12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECANICA
Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015
ANÁLISE DA APLICAÇÃO COMBINADA DAS TÉCNICAS DE VENTILAÇÃO SOB
DEMANDA E DO ECONOMIZADOR DE AR EXTERNO EM SISTEMAS DE
CONDICIONAMENTO DE AR
*
Mochizuki D.O.,*
Venturini O.J.,*
Pirani M.J., *Rúa Orozco D.J.*Universidade Federal de Itajubá–UNIFEI, Av. BPS, 1303, Itajubá - MG, 37500-903
*e-mail:daniel.mochizuki@gmail.com,osvaldo@unifei.edu.br,pirani@unifei.edu.br,dimas.rua@hotmail.com
Palavras chave: Ventilação Sob Demanda (DCV), Economizador de Ar Externo (EAE), Eficiência Energética em Edifícações, EnergyPlus, Ar Condicionado
RESUMO
Devido ao elevado impacto da climatização artificial na demanda de energia, novas medidas têm sido desenvolvidas, buscando melhorar a eficiência energética de sistemas de ar condicionado e refrigeração. Dentre as técnicas pesquisadas, a Ventilação Sob Demanda, baseada na concentração de dióxido de carbono (CO2-DCV),
e o Economizador de Ar Externo (EAE) têm recebido grande destaque. O DCV consiste em modular dinamicamente a vazão de ar externo em função da ocupação do ambiente ou da qualidade do ar interno, possibilitando a economia de energia nos momentos mais quentes do dia, quando as condições de ocupação mudam. Dessa forma, com a leitura de parâmetros da qualidade do ar interno, pode-se reduzir a taxa de ar externo fornecido pelo sistema, sem deixar de atender as normas de conforto térmico. Por outro lado, edifícios comerciais utilizam a climatização artificial ao longo do ano, mesmo quando a temperatura externa é baixa. Nestas situações, o EAE ganha espaço, pois quando as condições externas são suficientemente favoráveis, este pode aumentar a vazão de ar externo para eliminar, ou reduzir significativamente, a necessidade de refrigeração mecânica. Assim, o EAE é habilitado quando o ar externo possui temperatura de bulbo seco menor que o ar interno ou quando o ar externo possui entalpia menor que o ar interno. Nos demais momentos do dia, o DCV assume o controle e permite reduzir o consumo quando a temperatura é mais alta. A partir de simulações em EnergyPlus, este trabalho busca avaliar os potenciais de redução no consumo de energia e analisar a viabilidade econômica de um projeto desenvolvido a partir da aplicação conjunta das técnicas do DCV e do EAE, em uma edificação comercial da cidade de São Paulo. Como resultado final, é mostrado que o Cenário com DCV baseado no Método da Qualidade do Ar Interior (IAQP), combinado com o EAE baseado no controle Diferencial de Entalpia (DEN), levou aos melhores resultados.
INTRODUÇÃO
Devido ao desenvolvimento econômico, o aumento da produção industrial e o crescimento populacional, a demanda de energia está crescendo de forma significativa em todo o mundo. Uma grande parte deste consumo se deve aos sistemas de refrigeração e ar condicionado. Em geral, estes sistemas são responsáveis por 30% do consumo total de energia [1]. Especificamente, os edifícios são responsáveis por 30% a 40% da energia total consumida nos países desenvolvidos e, dependendo do tipo de construção, os sistemas de condicionamento de ar podem responder por 25% a 60% do consumo total de energia nos edifícios destes países [2].
No Brasil, os edifícios dos setores residencial e comercial foram responsáveis por 40% da eletricidade consumida em 2012 [3]. Entre 1990 e 2000, um estudo mostrou que o aumento no consumo de energia vinha acompanhando o crescimento do Produto Interno Bruto. No entanto, essa correlação não existia nos países desenvolvidos, devido à rigorosa legislação sobre eficiência energética [4]. Analisando os dados recentes do PIB e consumo no Brasil [5] [6], pode-se notar que essa correlação ainda se mantém e, apesar dos vários programas de eficiência energética em curso no país [7], ainda não existe uma norma efetivamente implantada no Brasil. Portanto, a eficiência energética se tornou uma grande preocupação, no sentido de otimizar o consumo de energia em edificações. Neste cenário simulações computacionais desempenham um papel importante [8] e o EnergyPlus tem recebido grande destaque nos últimos anos, sendo excelente meio de investigar re redução de consumo de energia [9].
CONTROLE DA VENTILAÇÃO
A Ventilação Sob Demanda, com base na concentração interna de CO2, é uma promissora técnica que reduz a
vazão de ar externo quando a ocupação do ambiente diminui. Em geral, a vazão de ar externo utilizado para a remoção de contaminantes é especificada por normas de conforto térmico, que definem um nível mínimo de qualidade do ar interno, tais como ASHRAE Standard 62.1:2010 [10] e NBR ABNT 16.401:2008 [11]. Assim, a ventilação tem um impacto significativo sobre a carga térmica, pois o dimensionamento do sistema de condicionamento de ar é feito com base na taxa de ventilação para a condição de ocupação máxima. No entanto, a ocupação dos ambientes muda ao longo do dia e o sistema estará desperdiçando energia sempre que o número de pessoas estiver abaixo das condições do projeto. Por conseguinte, o objetivo do CO2-DCV é a modulação da
vazão de ar externo, em função da ocupação instantânea do ambiente, fornecendo apenas o ar externo estritamente necessário naquele momento. Para a implementação do CO2-DCV existem dois procedimentos: o Método da Taxa
de Ventilação (VRP) e o Método da Qualidade do Ar Interno (IAQP) [12].
No método VRP, o sistema deve estimar o número de pessoas presentes no ambiente e usar apenas o ar externo necessário para ventilação. No IAQP, a vazão de ar externo é determinado pela qualidade do ar interno num dado momento, medida através de sensores de CO2localizados em todos os ambientes atendidos pelo sistema. Assim,
o controlador DCV-IAQP modula o fluxo de ventilação para atingir um valor predeterminado (setpoint) para a concentração de CO2. Dessa forma, no método IAQP a manutenção das condições de conforto é mais precisa
quando comparada com uma aplicação semelhante do VRP.
Para a aplicação do DCV-IAQP, a concentração interna de CO2deve ser mantida em cerca de 700 ppm acima da
concentração externa de CO2[10]. Neste trabalho, para fins de simulação, a concentração de CO2na atmosfera foi
fixado em 400 ppm, considerado o limite para restringir as mudanças climáticas e o aquecimento global [13][14]. Assim, neste trabalho, adotou-se 1100 ppm como limite para a concentração interna de CO2.
Por outro lado, o Economizador de Ar Externo (EAE) é definido como arranjo de dutos, dampers, e controladores que permitem ao sistema fornecer ar externo em quantidades suficientes para reduzir ou eliminar o uso do compressor, em períodos de clima ameno ou frio [12]. Assim, o Economizador de Ar Externo é uma excelente alternativa para reduzir o consumo de energia elétrica em uma ampla gama de aplicações, como edifícios comerciais, ambientes de processo de produção e centros de processamento de dados.
Geralmente, edifícios comerciais requerem refrigeração durante todo o ano. Nestas condições, um economizador pode ser usado para fornecer o chamado resfriamento gratuito (free cooling, do inglês) e reduzir significativamente o consumo de eletricidade nesses sistemas [15]. No software EnergyPlus, várias estratégias de controle do EAE podem ser implementadas e simuladas [16]. Entre elas, duas foram avaliadas neste trabalho, quais sejam:
a) Diferencial da Temperatura de Bulbo Seco (DDB): se a temperatura de bulbo seco externa é mais baixa que a temperatura de bulbo seco interna, o EAE é habilitado e a vazão de ar externo é aumentada ao máximo; b) Diferencial de Entalpia (DEN): se a entalpia do ar externo é menor do que a entalpia do ar interno, o EAE é
Portanto, este estudo tem como objetivo avaliar o desempenho do DCV e do EAE em condições climáticas brasileiras, bem como as interações entre ambos, a fim de obter o máximo benefício de ambas as abordagens e otimizar a taxa de utilização de ar externo. Como pode ser visto, o DCV e o EAE têm filosofias completamente opostas: o DCV reduz o fluxo de ar externo para economizar energia, enquanto EAE faz exatamente o oposto com o mesmo objetivo. Embora antagônicas, ambas as técnicas anteriormente descritas são complementares e podem ser usadas em conjunto para combinar seus melhores benefícios, em diferentes momentos do dia.
MODELAGEM
Neste trabalho modelou-se um edifício comercial partir de suas características (envoltória, agendas de ocupação, densidade de iluminação e equipamentos, sistemas de ar condicionado e estratégias de controle, etc.) e usando o EnergyPlus. O edifício, localizado em São Paulo, possui ampla área envidraçada com janelas de vidros simples e esquadrias de alumínio. A envoltória é construída com tijolos de cerâmica de 8 furos, com 20 cm nas paredes externas e 10 cm nas paredes internas, revestidas com reboco de argamassa. Os pisos e tetos internos são constituídos de laje de concreto com revestimento cerâmico na face superior e reboco de argamassa na face inferior. O telhado externo é composto por laje de concreto revestido com reboco de argamassa na face inferior, lâmina de ar e telhas de fibrocimento. O Piso externo é formado por contrapiso de concreto e revestimento cerâmico. Todos os ambientes possuem forro de gesso. Estes materiais de construção são comumente utilizados no Brasil e suas propriedades termofísicas foram obtidos de [17].
Foram implementados nove sistemas de climatização do tipo
“
Split System
” (
"unitário
s”, no
EnergyPlus), que foram identificados por um número do andar e um identificador do sistema
(exemplo, F1-S3 significa Piso 1, Sistema 3). Para as condições internas utilizou-se como
ponto de referência (setpoint) a temperatura de 24°C e a umidade relativa em 50% (sem
controle). O modelo foi simulado para dias de projeto de Inverno e de Verão, de conde se
calculou as cargas térmicas e efetuou-se o dimensionamento de todos os componentes. Assim,
a No Modelo M1, a vazão de ar externo é fixa, enquanto nos Modelos M2 e M3 esta pode
variar entre zero e o valor mínimo da norma [11], de acordo com o controlador DCV. Quando
o sistema EAE está operando, o máximo fluxo de ar externo é redefinido para 100% da vazão
de insuflação e o fluxo instantâneo é modulado de acordo com a carga do sistema. Assim, se a
temperatura do ar externo é inferior à temperatura de insuflação, a mistura dos fluxos de ar
retorno externo pode atender toda a carga térmica. Se a temperatura do ar externo está entre a
temperatura de insuflação e a temperatura do ar interno, utiliza-se em conjunto ar externo e o
sistema de climatização para atender a carga térmica. A
Tabela 2resume os casos avaliados, com seus limites de vazão e tipo de controle.
Para avaliar os resultados, serão apresentadas as influências que as estratégias de controle do ar externo impõem nas variáveis de conforto (temperatura, umidade relativa, concentração de CO2) e os impactos no consumo.
Determinados intervalos de tempo da simulação serão utilizados para ilustrar esses impactos, particularmente na sala Convivência (Sistema F0-C2 da Tab. 2). Estes intervalos de tempo são apenas exemplos e não representam dias especiais de projeto. Análises mais profundas deste edifício podem ser encontradas em [18].
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Quanto às condições de conforto no Cenário C1, aFig. 1-A mostra os perfis de temperatura na Convivência, para os Modelos da
Tabela2, bem como o perfil da temperatura externa (curva vermelha). Observa-se que os Modelos com DCV, M2 (DCV-VRP, curva verde) e M3 (DCV-IAQP, curva laranja) atingiram a temperatura de conforto mais cedo que M1 (ar externo de norma, curva preta) em 10 de janeiro, no início da manhã. Considerando-se que a temperatura do ar externo é de 19,7°C às 8:00, o calor gerado internamente é recirculado pela corrente de ar de retorno e o ambiente atinge a temperatura de conforto antes do Modelo M1. Em relação à qualidade do ar interno, aFig. 1-B mostra que a vazão de ar externo, especificada nas normas, causa uma concentração CO2muito baixa (curva sólida
Tabela 1mostra os sistemas de Ar Condicionado, os ambientes atendidos, e suas principais características. Para a análise definiram-se três casos de aplicação DCV e três casos de aplicação EAE, sendo que cada um deles foi combinado livremente entre aplicação individual e conjunta de cada técnica, resultando em nove possibilidades. Em relação à abordagem DCV, os casos são chamados de "Modelos" e numerados de 1 a 3, ou seja: M1–vazão de ar externo de norma [11] (fluxo fixo, sem controle); M2–DCV-VRP e M3–DCV-IAQP (1100 ppm para a concentração de CO2). Cada modelo foi analisado em três “Cenários” de aplicação do EAE: C1 - sem
economizador; C2–EAE-DDB (difer. de temperatura de bulbo seco) e C3–EAE-DEN (diferencial de entalpia).
No Modelo M1, a vazão de ar externo é fixa, enquanto nos Modelos M2 e M3 esta pode
variar entre zero e o valor mínimo da norma [11], de acordo com o controlador DCV. Quando
o sistema EAE está operando, o máximo fluxo de ar externo é redefinido para 100% da vazão
de insuflação e o fluxo instantâneo é modulado de acordo com a carga do sistema. Assim, se a
temperatura do ar externo é inferior à temperatura de insuflação, a mistura dos fluxos de ar
retorno externo pode atender toda a carga térmica. Se a temperatura do ar externo está entre a
temperatura de insuflação e a temperatura do ar interno, utiliza-se em conjunto ar externo e o
sistema de climatização para atender a carga térmica. A
Tabela 2resume os casos avaliados, com seus limites de vazão e tipo de controle.
Para avaliar os resultados, serão apresentadas as influências que as estratégias de controle do ar externo impõem nas variáveis de conforto (temperatura, umidade relativa, concentração de CO2) e os impactos no consumo.
Determinados intervalos de tempo da simulação serão utilizados para ilustrar esses impactos, particularmente na sala Convivência (Sistema F0-C2 da Tab. 2). Estes intervalos de tempo são apenas exemplos e não representam dias especiais de projeto. Análises mais profundas deste edifício podem ser encontradas em [18].
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Quanto às condições de conforto no Cenário C1, aFig. 1-A mostra os perfis de temperatura na Convivência, para os Modelos da
Tabela2, bem como o perfil da temperatura externa (curva vermelha). Observa-se que os Modelos com DCV, M2 (DCV-VRP, curva verde) e M3 (DCV-IAQP, curva laranja) atingiram a temperatura de conforto mais cedo que M1 (ar externo de norma, curva preta) em 10 de janeiro, no início da manhã. Considerando-se que a temperatura do ar externo é de 19,7°C às 8:00, o calor gerado internamente é recirculado pela corrente de ar de retorno e o ambiente atinge a temperatura de conforto antes do Modelo M1. Em relação à qualidade do ar interno, aFig. 1-B mostra que a vazão de ar externo, especificada nas normas, causa uma concentração CO2muito baixa (curva sólida
preta) durante todo o dia e um desperdício de energia considerável. Assim, o uso do DCV pode otimizar o sistema, como é mostrado pelas curvas verde e laranja.
Tabela 1: Sistemas de Ar Condicionado, cargas de utilização por ambiente e capacidades totais.
Sistema Uso Capacidade Total Sistema Uso Capacidade Total F0-S1 Recepção 16900 W, 3384 m3/h F2-S1 Escritórios 30100 W, 6408 m3/s
F0-S2 Auditório 23200 W, 3389 m3/h F2-S2 Escritórios 26000 W, 5508 m3/h
F1-S1 Escritórios 19600 W, 4104 m3/h F3-S1 Escritórios 13300 W, 2769 m3/h
F1-S2 Escritórios 26200 W, 5436 m3/h F3-S2 Escritórios 14600 W,2823 m3/h
F1-S3 Auditório 15600 W, 2531 m3/h
Tabela 2: Estudos de caso para avaliação de DCV e EAE.
Cenário OA taxa do fluxo Modelo M1 Modelo M2 Modelo M3
C1
Máximo [11] mínimo [11] mínimo [11] mínimo
Mínimo [11] mínimo 0% 0%
Tipo de controle Não controlado (fixo) DCV-VRP DCV-IAQP
C2
Máximo 100% 100% 100%
Mínimo [11] mínimo 0% 0%
Tipo de controle ASE-DDB ASE-DDB / DCV-VRP ASE-DDB / DCV-IAQP
Mínimo [11] mínimo 0% 0%
Tipo de controle ASE-DEN ASE-DEN / DCV-VRP ASE-DEN / DCV-IAQP
Para o Modelo M2 com controlador DCV-VRP (curva sólida verde,Fig. 1-B), o número de pessoas é obtido pelo EnergyPlus diretamente da agenda de ocupação do Modelo. Assim, a vazão de ar externo de norma é aplicada para a ocupação instantânea das salas. E como o sistema de controle não é realimentado quanto à eficácia da taxa de ventilação, o DCV-VRP reduz a ventilação desnecessária, mas ainda deixa brechas para reduções adicionais.
Para o Modelo M3 com controlador DCV-IAQP (curva laranja, a Fig. 1-B), o valor especificado para a concentração de CO2é de 1100 ppm e o sistema é constantemente alimentado com o sinal proveniente do sensor
de CO2. A eficácia da ventilação é otimizada e a concentração de CO2se mantém constante, apesar das flutuações
de ocupação, levando o DCV-IAQP do Modelo M3 a uma melhor gestão da ventilação de ar externo de renovação.
A Fig. 2-A e a Fig. 2-B mostram os perfis de umidade relativa na Convivência, em 2 e 9 de janeiro, respectivamente. NaFig. 2-A, observa-se uma condição de alta umidade no Modelo M1 (curva preta), devido às condições climáticas e à geração interna de umidade. Sob estas condições, os sistemas convencionais de ar condicionado com controle termostático de capacidade tendem a satisfazer a carga sensível antes que a carga latente seja satisfeita. Desse modo, o termostato desliga o compressor antes que a umidade seja totalmente removida; e a remoção adicional de umidade iria diminuir a temperatura do ambiente e requerer um sistema de reaquecimento. Na Fig. 2-B, as condições meteorológicas estão mais próximas das condições de projeto e o controle de umidade no Modelo M1 é melhor, mas ainda insatisfatória. Em ambas as figuras, pode-se notar o DCV melhora o controle de umidade, especialmente no Modelo M3, com o controlador DCV-IAQP.
No dia 8 de janeiro, como pode ser observado naFig. 3-B, durante maior parte do dia, a carga térmica na SRD, para todos os Modelos com DCV (curvas sólidas verde e laranja), são menores do que a carga térmica de M1 (curva sólida preta), que não usa DCV. No entanto, no início da manhã e final da tarde, a situação se inverte e a carga térmica com DCV é maior do que a carga sem DCV. Este aumento no consumo proporcionado pelo DCV nas primeiras horas do dia não é relevante, considerando este dia em particular (08 de janeiro), pois quando o pico de ganho de calor pela estrutura ocorre (por volta das 16:00), a carga térmica na SRD é muito maior no Modelo M1. Conforme o clima se torna frio, a condição mostrada naFig. 3-A (consumo sem DCV é menor) torna-se cada vez mais frequente e o DCV aumenta o consumo ao invés de diminuir. Em dias como 2 de janeiro, o ar externo frio pode ser utilizado para reduzir o uso da compressão mecânica de vapor, devido ao seu potencial para realizar o resfriamento gratuito. Nestes momentos, ao invés de se utilizar o DCV, um Economizador de Ar Externo (EAE) pode ser utilizado para aumentar a vazão de ar externo e promover o resfriamento gratuito.
Com base no potencial de resfriamento gratuito do Cenário C1 (apenas DCV), avaliou-se o EAE de modo a quantificar a economia de energia a ser alcançada com a sua aplicação conjunta com o DCV. Para o Cenário C2 (DCV acoplado ao EAE, com EAE-DDB), aFig. 4-A mostra o comportamento da vazão mássica de ar externo do Modelo M3 (DCV-IAQP), quando comparado ao mesmo Modelo M3 no Cenário C1 (sem EAE). A oscilação da temperatura externa (curva tracejada vermelha) provoca grande variação na vazão de ar externo do Modelo M3 (curva sólida verde) pela atuação do controlador EAE-DDB no Cenário C2. Já no Cenário C1, o controlador DCV reduz a vazão de ar externo (curva sólida azul), a fim de manter a concentração de CO2em 1.100 ppm.
Para a temperatura externa (curva tracejada vermelha,Fig. 4-A) menor que a interna (curva tracejada verde), o sistema operou com 100% de ar externo. Quando estas curvas se cruzaram e a temperatura externa tornou-se maior que 24°C, o EAE-DDB foi desativado e o controle da ventilação passou para o DCV. Como o sistema operou com alta vazão de ar externo durante a manhã, a concentração interna de CO2permaneceu baixa e a vazão de ar externo
pôde ser reduzida a zero às 12:00. AFig. 4-A mostra que a oscilação da temperatura externa causou um aumento e depois uma diminuição da vazão de ar externo pela manhã. Durante o período mais quente, a vazão de ar externo permaneceu no valor mínimo (dado pelo DCV). Depois das 18:00, a temperatura externa se tornou menor que a interna e o sistema voltou a operar com 100% de ar externo (dado pelo EAE-DDB).
Para o Cenário C3, que consiste no DCV acoplado ao EAE com controle Diferencial de Entalpia (EAE-DEN), a
Fig. 1: A - Perfil de temperatura na Convivência no dia 10 de janeiro; B - Concentração de CO2e perfil de ocupação na Convivência no dia 10 de janeiro.
Fig. 2: A - perfis de umidade relativa e de ocupação na Convivência em 2 de janeiro; B - perfis de umidade relativa e ocupação na Convivência em 8 de janeiro.
Fig. 3: A–Carga térmica, temperatura interna e externa na Convivência em 2 de janeiro; B–Carga térmica, temperatura interna e externa na Convivência em 8 de janeiro.
Fig. 5: Consumo anual de energia dos sistemas de.
Tabela 3: Consumo anual de energia elétrica e redução percentual em relação a M1-C1
A Fig. 5 e a Tabela 3 mostram o consumo anual de energia de cada Modelo. Todos os Modelos que utilizam somente DCV tiveram consumos maiores que o Modelo M1 no Cenário C1 (sem controle). O menor consumo foi obtido pelo Modelo M3 no Cenário C2 (EAE-DDB). Porém, o EAE causou um aumento na umidade relativa do ar em todos os ambientes, especialmente com o controlador EAE-DDB. Considerando a pequena diferença de consumo entre C2 e C3 e melhores condições de conforto em C3, conclui-se que a melhor combinação entre DCV e EAE é o Modelo M3 no Cenário C3. Assim, a análise econômica será realizada exclusivamente no Cenário C3
ANÁLISE ECONÔMICA
Na análise econômica considerou-se apenas o custo incremental dos dispositivos de controle, a serem adicionados aos equipamentos padrão. Por meio do fluxo de caixa formado pelo investimento inicial e a economia anual de energia obtida, foram calculados os indicadores financeiros VPL, TIR e Tempo de Retorno. Para se obter o custo da energia elétrica consumida e calcular o custo evitado, foram usadas as funções específicas para cálculos econômicos do EnergyPlus [16], as quais permitem o cálculo detalhado da conta de energia, em vários regimes tarifários. A Tabela mostra gasto anual com energia. Os custos dos equipamentos adicionais, necessários para o funcionamento dos sistemas (DCV/EAE) estão na Tabela 5.
Assim, aTabela 6mostra os custos totais e incrementais para todas as combinações utilizadas neste trabalho. Adotou-se vida útil de projeto de 20 anos e 10% de TMA. Na Tabela 7 observa-se que o Modelo M1 (apenas EAE-DEN) apresenta melhores indicadores financeiros que M3 (DCV-IAQP e EAE-EAE-DEN), apesar de proporcionar menor economia de energia. Para a hipótese de operação individual do DCV (Cenário C1, todos os Modelos), ocorre um aumento no consumo de energia e os indicadores não se aplicam. No entanto, deve-se considerar que o DCV proporciona melhor controle de temperatura e umidade. Assim, a decisão de usar um sistema de DCV deve levar em conta fatores de difícil mensuração (bem-estar dos funcionários). NaTabela 7observa-se que os Modelos M1 e M3, apesar de terem viabilidade, mostram indicadores financeiros ruins (VPL baixo e TIR próxima da TMA). A princípio, é difícil optar por este sistema, sem considerar os fatores intangíveis acima mencionados.
Realizou-se também uma análise de sensibilidade dos indicadores a mudanças em alguns parâmetros adotados. Os parâmetros considerados são o custo da eletricidade, o custo dos equipamentos e a Taxa Mínima de Atratividade (TMA). Com relação à análise anterior, a melhor alternativa é o Modelo M3 no Cenário C3. Neste caso, considerou-se uma variação de ± 25,0% nos parâmetros de entrada; e o comportamento de VPL, TIR e Tempo de Retorno foram analisados novamente. Assim, aFig. 6mostra a sensibilidade de cada indicador a estes parâmetros. Para a eletricidade (Fig. 6-A), houve um aumento do custo evitado de R$ 2.504,73 para R$ 3.130,91, devido a um aumento no custo de energia de 25,0%, o VPL aumentou mais de 10 vezes (1.027%), passando de R$ 471,64 a R$ 5.318,04. Para o custo de equipamentos (Fig. 6-B), com o aumento deste custo, VPL e TIR caem enquanto o Tempo de Retorno aumenta, tornando-se o projeto inviável. Neste caso, o VPL diminuiu mais de 10 vezes (-1.002%) com o aumento de 25,0% no custo de equipamento. Finalmente, com o aumento da TMA (Fig. 6-C), enquanto TIR e Payback permanecem constantes, o VPL diminui, tornando-se o projeto inviável. Ou seja, o aumento de 25,0% na TMA diminui o VPL em -603%, passando de R$ 471,64 para R$ 2.371,33 negativos.
Tabela 4: Custo anual de energia e redução percentual em relação a M1-C1.
Tabela 5: Custo dos equipamentos [19].
Fabricante Equipamento Quant. Custo (R$)
ACI Room temp. sensor 9 447,40
ACI Duct temp. sensor 9 1584.00
ACI Duct hum. sensor 9 4442.29
ACI Outdoors hum. sensor 1 608.95
73,45 73,49 74,12
66,20 65,44 64,49
66,42 65,68 64,80
40 90
Modelo M1 Modelo M2 Modelo M3
En er gi a El ét ric a [M W h]
Consumo Anual - Ar Condicionado
Cenário C1 Cenário C2 Cenário C3
Consumo Anual de Energia [MWh]
Cenário M1 M2 M3
C1 73.45 73.49 74.12
0.00% 0.05% 0.90%
C2 66.20 65.44 64.49
-9.88% -10.90% -12.20%
C3 66.42 65.68 64.80
ACI Room CO2sensor 9 3251.34
Belimo Damper Actuator 18 3536.10
Alerton Interface + BACNET 1 6,935.30
Total 20805.38
Tabela 6: Custos totais e incrementais.
Controlador Custo Total [R$]
Custo Incremental [R$/TR]
DCV 13722.74 258.43
ASE 17554.04 330.58
DCV + ASE 20805.38 391.81
Tabela 7: Indicadores econômicos para o Cenário C3.
Modelo M1 M2 M3
Consumo Anual [kWh] 76244.30 76313.77 76970.13
Invest. Adicional [R$] 17554.04 20805.38 20805.38
Custo Anual [R$] 14482.60 14287.59 14104.29
Custo evitado [R$] 2126.42 2321.43 2504.73
VPL [R$] 499.43 -947.03 471.64
TIR [%] 10.46% 9.26% 10.36%
Tempo de retorno [anos] 8.26 8.96 8.31
Fig. 6: A-Sensibilidade ao custo de energia em M3-C3; B-Sensibilidade ao custo dos equipamentos em M3-C3; C-Sensibilidade à Taxa Mínima de Atratividade em M3-C3.
CONCLUSÕES
Para o controle de temperatura e de umidade relativa é mais preciso o DCV. Além disso, quando a ocupação diminui em dias quentes, o DCV reduz a carga sobre a SRD em momentos críticos e o compressor funciona em regime. No entanto, quando a temperatura externa é baixa, a menor vazão de ar externo usada pelo DCV causa um aumento no consumo de energia e o resfriamento gratuito é negligenciado.
Em relação ao EAE, em ambos os Cenários, ocorreram aumentos de umidade relativa na Convivência devido à alta vazão de ar externo e a geração interna de umidade elevada. Considerando que o sistema foi dimensionado para o ganho máximo de calor sensível, a SRD não é capaz de atender toda a carga latente da sala, uma vez que a remoção de umidade só é possível até que o setpoint de temperatura seja atingido e o compressor desligado.
Considerando-se as condições de desempenho energético e conforto, a melhor combinação de técnicas foi DCV-IAQP juntamente com EAE-DDB (M3-C3). Obteve-se uma redução de 11,78% no consumo anual de energia dos sistemas de ar-condicionado do edifício (economia de R$ 2.504,73). O custo total do sistema DCV e EAE é de R$ 20.805,38, com um custo incremental de R$ 391,81/TR. No cenário econômico considerado obteve-se um VPL de R$ 471,64, uma TIR de 10,36% e um tempo de retorno de 8,31 anos. Apesar dos indicadores financeiros ruins, projetos de Eficiência Energética têm muitas vantagens intangíveis como a preservação do meio ambiente.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq, CAPES e FAPEMIG pelo apoio financeiro para a execução deste trabalho.
REFERÊNCIAS
Custo anual de energia [R$]
Id M1 M2 M3
C1 16609.02 16628.19 16769.16 0.00% 0.12% 0.96%
C2 14372.51 14164.94 13955.73 -13.47% -14.72% -15.97%
1. L. O. S. Buzelin, S. C. Amico, J. V. C. Vargas, e J. A. R.Parise, “Experimental development of an intelligent refrigeration system”, Int. J. Refrig., vol. 28, no 2, p. 165–175, mar. 2005.
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UNIDADES E NOMENCLATURAS
DCV Ventilação Sob Demanda TIR Taxa Interna de Retorno DDB Diferencial de Temp. de Bulbo Seco TMA Taxa Mínima de Atratividade DEN Diferencial de Entalpia TR Tonelada de Refrigeração EAE Economizador de Ar Externo VAV Volume de Ar Variável IAQP Método de Qualidade de Ar Interno VPL Valor Presente Líquido PIB Produto Interno Bruto VRP Método da Taxa de Ventilação SRD Serpentina de Resfr. e Desumidificação
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