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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
i
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 20-20-20, 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.
ii
iii
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, CO2 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.
iv
v
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.
vi
vii
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 ..................................................................................................................................1
1.1. Enquadramento e motivação ...................................................................................................1
1.2. Revisão bibliográfica ...............................................................................................................3
1.3. Objetivo ....................................................................................................................................8
1.4. Organização ............................................................................................................................8
2. Modelação .........................................................................................................................................9
2.1. Modelação de edifícios ............................................................................................................9
2.2. Modelação de sistemas AVAC ............................................................................................. 10
2.3. Problemas na modelação de sistemas ................................................................................. 11
2.4. Comparação de programas de modelação .......................................................................... 13
3. Bombas de calor ........................................................................................................................... 16
4. Metodologia de estudo ................................................................................................................. 19
4.1. Descrição do HAP ................................................................................................................ 19
4.2. Aplicação de cálculo ............................................................................................................. 21
5. Descrição da instalação e aplicação do modelo ....................................................................... 25
6. Análise de resultados ................................................................................................................... 31
6.1. Resultados da simulação...................................................................................................... 31
6.2. Proposta de melhoria ............................................................................................................ 35
6.3. Validação da proposta .......................................................................................................... 37
7. Conclusões .................................................................................................................................... 41
8. Referências bibliográficas ........................................................................................................... 43
viii
9. Anexos
I. Ficha técnica da bomba de calor Carrier 30XWH-0254 ........................................................I
II. Orçamento ...........................................................................................................................III
ix
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 CO2. 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] ................................... 11
Figura 11 – Incerteza do modelo vs complexidade [13] ........................................................................ 12
Figura 12 – Comparação entre vinte programas de simulação quanto a capacidade de modelação de
sistemas AVAC, baseado na tabela 4 [14] ....................................................................... 15
Figura 13 – Representação teórica de um ciclo de compressão .......................................................... 16
Figura 14 – Representação teórica de um ciclo de absorção ............................................................... 16
Figura 15 – Variação do COP e do EER de uma BC ar-ar com a carga [7] ......................................... 17
Figura 16 – Variação do COP e do EER de uma BC ar-água com a carga [7] .................................... 17
Figura 17 – Variação do COP e do EER de uma BC água-água com a carga [7] ............................... 18
Figura 18 – Janela principal do HAP [3] ................................................................................................ 19
Figura 19 – Janela principal da aplicação de cálculo ............................................................................ 21
Figura 21 – Tabela 2 da aplicação para inserir os dados ..................................................................... 21
Figura 22 – Tabela de inserir dados do programa de cálculo ............................................................... 22
Figura 23 – Potência debitada pelas caldeiras ao longo do ano .......................................................... 23
Figura 24 – Planta representativa dos 2 pisos da fábrica ..................................................................... 25
Figura 25 – Caldeiras CSC CV5-5,4 ..................................................................................................... 25
Figura 26 – Chiller Trane RTAC 300 ..................................................................................................... 25
Figura 27 – Tabela de desempenho do chiller ...................................................................................... 26
x
Figura 28 – Exemplo horário funcionamento 2 turnos .......................................................................... 28
Figura 29 – Potência debitada pelos equipamentos da zona da compressão durante 95,3 horas ...... 29
Figura 30 – Horário de funcionamento dos equipamentos ................................................................... 30
Figura 31 – Consumo anual por componente ....................................................................................... 31
Figura 32 – Potência debitada pelas caldeiras ao longo do ano .......................................................... 31
Figura 33 – Energia consumida pelo chiller ao longo do ano ............................................................... 32
Figura 34 – Entrada e saída de energia nas caldeiras ......................................................................... 32
Figura 35 – Consumo anual desagregado por componentes ............................................................... 33
Figura 36 – Necessidades anuais de frio e calor .................................................................................. 34
Figura 37 – Representação do esquema de aquecimento e refrigeração proposto para a instalação 35
Figura 38 – Janela de cálculo da aplicação .......................................................................................... 37
Figura 39 – Tempo de poupança em que o chiller e caldeiras não estão em funcionamento ............ 38
xi
Índice de tabelas
Tabela 1 – Comparação de BPS’s segundo a sua capacidade de cálculo de cargas internas [14]..... 13
Tabela 2 – Comparação de BPS’s segundo a sua capacidade de cálculo de cargas externas [14].... 14
Tabela 3 – Comparação de BPS’s segundo a sua capacidade de cálculo infiltrações, ventilação e
caudais de ar em multi-zonas [14] .................................................................................... 14
Tabela 4 – Comparação de BPS’s segundo a sua capacidade de análise de sistemas e componentes
AVAC e sistemas de energia renovável [14] .................................................................... 14
Tabela 5 – Comparação de BPS’s segundo a sua capacidade de fazer avaliações económicas [14] 14
Tabela 6 – Análise da combustão nas caldeiras ................................................................................... 26
Tabela 7 – Valores de caudal e cargas térmicas por zonas ................................................................. 27
Tabela 8 – Valores de caudais por UTA ............................................................................................... 28
Tabela 9 – Valores de energia e potência reais da zona da produção ................................................. 29
Tabela 10 – Resumo das melhorias e custos anuais da implementação da BC Carrier 30XWH254 na
unidade industrial da Generis em Venda Nova ................................................................ 38
xii
Nomenclatura
Abreviaturas
CO2 – 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
xiii
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
cp – Calor específico
Q – Potência calorífrica
xiv
1
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.
Com o intuito de reduzir esta dependência dos combustíveis fosseis e devido à crescente
preocupação com o impacto das emissões de CO2, NOx 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].
Figura 1 – Consumo mundial de energia primária [1]
2
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].
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.
Figura 2 – Taxa de dependência energética externa [2]
3
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).
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.
Figura 3 – Evolução do número de ferramentas de simulação e optimização [4]
4
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 4265m2 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 pretende-
se 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]
5
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.
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 CO2 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 5 – Variação do consumo do chiller com a degradação
da sua eficiência [5]
Figura 6 – Configurações utilizadas no estudo [7]
6
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.
Em termos de emissões de CO2, 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.
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).
Figura 7 – Comparação das necessidades de energia primária [7]
Figura 8 – Comparação das emissões de CO2. Redução (%) é feita com base na comparação das
emissões da configuração tipo 1 [7]
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.
Figura 9 – Comparação dos custos de investimento, utilização e manutenção [7]
8
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 água-
água que transfira energia da linha de retorno de água refrigerada para o circuito de água quente.
1.4. 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.
9
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.
10
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.
11
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.
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.
Figura 10 – Custo e valor para o utilizador vs complexidade de um modelo [13]
12
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]
13
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.
2.4. 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]
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 5 – Comparação de BPS’s segundo a sua capacidade de fazer avaliações económicas [14]
Tabela 4 – Comparação de BPS’s segundo a sua capacidade de análise de sistemas e
componentes AVAC e sistemas de energia renovável [14]
15
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.
Sistema AVAC Capacidade de Discretização
Capacidade de Configuração
Figura 12 – Comparação entre vinte programas de simulação quanto a capacidade de
modelação de sistemas AVAC, baseado na tabela 4
16
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.
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
Figura 13 – Representação teórica de um ciclo frigorífico de compressão [15]
17
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]
18
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.
Figura 17 – Variação do COP e do EER de uma BC água-água com a carga [7]
19
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.
4.1. 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.
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].
Figura 18 – Janela principal do HAP [17]
20
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.
21
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.
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.
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.
Figura 20 – Tabela 1 da aplicação para inserir os dados
Figura 21 – Tabela 2 da aplicação para inserir os dados
22
Apresentando a imagem do programa de cálculo da BC:
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
Figura 22 – Tabela de inserir dados do programa de cálculo
23
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:
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 NFmáx 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)
Figura 23 – Potência cálculada das caldeiras ao longo do ano
24
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.
25
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 m2 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.
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.
Produção Embalagem LCQ Zonas não
climatizadas
SW Piso 0 Piso 1
Figura 24 – Planta representativa dos 2 pisos da fábrica
Figura 25 – Caldeiras CSC CV5-5,4 Figura 26 – Chiller Trane RTAC 300
26
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.
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.
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%.
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) 33 29 33
CO2 (%) 9,3 8,2 9,1
NO (ppm) 35 29 32
NOx (ppm) 36 30 33
Tabela 6 – Análise da combustão nas caldeiras
Figura 27 – Tabela de desempenho do chiller
27
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.
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.
Cargas Térmicas (kW)
Área (m2)
Número de funcionários
Caudal de ar novo
necessário (l/s)
Iluminação Equipamentos
elétricos
Funcionários
Sensível Latente
Produção 1108,6 12 16.668 37,4 105,3 1,1 1,4
Embalagem 973,3 17 9.847 28,8 83,5 1,9 2,9
LCQ 317,1 22 2.971 9,9 41,6 1,9 2,7
Tabela 7 – Valores de caudal e cargas térmicas por zonas
28
UTA Caudal insuflado (L/s)
UTA Produção 1 8.250
UTA Produção 2 5.860
UTA LCQ 2.940
UTA I+D 2.560
UTA Embalagem 7.170
UTA Balneários 641
27.421 (L/s)
Comparando este valor de caudal real de 27.421 L/s com o valor de caudal de projeto de
vemos que são muito parecidos com um erro de
apenas:
( )
(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
Tabela 8 – Valores de caudais por UTA
29
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:
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)
Produção
Compressão 3295,83 95,3 horas 34,58
Granulação 76,25 52,5 horas 1,45
Galénico 152,13 98,2 horas 1,55
Total 3524,21 246 horas 37,58
Com este valor total de Potência média real ( ) e sabendo que a zona da produção tem
equipamentos com 111,7 kW de Potência nominal (Pnominal), 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
Figura 29 – Potência debitada pelos equipamentos da zona da compressão durante 95,3 horas
Tabela 9 – Valores de energia e potência reais da zona da produção
30
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.
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.
Figura 30 – Horário de funcionamento dos equipamentos
31
6. Análise de Resultados
6.1. Resultados da simulação
Modelada e calibrada a instalação estamos em condições de fazer uma simulação do ano de
2013. 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).
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 31 – Consumo anual por componente
Figura 32 – Potência debitada pelas caldeiras ao longo do ano (repetida)
32
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 kWe.
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 33 – Energia consumida pelo chiller ao longo do ano
Figura 34 – Entrada e saída de energia nas caldeiras
33
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.
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.
Figura 35 – Consumo anual desagregado por componentes
34
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.
-
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
Jan Mar May Jul Sep Nov
kWh
Heating
Colling
Figura 36 – Necessidades anuais de frio e calor
35
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.
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.
Figura 37 – Representação do esquema de aquecimento e refrigeração proposto para a instalação.
T = 60°C
T = 7°C
Caldeiras
Chiller
Reservatório
Carga AQ.
Carga AR.
36
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.
37
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..
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).
Figura 38 – Janela de cálculo da aplicação
38
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.
Como pode ser visto na tabela, com um aumento de de
energia elétrica, poupa-se 849.953 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 CO2 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.
Poupanças
Caldeiras 849.953 kWh de gás natural
Chiller 120.527 kWh de energia elétrica
Redução de custos 39.727 Euros
Emissões CO2 equivalente
135 toneladas
Toneladas equivalentes de petróleo
63,74 tep
Consumo Bomba de calor 221.518 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
Figura 39 – Tempo de poupança em que o chiller e caldeiras não estão em
funcionamento
39
Numeração Descrição Símbolo Valor Unidade
1 Produção de água quente a partir de vapor
1.1 Energia útil necessária EuAQ 831.845 kWh
1.2 Rendimento médio das caldeiras r 92 %
1.3 Consumo de gás natural Egn 904.175 kWh
1.4 Custo de produção de água quente Cgn 54.381 €
2 Produção de água fria no Chiller
2.1 Energia útil necessária EuAR 1.355.952 kWh
2.2 EER Chiller EER 2,90 - 6,21 kWt/kWe
2.3 Consumo de energia eléctrica EeC 296.550 kWh
2.4 Custo de produção de água fria CeC 30.804 €
3 Produção de água quente com bomba de calor
3.1 Potência de aquecimento Pq 310.8 kW
3.2 Potência de arrefecimento Pc 230.6 kW
3.3 Eficiência da bomba de calor COP 3.53 kWt/kWe
3.4 Consumo de energia eléctrica EeBC 221.518 kWh
3.5 Custo de utilização da BC Ce 23.010 €
4 Balanço Energético
4.1 Redução do consumo de gás natural EcGN 849.953 kWh
4.2 Redução do consumo de electridade nos Chillers EeAQ 120.527 kWh
4.3 Aumento do consumo de energia eléctrica devido à BC EeAR 221.518 kWh
Preço médio da energia
Electricidade pEI 0,10387410 €/kWh
Gás Natural pGN 0,06014401 €/kWh
ECONOMIA ANUAL DE ENERGIA
Economia em ELECTRICIDADE Ece -100.991 kWh
Economia em GÁS NATURAL Ecgn 849.953 kWh
Economia em Giga Joules EcJ 2.696 GJ
Economia em kWh EckWh 748.962 kWh
Economia em Toneladas equivalentes de petróleo Ecp 63,74 tep
Economia em emissões de CO2 equivalente Ecc 134,69 ton CO2
Economia total em Euros RedOPEX 39.727 €
PERÍODO DE RETORNO SIMPLES
Investimento I 65.550 €
Período de retorno do investimento PRS 1.65 anos
40
41
7. Conclusões
Durante o desenvolvimento da presente dissertação foram sendo tiradas conclusões
importantes no âmbito do tema da eficiência energética, não só devido ao estudo desenvolvido em si,
mas também ao longo da abordagem teórica que foi realizada como preparação para o mesmo.
Foi visto que a melhoria do uso da energia a nível global urge e concluído e demonstrado que
o investimento e implementação de novas tecnologias que combatam este défice mundial são, sem
dúvida, uma prioridade.
Estudou-se e salientou-se a mais valia do uso de programas de modelação e simulação com
vista a encarar este problema de forma eficaz e competente e concluiu-se que estes programas,
quando devidamente aceites pela indústria, darão um empurrão significativo no estudo e integração
de projetos de melhoria economico-energética.
Tendo como base este pensamento, foi modelada, tão precisa quanto possível, a unidade
industrial da empresa Generis em Venda Nova e os resultados obtidos permitiram constatar que 68%
da energia era utilizada em climatização, isto é, pelo sistema AVAC e que 32% da mesma era apenas
na queima de gás natural para aquecimento. Portanto, ter-se-ia um grande potencial de melhoria com
a implementação de uma bomba de calor.
Foi feita uma ligeira abordagem teórica a este tipo de tecnologia e realmente verificou-se que
acarreta grandes vantagens comparativamente aos sistemas mais usuais que integram apenas
caldeiras e chillers.
Com a aplicação programada com a qual se efetuaram todos os cálculos relativos à
implementação da bomba de calor, foram obtidos valores bastante promissores e concluiu-se que
efetivamente era possível a integração do equipamento na instalação e que este originaria poupanças
anuais na ordem dos 40 mil euros.
Por último, foi verificado, tal como expetável, que se conseguiria que as caldeiras estivessem
paradas cerca de 74% do ano e que o consumo de energia elétrica como alternativa ao gás natural
originaria não só poupanças económicas e energéticas, como também uma grande diminuição de
emissões de CO2 equivalente.
42
43
8. Referências bibliográficas
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[2] DGEG, “Caracterização Energética Nacional”, 2011.
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[15] Moran J., Shapiro N.M, Fundamentals of engineering thermodynamics, 5th ed., 2006.
[16] Jiyoung Kim, Seong-Ryong Park, Young-Jin Baik, Ki-Chang Chang, Ho-Sang Ra, Minsung Kim,
Yongchan Kim, Renewable Energy, Volume 54, June 2013, Pages 13-19.
[17] Carrier Corporation, Software Systems Network, HAP Quick Reference Guide, last revision 2012.
[18] Trane, Multiple-Chiller-System Design and Control, 2001
9. Anexos
I
I. Ficha técnica da bomba de calor Carrier 30XWH-0254
II
III
II. Orçamento
Obra: GENERIS® Farmacêutica, SA.
Edifício: Unidade fabril de Venda Nova.
Medida: Bomba de Calor como medida de aumento da eficiência energética (sistema AVAC).
CÁLCULO DO CUSTO DE IMPLEMENTAÇÃO DA MEDIDA:
Num. Descrição Quant. P. unitário P. total Sub total
1. Material 63.250 €
Bomba de calor Carrier 30XWH254 1 38.000 € 38.000 €
Tubagens e acessórios* 1 14.500 € 14.500 €
Comando e controlo 1 5.000 € 5.000 €
Imprevistos (10%) 1 5.750 € 5.750 €
2. Mão de Obra 2.300 €
Horas de Engenheiro 24 50,00 € 1.200 €
Horas de técnico 44 20,00 € 880 €
Horas de encarregado 10,00 € - €
Horas de ajudante 44 5,00 € 220 €
3. Preço de venda 65.550 €
CUSTO DE IMPLEMENTAÇÃO DA MEDIDA 65.550 €
*Nomeadamente válvulas de seccionamento e filtros em Y.
Nota: Os valores do material e da mão de obra, à exceção do valor da bomba de calor que foi
fornecido pela Carrier, foram retirados de orçamentos já existentes feitos pela empresa ACet, cortesia
do Eng. João Cardoso.