposição desta directiva para a legislação de alguns países europeus, dando-se particular atenção à legislação nacional. O sucesso dos programas de melhoria da eficiência energética, no parque de edifícios, dependerá da qualidade das medidas preconizadas em normas e directivas. Esses programas devem considerar não só os novos edifícios, mas também os existentes.

Geralmente, a adopção das medidas preconizadas impõe novas tecnologias. Existem, no entanto, diversas barreiras que interferem na introdução de tecnologias eficientes, que serão brevemente referidas.

Finalmente, há que ter consciência de que a melhoria da eficiência energética terá como consequência a redução do preço da componente de energia na prossecução de uma qualquer função. O principal objectivo deste capítulo é a análise da função de primeiro nível “Reduzir o consumo de energia em edifícios”, em especial os de serviços, focando com maior detalhe a função filha relativa a “Reduzir o consumo do sistema de AVAC”.