Análise de implementação de uma bomba de calor para recuperação de energia

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1 Análise de implementação de uma bomba de calor para recuperação de energia Ricardo Jorge Leite Rodrigues Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Júri Presidente: Professor Mário Manuel Gonçalves da Costa Orientador: Professor João Luís Toste de Azevedo Vogal: Professor João Antero Cardoso Outubro 2013

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3 Agradecimentos Embora uma dissertação seja, pela sua finalidade académica, um trabalho individual existiram, durante a sua realização e não só, inúmeros contributos que não podem e nem devem deixar de ser realçados. Por essa razão, desejo expressar os meus sinceros agradecimentos: Ao Professor João Luís Toste de Azevedo por toda a atenção e orientação prestadas durante a realização da presente dissertação, bem como pela prontidão no empréstimo de equipamento que possibilitou a realização da mesma. Ao Instituto Superior Técnico, à Galp Energia e à Generis farmacêutica pela possibilidade de integrar o programa de cooperação GALP , durante o qual este estudo foi desenvolvido. Em particular ao Eng. António Rendeiro e ao Nuno Carvalho pela calorosa recepção na Generis e por toda a preocupação e apoio ao longo dos meses que passei na empresa. Ao Eng. João Cardoso pela infindável paciência e por toda a ajuda na compreensão do sofware HAP e na análise dos resultados obtidos. A todos os meus familiares, colegas e amigos que directa ou indirectamente contribuiram na realização deste trabalho, especialmente aos meus pais que me apoiam incondicionalmente e sem os quais nada disto seria possível. i

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5 Resumo A presente dissertação centra-se na análise energética e económica da unidade industrial da empresa Generis Farmacêutica em Venda Nova, tendo em vista a melhoria da instalação em termos de eficiência energética. Para isso foi feita a modelação de todo o edifício num programa de simulação dinâmica, o HAP, que permitiu obter o balanço energético e económico do edifício para o ano de 2013, no qual se constatou que 68% do consumo energético da fábrica se devia ao sistema AVAC. Os relatórios dos resultados são apresentados e analisados de forma detalhada e é explorada a capacidade de estudo de melhoria de instalações usando programas deste género. Foi também desenvolvida uma aplicação que permite, com os valores de consumo das centrais de produção de água fria e água quente de qualquer edifício, efetuar um estudo económico com vista à implementação de uma qualquer bomba de calor do mercado, para melhoria da eficiência energética desse edifício. Usando a aplicação e os resultados da simulação dinâmica da empresa, foi feito o estudo para o investimento e implementação da bomba de calor Carrier 30XWH254 na instalação, e apresentada a poupança que se conseguiria de forma discretizada em termos de gás natural, eletricidade, CO 2 equivalente e toneladas equivalentes de petróleo. Foi concluído que com um investimento de cerca de 65 mil euros na implementação da dita bomba de calor teríamos um pequeno aumento do consumo elétrico da instalação, mas em contrapartida conseguiríamos uma gigantesca poupança de gás natural, que implicaria uma redução de aproximadamente 40 mil euro por ano na fatura energética da Generis. Palavras-chave Eficiência energética; Modelação de edifícios; HAP; Bombas de calor. iii

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7 Abstract The present dissertation is focused at the energetic and economic analysis of the industrial unit of the company Generis Farmacêutica in Venda Nova, looking for improvements on the installation in terms of energy efficiency. In order to do that the building was modeled with a dynamic simulation program, HAP from Carrier, that allowed obtaining the energy and economical balance of the whole building for the year of 2013 and so it was estimated that 68% of the energy consumption of the plant was due to the HVAC system. The reports of the results are presented and analyzed in detail and the capacity for improvement using the dynamic simulation model. An application was also developed that allows, with the consumption values of the hot and cold water production plants of any building, perform an economical study for the implementation of any heat pump from the Market to improve the building s energy efficiency. Using the application and the results of the company s dynamic simulation the investment and implementation of the 30XWH254 Carrier s heat pump was studied at the industrial unit. The savings are presented in detail based on the consumptions of natural gas and electricity and the savings on CO2 equivalent emissions and primary energy. It was concluded that with an investment of about 65 thousand Euros in the implementation of the heat pump, would have a small increase in the electrical consumption of the installation, but in return we could save a huge amount of natural gas, which would imply a reduction of approximately 40 thousand Euros in the Generis s energy bill. Keywords Energetic efficiency; Buildings's modeling; HAP; Heat pumps. v

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9 Índice Agradecimentos...i Resumo...iii Abstract...v Índice... vii Índice de figuras... ix Índice de tabelas... xi Nomenclatura... xii Abreviaturas... xii Simbologia... xiii 1. Introdução Enquadramento e motivação Revisão bibliográfica Objetivo Organização Modelação Modelação de edifícios Modelação de sistemas AVAC Problemas na modelação de sistemas Comparação de programas de modelação Bombas de calor Metodologia de estudo Descrição do HAP Aplicação de cálculo Descrição da instalação e aplicação do modelo Análise de resultados Resultados da simulação Proposta de melhoria Validação da proposta Conclusões Referências bibliográficas vii

10 9. Anexos I. Ficha técnica da bomba de calor Carrier 30XWH I II. Orçamento...III viii

11 Índice de figuras Figura 1 Consumo mundial de energia primária [1]...1 Figura 2 Taxa de dependência energética externa [2]...2 Figura 3 Evolução do número de ferramentas de simulação e optimização [4]...3 Figura 4 Variação da temperatura média interior com a degradação da eficiência das serpentinas de arrefecimento [5]...4 Figura 5 Variação do consumo do chiller com a degradação da sua eficiência [5]...5 Figura 6 Configurações utilizadas no estudo [7]...5 Figura 7 Comparação das necessidades de energia primária [7]...6 Figura 8 Comparação das emissões de CO 2. Redução (%) é feita com base na comparação das emissões da configuração tipo 1 [7]...6 Figura 9 Comparação dos custos de investimento, utilização e manutenção [7]...7 Figura 10 Custo e valor para o usuário vs complexidade de um modelo [13] Figura 11 Incerteza do modelo vs complexidade [13] Figura 12 Comparação entre vinte programas de simulação quanto a capacidade de modelação de sistemas AVAC, baseado na tabela 4 [14] Figura 13 Representação teórica de um ciclo de compressão Figura 14 Representação teórica de um ciclo de absorção Figura 15 Variação do COP e do EER de uma BC ar-ar com a carga [7] Figura 16 Variação do COP e do EER de uma BC ar-água com a carga [7] Figura 17 Variação do COP e do EER de uma BC água-água com a carga [7] Figura 18 Janela principal do HAP [3] Figura 19 Janela principal da aplicação de cálculo Figura 21 Tabela 2 da aplicação para inserir os dados Figura 22 Tabela de inserir dados do programa de cálculo Figura 23 Potência debitada pelas caldeiras ao longo do ano Figura 24 Planta representativa dos 2 pisos da fábrica Figura 25 Caldeiras CSC CV5-5, Figura 26 Chiller Trane RTAC Figura 27 Tabela de desempenho do chiller ix

12 Figura 28 Exemplo horário funcionamento 2 turnos Figura 29 Potência debitada pelos equipamentos da zona da compressão durante 95,3 horas Figura 30 Horário de funcionamento dos equipamentos Figura 31 Consumo anual por componente Figura 32 Potência debitada pelas caldeiras ao longo do ano Figura 33 Energia consumida pelo chiller ao longo do ano Figura 34 Entrada e saída de energia nas caldeiras Figura 35 Consumo anual desagregado por componentes Figura 36 Necessidades anuais de frio e calor Figura 37 Representação do esquema de aquecimento e refrigeração proposto para a instalação 35 Figura 38 Janela de cálculo da aplicação Figura 39 Tempo de poupança em que o chiller e caldeiras não estão em funcionamento x

13 Índice de tabelas Tabela 1 Comparação de BPS s segundo a sua capacidade de cálculo de cargas internas [14] Tabela 2 Comparação de BPS s segundo a sua capacidade de cálculo de cargas externas [14] Tabela 3 Comparação de BPS s segundo a sua capacidade de cálculo infiltrações, ventilação e caudais de ar em multi-zonas [14] Tabela 4 Comparação de BPS s segundo a sua capacidade de análise de sistemas e componentes AVAC e sistemas de energia renovável [14] Tabela 5 Comparação de BPS s segundo a sua capacidade de fazer avaliações económicas [14] 14 Tabela 6 Análise da combustão nas caldeiras Tabela 7 Valores de caudal e cargas térmicas por zonas Tabela 8 Valores de caudais por UTA Tabela 9 Valores de energia e potência reais da zona da produção Tabela 10 Resumo das melhorias e custos anuais da implementação da BC Carrier 30XWH254 na unidade industrial da Generis em Venda Nova xi

14 Nomenclatura Abreviaturas CO 2 Dióxido de carbono NOx Óxidos de Azoto CFC - Clorofluorocarboneto GEE Gases com Efeito de Estufa CQNUAC Convenção Quadro das Nações Unidades sobre Alterações Climáticas AVAC Aquecimento, Ventilação e Ar-Condicionado NZEB Net Zero Energy Building BPO Building Performance Optimization DOE Department of Energy UTA Unidade de Tratamento de Ar BC Bomba de Calor EU União Europeia BPS Building Performance Simulation ASHRAE American Society of Heating Refrigeration and Air-conditioiry Engeneers HAP Hourly Analysis Program COP Coefficient Of Performance EER Energy Efficiency Ratio LCQ Laboratório de Controlo de Qualidade OAT Outside Air Temperature RSECE Regulamento de Sistemas Energéticos de Climatização de Edifícios RPH Renovações Por Hora xii

15 Simbologia Fator de carga médio Potência média real Potência nominal NF Necessidades de Frio NC Necessidades de Calor η Rendimento ΔP Variação de Potência Δp Variação de pressão Caudal volúmico Caudal mássico ΔT Variação de Temperatura c p Calor específico Q Potência calorífrica xiii

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17 1. Introdução 1.1. Enquadramento e motivação O consumo global de energia primária tem vindo a aumentar drásticamente (figura 1) e consequentemente a dependência mundial de combustíveis fósseis. Figura 1 Consumo mundial de energia primária [1] Com o intuito de reduzir esta dependência dos combustíveis fosseis e devido à crescente preocupação com o impacto das emissões de CO 2, NO x e CFC no ambiente, têm sido criados regulamentos um pouco por todo mundo visando impor limitações em termos de emissões e consumo energético. Assim, o interesse em tecnologias amigas do ambiente e nos conceitos de eficiência energética, desenvolvimento sustentável e engenharia verde, têm vindo a aumentar de forma bastante significativa a ponto de serem investidos muitos milhões de Euros no estudo e implementação de tecnologias quer para produção de energia limpa/renovável, quer para melhoria de eficiência no uso da energia. Em termos de legislação, têm sido desenvolvidas diversas iniciativas no sentido de reduzir globalmente o consumo de energia proveniente de combustíveis fósseis e de reduzir as concentrações de GEE (Gases com Efeito de Estufa) na atmosfera, garantindo um desenvolvimento económico sustentável, de onde se destacam [2]: A Convenção Quadro das Nações Unidas sobre Alterações Climáticas (CQNUAC); O Protocolo de Quioto; A Agenda 21; Os acordos de Copenhaga, Cancun e Durban. No âmbito do Protocolo de Quioto, a União Europeia estabeleceu objetivos diferenciados para os Estados Membros e Portugal acordou limitar o crescimento das suas emissões de GEE a 27%, face ás emissões registadas em 1990 [2]. 1

18 Portugal, com o elevado investimento em energias renováveis hídrica, eólica, solar, geotérmica e biomassa, tem vindo a reduzir a sua dependência de energia do exterior (figura 2), nomeadamente na importação de energia primária proveniente de combustíveis fósseis, embora se registe um aumento em 2011, devido sobretudo ao aumento do consumo de carvão na produção de energia elétrica, para compensar a redução na produção hídrica [2]. Figura 2 Taxa de dependência energética externa [2] Sabendo que os edifícios são responsáveis por 40% do consumo mundial de energia, maioritariamente em eletricidade, aquecimento, arrefecimento e ar condicionado [3], ou seja, nos sistemas de AVAC, deve ser dada uma atenção especial ao estudo de tecnologias que visem a melhoria de eficiência energética deste sector. Esta foi, efetivamente, a grande motivação na elaboração desta dissertação. 2

19 1.2. Revisão Bibliográfica Neste capítulo são referenciados trabalhos e estudos focados na modelação de edifícios e na implementação de bombas de calor para melhoria da eficiência energética de instalações com especial foco nos sistemas AVAC. Attia et al [4], através da revisão de 165 artigos publicados e de 28 entrevistas com especialistas na otimização de desempenho de edifícios autossustentáveis (NZEB Net Zero Energy Building), mostram a importância das ferramentas de modelação e simulação dinâmica na otimização contínua deste tipo de edifícios, com especial foco na melhoria de sistemas AVAC, comparando-as aos antigos modelos simples de algoritmos. Para a quase totalidade dos especialistas entrevistados, os algoritmos evolucionários dos BPO (Building performance optimization) conseguem resolver e lidar com a complexidade e constrangimentos dos sistemas atuais, bem como encontrar boas soluções na melhoria e otimização de sistemas AVAC e de energia renovável, coisa que, dizem, os algoritmos convencionais não suportam devido ao infindável número de variáveis. Apesar desta importante aceitação na indústria internacional, segundo um estudo feito pelos autores, apenas 18 dos 404 programas de simulação de edifícios registados no DOE (Department of Energy) permitem controlo e optimização (figura 3). Figura 3 Evolução do número de ferramentas de simulação e optimização [4] Estas ferramentas de otimização, especialmente o GenOpt e o MATLAB toolbox, são a base de cálculo dos programas de simulação dinâmica mais usados no mercado. Segundo os especialistas entrevistados para o estudo em questão, os programas mencionados são o futuro no controlo e otimização de edifícios bem como uma ferramenta muito importante na tomada de decisões que visem melhoria da eficiência energética, especialmente em sistemas multi-zonais de grande complexidade. Apesar disso garantem que a modelação e calibração de sistemas não é um processo sistemático, exigindo sempre o acompanhamento de um ou mais engenheiros ao longo do projeto. 3

20 Mathews e Botha [5] desenvolveram um estudo que comprova a precisão das ferramentas de simulação dinâmica de edifícios na previsão de consumos e custos operacionais de uma instalação, dando valores percentuais do desvio dos valores simulados em relação aos reais, medidos diretamente no edifício. Salientam a importância e o peso que os sistemas de AVAC têm na fatura energética da maioria das instalações, e referem um estudo [6] que estabelece que 10% de toda a energia elétrica consumida a nível mundial remete ao uso de sistemas AVAC e, portanto, focam o estudo na gestão da eficiência térmica destes sistemas. Começam por modelar o caso de estudo em questão que é um edifício comercial, representativo do que é um sistema de AVAC típico, com 4265m 2 de área climatizada e que tem, durante a semana, cerca de 1600 pessoas no interior. Após medição de temperaturas interiores e exteriores, humidade relativa, nível de radiação, caudais de ar e água e consumo elétrico durante um período típico de duas semanas, para calibração do modelo, constataram que os valores simulados eram altamente credíveis. Verificaram que o modelo estimava temperaturas interiores com erros inferiores a 1ºC, em 81% dos locais medidos, que as temperaturas simuladas estavam corretas com uma margem de 2ºC em 97% do tempo, e que os consumos das unidades de tratamento de ar, ventiladores e chillers se desviavam do valor medido com um desvio de 4,9%, 3,8% e 2,0%, respectivamente. Segundo os autores, estes resultados mostram que os modelos de simulação podem ser usados de forma precisa para controlo e desenvolvimento de sistemas, bem como para projeto. Após estabelecerem o modelo de simulação e verificarem a correspondência dos valores obtidos com os reais, focam no estudo uma outra capacidade deste tipo de programas, como ferramenta de investigação, visando responder a perguntas como: O que aconteceria se?. Com base nesta ideia fizeram três testes teóricos que simulariam situações reais: no primeiro consideraram o deterioramento das serpentinas de arrefecimento, que acontece maioritariamente devido à sua idade ou a falta de manutenção; no segundo referem a redução da eficiência dos chillers com o tempo, devido à degradação dos compressores e/ou dos evaporadores; no terceiro testam um ajustamento na estratégia de controlo do sistema AVAC. No primeiro teste, como pode ser visto na figura 4, foram testadas as serpentinas de arrefecimento a trabalhar em condições de 100%, 50% e 25% da eficiência máxima, sendo que, no caso de menor eficiência, a certas horas do dia a temperatura média interior chega a estar quase 1ºC acima do obtido com eficiência acima de 50% da máxima quando o sistema está em normal funcionamento. Note-se que no presente projeto pretendese que a temperatura ambiente se mantenha nos 22ºC ± 2ºC. Figura 4 Variação da temperatura média interior com a degradação da eficiência das serpentinas de arrefecimento [5] 4

21 No segundo teste foi então testada a degradação do chiller também em funcionamento normal, a metade e a um quarto da eficiência máxima, pelo que como demonstrado na figura 5, o aumento de consumo energético em algumas alturas do dia é exorbitante. Figura 5 Variação do consumo do chiller com a degradação da sua eficiência [5] O terceiro teste de ajustamento da estratégia de controlo promoveu uma alteração de horários na climatização de várias salas, tendo em conta a UTA que as alimentava, num processo de tentativa e erro para arranjar a melhor solução possível, tendo sido concluído que em alguns horários se consegue satisfazer a climatização de todas as salas com menos unidades de aquecimento em funcionamento. Ou seja, com a elaboração deste artigo os autores viabilizam a utilização de programas de simulação na gestão e melhoria da eficiência energética de um edifício, sobretudo quando integram sistemas AVAC, bem como mostram uma outra capacidade deste tipo de programas na investigação e previsão de manutenção de sistemas. Aste et al [7] desenvolveram um trabalho extremamente interessante no âmbito desta dissertação, pois defendem, com base num estudo experimental, a implementação de bombas de calor em todo o tipo de edifícios, visando o cumprimento das difíceis metas de eficiência energética e desempenho de edifícios impostas pela UE. No estudo que desenvolveram, comparam esta tecnologia com as soluções convencionais baseadas em caldeiras e chillers e ainda diferenciam BC que têm como fonte de energia o ar, a água e geotérmicas. A comparação é feita com base em três variáveis: consumo de energia primária; emissões de CO 2 e custos líquidos. Foram então testadas os dois tipos de tecnologias (BC vs caldeira+chiller) em que as bombas de calor utilizadas tinham quatro tipos diferentes de configurações: ar-ar: ar-água; água-água tendo como fonte de calor e separadamente de frio o solo, como mostra a figura 6. Figura 6 Configurações utilizadas no estudo [7] 5

22 De forma a obterem resultados o mais coerentes possível, os autores decidiram fazer os mesmos testes em três tipos de climas diferentes de Itália: Milão, Roma e Palermo. Os resultados obtidos foram bastante expressivos. Em termos de necessidades de energia primária, podemos ver pela figura 7 que as bombas de calor têm menores consumos, em especial as que optam por água como fluído de troca de calor, o que já seria de esperar, pelo fato de os equipamentos bomba de calor terem eficiências muito elevadas relativantes aos convencionais comparados e a água ser o fluído com maior capacidade de transferência de energia. Figura 7 Comparação das necessidades de energia primária [7] Em termos de emissões de CO 2, tendo em conta que só o sistema do tipo 1 (caldeira+chiller) utiliza gás-natural, o resultado será bastante fácil de prever. Como se pode constatar pela figura 8 o equipamento do tipo 5 chega a ter emissões 63,1% menores do que o do tipo 1, o que é um valor extremamente cativante tendo em conta as medidas de redução de emissões acordadas em Quioto. Figura 8 Comparação das emissões de CO 2. Redução (%) é feita com base na comparação das emissões da configuração tipo 1 [7] Por último, os autores analisaram o custo de investimento, utilização em termos de energia e manutenção das 5 configurações, concluindo que as tecnologias que utilizam bombas de calor têm um custo ligeiramente superior, muito devido ao maior investimento inicial (figura 9). 6

23 Figura 9 Comparação dos custos de investimento, utilização e manutenção [7] Face ao demonstrado pelos autores nas figuras apresentadas, facilmente se conclui que as bombas de calor são uma mais valia em termos de eficiência energética e redução de emissões poluentes, comparativamente às tecnologias convencionais que integram caldeiras e chillers e, portanto deve-se apostar na implementação em larga escala desta tecnologia a nível mundial, especialmente na UE. 7

24 1.3. Objetivo O principal objetivo da presente dissertação é avaliar em termos energéticos e económicas a integração de uma bomba de calor no sistema AVAC de uma unidade industrial empresa Generis farmacêutica em Venda Nova. O sistema existente já possui um sistema de aquecimento com base em caldeira de gás natural e em paralelo uma UPAR (Unidade Produtora de Água Refrigerada) vulgo chiller. Neste trabalho pretende-se analisar a viabilidade da instalação de uma bomba de calor águaágua que transfira energia da linha de retorno de água refrigerada para o circuito de água quente Organização No capítulo 1 é feito um enquadramento do trabalho em termos energéticos, bem como uma pequena reflexão dos problemas energéticos a nível global e da principal legislação que tenta continuamente por cobro ao uso pouco racional da energia. Foi realizada também uma revisão a alguns estudos que abordam o mesmo tema para enquadrar o estudo no estado da arte atual. No capítulo 2 é efetuado um estudo teórico da modelação de edifício com foco na modelação de sistemas de AVAC, sendo salientados alguns dos principais problemas que se encontram ao modelar um sistema e comparando alguns dos melhores programas presentes no mercado que possibilitam este tipo de estudo. No capítulo 3 e continuando a introdução teórica dos temas abordados é realizado um pequeno estudo sobre as tecnologias presentes em equipamentos bomba de calor, assim como algumas vantagens do uso deste tipo de equipamentos em substituição dos sistemas convencionais que são mais utilizados atualmente. No capítulo 4 é explicada a metodologia de análise utilizada para se atingir o objetivo proposto. São descritos os programas utilizados no estudo em questão e salientadas as principais capacidades dos mesmos tendo em conta a contribuição destes no âmbito do trabalho realizado. No capítulo 5 é descrita a instalação, não só em termos estruturais, mas também abordando a climatização, ocupação e tipo de trabalho realizado no interior da mesma. São apresentadas as centrais de produção de água quente e refrigerada e avaliados os respectivos equipamentos que as constituem, explicando como foi usado o programa de modelação no estudo e consideração de algumas variáveis do projeto. No capítulo 6 são analisados os resultados da modelação e simulação do edifício em estudo, justificando devidamente todos os valores, sendo estes espectáveis ou não. De seguida é apresentada a proposta de melhoria idealizada e estudada teoricamente, bem como apresentados os cálculos que a validam em termos económicos e energéticos. No capítulo 7 apresentam-se as conclusões tiradas durante a realização da presente dissertação. 8

25 2. Modelação 2.1. Modelação de edifícios Nos dias que correm, em que a eficiência energética assume uma parcela cada vez maior do investimento mundial em termos de engenharia, a avaliação térmica de edifícios e indústrias e o estudo de novas proposta e soluções tecnológicas tornam-se essenciais e, portanto, imprescindíveis para qualquer empresa que queira oferecer concorrência a um determinado mercado. É mediante esta análise que surgem as ferramentas de simulação dinâmica e que se começa a acentuar a importância do seu estudo e desenvolvimento contínuo. Com quarenta anos de desenvolvimento são inúmeros os programas de simulação dinâmica de edifícios (BPS tools building performance simulation tools) que começaram por se focar em simples aspetos da arquitetura do edifício até aos existentes hoje em dia que integram múltiplas variáveis e têm em conta praticamente todos os fatores a serem considerados. A primeira geração de ferramentas BPS era baseada em métodos analíticos simplificados, encontrados em manuais que faziam os cálculos com base em muitas suposições e simplificações. A segunda era, embora abordasse mais aspetos, ainda analítica e baseada em métodos que assumiam simplificações para a modelação do edifício. A terceira geração deu o salto para o uso de métodos numéricos e ofereceu já uma integração parcial de inúmeras variáveis das instalações como a energia térmica, o visual e a acústica. A atual quarta geração está a evoluir para uma integração completa de todos os aspetos relevantes na análise energética, arquitetónica e acústica dos edifícios mas, apesar de captar muito melhor a realidade, o uso é bastante mais complexo e exige, portanto, utilitários mais qualificados [8]. Efetivamente, este tipo de programas proporciona uma análise energética de um qualquer edifício como um sistema integrado num clima real, tendo em consideração toda a envolvente e todos os fatores ambientais e o respectivo impacto no interior do edifício, e são portanto, ferramentas baseadas num conceito inovador para elaboração de estratégias e previsão do comportamento energético de instalações, com vista à implementação de soluções que gerem melhoria da sua eficiência, como por exemplo uma diminuição do consumo específico de uma unidade industrial. Numa outra abordagem, Olofsson e Mahlia [9] demonstram como, através de medidas de remodelação durante as primeiras fases do projeto de simulação, se conseguem importantes melhorias na utilização eficiente da energia. O próximo passo na evolução deste método de análise é eliminar a brecha que separa a arquitetura do edifício, dos processos de simulação dinâmica e do projeto energético [10] de modo a criar uma solução ótima de conforto e consumo de energia. 9

26 2.2. Modelação de sistemas AVAC (HVAC systems) Um dos subsistemas mais importantes e sem dúvida mais complexo em edifícios e indústrias é o sistema de aquecimento, ventilação e ar condicionado, AVAC. Estudos mostram que 57% da energia elétrica produzida em países desenvolvidos é consumida em edifícios comerciais [11] e 10% da energia total produzida a nível mundial é usada em sistemas AVAC [12]. O projeto ou análise de um sistema deste género, usando um programa de simulação, é uma tarefa demorada e complicada. As ferramentas que possibilitam este estudo podem ser classificadas de acordo com os problemas com os quais vão lidar, embora claro, estas categorias não sejam exclusivas e algumas ferramentas de simulação suportem mais do que um tipo de situação em simultâneo, apesar de normalmente serem estudadas de forma independente. Segundo Trčka e Hensen [13] a classificação das ferramentas de análise é então feita da seguinte forma: Ferramentas para estudo de condutas são programas que têm em consideração a distribuição de ar e dispõem de capacidade de dimensionamento dos sistemas de distribuição de ar/liquido (DOLPHIN, Duct Calculator, DUCTSIZE, Pipe-Flo, PYTHON, etc.). Ferramentas para dimensionamento e seleção de equipamentos de AVAC são programas baseados em procedimentos padrão e algoritmos estabelecidos pela ASHRAE (American Society of Heating Refrigeration and Air-conditioning Engineers), apesar de a maior parte destes softwares serem patenteados e vendidos pelos fabricantes dos equipamentos (Carrier HAP, Trane TRACE 700 etc.). Ferramentas para análise energética são programadas para prever o consumo anual de energia de um sistema AVAC. São os programas de simulação abordados no capítulo anterior Modelação de edifícios, sendo sistemas capazes de uma análise hora a hora e maioritariamente usados para análise completa de um sistema e comparação de várias alternativas a implementar (Carrier HAP, Trane TRACE 700, DOE-2, EnergyPlus etc.). Ferramentas para otimização de sistemas são usadas em conjunto com outros programas de análise energética (GenOpt). Ferramentas para análise e otimização de controlo (TRNSYS). Ferramentas para simulação e otimização em tempo real. É então expectável que os modelos de simulação inseridos nesta classificação tenham a capacidade de prever de forma precisa o comportamento energético de sistemas, apesar de, para isso, terem de ser programados e calibrados de forma rigorosa. 10

27 2.3. Problemas na modelação de sistemas A ideia básica na modelação de sistemas é simples e bastante intuitiva, quanto mais complexidade, resolução, detalhe e precisão são exigidas à simulação, maior terá de ser a capacidade e conhecimento do utilizador e mais e melhores meios terá de ter ao seu dispor, visto haver um aumento do número de parâmetros e especificações a serem considerados e uma maior dificuldade na análise dos resultados. Portanto, tudo isto tem de ser levado em consideração na elaboração de um projeto. Se o objetivo é apenas a simulação do consumo de energia ou mesmo a previsão de uma carga térmica, deverá ser usado um modelo simples que exigirá menos recursos (utilizadores menos capazes, menos informação a ser inserida, menos capacidade computacional, maior facilidade na análise dos resultados, menores custos). A complexidade de um modelo pode ser expressa em termos de alcance (número de componentes no modelo) e pela sua resolução (número de condições por componente no modelo) [13]. Como é óbvio, um aumento na complexidade do modelo provoca um aumento de custo na sua utilização, como pode ser visto na figura 10 em que as várias curvas representam vários tipos diferentes de modelos de simulação. Figura 10 Custo e valor para o utilizador vs complexidade de um modelo [13] A curva do modelo 1, tem um valor para o usuário maior que as 2, 3 e 4, para qualquer complexidade de modelo e, portanto, seria a melhor opção para uma modeloção, porém, se o custo não for um critério de selecção, para um modelo extremamente complexo a curva 5 é a escolha mais acertada. 11

28 Também na figura 10, no eixo vertical à direita do gráfico, pode ser visto que, para algumas simulações, o custo do modelo excede o valor do modelo em si para o utilizador, mesmo para modelos pouco complexos, o que claramente não é uma opção viável. Este gráfico é sem dúvida ilustrativo da importância da escolha do modelo numa simulação, porque, como pode ser observado, um modelo simples pode ser eficaz em muitos casos e em muitos tipos de sistemas, isto é, pode satisfazer o objetivo de, por exemplo, fazer a simulação do consumo de uma instalação sem ser necessário uma grande complexidade na modelação do sistema. O modelo de simulação deve então ser o menos complexo possível, desde que cumpra os requisitos a que é proposto. Este conceito abordado no final do último parágrafo de satisfazer o objetivo leva a um outro tema interessante que também suscita algum cuidado que é o de fazer a avaliação do modelo e qual será a tolerância de erro que este poderá admitir, para ser, de fato, aceite como uma simulação viável da realidade. Num modelo válido, o erro total é o somatório de [13]: 1. Erros de abstração; 2. Erros nos dados inseridos; 3. Erros numéricos. O primeiro é devido a serem usados modelos incompletos na construção de um sistema físico, o segundo é a reflecção das incertezas nos próprios parâmetros, enquanto o terceiro se deve ás discretizações, podendo então ser controlado variando o número das mesmas. Estes erros provocam incertezas nos resultados que são conhecidas como incertezas de previsão e a figura 11 demonstra como estas afetam um modelo de simulação. Figura 11 Incerteza do modelo vs complexidade [13] 12

29 Com o aumento da complexidade do modelo, aumentam também as incertezas de previsão, pelo fato de haver mais parâmetros a ter em consideração. Por outro lado tem de se ter em conta que a curva de incertezas preditivas depende fortemente e quase exclusivamente de quão conhecido é o sistema. Consequentemente, o estudo e análise do sistema devem levar à adoção de uma complexidade do modelo para a qual o erro tem o seu valor mínimo Comparação de programas de simulação Ao longo dos últimos 50 anos, foram desenvolvidos e aprimorados centenas de programas de simulação dinâmica (BPS) que fornecem ao utilizador capacidade de previsão e controle de inúmeras variáveis como energia, produção, humidade, temperatura, custos, entre outros. Durante esse período de tempo têm sido feitas inúmeras pesquisas e publicações sobre comparação de programas de simulação segundo as suas capacidades e ferramentas. As comparações são baseadas em informações fornecidas pelos próprios fornecedores dos respetivos programas e a avaliação dos mesmos é feita segundo as seguintes características: cargas térmicas; envolvente do edifício, iluminação natural e energia solar; infiltração, ventilação e fluxo de ar; sistemas de energia renovável; equipamentos elétricos; sistemas e equipamento AVAC; emissões para o ambiente; avaliação económica; dados climáticos; relatórios de resultados; interface com o utilizador. De seguida, vão ser apresentadas algumas tabelas que comparam vinte dos melhores programas de simulação disponíveis no mercado e são identificados os aspectos mais importantes que valorizam o HAP como ferramenta do presente estudo. Estas tabelas devem ser analisadas para comparação e não como avaliação absoluta dos programas, porque versões mais atualizadas dos programas são lançadas constantemente e as ferramentas que não constam nestas tabelas podem já existir nessas novas versões. Tabela 1 Comparação de BPS s segundo a sua capacidade de cálculo de cargas internas [14] 13

30 Tabela 2 Comparação de BPS s segundo a sua capacidade de cálculo de cargas externas [14] Tabela 3 Comparação de BPS s segundo a sua capacidade de cálculo infiltrações, ventilação e caudais de ar em multi-zonas [14] Tabela 4 Comparação de BPS s segundo a sua capacidade de análise de sistemas e componentes AVAC e sistemas de energia renovável [14] Tabela 5 Comparação de BPS s segundo a sua capacidade de fazer avaliações económicas [14] 14

31 Antes de se proceder à modelação de qualquer tipo de edifício há que ter em atenção se o programa cumpre os requisitos de projeto, isto é, se tem as ferramentas que permitam abranger todas as características da instalação que se pretendem analisadas. No caso particular em estudo nesta dissertação pretendia-se um programa capaz de modelar um edifício com inúmeras zonas, todas elas com especificações individuais quanto às diversas cargas térmicas, insuflação de ar, coeficiente de transmissão de calor através das paredes, portas e envidraçados e contacto com zonas não climatizadas, agrupando-as e associando-as a unidades de tratamento de ar (UTA) que têm de ser, por sua vez, caracterizadas ao pormenor, especificando todas e quaisquer características das mesmas. Teria de permitir também a integração de uma central de água quente e uma de água fria, devidamente caracterizadas e ser sensível às variações climática de um dado local especificado e segundo uma dada orientação. Por último tem de ser capaz de fazer a simulação energética de toda a unidade num todo e de forma discretizada, bem com fazer relatórios dos resultados graficamente ou em tabelas. O HAP possibilita tudo isto e muito mais. Dando atenção à figura 12, construída através dos dados retirados da tabela 4 que avaliam os programas quanto à capacidade de configuração de sistemas AVAC, pode-se ver que é um dos melhores na configuração e discretização de sistemas AVAC. Capacidade de Discretização Capacidade de Configuração Sistema AVAC Figura 12 Comparação entre vinte programas de simulação quanto a capacidade de modelação de sistemas AVAC, baseado na tabela 4 15

32 3. Bombas de Calor Foi com a crescente preocupação em melhorar o uso da energia disponível a nível mundial e consequente aumento da investigação e investimento em tecnologias de desenvolvimento sustentável que surgiram as primeiras bombas de calor. Este tipo de equipamentos operam realizando um ciclo termodinâmico que, consumindo trabalho, isto é, consumindo energia elétrica, transfere calor de um meio a temperatura inferior para um meio a temperatura superior. Ou seja, é uma máquina projetada para mover energia térmica na direção oposta ao fluxo espontâneo de calor [15]. O princípio operacional é bastante simples, uma BC explora as propriedades físicas de evaporação e condensação de um fluido frigorigéneo também designado por refrigerante, isto é, o fluido percorre o ciclo absorvendo calor no evaporador, onde a pressão e temperatura são baixas, recebe trabalho no compressor e liberta calor no condensador, onde a pressão e temperatura são altas, conforme ilustrado na figura 13. Figura 13 Representação teórica de um ciclo frigorífico de compressão [15] Olhando para a figura constata-se que, numa bomba de calor apenas se paga uma fração da energia utilizada que é a consumida pelo compressor, pelo que a maior parte da energia calorifica entregue à fonte quente é retirada à fonte fria e, portanto, temos eficiências acima de 100%, especificamente três a cinco vezes superiores. A eficiência destes equipamentos denomina-se Coefficient Of Performance (COP) e é dado pela seguinte fórmula: (1) Apesar de grande parte das BC utilizarem um compressor para elevar a temperatura e pressão do refrigerante durante o ciclo termodinâmico, existem alguns equipamentos que o substituem por um gerador e um absorvedor que funcionam como compressor térmico. E ainda que existam algumas BC, em desenvolvimento laboratorial, por ciclo híbrido de absorção e compressão [16] que usam uma mistura dos dois ciclos, os equipamentos por ciclo de compressão são de longe os mais utilizados e portanto, é sobre eles que se debruça a abordagem teórica e prática desta dissertação. Existem várias formas de entregar e retirar calor ao refrigerante que percorre o ciclo, dependendo da fonte e do recetor da energia, pelo que os equipamentos mais usados hoje em dia são os ar-ar, ar-água e água-água. Entenda-se que quando se menciona ar-água, o ar é o fluido ao 16

33 qual se retira calor e a água o fluido ao qual o calor é entregue. A opção de um tipo de BC em relação a outra requere um estudo das necessidades de calor e dos recursos disponíveis a serem aproveitados. No caso de estudo desta dissertação o equipamento proposto é uma BC água-água, pois vai ser retirado calor à água do circuito de arrefecimento (fonte fria chiller) e entregue calor à água do circuito de aquecimento (fonte quente caldeiras). Outro fator muito importante a ter em conta é o fato do coeficiente de calor (COP) e da eficiência de arrefecimento (EER Energy Efficiency Ratio) de uma BC variarem bastante com a temperatura dos fluidos participantes nas transferências de calor com o refrigerante, a chamada carga térmica, que está na maior parte dos casos fortemente relacionada com o clima. De acordo com isto, apresentam-se as curvas de desempenho dos três tipos de BC mencionadas anteriormente (figuras 15, 16 e 17). Figura 15 Variação do COP e do EER de uma BC ar-ar com a carga [7] Figura 16 Variação do COP e do EER de uma BC ar-água com a carga [7] 17

34 Figura 17 Variação do COP e do EER de uma BC água-água com a carga [7] Como o calor específico da água é cerca de quatro vezes superior ao do ar e a densidade mil vezes maior, as trocas térmicas entre a água e o refrigerante possibilitam atingir temperaturas mais extremas e consequentemente melhores rendimentos, embora o ar seja muito usado, nomeadamente no sector residencial, por ser um recurso natural ilimitado e de fácil acesso. As bombas de calor são equipamentos de fácil instalação que aproveitam calor dísponivel, com rápida amortização do investimento e possibilitam uma drástica redução e estabilização do consumo energético e são portanto, uma alternativa altamente viável ao uso de caldeiras a gás natural. 18

35 4. Metodologia de estudo Nesta secção vai ser feita uma abordagem ao programa utilizado na elaboração deste trabalho com uma breve descrição do mesmo e das suas capacidades. De seguida e como o programa de modelação usado (HAP) ainda não possibilita simulações com integração de uma bomba de calor no sistema existente para recuperação de calor dissipado no chiller, foi programada uma aplicação em Visual Basic com capacidade de receber os dados resultantes da simulação feita no HAP e efetuar todos os cálculos relativos à validação da implementação de uma bomba de calor na instalação Descrição do HAP O Hourly Analysis Program é uma ferramenta computacional criada pela Carrier com o objetivo de auxiliar os engenheiros no projeto de sistemas AVAC para edifícios comerciais e industriais. É, sem dúvida, uma das melhores ferramentas disponíveis atualmente para este tipo de estudos e análises com uma interface bastante intuitiva (figura18), porém o projeto de um sistema exige um conhecimento bastante profundo do programa em questão. Figura 18 Janela principal do HAP [17] A metodologia de cálculo do HAP é baseada no método de funções de transferência para cálculos de cargas e na técnica detalhada de simulação e análise de energia, 8760 horas/ano, aprovadas e validades pela ASHRAE [17]. 19

36 O software da Carrier é constituído por duas ferramentas extremamente úteis num só programa [17]: A primeira - HAP System Design Features - estima cargas de aquecimento e arrefecimento visando dimensionar os componentes necessários ao sistema AVAC. As últimas versões do software disponibilizam já informações para seleção e especificação de equipamentos. Esta primeira ferramenta tem então capacidade para: Calcular cargas projetadas de aquecimento e arrefecimento para espaços, zonas e serpentinas em sistemas AVAC. Determinar caudais de ar necessários para espaços, zonas e sistemas. Cálcular consumos de serpentinas de aquecimento e arrefecimento. Cálcular consumos de ventiladores de circulação de ar. Cálcular consumos de chillers e caldeiras. A segunda - HAP Energy Analysis Features - estima o consumo anual de energia e o custo dessa energia no mercado, simulando todas e quaisquer unidades operacionais do edifício, 8760 horas do ano, quer para os componentes do sistema AVAC, quer para os restantes. Os resultados destas simulações serviram para comparar a viabilidade de alternativas para o sistema de AVAC de modo a que o melhor projeto ou ideia seja a escolhida para implementação. Especificamente, a capacidade desta segunda ferramenta é a de: Simular hora-a-hora o consumo energético de todos os sistemas operacionais de aquecimento e ar-condicionado. Simular hora-a-hora todas as máquinas e equipamentos. Simular hora-a-hora todos os componentes que não pertencem ao sistemas AVAC inclusive luzes e utensílios. Usar resultados das simulações no cálculo total do custo e energia consumida (o custo é calculado com os preços da energia que necessitam de ser especificadas). Gerar gráficos horários, diários, mensais ou anuais. 20

37 4.2. Aplicação de cálculo Como já foi dito anteriormente a versão do HAP utilizada ainda não é capaz de fazer simulações que possuam bombas de calor integradas num sistema AVAC convencional constituído por caldeiras e chillers de forma a haver aproveitamento do calor dissipado pelo chiller e, portanto, houve necessidade de se programar uma aplicação que conseguisse ler os dados hora-a-hora da simulação resultante do HAP, fizesse todos os cálculos, também hora-a-hora, relativos à implementação de uma bomba de calor água-água, a BC Carrier 30XWH254, escolhida para o efeito e finalmente conseguisse fazer o somatório dos resultados e os apresentasse de forma clara e percetível a qualquer utilizador do programa. Ao executar o programa, premindo a primeira opção, aparece uma tabela (figura 20) que permite inserir a energia entregue e libertada pelo chiller e entregue e libertada pelas caldeiras durante as 8760 horas do ano de 2013, ou seja, os respetivos 8760 inputs e outputs para produção de frio e calor na instalação. São estes os valores simulados pelo programa HAP e que necessitam de ser importados do mesmo para a tabela da aplicação. Figura 20 Tabela 1 da aplicação para inserir os dados O programa exibe ainda uma outra tabela em simultâneo (figura 21) em que é pedido ao utilizador o COP da bomba de calor que é proposta para ser implementada, assim como o aumento de potência que vai ser exigida ás bombas, quer na zona quente, quer na zona fria da bomba de calor, devido à queda de pressão na passagem pelo condensador e pelo evaporador, respectivamente. Figura 21 Tabela 2 da aplicação para inserir os dados Este fator foi tido em conta de modo a garantir a precisão dos resultados e é calculado através da seguinte expressão: (W). (2) O valor de vem em Pascal (Pa) e é retirado diretamente da ficha técnica do equipamento. 21

38 Apresentando a imagem do programa de cálculo da BC: Figura 22 Tabela de inserir dados do programa de cálculo Tendo os valores hora a hora do input e output de energia das caldeiras e chiller, temos então os valores horários dos rendimentos dos dois equipamentos, o que vai possibilitar obter valores muito mais corretos dos consumos pós-implementação da medida, comparativamente a termos um cálculo baseado num valor médio de eficiência da bomba de calor. Uma das grandes vantagens de uma bomba de calor numa instalação deste tipo é o facto de, num dado período de tempo, conseguir saciar ou as necessidades de frio, ou as de calor da instalação, possibilitando com que um dos equipamentos (Chiller ou caldeiras) esteja ausente na dissipação/produção de calor. Essa análise é feita pelo sub-separador Balanço Quente/Frio através da seguinte condição: Se o chiller está parado e as caldeiras têm um consumo de (kwh) gás natural. (3) Caso contrário se as caldeiras estão paradas e o chiller tem um consumo de (kwh) elétrico. (4) Analisado o comportamento horário da instalação saltamos para o separador Com bomba de calor que reflete os consumos de todos os equipamentos já com a bomba de calor instalada em que os consumos das caldeiras e do chiller já foram calculados através das expressões (3) e (4) respectivamente e o consumo de energia elétrica da Bomba de calor instalada seria então (kwh) elétrico. (5) Tem-se agora, através de matemática simples, condições para o cálculo da poupança horária resultante da implementação da medida e consequentemente a poupança anual referente à mesma.. Como o principal objetivo da implementação desta medida é a poupança de gás natural nas caldeiras temos de garantir que sempre que possível, as necessidades de calor da instalação são satisfeitas pelo ciclo termodinâmico da bomba de calor e, por conseguinte, que as caldeiras estão ausentes na produção de água quente. Quando isto não acontece a bomba de calor funciona de forma complementar, não evitando, mas reduzindo o consumo nas caldeiras. Portanto, a passagem 22

39 de água no lado quente da bomba de calor (Condensador) é necessariamente feita em série, isto é, 100% do caudal em circulação é sujeito à troca de calor. Na parte fria do ciclo (Evaporador) a ligação é feita no secundário, isto é nas tubagens de caudal variável, pelo facto do caudal máximo de projeto em circulação na fábrica (22,9L/s), por imposição da capacidade das bombas de água, ser maior do que o admitido na BC (10,99L/s) e, portanto, ter de existir um by-pass que leve uma porcentagem de água ao evaporador da bomba de calor. Para ocorrer a transferência total da energia disponível, tem de se garantir que o pico anual de caudal na instalação é inferior ao máximo suportado pela bomba de calor proposta, ou seja, todo o caudal em circulação participa nas trocas térmicas. Caudal esse que será calculado da seguinte forma: Figura 23 Potência cálculada das caldeiras ao longo do ano Da análise do gráfico das necessidades de calor (NC) da instalação, figura 23, constatamos que o pico de calor requerido ás caldeiras é de aproximadamente 240 kw, logo será este o valor máximo que será transferido no condensador, isto é, na zona quente da BC de modo a manter a temperatura nos 60 C. Para que os 240 kw térmicos sejam entregues no condensador ter-se-á de retirar uma certa quantidade de calor no evaporador, isto é, ao circuito de água fria. Quantidade esta que representa o valor máximo que se poderá retirar da zona fria, por consequência do pico de necessidades de calor e vem da fórmula: (6) Sabendo que o de arrefecimento desejado na conduta é de 5 K (valor de projeto para o qual o chiller está dimensionado), isto é baixar a temperatura da água de 12 C para 7 C e com o valor de NF máx calculado anteriormente, pode-se então saber qual é o caudal de água máximo que em 2013 passa nas condutas de caudal variável da central de água arrefecida. (7) 23

40 Aproximando a densidade da água a 10 C,, temos que o caudal que passa no evaporador é de 8,2, ou seja, 74,6 % do caudal máximo (10,99 ) admitido pela bomba de calor escolhida. Este valor garante a transferência total da energia disponível a ser dissipada no chiller durante o ano. Podemos também saber, teoricamente, qual o caudal em circulação na zona quente da bomba de calor. Como e como em ambos os lados da bomba de calor o o caudal varia na mesma proporção que o calor transferido e portanto depende apenas do COP da bomba de calor, temos portanto para o caudal na zona quente: (8) E, portanto também menor que o suportado pela bomba de calor que são 15,08, pelo que mostramos que é possível a instalação da bomba de calor para o requisitado. 24

41 5. Descrição da Instalação e aplicação do modelo O estudo anunciado na secção anterior foi feito numa empresa de investigação, desenvolvimento e produção de medicamentos genéricos, a empresa Generis Farmacêutica, SA. A instalação mencionada tem mais de de 3200 m 2 de pavimento e está divida em três subunidades: Produção, onde efetivamente se produzem os comprimidos; Embalagem, onde uma linha de produção recebe os comprimidos, coloca-os em blisters e embala-os, ficando imediatamente prontos para a distribuição; LCQ, isto é, Laboratório de Controlo de Qualidade onde, como o nome indica, são testadas constantemente amostras aleatórias de produtos para garantir que a mistura está a ser feita nas proporções corretas e, portanto garantir a sua qualidade. A zona da Produção por sua vez divide-se na zona do Galénico, onde existem réplicas em miniatura de todas as máquinas e equipamentos da fábrica e onde são efetuados todos os testes, investigação e desenvolvimento de produtos, na zona de Granulação, onde basicamente é feita a mistura do pó e na Compressão, onde os aglomerados de pó são comprimidos formando o produto final que segue para embalamento. Piso 0 Piso 1 SW Produção Embalagem LCQ Zonas não climatizadas Figura 24 Planta representativa dos 2 pisos da fábrica A unidade industrial possui uma central de água aquecida constituída por 2 caldeiras (figura 25), que produzem vapor para o processo de produção que vai diretamente para a fábrica e para aquecer água a 60ºC em permutadores, que por sua vez alimentam o sistema de AVAC, e uma central de água arrefecida alimentada por um chiller (figura 26), que fornece água arrefecida a 7ºC a diversos permutadores espalhados pelo edifício e ao sistema de AVAC. Figura 25 Caldeiras CSC CV5-5,4 Figura 26 Chiller Trane RTAC

42 As caldeiras CSC consomem gás natural e cada uma tem a capacidade de gerar 627kW de calor, sendo sujeitas a manutenção anual obrigatória para análise e afinação da combustão bem como verificação das condições dos equipamentos. A intervenção é feita pela TERMOPOR (Indústrias Térmicas de Portugal, Lda) e são feitos três ensaios a diferentes temperaturas para avaliação dos parâmetros de funcionamento e afinação dos queimadores, pelo que o relatório resultante da intervenção está resumido na tabela 6. Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Temperatura ( C) 128,1 178,2 219,4 Rendimento (%) 95,2 92,1 90,8 O2 (%) 4,5 6,3 4,7 CO (ppm) CO2 (%) 9,3 8,2 9,1 NO (ppm) NOx (ppm) Tabela 6 Análise da combustão nas caldeiras Neste momento o chiller em funcionamento na instalação é o ilustrado na figura 26 tendo capacidade de 367,3 kw elétricos. O chiller funciona por escalonamento com uma carga mínima de 20%. Para efeitos de modelação e simulação o HAP exige o preenchimento da tabela de desempenho do chiller para várias cargas segundo diferentes temperaturas do condensador, figura 27. Figura 27 Tabela de desempenho do chiller Em que OAT é a temperatura no condensador, ou seja, a temperatura exterior e os valores de desempenho vêm na forma de, isto é. Os equipamentos mencionados são os principais constituintes do sistema de AVAC, pois alimentam seis unidades de tratamento de ar (UTA) que estão em funcionamento 24 horas por dia e têm as seguintes funções: Garantem que as temperaturas de produção e conforto são mantidas com variações de ±2 C. Mantêm a humidade relativa na maior parte das zonas de produção, embalamento e controlo de qualidade abaixo dos 50%. 26

43 Fazem a insuflação de ar para a instalação de forma a manter as diferenças de pressão favoráveis à não contaminação do produto, isto é, pressões relativas de cerca de 50 Pa nas câmaras e corredores limpos e mais baixas, cerca de 25 Pa, nas zonas e corredores sujos, de modo a conduzir o ar insuflado até ser extraído para a atmosfera. (Estas diferenças de pressão são controladas regularmente devido à sua importância, pois diferenças de pressão reduzidas podem provocar contaminação do produto). Retiram as cargas térmicas de iluminação, de todos os equipamentos e as provocadas pelos funcionários. Estes valores, bem como as informações de insuflação de ar estão apresentados na tabela 7. Área (m2) Número de funcionários Caudal de ar novo necessário (l/s) Iluminação Cargas Térmicas (kw) Equipamentos elétricos Funcionários Sensível Latente Produção 1108, ,4 105,3 1,1 1,4 Embalagem 973, ,8 83,5 1,9 2,9 LCQ 317, ,9 41,6 1,9 2,7 Tabela 7 Valores de caudal e cargas térmicas por zonas Em relação aos funcionários há que ter em consideração que o número tabelado é referente aos trabalhadores presentes na fábrica num dado momento do dia, isto é, como a instalação funciona 24 horas por dia o número de trabalhadores efetivo será três vezes maior, ou seja, funcionários. O caudal de ar novo necessário, valor de projeto, é calculado por sala sendo proporcional à carga, com um valor mínimo de modo a garantir a classificação. Uma outra medida tomada para a calibração do modelo e também para confirmação das condições de projeto foi a medição dos caudais de ar que estavam a ser insuflados em cada uma das 6 UTA s da fábrica, que pelo fato de serem constantes, possibilitam achar o erro entre o valor de projeto de insuflação de ar e o valor real presente na empresa. Essas medições foram feitas medindo a velocidade de entrada de ar nas condutas de insuflação de cada UTA com o auxilio de um anemómetro digital e multiplicando-a pela respetiva área de secção de cada conduta. Valores esses que estão representados na tabela 8. 27

44 UTA Caudal insuflado (L/s) UTA Produção UTA Produção UTA LCQ UTA I+D UTA Embalagem UTA Balneários (L/s) Tabela 8 Valores de caudais por UTA apenas: Comparando este valor de caudal real de L/s com o valor de caudal de projeto de vemos que são muito parecidos com um erro de ( ) (9) Os valores de cargas térmicas associados aos funcionários são calculados pelo programa de simulação (HAP), através do número de ocupantes em cada sala e o tipo de trabalho que realizam, enquanto que os valores de iluminação e equipamentos elétricos são valores específicos inseridos no software. Todas estas cargas são, portanto valores máximos e não o valor permanente que encontramos na instalação estando sujeitas, como foi explicado no capítulo Modelação de Edifícios, a uma calibração de modo a fazer convergir o valor global anual para o valor real. A calibração das cargas de iluminação e funcionários é bastante simples, pois o software possibilita estabelecer horários de trabalho e horários e permanência nas diversas salas e, portanto inserindo valores detalhados e pormenorizados consegue-se uma calibração muito precisa destas cargas. Exemplificando, se uma determinada sala está operacional durante dois turnos diários das 8:00h ás 24:00h, apenas os cinco dias úteis da semana, durante os turnos temos permanentemente o/os funcionários a trabalhar com a iluminação ligada, e os funcionários dessa sala têm férias no mês de Agosto, pode-se definir o seguinte horário de calibração de cargas (figura 28). Figura 28 Exemplo horário funcionamento 2 turnos 28

45 Como se pode ver pela figura, o HAP permite definir oito tipos de perfis de funcionamento diferentes e associar esses perfis a qualquer dia da semana e a qualquer mês, levando o conceito de calibração do modelo a um patamar de precisão elevadíssimo. Os valores das cargas térmicas devido a equipamentos elétricos são os mais complicados de calibrar, porque as máquinas são ligadas e desligadas constantemente sem uma rotina definida e nem sempre trabalham à carga máxima, isto é, ao valor nominal referido anteriormente, portanto a calibração não pode ser feita por meio de um horário de funcionamento, mas sim achando um fator de carga médio que caracterize o melhor possível a utilização de equipamentos na instalação. Este foi conseguido instalando um equipamento da Fluke (Fluke 1735) durante grandes períodos de tempo nos disjuntores que alimentam os equipamentos para fazer a medição da potência que os equipamentos estão a debitar durante esse período de tempo, obtendo-se gráficos como o seguinte: Figura 29 Potência debitada pelos equipamentos da zona da compressão durante 95,3 horas Com este gráfico o equipamento da Fluke faz uma integração e dá-nos o valor da potência média real debitada pelos equipamentos. Estas medições foram efetuadas em todas as zonas da produção, ou seja, compressão, granulação e galénico, e os valores obtidos de energia e potência estão descriminados na tabela 8. Consumo de Energia (kwh) Tempo em medição Potência média (kw) Compressão 3295,83 95,3 horas 34,58 Produção Granulação 76,25 52,5 horas 1,45 Galénico 152,13 98,2 horas 1,55 Total 3524, horas 37,58 Tabela 9 Valores de energia e potência reais da zona da produção Com este valor total de Potência média real ( ) e sabendo que a zona da produção tem equipamentos com 111,7 kw de Potência nominal (P nominal ), valor de projeto, podemos então calcular o fator de carga característico da zona de produção: (10) Devido à impossibilidade de deixar o equipamento da Fluke a fazer medições nas zonas de embalagem e LCQ, pelo fato de os disjuntores estarem dentro da própria fábrica, este valor de fator de carga foi extrapolado da zona da produção para toda a instalação. Para um resultado mais preciso 29

46 seria necessário fazer medições ás duas zonas que faltam durante a paragem da fábrica em Agosto e obter os respetivos fatores de carga. A aplicação deste fator de carga no software pode ser feito de várias formas, pois o objectivo é fazer com que o programa efetue os cálculos com o valor real da potência e não com o de projeto. No âmbito da modelação da instalação da Generis optou-se por definir os horários dos equipamentos elétricos já com a carga média que se pretende que seja considerada, como pode ser visto na figura 30. Figura 30 Horário de funcionamento dos equipamentos Todos os outros ganhos térmicos externos devido às variações climáticas durante o ano, ganhos pelos envidraçados e paredes, entre outros, são considerados e calculados pelo próprio programa de simulação. 30

47 6. Análise de Resultados 6.1. Resultados da simulação Modelada e calibrada a instalação estamos em condições de fazer uma simulação do ano de O principal fator que suscitou a ideia de implementação de uma bomba de calor na Generis foi o elevado consumo de gás natural nas caldeiras para produção de água aquecida para o sistema AVAC, ou seja, o grande peso que as necessidades de calor tinham na fatura energética da empresa. Portanto, com o objetivo de quantificar essas necessidades no consumo total da instalação começou por ser pedida ao HAP uma simulação anual por componente (figura 31). Figura 31 Consumo anual por componente Como pode ser visto na figura anterior, 68,8% do consumo é devido ao sistema AVAC, pelo que desse valor cerca de metade (32,6%) é devido ao aquecimento, especificamente, às caldeiras. Estes valores são bastante comuns na indústria farmacêutica e validam a ideia de que a implementação de uma bomba de calor poderá de fato ser um investimento viável. Para continuar a confirmação dessa ideia inicial tem de ser feito um estudo das necessidades de calor ao longo do ano de modo a garantir que a capacidade de aquecimento do equipamento a ser escolhido está acima do pico de necessidades de calor da instalação e assim garantir que, sempre que possível, as caldeiras estão paradas e não há consumo de gás natural no aquecimento de água. Figura 32 Potência debitada pelas caldeiras ao longo do ano (repetida) 31

48 Da figura 32, podemos verificar que a potência calorífica máxima debitada pelas caldeiras é de cerca de 240 kw e, fazendo uma análise dos equipamentos disponíveis no mercado que garantam as temperaturas dos lados frio e quente da instalação, comparando os COP s e os custos, foi sugerida a bomba de calor Carrier 30XWH254, cuja ficha técnica se encontra em anexo (Anexo 1). Tem ainda de se ter em conta que este tipo de equipamentos, como explicado no capitulo Bombas de calor retiram energia a uma fonte fria que neste caso será a conduta da central de água fria, isto é, ao aquecer a água e evitar o consumo de gás natural nas caldeiras, estamos ainda a arrefecer a água e, portanto a diminuir a energia elétrica consumida no chiller que, como se pode ver na figura 33, chega a ter valores acima dos 120 kw e. Figura 33 Energia consumida pelo chiller ao longo do ano Numa outra abordagem podemos ver pelo gráfico input + output de energia nas caldeiras (figura 34), cuja conversão de energia nas mesmas é feita com uma eficiência de cerca de 90% ao longo de todo o ano em que a energia consumida (input) vem em kwh de gás natural, enquanto que a bomba de calor sugerida tem um COP nominal de 3,53, ou seja, uma eficiência de 353% e com a mais valia da energia consumida ser kwh de energia elétrica que é, no mercado português, economicamente mais estável e normalmente menos poluente. Figura 34 Entrada e saída de energia nas caldeiras 32

49 Dos gráficos apresentados até aqui nesta análise já conseguimos constatar que quer as necessidades de calor, quer as de frio são maiores durante o verão o que claro terá de ser devidamente comentado e explicado. Para isso vai ser feito um estudo detalhado do consumo anual da instalação de forma desagregada. Figura 35 Consumo anual desagregado por componentes Vamos então analisar um a um os consumos dos vários componentes que constituem a unidade industrial da Generis. Relativamente aos ventiladores pode-se verificar que o consumo é praticamente constante ao longo do ano o que é fácil de explicar, pelo fato das unidades de tratamento de ar trabalharem todas a caudal constante e portanto, as pequenas variações a registar em alguns meses devem-se, ou ao menor número de dias desse mês, ou ao grande número de feriados existentes, como por exemplo em Março. Um outro valor que salta à vista é o consumo da ventilação no mês de Agosto ser demasiado baixa que se deve à paragem anual da fábrica que foi claro considerada para efeitos de simulação. Exatamente do mesmo modo se comentam as pequenas variações no consumo de energia na iluminação e na utilização de equipamentos elétricos. Também o consumo das bombas de água é bastante fácil de explicar, pois este consumo é proporcional ás necessidades de frio, devido ao fato das bombas do circuito secundário serem de caudal variável e, portanto, têm um consumo maior, quanto maior forem as necessidades de frio. Ou seja, como já tinha sido verificado anteriormente, o que provoca a grande variação de consumo da instalação são as cargas térmicas exteriores, isto é, as variações climáticas, representadas pelos componentes: arrefecimento, aquecimento e bombas de água. 33

50 O perfil de consumo no arrefecimento é bastante espectável, poucas necessidades de frio no inverno e maiores no verão, mas em relação ao aquecimento os valores obtidos suscitam alguma curiosidade. Na verdade a generalidade das indústrias farmacêuticas não necessita de grande poder de aquecimento no inverno, isto porque são indústrias fortemente isoladas com paredes exteriores com altas resistências térmicas e que normalmente têm cargas térmicas internas significativas, como é o caso da presente instalação. Já no verão as necessidades de calor da fábrica são elevadíssimas, isto porque a grande maioria das salas têm valores de humidade relativa abaixo dos 50 e mesmo 40% em alguns casos. Nos meses mais quentes, embora a humidade relativa seja menor, a humidade absoluta é bastante maior, ou seja, há muito mais vapor de água por quilograma de ar. Isto deve-se ao aumento da temperatura de saturação e portanto da capacidade do ar em reter água. No inverno, embora em percentagem o ar esteja mais saturado, contém bastante menos quantidade de água. Como dentro da unidade industrial a temperatura é constante ao longo do ano, cerca de 22ºC ± 2ºC, a quantidade de água no ar terá de ser a mesma anualmente de modo a cumprir as exigências de humidade relativa interior. Daí as elevadas necessidades de calor para o sistema de AVAC conseguir fazer a desumidificação contínua do ar atmosférico. Para terminar a análise do consumo dos vários componentes da empresa tem de ser referido que qualquer tipo de outra carga interna, as chamadas miscellaneous, como por exemplo o uso de queimadores a gás propano, não foram considerados. Os fatores que levaram a não consideração destas cargas foram: primeiro têm uma contribuição desprezável face ás outras cargas internas presentes e não têm qualquer impacto no consumo energético da empresa; segundo não têm influência no estudo desta dissertação, visto serem cargas independentes de qual o tipo de aquecimento usado para o sistema de AVAC, quer seja por caldeiras, quer seja por uma bomba de calor. O que pode também levantar alguma apreensão é o fato de, no gráfico da figura 35, o Heating ser maior que o Cooling ao longo de todo o ano, mas à que ter em conta que são valores de energia consumida em energia elétrica no caso do cooling e em gás natural no caso do heating e, portanto, não são os valores reais de calor e frio entregue aos respetivos circuitos de água. Esses valores de energia calorífrica estão representados na figura 36, dando uma ideia mais clara do que são as necessidades térmicas da instalação Heating Colling kwh - Jan Mar May Jul Sep Nov Figura 36 Necessidades anuais de frio e calor 34

51 6.2. Proposta de melhoria Com base no argumentado do subcapítulo anterior e com o que sabemos até este ponto sobre a instalação e sobre o funcionamento e capacidade de uma bomba de calor, é bastante evidente que existe um potencial de poupança com a implementação do equipamento sugerido (BC Carrier 30XWH254). Atualmente na unidade industrial da Generis em Venda Nova as centrais de água quente e fria são independentes como explicado no capítulo Descrição da instalação e aplicação do modelo e ilustrado na figura 38, pelo que se propõe a instalação da BC da Carrier (quadrado vernelho na figura 38) de modo a integrá-la num esquema um pouco mais complexo, mas aumentando a eficiência energética do sistema, diminuindo custos e emissões de poluentes. Caldeiras T = 60 C Carga AQ. Carga AR. Chiller Reservatório T = 7 C Figura 37 Representação do esquema de aquecimento e refrigeração proposto para a instalação. A bomba de calor proposta teria, então, duas funções. Do lado quente, parte superior do esquema da figura 37, as caldeiras debitam vapor para os permutadores que aquecem até 60ºC a água que vem da instalação, pelo que essa água, agora aquecida, volta à fábrica para cumprir as necessidades de calor e regressa mais fria ao circuito. A função mais importante da BC e a que controla todo o processo seria a de fornecer calor a essa água que vem da instalação evitando, sempre que possível, o funcionamento das caldeiras para o aquecimento de água, poupando assim gás natural às mesmas, ou seja, a BC funciona em simultâneo sempre que tenha um minímo de carga e as caldeiras funcionam de forma complementar. 35

52 No circuito inferior da figura, o chiller está constantemente a arrefecer água a 7 C, essa água vai retirar a carga térmica à instalação e volta para o reservatório para ser novamente arrefecida pelo chiller, pelo que a segunda função da BC seria a de retirar calor à água que vem da unidade industrial e, portanto arrefecê-la poupando energia elétrica ao chiller. É de notar que do lado superior da figura, zona quente, existe uma válvula apenas para questões de segurança que se encontra normalmente fechada para que o sistema funcione em série e 100% do caudal passe no condensador da bomba de calor. Enquanto que o lado inferior da figura, zona fria, o equipamento encontra-se em série com o chiller, visto as bombas serem de caudal variável e poder haver um pico nas necessidades de frio que faça as bombas debitar mais caudal do que o suportado pelas tubagens que vão ao evaporador da BC. Apesar da bomba de calor no lado frio ter by-pass em paralelo, esta encontra-se ligada em série com o chiller. Optou-se por esta configuração em detrimento da ligação em paralelo sugerida no manual Multiple-Chiller-System Design and Control da Trane (Marca do chiller existente na empresa) [18], que diz que a ligação da bomba de calor com um ou mais chillers em paralelo é uma opção menos viável, pelo fato da BC recolher muitas vezes a maior parte do caudal e os chillers estarem muito regularmente sujeitos a cargas baixas e alguns não têm essa capacidade. Por outro lado beneficiam a configuração em série (a optada no nosso caso), dizendo que este tipo de ligação pré-arrefece a água que vai para o chiller reduzindo a carga térmica a que estão sujeitos, mas não o caudal o que reduz o consumo de energia e diminui os custos gerais de operação do sistema. Segundo a Trane, esta é a melhor maneira de obter free-cooling no aproveitamento da energia que iria ser dissipada pelo/s chiller/es, principalmente quando a bomba de calor a implementar tem menor capacidade que o chiller já instalado (o que acontece no caso em estudo). Consideram também a melhor configuração para usar ferramentas computacionais de análise económica. Claro que o funcionamento do equipamento referido exige consumo de energia elétrica e um primeiro investimento. Os cálculos da viabilidade do projeto, poupanças e tempos de retorno foram feitas e vão ser apresentadas de seguida. 36

53 6.3. Validação da proposta A validação da proposta é feita pela aplicação programada efetuando os cálculos necessários à apresentação das poupanças. Premindo a opção CALCULAR no menu principal da aplicação é aberta uma janela (figura 38) que permite ao utilizador selecionar o que deseja calcular. O programa permite o cálculo quer do tempo de funcionamento das caldeiras e chiller após a implementação da medida, quer a poupança em termos de gás natural, energia elétrica, etc.. Figura 38 Janela de cálculo da aplicação Os resultados permitem uma análise económica e, portanto saber se a implementação de uma bomba de calor na instalação é ou não viável em termos de tempo de retorno no investimento. Feita a explicação dos cálculos efetuados e do funcionamento do programa de cálculo, no capítulo 4.2., para validação da proposta, vamos então apresentar os valores que a aplicação possibilitou obter. Um dos objetivos na implementação do equipamento sugerido é o de ter um dos equipamentos atuais (chiller ou caldeiras) parados, ou seja, garantir que a bomba de calor cumpre o total de necessidades momentâneas ou de calor ou de frio, embora a maior ênfase em termos de poupança e viabilidade do projeto vá para paragem das caldeiras. Como pode ser visto na figura 38 o tempo de funcionamento desses equipamentos pós-implementação da medida pode ser calculado, pelo que aparece ao utilizador o resultado da seguinte forma (figura 39). 37

54 Figura 39 Tempo de poupança em que o chiller e caldeiras não estão em funcionamento Como mostra a figura o principal objetivo é claramente cumprido, pois as caldeiras estariam 74,21% do ano paradas e no restante tempo estariam em funcionamento parcial em prol da paragem do chiller. Os valores resultantes da paragem dos equipamentos em termos de energia poupada, custos e diminuição de emissões poluentes podem ser obtidos clicando nas restantes opções da aplicação, pelo que para evitar a apresentação em janelas como as da figura 39, foi resumida a informação na tabela 9. Poupanças Caldeiras Chiller Redução de custos Emissões CO 2 equivalente Toneladas equivalentes de petróleo kwh de gás natural kwh de energia elétrica Euros 135 toneladas 63,74 tep Consumo Bomba de calor kwh de energia elétrica Tabela 10 Resumo das poupanças e custos anuais da implementação da BC Carrier 30XWH254 na unidade industrial da Generis em Venda Nova Como pode ser visto na tabela, com um aumento de energia elétrica, poupa-se kwh de gás natural o que resulta numa poupança anual de quase 40 mil Euros. Deve ser recordado que o COP considerado para a bomba de calor é 3.53 (valor para a carga máxima) o que explica o fato da poupança energética em gás natural seja (3.53/9.92) 3.83 vezes maior do que o consumo elétrico da BC e é preciso ter em mente que para cargas parciais o COP da bomba de calor é ainda mais alto e, portanto, os valores de poupança também o seriam. Para além disso, tem-se uma redução de energia primária bastante significativa de 63,74 tep e uma diminuição de 135 toneladas de CO 2 equivalente. Estes resultados evidenciam que a implementação de uma bomba de calor na instalação é de fato uma medida excelente para a melhoria da eficiência energética da mesma e, portanto valida e quantifica a ideia de poupança inicial. Com base nestes valores foi elaborado um orçamento (Anexo 2) e uma proposta de implementação do equipamento que conforme se pode ver tem um período de retorno bastante aliciante, pouco mais de um ano e meio. Essa proposta é apresentada de seguida. de 38

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