Qualidade de Ar Interior com equipamentos e projeto inteligente.
Palestrante: Ciro Cruz
Global Product Manager, Johnson Controls
Johnson Controls - FEBRAVA 2015 – Seminário Técnico
Setembro 23, 2015 - 10:45
Johnson Controls - FEBRAVA 2015 - Seminário Técnico
Palestrante:
Ciro Cruz
Global Product Manager,
Chiller Solutions, Johnson Controls
’
Topico:
Qualidade de Ar Interior com equipamentos e projeto inteligente
1. Balanço entre eficiência e QAI: Adote uma abordagem holística.
2. Circuitos de água gelada dissociados.
3. Central de água gelada com “Lift” reduzido e duplo circuito de água gelada.
4. Chillers.
5. Torre de resfriamento.
6. Múltiplos sistemas de tratamento de ar: DOAS, AHU, Teto Radiante, UFAD
7. Controles.
8. Estudo de caso: Jurong Entertainment Mall (JEM) – Singapura.
2
1.Balanço entre eficiência e QAI.
Porque necessitamos ventilação e filtragem?
• Qualidade de Ar Interior
— Pessoas passam mais tempo em áreas internas.(>90%)
— Síndrome do edifício doente.
— Contenciosos jurídicos sobre mofo (USA).
• ASHRAE Std 62.1
—
—
—
—
—
3
Regulação local (Building Code).
Certificação LEED.
Filtragem do ar (Poeira, poluentes)
Umidade relativa max.65%.
Taxa de renovação de ar exterior/pessoa.
1. Balanço entre eficiência e QAI.
Possíveis impactos dos requesitos de uma melhor qualidade de ar interior.
Possíveis impactos de uma melhor QAI
Maior produtividade
Maior assiduidade
Menos doenças
respiratórias e alérgicas
Menos litígios
judiciais
4
kW/Ton
kWh
Custos iniciais e
Operacionais $$$
Carga de resfriamento
1. Balanço entre eficiência e QAI.
Como mitigar os impactos da melhor QAI? Adote uma abordagem holística.
Variadores
de
Frequência
Automação e
Optmização
Torres de
Resfriamento
Tratamento
do Ar
Bombas e Motores
Para promover uma melhor QAI, os sistemas devem ser projetados e operados de forma holística, buscando controlar a fonte de poluentes, ter
uma taxa de ventilação de ar exterior correta, previnir umidade e mofo, promover boas práticas de limpeza e manutenção, bem como monitorização
da QAI, mas
5
de uma forma energeticamente eficiente.
Eficiência energética da
Central de água gelada
2. Circuitos de água gelada dissociados.
Máxima eficiência e alta qualidade do ar interior ao mesmo tempo.
*Exemplo: Consumo anual médio
em kW/ton pela escala do
“Singapore Green Mark”
Fluxo
primário
variável
*Min. Platinum
0.65 kW/Ton
Elevar a
TSAG
+
Fluxo
primário
variável
(VPF)
Elevar a
TSAG
+
Fluxo primário
variável (VPF)
+
Vazão em
contra fluxo
(SCF)
*Corporation Place
0.59 kW/Ton
*Potencial
0.57 kW/Ton
Anteriores +
Circuitos de água
gelada dissociados
(Cargas latentes e
sensíveis)
*JEM- Estudo de Caso
0.527 kW/Ton
Tipos de sistemas de central de água gelada
Eficiência da Central (Chiller + Bombas + Vent. da Torre de Cond.) ≤ 0.65 kW/TR*
6
2. Circuitos de água gelada dissociados.
Otimização de um sistema de HVAC, separando ("decoupled") cargas latente de cargas sensíveis...
% das Cargas.
Latente
Condução pelas paredes , telhado, etc
Radiação Solar
Iluminação
Sensível
Servido pelo
circuito de “Alta
Temperatura”
de água gelada
Equipamentos (alguma parte….maioria sensível)
Pessoas
Infiltração
Ventilação
Servido pelo circuito de
“Baixa Temperatura”
ou pelo circuito de
multipla temperatura
de água gelada
Ganhos de calor do sistema
% do total de carga de resfriamento:
7
20-30%
70- 80%
3. Central de água gelada com “Lift” reduzido e duplo circuito de água gelada.
Central de água gelada tradicional
Central de
água gelada
Circuito de água gelada
12 °C
35 °C
7 °C
30 °C
Circuito de água condensação
8
3. Central de água gelada com “Lift” reduzido e duplo circuito de água gelada.
Considere o projeto de sistema de água gelada típico...
Pressão
30 °C
°CC
95° F 3535°
“Lift”
12 °C
7 °C
Entalpia
9
3. Central de água gelada com “Lift” reduzido e duplo circuito de água gelada.
Tire proveito da redução do “Lift”........
Reduzindo a temperatura
da água do condensador
Pressão
Reduz o “Lift”
Condensador
“Lift”
(ou “Head
Pressure”)
Compressor
Evaporador
Entalpia
Reduz o trabalho do
compressor
Reduz o consumo de
energia
Estratégia de redução do “Lift” # 1:
Reset da Temperatura de Condensação
10
3. Central de água gelada com “Lift” reduzido e duplo circuito de água gelada.
Tire proveito da redução do “Lift” do sistema........
Sistema tradicional
arranjo em paralelo.
Lift: 35 °C – 9 °C = 26 °C
Sistema com arranjo em série
e contrafluxo:
Lift Chiller 2
35 °C – 14 °C = 21 °C
Lift Chiller 1
32.5 °C – 9 °C = 23.5 °C
9 deg °C
30 deg °C
14.0 deg °C
19 deg °C
32.5 deg °C
35 deg °C
Lift médio em SCF = 22.2 °C
“Lift” é reduzido em 2.5 °C
32.5 °C – 9 °C
= 23.5 °C lift
“Lift” é reduzido em 5.0 °C
35 °C – 14 °C
= 21 °C lift
Estratégia de redução do “Lift” # 2:
Arranjo de vazão em série e contrafluxo (SCF)
11
VPF
3. Central de água gelada com “Lift” reduzido e duplo circuito de água gelada.
Tire proveito da redução do “Lift” do sistema........
Desempenho em Série e Contrafluxo VSD chiller em condições
climáticas de Singapura (aplicado de edifício de escritórios)
28% melhor eficiência que o projeto original (plena carga)
48% melhoria média
9°C
1520kWr
30°C
14°C
32.°C
1645 kWr
19°C
35°C
COP
Alta Temp. chiller COP
Série Contrafluxo (alta+Baixa) COP
Baixa Temp.Chiller COP
Baseline: Projeto tradicional
Estratégia de redução do “Lift” # 2:
Arranjo de vazão em série e contrafluxo (SCF)
% Capacidade
12
3. Central de água gelada com “Lift” reduzido e duplo circuito de água gelada.
Tire proveito da redução do “Lift” do sistema........
Reduz o consumo de
energia
Pressão
Condensador
Reduz o trabalho do
compressor
Compressor
“Lift”
(ou “Head
Pressure”)
Evaporador
Reduz o “Lift”
Entalpia
Aumentando a
temperatura da água do
evaporador
Estratégia de redução do “Lift” # 3:
Reset da Temperatura de água gelada
13
3. Central de água gelada com “Lift” reduzido e duplo circuito de água gelada.
Tire proveito da redução do “Lift”........
Entrada de Ar:
Uma maior serpentina
(baixa velocidade de
face) permite o uso de
uma temperatura mais
alta da alimentação de
água de gelada (reset)
sem impacto nas
condições de saida do
ar, perda de pressão
estática ou perda de
pressão de
bombeamento.
Target de temperatura de
saida de ar:
13°C Bulbo seco
25°C Bulbo seco
18.5°C Bulbo úmido
Fluxo de Ar: 5,000 l/s
Projeto Tradicional:
2.5 m/s velocidade de face
6°C to 7°C temperatura de
approach
Projeto aperfeiçoado:
<2.0 m/s face velocity
Temperatura
requerida de
água gelada?
3°C to 4°C temperatura de
approach
Temp. de Saída – approach = Temp. de saída de água gelada (Set-point)
Estratégia de redução do
“Lift” # 3:
Reset da Temperatura de
água gelada
14
13°C Temp. de Saída
- 7°C
approach
= 6°C Set-point de água gelada
13°C Temp. de Saída
- 4°C
approach
= 9°C
Set-point de água gelada
Reduzir 1 °C no ‘lift’ aumenta o COP em
3%
3. Central de água gelada com “Lift” reduzido e duplo circuito de água gelada.
Combinando as alternativas de reset de água gelada propostas anteriormente.
VAV & AHU(s)
Ins. Ar
13/12.9 °C
Unidade de Multi-Estágio “Dedicada para Tratamento de Ar Exterior“
(DOAS) por resfriamento para desumidificação e controle de condensação
Ar Externo
33/27 °C
Ins. Ar
13/12.9 °C
2o. estágio para pré-resfriamento
pelo Circuito de Baixa de Temp. A.G.
1o. estágio para pré-resfriamento
pelo Circuito de Alta de Temp. A.G.
20 °C
18 °C
VPF
Ret. Ar
24.7/19.4 °C
9 °C
15 °C
Circuito de Alta de Temp. A.G.
18 °C
% de carga típica em um edifício misto :
•
•
•
•
9 °C
28% das cargas: 15 oC Set-point água gelada
36% das cargas: 13.5 oC Set-point água gelada
o
C Set-point água gelada
36% das cargas: 9
Média total:
12.3 oC Set-point água gelada
Reduzir 1 °C no ‘lift’ aumenta o COP em
18 °C
VPF
Ganho significativo de eficiência do sistema versus um sistema de
arranjo típico em paralelo (7 °C Set-point AG)
15
13.5 °C
3%
18 °C
Circuito de Baixa
de Temp. A.G.
3. Central de água gelada com “Lift” reduzido e duplo circuito de água gelada.
Combinando as alternativas de reset de água gelada propostas anteriormente.
Unidade de multi-estágio “Dedicada para Tratamento de Ar Exterior“ (DOAS)
por resfriamento para desumidificação e controle de condensação
Circuito de Alta de Temp. A.G.
para carga sensível
*Sistema mostrado com roda entálpica.
Set-point
Teto Radiante
(Chilled beam)
23°C / 55%
15oC
Set-point
o
13 C
18°C
12°C
28°C
33/28°C
UFAD
(Sistema de Insuf. pelo Piso)
Set-point
2o. estágio para pré-resfriamento
pelo Circuito de Baixa de Temp. A.G.
9°C
o
9C
1o. estágio para pré-resfriamento
pelo Circuito de Alta de Temp. A.G.
15°C
AHU & VAV (s)
O “Lift” reduzido pela elevação do set-point de saída de água gelada (Reset)
proporciona significativos ganhos na eficiência do sistema de AC.
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Proporcione um ambiente saudável e confortável!
Reduza custos operacionais – utilitidades, manutenção e trabalho!
Chiller Centrífugo de Mancal Magnético
• Projetado para operar com arranjo em SCF.
• Menor custo operacional proporcionado por VSD como padrão.
• Chiller mais silencioso do mercado.
• Reduzida área de piso; Ótimo para retrofit.
Sistema dedicado para tratamento de ar exterior (DOAS)
• Unidade dedicada para gerenciar a quantidade e qualidade exata a ser insuflado
no empreendimento.
• Exaustão através da unidade.
• DOAS não manipulam cargas de refrigeração & aquecimento do espaco comum.
• Melhor solução para atingir os requerimentos da ASHRAE norma 62.1.
Eclipse Air Handling Units (YM- AHU)
Alto grau de flexibilidade para atender a maioria das especificações do mercado comercial.
Projeto para fornecer máxima QAI com múltiplos estágios de filtro, alta estanqueidade e
bandejas do dreno em plástico.
Reduzido níveis de ruído para aplicações sensíveis.
Controles e acessórios podem ser fornecidos de fábrica.
17
4- Chillers
Projetar um sistema otimizado começa com um chiller de operação eficiente....
Chiller
58%
Fans
24%
Pumps
13%
Tower
5%
Design Performance
Em climas tropicais como Singapura (ambiente mais desafiador para economia de energia com VSD) é
possível ter ganho de eficiência de sistema com clima quente e úmido.
No Brasil ainda teríamos a possibilidade de reduzir ainda mais o “lift” de operação, usando o reset de água de
condensação. (estratégia #1 de redução de “lift”)
18
4- Chillers
Tecnologia VSD desbloqueia o benefício de eficiência em todas as condições climáticas.
YK CSD Constant CEFT
YK CSD AHRI Relief
YK VSD AHRI Relief
14.0
Velocidade Variável
Redução de Condensação
AHRI + oil-free YMC2)
13.0
YMC2 AHRI Relief
Chillers operam 85%
do tempo dentro desta
faixa de capacidade
12.0
11.0
Velocidade Variável
Redução de Condensação
AHRI
COP
10.0
9.0
8.0
Velocidade Constante,
Redução de Condensação
AHRI
7.0
6.0
Velocidade Constante
Temp.Entr.água Cond. Constante
5.0
4.0
10
20
30
40
50
60
% Capacidade
19
70
80
90
100
5- Torre de Resfriamento
Rever as condições de concepção convencional... Qual é a temperatura de projeto de água de condensação apropriado?
A torre de resfriamento é o dispositivo de transferência de
calor mais eficaz no sistema.
250 ton de uma torre de baixo nível de ruído
Design Condition
Quociente de eficiência de energia (EER) =
875 kW / 7.5 kW = 117
32 - 37 °C
OR
30 - 35 °C
Projeto Original = approach 5-7 °C
Projeto Optmizado = approach 3-4 °C
Optimização no dimensionamento de torre de resfriamento economiza
energia, quando considerado o funcionamento ao longo do ano!
Operar o sistema com a temperatura da água CONSTANTE da torre
desperdiça energia
20
6- Múltiplos sistemas de tratamento de ar:
Sistema dedicado para tratamento de ar exterior (DOAS)
Sistema dedicado para tratamento de ar exterior (DOAS)
■ Trata 100% do ar exterior e atende a carga total de umidificação do prédio.
■ Controla o ponto de orvalho do espaço interno.
■ Mantém a taxa de ventilação projetada
■ Sistema de recuperação de energia (roda entálpica) para reduzir a carga da serpentina
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6- Múltiplos sistemas de tratamento de ar:
YORK ECLIPSE® Air-Handling Unit
Feature
Performance (Eclipse YM)
Faixa de Vazão
900 – 20K
Paredes
1” (R-13)
Construção
Sanduíche de Poliuretano Injetado
Estanqueidade
<5%
Base
Viga estruturada
Norma para Filtragem
ABNT 16401-2008
Categorias LEED*
EA-1, & 4 , EQ-1, 2, 3.1, 5, & 7.1
*Produtos não podem garantir que receberá pontos LEED.
Unidades de YORK Eclipse (YM) podem ajudar para a realização dos créditos nas categorias listadas.
22
6- Múltiplos sistemas de tratamento de ar:
YORK ECLIPSE® Air-Handling Unit
Extensiva Opção de Filtros
Atende aos requisitos das mais variadas aplicações.
Vários tipos de filtro disponíveis.
Eficiências e diferentes classificações de grau de filtragem
segundo Norma ABNT 16401.
Lâmpadas Ultra-Violetas
Serpentina ANTES de UV aplicada.
Descontaminação de Superfície:
Irradiação ultravioleta germicida (UVGI) é o processo de usar um
comprimento de onda de 254 nanômetros da luz ultravioleta (UV-C)
para matar organismos no ar e superfície.
23
Serpentina DEPOIS de UV aplicada.
6- Múltiplos sistemas de tratamento de ar:
YORK ECLIPSE® Air-Handling Unit
Definição de AHU “Customizado” tem mudado…
20 anos atrás: Motor Interno
15 anos atrás: Filtragem especial, Ventiladores de alta pressão
10 anos atrás: Rodas entálpicas, Construção modular, <1% estanqueidade.
5 anos atrás: Lâmpadas UV, Maiores vazões, múltiplos ventiladores,….
Hoje, “Customização” é guiada pelos seguintes requerimentos…
Componentes e aplicação especializada:
Resitentes à corrosão.
Controles e acessórios fornecidos pelo fabricante.
Flexibilidade de configuração:
Desempenho dos módulos “Customizados" implementadas em unidades de Eclipse ™....
Construção modular,
Capacidade de atender altas vazões,
Lâmpadas UV,
Estrutura reforçada e base para os ventiladores.
24
Proporcione um ambiente saudável e confortável!
Reduza custos operacionais – utilitidades, manutenção e trabalho!
Teto Radiante (Chilled Beam)
Ativo ou Passivo.
Uma serpentina de água gelada atende a maior parte da carga sensível
requerida pelo ambiente.
Necessita de um sistema de ar primário complementar para ventilação e
desumidimificação do ambiente.
Sistema de insuflamento pelo piso York Airfixture (UFAD)
Baixo custo operacional.
Alto nível de conforto.
Operação silenciosa, ideal para prédio de escritórios.
Distribuição de ar eficiente.
YGFC Fan Coil Unit (FCU)
Projetado para manejar grandes diferencias de temp. de A.G.
Baixo custo inicial.
Operação silenciosa, ideal para hotéis.
Controles e acessórios podem ser fornecidos de fábrica.
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6- Múltiplos sistemas de tratamento de ar:
Teto frio (Chilled beams) do tipo Ativo
Codições de Operação:
Circuito de baixa
temperatura de A.G.
45-54°F
(7-12°C)
Circuito de
água
moderado
26
Circuito de Alta
temperature de A.G
59-63°F
(15-17°C)
Chilled Beans
Ativo
6- Múltiplos sistemas de tratamento de ar:
Teto frio (Chilled beams) do tipo Passivo
Codições de Operação:
Circuito de baixa
temperatura de A.G.
45-54°F
(7-12°C)
Ar condicionado primário para
controle de ventilação e umidade
Circuito de
água
moderado
Circuito de Alta
temperatura de A.G
59-63°F
(15-17°C)
Chilled Beans
Passivo
27
6- Múltiplos sistemas de tratamento de ar:
Sistema de insuflamento pelo piso York Airfixture (UFAD)
Codições de Operação:
Economia de energia total de 20 a 30% vs.
tradicional sistema por duto.
26 °C
25 °C
24 °C
18 °C
28
Menor potência nos ventiladores e menor consumo de energia
devido a baixíssima pressão estática sob o assoalho (1 mmca vs.
38-50 mmca típico para sistemas de ar de alimentação por dutos)
Mais horas de “free cooling”, uma vez que o ar é insuflado a 18°C,
utilizando água gelada a 13°C apartir de um AHU vs. o tradicional
de 13°C de insuflamento do ar para 7°C da água gelada de um
sistema de dutos.
Eficácia na distribuição de ar, com menos ar exterior e mesma
qualidade de Ar interior.
Proporcione um ambiente saudável e confortável!
Reduza custos operacionais – utilitidades, manutenção e trabalho!
BAS System (Sistema Metasys )
- Permite o acesso fácil aos dados de qualquer ponto e em qualquer tipo de
de dispositivo móvel, reduzindo os custos trabalhistas e aumentar a
satisfação do cliente e usuários.
-Relatórios interativos, permitindo o rápido diagnóstico e solução de
problemas.
AHU & FCU Controles e acessórios podem ser
fornecidos de fabrica.(FSC)
- Melhor Qualidade de ar interior
- Menor custo em trabalho de campo
- Menor prazo de entrega do projeto
- Cabeamento elétrico consistente,
- Alta qualidade padronizada de instalação.
29
7- Controles
Central de HVAC & BMS (Sistema Metasys MEA – Arquitetura Nativa)
Servidor ADS
Estações de Trabalho
WiFi
TCP/IP
Gerenciadoras
MSTP BACnet
Caixa VAV
N2
LON
MSTP BACnet
Ar-Cond. de sala
FEC
VAV
FEC
Chiller
30
Controladoras de Campo
Caixa VAV
7- Controles
Central de HVAC & BMS (Sistema Metasys MEA – Arquitetura Nativa)
HT loop chillers
LT loop SCF chillers
Metasys Medição da eficiência instantânea: Jan 2014 3:38 PM => Central de A.G.0.564 kW/TR
(Chillers 0.464 kW/TR + Bombas + Ventiladores da Torre 0.100 kW/TR)
31
8- Estudo de Caso: JEM - Singapura
Projeto mais eficiente de uma central de água gelada da Johnson Controls
Eficiência da Central de HVAC:
0.527 kW/Ton
32
8- Estudo de Caso: JEM - Singapura
Projeto mais eficiente de uma central de água gelada da Johnson Controls
Um dos mais “constantes” climas tropicais: Singapura tem um clima quente e úmido
33
8- Estudo de Caso: JEM - Singapura
Projeto mais eficiente de uma central de água gelada da Johnson Controls
Nome do prédio:
Endereço:
Código Postal :
Tipo de Prédio:
Área Bruta de Piso (GFA)
Área Condicionada
34
JEM
50 Jurong, Gateway Rd
608549
Misto de Varejo & Escritorios
108,169 m²
94,786 m²
8- Estudo de Caso: JEM - Singapura
Eficiência de uma Central de AG. exemplar com 0.527 kW/Ton (with R134a)
Escopo do projeto:
• YORK 2 x 2000TR Vazão em Série e Contrafluxo (SCF)
• YORK 1 x 1000TR VSD + 1 x 500TR VSD
• YORK Climatizadores e demais unidades de tratamento do ar
• Fluido Refrigerante: R134a
• Consultoria em TI
• Metasys Building Management System
• ICT Solução de Convergência
Resumo do projeto:
Desenvolvimento misto com Varejo & Escritórios
Conclusão completa: 2013
BCA Green Mark Platinum com uma eficiência da central de água gelada de 0.55 kW/TR
Desempenho real da planta de água gelada: 0.527 kW/Ton
Participantes do projeto:
• Proprietário: Lend Lease
Projetista: Bescon
Sumário da performance da central de água gelada
Source: JEM Operating System Efficiency Report: Page 10/10 dated 21st Feb 2014
35
JEM é conhecido como o “mais verde edifício" em Singapura (2013)
8- Estudo de Caso: JEM - Singapura
Projeto mais eficiente de uma central de água gelada da Johnson Controls
Eficiência da central de água gelada vs. a carga térmica
Projetada
Eficiência do Sistema ( kW/tr)
Real
Carga Térmica em TR
36
8- Estudo de Caso: JEM – Singapura
Prêmio de Sustentabilidade – Recebeu o primeiro certificado Platinum Green Mark para um prédio de uso misto.
Elevando o nível em excelência em eficiência energética para sistemas de HVAC em Singapura.
Performance requerida para se qualificar no mais alto grau pelo Singapura Green Mark (Platina)
Eficiência da Central de HVAC (Chiller + Bombas + Vent. da Torre) ≤ 0.65 kW/TR
0.527 kW/TR (JEM)
Melhor eficiência de planta entregue pela Johnson Controls ultrapassando as
expectativas do cliente e definindo novo padrão no mercado de Singapura.
37
Johnson Controls - FEBRAVA 2015 - Seminário Técnico
Conclusoes:
QAI e baixos custos operacionais não são incompativeis.
A optmização do projeto de HVAC com a implementação de estratégias de aumento de eficiência podem
eliminar o aumento de consumo de energia requerido para atender normas de QAI.
Benefícios do aumento de QAI
Maior produtividade
Maior assiduidade
Menos doenças
respiratórias e alérgicas
Menos litígios judiciais
Aumento de eficiência por redução do “Lift” do sistema
•
•
•
•
•
•
•
Separação de cargas (latente e sensível)
Reset de temperaturas do sistema (água gelada e condensação)
Revisão no selecionamento de serpentinas dos AHU.
Revisão no selecionamento do “approach: de torre de condensação.
Uso de chillers em série e contra-fluxo.
Uso de climatização por “vigas frias” e “insuflamento pelo piso”.
Uso de sistemas de automação/optimização da central de água gelada.
kW/Ton
kWh
Custos
Operacionais $$$
38
Fábrica Sorocaba, SP
Ar Condicionado e
Refrigeração
Obrigado
[email protected]
Qualidade de Ar Interior com equipamentos e projeto inteligente.