Principais equipamentos utilizados nos sectores dos edifícios e da industria (a ter em consideração na análise energética) L. F.

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1 Principais equipamentos utilizados nos sectores dos edifícios e da industria (a ter em consideração na análise energética) L. F. Roriz 1. Tipo de instalações A análise energética pode ter que cobrir os aspectos relativos a: - qualidade térmica da envolvente do edifício, - eficiciência dos sistemas e dos seus componentes, e controlo associado - análise do processo - condução dos equipamentos A análise deve determinar, antes de efectuar as necessárias medições quais os equipamentos que são responsáveis pelos principais consumos. Sobre estes deverá recair a monitorização. Para além da análise individual de equipamentos, é ainda necessária a análise das instalações em que esse equipamentos estão inseridos. As instalações existentes podem ser agrupadas em função do fim a que se destinam, e em função do tipo de energia que consomem. Genericamente podem servir para: - produção de energia (eléctrica) - produção de calor ou frio - processo No primeiro caso estão incluídos os geradores de emergência e os sistemas de cogeração. No segundo caso estão incluídos os sistemas de climatização quer de conforto quer industrial, existindo elevado número de soluções, pelo que apenas os principais tipos e equipamentos associados à climatização serão indicados no ponto 2.2. No caso de processo, os sistemas e os equipamentos são muito diversificados já que podem ocorrer nos serviços e na industria. No caso da industria, os sistemas serão dependentes do tipo de industria em causa. No entanto alguns equipamentos podem servir simultaneamente para produção de energia eléctrica, climatização e processo, como é caso dos sistemas de cogeração, ou para dois destes casos como os sistemas de produção de vapor que podem servir o processo e o aquecimento (ambiente e de águas sanitárias). 2. Sistemas e equipamentos Os sistemas que serão descritos são sistemas de aplicação mais ou menos generalizada. Os sistemas específicos a cada industria não são aqui descritos Sistemas de cogeração Estes sistemas começam a ter alguma generalização em Portugal, em particular nas grandes industrias (cimenteiras e de pasta de papel, pe) estando a fazer a sua entrada no sector da habitação (grande centro comercial, zona urbana e de comércio). Os principais sistemas de cogeração são: 1

2 - turbina a gás. Este tipo de sistemas tem grande aplicação na industria, em particular quando é possível utilizar gás natural. A eficiência de produção eléctrica situa-se entre 20 a35%, função do tipo e potência da instalação. Os gases de escape podem ser utilizados em caldeiras convencionais (caso existam) como comburente, melhorando fortemente a eficiência global da instalação. A eficiência global situase entre 80 a 90%. - turbina a vapor. Este tipo de sistemas é utilizado nas grandes industrias, utilizando normalmente turbinas de contra-pressão, quando se pretende uma relação fixa entre a electricdade e o vapor produzidos, embora existam sistemas utilizando turbinas de condensação, podendo neste caso existir uma variação do caudal de vapor. No primeiro caso a eficiência de produção eléctrica situa-se próximo de 40% enquanto que no segundo caso essa eficência situa-se próximo de 20%, tendo estes sistemas uma eficiência global de 90%, aproximadamente. - motor diesel ou a gás natural (GN). Neste tipo de sistemas o calor produzido tem uma temperatura bastante inferior à obtida nos sistemas de turbina a gás. A eficiência de produção eléctrica situa-se próximo de 50%, sendo normalmente a eficiência global da ordem de 70%. Estes sistemas têm aplicação principalmente em grandes edifícios de serviços. A introdução do gás natural em Portugal irá certamente permitir uma maior penetração dos sistemas de cogeração a nível nacional. Na análise energética de industrias e grandes edifícos de serviços e caso seja considerada a possibilidade de alteração do sistema de produção de frio e calor, deve ser analisada a possibilidade de introdução de sistema de cogeração e de sistema frigorífico de absorção Sistemas de climatização A climatização compreende o controlo da temperatura do ar (aquecimento e arrefecimento), o controlo da humidade relativa do ar (humidificação e desumidificação) e o controlo da qualidade do ar (nível de poeiras e gases, velocidade). - sistema unitário. Este termo é usado para indicar que o evaporador e o condensador estão montados numa base comum, constituindo um aparelho individual (de parede ou de teto). Tem vindo a cair em desuso. - sistema dividido. Em refrigeração designa um sistema em que o condensador está num local distinto do compressor. Em ar condicionado o termo é usado para indicar que o evaporador (ou evaporadores) e o condensadorcondensador estão fisicamente em locais distintos, distinguindo desta forma este sistema dos aparelhos individuais, embora seja mais corrente utilizar-se a expressão sistema split (ou multi-split, quando o número de evaporadores servidos por um mesmo condensador é superior a um). Este tipo de sistema é portanto um sistema modular. A designação dos evaporadores depende do seu tipo e colocação. Geralmente são unidades horizontais, ie, evaporadores de aplicação à vista no teto ou unidades verticais, ie, evaporadores de aplicação à vista assentes no chão. 2

3 - sistema de zona ou modular. Este termo é utilizado para indicar que um sistema efectua a climatização de um conjunto de áreas, mas apenas parte do edifício, ou efectua a climatização complementar de áreas dum edifício, sendo a climatização geral efectuada por outro sistema. A forma de obtenção do fluido térmico quente ou frio pode variar: sistema do tipo centralizado de bomba de calor, sistema do tipo centralizado de UPAR e caldeira, sistema VRV (Volume de Refrigerante Variável), são alguns dos tipos possíveis. Nestes sistemas as unidades terminais podem ser ventilo-convectores ou evaporadores. Podem ainda existir baterias de resistências eléctricas embora o seu uso seja desaconselhado por razões energéticas. - sistema centralizado. Este sistema que possui uma unidade produtora de frio e/ou de calor e que efectua a climatização de toda a (ou a maior parte da) área que se pretende climatizar. Pode ser de diferentes tipos, sendo os mais comuns: i) sistema tudo-ar. Neste sistema o calor ou o "frio" são transportados pelo ar até aos locais a climatizar. Permite o total controlo da qualidade do ar. Estes sistemas podem ainda ser divididos em: - sistema VAC (Volume de Ar Constante). Neste sistema o caudal insuflado é constante, variando a temperatura de insuflação do ar. - sistema VAV (Volume de Ar Variável). Neste sistema a temperatura do caudal insuflado é constante, variando o caudal de ar insuflado. Estes sistemas necessitam de área de passagem de condutas elevada e existe dificuldade de correcta insuflação em diferentes condições de utilização caso existam bastantes espaços distintos a climatizar. No caso do VAC, o consumo de ventilação é elevado. ii) sistema tudo-água. Neste sistema o calor e/ou o "frio" são transportados por um fluido térmico até aos aos ventiloconvectores nos locais a climatizar. Não permite o controlo da qualidade do ar nem o total controlo da humidade do ar. Estes sistemas utilizam como fluido térmico água ou salmouras. Podem ainda ser divididos em 2 grupos: - sistema tudo-água a 2 tubos. Neste sistema o calor ou o "frio" são transportados por um fluido térmico (geralmente água) até aos aos ventiloconvectores nos locais a climatizar. Permite apenas o aquecimento ou o arrefecimento de todas as zonas. Não permite o controlo da qualidade do ar nem o total controlo da humidade do ar. - sistema tudo-água a 4 tubos. Neste sistema o calor e o "frio" são transportados por um fluido térmico (geralmente água) até aos aos ventiloconvectores nos locais a climatizar. Permite o aquecimento e arrefecimento simultâneo de diferentes zonas. Não permite o controlo da qualidade do ar nem o total controlo da humidade do ar. iii) sistema ar-água. Neste sistema o calor e o "frio" são transportados por um fluido térmico (água) até aos ventiloconvectores nos locais a climatizar, existindo simultaneamente um tratamento do ar a insuflar (e eventualmente aquecimento e arrefecimento). Pode permitir o controlo da qualidade do ar e da humidade do ar. Desta forma, os sistemas de climatização são consituídos por diferentes equipamentos, alguns agrupados de forma a constituir um conjunto que por sua vez tem uma designação específica e é tratatado como um equipamento único, como é o caso das UPARs. 3

4 2.3 - Principais tipos de equipamentos compressor Equipamento que efectua a compressão dum gás ou vapor. Os compressores, consoante o tipo de acesso ao seu interior, podem ser divididos em: i) compressor aberto - compressor que pode ser aberto e reparado no local e está separado do motor sendo a transmissão usualmente efectuada por correias ii) compressor semi-hermético - compressor acoplado a um motor eléctrico, estando ambos encerrados num invólucro metálico que pode ser desaparafusado para fins de reparação no local iii) compressor hermético - compressor acoplado a um motor eléctrico, estando ambos encerrados num invólucro metálico selado. Apenas fabricado para pequenas potências frigoríficas Os compressores consoante a forma como realizam a compressão, podem ser de diversos tipos, sendo os mais usuais os compressores alternativos, de parafuso, centrífugos, rotativos e de espiral O consumo devido aos compressores é normalmente importante, pelo que a sua monitorização deve ser considerada no processo da auditoria energética. bomba Equipamento utilizado para efectuar a movimentação de líquido. Podem ter funções de recirculação ou de elevação do líquido. Desta forma todos os circuitos secundários de de água quente e água refrigerada, circuitos de águas sanitárias (quentes e frias), alguns circuitos de ligação entre equipamentos (cirucito de torre de arrefecimento, circuito do condensador evaporativo, pe), incluem bombas. Normalmente é possível determinar o consumo devido a bombas desde que sejam conhecidas as suas características e o número de horas de funcionamento, não sendo necessário efectuar a sua monitorização. ventilador Equipamento com partes rotativas que provoca o movimento do ar. Pode ser de diversos tipos, sendo os mais usuais os ventiladores centrífugos e axiais. i) ventilador axial - ventilador de pás, onde o caudal tende a seguir numa direcção paralela à do eixo do ventilador. ii) ventilador centrífugo - ventilador com pás rectas ou curvas colocadas numa evoluta, fazendo-se a admissão axialmente e a descarga radialmente, num plano normal à direcção da admissão 4

5 Normalmente é possível determinar o consumo devido a ventiladores desde que sejam conhecidas as suas características e o número de horas de funcionamento e caudais, não sendo necessário efectuar a sua monitorização. condensador Equipamento onde o fluido cede calor ao meio exterior, condensando-se. Consoante o tipo de fluido arrefecedor utilizado, os condensadores podem ser divididos em: i) condensador arrefecido a água - condensador que o utiliza água como fluido externo, para efectuar as trocas de calor ii) condensador arrefecido a ar - condensador que o utiliza o ar atmosférico como fluido externo, para efectuar as trocas de calor iii) condensador evaporativo - condensador onde é pulverizada água na parte exterior aos tubos, de forma a aumentar a troca de calor, aproveitando o calor latente da água evaporador Equipamento onde o fluido recebe calor do meio arrefecer, evaporando-se. Os evaporadores, devido ao tipo de funcionamento, dividem-se em dois grupos: i) evaporador inundado - evaporador em que existe uma quantidade de líquido, sendo o volume de líquido controlado pelo seu nível ii) evaporador seco - evaporador em que todo o líquido que nele entra, sai nas condições de vapor UPAR Sigla designando Unidade Produtora de Agua Refrigerada. Esta unidade é um sistema frigorífico que efectua o arrefecimento da água utilizada posteriormente como fluido arrefecedor. Podem ser de absorção ou de compressão de vapor consoante o tipo de princípio em que funcionam. As UPARs são usualmente designadas por "Chillers". A água refrigerada é muitas vezes designada (embora incorrectamente) por água gelada. Uma UPAR de compressão de vapor possui compressor, separador de óleo, evaporador, condensador e mecanismo de expansão. Uma UPAR de abosorção possui absorvedor, gerador, mescanismos de expansão, bomba, evaporador e condensador. No caso de utilizarem misturas líquido-líquido possuem ainda coluna de rectificação. 5

6 A inclusão de sistemas de absorção pode ter particular interesse caso exista sistema de cogeração instalado. BC (bomba de calor) Sistema com funcionamento semelhante ao do ciclo frigorífico mas cujo fim é o aproveitamento do calor libertado pelo condensador. Podem ser de absorção ou de compressão de vapor consoante o tipo de princípio em que funcionam. Podem ser do tipo simples ou reversível. Neste caso o sistema que pode funcionar como sistema frigorífico e como sistema de bomba de calor. Uma BC de compressão de vapor possui compressor, separador de óleo, evaporador, condensador e mecanismo de expansão. Uma BC de abosorção possui absorvedor, gerador, mescanismos de expansão, bomba, evaporador e condensador. No caso de utilizarem misturas líquido-líquido possuem ainda coluna de rectificação. UTA UTA é a sigla para Unidade de Tratamento de Ar. Pode possuir diversas secções compreendendo: 1 ou mais ventiladores, recuperador de calor, caixa de mistura, filtros, bateria de aquecimento, bateria de arrefecimento, humidificador. A bateria de arrefecimento é um permutador de calor utilizado para efectuar o arrefecimento do caudal de ar que o atravessa. Consoante a temperatura do fluido na serpentina da bateria (ie, a tubagem do permutador) e as condições do ar à entrada da bateria, pode ocorrer ou não condensação de parte do vapor de água do ar. Desta forma uma bateria de arrefecimento pode servir para efectuar a desumidificação do ar. A bateria de aquecimento é um permutador de calor utilizado par a efectuar o aquecimento do caudal de ar que o atravessa. Para o aquecimento pode ser utilizado um fluido quente com ou sem mudança de fase ou resistências eléctricas. A caixa de mistura é um espaço, (um módulo da UTA), em que se misturam dois caudais de ar: o caudal de ar recirculado e o caudal de ar novo. O humidificador é o equipamento que efectua o aumento da humidade específica do ar. O aumento de humidade pode ser obtido à custa da injecção de água no estado líquido ou no estado de vapor. No caso de injecção de água o equipamento utilizado é greralmente um lavador de ar. 6

7 caldeira Equipamento onde se efectua a queima dum combustível servindo o calor produzido para aquecimento ou produção de vapor do fluido que atravessa o equipamento. O fluido térmico é na quase totalidade dos casos a água. As caldeiras podem ser de produção de águas quentes ou de produção de vapor. Podem ser do tipo convencional ou de condensação. Estas últimas apresentam uma maior eficiência, superior a 90%. Para além do tipo de caldeira, o tipo de queimador é de interesse na análise energética dado poder ser de uma posição ou regulável. Este aspecto tem importância na eficência média da queima. permutador (de calor) Equipamento utilizado para a troca de calor entre dois corpos que não estão em contacto físico. Consoante o fim a que se destina pode ser designado por um termo específico: recuperador, evaporador, condensador, tanque de gelo, depósito de acumulação. Um recuperador é um permutador que recupera parte da energia do fluido de exaustão antes deste ser lançado no exterior. Este fluido é normalmente ar, água ou fumos duma combustão. Um depósito de acumulação é um reservatório que contém uma elevada massa de fluido (e eventualmente corpos sólidos) que acumula o calor ou o frio. No caso especial de o depósito poder congelar a água nele existente, toma o nome de tanque de gelo. O potencial de frio é neste caso obtido à custa da mudança de fase da água. válvulas Equipamento que é instalado na tubagem e que permite o controlo do caudal de fluido. As principais válvulas que necessitam de corrente eléctrica são: i) válvula motorizada - válvula operada por um pequeno motor eléctrico (actuador) ii) válvula solenóide - válvula que abre ou fecha por acção do efeito electromagnético Em termos genéricos o recurso a válvulas electrónicas permitem um melhor rendimento da instalação quando comparado com o rendimento que as válulas convencionais permitem. 7

8 equipamento de controlo e de gestão Equipamento de controlo engoba um conjunto distinto que equipamentos que respondem às alterações duma propriedade do fluido no ponto de leitura. Um sensor faz a medição da propriedade, enviando um sinal proporcional à grandeza lida. Os equipamentos de controlo mais usuais são: i) Higrostato (controlo da humidade) ii) Termostato (controlo de temperatura) iii) Pressostato (controlo de pressão) O posicionamento do sensor no local (ou locais) a controlar é importante. A qualidade das condições obtidas e a eficiência do sistema depende dum correcto posicionamento dos sensores. Um sistema de gestão permite a monitorização das propriedades de fluidos (ar, água, fluido frigorigénio, etc), dos consumos e de avarias (alarmes). Consoante o número de pontos de medida e o número de função do sistema, pode existir controlo da potência (eléctrica) de pico, arranque optimizado (do sistema de queima), programação do fraccionamento de potência, aproveitamento de arrefecimento "gratuito" por ar exterior, etc. motores eléctricos Os motores eléctricos não incluídos nos sistemas de climatização e de produção de energia podem ter um peso importante no consumo global. No caso de industrias, os motores estão normalmente associados a equipamentos de processo. No caso de edifícios de serviços os motores com maior importância em termos de energia consumida são os motores de elevadores e monta-cargas. A monitorização individual de motores ou de grupo de motores pode ser necessária durante a auditoria. No entanto, esta monitorização pode, em elevado número de casos, ser dispensada caso sejam conhecidas a potência nominal dos motores, o seu horário de funcionamento e a carga de utilização. 8