Sistemas de Ar Condicionado

Nos sistemas de ar condicionado, o objetivo principal é manter as condições adequadas de conforto e a operação eficiente do sistema. Para tanto, as variáveis envolvidas são a temperatura e umidade do ar. Recentemente, os percentuais admissíveis de CO2, outros gases e os odores provenientes de materiais de construção e móveis têm se tornado também objeto de estudos e controles. Por sua vez, a eficiência do sistema é função da tecnologia incorporada e de sua forma de operação, de onde resulta seu desempenho no que se refere ao consumo de energia.

Na avaliação do consumo de sistemas de ar condicionado, não há como desconsiderar as características da edificação no que diz respeito às propriedades térmicas de suas vedações, particularmente quanto aos ganhos de calor solar através das janelas. Tais ganhos são estimados por meio de números adimensionais, como o coeficiente de ganho de calor solar, que expressa a fração da energia incidente na janela que atinge o interior do ambiente.

Tipos mais comuns de sistemas

Os sistemas de ar condicionado mais usuais nos edifícios são denominados de sistemas de expansão indireta e sistemas de expansão direta.

No sistema de expansão indireta, há uma central de produção de água gelada (ou etileno glicol), a partir da qual o líquido é distribuído pelo edifício através de tubulações. Estas alimentam fan-coils (serpentinas de passagem de líquido gelado, através das quais o ar é insuflado por meio de ventiladores insufladores), que mantêm a temperatura desejada em cada ambiente.

No sistema de expansão direta, depois de resfriado pelo contato direto com o evaporador do equipamento, o ar é insuflado e distribuído pelos ambientes.

As características de cada edificação vão determinar qual sistema é o mais adequado. Para um grande edifício, com uma única central de ar condicionado, por exemplo, um sistema de expansão direta implicaria em grandes volumes de dutos de insuflamento, competindo com o aproveitamento de áreas úteis. No caso de um sistema que se utilize de água gelada (expansão indireta), considerada uma edificação em fase de readequação tecnológica, é necessário que as tubulações sejam alojadas em shafts eventualmente existentes, ou no teto, ou ainda de forma aparente. Estas são as questões a serem analisadas preliminarmente.

Automação de sistemas de ar condicionado

Existem inúmeras possibilidades para automação de sistemas de ar condicionado. Ainda hoje, são encontrados sistemas em operação com controle pneumático, embora o controle eletrônico já seja generalizado.

O controle do conforto térmico é realizado através da temperatura de bulbo seco do ar e, mais raramente, também da umidade. Os sensores de temperatura e de umidade, que hoje são dispositivos de baixo custo e baseados em semicondutores, constituem um conjunto de acessórios que podem ser fornecidos em conjunto com uma central de controle, com a possibilidade de escolha de vários níveis de sofisticação em função das necessidades.

A adequação das variáveis de conforto e das de operação do equipamento (por exemplo, água gelada, válvulas termostáticas, etc.), além das propriedades térmicas das paredes externas do edifício, determinam o desempenho energético do sistema. Para evitar a duplicação de controles (central de controle do ar condicionado e central de automação predial), o que constitui-se numa redundância desnecessária que eleva os custos, pode-se optar pela colocação do maior número possível de variáveis sob a alçada do sistema de automação predial.

Nestas condições, o sistema de automação coleta os valores das variáveis de conforto, processa-os e atua sobre o sistema de ar condicionado. Essa atuação abre e fecha registros (dampers) nos sistemas de ar e válvulas nos sistemas de água gelada. Até esse estágio, caso haja a opção pela utilização do controle exclusivo do sistema de ar condicionado (e não o de automação predial), a eficiência operacional é a mesma. Entretanto, há ainda uma extensa série de tarefas para atingir o melhor desempenho possível do sistema e, se estas fossem atribuídas ao controle exclusivo do sistema de ar condicionado, este acabaria por se transformar no próprio sistema de automação predial.

Sistemas de Expansão Direta

Tais sistemas geralmente são do tipo volume constante/temperatura variável, em que o ventilador funciona constantemente e o compressor apenas quando necessário. Em um sistema de volume variável/temperatura constante (VAV), o ventilador altera a quantidade de ar insuflado, por meio do desligamento do motor ou através da variação de sua velocidade.

Quando o equipamento serve a diversos ambientes, a utilização de registros é uma das formas de racionalização adotadas. Esses podem ser abertos, parcial ou totalmente, e fechados através de atuadores. O posicionamento dos registros é um bom meio de controle da admissão de ar externo e da mistura de ar. A posição do registro é dada em função da ocupação do ambiente e dos valores estabelecidos para as variáveis de controle (processadas pelo sistema computacional), de modo a produzir a mínima quantidade de ar resfriado para suprir a carga térmica do momento.

O controle da quantidade de ar é motivado também pela participação dos ventiladores no consumo de energia do sistema de ar condicionado. Na modalidade volume variável/temperatura constante, será necessário incorporar formas de controle da qualidade do ar ambiente, aspecto ainda em desenvolvimento, na medida em que requer emprego de sensores de custo elevado, como os de CO2.

Sistemas de Água Gelada (Expansão indireta)

Nesses sistemas uma prumada de água gelada, por exemplo, alimenta um ramal por andar, onde são instalados os fan-coils. Se a temperatura do ar ambiente atingir um valor inferior ao pré-estabelecido, uma válvula de duas ou três vias, localizada na região da derivação da prumada para o ramal, é fechada, deixando de alimentar os fan- coils. Elevando-se a temperatura, a válvula é novamente aberta. É importante salientar que o emprego dessas válvulas requer o controle da vazão de água gelada pois, se a vazão diminuir muito, podem ocorrer problemas de sobre aquecimento de bombas ou congelamento de água nas tubulações, com a danificação desses componentes.

Este tipo de sistema oferece facilidades no que se refere ao rateio das despesas com energia para ar condicionado, pois, em cada ramal de pavimento, podem ser instalados sensores de temperatura, de vazão ou de fluxo, permitindo uma medição entálpica da energia consumida.

Em termos globais, quanto menor a demanda de água gelada no edifício, menor o tempo de funcionamento do chiller e menos bombas de recalque de água estarão em operação. Nos instantes em que não houver circulação de água em um determinado pavimento, os ventiladores dos fan coils também poderão ser desligados. Nesse caso, deve-se avaliar previamente a questão da qualidade do ar.

Conclusões

Foram consideradas aqui questões relativas à conservação de energia nos sistemas de iluminação e de ar condicionado através da automação predial. Observou-se que as formas e níveis de automação são muito diferentes. O que interessa ao usuário é a melhor alternativa de readequação tecnológica do edifício, o que exige um estudo técnico prévio e a análise de várias questões.

O primeiro aspecto a ser considerado na análise da energia para ar condicionado e iluminação refere-se às paredes externas do edifício, principalmente as áreas envidraçadas. É necessário verificar a adequação da fachada aos sistemas existentes e a possibilidade de eventuais modificações, a fim de que se tenha o menor período de retorno dos investimentos para cada alternativa. Enquanto que, para o aproveitamento da iluminação natural, as janelas devem ser amplas, para o ar condicionado seria melhor que não existissem. A janela ótima para os dois sistemas será o resultado da adequação entre a transmitância visível e o coeficiente de ganho de calor solar, o que pode ser obtido por simulação dos fluxos de energia através da mesma, considerando-se sua localização, orientação, propriedades óticas e térmicas.

Uma vez definidas as opções específicas para iluminação e ar condicionado, é o momento de investigar qual é o sistema de automação predial mais adequado às configurações estabelecidas. Tanto o hardware como o software dos sistemas de automação existentes no mercado são muito variáveis. Um grande edifício com elevado nível de automação exige sistemas mais complexos e flexíveis, em que os algoritmos de controle possam ser implementados para gerenciar múltiplas funções. Já para uma residência ou pequeno edifício, com tarefas mais simples, o emprego de um sistema de menor complexidade pode atender plenamente ao que se pretende.

Enfim, com o desenvolvimento dos sistemas de utilidades prediais, a melhoria do desempenho energético dos edifícios existentes constitui-se como uma grande fonte de economia. É necessário que a readequação tecnológica tenha início com o estudo do comportamento físico do edifício, considerando-se as alternativas disponíveis e definindo-se a configuração mais aplicável para o sistema de automação. Quanto mais sofisticado for o controle, maiores serão a qualidade do conforto e a possibilidade efetiva de eficientização energética. Sistemas assim concebidos, além de proporcinarem benefícios energéticos quantificáveis, otimizam a supervisão dos equipamentos e facilitam enormemente o processo de manutenção.

Também é importante salientar que, para que os efeitos dos programas de eficientização energética, com ou sem readequação tecnológica, se façam sentir de forma duradoura, torna-se necessário atentar para os modernos conceitos baseados em metodologias de comissionamento contínuo. Essas metodologias propõem que, após a execução de retrofitting nas instalações, seja realizado o acompanhamento permanente dos resultados, podendo ser identificadas possibilidades de ganho ainda maiores que a economia inicialmente prevista com base em diagnósticos energéticos convencionais. A simples manutenção dos níveis iniciais de economia já representa um grande ganho já que, na prática, não é raro que, de três a seis meses após uma intervenção para eficientização, já comece a ocorrer um declínio na economia originalmente obtida. Isto está associado a razões diversas, tais como o relaxamento das rotinas de manutenção, a reprogramação de dispositivos de controle e a substituição não-criteriosa de equipamentos.

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