Comparando a eficiência dos sistemas centralizados com a dos sistemas VRV por Luis Roriz e Pedro Alves da Silva Resumo: No presente artigo é feita a comparação dos consumos devidos à climatização dum edifício de serviços, caso fosse utilizado um sistema centralizado convencional ou um sistema VRV. Embora existam variantes na concepção dos sistemas, demonstra-se que o melhor desempenho de cada tipo de sistema depende fundamentalmente da variação da carga térmica a remover, do sobredimensionamento do sistema, e do tempode vida da instalação, pelo que, à priori, será incorrecto apresentar qualquer dos sistemas como sendo o mais eficiente. 1. Escolha dos sistemas e do edifício de servicos a climatizar Existem diferentes tipos de sistemas de Volume de Refrigerante Variável, bem como de sistemas centralizados tudo-água. Para efectuar a comparação entre as duas concepções foi considerado de entre os sistemas VRV, os que possuem recuperação de energia, ou seja os sistemas a 3 tubos, bem como os sistemas de 2 tubos. Nos sistemas centralizados foram consideradas as soluções de sistemas utilizando uma Unidade Produtora de Água Refrigerada (UPAR chiller) e utilizando uma bomba de calor reversível, sendo em ambos os casos o chiller arrefecido a ar, sendo o aquecimento / arrefecimento dos locais efectuado por ventiloconvectores. Para os diferentes sistemas foi determinado o consumo anual em edifícios de serviços com diferentes condições de ocupação / utilização, ou seja, para diferentes variações da carga térmica ao longo do dia e dos meses do ano. A comparação foi efectuada utilizando as características reais de equipamentos, pelo que foi necessário utilizar diferentes marcas. Não se pretende neste artigo fazer uma comparação entre marcas, embora se deva referir que o desempenho dos sistemas VRV de diferentes marcas não é idêntico. Para a comparação a seguir apresentada, os sistemas VRV a 2 tubos e a 3 tubos (de marcas diferentes) serão designados por sistema VRV2 e VRV3, respectivamente. O equipamento principal do sistema centralizado é da marca dos sistema VRV a 3 tubos 1. A comparação foi efectuada para um total de 6 sistemas. Para efectuar a comparação, a escolha do equipamento principal para ambos os sistemas foi efectuada de forma a que a potência de aquecimento / arrefecimento dos sistemas fosse semelhante em condições nominais. O tipo base de edifício considerado foi um edifício de escritórios cuja envolvente térmica cumpre o RCCTE /1/. Desta forma a capacidade de produção de calor dos sistemas analizados variou entre 19,6 kw to 25 kw e a capacidade de produção de frio variou entre 17,7 e 23,2 kw. Desta forma, pretende-se com este exemplo apenas entrar em considerações que não têm implicação com o RSECE /2/, dado a potência a instalar ser inferior ao limite estabelecido por este regulamento, nem com a norma NP 378 /3/, devido à carga de refrigerante ser reduzida. 1 Embora estas indicações possam eventualmente levar a concluir sobre qual as marcas utilizadas, a não indicação das marcas é propositada, dado não se estar a proceder a uma comparação em termos de marcas mas sim de concepção de sistemas.
2. Metodologia utilizada 2.1 Equações de resposta do sistema às cargas térmicas Para efectuar a comparação do desempenho dos sistemas, foi considerado um edifício com uma orientação principal norte-sul, com 6 escritórios. Metade dos escritórios têm uma fachada virada a norte e os restantes têm uma fachada virada a sul. Todos os escritórios possuem janelas e ganhos internos devidos à ocupação, iluminação e equipamentos. Foram consideradas diferentes utilizações dos escitórios. Desta forma foi possível obter situações onde a carga térmica é aproximadamente constante ao longo do dia, onde não existe ocupação durante o período de almoço, ou onde o equipamento tem uma utilização muito variável ao longo do dia, daí resultando uma forte variação da carga térmica, sendo mais elevada no período da manhã do que no período da tarde. A soma das cargas térmicas através da estrutura do edifício (as cargas térmicas exteriores) e as que resultam da utilização dos escritórios (as cargas térmicas interiores) dá a carga térmica total que o sistema de climatização deveria remover. Como os sistemas escolhidos possuem diferentes concepções, nem todos os sistemas considerados podem remover a carga térmica em todas as condições, ou seja, em todas as alturas do ano. Estas situações ocorrem nos seguintes casos: - O sistema em análise apenas permite o arrefecimento ambiente. Neste caso os sistema não permite a obtenção de condições interiores de conforto, caso seja necessário o aquecimento. - O sistema em análise é um sistema tudo-água a 2 tubos. Neste caso o sistema não permite o aquecimento e arrefecimento simultâneos quando alguns dos escritórios apresentam cargas térmicas de sinal contrário (os escritórios de uma fachada apresentando perdas de calor e os escritórios da outra fachada apresentando ganhos de calor, devido à diferenças de radiação solar incidente, por exemplo). - O sistema em análise é um sistema VRV a 2 tubos. Neste caso, tal como no anterior, o sistema não permite o aquecimento e arrefecimento simultâneos quando alguns dos escritórios apresentam cargas térmicas de sinal contrário. Para os casos acima indicados, foi determinado o periodo (número de horas) em que o sistema de ar condicionado não funciona. Para achar o desempenho do sistema, foi determinada a correlação entre a eficiência (COP) a carga parcial e a eficência em condições nominais (100% de carga) utilizando as curvas características do equipamento. A razão entre estes 2 parâmetros, que designamos por RC100 é praticamente independente da temperatura (do ar) interior. Uma variação de 6ºC na temperatura interior, de 16 para 22ºC, resulta numa variação do valor de RC100 inferior a 0.1 para a maoria das situações de carga parcial. Antes de se proceder ao cálculo acima indicado a informação técnica disponível foi analizada, de forma a determinar se existiriam inconsistências nas curvas características
do equipamento. A verificação baseou-se em cálculos teóricos, comparando o desempenho do sistema para diferentes condições interiores e diferentes condições do ar exterior. Esta verificação mostrou existir boa concordância entre os cálculos teóricos e os valores de catálogo. A correlação RC100 pode ser expressa por uma expressão polinomial, para as diferentes cargas parciais. Verificou-se ainda que a variação da temperatura do ar exterior tem uma influência muito reduzida no valor de RC100. Quando a temperatura do ar exterior varia entre 35 e 31ºC, o efeito no COP do sistema é inferior ao observado para a variação da temperatura do ar interior. Para o caso de um dos equipamentos estudados, funcionando no regime de arrefecimento e no regime de aquecimento, as equações que relacionam o valor de COP/COP (a 100%) no domínio de carga (parcial) de 50% a 130% são, respectivamente: RC100 = 1.0426 Pl 2 + 2.5359 Pl + 2,5083 (1) RC100 = 0.1827 Pl 2 + 0.4834 Pl + 1,3049 (2) onde: RC100 = COP/COP (at 100%) Pl = carga real / carga nominal O uso de expressões polinomiais com as indicadas é bastante simples e expedita, dado não ser dependente das condições de temperatura existentes. O COP efectivo (eficiência instantânea) é portanto dado por: COP = RC100 x COP (a 100%) (3) Onde o valor do COP a 100% pode ser obtido directamente da informação técnica sobre o equipamento. 2.2 Estimativa dos custos Devido ao tarifário de electricidade, o custo associado ao consumo de energia depende do tipo de contrato (baixa ou média tensão). Em ambos os casos o custo é função da hora do dia, para as potências em causa. Os cálculos para estimar o consumo foram efectuados considerando a tarifa em baixa tensão. Usando o tarifário de média tensão existiriam tempos de retorno diferentes, mas as conclusões em termos comparativos seriam idênticas, como se verá. Os custos de equipamento foram os fornecidos pelos importadores. Os custos de instalação considerados foram obtidos através da média dos valores indicados pelos instaladores. Os custos de manutenção são bastante superiores no caso de sistemas centralizados, dado que nos sistemas VRV este custo é bastante reduzido. A manutenção dos sistemas centralizados é frequentemente efectuada por contrato com um empresa externa à que utiliza o edifício de serviços. Por este motivo foi considerado que a diferença entre os custos de manutenção dos 2 tipos de sistemas pode variar.
3. Consumo de energia O consumo energético anual foi calculado para diferentes condições de temperatura do ar interior. Desta forma obtém-se diferentes variações da carga térmica bem como da necessidade de aquecimento e de arrefecimento simultâneos. Quando se considera uma ocupação constante ao longo das horas normais de serviço (para uma utilização de 5 dias / semana) e inexistência de ocupação durante a hora do almoço, o resultado obtido para os sistemas VRV-3 tubos (VRV3), VRV 2-tubos (VRV2) e centralizado com bomba de calor reversível (BCR) é o indicado na tabela 1. Tint (ºC) Consumo anual (kwh) VRV3 VRV2 BCR 23 3623 7565 6483 25 2957 6407 6105 27 2398 5090 5353 Tabela 1 Consumo anual para VRV (3T), VRV (2T) e sistema centralizado tudo água A tabela mostra que o sistema VRV a 3-tubos tem um desempenho francamente superior aos outros 2 sistemas. O sistema VRV a 2-tubos pode ou não ter um melhor desempenho que o sistema centralizado dependendo da temperatura interior utilizada. Este resultado deve-se a que estabelecendo os limites (set-points) da temperatura do ar interior para valores mais elevados, obtém-se ganhos térmicos menores e em consequência um maior sobredimensionamento do sistema (considerando que um sistema correctamente dimensionado para uma maior temperatura interior, é um sistema de menor potência que o escolhido inicialmente). A comparação dos consumos mensais pode ser observado na tabela 2. Neste caso considera-se como solução base o uso do sistema centralizado e a temperatura interior regulada para 25ºC. T int Mê VRV3 VRV2 BCR Março 59% 153% 116% 23ºC Junho 73% 140% 98% Agosto 91% 144% 101% Outubro 43% 109% 100% 25ºC Março 24% 79% 100% Junho 61% 117% 100% Agosto 75% 134% 100% Outubro 35% 86% 100% 27ºC Março 16% 42% 80% Junho 53% 119% 91% Agosto 63% 108% 93% Outubro 25% 71% 94% Table 2 Comparação dos consumos mensais para diferentes condições interiores
Observando a tabela é fácil de verificar a variação da eficiência mensal de cada sistema: Quando a carga térmica é próxima da capacidade nominal do sistema (próxima de 100%), o sistema VRV a 3-tubos comporta-se duma forma próxima do sistema centralizado, enquanto que o sistema VRV a 2-tubos paresenta um consumo energético cerca de 40% superior. Quando a carga térmica se afasta da carga nominal, os sistemas VRV tendem a ter um desempenho superior ao do sistema centralizado. Os valores acima indicados referem-se a condições normais de ocupação. Caso as cargas internas aumentassem, devido a uma maior ocupação e utilização de equipamentos, de forma a que o sistema funcionasse mais tempo próximo de 100% da sua capacidade e ocasionalmente um pouco acima deste valor, existiam alterações dos consumos, distintos para cada sistema. Neste caso, o sistema centralizado tinha melhor desempenho. Em Agosto, por exemplo, o sistema VRV a 3 tubos em vez de apresentar consumos que correspondem a 75% do que ocorre com o sistema centralizado, teria um consumo 15% superior ao do sistema centralizado. Acresce o facto de ser comum o desligar dos sistemas centralizados durante o periodo de meia-estação (primavera e outono). Este periodo corresponde às alturas em que os sistemas VRV são geralmente mais eficientes do que os sistemas centralizados. Desta forma, caso este procedimento seja utilizado, as diferenças de consumo anual indicadas na tabela 1, serão fortemente reduzidas. Quando se consideram os valores horários, existem várias horas ao longo do ano em que os sistema VRV a 2 tubos e os sistemas centralizados a 2-tubos não podem dar resposta às cargas térmicas existentes. Num dia de Sol e ao princípio da manhã em Março, por exemplo, considerando condições normais de funcionamento, as zonas próximo da fachada norte podem apresentar uma perda térmica enquanto que as restantes zonas do edifício apresentam um carga térmica positiva. Se o sistema VRV a 2-tubos ou o sistema centralizado estiverem regulados para condições de arrefecimento, os sistemas não podem garantir as correctas condições em todo o edifício. No entanto o sistema VRV a 3-tubos já permite que o sistema efectue o aquecimento e o arrefecimento simultâneos. É nestes periodos, de necessidade simultânea de frio e de calor, que os sistemas VRV a 3-tubos permitem fortes poupanças de energia quando comparados com os sistemas que produzem separadamente calor e frio. O sistema recupera calor das zonas frias para as zonas quentes o que não occorre com os outros 2 sistemas indicados nas tabelas. 4. Retorno do investimento O custo da instalação e da menutenção dependem fortemente do sistema. Um sistema VRV a 3 tubos é bastante mais caro que um sistema centralizado. Este extra custo inicial terá que ser compensado pelas poupanças resultantes duma redução dos consumos e dos gastos com a manutenção para o tornar economicamente aconselhável. O custo anual da manutenção influencia fortemente o resultado. Diferenças de 120 a 180 contos no valor deste parâmetro 2 e a alteração do tempo de vida da instalação num número reduzido de anos (ou seja variação do número de anos em que é considerada a 2 Ter em atenção que este valor está relacionado com as potências em análise, ou seja cerca de 25kW.
amortização) podem alterar a conlusão final, e portanto levar à indicação de que um ou outro sistema é o mais económico e o mais aconselhável. De acordo com /4/ o tempo médio de vida dos sistemas de climatização (desde os sistemas "split" aos sistemas de várias centenas de kw de frio) é de 13 anos. Para este tempo de vida os sistemas VRV são economicamente mais atractivos do que os sistemas centralizados (sem recuperação de calor), se a diferença entre os custos de manutenção for superior a 100 contos / ano, aproximadamente. Para os sistemas VRV a 2 ou a 3-tubos, o resultado depende também do número de anos considerado. Considerando a duração média de 13 anos, o sistema VRV a 3-tubos é o mais aconselhável em termos económicos. No entanto se for considerado um período de apenas 7 anos, o resultado é o oposto: o sistema VRV a 2-tubos é o aconselhável em termos económicos. Estas conclusões são válidas apenas se existirem condições de ocupação normais. Pelo que foi dito, e em termos gerais, se forem consideradas temperaturas interiores menores, ou maiores níveis de ocupação, se o sistema não estiver sobredimensionado, ou mais concretamente, se as cargas térmicas forem bastante constantes e que obriguem o sistema a funcionar sempre próximo das condições nominais, o sistema centralizado é a solução aconselhável em termos económicos. 5. Conclusões A escolha dum sistema VRV a 2-tubos, VRV a 3-tubos ou por um sistema centralizado deve ser efectuada com cuidado. Uma estimativa da eficiência anual e dos custos não deve ser efectuada sem conhecimento prévio do sistema que se pretende especificamente instalar, de quais as condições interiores efectivamente pretendidas e quais os níveis de ocupação / utilização que irão ter lugar. É sempre possível apresentar exemplos em que um dado sistema é o economicamente aconselhável, bastando para isso utilizar sobredimensionamento, tempos de retorno e temperaturas interiores adequadas ao caso em que se pretende provar que esse sistema é o mais aconselhável. Referências 1 - Regulamento das Características do Comportamento Térmico de Edifícios - DL 40/90 de 6 de Fevereiro 2- Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização de Edifícios - DL 118/98 de 7 de Maio 3 EN/NP 378: Sistemas frigoríficos e bombas de calor: requisitos ambientais e de segurança (2000) 4 - Determining the potential in energy and environmental effects reduction of air conditioning systems - SAVE PROJECT XVII/4.1031/Z/99-203, Interim report, IST (2001)