Principais equipamentos utilizados nos sectores dos edifícios e da industria
(a ter em consideração na análise energética)
L. F. Roriz
1. Tipo de instalações
A análise energética pode ter que cobrir os aspectos relativos a:
- qualidade térmica da envolvente do edifício,
- eficiciência dos sistemas e dos seus componentes, e controlo associado
- análise do processo
- condução dos equipamentos
A análise deve determinar, antes de efectuar as necessárias medições quais os
equipamentos que são responsáveis pelos principais consumos. Sobre estes deverá
recair a monitorização. Para além da análise individual de equipamentos, é ainda
necessária a análise das instalações em que esse equipamentos estão inseridos.
As instalações existentes podem ser agrupadas em função do fim a que se destinam, e
em função do tipo de energia que consomem. Genericamente podem servir para:
- produção de energia (eléctrica)
- produção de calor ou frio
- processo
No primeiro caso estão incluídos os geradores de emergência e os sistemas de
cogeração. No segundo caso estão incluídos os sistemas de climatização quer de
conforto quer industrial, existindo elevado número de soluções, pelo que apenas os
principais tipos e equipamentos associados à climatização serão indicados no ponto
2.2. No caso de processo, os sistemas e os equipamentos são muito diversificados já
que podem ocorrer nos serviços e na industria. No caso da industria, os sistemas serão
dependentes do tipo de industria em causa.
No entanto alguns equipamentos podem servir simultaneamente para produção de
energia eléctrica, climatização e processo, como é caso dos sistemas de cogeração, ou
para dois destes casos como os sistemas de produção de vapor que podem servir o
processo e o aquecimento (ambiente e de águas sanitárias).
2. Sistemas e equipamentos
Os sistemas que serão descritos são sistemas de aplicação mais ou menos
generalizada. Os sistemas específicos a cada industria não são aqui descritos.
2.1 - Sistemas de cogeração
Estes sistemas começam a ter alguma generalização em Portugal, em particular nas
grandes industrias (cimenteiras e de pasta de papel, pe) estando a fazer a sua entrada
no sector da habitação (grande centro comercial, zona urbana e de comércio).
Os principais sistemas de cogeração são:
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- turbina a gás. Este tipo de sistemas tem grande aplicação na industria, em particular
quando é possível utilizar gás natural. A eficiência de produção eléctrica situa-se
entre 20 a35%, função do tipo e potência da instalação. Os gases de escape podem
ser utilizados em caldeiras convencionais (caso existam) como comburente,
melhorando fortemente a eficiência global da instalação. A eficiência global situase entre 80 a 90%.
- turbina a vapor. Este tipo de sistemas é utilizado nas grandes industrias, utilizando
normalmente turbinas de contra-pressão, quando se pretende uma relação fixa
entre a electricdade e o vapor produzidos, embora existam sistemas utilizando
turbinas de condensação, podendo neste caso existir uma variação do caudal de
vapor. No primeiro caso a eficiência de produção eléctrica situa-se próximo de
40% enquanto que no segundo caso essa eficência situa-se próximo de 20%, tendo
estes sistemas uma eficiência global de 90%, aproximadamente.
- motor diesel ou a gás natural (GN). Neste tipo de sistemas o calor produzido tem
uma temperatura bastante inferior à obtida nos sistemas de turbina a gás. A
eficiência de produção eléctrica situa-se próximo de 50%, sendo normalmente a
eficiência global da ordem de 70%. Estes sistemas têm aplicação principalmente
em grandes edifícios de serviços.
A introdução do gás natural em Portugal irá certamente permitir uma maior
penetração dos sistemas de cogeração a nível nacional. Na análise energética de
industrias e grandes edifícos de serviços e caso seja considerada a possibilidade de
alteração do sistema de produção de frio e calor, deve ser analisada a possibilidade de
introdução de sistema de cogeração e de sistema frigorífico de absorção.
2.2 - Sistemas de climatização
A climatização compreende o controlo da temperatura do ar (aquecimento e
arrefecimento), o controlo da humidade relativa do ar (humidificação e
desumidificação) e o controlo da qualidade do ar (nível de poeiras e gases,
velocidade).
- sistema unitário. Este termo é usado para indicar que o evaporador e o condensador
estão montados numa base comum, constituindo um aparelho individual (de parede
ou de teto). Tem vindo a cair em desuso.
- sistema dividido. Em refrigeração designa um sistema em que o condensador está
num local distinto do compressor. Em ar condicionado o termo é usado para
indicar que o evaporador (ou evaporadores) e o condensadorcondensador estão
fisicamente em locais distintos, distinguindo desta forma este sistema dos
aparelhos individuais, embora seja mais corrente utilizar-se a expressão “sistema
split” (ou multi-split, quando o número de evaporadores servidos por um mesmo
condensador é superior a um). Este tipo de sistema é portanto um sistema modular.
A designação dos evaporadores depende do seu tipo e colocação. Geralmente são
unidades horizontais, ie, evaporadores de aplicação à vista no teto ou unidades
verticais, ie, evaporadores de aplicação à vista assentes no chão.
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- sistema de zona ou modular. Este termo é utilizado para indicar que um sistema
efectua a climatização de um conjunto de áreas, mas apenas parte do edifício, ou
efectua a climatização complementar de áreas dum edifício, sendo a climatização
geral efectuada por outro sistema. A forma de obtenção do fluido térmico quente
ou frio pode variar: sistema do tipo centralizado de bomba de calor, sistema do tipo
centralizado de UPAR e caldeira, sistema VRV (Volume de Refrigerante
Variável), são alguns dos tipos possíveis. Nestes sistemas as unidades terminais
podem ser ventilo-convectores ou evaporadores. Podem ainda existir baterias de
resistências eléctricas embora o seu uso seja desaconselhado por razões
energéticas.
- sistema centralizado. Este sistema que possui uma unidade produtora de frio e/ou de
calor e que efectua a climatização de toda a (ou a maior parte da) área que se
pretende climatizar. Pode ser de diferentes tipos, sendo os mais comuns:
i) sistema tudo-ar. Neste sistema o calor ou o "frio" são transportados pelo ar até
aos locais a climatizar. Permite o total controlo da qualidade do ar. Estes
sistemas podem ainda ser divididos em:
- sistema VAC (Volume de Ar Constante). Neste sistema o caudal insuflado é
constante, variando a temperatura de insuflação do ar.
- sistema VAV (Volume de Ar Variável). Neste sistema a temperatura do caudal
insuflado é constante, variando o caudal de ar insuflado.
Estes sistemas necessitam de área de passagem de condutas elevada e existe
dificuldade de correcta insuflação em diferentes condições de utilização caso
existam bastantes espaços distintos a climatizar. No caso do VAC, o consumo
de ventilação é elevado .
ii) sistema tudo-água. Neste sistema o calor e/ou o "frio" são transportados por um
fluido térmico até aos aos ventiloconvectores nos locais a climatizar. Não
permite o controlo da qualidade do ar nem o total controlo da humidade do ar.
Estes sistemas utilizam como fluido térmico água ou salmouras. Podem ainda
ser divididos em 2 grupos:
- sistema tudo-água a 2 tubos. Neste sistema o calor ou o "frio" são
transportados por um fluido térmico (geralmente água) até aos aos
ventiloconvectores nos locais a climatizar. Permite apenas o aquecimento ou
o arrefecimento de todas as zonas. Não permite o controlo da qualidade do ar
nem o total controlo da humidade do ar.
- sistema tudo-água a 4 tubos. Neste sistema o calor e o "frio" são transportados
por um fluido térmico (geralmente água) até aos aos ventiloconvectores nos
locais a climatizar. Permite o aquecimento e arrefecimento simultâneo de
diferentes zonas. Não permite o controlo da qualidade do ar nem o total
controlo da humidade do ar.
iii) sistema ar-água. Neste sistema o calor e o "frio" são transportados por um
fluido térmico (água) até aos ventiloconvectores nos locais a climatizar,
existindo simultaneamente um tratamento do ar a insuflar (e eventualmente
aquecimento e arrefecimento). Pode permitir o controlo da qualidade do ar e da
humidade do ar.
Desta forma, os sistemas de climatização são consituídos por diferentes
equipamentos, alguns agrupados de forma a constituir um conjunto que por sua vez
tem uma designação específica e é tratatado como um equipamento único, como é o
caso das UPARs.
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2.3 - Principais tipos de equipamentos
compressor
Equipamento que efectua a compressão dum gás ou vapor. Os compressores,
consoante o tipo de acesso ao seu interior, podem ser divididos em:
i) compressor aberto - compressor que pode ser aberto e reparado no local e está
separado do motor sendo a transmissão usualmente efectuada por correias
ii) compressor semi-hermético - compressor acoplado a um motor eléctrico,
estando ambos encerrados num invólucro metálico que pode ser
desaparafusado para fins de reparação no local
iii) compressor hermético - compressor acoplado a um motor eléctrico, estando
ambos encerrados num invólucro metálico selado. Apenas fabricado para
pequenas potências frigoríficas
Os compressores consoante a forma como realizam a compressão, podem ser de
diversos tipos, sendo os mais usuais os compressores alternativos, de parafuso,
centrífugos, rotativos e de espiral
O consumo devido aos compressores é normalmente importante, pelo que a sua
monitorização deve ser considerada no processo da auditoria energética.
bomba
Equipamento utilizado para efectuar a movimentação de líquido. Podem ter funções
de recirculação ou de elevação do líquido. Desta forma todos os circuitos secundários
de de água quente e água refrigerada, circuitos de águas sanitárias (quentes e frias),
alguns circuitos de ligação entre equipamentos (cirucito de torre de arrefecimento,
circuito do condensador evaporativo, pe), incluem bombas.
Normalmente é possível determinar o consumo devido a bombas desde que sejam
conhecidas as suas características e o número de horas de funcionamento, não sendo
necessário efectuar a sua monitorização.
ventilador
Equipamento com partes rotativas que provoca o movimento do ar. Pode ser de
diversos tipos, sendo os mais usuais os ventiladores centrífugos e axiais.
i) ventilador axial - ventilador de pás, onde o caudal tende a seguir numa
direcção paralela à do eixo do ventilador.
ii) ventilador centrífugo - ventilador com pás rectas ou curvas colocadas numa
evoluta, fazendo-se a admissão axialmente e a descarga radialmente, num
plano normal à direcção da admissão
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Normalmente é possível determinar o consumo devido a ventiladores desde que sejam
conhecidas as suas características e o número de horas de funcionamento e caudais,
não sendo necessário efectuar a sua monitorização.
condensador
Equipamento onde o fluido cede calor ao meio exterior, condensando-se. Consoante o
tipo de fluido arrefecedor utilizado, os condensadores podem ser divididos em:
i) condensador arrefecido a água - condensador que o utiliza água como fluido
externo, para efectuar as trocas de calor
ii) condensador arrefecido a ar - condensador que o utiliza o ar atmosférico
como fluido externo, para efectuar as trocas de calor
iii) condensador evaporativo - condensador onde é pulverizada água na parte
exterior aos tubos, de forma a aumentar a troca de calor, aproveitando o calor
latente da água
evaporador
Equipamento onde o fluido recebe calor do meio arrefecer, evaporando-se. Os
evaporadores, devido ao tipo de funcionamento, dividem-se em dois grupos:
i) evaporador inundado - evaporador em que existe uma quantidade de líquido, sendo
o volume de líquido controlado pelo seu nível
ii) evaporador seco - evaporador em que todo o líquido que nele entra, sai nas
condições de vapor
UPAR
Sigla designando Unidade Produtora de Agua Refrigerada. Esta unidade é um sistema
frigorífico que efectua o arrefecimento da água utilizada posteriormente como fluido
arrefecedor. Podem ser de absorção ou de compressão de vapor consoante o tipo de
princípio em que funcionam.
As UPARs são usualmente designadas por "Chillers". A água refrigerada é muitas
vezes designada (embora incorrectamente) por água gelada.
Uma UPAR de compressão de vapor possui compressor, separador de óleo,
evaporador, condensador e mecanismo de expansão. Uma UPAR de abosorção possui
absorvedor, gerador, mescanismos de expansão, bomba, evaporador e condensador.
No caso de utilizarem misturas líquido-líquido possuem ainda coluna de rectificação.
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A inclusão de sistemas de absorção pode ter particular interesse caso exista sistema de
cogeração instalado.
BC (bomba de calor)
Sistema com funcionamento semelhante ao do ciclo frigorífico mas cujo fim é o
aproveitamento do calor libertado pelo condensador. Podem ser de absorção ou de
compressão de vapor consoante o tipo de princípio em que funcionam. Podem ser do
tipo simples ou reversível. Neste caso o sistema que pode funcionar como sistema
frigorífico e como sistema de bomba de calor.
Uma BC de compressão de vapor possui compressor, separador de óleo, evaporador,
condensador e mecanismo de expansão. Uma BC de abosorção possui absorvedor,
gerador, mescanismos de expansão, bomba, evaporador e condensador. No caso de
utilizarem misturas líquido-líquido possuem ainda coluna de rectificação.
UTA
UTA é a sigla para Unidade de Tratamento de Ar. Pode possuir diversas secções
compreendendo: 1 ou mais ventiladores, recuperador de calor, caixa de mistura,
filtros, bateria de aquecimento, bateria de arrefecimento, humidificador.
A bateria de arrefecimento é um permutador de calor utilizado para efectuar o
arrefecimento do caudal de ar que o atravessa. Consoante a temperatura do fluido na
serpentina da bateria (ie, a tubagem do permutador) e as condições do ar à entrada da
bateria, pode ocorrer ou não condensação de parte do vapor de água do ar. Desta
forma uma bateria de arrefecimento pode servir para efectuar a desumidificação do ar.
A bateria de aquecimento é um permutador de calor utilizado par a efectuar o
aquecimento do caudal de ar que o atravessa. Para o aquecimento pode ser utilizado
um fluido quente com ou sem mudança de fase ou resistências eléctricas.
A caixa de mistura é um espaço, (um módulo da UTA), em que se misturam dois
caudais de ar: o caudal de ar recirculado e o caudal de ar novo.
O humidificador é o equipamento que efectua o aumento da humidade específica do
ar. O aumento de humidade pode ser obtido à custa da injecção de água no estado
líquido ou no estado de vapor. No caso de injecção de água o equipamento utilizado é
greralmente um lavador de ar.
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caldeira
Equipamento onde se efectua a queima dum combustível servindo o calor produzido
para aquecimento ou produção de vapor do fluido que atravessa o equipamento. O
fluido térmico é na quase totalidade dos casos a água.
As caldeiras podem ser de produção de águas quentes ou de produção de vapor.
Podem ser do tipo convencional ou de condensação. Estas últimas apresentam uma
maior eficiência, superior a 90%.
Para além do tipo de caldeira, o tipo de queimador é de interesse na análise energética
dado poder ser de uma posição ou regulável. Este aspecto tem importância na
eficência média da queima.
permutador (de calor)
Equipamento utilizado para a troca de calor entre dois corpos que não estão em
contacto físico. Consoante o fim a que se destina pode ser designado por um termo
específico: recuperador, evaporador, condensador, tanque de gelo, depósito de
acumulação.
Um recuperador é um permutador que recupera parte da energia do fluido de exaustão
antes deste ser lançado no exterior. Este fluido é normalmente ar, água ou fumos
duma combustão.
Um depósito de acumulação é um reservatório que contém uma elevada massa de
fluido (e eventualmente corpos sólidos) que acumula o calor ou o frio. No caso
especial de o depósito poder congelar a água nele existente, toma o nome de tanque
de gelo. O potencial de frio é neste caso obtido à custa da mudança de fase da água.
válvulas
Equipamento que é instalado na tubagem e que permite o controlo do caudal de
fluido.
As principais válvulas que necessitam de corrente eléctrica são:
i) válvula motorizada - válvula operada por um pequeno motor eléctrico (actuador)
ii) válvula solenóide - válvula que abre ou fecha por acção do efeito electromagnético
Em termos genéricos o recurso a válvulas electrónicas permitem um melhor
rendimento da instalação quando comparado com o rendimento que as válulas
convencionais permitem.
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equipamento de controlo e de gestão
Equipamento de controlo engoba um conjunto distinto que equipamentos que
respondem às alterações duma propriedade do fluido no ponto de leitura. Um sensor
faz a medição da propriedade, enviando um sinal proporcional à grandeza lida. Os
equipamentos de controlo mais usuais são:
i) Higrostato (controlo da humidade)
ii) Termostato (controlo de temperatura)
iii) Pressostato (controlo de pressão)
O posicionamento do sensor no local (ou locais) a controlar é importante. A qualidade
das condições obtidas e a eficiência do sistema depende dum correcto posicionamento
dos sensores.
Um sistema de gestão permite a monitorização das propriedades de fluidos (ar, água,
fluido frigorigénio, etc), dos consumos e de avarias (alarmes). Consoante o número de
pontos de medida e o número de função do sistema, pode existir controlo da potência
(eléctrica) de pico, arranque optimizado (do sistema de queima), programação do
fraccionamento de potência, aproveitamento de arrefecimento "gratuito" por ar
exterior, etc.
motores eléctricos
Os motores eléctricos não incluídos nos sistemas de climatização e de produção de
energia podem ter um peso importante no consumo global. No caso de industrias, os
motores estão normalmente associados a equipamentos de processo. No caso de
edifícios de serviços os motores com maior importância em termos de energia
consumida são os motores de elevadores e monta-cargas.
A monitorização individual de motores ou de grupo de motores pode ser necessária
durante a auditoria. No entanto, esta monitorização pode, em elevado número de
casos, ser dispensada caso sejam conhecidas a potência nominal dos motores, o seu
horário de funcionamento e a carga de utilização.
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