Solução Convencional – Chiller + Caldeira

O conjunto Chiller + Caldeira é dos sistemas mais convencionais e usuais usados na geração de fluidos térmicos para climatização de edifícios em Portugal e talvez em todo o mundo. O Chiller é usado como fornecedor de água gelada para a climatização, tem um maior uso no verão e meia estação, podendo chegar estar praticamente desligado de Inverno. A caldeira tem funcionamento praticamente contínuo ao longo do ano, com diferentes requisitos de potência, seja climatização (inverno e meia estação) ou suprimento de necessidades de águas quentes sanitárias.

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2.2.2.1 Chiller

Existem diversos tipos de chillers podendo ser divididos em dois grandes grupos, os chillers de compressão e os chillers de absorção.

Chillers de Compressão

Um chiller de compressão tem o funcionamento baseado num ciclo frigorífico, em que um fluido refrigerante circula através de um compressor, condensador, válvula de expansão e evaporador. Sucintamente as etapas em um ciclo frigorífico de um chiller (condensação a água) são as seguintes: Condensador Evaporador 1 2 4 3 Saída de Água de Arrefecimento Entrada de Água de Arrefecimento Entrada de Água Gelada Saida de Água Gelada Compressor Válvula de Expansão Lado da Alta Pressão Lado da Baixa Pressão

Figura 34 – Ciclo Frigorifico – Chiller condensação a água

Compressão do fluido refrigerante no compressor (Etapa 1-2)

O fluido frigorígenio encontra-se no estado gasoso à saída do evaporador entrando então na linha de aspiração (1) do compressor que lhe fornece energia, levando-o de um estado de baixa pressão e baixa temperatura, a um estado de alta pressão e alta temperatura (2).

Rejeição de Calor no condensador (Etapa 2-3)

O fluido frigorigénio encontra-se agora a alta temperatura e alta pressão depois do estágio de compressão, ao atravessar o condensador, irá trocar calor com uma fonte mais fria (seja água ou ar) ao longo deste processo de rejeição o fluido irá condensar e perder calor, sendo este captado pela água de arrefecimento (ou ar). Esta água aquecida pode ser arrefecida numa torre de arrefecimento, ou utilizada em soluções de aquecimento, chillers com recuperação de calor. Expansão na válvula de expansão (Etapa 3 -4)

O fluido frigorigénio entra na válvula e é expandido, neste processo graças às características inerentes do fluido, este ao diminuir a sua pressão sofrerá uma diminuição de temperatura. Absorção de calor no evaporador (Etapa 4-1)

Nesta etapa o fluido entra no evaporador no estado liquido, a baixa pressão e a baixa temperatura. É no evaporador que o mesmo troca calor com a água arrefecida que será utlizada para climatização, captando o calor existente na água gelada. Assim esta água entra no

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evaporador normalmente a cerca de 12°C saindo a 7°C (temperaturas típicas). Neste processo de captação de calor o fluido irá evaporar saindo no estado gasoso para a linha de aspiração do compressor, podendo o ciclo assim ser reiniciado.

Eficiência

A eficiência destes equipamentos é normalmente medida pelo Energy Efficiency Ratio (EER) que é uma relação entre a capacidade de arrefecimento e a energia eléctrica de entrada, necessária à obtenção dessa capacidade.

𝐸𝐸𝑅 = 𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 𝑐𝑜𝑜𝑙𝑖𝑛𝑔 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 [𝑘𝑊ℎ]

𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 [𝑘𝑊ℎ] (7)

Existe ainda o European Seasonal Energy Efficiency Ratio (ESEER), que corresponde a uma relação que considera a variação do EER de acordo com a carga e com as condições térmicas exteriores. No fundo avalia ao longo do ano a eficiência do chiller de acordo com a sazonalidade8 _{das cargas.}

𝐸𝑆𝐸𝐸𝑅 = 𝐴 × 𝐸𝐸𝑅(100)% + 𝐵 × 𝐸𝐸𝑅(75%) + 𝐶 × 𝐸𝐸𝑅(50%) + 𝐷 × 𝐸𝐸𝑅(25%) (8) Em que: Percentagem de Carga do Equipamento Parâmetros ESEER Temperatura do Ar

Exterior Coeficientes de Ponderação

100% 35 A=3%

75% 30 33%=B

50% 25 41%=C

25% 20 23%=C

Tabela 22 – Parâmetros para obtenção do ESEER

Sempre que se opta pela solução de um chiller, estes parâmetros devem ser levados em conta e tentar que sejam o mais alto possível, promovendo assim uma maior eficiência energética e uma redução potencial nos consumos.

Chillers de Absorção

Os chillers de absorção distinguem-se dos de compressão pelo facto do princípio de funcionamento associado, ser um processo termoquímico de absorção, utilizando para tal, uma solução de um sal. Estes chillers permitem gerar água gelada a partir de uma fonte de calor, sendo assim indicados por exemplo para cogerações, aproveitando calor que seria rejeitado. Existem também já casos em que são utilizados com painéis solares de elevada temperatura como fonte de calor. Este tipo de chillers apresenta o seguinte ciclo de funcionamento.

8 _{Sazonalidade de cargas: Os chillers são dimensionados para uma capacidade de pico, esta necessidade} da potência de pico possui sazonalidade, isto é, não é constante ao longo do ano, aliás a menor percentagem de funcionamento é normalmente no pico. Sendo o EER normalmente indicado para o pico o indicado ESEER reflecte melhor o desempenho energético ao longo de um ano.

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Figura 35 – Circuito Frigorifico Chiller de Absorção [11]

Evaporador

A água gelada (chilled water) entra a cerca de 14°C nos tubos que compõem a serpentina do evaporador e o fluido refrigerante (água), é despejado sobre as alhetas a cerca de 4°C evaporando e absorvendo calor, a evaporação a tão baixas temperaturas ocorre pelo facto de a câmara do evaporador se encontrar sobre vácuo. Permitindo que a água gelada saia da serpentina a cerca de 7°C.

Absorsor

O fluido refrigerante no estado de vapor é atraído por um absorsor. Uma solução salina tem a capacidade de captar o vapor, absorvendo-o. Esta solução salina é agora pouco concentrada e é bombeada para a próxima “etapa”.

Gerador

É no gerador que será utilizada a fonte de calor necessária ao processo, seja ela de um aproveitamento de gases de cogeração ou solar. No gerador entra a solução salina com baixa concentração, mas já com alta pressão, é nesta altura que com auxilio da fonte de calor a solução será de novo concentrada à custa da evaporação da água de refrigeração. A solução agora concentrada volta ao absorsor, o vapor, segue para o condensador.

Condensador

O condensador recebe a água de refrigeração no estado de vapor, este vapor será obrigado a mudar de estado ao entrar em contacto com água de arrefecimento proveniente de um fonte fria, por exemplo uma torre de arrefecimento, ao condensar irá rejeitar o calor e ficará disponível para entrar novamente no evaporador, retomando assim o ciclo.

2.2.2.2 Caldeira

É a fonte de calor mais comum para a obtenção de águas quentes sanitárias ou de aquecimento presente em centrais térmicas de edifícios. Sucintamente é um sistema em que é realizada a

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queima de combustível sobe uma serpentina/permutador onde circula a água a aquecer, esta água pode ser canalizada para um sistema fechado de aquecimento, um depósito ou até mesmo directamente para águas quentes sanitárias. Existem ainda um outro tipo de caldeiras muito usado, as caldeiras de condensação, em que são aproveitados os gases de escape para realizar um pré-aquecimento da água de retorno ao permutador da caldeira, diz-se de condensação pelo facto do vapor dos gases de escape acabar por condensar neste pré-aquecimento, sendo depois necessário encaminhar estes condensados.

Figura 36 – Caldeira de Convencional vs Condensação – Aquecimento [12]