Comparando a eficiência dos sistemas centralizados com a dos sistemas VRV
por
Luis Roriz e Pedro Alves da Silva
Resumo: No presente artigo é feita a comparação dos consumos devidos à climatização
dum edifício de serviços, caso fosse utilizado um sistema centralizado convencional ou
um sistema VRV. Embora existam variantes na concepção dos sistemas, demonstra-se
que o melhor desempenho de cada tipo de sistema depende fundamentalmente da
variação da carga térmica a remover, do sobredimensionamento do sistema, e do
tempode vida da instalação, pelo que, à priori, será incorrecto apresentar qualquer dos
sistemas como sendo o mais eficiente.
1. Escolha dos sistemas e do edifício de servicos a climatizar
Existem diferentes tipos de sistemas de Volume de Refrigerante Variável, bem como de
sistemas centralizados tudo-água. Para efectuar a comparação entre as duas concepções
foi considerado de entre os sistemas VRV, os que possuem recuperação de energia, ou
seja os sistemas a 3 tubos, bem como os sistemas de 2 tubos. Nos sistemas centralizados
foram consideradas as soluções de sistemas utilizando uma Unidade Produtora de Água
Refrigerada (UPAR – chiller) e utilizando uma bomba de calor reversível, sendo em
ambos os casos o chiller arrefecido a ar, sendo o aquecimento / arrefecimento dos locais
efectuado por ventiloconvectores.
Para os diferentes sistemas foi determinado o consumo anual em edifícios de serviços
com diferentes condições de ocupação / utilização, ou seja, para diferentes variações da
carga térmica ao longo do dia e dos meses do ano.
A comparação foi efectuada utilizando as características reais de equipamentos, pelo
que foi necessário utilizar diferentes marcas. Não se pretende neste artigo fazer uma
comparação entre marcas, embora se deva referir que o desempenho dos sistemas VRV
de diferentes marcas não é idêntico. Para a comparação a seguir apresentada, os
sistemas VRV a 2 tubos e a 3 tubos (de marcas diferentes) serão designados por sistema
VRV2 e VRV3, respectivamente. O equipamento principal do sistema centralizado é da
marca dos sistema VRV a 3 tubos1 . A comparação foi efectuada para um total de 6
sistemas.
Para efectuar a comparação, a escolha do equipamento principal para ambos os sistemas
foi efectuada de forma a que a potência de aquecimento / arrefecimento dos sistemas
fosse semelhante em condições nominais. O tipo base de edifício considerado foi um
edifício de escritórios cuja envolvente térmica cumpre o RCCTE /1/. Desta forma a
capacidade de produção de calor dos sistemas analizados variou entre 19,6 kW to 25
kW e a capacidade de produção de frio variou entre 17,7 e 23,2 kW.
Desta forma, pretende-se com este exemplo apenas entrar em considerações que não
têm implicação com o RSECE /2/, dado a potência a instalar ser inferior ao limite
estabelecido por este regulamento, nem com a norma NP 378 /3/, devido à carga de
refrigerante ser reduzida.
1
Embora estas indicações possam eventualmente levar a concluir sobre qual as marcas utilizadas, a não
indicação das marcas é propositada, dado não se estar a proceder a uma comparação em termos de marcas
mas sim de concepção de sistemas.
2. Metodologia utilizada
2.1 Equações de resposta do sistema às cargas térmicas
Para efectuar a comparação do desempenho dos sistemas, foi considerado um edifício
com uma orientação principal norte-sul, com 6 escritórios. Metade dos escritórios têm
uma fachada virada a norte e os restantes têm uma fachada virada a sul. Todos os
escritórios possuem janelas e ganhos internos devidos à ocupação, iluminação e
equipamentos.
Foram consideradas diferentes utilizações dos escitórios. Desta forma foi possível obter
situações onde a carga térmica é aproximadamente constante ao longo do dia, onde não
existe ocupação durante o período de almoço, ou onde o equipamento tem uma
utilização muito variável ao longo do dia, daí resultando uma forte variação da carga
térmica, sendo mais elevada no período da manhã do que no período da tarde.
A soma das cargas térmicas através da estrutura do edifício (as cargas térmicas
exteriores) e as que resultam da utilização dos escritórios (as cargas térmicas interiores)
dá a carga térmica total que o sistema de climatização deveria remover. Como os
sistemas escolhidos possuem diferentes concepções, nem todos os sistemas
considerados podem remover a carga térmica em todas as condições, ou seja, em todas
as alturas do ano. Estas situações ocorrem nos seguintes casos:
- O sistema em análise apenas permite o arrefecimento ambiente. Neste caso os sistema
não permite a obtenção de condições interiores de conforto, caso seja necessário o
aquecimento.
- O sistema em análise é um sistema tudo-água a 2 tubos. Neste caso o sistema não
permite o aquecimento e arrefecimento simultâneos quando alguns dos escritórios
apresentam cargas térmicas de sinal contrário (os escritórios de uma fachada
apresentando perdas de calor e os escritórios da outra fachada apresentando ganhos de
calor, devido à diferenças de radiação solar incidente, por exemplo).
- O sistema em análise é um sistema VRV a 2 tubos. Neste caso, tal como no anterior, o
sistema não permite o aquecimento e arrefecimento simultâneos quando alguns dos
escritórios apresentam cargas térmicas de sinal contrário.
Para os casos acima indicados, foi determinado o periodo (número de horas) em que o
sistema de ar condicionado não funciona.
Para achar o desempenho do sistema, foi determinada a correlação entre a eficiência
(COP) a carga parcial e a eficência em condições nominais (100% de carga) utilizando
as curvas características do equipamento. A razão entre estes 2 parâmetros, que
designamos por RC 100 é praticamente independente da temperatura (do ar) interior. Uma
variação de 6ºC na temperatura interior, de 16 para 22ºC, resulta numa variação do
valor de RC 100 inferior a 0.1 para a maoria das situações de carga parcial.
Antes de se proceder ao cálculo acima indicado a informação técnica disponível foi
analizada, de forma a determinar se existiriam inconsistências nas curvas características
do equipamento. A verificação baseou-se em cálculos teóricos, comparando o
desempenho do sistema para diferentes condições interiores e diferentes condições do ar
exterior. Esta verificação mostrou existir boa concordância entre os cálculos teóricos e
os valores de catálogo.
A correlação RC 100 pode ser expressa por uma expressão polinomial, para as diferentes
cargas parciais. Verificou-se ainda que a variação da temperatura do ar exterior tem uma
influência muito reduzida no valor de RC100 . Quando a temperatura do ar exterior varia
entre 35 e 31ºC, o efeito no COP do sistema é inferior ao observado para a variação da
temperatura do ar interior. Para o caso de um dos equipamentos estudados, funcionando
no regime de arrefecimento e no regime de aquecimento, as equações que relacionam o
valor de COP/COP (a 100%) no domínio de carga (parcial) de 50% a 130% são,
respectivamente:
RC100 = 1.0426 Pl2 + 2.5359 Pl + 2,5083
(1)
RC100 = 0.1827 Pl2 + 0.4834 Pl + 1,3049
(2)
onde:
RC100 = COP/COP (at 100%)
Pl = carga real / carga nominal
O uso de expressões polinomiais com as indicadas é bastante simples e expedita, dado
não ser dependente das condições de temperatura existentes.
O COP efectivo (eficiência instantânea) é portanto dado por:
COP = RC 100
x
COP (a 100%)
(3)
Onde o valor do COP a 100% pode ser obtido directamente da informação técnica sobre
o equipamento.
2.2 Estimativa dos custos
Devido ao tarifário de electricidade, o custo associado ao consumo de energia depende
do tipo de contrato (baixa ou média tensão). Em ambos os casos o custo é função da
hora do dia, para as potências em causa. Os cálculos para estimar o consumo foram
efectuados considerando a tarifa em baixa tensão. Usando o tarifário de média tensão
existiriam tempos de retorno diferentes, mas as conclusões em termos comparativos
seriam idênticas, como se verá.
Os custos de equipamento foram os fornecidos pelos importadores. Os custos de
instalação considerados foram obtidos através da média dos valores indicados pelos
instaladores.
Os custos de manutenção são bastante superiores no caso de sistemas centralizados,
dado que nos sistemas VRV este custo é bastante reduzido. A manutenção dos sistemas
centralizados é frequentemente efectuada por contrato com um empresa externa à que
utiliza o edifício de serviços. Por este motivo foi considerado que a diferença entre os
custos de manutenção dos 2 tipos de sistemas pode variar.
3. Consumo de energia
O consumo energético anual foi calculado para diferentes condições de temperatura do
ar interior. Desta forma obtém-se diferentes variações da carga térmica bem como da
necessidade de aquecimento e de arrefecimento simultâneos.
Quando se considera uma ocupação constante ao longo das horas normais de serviço
(para uma utilização de 5 dias / semana) e inexistência de ocupação durante a hora do
almoço, o resultado obtido para os sistemas VRV-3 tubos (VRV3), VRV 2-tubos
(VRV2) e centralizado com bomba de calor reversível (BCR) é o indicado na tabela 1.
Consumo anual (kWh)
VRV3
VRV2
BCR
23
3623
7565
6483
25
2957
6407
6105
27
2398
5090
5353
Tabela 1 – Consumo anual para VRV (3T), VRV (2T) e sistema centralizado tudo água
Tint (ºC)
A tabela mostra que o sistema VRV a 3-tubos tem um desempenho francamente
superior aos outros 2 sistemas. O sistema VRV a 2-tubos pode ou não ter um melhor
desempenho que o sistema centralizado dependendo da temperatura interior utilizada.
Este resultado deve-se a que estabelecendo os limites (set-points) da temperatura do ar
interior para valores mais elevados, obtém-se ganhos térmicos menores e em
consequência um maior sobredimensionamento do sistema (considerando que um
sistema correctamente dimensionado para uma maior temperatura interior, é um sistema
de menor potência que o escolhido inicialmente).
A comparação dos consumos mensais pode ser observado na tabela 2. Neste caso
considera-se como solução base o uso do sistema centralizado e a temperatura interior
regulada para 25ºC.
Mê
Março
Junho
Agosto
Outubro
VRV3
VRV2
BCR
59%
73%
91%
43%
153%
140%
144%
109%
116%
98%
101%
100%
25ºC
Março
Junho
Agosto
Outubro
24%
61%
75%
35%
79%
117%
134%
86%
100%
100%
100%
100%
27ºC
Março
Junho
Agosto
Outubro
16%
53%
63%
25%
42%
119%
108%
71%
80%
91%
93%
94%
T int
23ºC
Table 2 – Comparação dos consumos mensais para diferentes condições interiores
Observando a tabela é fácil de verificar a variação da eficiência mensal de cada sistema:
Quando a carga térmica é próxima da capacidade nominal do sistema (próxima de
100%), o sistema VRV a 3-tubos comporta-se duma forma próxima do sistema
centralizado, enquanto que o sistema VRV a 2-tubos paresenta um consumo energético
cerca de 40% superior. Quando a carga térmica se afasta da carga nominal, os sistemas
VRV tendem a ter um desempenho superior ao do sistema centralizado.
Os valores acima indicados referem-se a condições normais de ocupação. Caso as
cargas internas aumentassem, devido a uma maior ocupação e utilização de
equipamentos, de forma a que o sistema funcionasse mais tempo próximo de 100% da
sua capacidade e ocasionalmente um pouco acima deste valor, existiam alterações dos
consumos, distintos para cada sistema. Neste caso, o sistema centralizado tinha melhor
desempenho. Em Agosto, por exemplo, o sistema VRV a 3 tubos em vez de apresentar
consumos que correspondem a 75% do que ocorre com o sistema centralizado, teria um
consumo 15% superior ao do sistema centralizado.
Acresce o facto de ser comum o desligar dos sistemas centralizados durante o periodo
de meia-estação (primavera e outono). Este periodo corresponde às alturas em que os
sistemas VRV são geralmente mais eficientes do que os sistemas centralizados. Desta
forma, caso este procedimento seja utilizado, as diferenças de consumo anual indicadas
na tabela 1, serão fortemente reduzidas.
Quando se consideram os valores horários, existem várias horas ao longo do ano em que
os sistema VRV a 2 tubos e os sistemas centralizados a 2-tubos não podem dar resposta
às cargas térmicas existentes. Num dia de Sol e ao princípio da manhã em Março, por
exemplo, considerando condições normais de funcionamento, as zonas próximo da
fachada norte podem apresentar uma perda térmica enquanto que as restantes zonas do
edifício apresentam um carga térmica positiva. Se o sistema VRV a 2-tubos ou o
sistema centralizado estiverem regulados para condições de arrefecimento, os sistemas
não podem garantir as correctas condições em todo o edifício. No entanto o sistema
VRV a 3-tubos já permite que o sistema efectue o aquecimento e o arrefecimento
simultâneos. É nestes periodos, de necessidade simultânea de frio e de calor, que os
sistemas VRV a 3-tubos permitem fortes poupanças de energia quando comparados com
os sistemas que produzem separadamente calor e frio. O sistema recupera calor das
zonas frias para as zonas quentes o que não occorre com os outros 2 sistemas indicados
nas tabelas.
4. Retorno do investimento
O custo da instalação e da menutenção dependem fortemente do sistema.
Um sistema VRV a 3 tubos é bastante mais caro que um sistema centralizado. Este extra
custo inicial terá que ser compensado pelas poupanças resultantes duma redução dos
consumos e dos gastos com a manutenção para o tornar economicamente aconselhável.
O custo anual da manutenção influencia fortemente o resultado. Diferenças de 120 a
180 contos no valor deste parâmetro2 e a alteração do tempo de vida da instalação num
número reduzido de anos (ou seja variação do número de anos em que é considerada a
2
Ter em atenção que este valor está relacionado com as potências em análise, ou seja cerca de 25kW.
amortização) podem alterar a conlusão final, e portanto levar à indicação de que um ou
outro sistema é o mais económico e o mais aconselhável.
De acordo com /4/ o tempo médio de vida dos sistemas de climatização (desde os
sistemas "split" aos sistemas de várias centenas de kW de frio) é de 13 anos. Para este
tempo de vida os sistemas VRV são economicamente mais atractivos do que os sistemas
centralizados (sem recuperação de calor), se a diferença entre os custos de manutenção
for superior a 100 contos / ano, aproximadamente.
Para os sistemas VRV a 2 ou a 3-tubos, o resultado depende também do número de anos
considerado. Considerando a duração média de 13 anos, o sistema VRV a 3-tubos é o
mais aconselhável em termos económicos. No entanto se for considerado um período de
apenas 7 anos, o resultado é o oposto: o sistema VRV a 2-tubos é o aconselhável em
termos económicos.
Estas conclusões são válidas apenas se existirem condições de ocupação normais. Pelo
que foi dito, e em termos gerais, se forem consideradas temperaturas interiores menores,
ou maiores níveis de ocupação, se o sistema não estiver sobredimensionado, ou mais
concretamente, se as cargas térmicas forem bastante constantes e que obriguem o
sistema a funcionar sempre próximo das condições nominais, o sistema centralizado é a
solução aconselhável em termos económicos.
5. Conclusões
A escolha dum sistema VRV a 2-tubos, VRV a 3-tubos ou por um sistema centralizado
deve ser efectuada com cuidado. Uma estimativa da eficiência anual e dos custos não
deve ser efectuada sem conhecimento prévio do sistema que se pretende
especificamente instalar, de quais as condições interiores efectivamente pretendidas e
quais os níveis de ocupação / utilização que irão ter lugar.
É sempre possível apresentar exemplos em que um dado sistema é o economicamente
aconselhável, bastando para isso utilizar sobredimensionamento, tempos de retorno e
temperaturas interiores adequadas ao caso em que se pretende provar que esse sistema é
o mais aconselhável.
Referências
1 - Regulamento das Características do Comportamento Térmico de Edifícios - DL
40/90 de 6 de Fevereiro
2- Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização de Edifícios - DL 118/98 de
7 de Maio
3 – EN/NP 378: Sistemas frigoríficos e bombas de calor: requisitos ambientais e de
segurança (2000)
4 - Determining the potential in energy and environmental effects reduction of air
conditioning systems - SAVE PROJECT XVII/4.1031/Z/99-203, Interim report, IST
(2001)