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
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
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
4
SIMULAÇÃO COM SOFTWARE ENERGY PLUS ........................................ 62
Comparação entre SRE e Condicionador de Ar.............................................. 63
Adequação do Galpão para Uso de Condicionador de Ar .............................. 65
Galpão Simulado no Software Energy Plus ................................................... 65
Alternativas Comparativas Propostas ........................................................... 66
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
5.1
6
6.1
6.2
CONCLUSÕES ............................................................................. 116
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................. 117
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................... 119
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CITADAS ..................................... 119
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
Figura 37 - Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do SRE
com ventilador acionado a 30Hz. ...................................................................... 73
Figura 38 - Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do SRE
com ventilador acionado a 35Hz. ...................................................................... 74
Figura 39 - Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do SRE
com ventilador acionado a 40Hz. ...................................................................... 74
Figura 40 - Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do SRE
com ventilador acionado a 45Hz. ...................................................................... 75
Figura 41 - Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do SRE
com ventilador acionado a 50Hz. ...................................................................... 75
Figura 42 - Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do SRE
com ventilador acionado a 55Hz. ...................................................................... 76
Figura 43 - Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do SRE
com ventilador acionado a 60Hz. ...................................................................... 76
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 52 - Diagrama do conforto térmico de dados externos com SRE a 30Hz. ................. 81
Figura 53 - Diagrama do conforto térmico de dados internos com SRE a 30Hz. .................. 81
Figura 54 - Diagrama do conforto térmico de dados externos com SRE a 35Hz. ................. 81
Figura 55 - Diagrama do conforto térmico de dados internos com SRE a 35Hz. .................. 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 58 - Diagrama do conforto térmico de dados externos com SRE a 45Hz. ................. 82
Figura 59 - Diagrama do conforto térmico de dados internos com SRE a 45Hz. .................. 82
Figura 60 - Diagrama do conforto térmico de dados externos com SRE a 50Hz. ................. 83
Figura 61 - Diagrama do conforto térmico de dados internos com SRE a 50Hz. .................. 83
Figura 62 - Diagrama do conforto térmico de dados externos com SRE a 55Hz. ................. 83
Figura 63 - Diagrama do conforto térmico de dados internos com SRE a 55Hz. .................. 83
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, percebese 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).
NS 
120 f
p
Eq. 1
Onde:
: Velocidade síncrona do campo girante (rpm);
f
: Frequência fundamental da tensão de alimentação (Hz);
p
: Número de pólos do motor;
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
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
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)
N  (1  s )  N s
Eq.2
Onde:
s
: Velocidade do eixo do motor (rpm);
: Escorregamento;
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
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.
P60Hz  Pútil
Eq.3
Sabendo a potência útil pode-se para cada frequência estimar o consumo de
energia a partir da equação 4.
Pútil
f
Pf  nom.
f ac.
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:
100
10
Pf  60 
f ac. 6 f ac.
Eq.5
Onde:
ú
.
.
: Potência percentual demandada na frequência de acionamento (%);
: Potência ativa útil demandada pelo motor no acionamento convencional,
ou seja, na partida direta (W);
: Frequência na qual o motor é alimentado com conversor de frequência
(Hz);
: Frequência nominal da rede de energia (Hz);
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
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.
% 
Pmec.
100
Pu  ( Pjoule  Pferro )
Eq.6
Onde:
: Rendimento percentual do motor de indução (%);
%
: Perdas por efeito Joule (W);
: Perdas no núcleo de ferro do motor de indução (W);
.
: Potência mecânica do motor (W);
: 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 ( Pmec. ) 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:
18
Figura 3 – Rendimento de motor de indução trifásico 75CV para várias frequências
de acionamento
to e diferentes níveis de carga
Fonte: WEG (2010)
Para um motor de 15CV, de 4 pólos, tensão de 400V de acionamento e
frequência nominal de 50Hz o resultado pode ser observado na Figura 4:
4
Figura 4 – Rendimento de motor de indução trifásico 15CV para várias frequências
de acionamento
to e diferentes níveis de carga
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
frequência
cia de acionamento
menores que a frequência
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.
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):
T  m  I 2
Eq.7
U1  4, 44  fnom.  Ne  m
Eq.8
Sendo:
:
Torque ou conjugado do motor de indução (N.m);
:
Fluxo de magnetização (Wb);
:
Corrente do rotor (A);
:
Tensão aplicada a bobina do estator (V);
:
Número de espiras da bobina do estator (espiras);
O fluxo alternado de magnetização  m provém da excitação de tensão
senoidal U 1 que induz no rotor uma força eletromotriz no rotor U 2 e esta produz um
novo fluxo  2 que é diretamente proporcional à tensão U 2 e inversamente
proporcional à frequência de acionamento ( f ), de forma demonstrada na
proporcionalidade da Eq. 9.
2 
U2
f
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
EVAPORATIVO
DE
VENTILAÇÃO
E
RESFRIAMENTO
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):
Q1 1

Q2 2
H1  1 
 
H 2  2 
Eq.10
2
Eq.11
24
3
Pc1  1 
 
Pc 2  2 
Eq.12
Sendo:
: Vazão “n” (m³/s);
: Velocidade de rotação do eixo “n” (RPM);
: Altura manométrica ou pressão “n” (Pa);
: 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
25
ainda com sprays. Neste tipo de sistema não ocorre à redução da entalpia ocorrendo o
aumento daa 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
líquido resfriado
evaporativamente (CAMARG
CAMARGO, 2004).
De acordo com Macintyre (1990) a Psicrometria é o estudo das propriedades
e características do ar e da determinação das mesmas
mesmas.
No estudo deste ramo das ciências térmicas a carta psicrométrica
psicromé
é um
elemento que simplifica a relações das propriedades do ar, tais como: temperatura,
umidade e ponto de orvalho, também chamado de ponto de condensação
(MASSIERO, 2006).
Vetores adequadamente desenhados na carta Psicrométrica podem definir
como ocorrem
rrem os processos de resfriamento direto, indireto ou de dois estágio
estágios,
sendo o primeiro indireto e o segundo direto
direto.
Conforme
onforme segue na Figura 8, pode-se perceber que no estágio indireto a
umidade absoluta é mantida constante e a temperatura de bulbo úmido, umidade
relativa e a temperatura de bulbo seco diminuem e já no estágio direto a temperatura
de bulbo úmido e a entalpia são mantidas constantes e a temperatura de bulbo seco
reduz adicionando-se
se umidade ao ar.
Figura 8 – Carta psicrométrica e veto
vetores
res de resfriamento evaporativo
Fonte: adpt. FAO
Disponível em
em: http://www.fao.org/docrep/x5057s/x5057S0U.GIF Acesso 09 de
Julho de 2011.
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:

hc dA(T  Tsm )  m a C p dt
Eq.13
29
Sendo:
ℎ
: Coeficiente convectivo de transferência de calor (kJ/m²sK);
: Área elementar do painel evaporativo (m²);
: Temperatura do ar externo (K);
: Temperatura da superfície do painel evaporativo úmido de ar, considerada
igual a temperatura de bulbo úmido do ar (K);
̇
: Fluxo de massa da água (kg/s);
: Calor específico a pressão constante do ar úmido (kJ/kgK);
: Intervalo elementar de tempo (s);
Trabalhando a Eq. 13 resolvendo-a através da equação diferencial
proveniente se obtêm a efetividade do resfriador na equação:


Tbse  Tbssa

h
A
c


 1  exp  


Tbse  Tsm
 m a C p 
Eq.14
Onde:
: Efetividade do painel evaporativo;
: Temperatura de bulbo seco do ar de entrada no painel (K ou °C);
: Temperatura de bulbo seco do ar na saída do painel (K ou °C);
: 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
Tbue 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:

Tbse  Tbssa
Tbse  Tbue
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.
450
Consumo (TWh)
400
350
300
OUTROS
250
COMERCIAL
200
INDUSTRIAL
150
RESIDENCIAL
100
50
2010
2009
2008
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
0
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.
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).
45
Figura 18 – Local
Localização da edificação em estudo
Fonte: adpt. Miranda (2011)
As paredes do galpão em estudo possuem espessura de 150 mm em concreto
e existem entradas de ar nas paredes laterais do galpão com toldos
told alaranjados para
bloquear a entrada do sol, a área do ambiente climatizado possui um total
aproximado de 398 m².
Em relação à orientação solar, o galpão possui fachada frontal orientada na
direção predominante nordeste.
No teto do galpão existem 10 exaustores eólicos que retiram ar quente do
colchão formado entre o teto de telha ecológica (tetrapak) e o forro de PVC.
PVC Este
dispositivo atua através da força exercida pelo vento externo, ou ainda, quando esta
não é suficiente, o próprio processo de convecç
convecção
ão natural proporciona o diferencial
de pressão para que o exaustor retire o ar quente do colchão de ar forma
formado entre o
forro e o teto da edificação. 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
Ventilador
Vazão
Peso seco
Peso em operação
Bb100
Axial
10000 m³/h
125 kg
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
MOTOR WEG STANDARD
Potência
Frequência
Corrente 220 V
Rendimento (plena carga)
Fator de Potência (plena
Rotação
Temp. Máxima
Ip/In
CAT
0,5CV
60 Hz
1,86 A
68%
0,69
1730
40°C
5,3
N
Fonte: WEG (2010)
Potência
Frequência
Corrente 220 V
Rendimento (plena carga)
Fator de Potência (plena
Rotação
Temp. Máxima
Ip/In
Categoria
Graus de Proteção
1/6 CV
60 Hz
0,737 A
58,5%
0,73
3500
40°C
5,3
N
IPW-55
Fonte: WEG (2010)
Tabela 4 - Dados da bomba d’água
Moto Bomba Centrífuga de Imersão
Fabricante
Modelo
Potência
Graus de Proteção
Rotação
Texius
UBPS150
0,12CV
IP-55
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:
49
O ventilador axial é acionado por polia e
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
molas que mantém a veneziana firmemente fechada quando o ventilador está fora de
operação. A Figura 21 ilustra o ventilador
entilador utilizado no sistema bem como suas
dimensões.
Figura 21 – Dimensões dos ventiladores EM30
Fonte: adpt. Munters (2000)
Os ventiladores utilizados nos painéis evaporativos individuais possuem
descrição de acordo com a Tabela 5.
Tabela 5 – Ventilador do painel evaporativo
VENTILADOR AXIAL
Marca
Modelo
Vel. Nom. da hélice
Peso Total do ventilador
Número de pás
Vazão do ar (P. E. = 0 Pa)
Vazão do ar (P. E. = 20 Pa)
Temp. Máxima
Diâmetro da hélice
Euroemme
EM30
590 RPM
55 kg
6
13500m³/h
11950m³/h
50°C
760mm
Fonte: Munters (2000)
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
Modelo
In Saída
Chassis
Faixa de Temp.
Faixa Umid.
Potência máxima
Weg
CFW10 0073 T 2024 PSZ
15,2A
IP 20
0 - 40°C
5 - 90% (sem condensação)
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-higroanemômetro 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
53
temperatura e umidade, a área clim
climatizada
atizada 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 HT-500. Cada medição de temperatura e umidade
relativa interna utilizada neste trabalho é constituída pelas médias dos 4 data loggers
posicionados internamente em cada zona descrita na Figura 24 com sua legenda na
Figura 25.
Figura 24 – Galpão e pontos de instalação de equipamento
equipamentos
Fonte: Arquivo pessoal (2011)
Figura 25 – Legenda dos pontos do galpão
Fonte: Arquivo pessoal (2011)
A matriz de dados de temperatura e umidade relativa internas totalizam,
então, 12 medições registradas a cada hora, com 10 horas de medição por dia
constituindo 121 medições de temperatura e umidade internas para cada frequência
de acionamento. Como
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
0
25
30
35
40
45
50
55
60
42,09
40,29
40,86
40,46
40,34
39,83
41,94
40,37
41,65
28,52
29,87
28,72
29,26
30,34
30,34
27,73
30,85
30,47
43,55
43,13
35,95
42,47
48,29
47,9
54,08
45,35
44,84
23,44
14,10
16,45
23,38
26,07
28,78
21,08
27,54
21,80
Frequência
Acionada
(Hz)
Temperatura
Externa
Máxima
Medida (°C)
Temp
Externa
Mínima
Medida (°C)
UR
Máxima
Externa (%)
UR
Mínima
Externa (%)
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.
Termohigroenergética  (CT  CUr  CE ) 100
Eq.16
Onde:
é
: Coeficiente convectivo de transferência de calor (kJ/m²sK);
: Componente térmica (adimensional);
: Componente de umidade relativa (adimensional);
: Componente de energia elétrica (adimensional);
A seguir são apresentadas as componentes individuais da Eq. 16., em 3
equações, as Eq. 17 a 19.
61
T

T
CT  KT  externa interna 
 R

máx .( mom.)


 Ur
 Urexterna
CUr  KUr  interna
 AUrmáx.( mom.)

Eq.17



P 
P
C E  K E  a ( PD ) máx. a 
 Pa  máx.red . 
Eq.18
Eq.19
Sendo:
: Constante de importância térmica (adimensional);
: Constante de importância higrométrica (adimensional);
: Constante de importância energética (adimensional);
: Temperatura externa medida em um momento “m” (°C);
: Temperatura interna medida no mesmo momento “m” (°C);
á .(
: Redução máxima de temperatura obtida no momento “m” em todos
.)
os dias de medição (°C);
: Umidade relativa externa medida em um momento “m” (%);
: Umidade relativa interna medida no mesmo momento “m” (%);
á .(
.)
: Aumento máximo de umidade obtido no momento “m” em todos os
dias de medição (°C);
(
) á .
: Potência ativa máxima obtida em partida direta na medição na
conexão direta a rede de energia elétrica (W);
: Potência ativa medida no mesmo momento “m” que efetuadas as
medições de temperatura e umidade (W);
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.

 Termo  higro  energética   K T

 Texterna  Tinterna

 Rmáx .( mom .)

 Ur
 Urexterna
  K Ur  interna
AUr
máx .( mom .)



 Pa ( PD )  Pa
  K E 
 Pa  máx .red .


   100
 
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%:
KT  KUr  K E  1
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:
 PAPD  PAf 
RPA  
 100
PA

PD

Eq.22
Sendo:
: Redução de potência ativa (%);
: Potência ativa média na partida direta (W);
: 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.
Figura 37 – Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do
SRE com ventilador acionado a 30Hz
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%.
Figura 38 – Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do
SRE com ventilador acionado a 35Hz
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%. Notase 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.
Figura 39 – Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do
SRE com ventilador acionado a 40Hz
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.
Figura 40 – Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do
SRE com ventilador acionado a 45Hz
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%.
Figura 42 – Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do
SRE com ventilador acionado a 55Hz
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).
Figura 43 – Comportamento interno e externo de temperatura e umidade relativa do
SRE com ventilador acionado a 60Hz
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.
Figura 52 – Diagrama do conforto térmico
de dados externos com SRE a 30Hz
Figura 53 – Diagrama do conforto térmico
de dados internos com SRE a 30Hz
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.
Figura 54 – Diagrama do conforto térmico
de dados externos com SRE a 35Hz
Figura 55 – Diagrama do conforto térmico
de dados internos com SRE a 35Hz
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.
Figura 56 – Diagrama do conforto térmico
de dados externos com SRE a 40Hz
Figura 57 – Diagrama do conforto térmico
de dados internos com SRE a 40Hz
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.
Figura 58 – Diagrama do conforto térmico
de dados externos com SRE a 45Hz
Figura 59 – Diagrama do conforto térmico
de dados internos com SRE a 45Hz
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
Figura 60 – Diagrama do conforto térmico
de dados externos com SRE a 50Hz
Figura 61 – Diagrama do conforto térmico
de dados internos com SRE a 50Hz
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.
Figura 62 – Diagrama do conforto térmico
de dados externos com SRE a 55Hz
Figura 63 – Diagrama do conforto térmico
de dados internos com SRE a 55Hz
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.
Figura 64 – Diagrama do conforto térmico
de dados externos com SRE a 60Hz
Figura 65 – Diagrama do conforto térmico
de dados internos com SRE a 60Hz
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
frequência de acionamento.
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. Temp.
Int.
Int.
Máx.
Mín.
Red.
de
Temp.
Máx.
Umid.Ext.
Máx.
Umid.
Ext.
Mín.
(°C)
(°C)
(%)
(%)
Máx.
Aum.
de
Umid.
Int.
(%)
(Hz)
(°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.
(Hz)
25
30
35
40
45
50
55
60
Potência Redução de Redução de Velocidade Consumo
Ativa
potência
potência
do Ar na Diário de
Média ativa do SRE
ativa dos
Saída do
água
do SRE em Relação a Ventiladores
SRE
Partida
em Relação
Direta
a Partida
Direta
(W)
(%)
(%)
(m/s)
(l)
943,91
1049,51
1172,99
1342,68
1611,26
1834,56
2123,10
2486,13
62,09
57,85
52,90
46,08
35,29
26,33
14,74
0,00
75,94
70,88
64,81
56,63
43,82
33,04
19,04
0,00
2,77
3,33
3,96
4,51
5,34
5,77
6,20
6,59
330,00
350,00
355,00
355,00
350,00
460,00
490,00
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
Temperatura
Especificação
Média
Desvio
Externa (°C)
padrão
Temperatura Média
Desvio
Interna (°C)
padrão
Redução de
Média
Desvio
Temperatura (°C)
padrão
Umidade
Média
Desvio
Externa (%)
padrão
Umidade
Média
Desvio
Interna (%)
padrão
Aumento de
Média
Desvio
Umidade (%)
padrão
25Hz 30Hz 35Hz 40Hz 45Hz 50Hz 55Hz 60Hz
37,33 37,79 37,68 37,04 37,39 37,69 37,98 38,71
2,56 2,53 2,18 2,16 1,68 3,17 1,87 1,98
31,37 30,96 30,51 30,85 30,17 28,50 29,44 30,04
1,51
5,95
1,73
6,83
1,40
7,17
1,29
6,19
0,95
7,21
1,34
9,18
0,82
8,54
1,02
8,67
1,29 1,31 1,08 1,37 0,90 1,98 1,28 1,14
21,42 21,06 28,14 31,94 32,43 30,43 32,71 27,98
6,80 4,06 3,55 4,79 3,20 7,94 4,04 4,36
38,59 41,62 54,48 52,79 57,48 59,37 59,01 56,95
6,24 5,69 3,80 4,81 1,86 5,37 2,63 3,34
17,17 20,56 26,34 20,85 25,05 28,95 26,31 28,97
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
frequência de acionamento.
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 (
) 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 (
) 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 (
) 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
Início
Fim
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
25
30
Frequência de Acionamento (Hz)
35
40
45
50
55
60
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 (
) 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
Início
Fim
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
25
30
Frequência de Acionamento (Hz)
35
40
45
50
Garante a umidade relativa acima de 40 %.
Não garante a umidade relativa acima de 40%.
55
60
98
A partir da Tabela 11 é possível calcular os valores de
partir da Tabela 12 calcula-se os valores de
, isto se dá através da suposição que
cada área cinza clara nas tabelas representa um numero de área (
temperatura (
ao longo do dia e a
) para a Tabela 11 e de umidade relativa (
) que pode ser de
) 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:
 NA 
KT  1   T 
 8 
Eq.23
 NA 
KUR  1   UR 
 8 
Eq.24
Cada constante de energia
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
e
.
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
Início
Fim
08:00
09:00
09:00
10:00
10:00
11:00
11:00
12:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
NAt
8
8
6
4
Kt
0
0
0,25
0,5
4
3
3
4
8
8
0,5
0,625
0,625
0,5
0
0
Constantes
NAur
Kur
8
0
8
0
6
0,25
6
0,25
6
6
6
6
7
8
0,25
0,25
0,25
0,25
0,125
0
Ke
1
1
0,5
0,25
0,25
0,125
0,125
0,25
0,875
1
É importante relatar que as constantes para a obtenção da efetividade TermoHigro-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
e
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
Início
Fim
Acionada (Hz)
08:00
09:00
25
09:00
10:00
25
10:00
11:00
35
11:00
12:00
50
12:00
13:00
50
13:00
14:00
50
14:00
15:00
50
15:00
16:00
50
16:00
17:00
30
17:00
18:00
25
Consumo diário (kWh)
Pot. Ativa
Média (kWh)
0,94391
0,94391
1,17299
1,83456
1,83456
1,83456
1,83456
1,83456
1,04951
0,94391
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


Q
V 
   C  T 
p


Eq.25
Onde:
: Vazão de ar necessária (m³/h);
: Carga térmica do ambiente a ser climatizado (kcal/h);
: Massa específica do ar (kg/m³);
: Calor específico à pressão constante do ar (kj/kg°C);
Δ
: 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
Concreto
Forro PVC
Lona PVC
Reboco
Telha Reciclada
Tijolo Cerâmico
Condutividade
Térmica
(W/mK)
1,75
0,19
0,19
1,15
0,49
0,7
Calor
Específico
(J/kgK)
1000
1254
980
1000
1700
920
Espessura
(m)
0,3
0,01
0,001
0,025
0,0045
0,1
Densidade
(kg/m³)
2400
1200
700
2300
965
2000
102
Os dados da telha reciclada (polietileno) foram obtidos do trabalho de
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
trabalho, os dados dos
outros materiais foram provenientes da NBR 15220 (2005)
(2005).
A carga térmica do ambien
ambiente
te foi simulada com 200 pessoas em baixa
atividade metabólica, foram considerados 2100W de iluminação existente no
ambiente e 1000W de um data show que as vezes é utilizado no local.
local A carga
térmica resultante foi de 621
621.565,26 BTU/h (156.758,75kcal/h),, o mesmo ambiente
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 necessário para suprir a presença de 200 pessoas no local,
local com
uma densidade de aproximadamente 0,5 pessoa
pessoas por metro quadrado.
A obtenção da temperatura de resfriamento pode ser feita partindo-se de
dados de temperatura de bulbo seco e de bulbo úmido do ar externo para o verão
verão,
encontrados na NBR 6401 (2008), ou então, a partir de dados meteorológicos
regionais, de acordo com o período a ser utilizado o sistema e utilizando curvas de
efetividade
fetividade fornecidas pelo fabricante.
Para a cidade de Cuiabá, de acordo com a NBR 6401 (2008) a temperatura de
bulbo seco de entrada de projeto é de 36°C e a temperatura de bulbo úmido de
entrada de projeto é de 27°C, entrando na tabel
tabelaa fornecida pelo fabricante
f
obtém-se
uma temperatura de 28,8°C conforme ilustra a Figura 74.
Figura 74 – 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
Acionada
(Hz)
25
30
35
50
Temperatura
Mínima
Externa (°C)
27,727
36,851
34,836
36,851
Temperatura
Máxima
Externa (°C)
37,838
41,356
39,177
41,942
Número de
dados nos
períodos
288
96
96
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)
Início
0
28
31
34
38
Fim
27
30
33
36
45
Frequência
Acionada (Hz)
0
25
30
35
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
Acionada
(Hz)
25
30
35
Umidade
Rel.
Mínima
Externa (%)
16,057
14,099
14,691
Umidade
Rel.
Máxima
Externa (%)
54,077
29,927
39,626
Numero de
dados nos
períodos
288
96
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 (%)
Início
0
20
27
76
Fim
19
26
75
100
Frequência
Acionada (Hz)
35
30
25
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
Condutividade
Térmica
(W/mK)
1
Material
Vidro
Calor
Específico
(J/kgK)
840
Espessura
(m)
0,04
Densidade
(kg/m³)
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.
Consumo mensal (kWh)
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
Jan
Fev Mar Abr Mai Jun
Jul
Ago Set Out Nov Dez
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.
111
80
Demanda máxima (kW)
70
60
50
40
30
20
10
0
Jan
Fev Mar Abr Mai
Jun
Jul
Ago
Set
Out Nov Dez
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
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.
80
Demanda máxima (kW)
70
60
Condicionador de ar
50
SRE partida direta
40
SRE programador horário
30
SRE com sensor
20
SRE a 45 Hz
10
0
Abril
Maio
Junho
Julho
Agosto
Figura 81 – Comparativo de demandas mensais entre estratégias de climatização
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.
Demanda Máxima (kW)
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
SRE partida direta SRE programador SRE com sensores
horário
SRE a 45 Hz
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.
114
Economia anual de energia (kWh)
37400
37200
37000
36800
36600
36400
36200
36000
35800
35600
35400
35200
Condicionador de ar Condicionador de ar Condicionador de ar Condicionador de ar
+ SRE PD
+ SRE 45 Hz
+ SRE com sensores + SRE programador
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.
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
ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – NBR 145192000. Medidores eletrônicos de energia elétrica (estáticos) – Especificação.
ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – NBR 152202 – 2005 – Desempenho térmico de edificações - Parte 2: Método de cálculo de
transmitância térmica, da capacidade térmica, do atraso térmico e do fator
solar de elementos e componentes de edificações.
ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – NBR 164012 – 2008 – Instalações de ar condicionado. Parte 2: Parâmetros de Conforto
Térmico.
ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – NBR 7094 –
2000 - Máquinas Elétricas Girantes – Motores de Indução – Especificações.
ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – NBR 10131 1987 - Bombas hidráulicas de fluxo.
ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – NBR 6401 –
2008 – Instalações de Ar Condicionado para Conforto – Parâmetros Básicos de
Projeto.
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL). Resolução 456. 30
de novembro de 2000.
AHMED, A. Eletrônica de Potência. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2000.
120
ANUNCIAÇÃO, L. Estudo do Impacto do Sistema de Acionamento de um
Motor de Indução Trifásico na Eficiência Energética e na Qualidade da Energia
Elétrica: um Estudo de Caso – Elevador de Canecas. Universidade Federal de
Mato Grosso – UFMT, 127p. 2011.
ANUNCIAÇÃO, L; VASCONCELLOS, A. B.; KAWAPHARA, M. K. ;
FONSECA, A. L. A.; SILVA, L. O. ; SILVA, T. V. Eficiência Energética e
Qualidade de Energia em um Sistema de Acionamento de Máquinas Motrizes.
9ª IEEE/ IAS International Conference on Industry Applications IX Induscon 2010.
ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning
Engineers). Handbook Fundamentals 2005 – Cap. 8- Thermal Comfort.
ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning
Engineers). Standard 55: thermal environmental conditions for human
occupancy. ASHRAE: Atlanta, 2004.
BALANÇO Energético Nacional 2010. Disponível em: <https://ben.epe.gov.br/>
Acesso em jan. 2011.
BARDELIN C. E. A. Os efeitos do Racionamento de Energia Elétrica ocorrido
no Brasil em 2001 e 2002 com ênfase no Consumo de Energia Elétrica. 2004. 113
f. Universidade de São Paulo – Escola Politécnica, São Paulo. 2004.
BELLORIO,
M.;
PIMENTA,
J.
Análise
Teórica
da
Influência
do
Condicionamento Do Ar Por Resfriamento Evaporativo sobre o Desempenho de
Ciclos de Ciclos de Turbina A Gás.VIII Congrasso Iberoamericano de Aire
Acondicionado, Calefacción y Refrigeración. 2005.
121
BRAGA, C. M. P. ; BRAGA, L. C. ; BRAGA, V. A. ; BRAGA, A. R.; RESENDE,
K. S. Módulo Didático para Ensino de Domótica com Ênfase em Eficiência
Energética. III Congresso Brasileiro de Eficiência Energética, Belém - PA.
Brasil.
BRASIL. Lei no 10.295, de 17 de outubro de 2001. Dispõe sobre a Política Nacional
de Conservação e Uso Racional de Energia e da outras providências.
BRASIL. Lei no 9.991, de 24 de julho de 2000. Dispõe sobre realização de
investimentos em pesquisa e desenvolvimento e em eficiência energética por parte
das empresas concessionárias,permissionárias e autorizadas do setor de energia
elétrica, e dá outras providências.
CAMARGO, J. R. Resfriamento Evaporativo: Climatização Ecológica. Rio de
Janeiro: Ciência Moderna, 2009.
CAMARGO, J. R. Resfriamento Evaporativo: Poupando Energia e Meio
Ambiente. Revista Ciências Exatas, Taubaté, v. 9/10, n 1-2, p. 69-75, 2003/2004.
CAMARGO, J. R., CARDOSO, S., TRAVELHO, J. S., 2000. Utilização do
resfriamento evaporativo para conforto térmico humano em diversas cidades
brasileiras, Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, CONEM 2000, Natal,
RN.
CAMARGO, J. R.; EBINUMA, C. D. A Mathematical Model for Direct and
Indirect Evaporative Cooling Air Conditioning System. IX Congresso Brasileiro
de Engenharia e Ciências Térmicas, Caxambu, Minas Gerais,2002.
CAMPOS, A. T.; KLOSOWSKI, E. S.; GASPARINO, E.; CAMPOS, A. T. Estudo
do potencial de redução da temperatura do ar por meio do sistema de
resfriamento adiabático evaporativo na
região de Maringá-PR.
Scientiarum, Maringá, v. 24, n. 5, p. 1575-1581, 2002.
Acta
122
CANDIDO, C.; LAMBERTS, R.; BITTENCOURT, L.; DEAR, R. Aplicabilidade
dos limites da velocidade do ar para efeito de conforto térmico em climas
quentes e úmidos. Ambiente Construído, Porto Alegre, v. 10, n. 4, p. 59-68,
out./dez. 2010.
CAROSSI, G. A. B. Resfriamento Evaporativo : Estudo do Potencial de sua
Aplicação no Brasil. 2005. 100 f. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de
Uberlândia, Uberlândia. 2006.
CASSIDY, M. P. ; STACK, F. J. Applying Adjustable Speed AC Drives to
Cooling Tower Fans. IEEE Proc. – Electronic Power Applications., p. 87-91, 1988.
CASTRO, W. P.; PIMENTA, J. M. D. Modelagem e Simulação de Painéis
Evaporativos Diretos.
Proceedings of the 10° Brazilian Congresso f Thermal
Sciences and Engineering- ENCIT 2004- Braz. Soc. Of Mechanical Sciences and
Engeneering- ABCM, Rio de Janeiro, 2004.
COUTINHO, F. M. B.; MELLO, I. L.; MARIA, L. C. S. Polietileno: Principais
Tipos, Propriedades e Aplicações. Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol. 13, nº 1,
p. 1-13, 2003.
DE GRAAFF, J.; WEISS, H.W. Adjustable Speed AC Drive for Fan Vibrations
Control. Industry Applications Society Annual Meeting,1991. Conference Record of
the 1991 IEEE. 28, p. 87-91, 1988.
DEL TORO, V. Fundamentos de máquinas elétricas. Rio de Janeiro: Prentice
Hall, 1994.
123
DELFANI, S.; KARAMI, M.; PASDARSHAHRI, H. The effects of climate change
on energy consumption of cooling systems in Tehran. Energy and Buildings, v.
42, n. 10, p. 1952-1957, 2010.
DJUNAEDY, E.; VAN DEN WYMELENBERG, K.; ACKER, B. ; THIMMANA,
H. Oversizing of HVAC System: Signatures and Penalties. Energy and Buildings,
2010.
DOE - United States Department of Energy. Programa Computacional Energy Plus,
Versão:
6.0,
2010.
Disponível
em:<http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/> Acesso em: 25 set. 2010.
FANGER, O. Thermal Comfort – Analysis and Application in Environmental
Engineering. Copenhagen, 1970.
FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY Jr., C.; UMANS, D.S. Máquinas Elétricas –
Com Introdução à Eletrônica de Potência. 6. ed. São Paulo: Artmet, 2006.
FRANCHI, C. M. Inversores de Frequência: Teoria e Pratica. São Paulo: Érica,
2010.
GIVONI, B. (1994) Passive and Low Energy Cooling of Buildings. Nova York:
John Wiley.
GUOBIAO, G.; LIN, R.; Development of evaporative cooling technology for
hydrogenerators, Electrical Machines and Systems, ICEMS 2008. International
Conference p. 506-511, 17-20 ,2008.
IORIS, A. U. R. Passado e Presente da Política de Gestão dos Recursos Hídricos
No Brasil. Finisterra, n. 82, p. 87-99, 2006.
124
ISO (International Organization For Standard). ISO 7730: moderate thermal
environments: determination of the PMV and PPD Indices and Specification of
the conditions of Thermal Comfort. Geneva, 2005.
JESUS, M. F. de; SILVA, G. F. Programa para estimativa das propriedades
psicrométricas. In, Revista Brasileira de Produtos Agroindustriais, Campina
Grande, v.4, n.1, p.63-70, 2002.
LIAO, C. M.; KUN- HUNG, C. Wind Tunnel Modeling the System Performance
of Alternative Cooling pads in Taiwan Region. Building and Environment 37.
p.177–187. 2002.
MACINTYRE, A. J. Ventilação Industrial e Controle da Poluição. 2.ed. Rio de
Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1990.
MASCARÓ, J. L.; MASCARÓ, L. Incidência das variáveis projetivas e de
construção no consumo energético dos edifícios. 2ª edição. Porto Alegre: SagraDC Luzzatto Editores, 1992. 134 p.
MASSIERO,
E.
Resfriamento
evaporativo
e
condicionamento
de
ar
convencional: Estudo experimental Comparativo. Dissertação de Mestrado Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 121 p,
2006.
MIRANDA, S. A. Desempenho Térmico em Dormitórios e Consumo de Energia
Elétrica Residencial: Estudo de Caso em Cuiabá- MT. Universidade Federal de
Mato Grosso – UFMT, 143p. 2011.
125
MOREIRA, A. B. Análise da Operação de Sistemas de Ventilação Industrial
Visando à Eficiência Energética. Universidade Federal do Ceará – UFC, 141p.
2006.
MOREIRA, A. B.; PONTES, R. S. T.; OLIVEIRA, D. N.; TEIXEIRA, V. S. C.,
AGUIAR, V. P. B. Eficiência Energética em Sistemas de Ventilação Axial.
Congresso Brasileiro de Eficiência Energética, 2009.
MUNTERS. Manual do produto - Ordem de Produção 7666/09, Código
HCBBB0227, Munters: Curitiba. 2009.
MUNTERS. Sistemas de Resfriamento Evaporativo, Munters: Curitiba. 2000.
NIU, W.; ZHANG, G.; JIANG, Y.; Ru LU; WANG, X; WANG, J. The
experimental study of a novel cooling system of a power transformer in an
urban underground substation. Power System Technology (POWERCON), 2010
International Conference on , vol., no., pp.1-6, 2010.
NOGUEIRA, M. C. J.; SOUZA, L. C. L.; OLIVEIRA, A. G.; XAVIER, A. L.;
GALVÃO, C. E. V.; FARIA, R. P.; OLIVEIRA, A. S.; LOGSDON, L.; CAMPOS
NETO, A. A. ; OLIVEIRA, P. T. A.; RONDON, C. E.; ROSSETI, K. A. C.; JORGE,
A.; COX, E. P.; MAITELLI, G. T.; PACHECO, E. J. V.; LUZ, V. S. Contribuições
ao Estudo de Conforto Ambiental na Grande Cuiabá- MT. 1.ed. Cuiabá: EdUnic,
2009.
OLIVER, J. A.; MCCLUSKEY, R. K., WEISS, H. W.; SAMOTYJ, M. J.
Adjustable- speed Drive Retrofit for Ormond Beach FD Fans. IEEE Proc. Electr.
Power Appl., vol. 7, p. 580-588. 1992.
126
PIMENTA, J. M. D. e CASTRO, W. P. Evaporative Cooling Systems Applications
in Brasilia: Case Studies. Revista Tecnologia, Fortaleza, Ceará, Brasil, v. 24, n. 2,
p. 1-12, 2003.
RAMALHO, E. L.; ANDRADE, M. T. O. O mercado brasileiro de energia
elétrica lições e perspectivas decorrentes do racionamento. ENCONTRO DE
ENERGIA NO MEIO RURAL, n° 4, Campinas, 2002.
RORIZ, M. – Universidade Federal de São Carlos. Departamento de Engenharia
Civil. Programa Computacional PSICROM, Versão: 1.0, 2003.
ROZNER, J. D.; MYERS, P. W. The Application of Adjustable Frequency
Controllers to Forced Draft Fans for Improved Reliability and Energy Savings.
IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 97, part2. p. 1482- 1490, NO. 6,
1985.
SANTOS, A. H. M.; SIMÕES, A. A.; MARTINS, A. R. S.; VIANA, A. N. C.;
FERREIRA, C.; BORTONI, E. C.; GUARDIA, E.C.; LORA, E. E. S.; NOGUEIRA,
F. J. H.; TEIXEIRA, F. N.; HADDAD, J.; CORTEZ, J. A.; NOGUEIRA, L. A. H.;
ALMEIDA, M. S. V.; PIRANI, M. J.; DIAS, M. V. X. MARQUES, M. C. S.
VENTURINI, O.; GAMA, P. H. R. P.; MENDES, P. P. C.; YAMACHITA, R. A.;
SILVA, V. F. - Conservação de Energia: eficiência energética de instalações e
equipamento. Itajubá, MG: FUPAI, 2001.
SILVA, A. C. J. Avaliação do Desempenho Termo- Lumínico de uma Edificação
com Brises Soleils: Estudo de Caso. Universidade Federal de Mato Grosso –
UFMT, 161p. 2011.
STROBEL , B. R.; STOWELL, R. R.; SHORT, T. H. Evaporative cooling pads:
use in lowering indoor air temperature. Ohio State University Fact Sheet, 2005.
127
Disponível
em:
http://www2.ag.ohio-state.edu/~ohioline/aex-fact/0127.html.
Acessado em 05/01/2011.
SUMATHY, K.; DAI, Y.J. Theoretical study on a cross-flow direct evaporative
cooler using honeycomb paper as packing material, Applied Thermal
Engineering, v. 22, n. 13, p.1417-1430,2002.
TERUEL, B.; SILVEIRA, P.; MARQUES, F.; CAPPELLI, N. Interface HomemMáquina para Controle de Processos de Resfriamento com Ar Forçado Visando
à Economia de Energia. Ciência Rural, Santa Maria, V.38, n.3, p. 705-710, 2008.
TINÔCO, I. F. F.; FIGUEIREDO, J. L. A.; SANTOS, R. C.; SILVA J. N.;
PUGLIESI, N. L. Placas Porosas Utilizadas em Sistemas de Resfriamento
Evaporativo. Engenharia Agrícola, Viçosa, v. 12, n. 1, p. 17-13, 2004.
WANG, S.; Xu, X. Effects of Alternative Control Strategies of WaterEvaporative Cooling Systems on Energy Efficiency and plume control: A case
study. Building and Environment 43. p.1973–1989. 2007.
WEG. Guia Técnico- Motores de Indução Alimentados por Inversor de
Frequência PWM. Santa Catarita:Weg Equipamentos Elétricos S.A, 2009.
Disponível em http://catalogo.weg.com.br/files/wegnet/WEG-motores-de-inducaoalimentados-por-inversores-de-frequencia-pwm-027-artigo-tecnico-portugues-br.pdf.
Acessado em 31 de Maio de 2011.
XIONG, B.; GU, G.; Designing air cooling rotor for evaporative cooling turbo
generator. Electrical Machines and Systems, 2008. ICEMS 2008. International
Conference p. 557-560, 2008.
128
6.2
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CONSULTADAS
AGUIAR, R.M. Umidificação Busca seu Espaço. Revista do Frio, pp.37, 2001.
AQUINO, R. R. B.; LINS, Z. D.; ROSAS, P. A. C.; CORDEIRO, L. F. A;
RIBEIRO, J. R. C. et al. Eficientização Energética em Métodos de Controle de
Vazão. IEE Induscon- Conferência Internacional de Aplicações Industriais, Poços
de Caldas- GO,2008.
ARENS, E. A.; FOUNTAIN, M.; XU, T.; MIURA, K.; ZHANG, H.; BAUMAN, F.
A Study of Occupant Cooling by Personally Controlled Air Movement. Energy
and Buildings, v. 27, n. 1, p. 45-59, 1998.
BARBI, I., MARTINS, D. C., Introdução ao estudo dos conversores CC-CA. Ed.
dos autores, 2005.
BROWN, W.K. e WATT, J.R. Evaporative Air Conditioning Handbook. 3Ed., pp.
12-42, USA, 1997.
CANDIDO, C.; LAMBERTS,R.; BITTENCOURT, L.; DEAR, R. Aplicabilidade
dos limites de velocidade do ar para efeito de conforto térmico em climas
quentes e úmidos. Ambiente Construído, v. 10, n. 4, p. 59-68, 2010.
CASTRO, W.P. Sistemas de Climatização por Resfriamento Evaporativo. Projeto
de Graduação-UnB, Brasília-DF, Brazil, 2003.
FONSECA, A. L. A.; LAMBERT, J. A.; NOVELO, F.; VASCONCELLOS, A. B.;
CARVALHO, B. C. Análise Comportamental da Distorção Harmônica Total na
Entrada de um Conversor de Frequência Acionando um Ventilador Industrial:
Um Estudo de Caso. 4ª Conferência Brasileira sobre Qualidade de Energia ElétricaIV CBQEE, 2011, Cuiabá- MT.
129
FROTA, A. B.; SCHIFFER, S. R. Manual do conforto térmico. 5°ed. São Paulo:
Nobel, 2000.
GOULART, S., LAMBERTS, R., FIRMINO, S. Dados climáticos para projeto e
avaliação energética de edificações para 14 cidades brasileiras. Núcleo de
Pesquisa em Construção/UFSC, Florianópolis, 2° ed., 1998.
GROZA, V. PITIS, C. D.; LINS, Z. D.; ROSAS, P. A. C.; CORDEIRO, L. F. A.;
RIBEIRO, J. R. C. et al. Energy Savings Techniques in Ventilation Processes
with Fans Operating at Variable Load Electrical. Power & Energy Conference
(EPEC), 2009 IEEE , vol., no., pp.1-5, 22-23 , 2009.
LAMBERTS, R.; DUTRA, L.; PEREIRA, F. Eficiência Energética na
Arquitetura. São Paulo: PW, 1997.
LAMBERTS, R.; MARINOSKI, D. L. Desempenho térmico de edificações.
Apostila, ECV-5161. Laboratório de Eficiência energética em Edificações. 5° ed.
UFSC, Florianópolis, 2007.
MATTAR, J. Metodologia científica na era da informática. 3.Ed.- São Paulo:
Saraiva, 2008.
OLIVEIRA, A. S. Análise de desempenho térmico e consumo de Energia em
residências na cidade de Cuiabá/MT: Estudo de caso. Universidade Federal de
Mato Grosso – UFMT, 149p. 2007.
POTTER, M. C.; SCOTT, E. P. Ciências térmicas: Termodinâmica, mecânica dos
fluidos e Transmissão de calor. São Paulo: Thomsom Learning, 2007.
RORIZ, M. Potencial de uso da Refrigeração Evaporativa no Estado de São
Paulo. UNITAU’ 2000 – Tecnologia e Desenvolvimento, São Paulo, Brazil. 2000.
130
TORREIRA, R.P. Refrigeração: Teoria e Prática. Revista do Frio, pp. 58-61,2003.
VIANA, C. N. A., Manual do Programa de Eficientização Industrial - Módulo:
Ventiladores e Exaustores. ELETROBRÁS / PROCEL, Rio de Janeiro, 2002.