anÁlise do uso de conversor de frequÊncia na …

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL

ANÁLISE DO USO DE CONVERSOR DE FREQUÊNCIA NA VENTILAÇÃO FORÇADA DE SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO VISANDO À

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

ANDRÉ LUIZ AMORIM DA FONSECA

PROF. DR. JOSÉ ANTONIO LAMBERT

Cuiabá, MT, Fevereiro de 2012

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL

ANÁLISE DO USO DE CONVERSOR DE FREQUÊNCIA NA VENTILAÇÃO FORÇADA DE SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO VISANDO À

EFICIÊNCIA ENERGÉTICA

ANDRÉ LUIZ AMORIM DA FONSECA

Dissertação apresentada junto ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental da Universidade Federal de Mato Grosso, como requisito para obtenção do título de Mestre.

PROF. DR. JOSÉ ANTONIO LAMBERT

Cuiabá, MT, Fevereiro de 2012

F676a

Fonseca, André Luiz Amorim da.

Análise do Uso de Conversor de Frequência na Ventilação

Forçada de Sistemas de Resfriamento Evaporativo Visando à

Eficiência Energética./ André Luiz Amorim da Fonseca.

Cuiabá: UFMT, 2012.

144 fls..

DEDICATÓRIA

Em primeiro a Deus pela vida e oportunidade de crescer, ao meu querido pai, Jan, também Eng. Eletricista, sendo este a fonte de conhecimento que inspira meus estudos e a minha querida mãe, Dorinha, que sempre me incentivou para dar o meu melhor em tudo o que fiz na vida. Em memória do meu avô materno Virgilio Pinto de Amorim, um exemplo a ser seguido.

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. José Antonio Lambert, pai adotivo dentro da Universidade Federal de Mato Grosso, pela palavra certa no certo momento, pelo seu esforço excessivo em obter o melhor resultado, pela sua amizade sincera e contribuição direta neste trabalho e também como coordenador do programa durante sua gestão.

A Prof. Dra. Marta Cristina de Jesus Albuquerque Nogueira por seu auxilio e disponibilidade para dúvidas, sempre com muito carinho, e disponibilização de equipamentos para a pesquisa.

Ao Prof. Dr. Mário Kiyoshi Kawaphara por sua ajuda no esclarecimento das minhas dúvidas, por seus conselhos oportunos e por sua tremenda sabedoria.

Aos professores doutores José Antonio Lambert, Marta Cristina de Jesus Albuquerque Nogueira e Douglas Queiroz Brandão pelo grande empenho dedicado à realização deste curso.

Aos bolsistas do Programa de Pesquisa do Departamento de Engenharia Elétrica: Cleverson Sousa Camargo pelo auxilio nas medições, à Luciana Oliveira da Silva pelo auxilio nas simulações e ao Fernando Novelo na elaboração de artigo em laboratório.

À Federação Espírita do Estado de Mato Grosso, pelo auxilio quanto a disponibilidade e autorização ao uso do ambiente de pesquisa.

Ao amigo, acadêmico de pós-graduação da Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), Marcus Sollyvan Martins Alves pela ajuda oferecida na elaboração de programas adequados para os gráficos e apoio no aconselhamento e sugestões.

Ao colega de mestrado e amigo Luiz Annunciação por ter sido o veterano ao oferecer maior apoio direto tanto nas disciplinas quanto pela oportunidade de contribuição em seu trabalho.

À minha querida namorada Priscila, que me ajudou e incentivou em diversos momentos para a elaboração deste trabalho.

À CAPES que proporcionou a bolsa de estudos de mestrado, sem a qual a dedicação exclusiva ao desenvolvimento do trabalho não seria possível.

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ............................................................................. I LISTA DE TABELAS ........................................................................... V RESUMO ............................................................................................... VI ABSTRACT ......................................................................................... VII 1 INTRODUÇÃO ................................................................................. 1

1.1 JUSTIFICATIVA DA PESQUISA ................................................................... 3 1.2 ESTADO DA ARTE ......................................................................................... 4 1.3 DELIMITAÇÃO DO TEMA ............................................................................. 7 1.4 CONTRIBUIÇÃO DESTA PESQUISA ........................................................... 7 1.5 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ................................................................ 8

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................... 10 2.1 MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO, COM ROTOR EM GAIOLA DE

ESQUILO, ACIONADO POR CONVERSOR DE FREQUÊNCIA .............. 10 2.1.1 Caracteristicas do Motor de Indução Trifásico com Rotor em Gaiola de

Esquilo ..................................................................................................... 10 2.1.2 Caracteristicas do Conversor de Frequência ............................................ 13 2.1.3 Conversor de Frequência Acionando o Motor de Indução. ..................... 15

2.2 SISTEMAS DE VENTILAÇÃO E RESFRIAMENTO EVAPORATIVO ..... 20 2.2.1 Sistemas de Ventilação Forçada .............................................................. 20 2.2.2 Sistemas de Resfriamento Evaporativo ................................................... 24 2.2.3 Modelagem Matemática do Sistema Evaporativo Direto de Painel ...... 28 2.2.4 Aplicação de Sistemas de Resfriamento Evaporativo no Brasil e no

Mundo ...................................................................................................... 30 2.2.5 Uso de Conversor de Frequência na Ventilação Forçada de Sistemas de

Resfriamento Evaporativo ....................................................................... 33

2.3 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E CONFORTO TÉRMICO SIMPLIFICADO PARA SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO ........................ 35

2.3.1 Perfil da Geração de Energia Hidrelétrica e sua Sazonalidade ................ 35 2.3.2 Eficiência Energética em Exaustores, Ventiladores e Sistemas de Ar

Condicionado ........................................................................................... 37 2.3.3 Uso de Dispositivos de Automação e Controle em Interface com

Conversores de Frequência ...................................................................... 39 2.3.4 Aspectos Simplificados de Conforto Térmico para Sistemas de

Resfriamento Evaporativo ....................................................................... 40 2.3.5 O Software Energy Plus ........................................................................... 42

3 MATERIAIS E MÉTODOS .......................................................... 44 3.1 MEDIÇÕES EM CAMPO DO SISTEMA DE RESFRIAMENTO

EVAPORATIVO COM VENTILAÇÃO FORÇADA ACIONADA POR CONVERSOR DE FREQUÊNCIA ................................................................. 44

3.1.1 Características do Local de Medição ............................................................... 44 3.1.2 Caracterização do SRE Acionado por Conversor de Frequência..................... 46 3.1.3 Materiais Utilizados na Medição ..................................................................... 50 3.1.4 Metodologia das Medições .............................................................................. 52 3.1.5 Equacionamento Proposto para Análise .......................................................... 60

3.2 SIMULAÇÃO COM SOFTWARE ENERGY PLUS ........................................ 62 3.2.1 Comparação entre SRE e Condicionador de Ar .............................................. 63 3.2.2 Adequação do Galpão para Uso de Condicionador de Ar .............................. 65 3.2.3 Galpão Simulado no Software Energy Plus ................................................... 65 3.2.4 Alternativas Comparativas Propostas ........................................................... 66

4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS ............. 69 4.1 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS ........ 69

4.1.1 Comparativo de Potência Elétrica Ativa ......................................................... 69 4.1.2 Desempenho da Envoltória ............................................................................. 71 4.1.3 Análise de Temperatura e Umidade ................................................................ 72 4.1.4 Análise Simplificada de Conforto Térmico .................................................... 79 4.1.5 Consumo de Água do SRE. ............................................................................. 85 4.1.6 Velocidade do Ar na Saída do SRE ................................................................ 86 4.1.7 Dados da Medição em Campo do SRE com Ventilação Acionada por Conversor de Frequência............................................................................................ 87 4.1.8 Efetividade do Sistema ................................................................................... 90 4.1.9 Eficiência Termo-Higro-Energética e Programação Horária ......................... 93 4.1.10 Carga Térmica do Ambiente e Dimensionamento ....................................... 100 4.1.11 Curva de Temperatura e Umidade Versus Frequência e Automação por

Sensores ........................................................................................................ 103 4.1.12 Energia Elétrica dos Sistemas de Climatização ........................................... 109 4.1.13 Comparativo de Estratégias de Uso Misto ................................................... 111 4.1.14 Considerações Finais .................................................................................... 115

5 CONCLUSÕES ............................................................................. 116 5.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................. 117 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................... 119 6.1 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CITADAS ..................................... 119 6.2 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CONSULTADAS .......................... 128

i

LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Diagrama simplificado de um conversor de frequência. ....................................... 14

Figura 2 - Potência útil do motor de indução em função da frequência de acionamento. ..... 16

Figura 3 - Rendimento de motor de indução trifásico 75CV para várias frequências de acionamento e diferentes níveis de carga .......................................................... 18

Figura 4 - Rendimento de motor de indução trifásico 15CV para várias frequências de acionamento e diferentes níveis de carga .......................................................... 18

Figura 5 - Principais tipos de ventiladores. ............................................................................ 21

Figura 6 - Variação linear do torque e cúbica da potência. .................................................... 22

Figura 7 - Variação da vazão (Válvula versus Controle de velocidade). ............................... 23

Figura 8 - Carta psicrométrica e vetores de resfriamento evaporativo.. ................................ 25

Figura 9 - Funcionamento e principais componentes de sistemas de resfriamento evaporativo tipo painel ...................................................................................... 26

Figura 10 - Instalação em descarga direta no ambiente. ........................................................ 27

Figura 11 - Esquema de transformador de potência com óleo resfriado evaporativamente.. 31

Figura 12 - Potencial de aplicação do resfriamento evaporativo no Brasil. ........................... 33

Figura 13 - Variação da Efetividade com aumento de velocidade. ........................................ 34

Figura 14 - Fontes primárias para geração de energia elétrica no Brasil. .............................. 36

Figura 15 - Consumo de energia elétrica no Brasil por setores.. ........................................... 38

Figura 16 - Consumo de energia elétrica no setor industrial no Brasil. ................................. 39

Figura 17 - Diagrama de conforto térmico humano. .............................................................. 41

Figura 18 - Localização da edificação em estudo.. ................................................................ 45

Figura 19 – Detalhes dos exaustores eólicos.. ....................................................................... 46

Figura 20 - Dimensões do resfriador evaporativo Bb100 Munters. ....................................... 47

Figura 21 – Dimensões dos ventiladores EM30. ................................................................... 49

Figura 22 - Equipamentos utilizados na medição de temperatura, umidade e velocidade do ar ........................................................................................................................ 51

Figura 23 - Equipamentos utilizados na medição de energia elétrica e consumo de água..... 52

ii

Figura 24 - Galpão e pontos de instalação de equipamentos..................................................53

Figura 25 - Legenda dos pontos do galpão............. ............................................................... 53

Figura 26 – Detalhes da localização de medidores climáticos............. .................................. 55

Figura 27 - Esquema Elétrico de conexão dos medidores de energia SAGA 3000 no quadro de força e comando do SRE.. ............................................................................ 57

Figura 28 - Detalhes de instalação de medidores de energia elétrica..................................... 58

Figura 29 - Detalhes de instalação do hidrômetro. ................................................................ 59

Figura 30 - Funcionamento do compressor de ar condicionado automatizado. ..................... 64

Figura 31 – Parte interna do galpão: Simulação versus Campo. ............................................ 66

Figura 32 - Comparativo de alternativas de uso misto ao longo do ano. ............................... 67

Figura 33 - Potência elétrica ativa ao longo de cada dia na mesma frequência de acionamento ....................................................................................................... 70

Figura 34 - Redução de potência ativa apenas nos ventiladores e no sistema como um todo em relação ao acionamento direto. ............................................................ 71

Figura 35 - Temperatura externa e interna com o SRE desligado. ........................................ 72

Figura 36 - Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do SRE com ventilador acionado a 25Hz. ...................................................................... 73








iii

Figura 44 - Extremos internos e externos de temperatura para cada frequência de acionamento ....................................................................................................... 77

Figura 45 - Extremos de umidade relativa externa e de aumento de umidade relativa para cada frequência de acionamento ........................................................................ 77

Figura 46 – Influência mútua de temperatura e umidade relativa. ......................................... 78

Figura 47 - Máximas reduções de temperatura e frequências responsáveis .......................... 79

Figura 48 - Diagrama do conforto térmico de dados externos com SRE desligado. ............. 80

Figura 49 - Diagrama do conforto térmico de dados internos com SRE desligado. .............. 80

Figura 50 - Diagrama do conforto térmico de dados externos com SRE a 25Hz. ................. 81

Figura 51 - Diagrama do conforto térmico de dados internos com SRE a 25Hz.. ................. 81


Figura 53 - Diagrama do conforto térmico de dados internos com SRE a 30Hz. .................. 81



Figura 56 - Diagrama do conforto térmico de dados externos com SRE a 40Hz .................. 82

Figura 57 - Diagrama do conforto térmico de dados internos com SRE a 40Hz.. ................. 82







Figura 64 - Diagrama do conforto térmico de dados externos com SRE a 60Hz.. ................ 83

Figura 65 - Diagrama do conforto térmico de dados internos com SRE a 60Hz ................... 83

Figura 66 - Consumo de água em um painel evaporativo para cada frequência de acionamento ....................................................................................................... 85

Figura 67 – Velocidade média do ar de saída do SRE para cada frequência de acionamento. ...................................................................................................... 86

Figura 68 - Relação da velocidade do vento com a efetividade do sistema. .......................... 87

iv

Figura 69 - Efetividade mínima, média e máxima calculada para cada frequência. .............. 92

Figura 70 - Comportamento da efetividade para cada frequência ao longo de um dia. ......... 93

Figura 71 - Comportamento horário da temperatura interna e os limites de conforto. .......... 95

Figura 72 - Comportamento horário da umidade relativa interna e os limites de conforto. .. 97

Figura 73 - Comportamento horário de eficiência Termo-Higro-Energética. ....................... 99

Figura 74 - Obtenção de temperatura de bulbo seco de saída do painel. ............................. 102

Figura 75 - Ajuste de potência ativa (W) por frequência de acionamento (Hz). ................. 104

Figura 76 - Ajuste de frequência de acionamento por temperatura externa. ........................ 106

Figura 77 - Ajuste de frequência de acionamento por umidade relativa externa. ................ 108

Figura 78 - Comportamento da potência elétrica ativa com uso misto de sensores. ............ 109

Figura 79 - Comportamento mensal do consumo de energia elétrica. ................................. 110

Figura 80 - Comportamento mensal da demanda máxima de energia elétrica . .................. 111

Figura 81 - Comparativo de demandas mensais entre estratégias de climatização. ............. 112

Figura 82 - Comparativo de demanda entre estratégias de uso do conversor de frequência no SRE .................................................................................................................... 113

Figura 83 - Economia anual de energia elétrica com uso de sistemas mistos com SRE em

relação ao uso do condicionador de ar ao longo de todo o ano ....................... 114

v

LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Dados dos resfriadores evaporativos. ................................................................... 47

Tabela 2 - Dados do motor de indução do ventilador. ........................................................... 48

Tabela 3 - Dados do motor de indução da bomba d’água. ..................................................... 48

Tabela 4 - Dados da bomba d’água. ....................................................................................... 48

Tabela 5 – Ventilador do painel evaporativo ......................................................................... 49

Tabela 6 - Dados do conversor de frequência. ....................................................................... 50

Tabela 7 - Dias de medição (2011). ....................................................................................... 56

Tabela 8 - Dados de temperatura e umidade relativa ............................................................. 88

Tabela 9 - Dados de energia elétrica, água e velocidade do vento......................................... 89

Tabela 10 - Estatística descritiva de temperatura e umidade relativa .................................... 90

Tabela 11 - Garantia de manutenção da temperatura abaixo de 32 °C .................................. 96

Tabela 12 - Garantia de manutenção da umidade relativa (%) acima de 40% ....................... 97

Tabela 13 - Constantes da expressão da Eficiência Termo-Higro-Energética ....................... 98

Tabela 14 - Frequências acionadas nos períodos e respectivas potências ativas médias ..... 100

Tabela 15 - Características dos materiais utilizados na simulação de carga térmica ........... 101

Tabela 16 - Valores obtidos a partir da análise de temperatura externa .............................. 105

Tabela 17 - Construção do gráfico para sensor de temperatura ........................................... 105

Tabela 18 - Valores obtidos a partir da análise de umidade relativa externa ....................... 107

Tabela 19 - Construção do gráfico para sensor de umidade relativa ................................... 107

Tabela 20 - Características dos materiais utilizados na simulação de carga térmica ........... 110

vi

RESUMO FONSECA, A. L. A. ANÁLISE DO USO DE CONVERSOR DE FREQUÊNCIA NA VENTILAÇÃO FORÇADA DE SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO VISANDO A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA. 2012. 144fls. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Edificações e Ambiental), Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia, Universidade Federal de Mato Grosso, Cuiabá, 2012. Esta dissertação tem como objetivo geral analisar o uso de conversores de

frequência que acionam a máquina de indução acoplada à ventilação forçada de um

sistema de resfriamento evaporativo do tipo direto. Compara o uso do conversor de

frequência e do sistema na partida direta, para verificar a eficiência elétrica do

sistema. Uma vez que a própria estrutura tarifária no período seco possui influência

direta na característica da matriz de geração de energia hidrelétrica e de sua

sazonalidade, que diminui seu potencial substancialmente durante este período, o uso

de sistemas de resfriamento evaporativo adiabático se torna energeticamente mais

eficiente que os condicionadores de ar nesse período, além de poder proporcionar

melhoria no conforto térmico. Variando a velocidade de rotação do ventilador com o

conversor de frequência, este tipo de sistema tem sua eficiência aumentada. A análise

do conjunto é efetuada observando também a influência efetiva na temperatura e

umidade relativa do ambiente. Os dados foram coletados em campo, em galpão

adequado com 3 sistemas de resfriamento evaporativo. A partir dos resultados

obtidos estratégias ou alternativas de automatização do sistema com uso de

programador horário e sensores são simuladas e comparadas em conjunto com o

condicionador de ar (simulado em Energy Plus) em sistemas sazonais mistos, com o

uso do resfriamento evaporativo no período seco e do condicionador de ar no período

úmido do ano.

Palavras-chave: Variador eletrônico de velocidade, Consumo de Energia, Painéis evaporativos.

vii

ABSTRACT FONSECA, A. L. A. ANALYSIS OF THE USE OF FREQUENCY CONVERTER FOR FORCED VENTILATION OF EVAPORATIVE COOLING SYSTEM IMPROVING ENERGY EFFICIENCY. 2012. 144p. Dissertation (Master in Building Engineering and Environmental), Faculty of Architecture, Engineering and Technology, Federal University of Mato Grosso, Cuiabá, 2010.

This dissertation is meant to examine the use of frequency converters that

trigger a induction machine coupled with a forced ventilation system of the direct

evaporative cooller. It compares the use of the drive and start directly in the system

to verify the electrical efficiency of the system. Once the tariff structure itself during

the dry period has a direct influence of the characteristic matrix of hydroelectric

power generation and seasonality, which decreases its potential substantially during

this period, the use of adiabatic evaporative cooling systems becomes more energy

efficient than air conditioners during this period, and can provide improved thermal

comfort. By varying the rotation speed of the fan with the drive this type of system

has increased its efficiency. The analysis of the set is also made by observing the

influence on the effective temperature and relative humidity. Data were collected in

the field, shed with 3 adequate evaporative cooling systems. The results obtained

from alternative strategies or automation system with the use of programmer time

and sensors are simulated and compared together with the air conditioner (simulated

in Energy Plus) in seasonal mixed systems, with the use of evaporative cooling in

dry and air conditioner in wet period of the year.

Keywords: Variable speed device, Energy Consumption, Evaporative panels.

1

1 INTRODUÇÃO

Atualmente tanto no setor industrial, comercial e residencial brasileiro a

utilização de sistemas de condicionadores de ar tem ocupado um lugar de destaque

pela alta amplitude de seu impacto tanto na demanda, quanto no consumo de energia

elétrica. No período seco do ano sendo a matriz de energia elétrica nacional

proveniente de fonte hidráulica em 76,9 % de acordo com o Balanço Energético

Nacional (2010) e apresentar uma baixa na geração neste período, o uso de sistemas

de resfriamento evaporativo como alternativo a sistemas de condicionador de ar se

torna interessante. Este tipo de sistema, que utiliza a evaporação da água no ar, é

mais eficiente no clima quente e seco e, consome pequena parcela da energia elétrica

necessária em relação a um sistema de condicionador de ar para proporcionar

conforto térmico adequado.

Posteriormente à crise energética nacional de 2001, a administração pública

vem adotando medidas para aumentar a eficiência energética nos setores de geração,

produção e consumo de energia elétrica. Todo este processo envolve desde os

fabricantes de equipamentos, que procuram produzir seus produtos com maior

eficiência, adquirindo qualificação adequada de órgãos competentes, assim como, os

produtores e distribuidores de energia elétrica e até mesmo consumidores finais

utilizam diversas medidas para racionalizar o uso da energia elétrica.

O poder legislativo também atuou no processo de aumento da eficiência

energética através de diversas leis, tais como a 10.295/2001 em que estabelece níveis

máximos de consumo de equipamentos de energia elétrica, divididos em grupos

específicos, ou através de valores mínimos de eficiência. A Lei 9.991/2000 que trata

dos investimentos que devem ser feitos pelas concessionárias em pesquisa e

desenvolvimento, assim como, em eficiência energética, também figura neste

cenário. No entanto, a eficiência energética é vantagem para as concessionárias, uma

vez que tal ação disponibiliza o aumento do número de consumidores sem grandes

necessidades de reforma no sistema de distribuição.

Estudos em todo o mundo comprovam a maximização da eficiência através

do uso de conversores de frequência que reduzem notadamente o consumo de

energia elétrica quando se torna necessária a variação da velocidade das máquinas

2

mecânicas acionadas por motores elétricos de indução, que por serem mais robustos

e baratos dominam o mercado de máquinas elétricas.

No Brasil o setor industrial consome cerca de 43,7% da energia elétrica

nacional e destes 49% tratam-se de sistemas motrizes de acordo com o Balanço

Energético Nacional (2010). O restante do consumo da energia é distribuído entre os

setores residencial, comercial e público e o uso de sistemas de resfriamento

evaporativo pode ser aplicado a todos estes setores no período seco do ano e também

no setor industrial, sendo com ou sem uso de conversores de frequência na ventilação

forçada.

No estado de Mato Grosso a atividade econômica predominante possui

caráter agropecuário. Na atividade pecuária sistemas de resfriamento evaporativo são

utilizados para manutenção de temperatura do ambiente aumentando a produção.

Para a atividade agrícola se faz necessário o armazenamento de grãos e para isto se

utiliza sistemas de ventilação e exaustão para controle de umidade.

O enfoque desta pesquisa é a análise do uso do conversor de frequência na

ventilação forçada de sistemas de resfriamento evaporativo e em sua viabilidade em

comparação a partida direta e aos condicionadores de ar. O beneficio em utilizar

estes sistemas no período seco do ano, onde o mesmo apresenta maior eficiência de

resfriamento é analisado, com o uso de condicionadores de ar no restante do ano, no

estado de Mato Grosso, mas especificamente na cidade de Cuiabá, em um galpão no

bairro Morada do Ouro, onde problemas de alta temperatura e baixa umidade no

período seco ocasionam desconforto térmico. A partir da metodologia e

equacionamento apresentados sistemas semelhantes poderão ser avaliados em outras

edificações existentes.

Subsídios para a automação de sistemas de resfriamento evaporativo

semelhantes ao utilizado nesta pesquisa são fornecidos, comparando estratégias de

automação quanto à eficiência energética.

Este estudo leva em conta além da eficiência energética as alterações nas

variáveis térmicas do ambiente em estudo, não verificando apenas a vazão e a carga

instalada no ventilador, mas também focando principalmente a redução da potência

ativa e nas alterações de temperatura e umidade do ambiente interno.

3

1.1 JUSTIFICATIVA DA PESQUISA

O estudo comparativo entre sistemas de resfriamento evaporativo e

condicionadores de ar é relativamente novo. Entretanto, as vantagens do uso dos

sistemas de resfriamento evaporativo tanto na eficiência energética, quanto no

aumento da umidade do ar no período seco foram evidenciados. Espera-se ainda que

a eficiência energética possa ser maximizada com o uso de conversores de frequência

e dispositivos de automação e controle, tais como, programadores horários e sensores

de temperatura e umidade, para controlar a frequência de acionamento na ventilação

forçada dos sistemas em estudo.

Sabe-se que, a temperatura interna de uma edificação varia ao longo do dia e

pode não necessitar de maiores velocidades do ventilador nos períodos de

temperatura mais baixa, no inicio do dia e fim de tarde, e aproveitando essas

variações entraria o uso da automação no processo.

Acionar motores elétricos de indução através conversores de frequência é

uma alternativa amplamente usada. No entanto, nesta pesquisa, observam-se também

variáveis climáticas como temperatura e umidade, além das variáveis usuais, tais

como potência ativa, vazão e pressão. Portanto, o presente trabalho apresenta nova

metodologia de análise em uma aplicação especifica deste equipamento eletrônico,

mais precisamente em sistemas de resfriamento evaporativo. Assim sendo, percebe-

se que os fabricantes, vendedores e consumidores em geral, têm aplicado no Brasil,

conversores de frequência na ventilação forçada desses sistemas, sem que um estudo

específico para analisar a viabilidade de seu uso e a análise comportamental das

variáveis envolvidas no processo. Os fabricantes melhoram a eficiência desses

sistemas através dos materiais utilizados no filtro, com adequada escolha do tipo do

rotor do ventilador, assim como do sistema de aspersão de água e por fim, com o

intuito de tornar o sistema eficiente e automatizado utilizando o conversor de

frequência, graças ao sucesso obtido na eficiência de sistemas de ventilação e

exaustão isolados.

Esta pesquisa possui o objetivo geral de quantificar a eficiência energética e

efetuar a análise de sua maximização em sistemas de resfriamento evaporativo

através do uso de conversores de frequência, observando as alterações em variáveis

4

energéticas, assim como, nas variáveis elétricas de demanda e consumo de energia

elétrica ativa, sugerindo a utilização deste em substituição ao condicionador de ar

durante o período seco do ano em instalações adequadas para alívio da geração no

período seco onde a geração de energia de fonte hidráulica sofre queda considerável

em seu potencial.

1.2 ESTADO DA ARTE

De acordo com Camargo (2009) a busca pelo resfriamento e por condições

adequadas de temperatura datam desde a pré-história da humanidade. Os efeitos do

resfriamento evaporativo são observados próximos a cachoeiras, onde ocorre o

processo de resfriamento do ar pela passagem do vento e evaporação da água. Desde

aproximadamente a 2500 A.C. no antigo Egito, onde foram registrados em afrescos

desenhos de escravos utilizando jarras de água para resfriar os cômodos da realeza.

No mesmo local também foram utilizados métodos de resfriamento evaporativo,

como o uso de potes porosos contendo água, piscinas e rampas com lâminas d’água,

tudo com o objetivo de tornar a temperatura interna mais agradável.

De registro, o primeiro mecanismo de resfriamento evaporativo foi construído

por Leonardo da Vinci (1452-1519). Em um sistema compostos por uma roda d’água

oca, com uma passagem de ar com a finalidade de guiar o ar resfriado, o efeito da

evaporação da água no ar em movimento era obtido com a movimentação da roda.

Roberto Boyle (1627-1691) desenvolveu a Lei de Boyle em que se a

temperatura do gás seco for constante, então seu volume varia inversamente à

pressão exercida nele. No século XVIII Bernoulli, Pitot, Euller, Chezy entre outros,

desenvolveram a fluidodinâmica através do uso da física-matemática. Diversos

outros cientistas colaboraram para o desenvolvimento da Psicrometria, que constitui

a ciência que estuda as características e as propriedades do ar, e culminou com o

desenvolvimento das cartas Psicrométricas por William Carrier (1876-1950).

A manipulação dos fluídos estudados na ciência trouxeram uma imensa

evolução na construção de ventiladores industriais que atualmente vêm sendo

instalados com acionamento por conversor de frequência, porém experimentos que

comprovam a eficiência energética já vêm sendo feitos há algum tempo. Rozner et al.

5

(1985) demonstram a aplicação de conversores de frequência para ventilação e

bombeamento de água calculando um tempo de retorno de investimento de 2,8 anos

na substituição do sistema de controle de vazão via válvula por sistema de

acionamento de frequência variável naquela época.

Um comparativo de métodos de controle de vazão numa torre de

resfriamento, cuja ventilação é composta por quatro ventiladores de 200HP cada um,

foi executado por Cassidy e Stack (1988). Verificou-se que o controle através do uso

de componente eletrônico se mostrou como melhor alternativa em face ao uso do

damper obtendo economia anual de 83% em comparação ao consumo dos

ventiladores funcionando à plena carga. Encontrava-se, então, o uso do conversor de

frequência em um sistema de resfriamento evaporativo, uma vez que as torres de

resfriamento fazem uso da evaporação da água no vento para resfriar.

Graff e Weiss (1991) mostram a utilização de acionador eletrônico para

controlar a velocidade de um ventilador de 8000HP, em Minessota, Estados Unidos,

mais especificamente em uma usina geradora de eletricidade. O controle de vazão

tradicional através de válvula de estrangulamento tipo damper foi substituído por

dispositivo eletrônico devido ao alto nível de ruído na região que trazia incômodos à

comunidade.

De forma semelhante Oliver et al. (1992) mostram a redução de potência de

cada ventilador cujo controle de vazão era obtido via válvula de estrangulamento tipo

damper de 3000HP para 250HP estimando uma economia anual superior a 1,5

milhões de dólares.

A preocupação com as consequências da variação da velocidade do vento em

um sistema de resfriamento evaporativo, com outros parâmetros controláveis e em

forma de túnel de vento é apresentado por Liao e Chiu (2001). Neste sistema se faz

utilização do conversor de frequência para variar a velocidade do ar. Os resultados

demonstram que o aumento da velocidade pode resultar em diminuição da eficiência

de redução de temperatura a partir de determinada velocidade e este efeito se torna

mais evidente no filtro de espessura fina de esponja de PVC.

Resultados semelhantes foram obtidos por Castro e Pimenta (2004) que

demonstram modelagem matemática e simulação de sistemas de painéis evaporativos

6

diretos, comparando curvas experimentais fornecidas por fabricantes com as

estimativas dadas pelo modelo matemático e obtendo êxito neste aspecto.

Massiero (2006) já avança nesses estudos efetuando comparativo entre um

sistema de resfriamento evaporativo e um sistema de condicionador de ar tradicional

em células teste idênticas levantando as vantagens e desvantagens no uso da primeira

alternativa.

Em vista do crescente uso de sistemas de resfriamento evaporativo no Brasil,

tanto em pesquisas, quanto em aplicações Carossi (2006) desenvolve um estudo do

potencial de aplicação destes sistemas em território nacional através de mapas

climáticos e modelos matemáticos. Regionaliza cada estado do país e indicando os

meses do ano em que o uso de tais sistemas se torna mais atraente por proporcionar

condições climáticas dentro de parâmetros adequados de conforto térmico.

O controle da velocidade do ar é tratado na dissertação de Moreira (2006)

com o uso de conversores de frequência em ventilador industrial com o intuito de

obter uso racional de energia elétrica comparando com o uso de válvula damper para

efetuar controle de vazão, concluindo que ocorre economia de potência ativa de até

80%.

Com esta e outras alternativas e técnicas de controle de pluma incorporadas

em torres de resfriamento a fim de maximizar a eficiência energética, Wang e Xu

(2008) efetuam simulações em software TNRSYS. Concluem que em alguns dos

casos simulados, dentre os propostos, se obteve eficiência energética positiva. Dentre

as alternativas de resultados positivos as que obtiveram maior redução de potência

ativa foram os que fizeram uso do conversor de frequência.

Aplicando o variador eletrônico de velocidade no Brasil, Teruel et al. (2008)

utilizam um sistema de interface homem - máquina (IHM) para redução de potência

ativa de sistemas de resfriamento evaporativo através do controle da velocidade deste

com o intuito de resfriar certa massa de produto obtendo 82% de economia de

energia com 56% da rotação nominal do motor.

Moreira (2009) repete seu experimento com o ventilador controlado por

conversor de frequência novamente, reduzindo a frequência mínima de acionamento

para 25Hz e devido a este fato aumentando a potência ativa economizada para cerca

de 89% em relação ao uso de válvulas de estrangulamento.

7

1.3 DELIMITAÇÃO DO TEMA

O enfoque deste estudo é o acionamento da ventilação forçada do sistema de

resfriamento evaporativo, tipo painel, por conversor de frequência observando a

influência da variável velocidade do vento no processo de evaporação da água, na

variação da temperatura e umidade relativa do ambiente, utilizando um estudo de

caso próprio para evidenciar conclusões esperadas no uso da variação de velocidade.

A variação da velocidade do vento é obtida através da variação da rotação do

motor proveniente da variação da frequência da tensão de alimentação obtida através

do conversor de frequência. Constitui proposta desta pesquisa verificar a eficiência

energética de possíveis automações posteriores do sistema de resfriamento

evaporativo, e para as opções sugeridas foram levadas em consideração as variações

da temperatura e da umidade do ambiente.

1.4 CONTRIBUIÇÃO DESTA PESQUISA

Esta pesquisa a partir da revisão bibliográfica em conjunto aos experimentos

de campo e a simulação em software adequado, pretende-se alcançar os seguintes

objetivos específicos:

1) Demonstrar que o uso do conversor de frequência na ventilação forçada de

sistemas de resfriamento evaporativo constitui uma técnica adequada para a

redução de demanda de potência ativa pelo motor trifásico de indução

implicando em uma redução de demanda e economia de energia elétrica

ativa no uso das diferentes alternativas de sistemas mistos sazonais que

utilizam no período adequado o resfriamento evaporativo acionado de

diversas formas e o condicionador de ar no restante do ano;

2) Trazer a tona que, no período adequado do ano, o sistema de resfriamento

evaporativo possui alto potencial de aplicação pelo aumento da efetividade

com baixa umidade no ar, evidenciando a maximização da eficiência

energética através do acionamento do conversor de frequência e

demonstrar isto com dados de campo;

3) Evidenciar a característica do sistema de resfriamento evaporativo em

perder efetividade com o aumento da velocidade do vento que cruza o

8

mesmo para o caso em estudo e as influências mútuas de variação de vazão

e de efetividade do sistema nas variáveis envolvidas no resfriamento

evaporativo;

4) Comparar adequadamente o sistema de resfriamento evaporativo com o uso

do condicionador de ar quanto à eficiência energética;

5) Criar e executar metodologia que a partir da coleta de dados efetuada os

mesmos possam ser utilizados na construção de estratégia de automação

para incorporação de inteligência artificial no sistema;

Dos resultados provenientes deste trabalho pretende-se fornecer subsidio

argumentativo para o uso alternativo de sistemas de resfriamento evaporativo em

conjunto com conversor de frequência e em substituição ao condicionador de ar,

durante o período seco do ano. Esta solução pode ser aplicada em projeto de

eficiência energética adotado por concessionárias de energia elétrica, financiando as

adaptações necessárias, adequadas ao uso destes sistemas mistos sazonais propostos.

1.5 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO Dentro da proposta de estudo, além do capítulo 1, a estrutura do restante do

trabalho foi desenvolvida em capítulos, conforme segue:

O capítulo 2 apresenta o subsidio teórico para o entendimento da pesquisa

como um todo, abordando o motor elétrico de indução, o conversor de frequência,

relações entre motor, conversor de frequência e carga acionada, acoplamento motor e

carga, sistemas de ventilação e exaustão, sistemas de resfriamento evaporativo.

Enfatiza também a aplicação de conversores de frequência em sistemas de

resfriamento evaporativo, o modelo matemático do painel evaporativo, a eficiência

energética e consumo de energia elétrica no Brasil e em Mato Grosso, a automação a

favor da eficiência energética, aspectos de conforto térmico e sobre o software

Energy Plus.

O terceiro capítulo apresenta o descritivo do galpão utilizado nas medições do

sistema de resfriamento evaporativo cuja ventilação forçada axial é acionada via

fonte de frequência variável. Uma descrição metodológica da experimentação, assim

9

como, de todos os equipamentos envolvidos neste trabalho é efetuada. Uma

descrição do modelo simulado em Energy Plus é desenvolvida.

No quarto capítulo a apresentação e a análise dos resultados foram efetuadas

para 8 frequências de acionamento (entre 25 a 60Hz), temperatura e umidade do

ambiente, velocidade do vento, potência elétrica ativa e consumo de água. O

desempenho da envoltória é apresentado, e um dos principais enfoques é evidenciar o

quanto vantajoso é o uso do conversor de frequência como componente do sistema.

Os capítulos finais apresentam as conclusões dos do presente estudo trazendo

à tona os resultados da avaliação das alternativas em questão, juntamente com a

proposição de trabalhos futuros e sugestões relacionadas com o tema que possam

colaborar no uso racional da energia elétrica.

10

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O presente capítulo tem como objeto apresentar a revisão bibliográfica para o

tema em estudo envolvendo os principais componentes desta pesquisa e os

conhecimentos envolvidos com seu tema.

2.1 MOTOR DE INDUÇÃO TRIFÁSICO, COM ROTOR EM GAIOLA DE ESQUILO, ACIONADO POR CONVERSOR DE FREQUÊNCIA

O principal objetivo desta seção é apresentar o motor de indução trifásico

com rotor em gaiola de esquilo, que possui este nome devido ao formato de seu rotor

contendo barras curto-circuitadas por anéis que o torna parecido com uma gaiola de

esquilo. Sua modelagem matemática é demonstrada por Moreira (2006) ressaltando

as modificações devido à utilização do conversor de frequência como instrumento

para variar a velocidade do mesmo e promover a redução de potência ativa.

Posteriormente uma descrição de funcionamento, assim como, uma

caracterização do conversor de frequência é efetuada onde seus principais

componentes são evidenciados e descritos. O processo de variação de frequência é

abordado.

2.1.1 Características do Motor de Indução Trifásico com Rotor em Gaiola de

Esquilo

Uma máquina elétrica, em geral, pode ser definida como dispositivo que

converte energia elétrica em mecânica. Em se tratando especificamente do motor de

indução trifásico com rotor em gaiola de esquilo, sabe-se que este é o tipo de motor

mais utilizado atualmente em aplicações industriais em contraposição com o motor

de corrente contínua. De acordo com Franchi (2010) isso se deve ao seu tempo de

vida elevado, seu baixo custo de manutenção, devido a sua robustez, ao seu baixo

custo de aquisição, menor tamanho, apresentar maior rendimento, processo de

rebobinagem mais simples de se executar, eficaz, acessível e proporcionar ao sistema

uma carga equilibrada, outro fator é a disponibilidade de motores de indução de

várias potências nominais.

11

Santos et al. (2001) destaca que cerca de 24% da energia elétrica nacional é

consumida por motores elétricos industriais, deixando de incluir os setores

residencial e comercial onde a aplicação destes motores também é efetuada.

De acordo com Del Toro (1990) o motor de indução também pode ser

chamado de assíncrono, pois seu rotor pode girar a qualquer velocidade abaixo de

sua velocidade síncrona teórica, que é função do número de pólos da máquina em

questão e da frequência utilizada em seu acionamento.

Os motores de indução possuem a característica básica de necessitarem de

excitação única, embora apresentem dois enrolamentos, apenas o enrolamento de

campo é conectado a rede de energia elétrica e por indução eletromagnética o

enrolamento de armadura é induzido como consequência da Lei de Faraday da

Indução Eletromagnética. A interação entre os campos magnéticos provenientes da

excitação e da consequente indução, se somados ponto a ponto, resultam em um

campo magnético de módulo constante, que gira e proporciona a rotação do rotor.

Este campo é denominado Campo Magnético Girante.

Existem modelos matemáticos em circuitos elétricos de motores de indução

que abrangem vários níveis de complexidade. Incluem ou não, parâmetros adequados

de acordo com os estudos em que são utilizados.

Para qualquer máquina elétrica a velocidade síncrona é dada pela Eq. 1. (Del

Toro, 1994).

120 SfN

p Eq. 1

Onde:

De acordo com a Eq. 1 as variáveis que possibilitam a variação da velocidade

de rotação de qualquer máquina síncrona são o número de pólos e a frequência de

alimentação da tensão nos terminais da máquina. A variação de frequência é,

atualmente, a maneira mais utilizada na variação da rotação do motor de indução até

mesmo porque outras formas de variação de velocidade, como a variação do número

푁 : Velocidade síncrona do campo girante (rpm);

f : Frequência fundamental da tensão de alimentação (Hz);

p : Número de pólos do motor;

12

de pólos implica mudanças construtivas no motor, o que resulta em um

encarecimento, tanto na construção quanto na manutenção do mesmo.

Entretanto, tratando-se especificamente do motor de indução com rotor em

gaiola de esquilo, uma diferença existe entre a velocidade síncrona 푁 determinada

pela Eq. 1 e a velocidade de rotação do rotor. Esta diferença de velocidade é

denominada de escorregamento. A velocidade do rotor, adicionando a influência do

escorregamento, será então dada por Eq. 2. (Fitzgerald, 2008)

Eq.2

Onde:

Uma vez que o escorregamento do motor de indução varia entre 4 a 6%, a

velocidade do motor de indução trifásico, de rotor tipo gaiola acaba se tornando

diretamente proporcional a velocidade síncrona, que por sua vez, é também

proporcional a frequência de alimentação do motor. Assim, variando a frequência de

alimentação se alcança por conseqüência a variação da velocidade rotacional do eixo

do motor de indução e a Eq. 2 em conjunto a Eq. 1 acabam evidenciando esta relação

existente entre frequência de acionamento e velocidade rotacional do eixo do motor.

O motor de indução quando acionado via partida direta, solicita, de acordo

com Franchi (2009), no instante da partida, um pico de 6 a 8 vezes a corrente

nominal do motor. Grande parte dos conversores de frequência já incorpora em seu

mecanismo eletrônico que possibilita o acionamento suave do mesmo.

O motor de indução trifásico é o mais utilizado no setor industrial por não

possuir dispositivos agregados para auxiliar o motor durante a partida do mesmo

diferente do motor de indução monofásico que necessita de capacitor para o

acionamento. Sendo o motor de indução trifásico de rotor em gaiola o mais robusto,

implicando em menor custo de aquisição e manutenção, este motor é o mais utilizado

em aplicações industriais e os conversores de frequência são na maioria das vezes

projetados para acionar tais tipos de máquina.

Outras características básicas do motor de indução estão relacionadas com

seu regime de serviço, grau de proteção de seu invólucro quanto à penetração de

(1 ) sN s N

푁 : Velocidade do eixo do motor (rpm); s : Escorregamento;

13

líquidos e sólidos, categoria de conjugado escolhida de acordo com a carga acoplada

ao seu eixo, tensão nominal múltipla, fator de potência, rendimento percentual, fator

de serviço, corrente nominal múltipla, potência do motor, frequência nominal,

número de fases e rotação nominal. Esses dados são todos obtidos na placa do motor

de indução e por este motivo recebem o nome de dados de placa.

2.1.2 Características do Conversor de Frequência

Conversor de frequência é um dispositivo que está vinculado à eletrônica de

potência, que a partir de uma alimentação de frequência de entrada fornecem tensão

PWM de frequência ajustável.

A aplicação da fonte de frequência ajustável para motor elétrico de indução

vem, com o passar do tempo e com estudos relacionados em eletrônica de potência,

evoluindo juntamente com os microprocessadores, que efetuam o controle do

conversor de frequência.

Usualmente o termo utilizado para o conversor de frequência é inversor de

frequência, no entanto este termo não é correto, como justifica Franchi (2010), em

seu livro, conforme segue:

O termo tecnicamente correto para o dispositivo de variação de

velocidade é conversor de frequência, pois a etapa inversora converte

CC em CA, sendo o conversor de frequência responsável pela

conversão de uma frequência de entrada de aproximadamente 60 Hz

em um valor a ser definido pelo usuário. O termo conversor de

frequência é empregado por alguns fabricantes, entretanto a

denominação inversor de frequência tornou-se muito popular e é

largamente utilizada por diversos fabricantes e usuários, sendo este o

termo utilizado neste livro.

Internamente a fonte de frequência ajustável é composta basicamente em

quatro blocos, sendo estes um retificador, um circuito intermediário, um inversor e

um circuito de controle, que geralmente é microprocessado. Os componentes do

conversor de frequência são ilustrados na Fig. 1, assim como também as relações

existentes entre cada componente.

14

Figura 1 – Diagrama simplificado de um conversor de frequência Fonte: Franchi (2010)

O retificador é o componente que executa a primeira etapa do processo,

transformando o sinal de tensão alternado senoidal em contínuo. O circuito

intermediário tem função de regular a tensão contínua de entrada do inversor, pode

ser apenas um filtro passivo ou circuitos reguladores de tensão contínua.

O inversor através de chaveamentos adequados converte o sinal contínuo em

alternado na frequência escolhida pelo usuário, sendo o circuito de controle o

responsável por fornecer o disparo que proporciona a frequência ajustada.

O circuito de controle constitui a inteligência artificial do dispositivo, obtida

graças aos microprocessadores utilizados. Deve monitorar e manter os sinais em

níveis adequados de tensão e frequência ajustada. Através deste que o usuário

controla a frequência de acionamento, por isso possui duplo sentido para o exterior

na Figura 1.

O conversor de frequência pode ser classificado de acordo com o número de

fases de entrada, número de fases na saída. Sendo assim, pode ser de entrada

monofásica e saída trifásica para aplicações rurais onde a rede de alimentação é

monofásica, ou pode possuir entrada trifásica e saída trifásica, para aplicações

industrias ou onde o sistemas de suprimento de energia é trifásico.

O método de controle da tensão mais utilizado é o da modulação por largura

de pulso, Pulse Width Modulation, método que consiste na variação da largura dos

pulsos dos transistores de potência de modo a obter na saída uma forma de onda de

corrente próxima a senoidal.

15

Na modulação por largura de pulso simples a forma de onda da tensão de

saída consiste em um único pulso a cada semiciclo de tensão de saída requerida. Para

uma determinada frequência, que é inverso do período, a largura do pulso pode variar

a fim de controlar a tensão de saída AC (AHMED, 2000).

Assim os conversores podem apresentar modulação por largura de pulso

simples ou múltipla, onde vários pulsos são utilizados, ou ainda ser senoidal

utilizando uma onda senoidal como referência para produzir o sinal de saída.

A classificação também pode ser efetuada quanto ao método de controle do

conversor de frequência, que pode ser escalar, mantendo a relação constante entre

tensão e frequência na saída ou de controle vetorial para processos com maior

necessidade de controle dinâmico e precisão.

2.1.3 Conversor de Frequência Acionando o Motor de Indução

O conversor de frequência tem função principal de acionar motores de

indução fornecendo para o mesmo o ajuste de velocidade e, em consequência a

economia de potência ativa quando o uso da velocidade nominal não é necessário.

A fonte variável de velocidade acionando o motor de indução altera seu

rendimento para várias freqüências. De acordo com a WEG (2010), a potência

elétrica útil do motor pode ser calculada de acordo com a frequência de acionamento

do conversor. Para isso a potência convertida em trabalho mecânico pelo motor

quando acionado em sua frequência nominal (no Brasil é 60Hz) em partida direta e

regime permanente é mostrada na equação 3.

60Hz útilP P Eq.3

Sabendo a potência útil pode-se para cada frequência estimar o consumo de

energia a partir da equação 4.

.

.

útil

nomf

ac

PfPf

Eq.4

16

Para se efetuar um gráfico genérico pode-se considerar a potência útil como

sendo unitária e o resultado multiplicado por 100, assim obtêm-se a potência

demandada até a frequência nominal, que é 60Hz, de acordo com a adaptação

sugerida:

. .

1001060

6fac ac

Pf f

Eq.5

Onde:

Assim um gráfico pode ser construído a partir dos percentuais de potência

útil, conforme a frequência acionada, conforme ilustrado na Fig. 2:

Figura 2 – Potência útil do motor de indução em função da frequência de acionamento Fonte: adapt. WEG (2010)

Depois da frequência de 60Hz o comportamento da potência útil não se torna

interessante, e foi suposto constante. Até mesmo porque o objetivo principal deste

trabalho é o uso racional da energia elétrica, e utilizar uma velocidade de

acionamento acima da nominal não traria este beneficio.

Sabendo que as perdas do motor de indução são compostas basicamente de

perdas por efeito joule e perdas no núcleo dos enrolamentos do estator e também que

푃 : Potência percentual demandada na frequência de acionamento (%); 푃ú : Potência ativa útil demandada pelo motor no acionamento convencional,

ou seja, na partida direta (W); 푓 . : Frequência na qual o motor é alimentado com conversor de frequência

(Hz); 푓 . : Frequência nominal da rede de energia (Hz);

17

a primeira é muito maior que a segunda, pode-se concluir que o rendimento do motor

deve cair nas baixas freqüências. Isto se deve ao fato de que, a potência mecânica é

diminuída em função da redução da velocidade e embora as perdas no ferro

diminuam um pouco, até mesmo por serem função da frequência de acionamento. As

perdas por efeito joule se mantêm constante para uma carga de torque constante, de

tal forma que as perdas podem ser consideradas constantes. Weg(2010).

Com a potência útil diminuindo e as perdas permanecendo praticamente

constantes o rendimento percentual cai com a diminuição da frequência de

acionamento e pode-se observar isso na equação 6.

.% 100

( )mec

u joule ferro

PP P P

Eq.6

Onde: 휂% : Rendimento percentual do motor de indução (%); 푃 : Perdas por efeito Joule (W); 푃 : Perdas no núcleo de ferro do motor de indução (W); 푃 . : Potência mecânica do motor (W); 푃 : Potência útil do motor (W);

Ensaios também podem demonstrar esta queda de rendimento com a

diminuição da frequência de acionamento e isso ocorre para diferentes percentuais de

carga mecânica ( .mecP ) aplicada ao eixo. Para um ensaio de um motor de 75CV, de 6

pólos, tensão de 440V de acionamento e frequência nominal de 50Hz obteve o

gráfico disposto na Figura 3:

Figura 3 – Rendimento de motor de indução trifásico 75CV para várias frequências

Fonte: WEG (2010) Para um motor de

frequência nominal de 50Hz

Figura 4 – Rendimento de motor de indução trifásico 15CV para várias frequências

Fonte: WEG (2010)

As Fig. 3 e 4 também mostram uma frequência maior que a frequência

nominal do motor, afim de evidenciar que acima desta frequência o comportamento

do rendimento não é diretamente proporcional a frequência de acionamento como

ocorreu com valores de frequên

nominal.

Para Franchi (2010) os motores de indução podem ser modelados como um

transformador em que o primário é o estator e o secundário é o rotor.

Rendimento de motor de indução trifásico 75CV para várias frequências de acionamento e diferentes níveis de carga

WEG (2010)

Para um motor de 15CV, de 4 pólos, tensão de 400V

frequência nominal de 50Hz o resultado pode ser observado na Figura 4

Rendimento de motor de indução trifásico 15CV para várias frequências de acionamento e diferentes níveis de carga

WEG (2010)




ocorreu com valores de frequência de acionamento menores que a frequência



18

Rendimento de motor de indução trifásico 75CV para várias frequências

to e diferentes níveis de carga

de acionamento e

o resultado pode ser observado na Figura 4:

Rendimento de motor de indução trifásico 15CV para várias frequências

to e diferentes níveis de carga




cia de acionamento menores que a frequência



19

A Eq. 7 fornece o torque na máquina assíncrona, enquanto a equação 8

fornece a tensão aplicada à bobina de um estator, ambas de acordo com Frachi

(2010):

2mT I Eq.7

1 .4,44 nom e mU f N Eq.8

Sendo:

푇 : Torque ou conjugado do motor de indução (N.m);

휑 : Fluxo de magnetização (Wb); 퐼 : Corrente do rotor (A); 푈 : Tensão aplicada a bobina do estator (V); 푁 : Número de espiras da bobina do estator (espiras);

O fluxo alternado de magnetização m provém da excitação de tensão

senoidal 1U que induz no rotor uma força eletromotriz no rotor 2U e esta produz um

novo fluxo 2 que é diretamente proporcional à tensão 2U e inversamente

proporcional à frequência de acionamento ( f ), de forma demonstrada na

proporcionalidade da Eq. 9.

22

Uf

Eq.9

Assim se a relação entre tensão e frequência de acionamento for mantida o

torque também o será, pois o fluxo será mantido constante e a corrente do rotor

também será mantida constante por ser função do fluxo. Os conversores de

frequência de mercado geralmente mantém essa relação por meio de controle da

tensão.

A tensão nominal do motor acionado por variador eletrônico de velocidade

deve então ser observada com o intuito de que a isolação do motor não seja

danificada por sobretensão.

20

2.2 SISTEMAS DE VENTILAÇÃO E RESFRIAMENTO EVAPORATIVO

Esta seção tem como objeto principal tratar das características do sistema de

ventilação utilizado e do sistema de resfriamento evaporativo tipo painel com

ventilação forçada, caracterizando-os e tratando de seus princípios e equações que

regem o funcionamento.

O controle da velocidade do ar em sistemas de ventilação isolados e

acoplados ao sistema de resfriamento evaporativo é abordado.

Por fim a aplicação do resfriamento evaporativo no mundo e no Brasil com

uso do conversor de frequência na ventilação forçada de sistemas destes sistemas são

apresentados.

2.2.1 Sistemas de Ventilação Forçada

Ventilar para Macintyre (1990) significa deslocar ar, deslocamento este que

na prática tem como finalidade a retirada ou fornecimento de ar a um ambiente, ou

seja, a sua renovação.

Quando a ventilação não é obtida de forma natural, através da própria

estrutura edificada se faz necessário a inserção de ventiladores ou exaustores que

atuarão na renovação do ar, com objetivo de controlar a poluição do ambiente ou

proporcionar melhorias em relação ao conforto térmico aos usuários da edificação.

A ventilação forçada em um ambiente pode ser exercida por diversos tipos de

ventiladores devido a sua modalidade construtiva, seu nível energético de pressão, as

formas das pás do ventilador, o número de entradas de aspiração no rotor e também

pelo número de rotores que constituem estágios do ventilador.

No Brasil a Norma NBR 10131 da ABNT (1987) classifica os ventiladores de

acordo com suas características. Um tipo de classificação é de acordo com as formas

de seus rotores que podem ser centrífugos, ou radiais, mistos e axiais. Os

ventiladores centrífugos deslocam a partícula perpendicularmente formando um

plano normal ao eixo do rotor do ventilador, os axiais deslocam a partícula

paralelamente ao mesmo eixo e já os helicoidais forçam as partículas a se deslocarem

21

em uma trajetória mais arredondada, e existem combinações entre estes 3 tipos de

ventiladores.

A Figura 5 ilustra alguns dos principais tipos de ventiladores e evidencia a

trajetória das partículas de ar submissas a propulsão exercida pelos ventiladores, o

que acaba por caracterizar diferentes aplicações.

Figura 5 – Principais tipos de ventiladores Fonte: Macintyre (1990)

Cada modelo devido a sua característica construtiva apresenta uma maior

eficiência dependendo da aplicação, possuindo uma curva característica de pressão

por vazão.

O ventilador de aplicação industrial e comercial é, normalmente acionado por

motor elétrico e o acoplamento a este motor pode ser efetuado de forma direta ou

ainda através de correias que proporcionam uma velocidade de operação diferente à

impressa pelo eixo do motor elétrico. De acordo com Weg (2009) os ventiladores são

cargas que possuem torque variável, assim como bombas centrífugas, exaustores e

compressores centrífugos. Este tipo de carga possui uma variação de torque em

função da vazão como mostrado na Figura 6.

22

Figura 6 - Variação linear do torque e cúbica da potência Fonte: WEG (2009)

Moreira et al. (2009) ao comparar o controle de vazão de um ventilador axial

por válvula de estrangulamento, ou damper, com a variação da velocidade do motor

por conversor de frequência confirma que a redução de vazão pelo segundo método

proporciona uma redução da potência ativa requerida em relação ao primeiro método

de controle.

A restrição de vazão por válvula acaba fornecendo aumento de carga

mecânica ao eixo do motor, uma vez que a barreira imposta para redução da vazão

através da redução da área pela qual percorre o ar exige maior torque do motor na

medida em que a válvula vai aumentando sua restrição à passagem do fluxo de ar.

As perdas de carga com controle de vazão por válvula e por controle de

velocidade do motor são comparadas por Macintyre (1990). Na Figura 7 é possível

perceber que o ventilador que utiliza registro ou válvula, com o aumento da restrição,

a carga de pressão do ventilador também é aumentada para o mesmo sistema

enquanto a variação da vazão por velocidade do motor diminui a carga no ventilador

à medida que a mesma variável também diminui.

23

Figura 7 – Variação da vazão (Válvula versus Controle de velocidade) Fonte: Macintyre (1990)

Na ventilação mecânica existem certas proporcionalidades entre as grandezas

envolvidas quando ocorre variação de alguma delas, estas proporções são regidas por

equações denominadas de Leis de Semelhança. De acordo com Macintyre (1990):

(..)por meio de um modelo reduzido, conseguem-se pela

aplicação dos princípios de semelhança geométrica,

cinemática e dinâmica estabelecer as grandezas

correspondentes de um protótipo, que por suas dimensões

ou elevada potência não poderia ser ensaiado em

laboratório.

As três principais equações para o contexto do controle da velocidade de

rotação do motor são evidenciadas da seguinte forma por Moreira (2009):

Eq.10

Eq.11

1 1

2 2

QQ

2

1 1

2 2

HH

24

3

1 1

2 2

c

c

PP

Eq.12

Sendo:

푄 : Vazão “n” (m³/s);

휔 : Velocidade de rotação do eixo “n” (RPM); 퐻 : Altura manométrica ou pressão “n” (Pa); 푃 : Potência mecânica no eixo “n” (CV);

Entretanto para que as leis acima sejam aplicadas se faz necessário que a

densidade do fluído propulsionado seja constante. Pode-se perceber também que

conforme visto na Figura 6, a potência mecânica possui uma relação cúbica de

variação de velocidade.

2.2.2 Sistemas de Resfriamento Evaporativo

Para Strobel (1999) o Resfriamento Evaporativo é uma das maneiras de

reduzir a temperatura no interior de edificações.

Macintyre (1990) explica que em sistemas de resfriamento evaporativo tipo

painel o resfriamento do ar é obtido através da passagem do ar através de uma manta

umedecida onde o calor de vaporização da água é retirado do ar. Camargo (2004)

define o fenômeno do resfriamento evaporativo conforme segue:

O resfriamento evaporativo opera utilizando

fenômenos naturais através de processos induzidos nos

quais a água e o ar são os fluidos de trabalho. Consiste

na utilização da evaporação de água através da

passagem de um fluxo de ar, provocando uma redução na

temperatura do ar.

Um sistema de resfriamento evaporativo pode efetuar o resfriamento de

forma direta ou indireta. O sistema direto resfria o ar através do contato direto entre

ar e água ou com uma superfície sólida molhada, ou com uma superfície liquida, ou

ainda com sprays. Neste tipo de sistema não ocorre

aumento da umidade do ar resfriado.

ambiente cede calor a uma corrente de ar secundária ou para um líq

evaporativamente (CAMARG

De acordo com Macintyre (1990)

e características do ar e da determinação das mesmas

No estudo deste ramo das ciências térmicas a

elemento que simplifica a relações das propriedades

umidade e ponto de orvalho, também

(MASSIERO, 2006).

Vetores adequadamente desenhados na carta Psicrométrica podem definir

como ocorrem os processos de resfriamento direto, indireto ou de dois estágio

sendo o primeiro indireto e o segundo direto

Conforme segue na Figura

umidade absoluta é mantida constante e a temperatura de bulbo

relativa e a temperatura de bulbo seco

de bulbo úmido e a entalpia são

reduz adicionando-se

Figura 8 – Carta psicrométrica e vetoFonte: adpt. FAO Disponível emJulho de 2011.

Neste tipo de sistema não ocorre à redução da entalpia

a umidade do ar resfriado. Já no sistema indireto o ar que condicionará o

ambiente cede calor a uma corrente de ar secundária ou para um líq

CAMARGO, 2004).

De acordo com Macintyre (1990) a Psicrometria é o estudo das propriedades

e características do ar e da determinação das mesmas.

No estudo deste ramo das ciências térmicas a carta psicromé

elemento que simplifica a relações das propriedades do ar, tais como: temperatura,

umidade e ponto de orvalho, também chamado de ponto de condensação


rrem os processos de resfriamento direto, indireto ou de dois estágio

sendo o primeiro indireto e o segundo direto.

onforme segue na Figura 8, pode-se perceber que no estágio indireto a

umidade absoluta é mantida constante e a temperatura de bulbo

a temperatura de bulbo seco diminuem e já no estágio direto

e a entalpia são mantidas constantes e a temperatura de bulbo seco

se umidade ao ar.

Carta psicrométrica e vetores de resfriamento evaporativoFAO

Disponível em: http://www.fao.org/docrep/x5057s/x5057S0U.GIF

25

redução da entalpia ocorrendo o

o ar que condicionará o

ambiente cede calor a uma corrente de ar secundária ou para um líquido resfriado

o estudo das propriedades

carta psicrométrica é um

do ar, tais como: temperatura,

chamado de ponto de condensação


rrem os processos de resfriamento direto, indireto ou de dois estágios,

perceber que no estágio indireto a

umidade absoluta é mantida constante e a temperatura de bulbo úmido, umidade

e já no estágio direto a temperatura

e a temperatura de bulbo seco

res de resfriamento evaporativo

http://www.fao.org/docrep/x5057s/x5057S0U.GIF Acesso 09 de

26

O sistema de resfriamento evaporativo do tipo painel é composto basicamente

por manta, que confina a água e a distribui, por ventilador axial, reservatório e

bomba de recalque que reutiliza a água não evaporada que chega ao reservatório.

De acordo com Massiero (2006) o painel resfriador, mais conhecido como

pad cooling (painel de resfriamento), é um sistema no qual o ar passa por um painel

poroso umedecido e é lançado para o interior do edifício. O painel pode ser de tecido,

de argila expandida, de material fibroso ou de qualquer outro material que não

contamine o ar ou a água.

Tinôco et al. (2004) efetuam comparação entre o desempenho de diversos

tipos de materiais para preencher esses painéis. Os materiais comparados foram

cinasita (argila expandida), serragem e fibra vegetal (celulose) que constitui o

material de maior aplicação atualmente. Os resultados alcançados indicam que pode

ser efetuada a construção de painéis porosos com cinasita e carvão vegetal, entretanto

exige ainda estudos para determinar a espessura correta das placas considerando

variáveis como a pressão estática do sistema, até mesmo porque este é um fator

determinante no que se refere à eficiência do painel.

A Figura 9 apresenta os componentes do sistema de resfriamento evaporativo

direto de painel.

Figura 9 – Funcionamento e principais componentes de sistemas de resfriamento evaporativo tipo painel Fonte: Ecobrisa Disponível em: http://www.ecobrisa.com.br/img/funcionamento.jpg Acesso: 05 de Abril de 2011.

27

A instalação de um sistema de resfriamento evaporativo tipo painel em uma

edificação pode ser feita de diversas maneiras de acordo com Camargo (2009). Entre

elas pode-se citar a de distribuição pelo teto utilizando um forro falso, ou por duto de

insuflamento, instalado em uma casa de máquinas, ou em conjunto com ar

condicionado com operação controlada por sensores de temperatura e umidade, ou

ainda com descarga direta no ambiente, a última opção é a mais utilizada por

constituir a instalação de menor custo.

Nesta pesquisa as medições em campo foram efetuadas em uma instalação do

tipo descarga direta, em um galpão onde estão instalados 3 painéis de resfriamento

evaporativo em paralelo, a instalação direta básica é ilustrada através Figura 10.

Figura 10 – Instalação em descarga direta no ambiente Fonte: CATERMO Disponível em: http://www.catermo.com.br/pag/02/07.jpg Acesso 08 de Abril de 2011.

Givonni (1994) relata que Cunningham e Thompson desenvolveram e

testaram, em 1986, uma torre de resfriamento, que utiliza um painel poroso de

celulose, em um edifício em Tucson, no estado do Arizona, nos Estados Unidos.

Enquanto a temperatura externa máxima estava em 40,6°C e a de bulbo úmido em

26,6°C a temperatura de saída de ar da torre de resfriamento estava em 23,9 °C com

velocidade do vento de 0,75m/s.

28

2.2.3 Modelagem Matemática do Sistema Evaporativo Direto de Painel

Camargo e Ebinuma (2002) desenvolveram um modelo matemático com base

em modelos de transferência de calor e massa, trabalhando com grandezas

específicas, porém não obtiveram grandes conclusões em cima do modelo

desenvolvido.

Sumathy e Dai (2002) efetuam um estudo teórico em sistemas de

resfriamento evaporativo adiabático tipo “colméia de abelha”, onde um filtro de

celulose é utilizado e acabaram por constatar que existe uma ótima espessura do

canal de ar para proporcionar maior eficiência e conseguiram estimar a temperatura

mínima do ar de saída do sistema.

Posteriormente Pimenta e Castro (2003) apresentaram a modelagem e

efetuaram simulação de painéis evaporativos comercias em diferentes condições do

ar e os resultados obtidos foram comparados aos dados fornecidos pelos fabricantes

dos materiais utilizados obtendo uma boa aproximação.

Para a apresentação do modelo matemático destacado é importante ressaltar o

significado de algumas grandezas existentes na equação principal que rege o sistema

de resfriamento evaporativo tipo painel.

Temperatura de bulbo úmido é a temperatura medida por um termômetro cujo

bulbo é envolvido por uma mecha de algodão ou de outro material higroscópico,

embebida em água destilada, com o passar do ar pela mecha um processo simultâneo

de transferência de energia e massa ocorre entre a água e o ar ocasionando uma

diminuição da temperatura do bulbo quando este entra em regime (CAMARGO,

2009).

Efetuando o balanço de energia para uma porção elementar de ar passando

através do painel evaporativo e utilizando como base a primeira lei da termodinâmica

obteve-se a Equação 13:

Eq.13

( ) ac sm ph dA T T m C dt

29

Sendo:

ℎ : Coeficiente convectivo de transferência de calor (kJ/m²sK);

푑퐴 : Área elementar do painel evaporativo (m²); 푇 : Temperatura do ar externo (K); 푇 : Temperatura da superfície do painel evaporativo úmido de ar, considerada

igual a temperatura de bulbo úmido do ar (K); 푚̇ : Fluxo de massa da água (kg/s); 퐶 : Calor específico a pressão constante do ar úmido (kJ/kgK);

푑푡 : Intervalo elementar de tempo (s);

Trabalhando a Eq. 13 resolvendo-a através da equação diferencial

proveniente se obtêm a efetividade do resfriador na equação:

1 expbse bssa c

bse sm a p

T T h AT T m C

Eq.14

Onde:

휀 : Efetividade do painel evaporativo;

푇 : Temperatura de bulbo seco do ar de entrada no painel (K ou °C); 푇 : Temperatura de bulbo seco do ar na saída do painel (K ou °C); 푇 : Temperatura de bulbo úmido do ar na entrada do painel (K ou °C);

Através da Eq. 14 é possível perceber que a efetividade do painel está ligada

diretamente com a diferença de temperatura de entrada e saída do resfriador, se a

temperatura da superfície do painel for considerada igual a temperatura de bulbo

úmido do ar de entrada bueT seria obtida uma eficiência proporcional ao máximo de

resfriamento possível se caso o ar saísse do mesmo saturado, ou com umidade

relativa de 100%.

Assim para Camargo (2009) apresenta a equação de efetividade deste tipo de

sistema de climatização da seguinte forma adaptada:

bse bssa

bse bue

T TT T

Eq.15

30

2.2.4 Aplicação dos Sistemas de Resfriamento Evaporativo no Brasil e no

Mundo

Existem no mundo aproximadamente 30 milhões de aparelhos

condicionadores de ar evaporativo. Este sistema surgiu nos Estados Unidos, onde

atualmente movimenta em torno de 4 milhões de dólares por ano, e posteriormente se

expandiu para a Austrália, Oriente Médio, Índia, Itália, Espanha e Portugal, o sucesso

de seu uso deve-se a economia de energia elétrica e a qualidade de ar proporcionada.

O uso desses equipamentos implica em uma economia de aproximados 60 milhões

de barris de petróleo evitando a emissão equivalente de 27 bilhões de libras. O custo

unitário do equipamento varia entre US$ 35 a até US$ 2.000 para modelos mais

completos, com dutos (CAMARGO, 2009).

Delfani et al. (2009) estimam a projeção do uso de resfriamento evaporativo

em Tehran, Irã, e a influência das mudanças climáticas no consumo de energia desses

sistemas. O período climático analisado é entre os anos de 1967 a 2006, foi possível

perceber que a partir do ano de 1997 o sistema de resfriamento evaporativo direto

não proporcionou conforto térmico adequado.

A gama de tipos de climatizadores evaporativos é ampla devido à existência

de diferentes tecnologias, materiais, eficiências, capacidades, tipos de processos com

diferentes combinações entre estes.

De acordo com Camargo (2009) apud ASHRAE o arranjo direto de sistemas

de resfriamento evaporativo reduz os custos de operação entre 25% e 40% quando

comparado aos custos da refrigeração mecânica isolada, para produzir o mesmo

efeito de resfriamento. Um sistema de estágio direto/indireto pode economizar entre

40% e 50% de energia em zonas moderadamente úmidas.

A maior difusão dos sistemas de resfriamento evaporativo se dá no setor

agropecuário, pois os animais possuem temperaturas corporais mais altas que a do

ser humano e temperaturas acima dessas podem influenciar em sua alimentação

através da diminuição do apetite e que pode levar o animal até a morte.

A aplicação de sistemas de resfriamento evaporativo para equipamentos

elétricos-mecânicos também tem encontrado espaço no mercado mundial. Guobiao e

Lin (2008), assim como, Xiong e Gu (2008) efetuam comparativo entre métodos de

31

refrigeração apenas por ventilação de ar com métodos que utilizam os princípios de

resfriamento evaporativo para resfriar a entrada de ar na turbina de geradores a gás

para aumentar a eficiência da combustão. Se a turbina geradora for a gás natural, por

exemplo, o resfriamento do ar resulta em uma produção maior de energia por metro

cúbico de gás.

De acordo com a Munters (2000) o rendimento da turbina depende

diretamente da quantidade de ar introduzido na câmara de combustão. Em altas

temperaturas, o ar apresenta baixa densidade e, portanto, a massa de ar fornecido à

turbina se reduz. Com o uso dos sistemas evaporativos por painéis de contato, faz-se

o resfriamento deste ar de entrada, sendo que há aumentos documentados de até 24%

no rendimento da turbina.

Niu et al (2010) efetuam um estudo experimental utilizando a técnica de

resfriamento evaporativo do óleo interno do tanque de um transformador de potência

concluindo que esta tecnologia tem sua eficácia comprovada, assim como, sua

confiabilidade, requerendo um menor volume e área de instalação do que outros

métodos comumente utilizados.

A Figura 11 ilustra a aplicação do principio de resfriamento evaporativo no

transformador de potência.

Figura 11 – adpt. Esquema de transformador de potência com óleo resfriado

evaporativamente Fonte: Niu et al (2010)

32

No Brasil os sistemas de resfriamento evaporativo são estudados para

diversas aplicações. Castro e Pimenta (2003) apresentam dois casos de estudo do uso

desses sistemas, incluindo a simulação do uso do resfriamento evaporativo para

aumentar a eficiência de combustão de uma turbina geradora de energia elétrica

usando os dados térmicos (TRY) de Brasília. O outro caso de estudo evidencia a

aplicação desses sistemas para conforto térmico humano em um centro comunitário

da Universidade de Brasília. Apresentando a aplicação no conforto térmico, uma

entre várias outras aplicações possíveis do método que abrange até a geração de

energia.

Bellorio e Pimenta (2005) relatam que o rendimento da turbina a gás depende

diretamente da quantidade de ar introduzido na câmara de combustão e que a

dificuldades de geração por hidroelétricas, em períodos de estiagem prolongada,

motivou a produção de energia por meios alternativos, como por exemplo, turbinas

movidas a gás natural.

Com o crescente uso desses sistemas no Brasil, a análise do desempenho dos

mesmos vem sendo efetuada ao longo do território nacional. Campos et al (2002)

estudam o potencial de redução da temperatura do ar utilizando sistemas de

resfriamento evaporativo na região de Maringá, Estado do Paraná, ao longo de um

ano, evidenciando a possibilidade de trabalho com os dados climáticos locais para

estimar o potencial de aplicação da climatização evaporativa.

Carossi (2006) amplia a aplicação deste tipo climatização quando fornece

subsidio para a aplicação, através dos períodos ideais, do resfriamento evaporativo

em todo território nacional utilizando dados climáticos confiáveis. Para o estado de

Mato Grosso a aplicação foi recomendada na totalidade do estado no período entre

Junho e Agosto, é possível observar abaixo na legenda, as regiões dos estados a

totalidade do mesmo (TD), conforme ilustra a Figura 12.

33

Figura 12 – Potencial de aplicação do resfriamento evaporativo no Brasil Fonte: Carossi (2006)

As medições desta pesquisa foram efetuadas no período adequado para todo o

estado de Mato Grosso. No entanto, o sistema pode ser aplicado em mais meses

observando a época e a região do estado equivalente.

2.2.5 Uso de Conversores de Frequência na Ventilação Forçada de Sistemas de

Resfriamento Evaporativo

O uso de conversores de freqüência em sistemas de resfriamento evaporativo

para proporcionar eficiência energética é objeto de estudo atual em todo o mundo. A

inserção do variador eletrônico de velocidade na alimentação dos motores de

ventilação dos painéis evaporativos é uma das alternativas para aumentar a eficiência

energética desses sistemas.

Resultados de Wang e Xu (2007) evidenciam as vantagens de aplicação do

conversor de frequência em comparação com controles de estágio único e com 2

estágios de velocidade, até mesmo porque proporciona a variação da velocidade mais

34

precisa para obter uma temperatura de controle ajustada. Embora os resultados

obtidos foram através de simulação foi evidente que pela ampla faixa de variação de

velocidade o conversor de frequência apresentou, na maioria dos casos, o melhor

resultado para o ajuste de temperatura e umidade interna de um ambiente

climatizado.

Um sistema de resfriamento evaporativo em laboratório e desenvolvido por

Liao e Hung (2002) traz entre os elementos do sistema o conversor de frequência

para facilitar o controle da velocidade do vento e observar seu efeito no resfriamento

do ar entre outras variáveis. Tanto os resultados de Liao e Hung (2002) quanto nos

resultados simulados por Castro e Pimenta (2004) evidenciaram que o aumento de

velocidade do vento conduz a uma diminuição da eficiência de resfriamento do ar e

reforçam esta idéia afirmando que “(..) à medida que a velocidade do ar aumenta sua

influência sobre a efetividade de resfriamento vai diminuindo.”

A Figura 13 mostra a comparação entre os dados fornecidos pelo fabricante e

os resultados obtidos através de simulação por Castro e Pimenta (2004), as diferentes

curvas representam espessuras diferentes de painéis.

Figura 13 – Variação da efetividade com aumento de velocidade Fonte: Castro e Pimenta (2004)

Pode-se, então, concluir que se o aumento da velocidade pode afetar

negativamente a efetividade de resfriamento utilizar o resfriador evaporativo de

painel com velocidade fixa fornecida de acordo com a frequência da rede se torna

desvantagem tanto no ponto de vista de climatização como também no ponto de vista

35

de eficiência energética. Sabendo que o conversor de frequência reduzindo a

velocidade do eixo do motor reduz a energia mecânica solicitada ao eixo e por

conseqüência a potência elétrica solicitada pelo motor, obtêm-se dupla eficácia com

o uso destes dispositivos na variação de velocidade do vento.

2.3 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E CONFORTO TÉRMICO SIMPLIFICADO PARA SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO

O enfoque desta seção reside na ilustração da situação da sazonalidade de

geração hidroelétrica com intuito de evidenciar a queda de produção dessa energia no

período seco do ano. Aborda também o consumo de energia elétrica e potencial de

eficiência energética em sistemas de climatização de ambientes.

Outro objeto que consta nesta seção caminha de encontro aos dispositivos que

podem ser utilizados em conjunto com o conversor de frequência para maximizar a

eficiência energética nos painéis evaporativos. É dado enfoque aos aspectos de

conforto térmico para o uso de sistemas de resfriamento evaporativo.

A ferramenta de eficiência energética em edificações, o software Energy Plus

é descrito, assim como, os propósitos de sua utilização e como esta ferramenta tem

sido aplicada em pesquisas científicas a cerca do resfriamento evaporativo.

2.3.1 Perfil da Geração Hidrelétrica e sua Sazonalidade

A energia elétrica no Brasil tem como maior fonte primária a de origem

hidráulica e isto faz com que a produção de energia dependa das épocas do ano.

Conforme Ioris (2006) a expansão da hidroeletricidade foi fundamental para

os processos de industrialização e urbanização no Brasil, uma vez que este tipo de

gração é responsável por grande parte da matriz energética nacional.

A Figura 14 evidencia as parcelas de uso da fonte primária hidráulica na

geração de energia elétrica.

36

Figura 14 – Fontes primárias para geração de energia elétrica no Brasil Fonte: Balanço Energético Nacional (2010)

De acordo com os estudos de Bardelin (2004) o consumo de energia elétrica

no Brasil também apresenta certa sazonalidade, de diferentes comportamentos de

acordo com as regiões do Brasil.

Por conta desta sazonalidade evidenciada, a ANEEL (2000) define a tarifa

horo-sazonal como a estrutura caracterizada pela aplicação de tarifas diferenciadas

de consumo de energia elétrica e de demanda de potência de acordo com os períodos

do ano e as horas de utilização do dia.

Os principais motivos para a criação desta tarifa horo–sazonal são

esclarescidos por Ramalho (2002) e estão relacionados com a necessidade de

estimular o deslocamento de parte da carga para os horários de menor carga no

sistema elétrico, dirigir o consumo de energia para período do ano em que houver

maior disponibilidade de água nos reservatórios (período de cheias) e permitir ao

consumidor reduzir suas despesas com energia elétrica, modulando sua carga de

acordo com o horário do dia (ponta e fora de ponta), e períodos do ano (seco e

úmido).

Haja vista que o país possui esta necessidade, deve permitir um maior

consumo de energia elétrica para o período de cheias, e deve também, como

consequência, racionalizar seu uso no período seco do ano, justo período em que o

uso de sistemas de resfriamento evaporativo se torna adequado. É possível concluir

então que a substituição adequada de condicionadores de ar por esses sistemas no

período de estiagem proporciona o alcance do objetivo de reduzir o consumo de

37

energia elétrica alcançando reduções de temperatura maiores comparadas às reduções

obtidas no período úmido.

Camargo et al.(2000) ressaltam a aplicação dos sistemas de resfriamento

evaporativo: As aplicações para o resfriamento

evaporativo são, entre outras, grandes áreas com grande

quantidade de público, áreas onde funcionam

equipamentos que produzem calor, áreas de trabalho

industrial em processos de manufatura, em indústrias

têxteis, em alguns processos industriais que requerem um

controle preciso da umidade, em minas, em abrigos de

animais, no armazenamento de produtos

hortifrutigranjeiros, no cultivo de plantas e para

condicionamento de ar residencial e comercial.

Como o uso dos sistemas em estudo pode abranger vasto campo de aplicação,

com as devidas adaptações construtivas, os mesmos podem amenizar o consumo de

energia elétrica nos períodos secos nas diversas localidades do país, orientando o uso

de condicionadores de ar no período de maior disponibilidade energética.

A Lei 9.991 (2000) estipula percentuais da receita líquida das concessionárias

de energia elétrica a serem aplicados em projetos de eficiência energética e também

em pesquisas no uso final desta, o incentivo ao uso de sistemas mistos de

condicionador de ar e sistemas de resfriamento evaporativo, com envoltórias

adequadas poderia partir da concessionária. Desta forma as concessionárias se

beneficiarão pela disponibilização de potência e alívio na distribuição e ao mesmo

tempo estarão cumprindo a lei destacada.

2.3.2 Eficiência Energética em Exaustores, Ventiladores e Sistemas de Ar

Condicionado

No Brasil são desenvolvidas várias campanhas para a conservação da energia

elétrica. A criação do Procel (Programa Nacional de Conservação da Energia

Elétrica) em 1985 demonstra as preocupações com o tema que anteriormente era

38

deixado de lado, pois a abundância em energia elétrica proveniente de fontes

hidráulicas propiciava o uso abusivo da mesma.

Atualmente a eficiência energética tem tomado espaço cada vez mais amplo

nos setores de consumo comercial, industrial e residencial, tanto em edificações

públicas, como privadas. A busca pelo aumento da produtividade e lucro conduziu as

avaliações econômicas sobre o custo da eficiência energética e o tempo de retorno de

investimentos aplicados no sentido de trazer benefícios financeiros.

No ano de 1993 o Selo Procel, produto da ELETROBRÁS, foi criado para

qualificar a eficiência energética de eletrodomésticos, e tem encontrado expansão

sucessiva no mercado nacional desde então. Equipamentos como refrigeradores,

condicionadores de ar, motores elétricos, lavadores de roupa possuem tal selo.

Como os resfriadores evaporativos podem ser utilizados praticamente em

todos os setores apresentamos a evolução do consumo de energia elétrica por setores

na Figura 15.

Figura 15 – Consumo de energia elétrica no Brasil por setores Fonte: Balanço Energético Nacional (2010)

O uso de ventiladores e exaustores industriais integra o conjunto de carga

denominado cargas motrizes, quando conveniente a aplicação do conversor de

frequência é devidamente efetuada. A Figura 16 evidencia este potencial.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

Cons

umo

(TW

h)

OUTROS

COMERCIAL

INDUSTRIAL

RESIDENCIAL

39

Figura 16 – Consumo de energia elétrica no setor industrial no Brasil Fonte: Balanço Energético Nacional (2010)

2.3.3 Uso de Dispositivos de Automação e Controle em Interface com

Conversores de Frequência

Atualmente vários dispositivos vêm sendo utilizados em conjunto com o

conversor de frequência de forma a comandar este dispositivo e efetuar o

acionamento do motor apenas na proporção necessitada para um trabalho

desenvolvido.

Tais dispositivos podem ser programadores horários que acionam os motores

a diferentes frequências ao longo do dia. No caso da temperatura que possui variação

horária devido à influência da variação da temperatura externa ao ambiente

climatizado, o conversor de frequência pode ser aplicado convenientemente em

condicionadores de ar e em sistemas de climatização por resfriamento evaporativo.

Nos programadores horários é possível obter diferentes níveis de potência

demandada do sistema comunicando-se por entradas digitais do conversor de

frequência, cada entrada pode simbolizar uma frequência, ou ainda, codificações

adequadas de portas podem possibilitar o acionamento a diversos degraus de rotação.

O número de frequências que podem ser fixados depende exclusivamente da

característica do inversor e de seu número de entradas digitais.

Braga et al (2008) demonstram um protótipo de edificação automatizada com

utilização de sensores externos e internos para estratégias mistas de climatização, tais

como, ventilação, umidificação, aquecimento e desumidificação com a finalidade de

manter a temperatura interna.

40

Neste processo existem, entre outros, equipamentos utilizados chamados

sensores de temperatura e umidade. Estes podem controlar diretamente a entrada

analógica do conversor de frequência que proporcionalmente ao sinal de tensão ou

corrente obtido pelo sensor aciona o sistema a uma dada frequência.

Vale ressaltar que controles mais complexos, com o uso em conjunto de

programações horárias e sensores podem ser ajustados via controlador lógico

programável (CLP) que substitui um operador, funcionando através de uma lógica

programada de acordo com as variáveis medidas por sensores e/ou devido às horas

do dia de acordo com relógio interno.

Dentro deste contexto Wang et al (2008) realizam comparativo entre

diferentes controles PID (Proportional–Integral–Derivative) que é o controle

proporcional de determinado processo a partir de leitura de variáveis internas e

externas e correção para manter uma variável constante, que pode ser, por exemplo a

temperatura. Estes controles são aplicados a aquecimento, ventilação e ar

condicionado efetuando análise de desempenho sobre os mesmos em relação a

manutenção dos pontos configurados (setpoint). Um PID inteligente, que simula a

inteligência artificial humana, tem melhor desempenho quando comparado a um PID

convencional.

2.3.4 Aspectos Simplificados de Conforto Térmico para Sistemas de

Resfriamento Evaporativo

O conforto térmico pode ser definido como o estado de equilíbrio do ser

humano com o ambiente em que o mesmo se encontra, entretanto o alcance deste

equilíbrio depende de várias variáveis de pessoa a pessoa, tais como idade,

metabolismo, sexo, roupas, atividade realizada e estado psicológico no momento.

Além das várias definições de conforto térmico existem também diversas

formas de avaliar o desempenho térmico de resfriadores evaporativos, utilizando de

diversos instrumentos de trabalho. A carta psicrométrica, anteriormente apresentada

na Figura 8, constitui um desses métodos, quando dividida em zonas que indicam os

melhores instrumentos para obter conforto, ou se existe o conforto térmico, tal

método é denominado de zonas de conforto e diversos autores delimitam diferentes

41

zonas considerando até características da população que será analisada. Camargo

(2009) também delimita zonas, dentro da carta psicrométrica para o uso de sistemas

de resfriamento evaporativos diretos e indiretos.

Outro meio de análise de conforto térmico é através da temperatura efetiva

que consiste em um diagrama onde a partir de dados climáticos do meio é obtido o

percentual de pessoas satisfeitas termicamente no interior do ambiente.

O principal meio utilizado para análise neste trabalho é apresentado através

da Figura 17, onde o alcance do conforto térmico é obtido a partir da manutenção da

temperatura entre aproximadamente 20 a 33 °C e umidade relativa entre 30 a 78%,

necessitando por vezes da velocidade do vento fornecida pelo sistema de

resfriamento evaporativo para proporcionar o conforto térmico. A facilidade para se

utilizar tal instrumento também reside no fato de que as variáveis climáticas

coletadas que são temperatura e umidade relativa do ar, coincidem com as mesmas

variáveis utilizadas no diagrama.

Figura 17 – Diagrama de conforto térmico humano Fonte: INMET Disponível em: http://www.inmet.gov.br/html/clima.php?lnk=/html/clima/conforto_term/index.html Acesso 15 de Julho de 2011.

A redução na temperatura e aumento da umidade, assim como seu

desempenho são analisados através das medições e efetuadas sem o propósito de

42

obter pleno conforto térmico, até mesmo porque estas variáveis são as variáveis de

trabalho do sistema.

O sistema é comparado com o condicionador de ar, em simulação, para

proporcionar as mesmas temperaturas obtidas no interior da edificação com simples

adaptações construtivas necessárias e não simplesmente a comparação dos dois

instrumentos na obtenção de conforto térmico. O comparativo de conforto térmico

dos dois sistemas, inclusive, foi tema de dissertação de Massiero (2006), portanto a

foco da pesquisa não está direcionado a efetuar esta análise completa.

2.3.5 O software Energy Plus

O Energy Plus é um software altamente utilizado nas pesquisas sobre

eficiência energética em edificações em todo o mundo por engenheiros e arquitetos.

Foi criado pelo departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) com o intuito de

simular toda a energia utilizada em uma edificação envolvendo a sua envoltória,

efetuando cálculos como da carga térmica, do consumo mensal e anual de energia,

dos custos com energia pela edificação através da inserção das tarifas no programa.

O instrumento é altamente recomendado para simulações por efetuar cálculo

detalhado utilizando variáveis climáticas dos locais em estudo e tornando os

resultados de consumo de energia de um sistema de condicionamento de ar

tradicional ainda mais preciso, mostrando toda a sazonalidade da demanda de energia

elétrica de acordo com as variáveis climáticas do dia e a envoltória projetada.

Haja vista que efetuar mudanças na envoltória e avaliar seu desempenho no

tocante ao consumo de energia, onde se faz necessário o acionamento de

equipamentos que consomem energia elétrica, se torna demasiadamente caro. O uso

de ferramentas computacionais pode indicar as melhores alterações construtivas a

serem implementadas como retrofit ou até mesmo em estágio de projeto de uma

edificação, o que pode posteriormente resultar em uma análise de custos para a

implantação tanto do retrofit como da construção de uma nova edificação.

O uso do software neste trabalho se restringe a cálculos de carga térmica e

consumo de energia de sistemas de condiconamento de ar por compressão de vapor

para manutenção de temperatura de ar semelhante à obtida através do uso do sistema

43

de resfriamento evaporativo acionado via conversor de frequência já implantada em

uma edificação existente.

44

3 MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 MEDIÇÕES EM CAMPO DO SISTEMA DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO COM VENTILAÇÃO FORÇADA ACIONADA POR CONVERSOR DE FREQUÊNCIA

Nesta seção será apresentada a caracterização do local de medição em campo,

do sistema de resfriamento evaporativo utilizado, assim como, das características dos

motores, componentes do sistema de climatização, as descrições do conversor de

frequência e dos equipamentos utilizados na medição das variáveis climáticas e de

energia elétrica.

Um dos objetos apresentados consiste na metodologia de medições efetuadas,

assim como, também um equacionamento empírico desenvolvido para a análise dos

dados coletados.

3.1.1 Características do Local de Medição

As medições foram efetuadas em uma edificação existente localizada na

Avenida Djalma Ferreira de Souza, número 260, setor oeste do bairro Morada do

Ouro, no município de Cuiabá, capital do estado de Mato Grosso. A edificação em

questão se trata de um galpão de alvenaria de área total utilizado para exposições de

trabalhos artesanais, ou ainda em outros tipos de promoção. Este galpão contém 3

painéis evaporativos.

A edificação se localiza próximo ao parque Massairo Okamura e também a

Área de Preservação Permanente do córrego do Barbado. A Figura 18 apresenta a

localização do bairro em Cuiabá, evidenciando seus setores e as áreas de preservação

ambiental (MIRANDA, 2011).

Figura 18 – LocalFonte: adpt. Miranda (2011) As paredes do galpão em estudo possuem espessura de

e existem entradas de ar nas paredes laterais do galpão com

bloquear a entrada

aproximado de 398 m².

Em relação à

direção predominante nordeste.

No teto do galpão existem 10 exaustores eólicos que retiram ar quente do

colchão formado entre o teto

dispositivo atua através da força exercida pelo vento externo, ou ainda, quando

não é suficiente, o próprio processo de convecç

de pressão para que o exaustor retire o ar quente do colchão de ar forma

forro e o teto da edificação.

Localização da edificação em estudo Miranda (2011)

As paredes do galpão em estudo possuem espessura de 150

e existem entradas de ar nas paredes laterais do galpão com told

bloquear a entrada do sol, a área do ambiente climatizado possui um total

m².

orientação solar, o galpão possui fachada frontal orientada na

predominante nordeste.


entre o teto de telha ecológica (tetrapak) e o forro de PVC

dispositivo atua através da força exercida pelo vento externo, ou ainda, quando

o próprio processo de convecção natural proporciona o diferencial

de pressão para que o exaustor retire o ar quente do colchão de ar forma

forro e o teto da edificação. Tais dispositivos são evidenciados na Figura 19.

45

150 mm em concreto

toldos alaranjados para

ambiente climatizado possui um total

o galpão possui fachada frontal orientada na


e o forro de PVC. Este

dispositivo atua através da força exercida pelo vento externo, ou ainda, quando esta

ão natural proporciona o diferencial

de pressão para que o exaustor retire o ar quente do colchão de ar formado entre o

Tais dispositivos são evidenciados na Figura 19.

46

Figura 19 – Detalhes dos exaustores eólicos Fonte: Arquivo pessoal (2011)

3.1.2 Caracterização do SRE Acionado por Conversor de Frequência

Sabe-se que um Sistema de Resfriamento Evaporativo (SRE) direto do tipo

painel de resfriamento é composto basicamente por um motor para ventilação, um

motor para acionamento da bomba d’água de recirculação da água através do painel

de celulose, o próprio painel de celulose, um ventilador e uma grelha para

direcionamento do ar resfriado.

O sistema instalado na edificação em estudo é composto por 3 resfriadores

evaporativos tipo painel, instalados em posições de simetria na parede leste da

construção, as dimensões de cada um dos painéis são indicadas, na Figura 20, com os

detalhes dos valores das dimensões deste, outras características nominais do painel

inseridas na Tabela 1.

47

Figura 20 – Dimensões do resfriador evaporativo Bb100 Munters Fonte: Munters (2009)

Tabela 1 – Dados dos resfriadores evaporativos

RESFRIADOR EVAPORATIVO

MUNTERS Modelo Bb100

Ventilador Axial Vazão 10000 m³/h

Peso seco 125 kg Peso em operação 225 kg

Fonte: Munters (2009)

As especificações dos motores utilizados na ventilação e bombeamento de

água de cada resfriador, assim como, as da bomba d’água são dispostas nas Tabelas

2, 3 e 4.

48

Tabela 2 - Dados do motor de indução do ventilador

Tabela 3 - Dados do motor de indução da bomba d’água

MOTOR WEG STANDARD

Potência 0,5CV Frequência 60 Hz

Corrente 220 V 1,86 A Rendimento (plena carga) 68% Fator de Potência (plena 0,69

Rotação 1730 Temp. Máxima 40°C

Ip/In 5,3 CAT N

Fonte: WEG (2010)

MOTOR WEG STANDARD

Potência 1/6 CV Frequência 60 Hz

Corrente 220 V 0,737 A Rendimento (plena carga) 58,5% Fator de Potência (plena 0,73

Rotação 3500 Temp. Máxima 40°C

Ip/In 5,3 Categoria N

Graus de Proteção IPW-55 Fonte: WEG (2010)

Tabela 4 - Dados da bomba d’água

Moto Bomba Centrífuga de Imersão

Fabricante Texius Modelo UBPS150 Potência 0,12CV

Graus de Proteção IP-55 Rotação 3500 RPM

Fonte: Texius (2010)

Sobre o acionamento do ventilador em questão, descrevendo o equipamento,

o fabricante (Munters, 2000) já evidencia sua preocupação com a redução do nível de

rotação do ventilador, descrevendo seu acionamento independente do uso de

conversor de frequência:

Além do acionamento por

molas que mantém a veneziana firmemente fechada quando o ventilador está fora de

operação. A Figura

dimensões.

Figura 21 – DimensõesFonte: adpt. Munters (2000)

Os ventiladores utilizados nos painéis evaporativos individuais possuem

descrição de acordo com a Tabela 5.

Tabela

Vazão do ar (P. E. = 20 Pa)

O ventilador axial é acionado por

correia, trabalhando com baixa rotação e reduzido nível

de ruído. Possui veneziana acionada automaticamente

através de mecanismo centrifugo e sistema de fechamento

através de molas.

Além do acionamento por polia e correia, este ventilador possui um par de


21 ilustra o ventilador utilizado no sistema bem como

Dimensões dos ventiladores EM30 Munters (2000)


descrição de acordo com a Tabela 5.

Tabela 5 – Ventilador do painel evaporativo

VENTILADOR AXIAL

Marca Euroemme Modelo EM30

Vel. Nom. da hélice 590 RPM Peso Total do ventilador 55 kg

Número de pás 6 Vazão do ar (P. E. = 0 Pa) 13500m³/h Vazão do ar (P. E. = 20 Pa) 11950m³/h

Temp. Máxima 50°C Diâmetro da hélice 760mm

Fonte: Munters (2000)

49

é acionado por polia e

trabalhando com baixa rotação e reduzido nível

de ruído. Possui veneziana acionada automaticamente

através de mecanismo centrifugo e sistema de fechamento

polia e correia, este ventilador possui um par de


entilador utilizado no sistema bem como suas


50

O painel para interação entre água e ar é constituído de folhas de celulose de

fibra longa, nestas folhas são inseridos compostos não solúveis para garantir maior

vida útil aos painéis, estes painéis são disponibilizados em diversas alturas e

espessuras, o painéis utilizados na pesquisa possuem as medidas de 8x12x36 pol. e

são da marca CELdek® fabricado pela Munters (Munters, 2009).

O conversor de frequência que atua no controle da velocidade de rotação dos

ventiladores possui as características ilustradas na Tabela 6.

Tabela 6 - Dados do conversor de frequência

CONVERSOR DE FREQUÊNCIA

Marca Weg Modelo CFW10 0073 T 2024 PSZ In Saída 15,2A Chassis IP 20

Faixa de Temp. 0 - 40°C Faixa Umid. 5 - 90% (sem condensação)

Potência máxima 3,7 kW Fonte: WEG (2010)

3.1.3 Materiais Utilizados na Medição

Para a medição de dados de climatologia foram utilizados 5 medidores de

temperatura e umidade, para a medição de velocidade do vento um termo-higro-

anemômetro e para as medições de energia elétrica foram utilizados dois medidores

de energia elétrica. Para a medição de água foi utilizado um hidrômetro registrador

normal.

Um quadro resumo na Figura 22 mostra os equipamentos utilizados para

efetuar medições de temperatura externa e interna, velocidade do vento, assim como,

o abrigo para medidor de temperatura externa.

51

Figura 22 – Equipamentos utilizados na medição de temperatura, umidade e

velocidade do ar Fonte: (a) e (b) - Arquivo Pessoal; (c) e (d) – Silva (2011)

Para a medição das variáveis de energia elétrica foram utilizados medidores

de energia elétrica SAGA 3000 e o para medição do consumo de água em um dos

painéis foi utilizado um hidrômetro disponível no mercado, suas especificações e

funções estão dispostas na Figura 23.

52

Figura 23 – Equipamentos utilizados na medição de energia elétrica e consumo de

água Fonte: Arquivo pessoal (2011)

3.1.4 Metodologia das Medições

Para efetuar as medições foram utilizadas recomendações de normas técnicas

nacionais, assim como a internacional ISO 7726 (1998). A NBR 16401-2 (2008) traz

as recomendações para avaliações de conforto em edificações. Embora o objeto não

seja na avaliação completa do conforto térmico, até mesmo porque necessitaria de

medições ao longo de todo o ano, as recomendações da mesma foram seguidas na

medida do possível. Recomendações de conforto térmico da ASHRAE (2005),

associação mundialmente conhecida em sistemas de aquecimento, ventilação e

condicionamento de ar, também foram consideradas.

A metodologia também se baseia em trabalhos científicos desenvolvidos no

cenário nacional em que relatam o uso do conversor de frequência na ventilação

forçada e outras que tratam separadamente de sistemas de resfriamento evaporativo.

As medições de temperatura e umidade foram efetuadas no horário comercial,

entre as 08 às 18 horas, de cada dia conforme exemplo de análise desempenho

detalhada e ilustrada por Camargo (2009).

Fanger (1970) sugere que a área avaliada seja dividida em zonas imaginárias

de áreas quadradas iguais, onde no centro de cada uma dessas seja posicionado um

medidor de temperatura. Com a disponibilidade limitada de medidores de

temperatura e umidade, a área climatizada do galpão foi dividida em 4 zonas de área

igual, onde no centro de cada uma destas foi posicionado um medidor de temperatura

e umidade do tipo data logger

relativa interna utilizada neste trabalho é

posicionados internamente

Figura 25.

Figura 24 – Galpão e pontos de instalação de equipamentoFonte: Arquivo pessoal

Figura 25 – Legenda dos pontos do galpãoFonte: Arquivo pessoal (2011)

A matriz de dados de temperatura e umidade relativa internas totalizam,

então, 12 medições

constituindo 121 medições

de acionamento. Como cada medição desta é constituída por 4 medidores, as



data logger HT-500. Cada medição de temperatura e umidade

interna utilizada neste trabalho é constituída pelas médias dos 4

posicionados internamente em cada zona descrita na Figura 24 com sua legenda na

Galpão e pontos de instalação de equipamentos Arquivo pessoal (2011)

Legenda dos pontos do galpão

Arquivo pessoal (2011)


registradas a cada hora, com 10 horas de medição por dia

medições de temperatura e umidade internas para

omo cada medição desta é constituída por 4 medidores, as

53



temperatura e umidade

pelas médias dos 4 data loggers

com sua legenda na


a cada hora, com 10 horas de medição por dia

de temperatura e umidade internas para cada frequência

omo cada medição desta é constituída por 4 medidores, as

54

temperaturas e umidades relativas internas tem seus dados condensados a partir de

484 medições a cada dia. Com 9 dias de medição essas medições totalizam 4356

pares de temperatura e umidade relativa, totalizando 8712 dados coletados.

As temperaturas e umidades externas foram coletadas com sensor do tipo

data logger HOBO modelo U12-012, assim como, as medições internas de

temperatura e umidade relativa, foram efetuadas a partir de registros a cada 5

minutos automaticamente com 121 medições por dia, totalizando 1089 pares de

temperatura e umidade relativa, totalizando 2178 dados coletados externos.

Para que cada medição interna e externa seja comparada simultaneamente se

faz necessária condição de que a edificação não apresente atraso térmico entre os

picos de temperatura considerável, isto é, que as máximas e mínimas de temperatura

externa e interna ocorram aproximadamente no mesmo momento. Com o objetivo de

observar esta questão no primeiro dia de medição foi efetuado monitoramento

interno e externo simultâneo ao galpão com o sistema de resfriamento evaporativo

desligado ou com frequência de acionamento de 0Hz para facilitar a compreensão, o

que simboliza o sistema totalmente desligado.

A NBR 16401-2 (2008) recomenda que para a medição de temperatura e

umidade, para pessoas sentadas e de um ambiente, o medidor esteja a 1,1m do piso e

que para pessoas em atividade e de pé seja posicionado a 1,7m do piso. Entretanto,

neste ambiente desenvolvem-se os dois tipos diferentes de atividades, portanto foi

adotada a altura intermediária de 1,3m, com a finalidade de cobrir os dois tipos de

atividades desenvolvidas no local.

O abrigo para medição de temperatura externa foi posicionado a 21,5m a

Leste do galpão e 1,65 m a frente do mesmo com o objetivo de evitar o

sombreamento exercido por árvores ou muros deixando-o completamente exposto ao

sol. Fabricado em madeira, possui entrada para ventilação e protege o medidor contra

radiação direta. Vale salientar que em seu interior existe uma estrutura que possibilita

o posicionamento do medidor de temperatura e umidade relativa no centro

geométrico do interior do mesmo.

A Figura 26 também evidencia a divisão da parte climatizada do galpão em

zonas e a posição dos medidores de temperatura e umidade, assim como os suportes

para os medidores.

55

Figura 26– Detalhes da localização de medidores climáticos Fonte: Arquivo pessoal (2011)

Os dados de ventilação foram medidos a altura de 2m na linha de 2 dos

painéis, em 4 pontos distintos, simetricamente dispostos da saída de ar do

climatizador até a parede oposta ao painel, efetuadas de 30 em 30 minutos.

Os dias de medições foram escolhidos adequadamente de acordo com

previsões do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) de dias quentes sem

ou com poucas nuvens no mês de Agosto, período recomendado por Carossi (2006)

para utilização dos sistemas de resfriamento evaporativos em todo o estado de Mato

Grosso conforme diagrama apresentado anteriormente na Figura 12.

Nogueira et al (2009) evidenciam que no período entre 23 de Junho a 22 de

Setembro se constitui a estação de inverno em Cuiabá, e que a ventilação constitui

uma estratégia bioclimática para conforto em 19,2% das medições horárias, o

resfriamento evaporativo em 31,7% e o sombreamento em 81%, as duas primeiras

estratégias são utilizadas juntas ou separadas entre si sempre em conjunto com o

sombreamento, assim pode-se perceber que as estratégias são adequadas ao período.

As medições foram realizadas em Agosto por apresentar maior estabilidade

térmica, com clima seco e constituir período entre o extremo seco do mês de Julho e

o calor excessivo do mês de Setembro. Entre os dias 20 a 25 deste mês ocorreu a

chegada de uma frente fria que mudaria as características climáticas para que fosse

constituído um parâmetro razoável de comparação entre os dias.

56

Para cada dia de medição o ventilador axial do sistema evaporativo foi

acionado a uma diferente frequência de rotação na faixa de eficiência energética que

inicialmente foi sugerida de 30 a 60 Hz por Moreira (2006) em sua dissertação e

corrigida posteriormente por Moreira et al (2009) reduzindo a frequência mínima de

acionamento para 25 Hz. Os acionamentos foram feitos dentro da faixa de 25 a 60

Hz, em cada múltiplo de 5Hz dentro deste intervalo.

Na Tabela 7 demonstra-se em que dias as medições foram efetuadas, a que

frequência de acionamento foi alimentado o motor do ventilador do sistema de

resfriamento evaporativo, assim como, os extremos de temperatura e umidade

relativa externos ao galpão em cada dia de medição.

Tabela 7 – Dias de medição (2011)

Data

11/08

15/08

16/08

17/08

18/08

19/08

26/08

27/08

29/08

Frequência

Acionada

(Hz)

0

25

30

35

40

45

50

55

60

Temperatura

Externa

Máxima

Medida (°C)

42,09

40,29

40,86

40,46

40,34

39,83

41,94

40,37

41,65

Temp

Externa

Mínima

Medida (°C)

28,52

29,87

28,72

29,26

30,34

30,34

27,73

30,85

30,47

UR

Máxima

Externa (%)

43,55

43,13

35,95

42,47

48,29

47,9

54,08

45,35

44,84

UR

Mínima

Externa (%)

23,44

14,10

16,45

23,38

26,07

28,78

21,08

27,54

21,80

As medições das variáveis elétricas do sistema foram efetuadas utilizando-se

dois medidores SAGA 3000. Um destes interrompe e mede na entrada geral de

57

energia do sistema (M1) e outro mede especificamente a energia elétrica na entrada

de energia do conversor de frequência que vai aos motores que acionam a ventilação

forçada do sistema climatizador evaporativo (M2).

Esta disposição de dois medidores tem como intuito observar para cada

frequência o percentual que o ventilador acionado por dispositivo eletrônico de

controle de velocidade motriz representa em relação à potência elétrica ativa total

demanda da rede de energia elétrica. A Figura 27 traz o esquema de força e comando

do sistema de resfriamento evaporativo e esta figura foi adaptada através da inserção

dos medidores de energia M1 e M2.

Figura 27 – adpt. Esquema Elétrico de conexão dos medidores de energia SAGA

3000 no quadro de força e comando do SRE Fonte: Munters (2009) A montagem dos medidores do painel de força e comando, assim como, os

principais componentes do sistema elétrico é evidenciada na Figura 28.

58

Figura 28 – Detalhes de instalação de medidores de energia elétrica Fonte: Arquivo pessoal (2011) A partir da observação desta ilustração é possível perceber que o circuito de

força é interrompido e passa por dentro dos medidores de energia elétrica,

coincidindo com a montagem anteriormente apresentada na Figura 26.

Os medidores de energia Saga 3000 medem a potência elétrica ativa, entre

outras variáveis, a cada 2 segundos, entretanto, foram programados para registrarem

valores a cada 5 minutos, onde as médias de 150 medições efetuadas de potência

elétrica ativa em cada um destes intervalos foram registradas. Para cada frequência

de acionamento foram feitos 121 registros de potência elétrica ativa, sendo cada um

composto por 151 medições efetuadas a cada dois segundos, totalizando 18.271

dados por dia a cada medidor, constituindo total de 36.542 envolvendo dois

medidores de energia, um geral, instalado na entrada de energia do sistema, e outro

específico, na alimentação do conversor de frequência. A matriz total de dados

utilizadas, para cada medidor, nos 8 dias de medição, foi de 146.168 dados, para os

dois medidores foi utilizado um total de 292.336 dados que foram condensados em

1.936 registros.

Mas cabe ressaltar que dos dados condensados, apenas 121 dados de

grandezas elétricas de cada medidor foram registrados para cada medidor em cada

dia de medição, totalizando 242 conjunto de dados por dia de medição, como foram

registrados 21 canais para cada medidor foram registradas uma matriz de 40.656

dados incluindo para cada medidor de grandezas como frequência de entrada, tensão

59

mínima e máxima de cada fase, corrente, potência ativa e potência reativa de cada

fase, potência ativa trifásica e potência reativa trifásica.

As coletas de dados são efetuadas em cada pulso conforme consta na NBR

14519 (200) que trata da especificação de medidores eletrônicos de energia elétrica,

no caso do Saga 3000 os pulsos ocorrem de 2 em 2 segundos.

Após a percepção de que a potência elétrica ativa solicitada não era função

das variáveis climáticas externas e praticamente função da frequência de

acionamento, foi então efetuada a substituição do conversor de frequência por um

disjuntor. Este disjuntor acionou os 3 motores de 0,5CV em paralelo da ventilação

com a finalidade de medir o sistema funcionando acionado pela frequência nominal

da rede, isto é, em partida direta, para que este acionamento fosse comparado com o

uso do conversor de frequência. A montagem foi efetuada no dia 30 de Agosto com

medições de 1 em 1 minuto, durante 2 horas, totalizando uma matriz de 121 dados,

com mesma quantidade de dados obtidos para cada frequência acionando o sistema

durante 10 horas de 5 em 5 minutos.

Para a medição do consumo de água foi registrado o valor da leitura às 08

horas e ao final do dia às 18 horas, a montagem foi efetuada no encanamento vertical

de entrada de água que chega ao painel por queda natural. Os detalhes de instalação

são ilustrados na Figura 29.

Figura 29 – Detalhes de instalação do hidrômetro Fonte: Arquivo pessoal (2011)

60

3.1.5 Equacionamento Proposto para Análise

Para análise dos dados de temperatura (°C), umidade relativa (%) e potência

elétrica ativa (W), com a proposta de envolver as 3 variáveis de maneira adequada

foi desenvolvido um equacionamento empírico que toma por bases os melhores e

piores resultados obtidos como parâmetros.

A proposta desta equação completa o conceito que avalia somente a eficiência

de climatização do sistema já mostrada na Eq. 15, que compara o máximo de

resfriamento possível com o resfriamento obtido na prática e também o conceito de

potência ativa economizada, retratado por Moreira (2006) no uso do conversor de

frequência para um sistema de ventilação industrial.

A equação possibilita a utilização de pesos de importância das grandezas de

acordo com a medição efetuada em dados momentos. Isto permite que a eficiência

global possa ser devidamente analisada de acordo com as condições horárias

necessárias, podendo fornecer subsídios no planejamento da automação do sistema

com programadores horários, sensores de temperatura e umidade, assim como,

efetuar um comparativo adequado entre as frequências de acionamento. A expressão

de análise empírica será apresentada por partes, para que seja melhor visualizada e

compreendida, a Eq. 16 mostra a soma final das contribuições de temperatura,

umidade e energia.

( ) 100Termo higro energética T Ur EC C C Eq.16

Onde:

휀 é : Coeficiente convectivo de transferência de calor (kJ/m²sK);

퐶 : Componente térmica (adimensional); 퐶 : Componente de umidade relativa (adimensional); 퐶 : Componente de energia elétrica (adimensional);

A seguir são apresentadas as componentes individuais da Eq. 16., em 3

equações, as Eq. 17 a 19.

61

.( .)

externa internaT T

máx mom

T TC KR

Eq.17

.( .)

interna externaUr Ur

máx mom

Ur UrC KAUr

Eq.18

( ) .

. .E

a PD máx aE

a máx red

P PC K

P

Eq.19

Sendo:

퐾 : Constante de importância térmica (adimensional);

퐾 : Constante de importância higrométrica (adimensional);

퐾 : Constante de importância energética (adimensional); 푇 : Temperatura externa medida em um momento “m” (°C); 푇 : Temperatura interna medida no mesmo momento “m” (°C);

푅 á .( .) : Redução máxima de temperatura obtida no momento “m” em todos

os dias de medição (°C); 푈푟 : Umidade relativa externa medida em um momento “m” (%); 푈푟 : Umidade relativa interna medida no mesmo momento “m” (%);

퐴푈푟 á .( .) : Aumento máximo de umidade obtido no momento “m” em todos os

dias de medição (°C); 푃 ( ) á . : Potência ativa máxima obtida em partida direta na medição na

conexão direta a rede de energia elétrica (W); 푃 : Potência ativa medida no mesmo momento “m” que efetuadas as

medições de temperatura e umidade (W); 푃 á . . : Potência ativa reduzida máxima no momento “m” em relação à

potência ativa máxima obtida na partida direta (W);

A partir da observação das equações é possível perceber que cada medida

efetuada das 8 às 18horas será comparada entre si no tocante a temperatura e

62

umidade. Entretanto, na parcela relativa à influência da energia elétrica, será adotado

como parâmetro o maior valor demandado de potência ativa obtido na medição em

partida direta, considerando a pior hipótese de consumo do sistema ligado a rede.

Inserindo as equações 17, 18 e 19 na equação 16 foi obtida a equação

desenvolvida da Eficiência Termo-Higro-Energética e esta é mostrada na Eq. 20

apresentada a seguir.

( )

.( .) .( .) . .

100a PD aexterna interna interna externaTermo higro energética T Ur E

máx mom máx mom a máx red

P PT T Ur UrK K KR AUr P

Eq.20

Para que esta equação seja utilizada para diversas medições ao longo do dia e

a comparação possua um sentido real, se faz necessária a condição imposta pela Eq.

21, até mesmo para que a Eficiência Termo-Higro-Energética seja limitada ao valor

de 100%:

1T Ur EK K K Eq.21

Também se faz necessário que cada constante “K” seja positiva e menor que

1, para que a eficiência global se situe entre 0 a 100%.

3.2 SIMULAÇÕES COM SOFTWARE ENERGY PLUS

Os principais enfoques desta seção estão ligados a apresentação da

metodologia de simulação do galpão climatizado evaporativamente, objeto de estudo

desta pesquisa.

Não é objetivo desta a apresentação de detalhes minuciosos da simulação,

mas sim a idéia da mesma e seu papel no contexto do trabalho. As condições de

comparação entre condicionadores de ar e o Sistema de Resfriamento Evaporativo

são apresentadas, a adequação do galpão para uso das duas estratégias de

climatização é ilustrada assim como o modelo virtual do galpão, e, por fim, a

metodologia comparativa de alternativas propostas.

63

3.2.1 Comparação entre SRE e Condicionador de Ar

As características dos dois sistemas de climatização em questão são bem

distintas. Enquanto os Sistemas de Resfriamento Evaporativo requerem saída de ar

do ambiente, os sistemas de condicionamento de ar não, portanto para que ambos

possam ser utilizadas em um mesmo ambiente adaptações construtivas são

essenciais. Outra característica importante é que os sistemas que efetuam

climatização por evaporação não requerem boas performances de amortecimento

térmico como os sistemas tradicionais por compressão do ar.

Para que a comparação seja efetuada de maneira adequada o ajuste da

temperatura do ambiente do condicionador de ar terá de manter uma temperatura

obtida pelo sistema de resfriamento evaporativo para proporcionar conforto sem

necessidade de ventilação de acordo com o diagrama de conforto térmico humano

apresentado anteriormente na Figura 17, deve, portanto manter uma temperatura de

no máximo 30°C, para manter o ajuste mais seguro ao conforto térmico o sistema de

condicionamento de ar foi ajustado para 25°C. Entretanto os sistemas convencionais

não proporcionam o controle da umidade, portanto o ajuste será efetuado apenas para

temperatura, vale ressaltar que a principal análise será efetuada em torno da

eficiência energética no tocante as duas estratégias de comparação.

Serão simulados a demanda e o consumo de energia elétrica do condicionador

de ar no ano todo e apenas no período inadequado ao uso do resfriamento

evaporativo fornecido por Carossi (2006), para que análises comparativas entre

combinações sazonais de uso dos dois sistemas possam ser efetuadas.

O confronto de desempenho entre os dois sistemas de climatização já são alvo

de estudos de diversos autores no tocante ao conforto térmico, como é o caso dos

estudos de Massiero (2006), o propósito deste trabalho consiste no comparativo do

uso isolado do condicionador de ar com o uso misto sazonal com incorporação do

sistema evaporativo de climatização.

Djunaedy et al.(2010) tratam do sobredimensionamento de condicionadores

de ar e sua influência negativa na demanda de potência do sistema elétrico,

ressaltando a importância no dimensionamento da carga térmica do ambiente que

receberá um sistema de condicionamento de ar. A potência de refrigeração neste

64

trabalho será calculada através do Energy Plus, que dimensiona corretamente a carga

térmica da edificação considerando a maioria das variáveis envolvidas neste cálculo.

Para a escolha da temperatura de manutenção ajustada no condicionador de ar

se faz necessária a compreensão do funcionamento do ajuste automatizada efetuado

no funcionamento do condicionador de ar, comumente mais observado nos sistemas

split. A Figura 30 ilustra de maneira sucinta o funcionamento do compressor de um

sistema de condicionamento de ar de acordo com a temperatura do ambiente.

Figura 30 – Funcionamento do compressor de ar condicionado automatizado Fonte: adapt. Djunaedy et al (2010) Através da Figura 30 é possível perceber que tanto o tempo em que o

compressor do sistema fica ligado quanto o tempo em que o mesmo permanece

desligado dependem do tempo em que a edificação atinge o pico de temperatura

permitido acima ou abaixo do ajuste efetuado. Portanto, fatores como a envoltória da

edificação e a carga térmica em seu interior são essenciais na análise da demanda e

do consumo desses sistemas. Portanto, os condicionadores de ar tradicionais do tipo

split funcionam em uma faixa de temperatura onde o funcionamento do compressor

está ligado diretamente ao alcance destes níveis de temperatura, entretanto o Energy

Plus simula condicionadores de ar que mantém a temperatura sem muitas variações

de temperatura.

O clima local também tem sua devida importância na análise deste gráfico,

uma vez que o mesmo influencia na carga térmica do ambiente. De acordo com

Mascaró (1992) o clima, que é um dos elementos fundamentais para o consumo de

energia da edificação, vem sendo muito discutido mais é pouco valorizado durante a

concepção do projeto da mesma. Esta situação é observada até hoje, entretanto

65

utilizar temperaturas locais em softwares como Energy Plus facilita a inclusão dessas

novas variáveis nos cálculos de consumo de energia elétrica e carga térmica da

edificação.

3.2.2 Adequação do Galpão para Uso de Condicionador de Ar

As adaptações construtivas serão efetuadas nas entradas e saídas de ar do

galpão que serão substituídas por janelas de vidro. Não é desejado alcançar um

desempenho térmico ideal do galpão e sim tornar o local ao menos adequado ao uso

do ar condicionado, embora se saiba que alterações adequadas na envoltória podem

reduzir consideravelmente o consumo de energia da edificação. Para viabilizar o uso

de sistemas mistos serão apenas fechadas as entradas e saídas de ar com vidro e

cobertos pelas lonas existentes.

Possuindo este galpão aberturas protegidas por lonas simples de espessura de

1milimetro, serão colocadas janelas de vidro após cada lona, ao lado de dentro do

galpão que diminuirá a entrada de calor por radiação quando utilizado o ar

condicionado e permitir a posterior abertura para uso de Sistemas de Resfriamento

Evaporativo.

Para obter as características dos materiais utilizados nesta adaptação para

simulação a NBR 15220-2 (2005) foi utilizada, assim como a base de dados

disponibilizada pela ASHRAE na pasta de instalação do programa no arquivo

“ASHRAE_2005_HOF_Materials.idf”.

3.2.3 Galpão Simulado no Software Energy Plus

A primeira simulação efetuada com o software consiste na reprodução do

galpão em estudo, atentando em sua área interna e externa, na espessura dos

materiais utilizados e nas respectivas posições e tamanhos dos componentes da

edificação em estudo, facilitando a inserção de dados para que os mesmos possam

ser substituídos por outros materiais na posterior adequação a ser efetuada.

Para melhor aproximação do modelo com a realidade os dados de

temperatura locais, foi utilizado o arquivo climático “epw” de Cuiabá, obtido do

66

Departamento de Energia dos Estados Unidos disponível em

“http://www.eere.energy.gov”.

Na Figura 31 é ilustrada a parte interna do galpão simulado, comparando-a

com foto do mesmo e em mesma posição com a intenção de destacar as semelhanças

entre o modelo criado em software e a edificação em campo. Eventualmente,

algumas adaptações foram efetuadas devido a dificuldades com algumas funções do

software como a função de inserir um telhado curvado, de forma que um telhado

triangular simples foi utilizado na simulação.

Figura 31 – Parte interna do galpão: Simulação versus Campo Fonte: Arquivo pessoal (2011)

3.2.4 Alternativas Comparativas Propostas

Após efetuadas as simulações de demanda e consumo de energia elétrica e

com os dados do comportamento da potência elétrica ativa do sistema de

resfriamento evaporativo as alternativas de uso do condicionador de ar isolado e

misto com o sistema de resfriamento evaporativo sazonais são comparadas ao longo

de um ano.

O uso de dispositivos de automação como programadores horários e sensores

de temperatura e umidade são comparados nas propostas de sistemas mistos,

posteriormente a economia de energia elétrica e demanda das propostas são

colocadas em ranking de menor para maior eficiência energética.

67

Para a escolha do melhor ajuste de frequência ao longo do dia, com

programador horário, o equacionamento proposto neste trabalho é utilizado,

escolhendo os coeficientes de importância de energia, temperatura e umidade

adequadas para cada 5 minutos de acordo com os dados externos de temperatura e o

desempenho do sistema de resfriamento evaporativo nas diversas frequências de

acionamento.

Para simulação de utilização dos sensores de temperatura serão escolhidas as

frequências que proporcionem maior economia de potência ativa e mantenham o

ambiente em um conforto adequado de acordo com a temperatura externa e assim

será utilizada a técnica dos mínimos quadrados para obter uma função adequada de

ajuste de temperatura externa por frequência de acionamento do sistema. A

simulação dos sensores de umidade estará presente na autorização de ligação das

bombas d’água quando a umidade externa estiver abaixo de um patamar de 60%.

A Figura 32 ilustra o comparativo das alternativas propostas em um ano, esta

comparação será efetuada tanto no âmbito da economia percentual de energia elétrica

ativa como no da econômica de demanda por potência elétrica ativa.

Figura 32 – Comparativo de alternativas de uso misto ao longo do ano Fonte: Arquivo pessoal (2011)

Para a simulação da programação horária será feito o cálculo do consumo

diário de energia composto por acionamentos em diferentes frequências de acordo

com observações horárias e os resultados obtidos utilizando a metodologia e a

variável criada e nomeada como Eficiência Termo-Higro-Energética que leva em

68

consideração a redução de temperatura, o aumento da umidade relativa e a economia

de energia elétrica.

A simulação de uso de sensores de temperatura é efetuada, a partir dos dados

externos de temperatura do dia de maior extremo de temperatura para sensor de

temperatura e baixa de umidade para o sensor de umidade dentre os dias de medição,

e considerar o consumo de todos os dias como sendo o dia de mais exigência do

sensor, o que representaria a pior hipótese no uso dos sensores.

69

4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS

Para este capítulo o objetivo é apresentar os dados obtidos a partir da coleta

de campo e evidenciar através dos mesmos as vantagens provenientes do uso do

conversor de frequência na ventilação forçada do sistema de resfriamento

evaporativo.

Os complementos futuros a serem efetuados da pesquisa são apresentados e

brevemente explicados.

4.1 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS

Nesta seção será analisada a influência do conversor de frequência na

potência elétrica ativa solicitada do sistema, assim como, a influência no consumo de

água, na velocidade do ar e no conforto térmico do ambiente.

4.1.1 Comparativo de Potência Elétrica Ativa

Em uma pesquisa de eficiência energética, um dos principais enfoques é o

uso racional da energia elétrica através de técnicas que minimizem o uso da energia

elétrica, nesta situação o conversor de frequência pode em alguns casos trazer

benefícios tanto para o consumo quanto para a demanda, ou apenas beneficiar uma

dessas variáveis.

Os estudos de Anunciação (2011) e Vasconcellos et al. (2010) tratam do uso

do conversor de frequência em sistemas de elevação de produtos agrícolas. Foi

observado que tal estratégia ocasionou a redução de demanda de potência elétrica

ativa, entretanto, não ocasionou redução de energia para carregar uma mesma carga.

O elevador sendo acionado a uma menor velocidade, e, assim demandando menor

potência, necessitaria de maior tempo para carregar a carga em questão e como

energia é o produto entre potência e tempo a diminuição de potência e aumento do

tempo levaria praticamente ao mesmo consumo a várias velocidades.

No caso do sistema em estudo desta pesquisa nota-se que o mesmo pode

apresentar um acionamento a diferentes velocidades ao longo do dia, haja vista que

70

depende de condições climáticas que variam de forma horária como evidenciado,

adiante na Figura 34, solicitando menor ou maior vazão de ar úmido no ambiente

climatizado.

Através da Figura 33 é possível observar o comportamento da média de

potência elétrica ativa registrada entre cada 5 minutos, das 08 às 18 horas, para cada

frequência de acionamento.

Figura 33 – Potência elétrica ativa ao longo de cada dia na mesma frequência de

acionamento

Através da análise da figura é possível perceber que a potência elétrica ativa

demandada não sofre influência direta da variação horária da temperatura. A Figura

33 traz, em forma sugerida por Moreira (2009) a redução de potência ativa a cada

frequência em relação ao acionamento direto. Como o conversor de frequência

aciona o ventilador do sistema, a economia especifica é maior, entretanto a influência

percentual na economia de energia em todo o sistema também é apreciável por

atingir patamares superiores à 60 %.

71

Figura 34 – Redução de potência ativa apenas nos ventiladores e no sistema como

um todo em relação ao acionamento direto

A intenção da Figura 34 é ressaltar o percentual de possível redução de

potência ativa em relação a todo o sistema de climatização evaporativa,

especificando a maior influência nos motores dos ventiladores, pois os mesmo são

acionados por conversor de frequência.

A expressão utilizada por Moreira (2009) foi adaptada para esta pesquisa,

obtendo o seguinte formato:

100PD fPA

PD

PA PAR

PA

Eq.22

Sendo: 푅 : Redução de potência ativa (%); 푃퐴 : Potência ativa média na partida direta (W); 푃퐴 : Potência ativa média na frequência acionada “f” (W);

4.1.2 Desempenho da Envoltória

Para que as medições de temperatura interna e externa pudessem ser

consideradas simultâneas não poderia existir um atraso térmico considerável entre os

72

picos de temperatura externa e interna. Esta comparação foi obtida a partir da

medição interna e externa simultaneamente sem acionamento do sistema de

resfriamento evaporativo e encontra-se ilustrada na Figura 35.

Figura 35 – Temperatura externa e interna com o SRE desligado

Esta figura também possui finalidade de evidenciar o máximo amortecimento

térmico, assim como, responder se há atraso térmico considerável nesta edificação de

forma que possibilite as comparações de temperatura interna e externa medição a

medição em tempo real. Como foi observado o amortecimento máximo foi de 3,93°C

e as formas da temperatura externa e interna não possuem atraso entre si, com

semelhança até no formato das mesmas.

4.1.3 Análise de Temperatura e Umidade

As Figuras 36 a 43 ilustram o comportamento simultâneo de temperatura e

umidade relativa do ar externo e interno ao longo de cada dia de medição, a cada

frequência acionada, os principais objetivos na exposição de tais ilustrações residem

na análise simultânea do comportamento das variáveis internas e externas de

temperatura e umidade relativa e suas influências mútuas, notar em cada gráfico os

períodos onde a temperatura externa necessita ou não de maior esforço do sistema de

resfriamento evaporativo e enxergar fenômenos decorridos em menores intervalos à

cada dia de medição.

73

Figura 36 – Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do

SRE com ventilador acionado a 25Hz

Para a frequência de 25 Hz, na Figura 36, a umidade relativa interna alcançou

uma máxima de aproximadamente 55% e uma mínima de aproximadamente 30%,

mantendo a umidade relativa dentro da zona de conforto de acordo com o diagrama

do conforto térmico da Figura 17. A temperatura esteve aproximadamente entre 28 a

34 °C.



Em 30Hz, Figura 37, a temperatura interna se manteve entre 36 a 55%, com o

mínimo de umidade aumentado, até mesmo porque a umidade externa neste dia foi

aumentada e a temperatura interna esteve entre 26 a 34 °C apresentando uma faixa

74

maior de variação tanto na temperatura quanto na umidade relativa. Vale ressaltar

que a umidade deste dia teve patamares mínimos superiores à 17% e à 25Hz a

umidade relativa mínima esteve em torno dos 15%.



Na frequência de 35Hz, na Figura 38, a temperatura interna aproximadamente

ficou entre 26 a 32 ºC e a umidade relativa interna permaneceu entre 45 a 65%. Nota-

se que a temperatura interna até aqui apresenta variações com o aumento da

frequência, entretanto as diferenças entre as máximas foram de 1 a 2°C.



75

Percebe-se, na Figura 39, que continuidade na tendência da umidade interna

aumentar com o aumento da frequência de acionamento dos motores dos ventiladores

do sistema de resfriamento evaporativo devido ao aumento de vazão do ar úmido no

galpão.



A 45Hz, ilustrado na Figura 40, a temperatura se mantém inferior a 32°C e a umidade relativa interna acima de 50%, mantendo-se na faixa de conforto térmico durante todo o horario comercial, com alguns momentos demandando o auxilio da ventilação de acordo com a Figura 17. Estas questões serão mais bem detalhadas no próximo item desta dissertação.

Figura 41 – Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do SRE com ventilador acionado a 50Hz

76

A 50Hz, Figura 41, a temperatura é ainda mais reduzida e atinge um máximo internamente de aproximadamente 31 °C e a umidade relativa interna é mantida acima de 50 e até 60%.



Com um dia mais úmido para a frequência de 55Hz, na Figura 42, o pico de umidade interna decaiu, entretanto manteve-se entre 30 a 80% não sendo muito úmido ou muito seco de acordo com o diagrama do INMET (Figura 17).



Observa-se, na Figura 43, que as variáveis climáticas no acionamento à 60Hz possuem um comportamento semelhante ao acionamento à 55Hz.

77

As Figuras 44 e 45 ilustram o resumo do comportamento de temperatura e

umidade com seus máximos e mínimos de cada dia, a cada frequência acionada, os

extremos de redução de temperatura e aumento de umidade dentro do galpão

climatizado também são evidenciados. A redução de temperatura constitui a

diferença entre a temperatura externa e interna à edificação, e a mesma é calculada a

partir da média entre cada diferença da temperatura externa e a temperatura interna

de cada zona. O aumento da umidade é obtido de maneira análoga, porém, é dado

pela média das diferenças entre cada umidade relativa interna de cada zona e a

umidade relativa externa ao galpão.

Figura 44 – Extremos de temperatura externa e de redução de temperatura para cada

frequência de acionamento

Figura 45 – Extremos de umidade relativa externa e de aumento de umidade relativa

para cada frequência de acionamento

78

Através da Figura 44, percebe-se que a redução máxima de temperatura se

assemelha a forma da temperatura externa máxima, apontando que a temperatura

externa efetua maior influência na redução de temperatura no ambiente do que a

frequência propriamente dita. Já a Figura 45 evidencia a velocidade de acionamento

do ventilador efetua maior influência nas variáveis climáticas internas, pois mesmo

com umidade mínima diária menor em 30Hz com os 50Hz obteve-se um aumento de

umidade relativa interna 5% maior, e isso ocorre devido ao aumento de pressão

fornecido para o processo de evaporação da água.

Os dados de temperatura externa máxima e redução de temperatura máxima

interna diária foram condensados, na Figura 46, aos dados de umidade relativa diária

mínima e aumento de umidade relativa diária máxima, com o intuito de observar a

influência entre temperatura e umidade externas, nas mesmas variáveis internas. A

intenção de construção desta figura a partir dos dados obtidos em campo é evidenciar

a influência mútua das variáveis entre si, sendo estas: frequência de acionamento,

temperaturas e umidades relativas externas e internas.

Figura 46 – Influência mútua de temperatura e umidade relativa

Pode-se observar que para 50Hz a mínima externa de umidade foi a menor e a

temperatura máxima externa a maior o que coincidiu com a maior redução de

temperatura e aumento de umidade nesta frequência. Um indício interessante ocorreu

entre as frequência de 35 e 40Hz, mesmo que uma maior vazão de ar seja inserida no

galpão a 40Hz como a umidade mínima para 35Hz foi ligeiramente menor, a redução

79

de temperatura e o aumento de umidade foram maiores para 35Hz o que evidencia a

influência da umidade externa no desempenho do sistema.

Com o intuito de avaliar as maiores reduções de temperatura ao longo do dia

em todos os dias de medição e, também, quais frequências foram responsáveis por

tais reduções foi construído um gráfico composto das reduções máximas de

temperatura a cada momento utilizando toda a matriz de dados e apresentando em

qual frequência ocorreu esta redução (Figura 47).

Figura 47 – Máximas reduções de temperatura e frequências responsáveis

Pode-se notar que a frequência de 50Hz proporcionou a maior parte das

reduções máximas de temperatura devido ao equilíbrio entre efetividade de

resfriamento e vazão de ar úmido no ambiente. Nos períodos de baixa da temperatura

externa a frequência de 60Hz obteve melhor desempenho na redução de temperatura,

entretanto, em alguns intervalos deste período a redução de temperatura não possui

necessidade de ser máxima.

4.1.4 Análise Simplificada de Conforto Térmico

Para a análise de conforto térmico foi utilizada uma divisão de zonas de

conforto, desconforto e necessidades para obter o conforto no diagrama do conforto

térmico proposto pelo INMET e já ilustrado neste trabalho através da Figura 17.

80

A Figura 48 traz uma análise do conforto envolvendo a medição de

temperatura e umidade relativa do ar externo com o sistema desligado, para

posteriormente ser comparado com a Figura 49 que apresenta os mesmos dados para

o mesmo dia de medição, porém com a média das medições efetuadas nas zonas

internas do galpão. O plano é verificar se apenas o sombreamento e abrigo da

edificação proporcionam alguma diferença na temperatura e umidade em relação ao

conforto térmico.

Figura 48 – Diagrama do conforto térmico de dados externos com SRE desligado

Figura 49 – Diagrama do conforto térmico de dados internos com SRE desligado

Através destes diagramas foi possível perceber que a maioria dos pares de

temperatura e umidade se manteve fora da zona de conforto, com pequena parcela

necessitando de vento para obter conforto térmico. Dentro do interior do galpão a

ventilação natural possui dificuldade para complementar o conforto e isso ocorre

devido ao uso das proteções de lona nas aberturas de ar. Já para as medições externas

a radiação solar direta acaba acarretando desconforto térmico, e entrando como uma

terceira variável que seria necessária para a determinação do conforto térmico

externo.

Nas Figuras 50 a 65 são ilustrados os diagramas de conforto térmico com os

pares de temperatura e umidade relativa obtidos para cada dia de medição para a

parte externa e interna do galpão com o sistema ligado acionado a diversas

frequências. Através da análise destas, de forma comparativa, será possível perceber

a tendência de deslocamento da temperatura e umidade com o aumento da frequência

e o desempenho de manutenção do conforto térmico para cada frequência.

81

Figura 50 – Diagrama do conforto térmico de dados externos com SRE a 25Hz

Figura 51 – Diagrama do conforto térmico de dados internos com SRE a 25Hz

Através das figuras anteriores foi possível perceber que os pares ordenados de

temperatura e umidade se deslocaram à diagonal inferior direita, a maioria dos pares

que indicavam clima muito seco foi colocada dentro da faixa de umidade adequada,

porém alguns pares permaneceram onde o clima é considerado muito quente

necessitando maior entrada de ar resfriado no ambiente.



O mesmo deslocamento nos pares de temperatura e umidade é percebido na

frequência de 30Hz, entretanto, nota-se que a maioria dos pontos se estabeleceu na

necessidade de vento para conforto, ou no conforto.



82

Com os resultados para 35Hz foi possível perceber que praticamente a

totalidade dos pontos permaneceram dentro da zona da necessidade de ventilação,

com alguns pontos sem esta necessidade para atingir o conforto térmico. Entretanto,

existem pares de temperatura e umidade relativa que permanecem muito próximos à

região de clima muito quente, o que faz com que esta frequência de acionamento não

proporcione confiabilidade para proporcionar conforto térmico parcial ou total.



Em 40Hz percebe-se claramente que a umidade é aumentada e que a

temperatura é reduzida, todavia alguns pares ainda permanecem na fronteira entre a

necessidade de ventilação e o clima muito quente.



A distância com a fronteira do clima considerado muito quente é aumentada

para 45Hz, de forma que a permanência na zona de necessidade de vento conforto e

conforto é garantida.

83



Já em 50Hz grande parte dos pares de temperatura e umidade relativa

permanecem dentro da zona de conforto sem a necessidade de ventilação também

ocorrendo a maior queda dos pontos nas ordenadas, o que indica que ocorreram para

este dia de medição, as maiores reduções de temperatura, o que vem a reforçar o

anteriormente exposto nas Figuras 46 e 47.



Com o aumento da frequência pós 50Hz foi possível perceber um

agrupamento maior dos pontos, o que indica uma maior estabilidade na frequência de

55Hz.



84

Na frequência de 60Hz ocorreu redução de temperatura e aumento de

umidade, entretanto o pares de temperatura e umidade relativa se apresentam uma

distância ligeiramente acima dos pares de 50 e 55Hz, trazendo vestígios que o

aumento desta velocidade, embora aumentado a vazão de ar úmido, a efetividade foi

prejudicada através do aumento da velocidade do ar, conforme visto na revisão

teórica.

Os pontos integrantes na zona de necessidade de ventilação poderão ser

considerados como dentro da zona de conforto se a velocidade do vento no ambiente

for adequada, pois o sistema além de abaixar a temperatura do galpão também

proporciona a ventilação, embora os pontos a 60Hz estejam na necessidade por

ventilação é nesta frequência que ocorre a maior velocidade do vento compensando a

permanência na zona de conforto. Entretanto, com o acionamento a esta velocidade

ocorre uma maior demanda por potência elétrica ativa, portanto, quanto menor a

frequência mantendo o conforto térmico será melhor do ponto de vista da eficiência

energética sem permitir que a condição térmica interna ocasione desconforto. A

norma internacional da ISO (Internacional Standart Organization), nomeada ISO

7730 (2005) e as recomendações constantes pela ASHRAE (American Society of

Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers) na ASHRAE 55 (2004)

estipulam limites de velocidade do vento para proporcionar o conforto térmico.

De acordo com Candido et al (2005) a velocidade aceitável máxima para a

ASHRAE 55 (2004) com objetivo de proporcionar o conforto térmico deve ser no

máximo de 0,8 m/s e já para a ISO 7730 (2005) deve estar entre 0,15 a 0,2 m/s,

entretanto, em sua pesquisa, verifica que para o clima quente e úmido, na cidade de

Maceió-AL, há por parte das pessoas uma maior demanda por ventilação, mostrando

que para este clima, no Brasil, as recomendações internacionais são inadequadas,

com isso a velocidade de vento no ambiente climatizado do galpão pode, ainda, ser

ampliada.

Consoante ao anteriormente exposto na saída do sistema velocidades médias

do vento se manteve na faixa de acionamento, entre 2,77 a 6,59 m/s. Sendo que os

painéis ficam a uma altura de 2 metros do solo a velocidade no vento na altura dos

usuários (1,30 a 1,70m) manteve-se consideravelmente menor, e em direções

85

variadas, dificultando a coleta de dados proporcionada pela convecção no interior da

edificação e também pelo distanciamento do painel até os pontos de coleta.

Torna-se possível considerar, então, que a própria convecção natural no

ambiente de acordo com a velocidade do ar resfriado a altura de 2 metros, mesmo

para a menor frequência de acionamento será suficiente para suprir a necessidade de

ventilação solicitada pelo diagrama de conforto térmico humano (Figura 17).

4.1.5 Consumo de Água do SRE

A Figura 66 descreve o consumo de água de um dos painéis, trazendo as

principais influências no mesmo que são a umidade externa e a frequência de

acionamento do rotor do ventilador.

Figura 66 – Consumo de água em um painel evaporativo para cada frequência de

acionamento

Através da análise do gráfico é possível observar que o aumento da

velocidade do vento é o fator que mais influencia no consumo de água do sistema,

até mesmo porque proporciona maior pressão para que ocorra evaporação da água no

ar, diminuindo a reutilização da água e aumentando a vazão de entrada da mesma,

pois, por exemplo, mesmo que em 50Hz a umidade externa mínima foi menor que

em 55Hz na segunda frequência ocorreu maior consumo de água.

86

O aumento dos patamares mínimos de umidade relativa de 25 a 45 Hz

compensou o aumento de vazão decorrente do aumento da frequência de

acionamento mantendo o consumo de água aproximadamente constante, de 45 a 60

Hz ouve um crescimento de consumo de água praticamente linear embora tenha

ocorrido de 55 para 50 Hz um aumento de mais que 5% na umidade relativa mínima

evidenciando que o fator mais influente no consumo de água, entre 45 e 60 Hz, foi o

aumento de vazão de ar úmido no ambiente.

4.1.6 Velocidade do Ar na Saída do SRE

A Figura 67 evidencia a velocidade de ar na saída do SRE para cada


Figura 67– Velocidade média do ar de saída do SRE para cada frequência de

acionamento

A intenção na construção do gráfico anterior reside na evidência de que o

aumento da frequência de acionamento efetuado através do conversor de frequência

ocasiona um aumento da velocidade do ar admitido ao interior da edificação em

estudo.

O fabricante do painel de celulose oferece as curvas de efetividade de

resfriamento dos painéis para várias espessuras em função da velocidade do vento.

Entretanto a unidade de velocidade do ar é FPM (foot per minute), pés por minuto,

utilizado no sistema inglês de unidades na Figura 68.

87

Figura 68 – Relação da velocidade do vento com a efetividade do sistema

A partir de uma conversão de unidades das velocidades do ar medidos na saída dos painéis é possível obter a efetividade do resfriamento do sistema para o painel de espessura de 8” que é o utilizado no galpão climatizado (terceira curva de baixo para cima).

4.1.7 Dados da Medição em Campo do SRE com Ventilação Acionada por

Conversor de Frequência

As Tabelas 8 e 9 apresentam de forma condensada alguns dados em forma numérica para facilitar a visualização dos mesmos e ressaltar as análises efetuadas nesta análise prévia desenvolvida. A Tabela 8 trata dos dados de temperatura e umidade relativa e a Tabela 9 traz o restante dos dados de fatores, como o uso da água, a velocidade do vento e a demanda por potência elétrica ativa.

88

Tabela 8 – Dados de temperatura e umidade relativa

Freq. Temp. Ext.

Máx.

Temp. Ext. Mín.

Temp. Int.

Máx.

Temp. Int.

Mín.

Red. de

Temp. Máx.

Umid.Ext. Máx.

Umid. Ext. Mín.

Máx. Aum.

de Umid.

Int. (Hz) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (%) (%) (%)

25 40,29 29,87 33,55 28,18 8,65 43,13 14,10 27,74

30 40,86 28,72 33,08 26,43 9,45 35,95 16,45 33,06

35 40,46 29,27 32,06 26,42 9,88 42,47 23,38 36,36

40 40,34 30,34 32,62 27,88 8,86 48,29 26,07 34,70

45 39,83 30,34 31,80 27,70 9,24 47,90 28,78 32,55

50 41,94 27,73 30,50 25,60 12,18 54,08 21,08 38,54

55 40,37 30,85 30,78 26,65 10,70 45,35 27,54 37,50

60 41,65 30,47 31,68 27,20 11,56 44,84 21,80 38,09

Através da observação da Tabela 8 verifica-se que a máxima redução de

temperatura e máximo aumento de umidade ocorreram para a frequência de 50Hz,

onde foi registrada uma redução de temperatura de 12,18°C e um aumento de

umidade de 38,54%, isso porque neste dia ocorreu uma melhor combinação da alta

temperatura e baixa umidade do ar externo e esta vazão compensou a redução de

efetividade do sistema.

Embora o aumento da efetividade de resfriamento ocorra na diminuição da

velocidade do vento dos sistemas em estudo, o aumento da velocidade do vento

também proporciona maior entrada de ar resfriado, então um meio termo de

diminuição de velocidade do vento e aumento da vazão de ar úmido foi observado

para posterior automação do sistema.

Outra observação importante é que a umidade externa máxima no dia de

medição em 50Hz foi a maior de todas e a umidade externa mínima foi a terceira

menor, evidenciando que a maior redução de temperatura e maior aumento de

umidade ocorreram no dia de maior variação tanto da temperatura como da umidade

relativa externa.

89

Tabela 9 – Dados de energia elétrica, água e velocidade do vento

Freq. Potência Ativa

Média do SRE

Redução de potência

ativa do SRE em Relação a

Partida Direta

Redução de potência ativa dos

Ventiladores em Relação

a Partida Direta

Velocidade do Ar na Saída do

SRE

Consumo Diário de

água

(Hz) (W) (%) (%) (m/s) (l) 25 943,91 62,09 75,94 2,77 330,00 30 1049,51 57,85 70,88 3,33 350,00 35 1172,99 52,90 64,81 3,96 355,00 40 1342,68 46,08 56,63 4,51 355,00 45 1611,26 35,29 43,82 5,34 350,00 50 1834,56 26,33 33,04 5,77 460,00 55 2123,10 14,74 19,04 6,20 490,00 60 2486,13 0,00 0,00 6,59 530,00

Através dos dados dispostos na Tabela 9 pode-se destacar que a redução de

potência ativa em relação ao acionamento direto registrada envolvendo todo o

sistema foi de 62,09 %, reduzindo a potência consideravelmente, o que pode

ocasionar redução no consumo de energia com o uso desta frequência de

acionamento quando conveniente. Observando apenas a potência de entrada do

conjunto composto pelo conversor e motores de acionamento dos ventiladores dos

painéis em relação à partida direta nota-se uma redução de aproximadamente 76%

em relação ao acionamento direto, evidenciando o quanto o conversor de frequência

contribui para a racionalização do uso da energia elétrica.

Também é possível perceber na mesma tabela que a velocidade do vento na

saída do sistema aumenta com o aumento da frequência de acionamento e que o

consumo de água também aumenta em proporções adequadas às umidades externas

dos dias de acionamento, de 35 para 40Hz o consumo de água de um dos painéis é o

mesmo ao final do dia, entretanto pode-se verificar na Tabela 8 que a umidade

mínima externa para 35Hz foi aproximadamente 3% menor o que acabou

compensando o aumento da velocidade do vento e mantendo o consumo de água

praticamente o mesmo nos dois dias.

90

Os dados de estatística descritiva de algumas das variáveis climáticas

presentes nas Tabelas 8 e 9 foram dispostos na Tabela 10, com objetivo de evidenciar

a variabilidade das grandezas envolvidas.

Tabela 10 – Estatística descritiva de temperatura e umidade relativa

Variável Especificação 25Hz 30Hz 35Hz 40Hz 45Hz 50Hz 55Hz 60Hz Temperatura Média 37,33 37,79 37,68 37,04 37,39 37,69 37,98 38,71

Externa (°C) Desvio padrão 2,56 2,53 2,18 2,16 1,68 3,17 1,87 1,98

Temperatura Média 31,37 30,96 30,51 30,85 30,17 28,50 29,44 30,04

Interna (°C) Desvio padrão 1,51 1,73 1,40 1,29 0,95 1,34 0,82 1,02

Redução de Média 5,95 6,83 7,17 6,19 7,21 9,18 8,54 8,67

Temperatura (°C) Desvio padrão 1,29 1,31 1,08 1,37 0,90 1,98 1,28 1,14

Umidade Média 21,42 21,06 28,14 31,94 32,43 30,43 32,71 27,98

Externa (%) Desvio padrão 6,80 4,06 3,55 4,79 3,20 7,94 4,04 4,36

Umidade Média 38,59 41,62 54,48 52,79 57,48 59,37 59,01 56,95

Interna (%) Desvio padrão 6,24 5,69 3,80 4,81 1,86 5,37 2,63 3,34

Aumento de Média 17,17 20,56 26,34 20,85 25,05 28,95 26,31 28,97

Umidade (%) Desvio padrão 4,71 4,92 4,07 4,28 3,78 4,01 5,26 3,70

4.1.8 Efetividade do Sistema

A efetividade de resfriamento do sistema é estimada através do uso da curva

fornecida pelo fabricante e da Equação 15 já apresentada, para o cálculo da mesma

foi obtida a temperatura de bulbo úmido do ar que poderia ser obtida por

equacionamento sugerido por Jesus (2002) em programa computacional

desenvolvido e apresentado em seu estudo e também pelo software PSICROM 1.0

desenvolvido por Roriz (2003). Ambos os programas computacionais utilizados para

relações entre ar e água, obtendo, com auxílio destes, a umidade absoluta, pressão de

vapor, temperatura de orvalho e outros a partir dos pares de temperatura e umidade

coletados em campo.

Primeiramente a partir das velocidades médias de vento foram observadas as

efetividades do sistema para cada frequência de acionamento de acordo com a curva

91

oferecida pelo fabricante, e, para isto, se fez necessária a conversão de unidades de

velocidade do vento de m/s (metros por segundos) para FPM (feet per meter) que

coincide com a unidade utilizada no gráfico do fabricante.

Com a velocidade de saída de ar do painel a 25 Hz de aproximadamente

545,4 FPM (2,77m/s) torna-se possível perceber através da Figura 68 que a

efetividade máxima do sistema, garantida pelo fabricante, é inferior a 80% de forma

que a velocidade do vento com o motor do ventilador acionado a maiores

velocidades, ou seja, nas maiores frequências de acionamento seriam obtidas

efetividades ligeiramente menores que 77%.

Um cálculo aproximado da efetividade do sistema foi então efetuado a partir

do uso da temperatura de bulbo seco média e interna do ambiente no lugar da

temperatura de bulbo seco de saída do sistema na Eq. 15, porém este valor não

coincidirá com o valor estimado com uso da efetividade observada no gráfico

fornecido pelo fabricante, até mesmo porque na passagem do ar resfriado pelo galpão

o mesmo acaba sofrendo um incremento de temperatura devido às fontes de calor

que ocasionam o aquecimento do mesmo no interior da edificação.

Entretanto vale a pena observar como se comportou a efetividade calculada,

pois a mesma retrata a proporção entre a redução de temperatura observada em

campo e a hipotética, caso o ar se tornasse saturado na saída do sistema, ou com

umidade relativa de 100%.

A Figura 69 retrata a máxima, mínima e média efetividade para cada


92

Figura 69 – Efetividade mínima, média e máxima calculada para cada frequência

A partir da Figura nota-se que a efetividade máxima maior ocorreu para a

frequência de 50Hz, sendo que a partir desta a efetividade apresenta suave queda o

que pode mostrar que a partir desta frequência o aumento da vazão de ar resfriado

não compensou a redução da efetividade proporcionada pelo aumento da velocidade

do ar no sistema. A tendência do aumento da efetividade com o aumento da

frequência é claramente percebido com exceção da frequência de 40Hz, quando a

umidade relativa externa mínima é aproximadamente 2,69 % maior e a máxima

também é 5,82% maior de acordo com os dados já expostos na Tabela 8, já da Tabela

10 pode-se perceber também que a média de umidade relativa externa é de

aproximadamente 3,8% maior reforçando que a umidade relativa externa no dia de

acionamento em 40 Hz manteve-se a níveis maiores o que resultou em uma menor

efetividade do que em 35Hz.

A Figura 70 mostra o comportamento de efetividade do sistema calculada a

partir dos dados obtidos para todas as frequências de acionamento ao longo de cada

dia que obteve o máximo da efetividade calculada.

93

Figura 70 – Comportamento da efetividade para cada frequência ao longo de um dia

Na análise da Figura 70 pode-se observar que para o sistema de resfriamento

evaporativo a frequência de 60Hz apresentou menor efetividade de resfriamento que

as frequências de 50 e 55Hz evidenciando a questão do aumento da velocidade na

redução da efetividade de resfriamento do ar.

Torna-se interessante ressaltar que a eficiência Termo-Higro-Energética

proposta neste trabalho avaliará o sistema em relação a ele mesmo e através de uma

melhor observação da Figura 68 é possível perceber que níveis maiores de redução

de temperatura podem ser obtidos a partir do aumento da espessura do painel

evaporativo de celulose.

Na efetividade do sistema em estudo duas variáveis se debatem, enquanto a

redução de velocidade ocasiona aumento da efetividade e maior redução da

temperatura de saída do sistema a vazão do ar resfriado no ambiente também diminui

proporcionalmente, então se torna necessário outro método de análise uma vez que a

temperatura do ambiente não depende unicamente da temperatura do ar de entrada,

mas também da vazão deste ar resfriado.

4.1.9 Eficiência Termo-Higro-Energética e Programação Horária

Os pesos teoricamente apresentados no equacionamento para análise e

definição das eficiências Termo-Higro-Energética ponderadas para cada momento de

94

medição foram escolhidos de acordo com análise efetuada a partir dos dados de

campo coletados.

A escolha da variação horária da constante de temperatura (퐾 ) foi baseada

nos níveis de temperatura adequados considerados no diagrama do INMET,

anteriormente exposto na Figura 17 e aplicados entre as Figuras 47 a 64 deste

trabalho. Em contrapartida para a constante de umidade relativa (퐾 ) foram

considerados os limites entre as zonas de umidade relativa adequando o clima a

muito seco até os limites de muito úmido no diagrama de conforto térmico humano

utilizado. Finalmente a constante de energia (퐾 ) foi considerada como complemento

das duas, ou seja, quando a temperatura e umidade apresentam baixa importância a

redução de potência ativa tem seu peso de importância proporcionalmente

aumentado e vice e versa, condizente, assim, com a condição da Equação 21, onde a

somatória das três constantes, positivas e menores que um, de temperatura, umidade

e energia, deve ser numericamente igual a um.

A Figura 71 traz as temperaturas médias internas ao longo de cada dia de

medição e os limites estipulados pelo diagrama do conforto térmico da INMET para

conforto pleno ou com necessidade de ventilação para se obter tal conforto.

Os cálculos apresentados consistem em uma maneira de encontrar as

constantes a partir de dados, entretanto estas constantes poderiam ser arbitradas

conforme as necessidades do usuário de automação que possa requerer maiores

níveis de umidade, ou ainda menores níveis de temperatura, como também menores

patamares de consumo e demanda de energia elétrica ativa.

95

Figura 71 – Comportamento horário da temperatura interna e os limites de conforto

Como parâmetro além do limite de 32,5°C aproximado como limite no

diagrama foi utilizado, por questão de segurança, como referência a temperatura de

32°C que é 0,5°C menor. É possível perceber que das 08 às 10 horas da manhã para a

maioria das frequências a temperatura manteve-se seguramente menor que 32°C para

todas as frequências de acionamento, portanto neste período a importância quanto à

redução de temperatura é nula para esta faixa de frequência. A partir deste raciocínio

foi construída a Tabela 11 com as frequências que seguramente mantém a

temperatura interna abaixo de 32°C com uma margem de segurança, onde

frequências, que permitiram a temperatura chegar próximo de 32°C, não serão

consideradas aptas a manter seguramente o conforto com a necessidade de ventilação

a partir dos dados coletados em campo.

96

Tabela 11 – Garantia de manutenção da temperatura abaixo de 32 °C

Período Frequência de Acionamento (Hz) Início Fim 25 30 35 40 45 50 55 60 08:00 09:00 09:00 10:00 10:00 11:00 11:00 12:00 12:00 13:00 13:00 14:00 14:00 15:00 15:00 16:00 16:00 17:00 17:00 18:00

Garante a temperatura abaixo de 32°C.

Não garante a temperatura abaixo de 32°C.

Esta tabela informa a frequência mínima em que o sistema pode funcionar

garantindo uma temperatura interna menor que 32°C evidenciando também, por

consequência, as frequências que não devem ser utilizadas entre as horas do dia,

nota-se que mantendo a frequência no valor mínimo quando possível para a obtenção

de economia de energia elétrica utilizam-se apenas 4 frequências diferentes, o que

acarreta a necessidade de que o conversor de frequência possua 4 entradas analógicas

para o acionamento horário de um programador ou controlador lógico programável.

As constantes de temperatura (퐾 ) ao longo do dia para o cálculo da eficiência

Termo-Higro-Energética proposto tiveram seus valores inversamente proporcionais à

restrição do uso de frequência do sistema, isto é, no período que todas as frequências

mantêm seguramente a temperatura abaixo de 32°C a constante de temperatura será

baixa e à medida que o uso de frequências menores é restringido, nos períodos mais

quentes do dia, a constante aumenta.

Análise análoga é efetuada para a umidade relativa (%), porém, a faixa de

limite de umidade relativa para conforto térmico é maior, primeiramente a Figura 72

evidencia a variação da umidade relativa média interna no ambiente ao longo do dia

e os limites sugeridos pelo diagrama de conforto térmico utilizado neste trabalho.

97

Figura 72 – Comportamento horário da umidade relativa interna e os limites de

conforto

Já para a umidade relativa (%) foi utilizada a umidade de 40%, ou seja, 10%

acima do limite mínimo sugerido pela INMET para obtenção do conforto térmico

humano. A umidade deve permanecer superior a 30% e inferior a 80%. A partir da

observação da Figura 72, foi construída a Tabela 12 evidenciando as frequências de

acionamento acima de 40%.

Tabela 12 – Garantia de manutenção da umidade relativa (%) acima de 40%

Período Frequência de Acionamento (Hz) Início Fim 25 30 35 40 45 50 55 60 08:00 09:00 09:00 10:00 10:00 11:00 11:00 12:00 12:00 13:00 13:00 14:00 14:00 15:00 15:00 16:00 16:00 17:00 17:00 18:00

Garante a umidade relativa acima de 40 %.

Não garante a umidade relativa acima de 40%.

98

A partir da Tabela 11 é possível calcular os valores de 퐾 ao longo do dia e a

partir da Tabela 12 calcula-se os valores de 퐾 , isto se dá através da suposição que

cada área cinza clara nas tabelas representa um numero de área (푁퐴) que pode ser de

temperatura (푁퐴 ) para a Tabela 11 e de umidade relativa (푁퐴 ) para a Tabela 12,

onde cada área representa um oitavo da totalidade de frequências acionadas, assim os

cálculos das constantes são efetuados através das seguintes expressões:

18

TT

NAK

Eq.23

18

URUR

NAK

Eq.24

Cada constante de energia 퐾 foi então calculada utilizando-se a Eq. 21 onde

a soma das 3 constantes é igual a 1, esta constante então seria 1 subtraído pela soma

퐾 e 퐾 .

A partir deste cálculo foi obtida cada constante da expressão da efetividade

Termo-Higro-Energética que se comportam ao longo do dia conforme ilustra a

Tabela 13.

Tabela 13 – Constantes da expressão da eficiência Termo- Higro- Energética

Período Constantes Início Fim NAt Kt NAur Kur Ke 08:00 09:00 8 0 8 0 1 09:00 10:00 8 0 8 0 1 10:00 11:00 6 0,25 6 0,25 0,5 11:00 12:00 4 0,5 6 0,25 0,25 12:00 13:00 4 0,5 6 0,25 0,25 13:00 14:00 3 0,625 6 0,25 0,125 14:00 15:00 3 0,625 6 0,25 0,125 15:00 16:00 4 0,5 6 0,25 0,25 16:00 17:00 8 0 7 0,125 0,875 17:00 18:00 8 0 8 0 1

É importante relatar que as constantes para a obtenção da efetividade Termo-

Higro-Energética utilizará, no momento de transição, isto é, nos momentos de hora

exata que coincidem com o fim do intervalo horário anterior e começo do próximo,

as maiores constantes 퐾 e 퐾 possíveis ou críticas.

99

Utilizando as variáveis obtidas em campo e as expressões de cálculo da

efetividade global proposta na metodologia deste trabalho tais efetividades foram

calculadas para cada frequência, ao longo do dia, de cada momento, entre 5 a 5

minutos, assim obteve-se a Figura 73.

Figura 73 – Comportamento horário da eficiência Termo-Higro-Energética

A partir da análise da Figura 73 e dos bloqueios das frequências de possível

utilização nos horário tanto para temperatura, como para umidade, dados nas tabelas

12 e 13 foi possível perceber qual a melhor frequência de acionamento considerando

as 3 variáveis envolvidas no processo, de forma que o acionamento e a potência

elétrica ativa seja conforme ilustrado na Tabela 14.

100

Tabela 14 – Frequências acionadas nos períodos e respectivas potências ativas médias

Período Frequência Pot. Ativa Início Fim Acionada (Hz) Média (kWh) 08:00 09:00 25 0,94391 09:00 10:00 25 0,94391 10:00 11:00 35 1,17299 11:00 12:00 50 1,83456 12:00 13:00 50 1,83456 13:00 14:00 50 1,83456 14:00 15:00 50 1,83456 15:00 16:00 50 1,83456 16:00 17:00 30 1,04951 17:00 18:00 25 0,94391

Consumo diário (kWh) 14,22703

O consumo diário é obtido a partir da somatória da coluna das potências

ativas médias, pois cada um dos valores desta coluna representa a potência acionada

durante uma hora, sendo assim, o próprio valor na tabela representa o consumo em

uma hora, somados entre si nas 10 horas acionadas (horário comercial) resulta no

consumo diário médio de energia.

4.1.10 Carga Térmica do Ambiente e Dimensionamento

Para efetuar o cálculo da carga térmica da edificação de simulação foi

utilizada a ferramenta de simulação denominada Energy Plus, inserindo

adequadamente os parâmetros dos materiais existentes em campo e obtendo os

valores de carga térmica para que a vazão do sistema instalado seja conferida com o

resultado do dimensionamento proveniente da simulação computacional.

A carga térmica do galpão foi calculada para o período seco de maneira mais

precisa, para que, com esta, possa ser utilizada a metodologia sugerida por Camargo

(2009) para dimensionar a vazão do sistema de resfriamento evaporativo e conferir

se a vazão utilizada no sistema em estudo é adequada à carga térmica do galpão. A

Eq. 25 é o instrumento pelo qual tal dimensionamento da vazão total de um SRE é

efetuado por Camargo (2009).

101

p

QVC T

Eq.25

Onde: 푉 : Vazão de ar necessária (m³/h); 푄 : Carga térmica do ambiente a ser climatizado (kcal/h);

휌 : Massa específica do ar (kg/m³); 퐶 : Calor específico à pressão constante do ar (kj/kg°C); Δ푇 : Diferença entre a temperatura média obtida com o resfriamento no verão, ou

no período seco, e a máxima temperatura admissível no interior ambiente a ser

climatizado (°C);

Para o dimensionamento da carga térmica do ambiente foram considerados

todos os materiais e espessuras dos mesmos no ambiente, a carga térmica foi

calculada tanto com 200 pessoas assim como para o ambiente sem a presença de

pessoas, todos os equipamentos elétricos emissores de calor no ambiente foram

considerados em ambas alternativas.

A partir da Tabela 15 é possível observar os parâmetros inseridos no

programa Energy Plus para a simulação do galpão em estudo, evidenciando as

características dos materiais utilizados na simulação. Posteriormente os valores de

carga térmica calculados foram inseridos na Eq. 25.

Tabela 15 – Características dos materiais utilizados na simulação de carga térmica

Material Condutividade

Térmica Calor

Específico Espessura Densidade (W/mK) (J/kgK) (m) (kg/m³)

Concreto 1,75 1000 0,3 2400 Forro PVC 0,19 1254 0,01 1200 Lona PVC 0,19 980 0,001 700 Reboco 1,15 1000 0,025 2300

Telha Reciclada 0,49 1700 0,0045 965 Tijolo Cerâmico 0,7 920 0,1 2000

Os dados da telha reciclada (polietileno)

Coutinho et al (2003) considerando que este polietileno seja o de alta densidade foi

utilizado a média das faixas de valores apresentadas em seu trabalho

outros materiais foram provenientes da NBR 15220 (2005)

A carga térmica do ambien

atividade metabólica, foram considerados 2100W de iluminação existente no

ambiente e 1000W de um

térmica resultante foi de 621

sem a presença de pessoas resultou em uma carga térmica de 478.803,08 BTU/h

(120.754,13 kcal/h), sendo assim, uma carga térmica de aproximadamente

142.762,18 BTU/h foi

uma densidade de aproximadamente 0,5 pessoa

A obtenção da temperatura de resfriamento pode ser

dados de temperatura de bulbo seco e de bulbo úmido do ar externo para o verão

encontrados na NBR

regionais, de acordo com o período a ser utilizado o sistema e utilizando curvas de

efetividade fornecidas pelo fabricante.

Para a cidade de Cuiabá, de acordo com a NBR 6401 (2008) a temperatura de

bulbo seco de entrada

entrada de projeto é de 27°C, entrando na tabel

uma temperatura de 28,8°C conforme ilustra a Figura 74.

Figura 74 – Obtenção de temperatura de bulbo seco de saída do painel

Os dados da telha reciclada (polietileno) foram obtidos do trabalho de


utilizado a média das faixas de valores apresentadas em seu trabalho

outros materiais foram provenientes da NBR 15220 (2005).

carga térmica do ambiente foi simulada com 200 pessoas em baixa


de um data show que as vezes é utilizado no local

térmica resultante foi de 621.565,26 BTU/h (156.758,75kcal/h), o mesmo ambiente

pessoas resultou em uma carga térmica de 478.803,08 BTU/h

, sendo assim, uma carga térmica de aproximadamente

foi necessário para suprir a presença de 200 pessoas n

aproximadamente 0,5 pessoas por metro quadrado.

A obtenção da temperatura de resfriamento pode ser feita

dados de temperatura de bulbo seco e de bulbo úmido do ar externo para o verão

encontrados na NBR 6401 (2008), ou então, a partir de dados meteorológicos


efetividade fornecidas pelo fabricante.


de entrada de projeto é de 36°C e a temperatura de bulbo

entrada de projeto é de 27°C, entrando na tabela fornecida pelo fabricante obtém

uma temperatura de 28,8°C conforme ilustra a Figura 74.

Obtenção de temperatura de bulbo seco de saída do painel

102

foram obtidos do trabalho de


utilizado a média das faixas de valores apresentadas em seu trabalho, os dados dos

te foi simulada com 200 pessoas em baixa


que as vezes é utilizado no local. A carga

, o mesmo ambiente

pessoas resultou em uma carga térmica de 478.803,08 BTU/h

, sendo assim, uma carga térmica de aproximadamente

200 pessoas no local, com

por metro quadrado.

feita partindo-se de

dados de temperatura de bulbo seco e de bulbo úmido do ar externo para o verão,

a partir de dados meteorológicos



36°C e a temperatura de bulbo úmido de

a fornecida pelo fabricante obtém-se

Obtenção de temperatura de bulbo seco de saída do painel

103

Camargo (2009) recomenda que a temperatura interna máxima do ar esteja

em torno de 3 a 5 °C acima da temperatura de resfriamento calculada, então a

temperatura deve estar entre 31,8 a 33,8°C, como foi adotada a temperatura de

segurança a ser atingida a de 32°C foi escolhido utilizar esta temperatura, a diferença

de temperatura (ΔT) é dada pela subtração entre 32 e 28,8°C resultando em 3,2°C.

Adotando-se a massa específica do ar (ρ) como 1,25 kg/m³ e o calor

específico do ar como 1,0013 kJ/kg°C e inserindo estes valores em conjunto com as

respectivas cargas térmicas na Eq.25 a vazão obtida foi de 38.686,76 m³/h com 200

pessoas e de 29.801,12 m³/h sem a presença de pessoas no galpão, sendo que a vazão

nominal de cada painel evaporativo é de 10.000 m³/h o sistema está dimensionado

abaixo do calculado para 200 pessoas, necessitando de mais um painel evaporativo, e

adequado para climatizar o ambiente vazio e como as medições foram efetuadas para

o ambiente vazio as mesmas apresentam validade experimental.

Observando este cálculo percebe-se que no dimensionamento a variação da

vazão pelo conversor de frequência não é levada em conta até mesmo para o

ambiente vazio, e para isto a vazão nominal do equipamento deve ser reconsiderada

utilizando-se de maneira aproximada a Eq. 10 apresentada anteriormente onde a

proporção entre as vazões é igual à proporção entre as velocidades angulares do

motor e consequentemente às frequências de acionamento do motor de indução, para

se utilizar o conversor de frequência a 50Hz, por exemplo, a vazão nominal de cada

painel evaporativo cai para 8333,33m³/h e o sistema necessitará de mais painéis para

suprir a vazão total necessária.

4.1.11 Curva de Temperatura e Umidade Versus Frequência e Automação por

Sensores

Nesta seção são desenvolvidas equações através do uso do programa

computacional adequado para os sensores de temperatura interna e externa para que a

partir das medições, possam ser estabelecidas as frequências de acionamento

adequadas para proporcionar conforto e efetuar economia de potência ativa.

Como os sensores trabalham com qualquer frequência possível dentro da

faixa de acionamento torna-se necessária chegar a uma equação que dê a potência

104

elétrica média para cada frequência possível de acionamento, pois a frequência

também será determinada por função matemática obtida a partir dos dados coletados

em campo. Para chegar à expressão de potência por frequência foram utilizadas as

potências médias de cada frequência e utilizando a função polyfit, que aplica a

técnica dos mínimos quadrados automaticamente, através do software Matlab,

ajustando funções das quais foram escolhidas duas e comparadas entre si para

determinar qual é a melhor das funções.

A Figura 75 apresenta os pontos dispostos no gráfico e as funções obtidas

pelo método dos mínimos quadrados.

Figura 75 – Ajuste de potência ativa (W) por frequência de acionamento (Hz)

Dentre as funções obtidas as que tiveram maior aproximação foram a

quadrática e a cúbica. Efetuando teste T pareado entre os dados de campo e os

valores calculados através das funções obtidas o resultado para a função quadrática

foi de aproximadamente de 0,993, enquanto para a forma cúbica foi de 0,996, o que

significa que a forma cúbica é a melhor forma para representar os dados de campo,

coincidindo com a teoria, além de que, um dos valores de diferença entre o calculado

e o medido para a função quadrática resultou em uma diferença absoluta máxima de

aproximadamente 127W e a maior diferença para a função cúbica foi em torno de

33W, e, apenas para a frequência de 55Hz a diferença foi favorável a função

quadrática, portanto, a função adotada foi a cúbica.

105

Para o sensor de temperatura serão agrupados os dados de temperara externa

na faixa de acionamento para cada período e frequência estipulados na Tabela 16 e

os valores mínimos e máximos ocorridos serão lançados na frequência proposta para

o respectivo período do dia na mesma tabela, quando a temperatura externa não

necessitar seguramente de ventilação para conforto térmico, isto é, menor ou igual a

25°C, sendo esta a mínima para umidades maiores no diagrama de conforto térmico,

a frequência de acionamento será nula (sistema desligado), e acima de 25°C será

feita uma análise de ordenação de acionamento de acordo com o mínimo e máximo

para cada frequência no seu período adequado.

A Tabela 16 ilustra a cerca dos valores coletados de temperatura externa para

os períodos melhores para cada frequência estipulados anteriormente na programação

horária.

Tabela 16 – Valores obtidos a partir da análise de temperatura externa

Frequência Temperatura Temperatura Número de Acionada Mínima Máxima dados nos

(Hz) Externa (°C) Externa (°C) períodos 25 27,727 37,838 288 30 36,851 41,356 96 35 34,836 39,177 96 50 36,851 41,942 488

A Tabela 17 mostra os valores arbitrados de períodos de temperatura para a

construção do gráfico de T(°C) por frequência de acionamento, essencial para a

utilização do gráfico.

Tabela 17 – Construção do gráfico para sensor de temperatura

Intervalo de T(°C) Frequência

Início Fim Acionada (Hz) 0 27 0

28 30 25 31 33 30 34 36 35 38 45 50

A partir das frequências arbitradas foram obtidas as duas funções que mais se

aproximaram dos valores conforme já efetuado para a potência em função da

106

frequência. A Figura 76 apresenta as duas melhores funções que se adequaram aos

valores arbitrados, seu objetivo é evidenciar o ajuste das curvas aos pontos arbitrados

de frequência a ser acionada de acordo com a temperatura externa para

posteriormente utilizar a melhor função para simular o sensor a partir de dados reais

de temperatura externa ao galpão coletados em campo.

Figura 76 – Ajuste de frequência de acionamento por temperatura externa

A função linear teve como resultado do teste T o valor de 0,86 enquanto a

quadrática obteve apenas 0,69, portanto a equação linear foi utilizada.

De acordo com dados apresentados na Tabela 8 a máxima temperatura

ocorreu para o dia em que o conversor foi acionado a 50Hz, entretanto a média de

temperatura maior ocorreu para 60Hz, portanto será utilizado para a simulação de

desempenho do sensor de temperatura controlando o conversor de frequência os

dados no dia de acionamento a 60Hz.

Utilizando as funções de temperatura e potência e integralizando a área do

gráfico de potência ao longo do dia chegou-se a um valor de consumo diário de

aproximadamente 15,18 kWh, um consumo diário menor que o acionamento à 45Hz

com economia de aproximadamente 6%, lembrando que o sensor poderá desligar o

sistema em dias de temperatura mais amena, este percentual de economia em relação

ao consumo de energia elétrica ativa na prática será muito maior.

É importante frisar que o sistema em dias com baixas temperaturas e

patamares de umidade relativa inferiores ao limites mínimos de conforto térmico

107

utilizando apenas sensores de temperatura não ocasionaram o conforto térmico, será

necessário então o incremento do sensor de umidade relativa para manter de melhor

forma o conforto térmico no interior do galpão.

Para a umidade foi feito o mesmo processo que para temperatura, entretanto a

umidade exige frequências menores de acionamento, o que, evidentemente, fará com

que a temperatura de conforto não seja mantida, principalmente no período mais

quente do dia, portanto o sensor de umidade poderá deixar a desejar no quesito

temperatura na análise simplificada de conforto térmico.

A Tabela 18 traz dados sobre os valores coletados de umidade relativa

externa (%) para cada medição efetuada, destacando as frequências mínimas exigidas

em relação à umidade relativa externa para acionamento do SRE com os dados de

medição de temperatura nos dias de acionamento.

Tabela 18 – Valores obtidos a partir da análise de umidade relativa externa

Frequência Umidade

Rel. Umidade

Rel. Numero de Acionada Mínima Máxima dados nos

(Hz) Externa (%) Externa (%) períodos 25 16,057 54,077 288 30 14,099 29,927 96 35 14,691 39,626 584

O acionamento do sensor nas faixas de umidades relativas externas arbitradas

foi disposto na Tabela 19.

Tabela 19 – Construção do gráfico para sensor de umidade relativa

Intervalo de UR (%) Frequência

Início Fim Acionada (Hz) 0 19 35

20 26 30 27 75 25 76 100 0

Desta forma a Figura 77 traz as melhores funções ajustadas nos valores do

sensoriamento arbitrado com a finalidade de melhor visualizar as funções, dentre as

quais uma foi escolhida para que, posteriormente, com os dados de umidade relativa

108

externa coletados o uso do sensor de umidade relativa seja simulado através de

cálculos.

Figura 77 – Ajuste de frequência de acionamento por umidade relativa externa

A função quadrática apresentou no resultado do teste T um valor de 0,87

enquanto a cúbica apresentou apenas 0,57, portanto, a segunda será a utilizada.

Analogamente ao feito para o sensor de temperatura, a potência ao longo do

dia com menor média de umidade externa foi calculada, o dia de medição de menor

umidade relativa externa foi o dia de 25Hz, entretanto, o dia de menor média foi o de

30Hz de acordo com as Tabelas 8 e 10, logo, optou-se a utilizar-se este dia na

simulação de sensor de umidade relativa.

A partir da simulação de consumo diário foi encontrado o valor aproximado

de 9,8 kWh, entretanto, o conforto térmico quanto à temperatura não tem nenhuma

garantia de ser mantido. O uso então de sensores mistos será avaliado através da

escolha de um dia, dentre os medidos, quente e seco ao mesmo tempo, com maior

faixa de variação de temperatura e este dia foi o dia em que a frequência de 50Hz

onde apresenta o maior valor máximo de temperatura e o terceiro menor mínimo de

umidade relativa, de forma que dentre as frequências solicitadas pelos sensores de

temperatura e umidade relativa foi utilizada a maior frequência solicitada.

O uso dos dois sensores resultou em um consumo diário igual ao sensor de

temperatura para o dia quente e seco, sendo garantido assim tanto o conforto de

temperatura quanto o conforto de umidade relativa. A Figura 78 apresenta o

109

comportamento da potência elétrica ativa no dia de acionamento de uso de sensor de

temperatura e umidade relativa externa em conjunto.

Figura 78 – Comportamento da potência elétrica ativa com uso misto de sensores

Através da Figura 78 foi possível perceber que a maior solicitação de

potência para o uso de sensores coincide com o período mais quente e seco do dia,

entre às 14 as 16:30 horas.

Embora o consumo diário do sistema de sensoriamento misto seja quase 1

kWh maior que o uso de programador horário, a demanda máximo solicitada pelo

sensoriamento misto manteve-se menor, pois a maior frequência de acionamento não

excedeu 48 Hz e manteve a demanda inferior ao acionamento através de

programador horário (máximo de 50Hz) e com a vantagem de garantir o conforto de

temperatura e umidade ao longo do dia.

4.1.12 Energia Elétrica dos Sistemas de Climatização

Nesta seção são apresentados os dados de potência elétrica ativa demandada

pelo condicionador de ar no ano todo, detalhando o consumo a cada mês, com

utilização do galpão em horário comercial. As adaptações efetuadas ocorreram

através do fechamento das aberturas por vidro utilizando os seguintes parâmetros

extras para o programa Energy Plus.

110

Tabela 20 – Características dos materiais utilizados na simulação de carga térmica

Material Condutividade

Térmica Calor

Específico Espessura Densidade (W/mK) (J/kgK) (m) (kg/m³)

Vidro 1 840 0,04 2500

Na Figura 79 encontra-se o comportamento gráfico do consumo mensal do

condicionador de ar simulado pelo software no horário comercial, das 08 às 18 horas,

utilizando os dados climáticos de Cuiabá (Test Reference Year) sem a presença de

pessoas no interior do ambiente para comparar adequadamente ao SRE, foram

desprezados os finais de semana.

Figura 79 – Comportamento mensal do consumo de energia elétrica

Através da análise do gráfico se torna possível perceber que o consumo

mensal mínimo de 6,541 MWh e para o SRE na frequência de 60Hz, considerando a

demanda máxima à 60Hz (Tabela 19) em 10 horas de uso por dia durante 22 dias

úteis no mês o consumo médio seria aproximadamente de 546,95 kWh, o que

evidência um consumo aproximadamente 12 vezes menor.

A Figura 80 traz as demandas máximas ocorridas em cada mês para o ambiente

sem pessoas.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

Cons

umo

men

sal (

kWh)

111

Figura 80 – Comportamento mensal da demanda máxima de energia elétrica

É possível perceber através da Figura 80 que o menor patamar de demanda

ocorrido foi em Junho com aproximadamente 57 kW demandados, já o SRE

acionado na velocidade nominal (60Hz) a potência máxima atingida no dia de sua

medição foi 2,515 kW, isto é, uma demanda aproximadamente 22,66 vezes maior, se

torna evidente então que o sistema de resfriamento evaporativo diminui e muito a

demanda, e, por consequência, diminui também o consumo de energia elétrica.

Valores maiores de redução de potência ainda serão observados, haja vista

que serão efetuados comparativos entre as alternativas de uso misto com

maximização de eficiência energética do SRE com programador horário e sensor de

temperatura e umidade relativa.

4.1.13 Comparativo de Estratégias de Uso Misto

Com os dados de potência elétrica ativa para os sistemas de resfriamento

evaporativo e condicionamento de ar as alternativas propostas são comparadas entre

si, quantificando a promoção eficiência na demanda e consumo mensal e anual de

energia elétrica ativa de cada uma delas.

Para estes cálculos o valor de potência média do sistema de resfriamento

evaporativo foi considerado constante por ser uma característica do sistema de

resfriamento em manter seu valor praticamente constante, sendo que a máxima

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

Dem

anda

máx

ima

(kW

)

112

relação percentual entre o desvio padrão e a média foi de aproximadamente de 1,05%

na frequência de 35Hz ocorrendo um valor mínimo da mesma relação de 0,33% para

60Hz.

Na utilização do sensor foi escolhido o uso do sensor de temperatura em

conjunto com o sensor de umidade, pois esta seria a única opção que atentaria a

problemas de temperatura confortável e umidade desconfortável, ou ainda, umidade

confortável e temperatura desconfortável. Para a demanda máxima foram

considerados os valores máximos ocorridos no cálculo da frequência máxima

acionada.

O uso da frequência ajustada em 45Hz é justificado pelo fato desta frequência

ter sido a menor, dentre as medidas que manteve, seguramente, todos os pares de

temperatura e umidade relativa internas nas zonas de conforto e de necessidade de

ventilação para conforto, e isso foi anteriormente destacado através da Figura 59.

Para evidenciar a redução de demanda no período seco, com Cuiabá

localizado na região centro sul do estado de Mato Grosso, mais posicionado para o

sul, de forma que o diagrama de Carossi (2006) recomende os meses de Abril, Maio,

Junho, Julho e Agosto para uso do sistema de resfriamento evaporativo, assim todo

esse período será considerado nos gráficos comparativos. A Figura 81 apresenta a

demanda para todas as estratégias de uso para climatização nos meses adequados ao

uso do resfriamento evaporativo.

Figura 81 – Comparativo de demandas mensais entre estratégias de climatização

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Abril Maio Junho Julho Agosto

Dem

anda

máx

ima

(kW

)

Condicionador de ar

SRE partida direta

SRE programador horário

SRE com sensor

SRE a 45 Hz

113

É possível notar através do gráfico que a redução de demanda no uso do

sistema de resfriamento evaporativo em contraposição do condicionador de ar foi

extremamente alta com valor mínimo de redução de demanda máxima ocorrida no

mês de Junho na partida direta de 95,5% e máxima de redução de demanda ocorrida

para o mês de maio no uso de frequência fixada em 45Hz com 97,7% de redução de

demanda máxima ocorrida. O sistema de resfriamento em uso misto sazonal

adequado trará uma redução de até 97,7% de demanda de energia elétrica ativa em 5

meses do ano, aliviando a o sistema de geração de fonte hídrica no período seco para

as usinas dessa região e de outras que apresentem baixa na geração durante o mesmo

período e estiverem interligadas ao sistema.

Comparando cada estratégia, quanto a demanda de energia elétrica ativa, no

uso do conversor de frequência, entre si, obteve-se o gráfico da Figura 82.

Figura 82 – Comparativo de demanda entre estratégias de uso do conversor de

frequência no SRE

Para o cálculo do consumo anual dos métodos propostos de uso do SRE e

com incorporação de automação foram considerados 22 dias úteis no mês e 12 meses

no ano, é importante salientar que foram utilizados os valores médios para a partida

direta e ajuste à frequência de 45Hz e valores integralizados, em cada intervalo de 5

minutos, para o uso misto de sensores e também para o uso do programador horário.

A Figura 83 apresenta o comparativo da economia de energia elétrica ativa

anual do uso misto do condicionador de ar complementado pelo uso do resfriamento

evaporativo no período adequado em conjunto com estratégias de automação.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

SRE partida direta

SRE programador horário

SRE com sensores

SRE a 45 Hz

Dem

anda

Máx

ima

(kW

)

114

Figura 83 – Economia anual de energia elétrica com uso de sistemas mistos com

SRE em relação ao uso do condicionador de ar ao longo de todo o ano

O comparativo da Figura 83 considera apenas as alternativas que garantem a

manutenção da temperatura e da umidade dentro das zonas de conforto pleno e

necessidade por ventilação no diagrama de conforto térmico humano (Figura 17).

Embora o programador tenha apresentado a maior economia anual de energia

ativa, a mesma provavelmente ocorrerá, de fato, para o uso do sensor misto, pois nos

dias confortáveis para temperatura e umidade o sistema não será acionado, ou será

acionado à baixa rotação, e o programador horário apresentará praticamente o

mesmo consumo em todos os dias em que o SRE for acionado.

Torna-se interessante destacar que o sistema, em dias úmidos e com

temperatura dentro do nível de necessidade de ventilação, poderá ligar apenas a

ventilação para conforto térmico, mas para que isto seja utilizado se faz necessário o

uso de um controlador lógico programável que poderá intervir a partir de dados

externos de temperatura e umidade relativa e aumentar ainda mais a eficiência do

sistema. A incorporação do controle do condicionador de ar e do sistema de

resfriamento evaporativo poderá também ser efetuada pelo controlador lógico

programável, aumentando ainda mais a eficiência energética do sistema.

35200

35400

35600

35800

36000

36200

36400

36600

36800

37000

37200

37400

Condicionador de ar + SRE PD

Condicionador de ar + SRE 45 Hz

Condicionador de ar + SRE com sensores

Condicionador de ar + SRE programador

Econ

omia

anu

al d

e en

ergi

a (k

Wh)

115

4.1.14 Consideração Finais

Na potência ativa absorvida pelo sistema de resfriamento evaporativo a cada

dia de medição foi observada certa constância em módulo, evidenciando que as

características climáticas não interferem na demanda de energia deste sistema, com o

mesmo consumo aproximado ao longo do dia e uma relação máxima entre valor

médio e desvio padrão de aproximadamente 1%.

No consumo de água foram observadas as variáveis de maior influência, que

são as frequências de acionamento e a umidade externa, sendo que os dados obtidos

apontaram que a frequência de acionamento obteve maior influência no consumo de

água, o que evidentemente é ocasionado pelo aumento da pressão na interação entre

a água e o ar dentro do painel de celulose. A redução de potência elétrica ativa

máxima do sistema em relação a ele mesmo acionado via partida direta foi de

aproximadamente 62% na frequência de 25Hz, e no acionamento do ventilador em

relação a partida direta foi obtida uma economia de até aproximadamente de 75%.

Como esperado, o comportamento da velocidade do vento na saída do painel

evaporativo aumentou com a variação positiva da frequência de acionamento do

ventilador de cada painel e de acordo com o fabricante a efetividade de resfriamento

é função desta velocidade, desde a velocidade de 2,77m/s atingindo uma velocidade

de até 6,59 m/s, embora este valor se encontre fora da área do gráfico de efetividade

do fabricante.

No tocante a climatização, utilizando o resfriamento evaporativo foi obtida

redução de temperatura em até 12,18 °C e aumento de umidade relativa em até

38,53%, o que para o período quente e seco do ano constitui na obtenção de

melhorias em relação ao conforto térmico no ambiente. Utilizando a análise do

diagrama de conforto térmico foi possível destacar que, na freqüência de 45Hz e

acima dela, a temperatura e umidade interna se mantiveram na zona de conforto ou

na zona de necessidade de ventilação para o conforto. Esta região pode ser

considerada uma extensão da zona de conforto, haja vista que o sistema também

trabalha com o aumento da velocidade do vento.

116

5 CONCLUSÕES

Com o intuito de sintetizar as principais contribuições atingidas pelo trabalho

de pesquisa aqui apresentado, pode-se destacar:

1) Este trabalho trouxe a tona o potencial de redução de demanda e energia

elétrica na ventilação de sistemas de resfriamento evaporativo. A demanda

para a partida direta em relação à mínima demanda máxima para o

condicionador de ar foi cerca de 22 vezes menor, sendo que a alternativa de

menor demanda manteve as exigências de conforto, que foi o acionamento

em 45Hz, representando uma redução de 36,6% de potência em relação à

partida direta. Devido às alterações climáticas horárias decorrentes em um

mesmo dia, o uso do conversor de frequência pode proporcionar tanto a

economia de energia quanto a economia de demanda, além de que o conforto

térmico foi alcançado a uma frequência inferior a 60Hz, que foi a de 45Hz, de

acordo com os diagramas de conforto apresentados. A economia de energia

elétrica ativa anual obtida com o sistema de resfriamento evaporativo no

período recomendado em todos os métodos utilizados e em conjunto ao

condicionador de ar girou entre 34 a 35% em relação ao uso apenas do

condicionador de ar durante todo o ano.

2) Além do uso do ajuste manual de frequência do conversor, a aplicação de

técnicas de automação, tais como o uso de programadores horários e sensores

de temperatura e umidade aumentaram a economia de energia do sistema de

resfriamento evaporativo de modo a maximizar a eficiência energética do

conjunto. Os consumos de energia diários com programador horário e

sensores apresentaram patamares menores, o uso do programador horário em

um dia em contraposição ao uso da partida direta ocasiona uma redução no

consumo diário de 43%. O uso do programador horário no período anual

adequado em conjunto com condicionador de ar no restante do ano

apresentou economia de energia anual em torno de 2% em relação ao

condicionador de ar com SRE em partida direta.

117

3) O uso do conversor de frequência não proporciona apenas a redução da

potência ativa demandada pelo sistema de resfriamento evaporativo, mas

também a redução no consumo de água utilizada pelo mesmo, uma vez que

para maiores rotações do ventilador uma maior quantidade de água é

evaporada diminuindo sua reutilização e permitindo a chegada de mais água

ao reservatório. As maiores efetividades nos sistema ocorreram à frequências

menores que a nominal.

4) Considerando a comparação de consumo do condicionador de ar e a

climatização evaporativa acionada na partida direta durante o período

adequado do ano, que vai de Abril a Agosto, a ultima estratégia apresentou

um valor de consumo, aproximadamente 13 vezes menor que a primeira. Já

em relação à estratégia de acionamento do sistema de resfriamento

evaporativo com menor consumo, que foi o uso de programador horário, o

consumo foi cerca de 95% do consumo de energia elétrica ativa do

condicionamento de ar nesse período. Entretanto vale destacar que o

condicionador de ar efetua uma maior redução de temperatura, mantendo-a

em 25°C, mas a climatização evaporativa mantém o ambiente confortável

termicamente, nas técnicas de acionamento consideradas, conforme o

diagrama de conforto térmico do INMET (Figura 17).

5) Projetos de eficiência energética de incentivo ao uso desses sistemas em

substituição a condicionadores de ar no período seco podem ser aplicados, em

conjunto, inclusive, a metodologia utilizada para a avaliação horária do

sistema. Vale ressaltar que neste período o parque de geração de energia

tendo como fonte primária a energia hidráulica possa ser aliviado no mesmo

período em que ocorre baixa na geração de energia desta fonte e coincide

como melhor período para a aplicação desses sistemas.

Desta forma, o uso da metodologia proposta pelo trabalho pode-se ocasionar

automação adequada do sistema maximizando a eficiência energética do mesmo e

proporcionando adequadamente a redução de temperatura e aumento da umidade.

5.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Sugere-se como tema para trabalhos futuros:

118

a) Análise da qualidade de energia elétrica do sistema de resfriamento

evaporativo com ventilação acionada a conversor de frequência.

b) Análise do uso de sistemas de resfriamento evaporativo indireto e de duplo

indireto-direto, aumentando a redução de temperatura com possibilidade de

vetar a umidificação abordando o estágio direto.

c) O uso da lógica Fuzzy na automação de sistemas de múltiplas estratégias de

climatização com o uso de conversores de frequência, envolvendo

aquecimento, ventilação, resfriamento evaporativo e ar condicionado, com a

utilização de sensores e controladores lógicos programáveis.

d) Estimativa do impacto ocasionado no consumo e na demanda de energia

elétrica em uma cidade, estado, ou em todo país dado através da substituição

de sistema de resfriamento evaporativo no período adequado do ano

comparando-se ao uso do condicionador de ar.

119

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

6.1 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CITADAS

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