Arrefecimento solar em edifícios

Arrefecimento solar em edifícios Introdução A constante procura de conforto térmico associada à concepção dos edifícios mais recentes conduziram a um substancial aumento da utilização de aparelhos de ar condicionado (especialmente para arrefecimento) nos edifícios do sector terciário. Este aumento desempenha um papel muito importante no consumo de energia eléctrica durante o Verão, principalmente nos países Mediterrâneos (onde se inclui Portugal), bem como no aumento da emissão de Gases de Efeito de Estufa. No âmbito do projecto Promoção da Climatização Solar 1, que pretendeu promover a redução das necessidades de arrefecimento através da utilização de medidas passivas ou semi-passivas e a utilização das ainda recentes tecnologias de arrefecimento solar, foram caracterizadas as diferentes tecnologias utilizadas para o arrefecimento solar e identificadas e analisadas as cerca de 50 instalações de arrefecimento solar existentes na Europa. Este artigo resulta da brochura elaborada na sequência do projecto Promoção da Climatização Solar disponível em: www.ames.pt e www.raee.org/climasol Porquê o arrefecimento solar? Apesar da utilização eficiente das técnicas solares passivas, é necessário um sistema de climatização, onde o arrefecimento solar pode ser uma solução interessante. Com efeito, durante o Verão, a procura de energia eléctrica cresce fortemente devido à utilização intensiva de sistemas de climatização, sendo os picos de consumo a origem da maioria dos problemas de fornecimento de electricidade. Este problema é ainda mais grave nos anos secos, visto que as centrais hidroeléctricas são incapazes de corresponder a uma parte desses picos. Dentro deste contexto, a utilização de energia solar para o arrefecimento é um conceito atractivo, pois as necessidades de arrefecimento coincidem, na maior parte do tempo, com a disponibilidade de radiação solar. Os sistemas de arrefecimento solar têm a vantagem de suprir a maioria das exigências de um sistema clássico: - O consumo de energia eléctrica pode ser até 20 vezes inferior, quando comparado com um sistema clássico de compressão; - Os fluídos refrigerantes utilizados são inofensivos, utilizando-se normalmente água e soluções salinas; - O incómodo sonoro provocado pelo compressor é anulado. 1 A Agência Municipal de Energia de Sintra (AMES) integrou um grupo de trabalho europeu coordenado pela RhonalpEnergie Environnement (França), constituído por sete países (França, Áustria, Alemanha, Grécia, Itália, Espanha e Portugal) criado para o desenvolvimento do projecto Promoting Solar Air Conditioning financiado pela Comissão das Comunidades Europeias no âmbito do programa ALTENER (contrato 4.1030/Z/02-121/2002) e pela Câmara Municipal de Sintra. 1

Redução das necessidades de arrefecimento Os sistemas de arrefecimento por energia solar permitem arrefecer os edifícios, praticamente sem impactes ambientais. Contudo, apesar da energia solar ser gratuita, para uma igual capacidade de arrefecimento, os sistemas alimentados com energia solar apresentam custos mais elevados que os sistemas clássicos de compressão. A análise das características do edifício e adoptar todas as medidas possíveis para reduzir as necessidades energéticas é um factor importante que deve ter em consideração as seguintes causas de impacte nas necessidades de arrefecimento: - Efeito da radiação solar através das superfícies transparentes; - Efeitos da transferência de calor por condução através de estruturas claras e opacas; - Efeitos da inércia térmica da estrutura do edifício; - Cargas térmicas internas, tanto sensíveis como latentes, devido à presença de pessoas e fontes produtoras de calor (tais como iluminação, maquinaria, etc.); - Ganho de calor, sensível e latente, devido à infiltração e ventilação do local. O esquema apresentado na figura 1 mostra que as necessidades de arrefecimento no Verão são fortemente influenciadas pelos elementos arquitectónicos que definem a envolvente do edifício. Técnicas de arrefecimento solar Os sistemas mais comuns de arrefecimento que utilizam o solar térmico para produzir frio podem ser classificados em duas grandes famílias: - Sistemas fechados: Chillers térmicos que produzem água refrigerada (absorção e adsorção) para alimentação de unidades de tratamento de ar (arrefecimento, desumidificação) ou para uma rede de água refrigerada de alimentação de sistemas descentralizados (ex.: ventilo-convectores). As máquinas disponíveis no mercado e adaptadas à energia solar são os chillers de absorção (mais 2

comuns) e de adsorção (poucas centenas de máquinas em todo o mundo, mas com um interesse crescente para os sistemas de ar condicionado assistidos por energia solar); - Sistemas abertos: O ar é directamente tratado (arrefecido e desumidificado) em função das condições de conforto desejadas. O refrigerante continua a ser a água, dado que está em contacto directo com o ar a arrefecer. Os sistemas mais comuns são os sistemas de arrefecimento exsicantes. Figura 2 Tecnologias de arrefecimento solar mais utilizadas actualmente Produção de água fria por chiller de absorção ou adsorção As máquinas de absorção e de adsorção podem ser caracterizadas por três níveis de temperatura: - Nível de temperatura alta (T A ), que corresponde ao calor fornecido ao sistema (circuito de água quente); - Nível de temperatura baixa (T B ), que corresponde à temperatura de produção de frio (circuito de água refrigerada); - Nível de temperatura média (T M ), quando a temperatura do circuito de água quente e do circuito de água refrigerada é rejeitada. A rejeição de calor, na maioria dos casos, é efectuada através de uma torre de arrefecimento. 3

Figura 3 Esquema de princípio do processo Q frio é a quantidade de calor extraído da água arrefecida no evaporador. Q calor é a quantidade de calor requerido para fazer funcionar o processo (calor motriz). Q rejeitado, soma de Q frio e Q calor, é a quantidade de calor a remover à temperatura média T M. Q calor pode ser fornecido pelos colectores solares ou por um sistema de apoio (rede de calor ou caldeira por exemplo). Um parâmetro chave para descrever a eficiência de um chiller assistido termicamente é o Coeficiente de Performance térmico (COP), definido como a razão entre o calor rejeitado do ciclo de arrefecimento de água e o calor requerido para o sistema funcionar: COP térmico = Q arref. /Q aquec.. O COP térmico é diferente do COP conv. de um chiller de compressão clássico, definido por COP conv. = Q arref. /E eléctrico, com E eléctrico a representar o consumo de energia eléctrica do chiller. Esta definição do COP térmico não inclui nenhum consumo eléctrico adicional. Uma comparação realista das diferentes tecnologias requer que se considere o total de energia utilizada (térmica e energia eléctrica das bombas e ventiladores). De realçar que quanto menor o COP, mais calor é requerido e mais calor terá de ser rejeitado na torre de arrefecimento. Pelo contrário, um COP elevado tem a vantagem de reduzir tanto o calor requerido, como o consumo de energia eléctrica das bombas. Chiller de Absorção Os chillers de absorção são os mais utilizados em todo o Mundo. A compressão térmica do refrigerante é conseguida através da utilização de uma solução refrigerante/absorvente líquido, e uma fonte de calor, substituindo assim o consumo de electricidade de um compressor mecânico. Para água arrefecida acima dos 0ºC, tal como é utilizada na climatização, é usada normalmente uma solução água/brometo de lítio (H 2 O/LiBr), em que a água é o refrigerante. A "produção de frio" é baseada na evaporação do refrigerante (água) no evaporador a muito baixa pressão. O refrigerante vaporizado é aspirado no absorvedor, diluindo assim a solução H 2 O/LiBr. Para tornar o processo de absorção eficiente, é necessário arrefecer a solução. Ela é bombeada continuamente para o gerador onde é aquecida (calor motriz ). O vapor de água gerado é então enviado para o condensador, onde, através da aplicação de água de arrefecimento, é condensado. A água líquida, após passar por uma válvula de expansão, é novamente reencaminhada para o evaporador. 4

Figura 4 Esquema de princípio de um chiller de absorção A potência de arrefecimento dos chillers de absorção é geralmente da ordem de várias centenas de kw. Geralmente, são alimentados por uma rede de calor ou por um sistema de co-geração. A temperatura do calor necessária é, normalmente, acima dos 80ºC para chillers de efeito simples, com um COP de 0,6 a 0,8. Os chillers de duplo efeito, com dois níveis de gerador, requerem temperaturas acima dos 140ºC, e atingem um COP na ordem de 1,2. Chiller de Adsorção Em vez de uma solução líquida, são utilizados materiais adsorventes sólidos. As máquinas disponíveis no mercado utilizam a água como refrigerante e um gel de sílica como adsorvente. A máquina consiste em dois compartimentos adsorventes (compartimentos 1 e 2, da fig. 5), um evaporador e um condensador. O adsorvente do primeiro compartimento é regenerado por aquecimento (água quente solar), o vapor de água gerado é enviado para o condensador onde se condensa. A água líquida, através de uma válvula de expansão, é enviada a baixa pressão para o evaporador onde se evapora (fase de "produção de frio"). O adsorvente do segundo compartimento mantém a baixa pressão ao adsorver o vapor de água. Este compartimento tem de ser arrefecido para permitir uma adsorção contínua. Quando a "produção de frio" diminui (saturação do adsorvente no vapor de água), as funções dos dois compartimentos são efectuadas pela abertura e fecho de válvulas. Figura 5 Esquema de princípio de um chiller de adsorção 5

Actualmente, apenas alguns fabricantes asiáticos produzem chillers de adsorção. Com temperatura do circuito de água quente de 80ºC, estes sistemas atingem um COP de 0,6, mas podem funcionar a temperaturas de 50ºC. A potência de arrefecimento dos chillers varia entre 50 kw e 500 kw. Sistemas de arrefecimento exsicantes Os sistemas de arrefecimento exsicantes são, basicamente, sistemas de ciclo aberto, que utilizam água como refrigerante em contacto directo com o ar. O ciclo de arrefecimento é uma combinação de arrefecimento evaporativo com uma desumidificação através de um exsicante, i.e.: material higroscópico, que pode ser tanto líquido como sólido. O termo "aberto" significa que o refrigerante é rejeitado do sistema depois de produzir o efeito de arrefecimento, e que uma nova quantidade de refrigerante seja injectada num circuito aberto. Assim, apenas é possível utilizar água como refrigerante, visto estar em contacto directo com o ar ambiente. A tecnologia mais actual usa rodas exsicantes rotativas, equipadas com gel de sílica ou com cloreto de lítio como material adsorvente. Um sistema deste tipo com potência de 36 kw assistido por 48 m 2 de colectores solares tipo CPC está a funcionar no INETI/DER 2 desde 1999. Sistema com utilização de material desidratante sólido em roda rotativa Os principais componentes do sistema são apresentados na figura 6. Figura 6 Esquema de princípio de um sistema exsicante A: Arrefecimento (Funcionamento no Verão) A circulação de ar no espaço a arrefecer, remove as cargas térmicas internas, calor sensível e calor latente, proveniente de computadores, pessoas, máquinas e ganhos solares/ambiente através de janelas, envidraçados, paredes, tectos, etc.. O ar ambiente do exterior é primeiro desumidificado adiabaticamente (1-2) numa roda que contém o elemento exsicante (por exemplo silicagel), deixando-a sob a forma de ar quente e seco. É então arrefecido (arrefecimento sensível 2-3) num permutador (roda recuperadora) pelo ar mais frio proveniente do interior do edifício, que circula em contracorrente. Segue-se o processo de humidificação (arrefecimento adiabático 3-5) que promove um maior arrefecimento do ar antes deste entrar na conduta de distribuição de ar pelo espaço (5) a climatizar. As cargas internas e ganhos solares/ambiente atrás referidas levam ao aquecimento do ar e o vapor de água produzido levam a um aumento da humidade do ar (5-6). Ao mesmo tempo o ar é sugado para fora do edifício, é arrefecido por humidificação (6-7), aquecido na roda recuperadora (7-8), 2 INETI/DER - Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação/Departamento de Energias Renováveis Estrada do Paço do Lumiar n.º 22; 1649-038 Lisboa 6

novamente aquecido (8-9) por uma fonte de calor externa ligada ao sistema térmico solar e atravessa a roda desumidificadora (9-10) para promover a regeneração do elemento exsicante. B: Aquecimento (Funcionamento de Inverno) O ar ambiente do exterior é aquecido em contracorrente com o ar proveniente do interior do edifício; o desumidificador (1-2) pode estar activo funcionando como permutador de entalpia (humidificação regenerativa do ar na entrada.) ou inactivo o que diminui o consumo de electricidade pois ao desumidificador poderá ser feito um bypass : serão as condições climáticas que determinarão o seu estado de funcionamento. A roda recuperadora (2-3) estará geralmente activa e além disso o ar proveniente do exterior é aquecido (4-5) no permutador de calor água-ar, que está acoplado ao sistema térmico solar. Se a temperatura do depósito solar for insuficiente a fonte de calor será então o apoio energético convencional. O humidificador (3-4) em geral está desactivado podendo ser usado na humidificação do ar proveniente do exterior se necessário. O ar arrefece ao longo do seu percurso no interior do espaço a climatizar (5-6) devido às perdas térmicas (paredes, janelas, etc.), e ao atravessar a roda recuperadora (7-8) pré-aquecendo o ar proveniente do exterior e eventualmente transfere humidade e calor para o ar proveniente do exterior (9-10). O humidificador de ar (6-7) e o permutador de calor (8-9) estão desactivados. Sistema com utilização de material desidratante líquido Um novo desenvolvimento, perto de chegar ao mercado, utiliza para a exsicante do ar um sorvente líquido: solução água/cloreto de lítio. Por comparação com os sistemas exsicantes que utilizam como material um solvente sólido, este tipo de sistemas apresenta várias vantagens: maior taxa de desumidificação do ar para a mesma temperatura e a possibilidade de um grande nível de armazenamento de energia, sob a forma de solução concentrada. Investimentos e Custos de Exploração A maioria das instalações existentes actualmente são de investigação ou de demonstração sendo necessário reunir esforços para optimizar a concepção das novas instalações. O esforço técnico na implementação de um sistema de ar condicionado assistido por energia solar é maior quando comparado com a implementação de um sistema clássico, pelo facto de ser necessário calcular e instalar o sistema solar (produção de energia não incluída numa instalação clássica), e devido às maiores necessidades de arrefecimento do sistema aliado à utilização dos chillers de absorção (COP mais baixo que um sistema clássico). O custo de certos componentes é ainda bastante elevado, e o nível de produção está longe de ter atingido uma fase de forte desenvolvimento industrial (por exemplo para os sistemas de adsorção). O investimento neste tipo de sistemas são mais elevados quando comparados com o investimento nos sistemas clássicos. Este facto é menos válido para os sistemas de arrefecimento exsicantes, visto que a maioria dos custos do sistema de ventilação são necessários tanto para o sistema assistido por energia solar como para o sistema clássico, e os custos adicionais com os colectores são parcialmente compensados com a ausência do chiller, que seria necessário no sistema clássico. Os custos de exploração de um sistema assistido com energia solar são consideravelmente mais baixos, quando comparados com os custos de exploração de um sistema clássico. Isto é particularmente interessante quando a potência eléctrica contratada deve ser aumentada para fazer face aos picos de consumo associados a um sistema de climatização clássico. Em geral, e embora o balanço económico de um sistema de ar condicionado assistido por energia solar dependa da especificidade desse mesmo sistema, o custo total anual do sistema (incluindo o investimento, os custos de funcionamento e de manutenção) é actualmente superior ao custo anual de um sistema clássico. 7

Para sistemas de arrefecimento por exsicante, é esperado que, com um decréscimo moderado do custo dos componentes, possa tornar os custos competitivos em determinadas aplicações, com as soluções clássicas. Para os sistemas que usam chillers térmicos, são necessárias reduções de custo mais importantes. Se bem que, são esperadas reduções sobre os chillers de adsorção, colectores de tubo de vácuo e CPC, são necessários esforços suplementares no aumento da performance técnica (COP) dos chillers. O aumento da experiência dos fabricantes, projectistas e instaladores deverá também resultar num decréscimo no custo. Com estes melhoramentos, estes sistemas podem chegar a um custo global aproximado aos sistemas clássicos, permitindo sempre poupar quantidades consideráveis de energia primária, contribuindo para os objectivos de redução dos impactes ambientais da climatização. Este benefício ambiental justifica o apoio dos poderes públicos a projectos de demonstração, geralmente sob a forma de subsídios ao investimento, permitindo assim torná-los economicamente mais viáveis. Por: Eng. Pedro Oliveira, Director Técnico Eng. João Barroso, Assessor da Administração AMES Agência Municipal de Energia de Sintra www.ames.pt Janeiro de 2011 8