CONDENSAÇÃO A AR X CONDENSAÇÃO A ÁGUA:
QUEBRANDO PARADIGMAS
Engº Marcos Santamaria Alves Corrêa
Um dos grandes dilemas nos projetos de sistemas de ar condicionado sempre foi a decisão sobre
adoção de sistemas de condensação a ar ou sistemas de condensação a água. Usualmente,
adotavam-se sistemas de condensação a ar para instalações de pequeno porte e sistemas de
condensação a água para instalações de grande porte, com os dois sistemas dividindo o mercado
em instalações de médio porte.
Apesar de chillers com condensação a água terem custos inferiores a chillers com condensação a ar
de mesma capacidade, a instalação completa do sistema normalmente tem custo superior, por conta
dos custos adicionais de infraestrutura de água de condensação, bombas de água de condensação
e torres de arrefecimento. Por outro lado, o consumo de energia elétrica em sistemas de ar
condicionado sempre foi muito menor em sistemas de condensação a água do que em sistemas
com condensação a ar.
O que acabou caindo no esquecimento, é que a grande vantagem no consumo de energia de
sistemas de condensação a água em relação a sistemas de condensação a ar era, boa parte,
oriunda da diferença de tecnologia utilizada na compressão do gás dos chillers mais antigos, quando
os de condensação a ar ainda se utilizavam de compressores alternativos de baixa eficiência,
enquanto que os de condensação a água, nos sistemas de grande porte, já utilizavam compressores
centrífugos, muito mais eficientes.
O estudo de caso a seguir mostra a quebra do paradigma de custos operacionais mais baixos em
sistemas de condensação a água de grande porte em relação a sistemas de condensação a ar.
A principal razão para esta quebra de paradigma está no fato de hoje já dispormos de chillers com
condensação a ar com compressores centrífugos de alta eficiência, de tal forma que se faz possível
a comparação destes dois sistemas ora baseados na mesma tecnologia de compressão do gás (a
centrífuga, mais eficiente de todas).
Notaremos que o consumo de energia dos chillers continuará sendo bem mais alto na condensação
a ar do que na condensação a água – em média, 50% –, como era de se esperar em função das
temperaturas de condensação mais altas. Contudo, esta diferença já começa a diminuir a partir da
adição dos consumos das bombas de água de condensação e dos ventiladores das torres de
arrefecimento, especialmente quando operando em cargas parciais, visto que, normalmente, as
bombas de água de condensação operam com vazões constantes. Se mantivermos o “set point” dos
ventiladores das torres de arrefecimento em torno de 18,5ºC para máxima eficiência dos chillers,
também estes ventiladores operarão a 100% de capacidade na maior parte do tempo.
Premissas do estudo de caso:












Localização - São Paulo
Operação de segunda a sexta-feira das 8:00h às 20:00h
Carga térmica de pico de 1.000 TR
Variação anual da carga de 200 TR à 1.000 TR, com carga média anual de 67% (670 TR).
Temperatura de saída da água gelada dos chillers de 7,0ºC
Temperatura de retorno da água gelada de 12,5ºC
Custo do kWh de energia elétrica de R$ 0,325
Custo do m³ da água de reposição das torres de R$ 9,78 conforme tabela Sabesp para
contrato de demanda firme (fidelidade) em vazões de 1.001 m³/mês a 2.999 m³/mês.
Distribuição de temperaturas anuais de bulbo seco e de bulbo úmido conforme tabelas BIN
abaixo;
Temperatura de saída da água das torres de arrefecimento igual a temperatura de bulbo
úmido local no horário + 5,5ºC de “aproach” das torres;
90% do calor a ser rejeitado pelas torres feito através de troca latente (evaporação de água).
25% da água a ser consumida pelas torres de arrefecimento reposta pela água de
condensação dos fancoils do empreendimento.
Opção com condensação a água:
 2 chillers de 500 TR com compressores centrífugos de alta eficiência (COP = 0,585 kW/TR e
IPLV = 0,330 kW/TR);
 3 (2 operantes + 1 reserva) bombas de água de condensação cada uma com vazão de 325
m³/h e com motores de 50 Cv.
 2 Torres de arrefecimento com ventiladores com motores de 30 Cv
Opção com condensação a ar:
 5 chillers de 220 TR com compressores centrífugos de alta eficiência (COP = 1,066 kW/TR e
IPLV = 0,560 kW/TR);
TABELA DE CUSTO DE ÁGUA DA SABESP, EM CONTRATO DE DEMANDA FIRME, PARA A
REGIÃO METROPOLITANA DE SÃO PAULO
Fonte: www.sabesp.com.br
TABELA BIN DE TEMPERATURA DE BULBO SECO EM SÃO PAULO:
DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURAS DE BULBO SECO
SÃO PAULO DAS 8h ÀS 20h - ANO
400
350
HORAS POR ANO
300
250
200
150
100
50
TEMPERATURA DE BULBO SECO ( TBS )
TABELA BIN DE TEMPERATURA DE BULBO ÚMIDO EM SÃO PAULO:
HORAS POR ANO
DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURAS DE BULBO ÚMIDO
SÃO PAULO DAS 8h ÀS 20h - ANO
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
TEMPERATURA DE BULBO ÚMIDO ( TBU )
35,0ºC
34,0ºC
33,0ºC
32,0ºC
31,0ºC
30,0ºC
29,0ºC
28,0ºC
27,0ºC
26,0ºC
25,0ºC
24,0ºC
23,0ºC
22,0ºC
21,0ºC
20,0ºC
19,0ºC
18,0ºC
17,0ºC
16,0ºC
15,0ºC
14,0ºC
13,0ºC
12,0ºC
11,0ºC
10,0ºC
9,0ºC
8,0ºC
0
MATRIZES DE CONSUMOS ESPECÍFICOS ( kW / TR ) DE CHILLERS COM
COMPRESSORES CENTRÍFUGOS DE ALTA EFICIÊNCIA
CHILLER COM CONDENSAÇÃO A AR:
TEMPERATURA DE SAÍDA
7,0ºC =
DA ÁGUA GELADA:
44.6ºF
TBS NA ENTRADA DA
SERPENTINA DE
40%
CONDENSAÇÃO
14,0ºC = 57.2ºF
0,403
15,0ºC = 59.0ºF
0,420
16,0ºC = 60.8ºF
0,437
17,0ºC = 62.6ºF
0,455
18,0ºC = 64.4ºF
0,474
19,0ºC = 66.2ºF
0,493
20,0ºC = 68.0ºF
0,514
21,0ºC = 69.8ºF
0,534
22,0ºC = 71.6ºF
0,556
23,0ºC = 73.4ºF
0,578
24,0ºC = 75.2ºF
0,601
25,0ºC = 77.0ºF
0,625
26,0ºC = 78.8ºF
0,648
27,0ºC = 80.6ºF
0,674
28,0ºC = 82.4ºF
0,699
29,0ºC = 84.2ºF
0,726
30,0ºC = 86.0ºF
0,754
31,0ºC = 87.8ºF
0,782
32,0ºC = 89.6ºF
0,811
33,0ºC = 91.4ºF
0,840
34,0ºC = 93.2ºF
0,872
35,0ºC = 95.0ºF
0,904
36,0ºC = 96.8ºF
0,940
RENDIMENTO MÉDIO ANUAL: 0,5453
% DE UTILIZAÇÃO DAS CARGAS
PARCIAIS
10,0%
VAZÃO DE ÁGUA GELADA:
50%
0,379
0,399
0,418
0,438
0,459
0,481
0,504
0,528
0,553
0,578
0,604
0,631
0,654
0,677
0,700
0,726
0,752
0,779
0,808
0,836
0,873
0,906
0,952
0,5379
14,0%
0,55 m³ / h
PORCENTAGEM DE CARGA
60%
70%
75%
80%
CONSUMO ESPECÍFICO ( KW / TR )
0,402
0,431
0,457
0,468
0,420
0,449
0,475
0,486
0,439
0,468
0,493
0,504
0,459
0,488
0,513
0,523
0,480
0,509
0,533
0,543
0,502
0,530
0,554
0,563
0,524
0,552
0,575
0,584
0,547
0,575
0,598
0,606
0,571
0,598
0,621
0,628
0,596
0,623
0,645
0,652
0,621
0,648
0,669
0,675
0,648
0,673
0,693
0,698
0,675
0,698
0,717
0,721
0,704
0,725
0,743
0,747
0,733
0,752
0,770
0,774
0,763
0,782
0,798
0,802
0,792
0,811
0,827
0,829
0,825
0,842
0,857
0,859
0,857
0,872
0,886
0,888
0,890
0,903
0,916
0,918
0,925
0,940
0,952
0,953
0,963
0,976
0,987
0,987
1,003
1,014
1,024
1,024
0,5598
0,5863
0,6086
0,6163
20,0%
20,0%
13,0%
10,0%
por TR
HORAS
POR
ANO
%
301
6,8721%
6,8721%
195
4,4521%
11,3242%
253
5,7763%
17,1005%
295
6,7352%
23,8356%
319
7,2831%
31,1187%
329
7,5114%
38,6301%
342
7,8082%
46,4384%
353
8,0594%
54,4977%
343
7,8311%
62,3288%
315
7,1918%
69,5205%
278
6,3470%
75,8676%
241
5,5023%
81,3699%
217
4,9543%
86,3242%
176
4,0183%
90,3425%
130
2,9680%
93,3105%
111
2,5342%
95,8447%
83
1,8950%
97,7397%
59
1,3470%
99,0868%
25
0,5708%
99,6575%
11
0,2511%
99,9087%
3
0,0685%
99,9772%
%
ACUMULADA
90%
100%
0,500
0,517
0,534
0,552
0,571
0,590
0,610
0,631
0,653
0,675
0,697
0,719
0,742
0,767
0,793
0,821
0,848
0,877
0,907
0,936
0,977
1,013
1,062
0,6415
0,544
0,561
0,577
0,594
0,612
0,630
0,650
0,669
0,690
0,711
0,732
0,754
0,777
0,802
0,829
0,857
0,885
0,920
0,952
0,992
1,033
1,069
1,112
0,6805
1
0,0228%
100,0000%
0,0000%
100,0000%
4380
100,0000%
5,0%
100,0%
8,0%
CONSUMO ESPECÍFICO MÉDIO ANUAL CONSIDERADO ( NPLV ):
0,5852
Porcentagem de carga anual média:
67,0%
Fonte: “Print-outs” Software da empresa Multistack ( AHRI Certified )
CHILLER COM CONDENSAÇÃO A ÁGUA:
TEMPERATURA DE SAÍDA
DA ÁGUA GELADA:
TEMPERATURA DE ÁGUA
DE CONDENSAÇÃO
7,0ºC =
44,6ºF
18,5ºC = 65,3ºF
19,5ºC = 67,1ºF
20,5ºC = 68,9ºF
21,5ºC = 70,7ºF
22,5ºC = 72,5ºF
23,5ºC = 74,3ºF
24,5ºC = 76,1ºF
25,5ºC = 77,9ºF
26,5ºC = 79,7ºF
27,5ºC = 81,5ºF
28,5ºC = 83,3ºF
29,5ºC = 85,1ºF
30,5ºC = 86,9ºF
31,5ºC = 88,7ºF
32,5ºC = 90,5ºF
RENDIMENTO MÉDIO ANUAL:
0,274
0,293
0,313
0,332
0,351
0,369
0,386
0,404
0,423
0,442
0,461
0,482
0,503
0,524
0,546
0,3472
% DE UTILIZAÇÃO DAS CARGAS
PARCIAIS
10,0%
40%
VAZÃO DE ÁGUA GELADA:
0,55 m³ / h
VAZÃO DE ÁGUA DE CONDENSAÇÃO:
0,68 m³ / h
PORCENTAGEM DE CARGA
50%
60%
70%
75%
80%
90%
CONSUMO ESPECÍFICO ( KW / TR )
0,286
0,297
0,310
0,319
0,329
0,352
0,303
0,316
0,328
0,336
0,345
0,368
0,321
0,335
0,346
0,354
0,362
0,384
0,340
0,355
0,365
0,372
0,380
0,401
0,358
0,374
0,383
0,390
0,398
0,418
0,378
0,391
0,402
0,408
0,416
0,436
0,387
0,410
0,422
0,428
0,435
0,454
0,417
0,428
0,443
0,448
0,455
0,473
0,437
0,448
0,464
0,468
0,475
0,493
0,459
0,468
0,485
0,490
0,496
0,513
0,481
0,489
0,508
0,511
0,517
0,534
0,503
0,510
0,530
0,533
0,539
0,556
0,526
0,531
0,552
0,556
0,561
0,578
0,549
0,553
0,574
0,580
0,584
0,601
0,573
0,576
0,596
0,603
0,608
0,625
0,3563
0,3704
0,3824
0,3892
0,3972
0,4177
14,0%
20,0%
20,0%
13,0%
10,0%
8,0%
CONSUMO ESPECÍFICO MÉDIO ANUAL CONSIDERADO ( NPLV ):
por TR
por TR
100%
%
%
ACUMULADA
531
12,1233%
12,1233%
408
9,3151%
21,4384%
618
14,1096%
35,5479%
560
12,7854%
48,3333%
501
11,4384%
59,7717%
476
10,8676%
70,6393%
453
10,3425%
80,9817%
410
9,3607%
90,3425%
241
5,5023%
95,8447%
108
2,4658%
98,3105%
57
1,3014%
99,6119%
13
0,2968%
99,9087%
3
0,0685%
99,9772%
0,382
0,396
0,412
0,428
0,445
0,462
0,480
0,499
0,518
0,539
0,561
0,583
0,605
0,629
0,653
0,4449
1
0,0228%
100,0000%
0,0000%
100,0000%
4380
100,0000%
5,0%
100,0%
0,3812
Porcentagem de carga anual média:
Fonte: “Print-outs” Software da empresa Multistack (AHRI Certified)
HORAS
POR
ANO
67,0%
Como podemos verificar nas tabelas acima, o NPLV calculado para as condições de operação em
São Paulo, nas porcentagens de cargas parciais entre 40% e 100% especificadas nas mesmas, é
pior (maior consumo) do que o IPLV determinado pela ASHRAE na condição AHRI 550/590
Standard, que estabelece operação a 100% de carga somente durante 1% do tempo, 75% de carga
durante 42% do tempo, 50% de carga durante 45% do tempo e 25% de carga durante 12% do
tempo, com respectivas reduções nas temperaturas externas para chillers a ar e temperaturas de
água de condensação para chillers a água conforme a redução das cargas. Isso mostra que este é
um cálculo mais conservador e realista para as condições operacionais da respectiva localidade – no
caso, São Paulo –, e instalação (carga variando de 200 TR a 1000 TR com mais de um
equipamento, o que permite operar com variação por equipamento de 40% a 100%).
Como estamos considerando que o calor rejeitado pelas torres de arrefecimento é feito 90% por
troca latente (evaporação de água) e 10% por troca sensível, e que a carga térmica média anual é
de 670 TR (67% da carga térmica de pico), na tabela abaixo apresentamos o cálculo do consumo
médio de água para a rejeição da carga térmica de 670 TR, valor este de apenas 603 TR (90%) a
ser feito por troca latente.
CÁLCULO DO CONSUMO DE ÁGUA DE REPOSIÇÃO EM TORRES DA ARREFECIMENTO
DEMANDA TÉRMICA
TR
KW
603
2.119
CONSUMO DOS CHILLER + BACs
CALOR TOTAL REJEITADO
Eficiência ( KW / TR )
KW
KW
KJ / s
0,3812
290
2.408
2.408
CALOR LATENTE DE EVAPORAÇÃO DA ÁGUA ( KJ/Kg ):
2501
VAZÃO MÁSSICA DA ÁGUA EVAPORADA PARA REJEIÇÃO DO CALOR ( Kg / s ):
0,96
PESO ESPECÍFICO DA ÁGUA ( Kg / m³ )
1.000
VAZÃO DA ÁGUA EVAPORADA PARA REJEIÇÃO DO CALOR ( m³ / h ):
3,47
PERDA DE ÁGUA POR ARRASTE ( 0,01% da vazão de circulação ):
PERDA DE ÁGUA POR PURGA PARA DISSOLUÇÃO DE SÓLIDOS ( CONCENTRAÇÃO = 7,5X ):
0,05
0,58
CONSUMO TOTAL DE ÁGUA DE REPOSIÇÃO ( m³/h ):
4,09
ÁGUA REUTILIZADA DE DRENAGEM DOS FANCOILS ( 25% ):
1,02
CONSUMO TOTAL DE ÁGUA DA CONCESSIONÁRIA ( m³/h ):
3,07
Como podemos verificar na tabela acima, consideremos que não pagaríamos por 25% da vazão de
água consumida pelas torres, pois esta vazão seria oriunda de reuso da água condensada nos
fancoils.
Com base nos números acima, podemos agora calcular as despesas operacionais anuais médias
para os dois sistemas (condensação a ar e condensação a água).
No caso de São Paulo, por mais absurdo que seja, a grande maioria dos empreendimentos com
sistemas de ar condicionado com condensação a água está pagando a tarifa de esgoto pela água
evaporada nas torres de arrefecimento, de tal forma que é desta forma que apresentaremos os
cálculos a seguir.
CHILLER A AR:
NPLV - Consumo específico médio anual:
Carga térmica média anual:
Consumo horário médio
Horas de operação por ano:
Consumo médio anual:
Tarifa média de energia:
0,5852
670
391,76
3.129
1.225.664
0,3250
R$
Despesa média anual com energia:
R$
kW / TR
TR
kWh
horas
kWh
/ kwh
398.340,77
CHILLER A ÁGUA:
NPLV - Consumo específico médio anual:
Carga térmica média anual:
Consumo horário médio
Consumo bombas de água de condensação:
Consumo ventiladores torres de arrefecimento
Consumo total C.A.G.
Horas de operação por ano:
Consumo médio anual:
Tarifa média de energia:
R$
Despesa média anual com energia:
R$
Consumo médio horário de água da concessionária
Horas de operação por ano:
Consumo médio anual de água de reposição
Tarifa de água Sabesp ( contrato demanda Firme )
Tarifa de esgoto Sabesp ( contrato demanda Firme )
R$
R$
Despesa média anual com água:
R$
Despesa anual com tratamento de água
Despesa operacional total anual:
R$
R$
0,3812
670
255,18
60,00
35,00
350,18
3.129
1.095.564
0,3250
kW / TR
TR
kWh
kWh
kWh
kWh
horas
kWh
/ kwh
356.058,24
3,07
3.129
9.604
9,78
9,78
m³
horas
m³
/ m³
/ m³
187.858,13
18.000
561.916,37
Segue abaixo a representação gráfica do comparativo.
DESPESAS ANUAIS
COM ENERGIA
DESPESAS ANUAIS
COM ÁGUA E TRATAMENTO
R$ 600.000,00
R$ 500.000,00
R$ 400.000,00
R$ 300.000,00
R$ 200.000,00
R$ 100.000,00
R$ Chiller a água com compressores
centrífugos
Chiller a ar com compressores centrífugos
Considerações finais:
Como podemos verificar nas tabelas e gráficos acima, em termos anuais médios (considerando-se
as cargas parciais ao longo do ano em São Paulo), a economia de energia com sistema de
condensação a água é mínima em relação ao sistema de condensação a ar, e não paga os custos
relativos ao pagamento à concessionária pela água de reposição das torres de arrefecimento.
Portanto, o paradigma de que sistemas de condensação a água apresentam custos operacionais
mais baixos do que sistemas de condensação a ar em instalações de grande porte já não é mais
uma certeza absoluta, devendo ser analisado caso a caso, local por local.
A água é um recurso natural precioso, cada dia mais escasso e importante. Seu custo no Brasil vem
aumentando significativamente, e de forma mais acentuada do que o custo da própria energia
elétrica. Acredita-se que as próximas guerras serão por acesso a água.
O The Green Grid, consórcio global de companhias, agências governamentais e instituições
educacionais dedicado ao avanço da eficiência energética em data centers, desenvolveu uma nova
métrica que complementa a série de métricas introduzidas nos últimos anos e avalia a evolução da
eficiência energética e sustentabilidade de data centers, que incluem o PUE TM (Power Usage
Effectiveness) e o CUETM (Carbon Usage Effectiveness), denominada WUETM (Water Usage
Effectivess), que é a razão entre o uso anual de água medida em litros e o consumo de energia
anual dos equipamentos de TI, medido em kWh. Mais informações através do link:
http://www.thegreengrid.org/~/media/WhitePapers/WUE. Não por acaso que novos Data Centers,
como do BBVA (Espanha) e do Santander (Espanha e Brasil) optaram por sistemas de condensação
a ar.
Por conta do mencionado acima, faz-se necessário que analisemos melhor o uso que estamos
fazendo da água tratada fornecida pelas concessionárias. Não faz sentido utilizá-la para
abastecimento de torres de arrefecimento de sistemas de ar condicionado para gerarem uma
pequena economia de energia, que não faz jus a preciosidade deste recurso.
Não podemos esquecer que em cidades litorâneas, mesmo com os menores custos operacionais
ora demonstrados para sistemas de condensação a ar, estes sistemas podem não ser apropriados,
por conta da degradação dos equipamentos pela maresia.
Contudo, considero que em locais onde não tenhamos o problema de degradação dos chillers a ar
pela maresia, os sistemas de condensação a ar são mais adequados, e podem, na maioria dos
casos, apresentar custos operacionais totais (energia elétrica + água + tratamento de água)
inferiores aos sistemas de condensação a água. Lembrando que estudos devem ser feitos para cada
localidade, pois as tarifas de água no Brasil têm diferenças maiores de preço por localidade do que
as tarifas de energia elétrica, que variam mais em função da tensão de fornecimento e tipo de
contrato.
Por analogia, apesar de não dispor de dados detalhados por temperatura, como os utilizados para a
comparação dos sistemas de expansão indireta (água gelada), acredito que estes resultados
possam ser extrapolados para comparação de sistemas VRF de condensação a ar e condensação a
água, onde, em ambos os casos, a tecnologia de compressão será a mesma (compressores scroll
inverter).
Portanto, considero que sistemas de ar condicionado de condensação a água devam
necessariamente vir acompanhados de projetos para reaproveitamento de águas (pluviais,
condensação, entre outras), que possam garantir, se não a totalidade da água a ser consumida
pelas torres de arrefecimento, pelo menos uma parcela significativa ( acima de 50% ). Desta forma,
serão não só reduzidos os custos operacionais, como também contribuiremos para soluções mais
sustentáveis.