Análise de Eficiência Energética em Sistemas Industriais de Ventilação

Análise de Eficiência Energética em Sistemas

Industriais de Ventilação

Kleber David Belinovski, Décio Bispo, Antônio Carlos Delaiba, Sérgio Ferreira de Paula Silva

Faculdade de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Uberlândia – UFU, Avenida João Naves de Ávila, 2121 – Uberlândia – MG, CEP 38400-902 Resumo  O objetivo deste documento é apresentar um

método de análise e verificação da eficiência energética em sistemas industriais de ventilação. Primeiramente são apresentados os procedimentos e metodologias utilizados além de uma descrição da bancada de ensaio. As análises estão dirigidas a ventiladores centrífugos acionados por diferentes motores e diferentes controles de vazão de ar. Em complemento às avaliações técnicas, são apresentados métodos para análise econômica de investimentos, e um estudo de caso.

Palavras-chaves  Eficiência energética, sistemas industriais de ventilação, análise econômica.

I.INTRODUÇÃO

A ameaça de esgotamento das reservas de combustíveis fósseis, a pressão dos resultados econômicos e as preocupações ambientais, têm causado a aplicação da eficiência energética como uma das soluções para equilibrar o modelo de consumo existente e para combater as alterações climáticas. O conceito de eficiência energética compreende em efetuar o mesmo trabalho, utilizando a menor quantidade de energia possível, mantendo a mesma qualidade e conforto oferecido pelo equipamento. Seguindo este conceito, o presente trabalho pretende estudar especificamente um sistema de ventilação industrial. A escolha desta carga está baseada em sua ampla utilização em diversos processos, como: promover a circulação de ar (resfriado ou aquecido); o conforto humano; remoção de ar contaminado de ambientes em processos industriais; e muitas outras aplicações.

II.DESCRIÇÃO DA BANCADA DE ENSAIO

A bancada do ventilador consiste em um sistema completo de acionamento. Ela é composta por duas mesas e um painel. Na primeira mesa está instalado um micro-computador, que é responsável pela supervisão da bancada através do supervisório Indusoft 6.1. Na segunda mesa estão instalados dois motores (linha padrão e alto rendimento), o módulo de carga (com variação de 0 a 120% da carga nominal) e dispositivos de sensoriamento e atuação. O ventilador utilizado é do tipo centrífugo operando com pequenas vazões e grandes pressões. Isso permite trabalhar com certa variação de vazão e de rotação mantendo praticamente o mesmo rendimento, condição desejável para o estudo em questão [1].

K. D. Belinovski, belinovski@gmail.com; D. Bispo, deciobispo@yahoo.com.br; A. C. Delaiba, delaiba@ufu.br; S. F. de P. Silva, sergio@feelt.ufu.br.

Agradecimento à Eletrobrás – Procel Indústria – pelo suporte financeiro para a capacitação do Laboratório de Sistemas Motrizes da UFU, fornecendo também bolsas de Iniciação Científica.

A bancada possui um painel onde estão instalados os dispositivos de partida (direta, soft-starter e inversor de freqüência), o controlador programável (CLP), e elementos de acionamento e proteção como contatores, disjuntores e fusíveis.

Fig. 1. Bancada de ensaio.

A estrutura permite a elaboração de ensaios simulando diferentes níveis de carga através do damper (válvula que controla o fluxo de ar) ou de um inversor de freqüência, além de comparar a eficiência dos dois motores, um da linha padrão e outro de alto rendimento [2].

III.ENSAIOS

Os ensaios realizados compreendem a comparação do consumo para os dois motores disponíveis, e para o uso de variação de velocidade, conforme detalhamento apresentado na seqüência.

A. Consumo de motores da linha padrão e de alto rendimento

A avaliação da diferença de consumo entre os motores da linha padrão e da linha de alto rendimento é realizada submetendo-se ambos os motores às mesmas condições de carga. Para tanto, é necessário fixar uma vazão constante no sistema de ventilação, assim, utiliza-se um controlador de vazão PID para o controle da abertura do damper.

É aconselhável a escolha de uma vazão que possibilite aos motores operarem próximos à sua potência nominal. Logo, para determinar essa vazão procede-se da seguinte forma.

• Antes de partir o motor fecha-se o damper completamente. Para esse procedimento é necessário que esteja selecionado o controle manual do damper; • Parte-se o motor (partida direta ou partida suave). • Abre-se a janela de medição das grandezas elétricas

e seleciona-se a leitura de corrente (tela do sistema supervisório);

• Varia-se a abertura do damper através do campo da modificação dos parâmetros do controle PID até observar-se que a corrente atingiu o valor nominal do motor;

• Verifica-se os parâmetros do procedimento anterior para que o ensaio do outro motor seja feito com a mesma abertura do damper.

O procedimento descrito acima leva em consideração que o motor está operando na condição nominal, porém o ensaio pode ser feito para qualquer carregamento do motor. Lembrando que é importante que o ensaio dos dois motores seja feito submetendo-os à mesma condição de carga.

Para a análise de consumo de energia dos dois motores procede-se da maneira descrita a seguir:

• Acopla-se o motor da linha padrão ao sistema; • Fecha-se o damper totalmente e aciona-se o motor.

É importante partir-se o motor com o damper fechado para que a partida seja mais rápida e a corrente de partida dure um período mais curto; • Com o sistema acionado, abre-se o damper na

posição encontrada no procedimento descrito anteriormente;

• Ao estabilizar o sistema, ou seja, quando o damper já estiver aberto na posição desejada e o valor de vazão do sistema estiver estabilizado, realiza-se a leitura do valor da potência elétrica ativa trifásica no sistema. Além da potência ativa, é interessante anotar a vazão de ar no sistema para essa condição. Os mesmos procedimentos anteriores são aplicados ao motor de alto rendimento, realizando as leituras de potência para ambos os casos.

Normalmente, os sistemas de ventilação operam em diferentes valores de vazão de ar ao longo de um período. Sendo assim, é necessário fazer uma análise de economia de energia levando-se em consideração todos esses pontos durante o período de análise. A economia de energia durante esse período com

n

valores de vazão de ar diferentes é dada por:

(

)

1 n Conv AR op Energia i i i i

Eco

P

P

t

=





=

∑

_

−

⋅

_

(1) Onde: Energia

Eco

- Economia de energia; Conv i

P

_{-Potência com motor padrão para situação i;}

AR i

P

_{- Potência com motor de alto rendimento para}

uma situação i;

op i

t

_{- Tempo de operação do ventilador em uma}

situação i;

n

_{- Número máximo de valores de vazão de ar} diferentes no período analisado.

A economia de energia percentual pode ser dada por:

1

%

Energia

100

Energia n Conv op i i i

Eco

Eco

P

t

=

=

⋅

⋅

∑

(2)

Para obter valores monetários, a economia de energia deve ser multiplicada pelo valor da energia:

$ R Energia esp

Eco

=

Eco

⋅

V

(3) Sendo: $ R

Eco

- Economia em reais;

esp

V

- Valor específico da energia elétrica.

B. Controle de vazão por Damper e Inversor de Freqüência Neste ensaio, o objetivo é verificar a eficiência do sistema de ventilação quando submetido a um controle de vazão de ar por meio de um inversor de freqüência em substituição ao damper. Para a realização do ensaio procede-se da seguinte forma:

• Fecha-se completamente o damper;

• Parte-se o sistema (motor da linha padrão ou alto rendimento);

• Abre-se o damper numa primeira posição e verifica-se o valor da potência elétrica ativa no sistema; • Repete-se o item anterior para várias aberturas; • Para cada abertura do damper verificar se o sistema

não está operando em sobrecarga;

• Traça-se o gráfico Vazão x Potência Ativa;

• Repete-se o procedimento anterior. Porém com o damper aberto na posição de carga nominal quando se utiliza partida direta;

• Para a obtenção dos diferentes valores de vazão, varia-se a freqüência do inversor de freqüência através do sistema supervisório. É importante que os valores de vazão nesse momento sejam próximos dos valores de vazão do ensaio realizado com damper;

• Constrói-se o gráfico Vazão x Potência Ativa agora utilizando o inversor de freqüência.

• A economia de energia durante esse período com

n

valores de vazão de ar diferentes é dada por:

(

)

1 n damper inversor op Energia i i i i

Eco

P

P

t

=





=

∑

_

−

⋅

_

(4)

Onde:

damper i

P

- Potência no sistema utilizando-se damper

para uma situação i;

inversor i

P

_{- Potência no sistema utilizando-se inversor}

de freqüência para uma situação i.

A economia de energia percentual pode ser dada por:

1 % Energia 100 Energia n damper op i i i Eco Eco P t = = ⋅ ⋅

∑

(5)

Em valores monetários, a economia de energia pode ser determinada também através de (3).

IV.ANÁLISE ECONÔMICA

Cada aspecto da análise econômica tem como objetivo determinar certo parâmetro que será usado para a tomada de decisão. Esse estudo visa determinar diversos fatores, como: tempo de retorno (simples e capitalizado), economia mensal gerada pela aquisição de um equipamento mais eficiente ou de uma nova tecnologia, e custo da energia economizada ao longo da vida útil do equipamento. Os aspectos a serem analisados neste trabalho serão: substituição de um motor da linha padrão por um de alto rendimento e a substituição de um damper por um inversor de freqüência para controle de vazão de um ventilador industrial. Em toda a análise, a potência de saída de ambos os motores não poderá ser alterada.

A. Tempo de retorno simples

Tempo de retorno simples corresponde ao tempo necessário para que o capital investido na aquisição de um equipamento mais eficiente seja retornado na forma de parcelas mensais que deixarão de ser pagos na conta de energia (economia mensal).

O tempo de retorno permite estabelecer uma forma de avaliar se o investimento dará retorno a curto, médio ou longo prazo, ou até mesmo se não haverá retorno ao longo da vida útil do equipamento. Não existe um valor ótimo ou aceitável para o tempo de retorno que atenda a todos os casos. Tempos de retorno muito próximo ou maiores que a vida útil esperada do equipamento em geral não são aceitos. Deve-se ter também em mente que depois de decorrido o tempo de retorno, o equipamento adquirido passará a proporcionar uma economia mensal de energia, a qual do ponto de vista econômico pode ser considerada como um ganho de capital que se estenderá por toda a vida útil restante do equipamento. O tempo de retorno simples não considera a capitalização do valor da economia mensal (taxa de juros zero) e é dado pela seguinte expressão:

$ RS R mensal

C

t

Eco

∆

=

(6) Onde: RS

t

_{- Tempo de retorno simples;}

C

∆

_{- Custo do investimento;} $

R mensal

Eco

_{- Economia por mês em reais;}

Como está sendo considerado um retorno em parcelas mensais, o tempo de retorno será o inteiro imediatamente acima do valor obtido com a equação acima.

B. Tempo de retorno capitalizado

O tempo de retorno capitalizado considera uma determinada taxa de juros devido ao fato de que a economia será auferida em parcelas mensais, cujo valor presente será menor. Considerando uma taxa de juros i em valores percentuais e considerando k períodos (meses) pode ser calculado o retorno capitalizado através da expressão abaixo:

$ $ log 100 log 1 100 R mensal R mensal RC Eco i Eco C t i        _{− ∆ ⋅}    =   +     (7) Onde: RC

t

- Tempo de retorno capitalizado;

i

- Taxa de juros;

C. Tempo de retorno capitalizado considerando o aumento do custo da energia

Para se calcular o tempo de retorno, pode ser incluído um possível aumento no custo da energia elétrica. Assim, a taxa de juros líquida é determinada pela seguinte expressão:

1

100

_{1 100}

1

100

L

i

i

ie









+

















=

−

⋅









+







_

_







(8) Onde: L

i

_{- Taxa de juros líquidos;}

ie

_{- Taxa de aumento do custo da energia.}

De acordo com a fórmula acima percebe-se que com a inclusão da taxa de aumento do custo da energia elétrica, a taxa de juros a ser utilizada no tempo de retorno capitalizado será menor do que se não tivesse considerando este aumento no custo da energia, com isso o tempo de retorno será menor quando considerado a taxa de aumento do custo da energia elétrica. Portanto para o cálculo do retorno de investimento capitalizado utilizaremos a nova taxa de juros chegando assim à seguinte expressão:

$ $ log 100 log 1 100 R mensal L R mensal RC L Eco i Eco C t i        − ∆ ⋅    =   +     (9)

D. Vida útil do equipamento

Um dos equipamentos utilizado é o motor de alto rendimento. Para se determinar o valor retornado na vida útil do equipamento, é necessário então estimar esse período. Através de uma estatística americana [3], foram estimados períodos de vida útil em função da potência do motor, e foi possível perceber que a média geral é de 13,3 anos. Este valor pode ser utilizado para fins de análise econômica.

Outro equipamento a ser utilizado neste trabalho é o inversor de freqüência, onde o tempo de vida útil varia de acordo com o fabricante, variando entre 50 e 100 mil horas.

E. Energia economizada ao longo da vida útil

A energia economizada ao longo da vida útil do equipamento é dada por:

VU ano U

Eco

=

Eco

⋅

V

(10) Onde:

ano

Eco

_{- Economia de energia anual;}

U

V

_{- Vida útil do equipamento em anos.}

F. Valor líquido retornado ao longo da vida útil

Este valor indica o quanto o empreendedor irá lucrar com o investimento realizado, ou seja, o quanto o novo equipamento retornará em reais para o proprietário. Este retorno pode ser calculado considerando ou não, a capitalização nas parcelas. O valor líquido sem considerar a capitalização pode ser encontrado através da seguinte expressão:

LS VU esp

V

=

Eco

⋅

V

− ∆

C

(11) Onde:

LS

V

_{- Valor líquido simples retornado ao longo}

da vida útil.

Considera-se que o empreendedor empregará as parcelas retornadas depois de pago o custo do investimento em outro investimento que tenha uma taxa de rendimento

ir

(juros sobre juros), que deve ser utilizada na seguinte fórmula:

$ 1 1 100 1 100 100 m LC R mensal ir ir V Eco ir _{ }  + −            =_ + _ ⋅   (12) Onde:

ir

_{- Taxa de rendimento ao mês.}

m

_{- Quantidade de meses depois de pago o custo do}

investimento. Sendo que: ' RC m=Vu−t (13) Onde:

'

Vu

_{- Vida útil do equipamento em meses.}

V.ESTUDO DE CASO

Primeiramente o estudo de eficiência energética analisa a utilização do motor de alto rendimento em substituição ao motor da linha padrão [4]. Posteriormente será analisada a eficiência do sistema quanto à utilização de um inversor de freqüência em substituição ao damper. O inversor de freqüência e o damper são utilizados nos sistemas de ventilação para variarem a vazão de ar no sistema. As análises serão realizadas tendo-se como base as seguintes informações:

• O sistema operará durante 4000 horas no ano, sendo 1400 horas com vazão de 8 m³/min, 1500 horas com vazão de 13 m³/min e 1100 horas com vazão de 18 m³/min;

• A tarifa de energia elétrica é de R$ 0,30/kWh. A. Consumo de motores da linha padrão e alto rendimento Conforme anteriormente mencionado a análise está direcionada à utilização de um motor de alto rendimento em substituição a um da linha padrão. De acordo com os resultados descritos anteriormente, obteve-se aos resultados exibidos na Fig. 2. 0 500 1000 1500 1 2 5 6 8 13 15 19 20 Vazão (m ³/m in) P o tê n c ia ( W a tt s ) AR LP

Fig. 2: Curva Potência x vazão

Para motores de baixa potência, como o do presente estudo (1,5 CV), percebe-se que para determinados valores de vazão, os valores de potência são idênticos, ou até mesmo são maiores para o motor da linha de alto rendimento. Porém, para equipamentos de maior porte espera-se que essa característica seja menos marcante. A partir da análise do gráfico, e dos dados coletados é possível determinar os valores de potência em função da vazão, conforme valores indicados na Tabela 1.

TABELA 1: ENSAIO UTILIZANDO MOTORES PADRÃO E DE ALTO RENDIMENTO i Vazão [m³/min] St P [kW] AR P [kW] op i t [h] 1 8 0,816 0,790 1400 2 13 0,998 0,952 1500 3 18 1,365 1,303 1100 Total 4000

A partir dos dados da tabela, e de (1), (2), (3), (6), (8), (9), (10), (11), e (12), e ainda sabendo-se que:

• Custo do motor 1,5 CV da linha padrão: R$ 200,00; • Custo do motor 1,5 CV alto rendimento: R$ 260,00;

• Vesp=R$0,30;

• Taxa de juros de 1% ao mês e taxa de aumento do custo da energia elétrica de 0,2% ao mês;

Tem-se que: 173,6 ano Eco = kWh _e Eco% 4, 2%= _; $ $52,08 R anual

Eco =R _e EcoR mensal_$ =R$ 4,34;

14 meses RS t = _; i =_L 0,7984%_; tRC =15 meses; 2308,88 VU Eco = kWh_; VLS=R$632,66; VLC =R$1409,57. Com base nos valores encontrados acima, percebe-se que a substituição de motores é economicamente viável, pois sabendo-se que a vida útil média do motor é de 13,3 anos, em apenas 15 meses o capital já terá sido recuperado.

B. Controle de vazão por Damper e Inversor de Freqüência

A análise agora considera a utilização de um inversor de freqüência em substituição ao tradicional damper utilizado para variar a vazão de ar em sistemas de ventilação. Os resultados podem ser observados na Fig. 3.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1 2 5 6 8 13 15 19 Vazão (m ³/m in) P o tê n c ia ( W a tt s ) Damper Inversor

Fig. 3: Curva Potência x vazão com controle de velocidade

A partir da análise do gráfico e dos dados coletados no ensaio, é possível encontrar os valores de potência em função da vazão. Assim, pode-se construir a Tabela 2.

TABELA 2: ENSAIO UTILIZANDO DAMPER E INVERSOR DE FREQUÊNCIA

i Vazão [m³/min] St P [kW] AR P [kW] op i t [h] 1 8 0,816 0,790 1400 2 13 0,998 0,952 1500 3 18 1,365 1,303 1100 Total 4000

Seguindo a mesma metodologia do ensaio anterior, a partir dos dados da tabela, utilizando (3), (4), (5), (6), (8), (9), (10), (11), e (12), e ainda sabendo-se que:

• Custo médio do inversor de freqüência para um motor de 1,5 CV: R$ 700,00;

• Vesp=R$0,30;

• Taxa de juros de 1% ao mês e taxa de aumento do custo da energia elétrica de 0,2% ao mês;

• Vida útil do inversor: 10 anos; Tem-se que: 2145,1 ano Eco = kWh _eEco% 54%= _; $ $ 643,53 R anual

Eco =R _e Eco_{R mensal$} =R$52, 63_;

14 meses

RS

t

=

_; i =_L 0,7984%_; tRC =15 meses; 21411 VU Eco = kWh_; V_LS =R$5723,30_; V_LC=R$9795,57_. Não obstante aos resultados relacionados à eficiência energética, é importante que se faça também uma análise relacionada à qualidade da energia elétrica, pois os inversores causam diversos tipos de distúrbios na rede, e isso pode gerar complicações em determinados equipamentos. Para minimizar esses problemas é comum a utilização de filtros de distorções harmônicas, porém, a utilização desses equipamentos deve ser incluída no estudo de viabilidade econômica de implementação do inversor de freqüência no sistema.

VI.OBSERVAÇÕES FINAIS

Através dos aspectos observados neste trabalho, é possível perceber que o uso de equipamentos mais modernos e eficientes em sistemas de ventilação como motores de alto rendimento, e inversores de freqüência, apresentam grande importância para a economia de energia.

Além disso, é importante ressaltar que maiores valores de economia de energia serão alcançados para os valores menores de vazão mais distantes do valor nominal, e que toda a metodologia desse trabalho pode ser aplicada para qualquer sistema de ventilação, sendo que para sistemas de maior porte os valores absolutos economizados serão mais elevados. Presta-se ainda, agradecimentos à Eletrobrás pelo suporte financeiro para a capacitação do Laboratório de Sistemas Motrizes da Universidade Federal de Uberlândia.

REFERÊNCIAS

[1] A. N. C. Viana. Programa de Eficientização Industrial, Módulo

ventiladores e exaustores. Eletrobrás/Procel, 2004.

[2] S. F. P. Silva e Outros. Especificação para um Laboratório de Eficiência

Industrial. II CBEE, Vitória-ES, 2007.

[3] J. C. Andreas. Energy efficient electric motors – Selection and

applications. Marcel Decker Inc. New York, 1982.

[4] E. Locatelli. Programa de Eficientização Industrial, Módulo Motor