Monitorização Funcional: Avaliação do
Funcionamento de um Sistema de Climatização
Diogo Guilherme de Amorim Teixeira
Dissertação de Mestrado
Orientador na FEUP: Professor Armando Oliveira
Orientador na Empresa: Engenheiro Bruno Silva
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Resumo
O tema da monitorização de consumos energéticos em edifícios resulta da necessidade de melhorar os índices de eficiência energética, no contexto energético atual. Do ponto de vista da sustentabilidade ambiental, existe a necessidade de transformar o setor energético, seja através da descarbonização dos sistemas de produção de energia atuais, do fomento de métodos de produção de energia, com recurso a fontes renováveis, ou da racionalização dos recursos e dos consumos. A melhoria da eficiência energética em edifícios apresenta-se como um exemplo de solução para esta problemática.
A presente dissertação surge no âmbito de uma ação de consultoria realizada por parte da Edifícios Saudáveis Consultores (ESC), a um edifício de serviços da tipologia Centro Comercial. Dessa ação de consultoria resultou um conjunto de medidas de otimização que foram implementadas e comissionadas durante o ano de 2020.
No âmbito do comissionamento adicional e com base na capacidade de monitorização funcional implementada a par das medidas, pretendeu-se explorar as capacidades inerentes a este tipo de monitorização e verificar se as medidas implementadas estão a produzir os resultados esperados.
Com base nos registos de monitorização funcional dos diversos equipamentos, procedeu-se à quantificação dos consumos do período de referência 2020/21 e à estimativa dos mesmos para os períodos ainda por decorrer. De seguida, estimaram-se as economias face ao ano de 2018 (ano anterior à auditoria realizada pela ESC, que serviu como referência para a contabilização das economias). A análise foi feita tendo por base o Caderno de Encargos, onde constam as medidas implementadas para os equipamentos afetos a cada um dos seguintes tópicos:
• Produção de água fria e otimização da sua distribuição; • Produção de água quente e otimização da sua distribuição; • Otimização da distribuição de água tépida;
• Otimização da rejeição de calor;
• Otimização do controlo das Unidades de Tratamento de Ar (UTA);
• Arrefecimento passivo – controlo automático das aberturas de ventilação natural. O cálculo das economias de alguns equipamentos envolveu a correção prévia dos consumos do ano de 2018. Esta correção climática foi efetuada tendo por base o clima de 2018 e de 2020/21, tendo como objetivo reduzir o efeito do fator climático no cálculo final das economias. Estimou-se uma redução total de 41% face ao consumo do ano de 2018 corrigido, o que corresponde a 3,7 GWh de potencial de poupança de energia elétrica e aproximadamente 281 milhares de euros.
Através da análise dos ficheiros de monitorização funcional foi, também, possível detetar as ineficiências que resultaram da alteração das variáveis de controlo dos equipamentos, por parte da equipa de Operação e Manutenção (O&M). Posteriormente, foram identificadas falhas ao nível da implementação da lógica de controlo e ao nível da degradação de equipamentos. A análise das ineficiências foi finalizada com a contabilização dos desperdícios que resultaram da inativação dos modos de eficiência de certos equipamentos. As estimativas apontaram para um desperdício total de cerca de 1 GWh, aproximadamente 114 milhares de euros.
correto funcionamento de um sistema de climatização. Os objetivos traçados foram alcançados na medida em a quantificação/estimativa das economias, a verificação do bom funcionamento das medidas, a deteção das ineficiências e a quantificação do desperdício energético, associado às mesmas, foi efetuada com sucesso.
Functional Monitoring of a HVAC System
Abstract
The theme of monitoring energy consumption in buildings results from the need to improve energy efficiency indices in the energy current context. From the point of view of environmental sustainability, there is a need to transform the energy sector, either through the decarbonisation of the energy production systems, the promotion of energy production methods, using renewable sources, or the rationalisation of resources and consumption. Improving energy efficiency in buildings is one example of an effective solution to this problem.
This dissertation arises in the context of a consulting action carried out by Edifícios Saudáveis
Consultores to a building of services classified as Shopping Centre. This consulting action resulted in a
set of optimization measures, which were implemented and commissioned during the year 2020. As an additional commissioning and through functional monitoring implemented alongside the measures, it was intended to exploit the capabilities inherent in this type of monitoring and to verify that the measures implemented are producing the expected results.
Based on the functional monitoring records of the several equipment, consumption was quantified for the reference period 2020/21 and estimates for the periods still to come. The savings were then estimated compared to 2018 (year prior to the esc audit that served as a reference for the accounting of savings). The analysis was based on the Tender Documents, which contain the measures implemented for the equipment included in each of the following topics:
• Chilled water production and distribution optimization; • Hot water production & distribution optimization; • Tepid water distribution optimization;
• Heat rejection optimization; • AHU - control optimization;
• Passive cooling - Automatic control of natural ventilation openings.
The calculation of the savings of some of the equipment involved the prior correction of the consumption of the year 2018. This climate correction was based on both the 2018 and 2020/21 climates and aimed at reducing the effect of the climate factor on the final calculation of economies. In the end, a total reduction of 41% was estimated, compared to the 2018 corrected consumption, which corresponds to 3.7 GWh of electricity saving potential and to approximately 281 thousand euros. By analysing the functional monitoring files, it was also possible to detect the inefficiencies that resulted from the changes made by the O&M team, related to the control variables of the different equipment. Subsequently, failures were identified in the implementation of the control logic and in what concerns the integrity of the equipment. The analysis of inefficiencies was completed with the accounting of waste that resulted from the inactivation of the efficiency modes of some of the equipment. Estimates pointed to a total waste of about 1 GWh, approximately 114 thousand euros.
With this dissertation, it was concluded that functional monitoring, along with the optimization measures implemented, has a high potential to ensure the efficiency and verification of the correct functioning of a HVAC system. The goals set were achieved as the quantification/estimates of the savings, the verification of the proper functioning of the measures, the inefficiency and the
Agradecimentos
Gostaria, em primeiro lugar, de transmitir todo o meu apreço ao Engenheiro Ricardo Sá, por me conceder a oportunidade de realizar a dissertação na Edifícios Saudáveis Consultores S.A e pela forma prestável e atenciosa como fui recebido por toda a equipa.
Agradeço ao Professor Armando Oliveira pelos meios que possibilitaram a realização da dissertação em ambiente empresarial e pelo apoio concedido ao longo desta jornada.
Agradeço ao Engenheiro Bruno Silva pela disponibilidade demonstrada, prontidão e forma atenciosa com que me auxiliou em todas as fases da dissertação.
Finalmente, deixo o meu mais profundo agradecimento à minha família pelo apoio incondicional. À minha tia Salomé, por me ter acompanhado e auxiliado durante todo o meu percurso académico. Aos meus amigos, por todos os momentos de cumplicidade e entreajuda que partilhámos durante a nossa vida académica.
Índice de Conteúdos
1 Introdução ... 17
1.1 Enquadramento do projeto e motivação ... 17
1.2 Apresentação da Empresa ... 18 1.3 Objetivos do projeto ... 18 1.4 Estrutura da dissertação ... 19 2 Enquadramento Energético ... 21 3 Estado da Arte ... 25 3.1 Sistemas de Climatização ... 25
3.2 Sistema primário – produção de energia térmica ... 27
3.3 Sistema Secundário – distribuição de energia ... 31
3.4 Sistema de Controlo ... 39
4 Apresentação do caso de estudo ... 47
4.1 O Edifício ... 47
4.2 Sistema de Climatização ... 48
4.3 Capacidade de controlo instalada ... 57
4.4 Capacidade de monitorização instalada... 57
5 Medidas de Eficiência Energética ... 59
5.1 Produção e otimização da distribuição de água fria ... 59
5.2 Produção e otimização da distribuição de água quente ... 63
5.3 Otimização da distribuição de água tépida... 63
5.4 Otimização da rejeição de calor ... 64
5.5 Otimização do controlo das UTA ... 65
5.6 Arrefecimento passivo – controlo automático das claraboias ... 71
6 Economias ... 73
6.1 Produção e otimização da distribuição de água fria ... 73
6.2 Produção e otimização da distribuição de água quente ... 83
6.3 Otimização da distribuição de água tépida... 91
6.4 Otimização da rejeição de calor ... 95
6.5 Otimização do controlo das UTA ... 103
6.6 Resumo ... 107
7 Ineficiências detetadas ... 111
7.1 Alterações da equipa de O&M ... 111
7.2 Anomalias na programação/instalação ... 120
7.3 Modos de eficiência por ativar ... 135
8 Análise dos resultados ... 137
9 Conclusões e proposta de Trabalhos Futuro ... 141
9.1 Conclusões ... 141
9.2 Trabalho Futuro ... 143
Nomenclatura
Siglas
AQS Águas Quentes Sanitárias
ASHRAE The American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers
AVAC Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado
BMS Building Manegement System
BREEAM Building Research Establish Environmental Assessment Methodology
CAV Constant Air Volume
CE Caderno de Encargos
CEN Comité Europeu de Normalização COP Conferência do Clima de Paris CPU Central Processing Unit
CSV Comma Separated Values
CTP Cooling Towers’ Pumps
CWP Chilled Water Pumps
DDC Direct Digital Control
ESC Edifícios Saudáveis Consultores GEE Gases com Efeito de Estufa
GLA Gross Leasable Area
GTC Gestão técnica centralizada
HWP Hot Water Pumps
IEA International Energy Agency
LEED Leadership in Energy and Environment Design
LAN Local Area Network
M&V Monitorização e Verificação MERV Minimum Efficiency Rating Value
OAT Outside Air Temperature
O&M Operação e Manutenção PI Proporcional e integral
PID Proporcional, integral e derivativo QAI Qualidade do Ar Interior
SGT Sistema de Gestão Técnica
TWP Tepid Water Pumps
UE União Europeia
UTA Unidade de Tratamento de Ar UTAN Unidade de Tratamento de Ar Novo
UNFCCC United Nations Framework Convention on Climate Change
VAV Variable Air Volume
VC Ventilo-convetor
VFD Variable Frequency Drive
VSD Variable Speed Drive
Lista de Unidades % Percentagem ano Ano bar Bar °C Grau Celsius Clo Clothing g Grama
gv/kgas Grama de vapor por quilograma de ar seco
GWh Gigawatt hora h Hora Hz Hertz k€ Milhares de euros K Kelvin kg Quilograma kJ Quilojoule
kJ/kgas Quilojoule por quilograma de ar seco
kW Quilowatt
KWh Quilowatt hora
m Metro
m2 Metro quadrado m3 Metro cúbico
MET Metabolic Equivalent of Task
Mt CO2 eq Mega Tonelada de CO2 equivalente
MW Megawatt
MWh Megawatt hora
s Segundo
Lista de Variáveis
𝑬𝒏𝒆𝒓𝒈𝒊𝒂𝒎ê𝒔 Consumo de Energia de um Determinado mês 𝑭𝒂𝒕𝒐𝒓𝒄𝒍𝒊𝒎𝒂 Fator de Correção Climático
𝑪𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒐𝒆𝒙𝒑𝒆𝒄𝒕á𝒗𝒆𝒍 𝟐𝟎/𝟐𝟏 Consumo Expectável de Energia para o período de Referência de 2020/21 𝑪𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒐𝒃𝒂𝒔𝒆 𝟐𝟎𝟏𝟖 Consumo de Energia do Ano Base de 2018
𝑪𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒐𝒎ê𝒔,𝟐𝟎𝟐𝟏 Consumo de Expectável de Energia para um Determinado Mês de 2021 𝑪𝒐𝒏𝒔𝒖𝒎𝒐𝒎ê𝒔,𝟐𝟎𝟏𝟖 Consumo de Energia de um Determinado Mês de 2018
∆𝑷𝒎ê𝒔,𝟐𝟎𝟐𝟏 Diferencial de Pressão Expectável para um Determinado Mês de 2021 𝒎é𝒅𝒊𝒂 𝟐𝟎𝟏𝟖 Média do Consumo de Energia do Ano de 2018
𝒎é𝒅𝒊𝒂 𝟐𝟎𝟐𝟏 Média do Consumo de Energia do Ano de 2020/21
𝑺𝑷 𝒏𝒐𝒊𝒕𝒆,𝟐𝟎𝟐𝟏 Set point de Pressão Diferencial das Bombas do Período Noturno em 2021 𝑺𝑷 𝒏𝒐𝒊𝒕𝒆,𝟐𝟎𝟏𝟖 Set point de Pressão Diferencial das Bombas do Período Noturno em 2018
𝑺𝑷 𝑪 Set point de Temperatura Adaptativo
Índice de Figuras
Figura 2.1 -Consumo de energia primária por fonte. Adaptado de [1]... 21
Figura 2.2 - Contribuição setorial para a trajetória de redução de emissões de GEE, em Portugal, até 2050. Adaptado de [8]. ... 23
Figura 2.3 - Evolução das emissões dos setores Residencial e serviços e percentagem de incorporação de renováveis no aquecimento e arrefecimento (%RES-A&A). Adaptado de [8]. 24 Figura 3.1 - Representação esquemática dos componentes do ciclo de compressão de vapor. Adaptado de [14]. ... 27
Figura 3.2 - Representação esquemática dos componentes do ciclo de absorção de vapor. Adaptado de [14]. ... 28
Figura 3.3 - Torre de arrefecimento por contacto indireto, ou circuito fechado [17]. ... 30
Figura 3.4 -Torre de arrefecimento por contacto direto, ou circuito aberto [17]. ... 30
Figura 3.5 -Representação esquemática de um sistema Tudo-Ar. Adaptado de [20]. ... 32
Figura 3.6 - Sistema de distribuição a volume constante (CAV), com reaquecimento terminal. Adaptado de [21]. ... 33
Figura 3.7 - Sistema de distribuição a volume variável (VAV). Adaptado de [21]. ... 33
Figura 3.8 -Esquema representativo de uma UTA. ... 35
Figura 3.9 -Sistema de controlo da temperatura do ar, em malha aberta. Adaptado de [24]. .. 40
Figura 3.10 - Sistema de controlo da temperatura do ar, em malha aberta. Adaptado de [24]. 40 Figura 3.11 -Variação do sinal de saída do controlodor, em função do desvio da variável controlada, para o controlo proporcional. Adaptado de [24]... 42
Figura 3.12 - Variação do sinal de saída do controlador, em função do desvio da variável controlada, para o controlo integral. Adaptado de [24]. ... 43
Figura 3.13 - Variação do sinal de saída do controlador, em função do desvio da variável controlada, para o controlo PI. Adaptado de [24]. ... 43
Figura 3.14 -Variação da variável de controlo em relação ao Set point, para os diferentes tipos de ações. Adaptado de [24]. ... 44
Figura 3.15 -Variação do sinal de saída do controlador, em função do desvio da variável controlada, para o controlo PID. Adaptado de [24]. ... 44
Figura 3.16 - Arquitetura de um BMS, com estações inteligentes. Adaptado de [23]. ... 46
Figura 4.1 - Representação esquemática da central térmica do edifício em estudo. Adaptado de [SWATT]. ... 51
Figura 4.2 -Representação esquemática das UTAN 14, 15, 16, 17, 18 e 20. ... 53
Figura 4.3 -Representação esquemática das UTAS numeradas de 1 a 29 (com exceção da UTA 13). ... 53
Figura 4.4 - Representação esquemática da UTA 13. ... 54
Figura 4.5 - Planta do piso -1: zona de influência da UTA 1. ... 55
Figura 4.7 - Piso 0: Zona de influência das UTA 2, 3, 4, 13 e UTAN 15, 16, 17, 18. ... 56
Figura 4.8 Planta do piso 1. ... 56
Figura 4.9 - Piso 1: Zona de influência das UTA 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 17, 18 e UTAN 14, 15, 16, 17, 18 e 20 ... 56
Figura 4.10 -Esquema da instalação elétrica. ... 57
Figura 4.11 - Esquema elétrico do contador QDA.W.M. ... 57
Figura 5.1 - Temperatura de saída da água do Chiller, em meses homólogos, antes e após a visita da ESC. Adaptado do Caderno de Encargos. ... 60
Figura 5.2 - Ponto ótimo de funcionamento do chiller e bombas associadas. Adaptado de [13]. ... 60
Figura 5.3 - Diferencial de pressão entre os coletores das bombas de água fria. ... 61
Figura 5.4 -Representação esquemática de um sistema de controlo de velocidade de bombas. Adaptado de [27]. ... 62
Figura 5.5 - Diagrama psicométrico para avaliação do índice de desconforto dos ocupantes no inverno. ... 66
Figura 5.6 – Diagrama psicométrico para avaliação do índice de desconforto dos ocupantes no verão... 67
Figura 6.1 – Evolução do Set point da temperatura de saída do chiller em função da temperatura exterior efetiva. ... 73
Figura 6.2 - Evolução do Set point da temperatura de saída da água do chiller, antes e depois do upgrade. ... 74
Figura 6.3 - Reta resultante da correlação climática do chiller no ano de 2018. ... 74
Figura 6.4 – Economias do chiller em relação aos consumos corrigidos de 2018. ... 76
Figura 6.5 - Retas da correlação climática do chiller, para 2018 e 2020/21. ... 78
Figura 6.6 - Evolução do Set point diferencial das bombas de água fria, antes e depois do upgrade. ... 80
Figura 6.7 - Economias das bombas de água fria em relação ao ano de 2018. ... 80
Figura 6.8 - Evolução da pressão diferencial das bombas de água quente, antes e depois do upgrade. ... 83
Figura 6.9 - Reta da correlação climática das bombas de água quente para 2018. ... 84
Figura 6.10 – Economias das bombas de água quente em relação ao consumo expectável de 2020/21. ... 86
Figura 6.11 - Reta da correlação dos HDD (base 15 °C) e consumos das bombas de água quente, para 2020/21. ... 87
Figura 6.12 - Reta da correlação dos HDD (base 15 °C) e os consumos das caldeiras, para 2018. ... 88
Figura 6.13 - Economias das caldeiras em relação ao consumo expectável de 2020/21. ... 90
Figura 6.14 - Evolução do Set point da pressão diferencial das bombas de água tépida. ... 92
Figura 6.16 - Perfil de consumos das bombas de água tépida para o ano de 2018, com gosto como mês de referência. ... 94 Figura 6.17 - Diferencial de pressão no condensador, em função da carga parcial do chiller. Adaptado de Caderno de Encargos. ... 96 Figura 6.18 - Número de permutadores ativos em função do diferencial de pressão. Adaptado de Caderno de Encargos. ... 96 Figura 6.19 - Evolução do Set point de pressão diferencial das bombas da torre de arrefecimento, antes e depois do upgrade. ... 97 Figura 6.20 -Economias das bombas das torres de arrefecimento, em relação ao ano base de 2018. ... 98 Figura 6.21 - Reta da correlação dos CDD (base 18 °C) e consumos dos ventiladores em 2018. ... 100 Figura 6.22 - Economias dos ventiladores das torres de arrefecimento, em relação ao consumo expectável de 2020/21. ... 101 Figura 6.23 – Ajuste da temperatura em função da humidade relativa interior. Adaptado do Caderno de Encargos. ... 103 Figura 6.24 - Evolução da temperatura exterior e de Set point adaptativo. ... 104 Figura 6.25 - Evolução da temperatura de Set point adaptativo, antes e depois do upgrade. 104 Figura 6.26 - Economias das UTA em relação ao ano de 2018. ... 106 Figura 6.27 – Redução percentual dos consumos, em relação ao ano de 2018 corrigido. ... 107 Figura 6.28 - Economias previstas para o período de referência de 2020/21. ... 108 Figura 6.29 - Economias do sistema de climatização, para o período de referência de 2020/21. ... 109 Figura 6.30 - Fração das economias por categoria e fonte energética. ... 110 Figura 7.1 – Evolução do Set point de pressão diferencial das bombas de água quente, antes e depois do upgrade do sistema. ... 125 Figura 7.2 - Evolução do Set point diferencial de pressão das bombas de água tépida, na 1ª semana de janeiro, fevereiro e março. ... 128 Figura 7.3 - Esquema representativo das válvulas de comando dos permutadores no circuito de águas tépidas. Adaptado do Caderno de Encargos. ... 129 Figura 8.2 - Comparação entre as economias do 1º comissionamento e do comissionamento atual, em termos económicos. ... 138 Figura 8.1 - Comparação entre as economias do 1º comissionamento e do comissionamento adicional, a nível energético... 138
Índice de Tabelas
Tabela 4.1 - Horário de abertura ao público do centro comercial. ... 47
Tabela 4.2 - Potência instalada. ... 48
Tabela 4.3 – Qualidade da cobertura da rede de contadores do edifício em estudo. ... 58
Tabela 6.1 – CDD (base 18ºC) e Consumos do Chiller em 2018. ... 75
Tabela 6.2 - Cálculo do fator climático. ... 75
Tabela 6.3 - Cálculo do Consumo expectável 2020/21 (consumo de 2018 corrigido). ... 76
Tabela 6.4 - Previsão das economias do chiller, 1ª iteração. ... 77
Tabela 6.5 - Previsão das Economias do chiller, 2ª iteração. ... 78
Tabela 6.6 - Cálculo das economias das bombas de água fria. ... 81
Tabela 6.7 - Cálculo dos consumos de junho, julho, agosto e setembro a partir do perfil de diferencial de pressão anual. ... 82
Tabela 6.8 - Previsão dos consumos e economias para o período de referência. ... 82
Tabela 6.9 - Cálculo do fator climático. ... 84
Tabela 6.10 - Cálculo do consumo expectável de 2020/21 (corrigido de 2018). ... 85
Tabela 6.11 - Cálculo dos consumos e economias das bombas de água quente. ... 85
Tabela 6.12 -Previsão e estimativa das economias para os meses de junho, julho, agosto e setembro de 2021. ... 87
Tabela 6.13 - Cálculo dos consumos e economias, das bombas de água quente, para o período de referência. ... 88
Tabela 6.14 - Cálculo do fator climático. ... 89
Tabela 6.15 - Cálculo do consumo expectável para 2020/21 (consumo de 2018 corrigido). ... 89
Tabela 6.16 - Cálculo das economias das caldeiras. ... 90
Tabela 6.17 - Cálculo dos consumos e economias das caldeiras para o período de referência. 91 Tabela 6.18 - Consumos mensais das bombas de água tépida para 2020/21. ... 93
Tabela 6.19 - Ajuste dos consumos de abril e maio. ... 94
Tabela 6.20 - Consumos e economias das bombas de água tépida para o período de referência. ... 94
Tabela 6.21 - Consumos e economias das bombas das torres de arrefecimento. ... 97
Tabela 6.22 - Previsão dos consumos e economias das bombas das torres de arrefecimento para o período de referência. ... 99
Tabela 6.23 - Cálculo do fator climático. ... 100
Tabela 6.24 - Consumos expectáveis para 2020/21 (consumos de 2018 corrigidos). ... 101
Tabela 6.25 - Consumos e economias dos ventiladores das torres de arrefecimento para o período de referência. ... 102
Tabela 6.26 - Consumos e Economias da UTA dos serviços comuns. ... 105
Tabela 6.28 - Síntese das economias do sistema de climatização. ... 109
Tabela 6.29 - Síntese das economias por fonte de energia. ... 110
Tabela 7.1 - Alterações registadas a nível dos Set points das principais variáveis de controlo.111 Tabela 7.2 - Excerto da tabela de cálculo dos desvios do mês de abril. ... 113
Tabela 7.3 - Desvios médios e reduções do COP mensais. ... 113
Tabela 7.4 - Economias resultantes da alteração do SP das variáveis de controlo. ... 114
Tabela 7.5 - Cálculo do desperdício energético para o período de referência 2020/21. ... 115
Tabela 7.6 - Cálculo do desperdício energético para o período de referência de 2021/22. .... 116
Tabela 7.7 - Excerto dos registos de monitorização funcional do dia 1 de maio de 2021. ... 117
Tabela 7.8 - Set points médios diários reais para o período de abril a maio de 2021. ... 118
Tabela 7.9 - Set points médios diários, em conformidade com o CE, para o período de abril a setembro de 2021. ... 118
Tabela 7.10 - Cálculo do desperdício energético para o período de referência. ... 119
Tabela 7.11 - Variáveis da lógica de controlo dos chillers. ... 120
Tabela 7.12 - Excerto dos registos de monitorização funcional dos chillers de 4 de maio de 2021. ... 121
Tabela 7.13 - Excerto do registo de monitorização funcional de 5 de maio de 2021. ... 122
Tabela 7.14 - Excerto dos registos de monitorização funcional de 29 de setembro de 2020. . 123
Tabela 7.15 - Exceto dos registos de monitorização funcional de 5 de outubro de 2020. ... 124
Tabela 7.16 - Excertos dos registos de monitorização funcional de 19 de janeiro. ... 126
Tabela 7.17 - Desperdício energético das bombas de água tépida. ... 128
Tabela 7.18 - Excerto dos registos de monitorização funcional de dia 1 de abril de 2021. ... 130
Tabela 7.19 – Redução ou aumento percentual do consumo em função da variação de permutadores ativos. ... 131
Tabela 7.20 - Excerto da tabela de cálculo do ajuste dos consumos para o dia 31 de março. . 131
Tabela 7.21 - Variação dos consumos das bombas de água tépida. ... 132
Tabela 7.22 - Excerto dos registos de monitorização funcional dos ventiladores das torres de arrefecimento, do dia 29 de maio de 2021. ... 132
Tabela 7.23 - Excerto dos registos de monitorização funcional do dia 31 de maio de 2021. ... 134
Tabela 7.24 - Economias das UTA. ... 135
Tabela 7.25 - Economias associadas às claraboias. ... 136
Tabela 8.1 - Estimativa das economias, ao nível da eletricidade, para os dois períodos de comissionamento. ... 137
1 Introdução
1.1 Enquadramento do Projeto e Motivação
O tema da monitorização de consumos energéticos em edifícios resulta da necessidade de melhorar os índices de eficiência energética, no contexto energético atual. Do ponto de vista da sustentabilidade ambiental, existe a necessidade de transformar o setor energético, seja através da descarbonização dos sistemas de produção de energia atuais, do fomento de métodos de produção de energia, com recurso a fontes renováveis, ou da racionalização dos recursos e dos consumos. A melhoria da eficiência energética apresenta-se como uma solução eficaz para esta problemática.
Segundo a Agência Internacional de Energia (IEA), em 2018, o setor dos edifícios, onde estão incluídos o setor residencial e terciário, foi responsável pela maior parcela de consumo de energia final (aproximadamente 29,4%, seguido do setor dos transportes, 29,1% e do setor industrial com 28,8%) [1]. Estes dados são demonstrativos do grande impacto que os edifícios apresentam no ambiente e na economia mundial.
A climatização é um aspeto fulcral ao nível da integridade de um edifício, estando o funcionamento deste tipo de sistemas intrinsecamente ligado à performance energética do mesmo. Nesse sentido, torna-se essencial a implementação de medidas que visem a redução de consumos, não só através da utilização de equipamentos de elevada eficiência, mas também através do controlo e monitorização dos seus consumos, sem nunca colocar em causa o conforto dos ocupantes.
A monitorização dos consumos energéticos permite detetar ineficiências por parte dos sistemas, e identificar possíveis causas para os desvios em relação aos padrões de consumo. Os grandes edifícios de serviços contam com extensas redes de contadores de eletricidade e entalpia, que permitem contabilizar os consumos reais. No entanto, este tipo de monitorização possui certas limitações. Uma vez que os contadores estão, geralmente, associados a quadros elétricos que alimentam vários equipamentos, não é possível contabilizar o consumo individual de cada um deles. Por outro lado, em caso de deteção de problemas de funcionamento, não é possível rastrear o problema até à sua origem.
Atualmente, os edifícios modernos que possuam uma potência térmica instalada superior a 250 kW, são obrigados por lei a ter um Sistema de Gestão Técnica Centralizada [2]. Estes sistemas de controlo contam com componentes capazes de comunicar entre si, sendo supervisionados por uma unidade central que permite monitorizar e controlar todos os consumos energéticos do edifício.
Tirando partido deste tipo de características e funcionalidades, a Edifícios Saudáveis Consultores (ESC), propõe a monitorização funcional e contínua de determinadas variáveis medidas e/ou calculadas, através da instalação de capacidade de monitorização funcional nos diversos equipamentos que compõem o sistema de climatização de um edifício de serviços. É neste âmbito que surge a presente dissertação. Através da monitorização funcional das variáveis de estado associadas ao funcionamento e controlo dos equipamentos, pretendeu-se explorar as capacidades inerentes a este tipo de monitorização. Com recurso à base de dados disponibilizada pela Gestão Técnica do edifício em estudo, foram calculadas as economias resultantes das medidas de otimização de consumos, para o período de referência. Ainda como objetivo desta dissertação, procurou-se a identificar eventuais ineficiências resultantes da intervenção da equipa de Operação e Manutenção (O&M). Complementarmente, procurou-se identificar as falhas na programação da lógica de controlo e instalação dos equipamentos e as
penalizações energéticas resultantes do facto de certos modos de eficiência se encontrarem desativados.
1.2 Apresentação da Empresa
A presente dissertação foi desenvolvida na empresa Edifícios Saudáveis Consultores – Ambiente e Energia em Edifícios, S.A., em regime de teletrabalho (em conformidade com as medidas implementadas durante o período pandémico da COVID19).
A ESC foi fundada em 1996, orientando o seu propósito para as temáticas da sustentabilidade ambiental em edifícios (eficiência energética e hídrica, qualidade do ambiente interior, etc.), especializando-se na redução dos custos associados ao consumo de energia por parte dos mesmos.
No âmbito da certificação de mérito ambiental, a empresa disponibiliza serviços de consultadoria especializada. A assessoria estende-se desde o início do projeto a cada fase de operação. Numa fase inicial, a empresa auxilia na definição de objetivos ambientais, seguindo-se a realização de um caderno de encargos, onde constam de forma detalhada todas as intervenções/alterações a efetuar. No decorrer do projeto é prestada assistência, por forma a garantir a conformidade dos progressos efetuados com os objetivos traçados, incluindo a elaboração dos concursos de empreitada e fiscalização, acompanhamento da obra e comissionamento de todos os sistemas energéticos.
Hoje, a ESC dispõe de um vasto portefólio a nível nacional e internacional, tendo sido pioneira nas certificações: Leadership in Energy and Environment Design (LEED) e Building
Research Establish Environmental Assessment Methodology (BREEAM) em Portugal, certificação
LEED Gold, na península Ibérica, e LEED Platinum de um supermercado na Europa.
1.3 Objetivos do Projeto
Os objetivos traçados para esta dissertação foram os seguintes:
• Conhecer os principais equipamentos que constituem os sistemas de produção, distribuição e controlo de energia de um edifício de serviços (centro comercial); • Analisar e fundamentar as medidas de otimização implementadas, ao nível do
funcionamento dos equipamentos, do sistema de climatização instalado;
• Analisar a base de dados de monitorização funcional do edifício e identificar as principais variáveis de controlo, a partir das quais se pretende calcular as economias associadas à estratégia de otimização, referida no tópico anterior; • Quantificar e estimar as economias referidas no tópico anterior;
• Analisar e quantificar as ineficiências operacionais resultantes da intervenção da equipa de O&M (Operação e Manutenção) do edifício;
• Analisar e quantificar as ineficiências resultantes de falhas na programação da lógica de controlo dos equipamentos e instalação de equipamentos;
• Analisar e quantificar as ineficiências resultantes da inativação dos modos eficientes de operação de determinados equipamentos/sistemas;
Analisar os resultados obtidos por forma a verificar se as medidas de otimização do funcionamento reproduzem os resultados esperados.
1.4 Estrutura da Dissertação
A presente dissertação é composta por dez capítulos, encontrando-se no primeiro a introdução do tema e a sua contextualização.
O segundo capítulo serve de enquadramento ao panorama energético mundial, onde é abordada a problemática das emissões de Gases com Efeito de Estufa (GEE), bem como o conjunto de estratégias e políticas de redução da emissão de carbono, delineadas pela União Europeia. A temática do consumo de energia do setor dos edifícios, numa perspetiva nacional, é também referenciada neste capítulo.
No terceiro capítulo descreve-se o estado da arte no que concerne aos sistemas de climatização e aos seus respetivos equipamentos, sendo mencionados os diferentes métodos de produção e distribuição de energia, nos edifícios de serviços desta dimensão. Esta revisão bibliográfica incide também nos sistemas de controlo, sendo referidos os diferentes modos de operação e tipos de arquitetura destes sistemas. Este capítulo serve de suporte bibliográfico para os próximos capítulos.
O quarto capítulo é a introdução ao caso prático, onde se apresenta o edifício, bem como o sistema de climatização e a capacidade de controlo instalada.
No quinto capítulo é apresentada a solução de otimização de consumos implementada por parte da ESC, para o sistema AVAC do edifício.
No sexto capítulo são calculadas as economias resultantes das medidas implementadas, com base nos ficheiros de monitorização funcional.
No sétimo capítulo são abordadas as ineficiências detetadas no decorrer da análise aos ficheiros de monitorização funcional e contabilizados os prejuízos a nível económico e energético. Neste capítulo são referidas as alterações efetuadas pela equipa de Operação e Manutenção (O&M ), as anomalias detetadas ao nível da programação e instalação após a fase inicial de comissionamento e ainda os modos de eficiência que, até à data, estão por ativar.
O oitavo capítulo reúne a análise aos resultados obtidos nos dois capítulos anteriores. Neste capítulo são também abordadas as questões que dificultaram ou criaram incerteza nos cálculos efetuados.
As conclusões do trabalho realizado são apresentadas no nono capítulo. Algumas propostas de trabalho futuro são também mencionadas neste capítulo.
2 Enquadramento Energético
A Energia é a peça chave para o desenvolvimento, sustentabilidade e melhoria da qualidade de vida de uma população. A Revolução Industrial, acompanhada do rápido aumento da população mundial, fez com que o sistema energético se tenha transfigurado, por forma a satisfazer as necessidades, registando-se um crescimento exponencial no consumo do carvão e do petróleo a partir de meados do século XIX, como é possível verificar através da Figura 2.1 [3]. Atualmente, a procura de energia continua a aumentar em todo o mundo e de forma mais acentuada nos países em desenvolvimento, como é o caso da China e Índia, à medida que a população aumenta e enriquece [4].
Com o consumo global de energia a aumentar, de ano para ano, a par do aumento dos níveis de poluição associados à queima de combustíveis fósseis para produção dessa mesma energia, surge a necessidade de adicionar novas fontes de energia renováveis à matriz energética. No entanto, o consumo crescente de energia torna mais complexa a alteração dos sistemas convencionais de produção de energia através de combustíveis fósseis, para fontes de energia com baixo teor de carbono, uma vez que esta “nova energia” tem de satisfazer essa procura adicional e tentar substituir os combustíveis fósseis existentes na matriz energética [5].
Nos finais do século XX, começou a surgir a consciencialização para a problemática das alterações climáticas. Tornou-se por demais evidente que as alterações climáticas são consequência de um aquecimento global, resultante da acumulação de gases de efeito de estufa (GEE) na atmosfera, promovendo o aquecimento da superfície terrestre. Reconhecendo as ameaças globais das mudanças climáticas, os signatários da United Nations Framework
Convention on Climate Change (UNFCCC) chegaram a acordo no Protocolo de Quioto, adotado Figura 2.1 -Consumo de energia primária por fonte [1].
a 11 de dezembro de 1997. Este protocolo reuniu um conjunto de metas negociadas internacionalmente, por forma a regular as emissões de gases de efeito estufa dos países signatários, que visa limitar os potenciais impactos negativos do aquecimento global e das mudanças climáticas associadas [6].
Mais recentemente, a 21 de dezembro de 2015, na Conferência do Clima de Paris, ou COP, os signatários UNFCCC chegaram a novo acordo no que diz respeito ao combate das mudanças climáticas e comprometeram-se a acelerar e intensificar as ações e investimentos necessários para um futuro sustentável e com baixas emissões de carbono [7]. O Artigo 2 do Acordo de Paris estabelece o objetivo de manter o aumento da temperatura média global abaixo de 2 °C, comparativamente aos níveis pré-industriais, e realizar esforços por forma a limitar esse aumento a 1,5 °C procurando reduzir significativamente os riscos e impactos das mudanças climáticas [8].
Atingir a meta dos 1,5 C requer mudanças sem precedentes e ação urgente. Nesse sentido, é fundamental que o maior número de países reduza as suas emissões de GEE e alcance a neutralidade carbónica o mais rapidamente possível. A União Europeia delineou um conjunto de estratégias por forma a ajudar no cumprimento deste objetivo de atingir a neutralidade carbónica até 2050 [9]. No que diz respeito às metas, os países da UE, chegaram a acordo sobre o quadro de ação relativo ao clima e à energia para 2030, tendo o Conselho Europeu aprovado quatro metas:
• uma meta da UE vinculativa de 40% de redução das emissões de gases com efeito de estufa até 2030, em comparação com os valores de 1990;
• uma meta de pelo menos 27% para a quota-parte das energias renováveis consumidas em 2030;
• uma melhoria de 27% na eficiência energética em relação às projeções;
• a realização do mercado interno da energia, através do cumprimento de uma meta mínima de 10% das interconexões elétricas existentes até 2020, pelo menos em relação a ilhas energéticas – em especial, os Estados Bálticos e a Península Ibérica [9].
Este será um desafio exigente e complexo, que terá que contar com uma mudança de paradigma, no que diz respeito dos modelos de produção e consumo, alterações na forma de perspetivar os fluxos financeiros, a investigação, inovação e conhecimento, fomentando o desenvolvimento de novas soluções tecnológicas, com especial enfoque nas áreas da produção, gestão e consumo de energia [10].
Neste contexto, Portugal comprometeu-se a assegurar a neutralidade das suas emissões até ao final de 2050, delineando uma estratégia relativamente à descarbonização profunda da economia nacional. Com efeito, foi desenvolvido um Roteiro para a Neutralidade Carbónica 2050 (RNC2050), que identifica os principais vetores de descarbonização em todos os setores da economia, incluindo o setor residencial e de serviços, onde se incluem os edifícios [10].
No âmbito desta dissertação será explorado, neste capítulo introdutório, o contributo para as emissões de GEE por parte deste setor e as metas estabelecidas no âmbito da eficiência energética dos edifícios [10].
Em Portugal, o setor dos edifícios, é um dos que apresenta maior potencial no que diz respeito à descarbonização, sendo visível no gráfico da Figura 2.2, a contribuição deste setor para a trajetória de redução de emissões até 2050. Estimam-se reduções superiores a 96%, face a 2005, através da eletrificação quase total dos consumos de energia, aliados a um aumento da eficiência energética, quer por via do reforço do isolamento dos edifícios, recurso ao aquecimento solar térmico e/ou utilização de bombas de calor, quer pela implementação de práticas de monitorização e gestão de consumos [10].
Atualmente, em Portugal, os edifícios são responsáveis por 5% das emissões nacionais de GEE. Este setor é responsável por cerca de 30% do consumo de energia final, sendo uma das maiores fontes de emissão de CO2. Em geral, nos edifícios, a energia é utilizada no aquecimento
e arrefecimento de espaços, iluminação, refrigeração e confeção de alimentos, aquecimento de águas sanitárias, entre outros [10]. Devido ao aumento das temperaturas médias, prevê-se um aumento da procura de energia associada aos serviços de arrefecimento. Como se pode verificar através da análise da Figura 2.3, este setor apresenta um elevado potencial de redução de emissões até 2050, na ordem dos 97% e 96%, no setor residencial e de 100% no setor dos serviços (face a 2005), passando a incorporação de energias renováveis no aquecimento e arrefecimento a ser de 66% e 68% respetivamente. Prevê-se que, no ano de 2050, o conforto térmico nas habitações triplique no aquecimento e duplique no arrefecimento, face à situação atual. Este aumento de conforto deve-se à tendência de eletrificação do setor, (onde a eletricidade é já o principal vetor energético), pela utilização de equipamentos mais eficientes, como é o caso das bombas de calor, pelo uso acrescido de materiais de isolamento e por maiores taxas de reabilitação urbana (ex. substituição de janelas). Estima-se que as medidas de isolamento irão permitir a redução do consumo de energia para aquecimento em 26% em 2040, e cerca de 50%, em 2050, no setor residencial, sem que este aumento de conforto resulte no aumento do consumo de energia final [10].
Figura 2.2 - Contribuição setorial para a trajetória de redução de emissões de GEE, em Portugal, até 2050[8].
A redução de emissões dos edifícios poderá ser ainda conseguida através da gestão e monitorização eficaz dos consumos, por forma a reduzir o desperdício energético. No âmbito desta tese, é de particular interesse focar o tema da monitorização funcional dos sistemas de climatização. A monitorização funcional pode ser implementada através dos Sistemas de Gestão de Energia do edifício (SGE) ou Building Management Systems (BMS). Estes sistemas de controlo são essenciais para uma operação segura e eficiente da generalidade dos edifícios. Para além de ajudar a manter o interior dos mesmos confortável, um sistema de controlo ajuda a manter uma instalação de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado (AVAC) a operar de forma eficiente, evitando desperdícios de energia. Estes sistemas de controlo serão abordados no Capítulo 3.
Figura 2.3 - Evolução dasemissões dos setores Residencial e serviços e percentagem de incorporação de renováveis no aquecimento e arrefecimento (%RES-A&A) [8].
3 Estado da Arte
No presente capítulo reúne-se e a análise bibliográfica realizada no âmbito dos Sistemas de Climatização. Numa breve introdução, serão apresentados os principais requisitos, tipos de sistemas (centralizados e não centralizados) e as vantagens e desvantagens associadas. Relativamente aos sistemas de climatização centralizados, estes estão divididos em 3 subsistemas: sistema de produção de energia térmica, sistema de distribuição da energia e o sistema de controlo. No âmbito do sistema de produção de energia, serão abordados componentes como: caldeiras, chillers, torres de arrefecimento, bombas de calor e outros. No que diz respeito ao sistema de distribuição, serão apresentados os diferentes tipos de sistemas (tudo-ar, ar-água, tudo-água) e analisados os componentes das Unidades de Tratamento de Ar (UTA). Por fim, será abordado o tema do controlo dos sistemas de climatização.
3.1 Sistemas de Climatização
O principal objetivo de um sistema AVAC – Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado – é garantir um ambiente confortável para os ocupantes de um determinado espaço. Para além do controlo da temperatura e humidade, o conforto dos ocupantes implica a movimentação do ar, introdução de ar novo, a atenuação de ruido nas condutas e/ou tubagens, entre outros [11]. Por forma a garantir o conforto dos ocupantes, aquando da seleção do sistema adequado deverá ter-se em conta o clima local, as cargas térmicas, a arquitetura do edifício, os custos de instalação, operação e manutenção, a sustentabilidade e a eficiência energética da instalação [12]. Outro fator a ter em conta é a variabilidade das cargas térmicas ao longo do tempo, consoante o perfil de ocupação dos espaços, condições climatéricas, tipo de atividades desempenhadas em determinado espaço, cargas internas (por ex. provenientes de equipamentos e ou iluminação), exposição solar etc. [9].
Os sistemas de climatização AVAC são caracterizados pelo método que utilizam para produzir, distribuir e controlar o aquecimento, ventilação e o condicionamento de ar num determinado espaço. A seleção de um sistema de climatização deve contemplar a combinação de um sistema primário – responsável pela produção de energia – e de um sistema secundário - sistema de distribuição. O primeiro é responsável pela conversão de energia proveniente de combustíveis fosseis ou eletricidade para produção de calor ou frio. O segundo sistema, como o próprio nome indica, é responsável pela distribuição do calor/frio e ventilação dos espaços [13].
Existem dois tipos de sistemas de climatização: sistemas descentralizados e sistemas centralizados. Os sistemas descentralizados são constituídos por uma ou mais unidades individuais de AVAC, cada uma com um ciclo de refrigeração independente, fonte de aquecimento própria e ventilação direta ou indireta de ar. Todos estes componentes são montados numa unidade individual, que inclui ventiladores, filtros, bomba de calor ou caldeira, bateria de arrefecimento, compressor, condensador e controlos. Cada uma destas unidades poderá estar localizada na sala técnica do edifício, ou na cobertura do mesmo. Este tipo de solução adequa-se aos edifícios de pequena e média dimensão, cujos consumos não justificam a construção uma central térmica, na qual o custo inicial e a simplificação da instalação são os
fatores determinantes. Por outro lado, nos sistemas centralizados os equipamentos primários, responsáveis pela produção de energia, estão localizados numa central térmica, a partir da qual se dá a distribuição da energia para uma ou mais salas técnicas, dependendo da dimensão do edifício, ou diretamente para as Unidades de Tratamento de Ar (UTA) presentes em cada andar do edifício [13].
O sistema de climatização instalado no edifício em estudo é do tipo centralizado, pelo que serão exploradas as suas características nos próximos parágrafos. Este tipo de sistema é composto por equipamentos de arrefecimento e aquecimento de grandes dimensões, localizados numa central térmica, onde são produzidos o calor e o frio, que é posteriormente distribuído pelo edifício. Este tipo de sistemas é utilizado em grandes edifícios, onde existe uma elevada densidade de utilização de energia, sendo especialmente adequados a aplicações que requerem a maximização da vida de serviço do equipamento e onde a utilização de energia de forma eficiente é privilegiada. Estes equipamentos primários, como chillers e caldeiras, podem ter variadas dimensões, potências, configurações e podem servir uma grande variedade de aplicações no edifício. A energia primária que utilizam para o aquecimento/arrefecimento, pode ser obtida através da combinação de eletricidade, gás natural, carvão, petróleo, energia solar, etc. [14]. Como principais vantagens dos sistemas centralizados destacam-se:
• O facto de o aquecimento e arrefecimento primário poderem ser providenciados, em qualquer momento, independentemente do modo de operação dos equipamentos e sistemas externos à central térmica;
• Redução do custo geral de operação e manutenção, devido ao uso de uma menor quantidade de equipamentos, embora de maiores dimensões;
• Facilidade na implementação de estratégias de eficiência energética, recuperação, armazenamento e manutenção de energia;
• Possibilidade de executar ações de manutenção sem interrupção do sistema; • Maior longevidade dos equipamentos;
• Os equipamentos responsáveis pela produção de ruído e vibrações podem ser agrupados e alocados longe dos espaços de ocupação, facilitando a tarefa de controlo das vibrações e ruído;
• Maior facilidade no controlo da qualidade do ar, através da captação do mesmo ao nível da rua e pela limpeza e manutenção dos filtros de ar [12].
Como principais desvantagens devem destacar-se:
• A necessidade de localizar a central no edifício ou num local adjacente ao mesmo; • Equipamento mais complexo do que o dos sistemas descentralizados, que requer
mão de obra mais qualificada;
• As centrais térmicas que queimam combustíveis fosseis, necessitam de permissões para as suas emissões, monitorização e tratamentos;
• Sistema de controlo mais complexo;
• Custo inicial muito elevado quando comparado com outros tipos de sistemas; • Maiores requisitos de segurança;
3.2 Sistema Primário – Produção de Energia Térmica
Neste tópico abordam-se os equipamentos característicos de um sistema primário de produção de energia térmica de um sistema de um sistema de climatização centralizado.
3.2.1 Chillers
Os chillers são o equipamento de arrefecimento mais comum nas centrais térmicas. A sua função é a de remover o calor do fluido de trabalho, que é depois distribuído pelo edifício. Existem duas categorias principais: chillers de compressão e chillers de absorção, sendo que a seleção do tipo mais adequado depende do tipo de fonte de energia e da carga de arrefecimento. Em alguns casos, a central de arrefecimento pode contar com a combinação destes dois tipos de equipamentos. Para além destes dispositivos, são necessárias torres de arrefecimento, condensadores arrefecidos a água ou de evaporação, ou uma combinação dos anteriores, para auxiliar na rejeição do calor para o exterior do sistema.
Os chillers de compressão de vapor podem utilizar um, de quatro tipos de compressor: alternativo, de scroll, de parafuso e centrífugo, sendo geralmente, acionados por motores elétricos. Este tipo de chillers, baseia-se no ciclo frigorífico de compressão de vapor, mais concretamente no ciclo de Rankine inverso [15]. O sistema de refrigeração de compressão de vapor padrão é constituído por um condensador, um evaporador, válvula de expansão e um compressor. Na Figura 3.1 encontra-se a representação esquemática dos componentes e o fluxo do fluido de trabalho, para o ciclo de compressão de vapor.
Neste ciclo de refrigeração, o fluido refrigerante entra no evaporador, sob a forma de uma mistura fria e de baixa pressão de líquido e vapor. O calor é então extraído do fluido secundário (fluido recirculado do sistema de distribuição de energia, por norma água) e transferido para o fluido de trabalho, que por sua vez vaporiza. O vapor resultante é então comprimido pelo compressor, até à pressão de condensação. O vapor de refrigerante, agora quente e de alta pressão, sai do compressor e entra no condensador, onde o calor é transferido
Figura 3.1 - Representação esquemática dos componentes do ciclo de compressão de vapor. Adaptado de [14].
Condensado r Compressor Evaporador Válvula de Expansão Q saída Q entrada W entrada
para o ar ambiente ou água (a uma temperatura mais baixa), ao mesmo tempo que o refrigerante condensa e volta ao estado líquido. Este líquido refrigerante entra na válvula de expansão, diminuindo a sua pressão até à pressão de evaporação. De seguida, volta a entrar no evaporador, repetindo-se o ciclo [16].
Também os chillers de absorção se baseiam num ciclo de compressão de vapor. O fluido refrigerante passa por um condensador, uma válvula de expansão e um evaporador. No entanto, o ciclo de absorção utilizada fluidos de trabalho diferentes e um método de compressão diferente. A diferença relativamente ao ciclo de compressão de vapor passa, então, pela forma como o fluido de trabalho é comprimido, entre o evaporador e o condensador, sendo que o compressor dá lugar ao conjunto absorvedor, bomba, gerador e válvula de expansão, representados na Figura 3.2 [14].
Tal como no ciclo anterior, o fluido de trabalho entra no evaporador na forma de uma mistura fria e de baixa pressão de líquido e vapor. O calor é transferido da água, relativamente quente (fluido reciclado do sistema de distribuição de energia do sistema de climatização), para o fluido de trabalho, fazendo com que o refrigerante líquido vaporize. É no absorvedor que se inicia a compressão do fluido, através da absorção do vapor frigorigéneo, com recurso a uma solução rica em absorvente. Usando uma analogia do ciclo de compressão de vapor, o absorvedor realiza a função de sucção do compressor. A solução formada à saída do absorvedor, que é pobre em absorvente, apresenta-se no estado líquido e é então bombeada para o gerador, que se encontra à pressão de condensação. No gerador é realizada uma destilação da mistura frigorígena, resultando em vapor frigorigéneo e numa solução rica em absorvente. O gerador realiza também a função de descarga do compressor - fornecendo o vapor refrigerante ao resto do sistema. De seguida, o vapor refrigerante que sai do gerador entra no condensador, sendo o calor transferido para a água ou ar ambiente a uma temperatura mais baixa, fazendo com que o vapor refrigerante volte a condensar. Por fim, este refrigerante líquido entra no dispositivo de expansão, dando-se uma queda de pressão até à pressão de entrada no evaporador. A mistura de refrigerante líquido e vapor viaja para o evaporador e repete-se o ciclo [14].
Figura 3.2 - Representação esquemática dos componentes do ciclo de absorção de vapor. Adaptado de [14]. Condensado r Válvula de Expansão Evaporador Gerador Absorvedor Bomba Qsaída Wentrada Qsaída Qentrada Qentra da
A central térmica do edifício em estudo, utiliza dois chillers de compressão com compressor centrífugo. Este tipo de compressor é utilizado numa grande variedade sistemas de refrigeração e instalações de ar condicionado, devido à sua capacidade de produzir um rácio de pressões elevado. forma mais comum de controle de capacidade para chillers centrífugos de velocidade constante é modular as palhetas-guia na entrada do impulsor (também chamadas de palhetas de pré-rotação) [17].
Como equipamento auxiliar das centrais de térmicas de refrigeração, existem dispositivos cuja função primária passa por rejeitar o calor. São exemplos deste tipo de equipamentos os condensadores e as torres de arrefecimento. Relativamente aos condensadores, num ciclo de refrigeração estes rejeitam todo o calor proveniente do sistema. Trata-se do calor que foi anteriormente absorvido no evaporador e ainda do calor proveniente do acionamento do compressor. Os condensadores podem ser classificados quanto ao seu meio de refrigeração como: arrefecido a água, arrefecido a ar, evaporativo (arrefecido a ar e água), ou ainda arrefecido por refrigerante (sistemas em cascata) [18].
3.2.2 Torres de Arrefecimento
A maioria dos sistemas de refrigeração gera calor, que tem de ser removido do sistema. A água é, muitas vezes, utilizada como meio de remoção do calor. No passado, recorria-se a um fluxo contínuo de água, proveniente das redes de distribuição, ou de uma fonte natural como um rio ou lago, água essa que aquecia ao passar pelo sistema e era descarregada a altas temperaturas nos rios ou esgotos. Esta prática tornou-se inaceitável, quer do ponto de vista ecológico, devido à perturbação causada aos ecossistemas, quer do ponto de vista económico devido ao aumento dos custos de abastecimento. No sentido de colmatar estes problemas, surgiram as torres de arrefecimento. A taxa de consumo de água por parte destes equipamentos é cerca de 5% do que representavam as soluções anteriores, tornando-os o equipamento mais económico a operar com fornecimento de água. Para além disso, a quantidade de água quente descarregada é muito reduzida, o que faz com que o impacto ecológico seja também ele mais reduzido. Por último, as torres de arrefecimento melhoram a eficiência global do sistema, devido ao facto de conseguirem arrefecer a água até 2 a 3 graus acima da temperatura ambiente de bolbo húmido, e cerca de 20 graus abaixo do que os sistemas arrefecidos a ar, de grandes dimensões, conseguem [19].
Existem dois tipos de torres de arrefecimento. As que possuem contacto direto (Figura 3.3), designadas por torres de arrefecimento abertas, onde a água contacta diretamente com o ar atmosférico, transferindo assim calor diretamente para o ar. Existem também as torres de contacto indireto (Figura 3.4), onde o fluido quente nunca chega a contactar diretamente com o ar.
3.2.3 Caldeiras
As caldeiras são o equipamento mais usado nas centrais de aquecimento. Geralmente, as caldeiras são fabricadas em ferro, aço inoxidável, alumínio ou cobre. Funcionam como reservatórios de pressão e calor, projetados para queimar combustível fóssil (ou consumir corrente elétrica) e transferir o calor resultante para a água (caldeiras a água), ou para a água e vapor (caldeiras de vapor). A caldeira está conectada a um sistema de tubagens que é responsável por distribuir o fluido quente por todo o edifício, incluindo as baterias das UTA[20]. Este fluido de trabalho poderá estar sob a forma de vapor ou líquido, podendo ser classificado quanto à sua temperatura e gama de pressões de trabalho. O vapor é geralmente utilizado para transportar energia a longas distâncias, sendo convertido em água quente de temperatura mais baixa no local de utilização. Apesar de ser um bom meio de transporte energético, a água quente, de temperatura inferior, é o método mais comum para providenciar o aquecimento. Para além da função de produzir energia térmica para o aquecimento de sistemas AVAC, as caldeiras também são utilizadas para a produção de águas quentes sanitárias (AQS) [14].
Como fonte de energia, as caldeiras podem utilizar eletricidade, gás natural, carvão, combustíveis derivados de petróleo, entre outros. Uma combinação bastante comum é a utilização de eletricidade e de gás natural [20].
No que diz respeito à sua classificação, as caldeiras são agrupadas por pressão e temperatura de trabalho, tipo de combustível utilizado, tipo de material de construção, e se possuem ou não sistema de condensação. No que diz respeito à pressão e temperatura de trabalho, existem as caldeiras de baixa e de alta pressão. As primeiras trabalham com pressões na ordem do 103 kPa (se forem de vapor) ou 1100 kPa (caso o fluido seja água). As caldeiras a água quente estão limitadas à temperatura de 120 C. Como dispositivos de segurança e proteção, existem os controlos de operação e segurança e as válvulas de segurança, cuja função passa por limitar a temperatura e pressão. As caldeiras de alta pressão, são projetadas para aguentar pressões superiores a 103 kPa (caso do vapor) e 1100 kPa e/ou temperaturas superiores a 120 C (para as caldeiras a água quente) [20].
Figura 3.3 -Torre de arrefecimento por contacto direto, ou circuito aberto [17].
Figura 3.4 - Torre de arrefecimento por contacto indireto, ou circuito fechado [17].
3.2.4 Bombas de calor
As bombas de calor baseiam-se num ciclo termodinâmico semelhante ao de uma máquina frigorífica, podendo ser utilizadas quer para aquecimento quer para arrefecimento, consoante as necessidades e altura do ano. As bombas de calor mais vulgares utilizam o ciclo de compressão de vapor (Rankine modificado) ou um ciclo de absorção. A maioria dos compressores, destes equipamentos, são elétricos, o que faz com que sejam bem vistos, no que diz respeito às políticas de eletrificação dos consumos de energia no setor dos edifícios. Neste sentido, apesar de serem utilizados para o aquecimento e arrefecimento de edifícios, estes dispositivos têm ganho popularidade no que toca ao aquecimento mais eficiente de água para uso doméstico e também a nível dos processos industriais de aquecimento. A sua capacidade de aquecimento pode variar entre os 7 kW e os 44 MW, operando em todo o tipo de instalações. Alguns destes equipamentos são capazes de debitar água quente na ordem dos 105 C e vapor de água até 400 kPa. Ao nível dos compressores, estes podem ser de parafuso ou centrífugos. Há certas instalações que requerem um sistema central de bombas de calor, e outras onde é mais vantajosa a utilização de múltiplos sistemas de bombas de calor, para facilitar o zonamento. Uma das vantagens da integração destes dispositivos no sistema é o facto de permitirem a recuperação de calor, utilizando a energia de outra forma desperdiçada por outros equipamentos, como por exemplo, torres de arrefecimento, que providenciam energia de aquecimento a sistemas de climatização ou águas quentes sanitárias [21].
3.3
Sistema Secundário – distribuição de energia
O sistema de distribuição de energia é responsável por fazer chegar a energia produzida na central térmica ao edifício. Deste sistema fazem parte as redes de condutas e as redes de tubagens.
No que diz respeito à distribuição de energia, os sistemas centralizados podem ser classificados como sistemas: Ar-Água, Tudo-Ar ou Tudo-Água. A grande diferença entre os três é o fluido utilizado para aquecer ou arrefecer os espaços. Sendo que o primeiro utiliza ar e água, o segundo apenas ar e o último apenas água, como o próprio nome indica.
3.3.1 Sistemas Tudo-Ar
O conceito básico de um sistema Tudo-Ar, passa por fornecer ar, em determinadas condições de temperatura e humidade, de modo a vencer a carga sensível e latente do espaço, para que o ar na sala fique com as condições desejadas [22]. Na Figura 3.5, encontra-se um exemplo esquemático de um sistema Tudo-Ar. Nestes sistemas, o ar é tratado na Unidade de Tratamento de Ar (UTA), sendo posteriormente transportado para o espaço condicionado, através de condutas, por ação dos ventiladores. Este ar retira (ou fornece consoante a finalidade) a quantidade necessária de calor sensível e latente do espaço condicionado, a que sejam respeitadas as condições do ar desejadas. O ar de retorno, extraído do espaço condicionado, é transportado de volta para a UTA, sendo novamente tratado. Geralmente, parte desse caudal é misturado com o ar novo e a outra parte extraída. Estas UTA podem ser compostas por baterias de arrefecimento (que comunicam com o chiller através de tubos),
baterias de aquecimento (conectadas à caldeira), filtros, ventiladores, atenuadores acústicos, registos de ar, entre outros. Note-se que a composição das UTA varia consoante a sua finalidade [22].
Os sistemas Tudo-Ar podem ser classificados em duas categorias: conduta única e dupla conduta. Nos sistemas de conduta única, as baterias de aquecimento e arrefecimento estão dispostas em série, ao longo do percurso de escoamento de ar. A sua capacidade é controlada pela variação da temperatura do ar ou volume escoado. Por outro lado, nos sistemas de dupla conduta as baterias de arrefecimento e aquecimento estão separadas e dispostas em condutas paralelas. A circulação de ar aquecido e arrefecido é, por isso, efetuada em duas condutas distintas, sendo posteriormente misturado nas caixas de mistura, à entrada de cada espaço, de modo a produzir a temperatura desejada em cada zona. Geralmente, estes sistemas variam a sua capacidade variando a temperatura de insuflação (através da mistura dos caudais de cada conduta), podendo também fazê-lo através da variação o caudal de ar fornecido. Devido a estas características, os sistemas de dupla conduta são designados de sistemas multizona – pois permitem tratar várias zonas em simultâneo, cada uma com condições distintas de insuflação [23].
Tanto os sistemas de conduta única, como os de conduta dupla, podem ser distinguidos em sistemas de caudal constante (Constant Air Volume – CAV) ou sistemas de caudal variável (Variable Air Volume - VAV) [23]. A análise que se segue, apenas diz respeito aos sistemas de conduta única, por se tratar do tipo de sistema presente no caso de estudo.
Os sistemas CAV mantêm um caudal de ar constante, variando a temperatura de insuflação em função das cargas dos espaços. De modo a permitir um controlo mais apertado das condições de conforto de espaços com diferentes cargas, surgem os sistemas de multizona de conduta única, demonstrados no esquema da Figura 3.6, nos quais as baterias de aquecimento secundárias são introduzidas nas ramificações da conduta principal, nas proximidades de cada espaço a climatizar., Esta solução de volume constante com reaquecimento terminal, é, contudo, desencorajada, devido ao seu custo de operação elevado e ao facto de serem energeticamente ineficientes, quando comparados aos VAV [23].
Figura 3.5 - Sistema de distribuição a volume variável (VAV). Adaptado de [21].
Os sistemas VAV, Figura 3.7, controlam a temperatura do espaço através da variação da quantidade de ar insuflado, mantendo a temperatura de insuflação de ar relativamente constante [23]. Em comparação com os CAV, estes sistemas oferecem um menor consumo de energia, uma vez que o ar não é arrefecido a temperaturas tão baixas para ser posteriormente reaquecido [22].
A variação do caudal de ar é obtida com recurso às caixas VAV. Estas caixas possuem um registo de ar modulante, que é regulado em resposta à informação proveniente do termóstato. Quando a temperatura interior se desvia do , o registo da caixa VAV responde, restringindo ou aumentando o volume de ar fornecido ao espaço. Hoje em dia, aproximadamente 98% dos sistemas que são instalados são de conduta única, sendo que 75% dos mesmos são VAV e 23% são CAV [22].
Idealmente, a UTA que serve a rede de distribuição de VAV deve ser acompanhada de um motor com variador de frequência (VFD), que altera a velocidade de rotação do ventilador de acordo com a necessidade de caudal. Como movem menos quantidade de ar, existe o risco de não corresponderem aos requisitos de ventilação, apesar de serem consideradas bastante eficientes [22].
Figura 3.4 - Sistema de distribuição a volume constante (CAV), com reaquecimento terminal. Adaptado de [21].
