Dissertação Harmônicos Chillers Qualidade de Energia
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TEODORO MONGE DE AMORIM FILHO
CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM EDIFICAÇÕES COMERCIAIS: ÊNFASE EM SISTEMAS
DE AR CONDICIONADO COM CENTRAL DE ÁGUA GELADA
Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Elétrica.
São Paulo 2001
TEODORO MONGE DE AMORIM FILHO
CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM EDIFICAÇÕES COMERCIAIS: ÊNFASE EM SISTEMAS
DE AR CONDICIONADO COM CENTRAL DE ÁGUA GELADA
Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do Título de Mestre em Engenharia Elétrica. Área de Concentração: Sistemas de Potência Orientador: Prof. Dr. Marco Antonio Saidel
São Paulo 2001
FICHA CATALOGRÁFICA
TEODORO MONGE DE AMORIM FILHO Conservação de Energia Elétrica em Edificações
Comerciais: Sistemas de Ar Condicionadocom Central de Água Gelada. São Paulo, 2001.
84p. Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo. Departamento de Engenharia deEnergia e Automação Elétricas.
1. Edificações Comerciais 2. Sistema de Ar Condicionado
I. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Departamentode Engenharia de Energia e Automação Elétricas II.t.
À minha esposa Janete
e aos meus filhos,
Fabrício
Lívia
Érico
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Roberto de Aguiar Peixoto, pela indicação do relevante tema.
Ao Prof. Dr. Marco Antonio Saidel, pelo constante estímulo e criteriosas
contribuições no desenvolvimento de toda dissertação.
Aos professores doutores Ivan Eduardo Chabú e Alberto Hernandez Neto
pelas contribuições durante o processo de qualificação da dissertação.
A todos que direta ou indiretamento colaboraram na execução deste trabalho.
RESUMO
A proposta deste trabalho é apresentar e discutir aspectos técnicos e
econômicos relativos à conservação de energia em instalações comerciais de grande
porte.
A ênfase é nos sistemas de ar condicionado com central de água gelada.
Dentro desses sistemas, a racionalização do consumo dos sistemas de bombeamento
primário e secundário de água gelada foi escolhida como foco principal de análise
deste trabalho.
Dentro dos sistemas de bombeamento primário, os conjuntos motor-bomba de
velocidade constante são analisados detalhadamente, tanto no que se refere ao motor
de indução trifásico e a bomba centrífuga como na performance global do conjunto.
Para esses conjuntos são sugeridos o uso de motores de alto rendimentos e bombas
eficientes. Para análise do retorno do investimento na substituição de motores
standard por motores de alto rendimento é sugerida a utilização do Programa Smart
Motor, recentemente desenvolvido para essa finalidade.
Quanto aos sistemas de bombeamento secundário, os conjuntos motor-bomba
de velocidade variável também são analisados detalhadamente. Para o cálculo do
rendimento do motor na freqüência e conjugada de operação, é apresentada uma
tecnologia. Adicionalmente, é feita uma análise dos conversores PWM utilizados na
alimentação dos motores dos conjuntos.
A análise do retorno do investimento, na substituição do controle de vazão
por válvulas por velocidade variável, é feita utilizando-se como exemplo um dos
conjuntos motor-bomba secundários do SAC de um centro universitário. O
investimento inicial é a aquisição de um conversor de freqüência. São calculados o
tempo de “pay-back”, o valor presente líquido da receita com a energia economizada,
o índice de lucratividade e a taxa interna de retorno do investimento. Com esses
indicadores a viabilidade econômica do projeto de racionalização é analisada.
ABSTRACT
The purpose of this work is to present and discuss technical and economical
aspects of the energy conservation in large size commercial instalations.
The enphasis is on air-conditioning systems with chilled water central. Inside
these systems, the energy conservation in primary and secondary chilled water
pumping systems was chosen as the main focus of analysis in this work.
Inside primary pumping systems, the constant speed motor-pump sets are
analyzed in detail, including the three-phase induction motor, the centrifugal pump
and the overall performance of the set. The use of energy-efficient motors and
efficient pumps are suggested for this sets. For the analysis of investment payback
when standard motors are replaced by energy-efficient motors, the use of the Smart
Motor Program is suggested, which was recently developed for this purpose.
As for the secondary pumping systems, the adjustable speed motor-pump sets
are also analyzed in detail. For calculation of the motor efficiency at the frequency
and torque of operation, a methodology is presented. Additionally, an analysis of
PWM inverters is carried out.
The analysis of investment payback when the water flow control is made by
variable speed drives instead of using valves is carried out using as an example one
of the secondary motor-pump sets of a university center. The initial investment cost
is the purchase price of a inverter drive. The payback time, the present worth of the
energy saved, the profitability index and the investment interested rate are calculated.
Based on these indicators, the economic viability of the energy save project is
analyzed.
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
RESUMO
ABSTRACT
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................ 1
1.1. IMPORTÂNCIA DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA....................................................................... 1
1.2. CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM SISTEMAS DE AR CONDICIONADO COM CENTRAL
DE ÁGUA GELADA .............................................................................................................................. 2
1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO................................................................................................ 3
2 PROJETO DE EDIFICAÇÕES ENERGETICAMENTE EFICIENTES............................... 5
2.1. UTILIZAÇÃO DE TECNOLOGIAS ATIVAS E PASSIVAS NO PROJETO ARQUITETÔNICO................ 6
2.2. SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL .................................................................................. 6
2.2.1. Influência da iluminação e do condicionamento de ar no desempenho
energético global............................................................................................................................ 8
2.3. SISTEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR ............................................................................. 10
2.3.1. Condicionamento de ar e carga térmica do ambiente.................................................. 10
2.3.2. Classificação e critérios de escolha do SAC ................................................................ 11
2.3.3. SAC com Central de Água Gelada ............................................................................... 12
2.3.4. Funcionamento e desempenho do "chiller".................................................................. 14
2.4. PROJETO DE UMA INSTALAÇÃO ELÉTRICA EFICIENTE ........................................................... 17
2.4.1. Critérios normalizados................................................................................................. 17
2.4.2. Dimensionamento de circuitos terminais e de distribuição de luz ............................... 17
2.4.3. Dimensionamento de circuitos terminais e alimentadores para acionamentos
de velocidade constante ............................................................................................................... 18
2.4.4. Cuidados adicionais em circuitos terminais para acionamentos de velocidade variável
com conversores PWM................................................................................................................. 18
2.5. QUALIDADE DE ENERGIA DA CONCESSIONÁRIA E DA INSTALAÇÃO ...................................... 19
2.5.1. Os requisitos de distorção harmônica nos EUA........................................................... 19
2.6. ANÁLISE DO PERFIL DE CONSUMO ........................................................................................ 22
2.6.1. Elaboração das matrizes energéticas........................................................................... 22
2.6.2. Exemplo da análise do perfil de consumo de uma edificação comercial ..................... 22
2.6.3. A importância da racionalização energética de um SAC............................................. 24
3 PROJETO DE UM SISTEMA DE AR CONDICIONADO COM CENTRAL DE ÁGUA
GELADA EFICIENTE...................................................................................................................... 27
3.1. ESCOLHA DO "CHILLER" ....................................................................................................... 27
3.1.1. Indicadores de eficiência.............................................................................................. 27
3.1.2. Otimização da eficiência dos componentes do "chiller" .............................................. 28
3.2. SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE AR ...................................................................................... 30
3.3. SISTEMAS DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA GELADA................................................................. 31
3.4. SISTEMAS DE CONDENSAÇÃO ............................................................................................... 32
3.5. PREVISÃO DO CONSUMO DE ENERGIA E ESTRATÉGIAS DE CONTROLE PARA RACIONALIZAÇÃO
DO CONSUMO.................................................................................................................................... 32
3.5.1. O SAC da Central Telefônica Jabaquara..................................................................... 33
3.5.2. Metodologia para previsão do consumo ...................................................................... 34
3.6. ESTRATÉGIAS DE CONTROLE................................................................................................. 37
3.6.1. Controle da vazão de água num sistema com um único "chiller" ................................ 37
3.6.2. Controle de vazão da água num sistema com vários "chillers" independentes............ 39
3.6.3. Controle de "chillers" operando em paralelo .............................................................. 42
3.6.4. Escolha da estratégias adequadas ............................................................................... 43
4 RACIONALIZAÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA POR BOMBAS
CENTRÍFUGAS................................................................................................................................. 44
4.1. BOMBAS OPERANDO COM VELOCIDADE CONSTANTE COM VAZÃO CONTROLADA POR
VÁLVULA.......................................................................................................................................... 44
4.2. BOMBAS OPERANDO COM VELOCIDADE VARIÁVEL.............................................................. 47
4.3. ENERGIA ECONOMIZADA NO CONTROLE POR VELOCIDADE VARIÁVEL ................................ 47
4.4. UM EXEMPLO PRÁTICO......................................................................................................... 48
4.4.1. Ensaio da bomba e determinação da energia economizada ........................................ 48
4.4.2. Tempo de retorno do investimento ............................................................................... 51
5 CARACTERÍSTICAS DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS E CONVERSORES
PWM UTILIZADOS EM UM SAC-AG ......................................................................................... 53
5.1. CATEGORIAS DE MOTORES PARA ACIONAMENTO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS ...................... 53
5.1.1. Categorias conforme normas NEMA, IEC e ABNT...................................................... 53
5.1.2. Categorias de motores para acionamento de bombas centrífugas............................... 54
5.2. ANÁLISE DE PERDAS EM MOTORES....................................................................................... 55
5.3. MOTORES DE ALTO RENDIMENTO......................................................................................... 56
5.3.1. Características de projeto ............................................................................................ 56
5.3.2. Comparação entre motores standard e de alto rendimento ......................................... 56
5.4. INFLUÊNCIA DO DESEQUILÍBRIO DE TENSÕES NO RENDIMENTO, FATOR DE POTÊNCIA E
TEMPERATURA DO MOTOR ............................................................................................................... 57
5.5. INFLUÊNCIA DA ALIMENTAÇÃO NÃO SENOIDAL NO RENDIMENTO, FATOR DE POTÊNCIA E
TEMPERATURA EM MOTORES QUE OPERAM COM FREQÜÊNCIA CONSTANTE.................................... 58
5.6. CONVERSORES PWM PARA ALIMENTAÇÃO DE MOTORES QUE OPERAM COM FREQÜÊNCIA
VARIÁVEL......................................................................................................................................... 59
5.6.1. Formas de controle escalar e vetorial.......................................................................... 60
5.6.2. Conteúdo harmônico da tensão de saída ..................................................................... 60
5.7. RENDIMENTO DE MOTORES .................................................................................................. 61
5.7.1. Motores que operam com alimentação senoidal de freqüência constante ................... 61
5.7.2. Motores que operam alimentados por conversores PWM de freqüência variável....... 62
6 RACIONALIZAÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA DOS CONJUNTOS
MOTOR-BOMBA DE ÁGUA GELADA EM UM SAC-AG – UM ESTUDO DE CASO .......... 67
6.1. RENDIMENTO DOS CONJUNTOS MOTOR-BOMBA................................................................... 67
6.1.1. Conjuntos primários que operam com velocidade constante ....................................... 67
6.1.2. Conjuntos secundários que operam com velocidade variável...................................... 68
6.2. EXEMPLO DE UTILIZAÇÃO DO CONTROLE DE VAZÃO POR VELOCIDADE VARIÁVEL EM UM
CONJUNTO SECUNDÁRIO................................................................................................................... 69
6.2.1. Descrição do SAC-AG do Centro Universitário .......................................................... 70
6.2.2. Metodologia para cálculo das potências absorvidas pelo conjunto motor-bomba
secundário da biblioteca .............................................................................................................. 70
6.2.3. Cálculo da energia elétrica economizada por controle de velocidade nas bombas
secundárias da biblioteca............................................................................................................. 74
6.2.4. Análise de viabilidade econômica da substituição do controle de vazão do conjunto
motor-bomba secundário da biblioteca........................................................................................ 75
BIBLIOGRAFIA................................................................................................................................ 82
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 - Consumo Total de Energia Elétrica (TWh) – Brasil.......................................................... 2
Tabela 2.1 – Limites de tensão harmônica no ponto de entrega......................................................... 21
Tabela 2.2 – Limites de correntes harmônicas para consumidores em média tensão ....................... 21
Tabela 3.1 – Potências médias consumidas a plena carga por sistemas de refrigeração ................. 28
Tabela 3.2 – Testes comparativos entre compressores realizados na Inglaterra .............................. 29
Tabela 3.3 – Comparação entre coeficientes de performance num ciclo ideal .................................. 29
Tabela 3.4 – Normas SCANVAC para PEV com vazões de fluxo nominais ....................................... 31
Tabela 3.5 – Participação dos tipos de SAC nos edifícios sede de centrais telefônicas Telesp ......... 33
Tabela 3.6 – Características do SAC-AG da Central Telefônica Jabaquara .................................... 33
Tabela 4.1 – Energia economizada com velocidade variável ............................................................. 50
Tabela 5.1 – Comparação entre as perdas de motores de 50 HP standard e de alto rendimento ..... 57
Tabela 5.2 – Conteúdos de harmônicos da tensão fornecida por conversores
PWM de 12 e 24 pulsos ....................................................................................................................... 61
Tabela 5.3 – Resultados motor 15 CV ................................................................................................. 63
Tabela 6.1 ............................................................................................................................................ 74
Tabela 6.2 – Potências Hidráulica, Mecânica e Elétrica no Controle de Vazão por Válvula ........... 78
Tabela 6.3 – Potências Hidráulica, Mecânica e Elétrica no Controle de Vazão por Velocidade
Variável ............................................................................................................................................... 78
Tabela 6.4 – Rendimentos estimados do conjunto conversor PWM + motor standard WEG 7,5 CV /
5,52 kW / 4 pólos / 60 Hz .................................................................................................................... 78
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1.a – Classes de iluminação ................................................................................................... 9
Figura 2.1.b – Influência da quantidade de tipo de vidro no CDE de um edifício de escritórios de 3.000m2 ............................................................................................................................................... 10
Figura 2.1.c – Medidas para atingir o CDE num edifício de escritórios de 3.000m2 ........................ 10
Figura 2.2.a – SAC tipo “água-ar” com “Central de Água Gelada” ................................................ 14
Figura 2.2.b – Potências elétricas consumidas num SAC com “Central de Água Gelada” .............. 14
Figura 2.3.a – Diagrama esquemático de um ciclo por compressão a vapor .................................... 16
Figura 2.3.b – Ciclo ideal de refrigeração por compressão a vapor .................................................. 16
Figura 2.3.c – Ciclo real de refrigeração por compressão a vapor ................................................... 17
Figura 2.4.a – Número de concessionárias que relataram diferentes tipos de problemas nos sistemas de distribuição nos EUA ..................................................................................................................... 20
Figura 2.4.b – Alterações realizadas pelas concessionárias nos alimentadores de distribuição para resolver problemas de distorção harmônica de tensão nos EUA ........................................................ 20
Figura 2.5.a – Matriz energética do hospital: para determiná-la, converteram-se todos os insumos energéticos numa mesma base de poder calorífico ............................................................................. 23
Figura 2.5.b – Matriz de custos com energéticos: conta de eletricidade corresponde à maior parte dos gastos com insumos energéticos ................................................................................................... 23
Figura 2.5.c – Distribuição percentual do consumo no hospital ........................................................ 24
Figura 2.6 – SAC com “Central de Água Gelada” do Hospital São Rafael ....................................... 25
Figura 3.1 – Exemplo da relação entre a PEV e a Pressão Total de Ventilação ............................... 31
Figura 3.2 – Sistema de distribuição de ar do SAC da Central Telefônica Jabaquara ..................... 34
Figura 3.3 – Fluxograma de simulação de um SAC com Central de Água Gelada ............................ 36
Figura 3.4 – Estratégia para estimativa anual de um SAC ................................................................. 37
Figura 3.5.a – Curva de vazão mínima total de água gelada x carga de resfriamento do prédio. Caso da Central Jabaquara ......................................................................................................................... 38
Figura 3.5.b – Estagiamento das bombas de água gelada e água de condensação a partir do ∆t da água. Caso da Central Jabaquara ...................................................................................................... 39
Figura 3.6.a – Sistemas sem bombas secundárias (Estratégia 1) ....................................................... 40
Figura 3.6.b – Sistemas com bombas secundárias (Estratégia 2) ...................................................... 41
Figura 3.7 – Curva potência x carga de resfriamento de um “chiller” .............................................. 42
Figura 4.1.a – Altura máxima (H) x vazão em volume (Q) com velocidade constante ...................... 45
Figura 4.1.b – Altura manométrica (H/H0) x vazão em volume (Q/Q0) com velocidade variável ..... 45
Figura 4.1.c – Potência mecânica consumida (P/P0) x vazão em volume (Q/Q0) com velocidade variável ................................................................................................................................................ 46
Figura 4.1.d – Altura manométrica (H) x vazão em volume (Q) com velocidade variável ............... 46
Figura 4.2 – Bancada de ensaio de bombas centrífugas da EFEI ...................................................... 49
Figura 4.3 – Curva altura manométrica (H) x vazão (Q) levantada na EFEI .................................... 50
Figura 4.4 – Curva de demanda de Karassik et al. ............................................................................. 51
Figura 5.1 – Curvas típicas de conjugado e corrente versus rotação para as diferentes categorias (NEMA) de motores de indução de gaiola .......................................................................................... 55
Figura 5.2 – Curva de rendimento e fator de potência em função da carga, motor elétrico trifásico de indução, gaiola, de 297kW, 4000V, 60Hz ........................................................................................... 62
Figura 5.3 – Rendimento do sistema (motor 15CV) ............................................................................ 63
Figura 5.4 – Comparativo do rendimento dos motores 25CV standard e alto rendimento alimentados por inversor e rede (60Hz) .................................................................................................................. 64
Figura 5.5.a – Curvas rendimento x conjugado de um motor de 50HP / 2 pólos / 60Hz alimentado por inversores PWM-VSI escalares .................................................................................................... 65
Figura 5.5.b – Curvas rendimento x conjugado de um motor de 50HP / 2 pólos / 60Hz alimentado por inversores PWM-VSI escalares .................................................................................................... 66
Figura 5.5.c – Curvas rendimento x conjugado de um inversor PWM-VSI escalar alimentando um motor de 50HP / 2 p / 60Hz ................................................................................................................. 66
Figura 6.1.a – Curva rendimento e altura manométrica x vazão – bomba BRF-UC17 .................... 79
Figura 6.1.b – Curva rendimento x potência útil – motor 7,5CV / standard ..................................... 79
Figura 6.2.a – Energia elétrica economizada diariamente com velocidade variável ........................ 80
Figura 6.2.b – Curva de demanda diária de água da biblioteca ....................................................... 80
Figura 6.2.c – Energia economizada diariamente por velocidade variável ...................................... 80
Figura 6.3 – Análise financeira .......................................................................................................... 81
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
ALFABETO ROMANO
C – Conjugado (torque) de carga [%]
CAV – Sistemas com volume constante
CDE – Coeficiente de desempenho energético
CE – Custo atual da energia elétrica [R$/kWh]
CI – Custo do investimento inicial [R$]
COP – Coeficiente de performance
DM – Número de dias de funcionamento por mês [dias]
e – Taxa mensal de aumento da energia elétrica [%]
E – Energia elétrica [kWh]
EAC – Energia anual conservada [kWh]
EED – Energia economizada diariamente [kWh]
EEE – Energia elétrica economizada por controle de velocidade [kWh]
EMC – Compatibilidade eletromagnética
f – Freqüência de operação [Hz]
FHV – Fator harmônico de tensão
g – aceleração da gravidade [m/s2]
GTEP – Energia primária em giga toneladas equivalentes de petróleo
H – Altura manométrica [m]
HD – horas diárias de funcionamento
I – Corrente de alimentação [A]
IGBT – Transistor bipolar de gatilho isolado
IL – Índice de lucratividade
IPT – Instituto de Pesquisas Tecnológicas
j – Taxa de juros [%]
k – Ordem da harmônica
K – Constante que depende dos parâmetros construtivos do motor
M – Período de análise de projeto [meses]
n – Velocidade de rotação [rps] ou [rpm]
p – Número de pulsos por ciclo
P – Potência mecânica consumida [W]
PAV – Perdas por atrito + ventilação [W]
PCU – Perdas no cobre do estator + rotor [W]
PEV – Potência específica de ventilação [kW/(m3/s)]
PECV – Potência elétrica absorvida no controle por válvula [W]
PECVV – Potência elétrica absorvida no controle por velocidade variável [W]
PFE – Perdas no ferro do estator em vazio [W]
PHCV – Potência hidráulica fornecida no controle por válvula [W]
PHCVV – Potência hidráulica fornecida no controle por velocidade variável [W]
PMCV – Potência mecânica absorvida no controle por válvula [W]
PMCVV – Potência mecânica absorvida no controle por velocidade variável [W]
PMEC – Potência mecânica útil [W]
PN – Potência nominal do motor [W]
PST – Perdas adicionais em carga [W]
PT – Perdas totais do motor [W]
PT(N) – Perdas totais do motor nas condições nominais [W]
PVC – Tipo de isolamento de cabos
PWM – Técnica de modulação por largura de pulsos
PWM-VSI – Conversor de tensão PWM
– Taxa de calor [W] ou [Btu/h]
Q – Vazão em volume [m3/s] ou [m3/h]
QT – Carga térmica de resfriamento [J] ou [Btu]
REVP – Receita de energia em valor presente
SAC – Sistema de ar condicionado
SAC-AG – Sistema de ar condicionado com central de água gelada
T – Temperatura absoluta [ºK]
t – Tempo [s]
TAGS – Temperatura da água gelada na saída do “chiller” [ºC]
Q&
TBS – Temperatura de bulbo seco [ºC]
TBU – Temperatura de bulbo úmido [ºC]
TEE – Taxa de eficiência energética [W/(Btu/h)]
TEES – Taxa de eficiência energética sazonal [Btu/Wh]
THD – Distorção harmônica total [%]
TIR – Taxa interna de retorno [%]
TPB – Tempo de retorno do capital ou tempo de “pay-back” [meses]
TR – Capacidade de refrigeração em toneladas de refrigeração (1 TR = 12.000 Btu/h =
3,52 kW)
TRh – Energia armazenada, calculada pelo produto da capacidade de refrigeração (TR)
pelo tempo em [h]
V – Tensão de alimentação [V]
VAV – Sistemas com volume variável
VCPI – Taxa de eficiência parcial integrada (Btu/Wh)
VDF – Fator de distorção de tensão (%)
VF – Vantagem financeira [R$]
VK – Valor eficaz da tensão harmônica de ordem k [V]
VPL – Valor presente líquido [R$]
– Potência consumida num SAC-AG [W]
ALFABETO GREGO
ρ – Massa específica (Kg/m3)
∆ – Variação de um parâmetro
η – Rendimento [%]
ηB – Rendimento da bomba [%]
ηM – Rendimento do motor com velocidade constante [%]
ηMC – Rendimento do conjunto motor + conversor de freqüência [%]
ηME – Rendimento do motor estimado, na tensão e freqüência de operação [%]
ηN – Rendimento nominal do motor [%]
W&
1
1 INTRODUÇÃO
1.1. IMPORTÂNCIA DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA
As necessidades crescentes de energia primária no mundo podem ser
estimadas pelos estudos realizados pelo "World Energy Council" (WEC 1993).
Segundo Houghton [27], as principais conclusões foram:
1) A demanda total de energia prevista para 2020 é de 17,2 GTEP (cenário de alto
crescimento) e 11,3 GTEP (cenário ecológico), que representam respectivamente
um acréscimo de 95,5% e 28,4% em relação ao consumo de 8,8 GTEP em 1990
(cerca de um terço orientada para a produção de eletricidade);
2) Para atingir a previsão de demanda com cenário ecológico deve-se: diminuir o
uso de combustíveis fósseis ; incentivar-se o uso de combustíveis menos
poluentes; e aumentar a eficiência do setor energético. O cenário de alto
crescimento é aquele que não contempla as providências para que ocorra o
cenário ecológico.
3) O aumento da eficiência do setor energético deve ser obtido em toda a cadeia
energética ,ou seja: nas fontes de energia primária (carvão, petróleo, etc.); nas
fontes secundárias (eletricidade, óleo combustível, etc.); e nos serviços de
(iluminação, refrigeração, cocção, condicionamento de ar, etc.).
Portanto, a conservação de energia através do aumento da eficiência dos
serviços energéticos é um dos itens fundamentais para caminhar na busca de
condições para se atingir o desenvolvimento sustentável.
O consumo de energia elétrica dos sistemas de ar condicionado é um dos mais
importantes entre os diversos segmentos de consumo. A tabela 1.1 mostra que o
consumo de energia elétrica no Brasil foi de 306,3 TWh em 2000, sendo que
46,7 TWh (15,3%) foram consumidos pelo setor comercial. [1] Dentro do setor
comercial estima-se que 20% referem-se a sistemas de ar condicionado, 44% a
iluminação, 17% a refrigeração, 8% a cocção e 11% a outras finalidades.[28].
A previsão de consumo no Brasil até o ano de 2010 [1] representada na tabela
1.1, que mostra a evolução anual do consumo dos diversos setores de consumo
2
permite afirmar que haverá um aumento de 76,5% no consumo total, com uma taxa
média de 5,8% a.a.; um aumento de 92,5% no consumo do setor comercial, com uma
taxa média de 6,8% a.a.; e um aumento da participação do consumo do setor
comercial no consumo total, de 15,3% (2000) para 16,6% (2010).
Tabela 1.1 - Consumo Total de Energia Elétrica (TWh) – Brasil Ano Residencial Industrial Comercial Outras Total 2000 83,6 131,3 46,7 44,7 306,3 2001 88,7 137,4 49,8 47,2 323,1 2002 94,5 143,4 53,2 50,1 341,2 2003 100,6 148,3 56,9 53,1 358,9 2004 107,0 154,4 60,8 56,3 378,5 2005 113,7 162,4 64,9 59,7 400,7 2006 121,0 170,8 69,3 63,3 424,4 2007 128,8 179,7 74,0 67,0 449,5 2008 136,9 189,2 79,0 71,0 476,1 2009 145,5 205,6 84,3 75,2 510,6 2010 154,5 216,5 89,9 79,6 540,5
Taxas de Crescimento (%) 2000/2005 6,4 4,3 6,8 6,0 5,5 2005/2010 6,3 5,9 6,7 5,9 6,2 2000/2010 6,3 5,1 6,8 5,9 5,8
Estrutura de Participação (%) 2000 27,3 42,9 15,3 14,6 100,0 2005 28,4 40,5 16,2 14,9 100,0 2010 28,6 40,1 16,6 14,7 100,0
Fonte: Eletrobrás – CTEM, Maio de 2001
1.2. CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM SISTEMAS DE AR CONDICIONADO
COM CENTRAL DE ÁGUA GELADA
Como foi apresentado no item anterior o consumo dos sistemas de ar
condicionado representa uma parcela importante no consumo do setor comercial e,
portanto, representa também uma parcela importante do consumo de uma instalação
comercial.
Por esse motivo a busca por alternativas de maior eficiência no uso destes
sistemas foi escolhida como o tema central desta dissertação.
Sua participação nas instalações comerciais não pode ser estimada por falta
de dados, mas a experiência aponta que o número de instalações com essa
3
característica é cada vez maior, em função da expansão de grandes edificações com
sistemas centralizados.
A ênfase portanto, deste trabalho, é a racionalização do consumo de sistemas
de bombeamento de água gelada, responsáveis por uma parcela significativa do
consumo desses sistemas.
1.3. ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
O capítulo 1 destaca a importância do aumento da eficiência do setor
energético na obtenção de menores intensidades energéticas, enquadra os serviços
energéticos de condicionamento de ar nesse setor e mostra a participação do
consumo elétrico de sistemas de ar condicionado no consumo total e comercial do
Brasil. Justifica também a escolha do tema e da ênfase da dissertação e descreve a
sua estrutura.
O capítulo 2 trata da conservação e racionalização do uso da energia ,
partindo do projeto arquitetônico, passando pelo projeto dos sistemas de iluminação
e ar condicionado. Enfoca também o projeto de uma instalação elétrica eficiente e os
aspectos relativos à qualidade de energia na instalação. Analisa também as matrizes
de insumo e de custos energéticos e a sua importância na fase de projeto.
O capítulo 3 começa a abordar o tema da dissertação, analisando os aspectos
relativos à racionalização de um sistema de ar condicionado com central de água
gelada (SAC-AG). Analisa o ciclo de compressão a vapor, os sistemas de
distribuição de ar e de água. Descreve também, uma metodologia proposta pelo IPT
(Instituto de Pesquisas Tecnológicas) para a previsão do consumo de energia e as
estratégias de controle que podem ser utilizadas para a redução do consumo.
O capítulo 4 trata especificamente da racionalização do consumo para força
motriz no SAC-AG. Começa pelo "chillers" e "fan-coils" e descreve detalhadamente
a racionalização do consumo de energia por bombas centrífugas operando com
velocidade constante ou variável.
O capítulo 5 refere-se a racionalização do consumo de energia por motores
de indução com rotor gaiola, tanto na operação com velocidade constante e
4
alimentação pela rede como na operação com velocidade variável e alimentação por
conversores PWM.
O capítulo 6 trata especificamente da ênfase da dissertação, ou seja, da
racionalização do consumo elétrico dos conjuntos motor-bomba de velocidade
constante e variável utilizados nos SAC-AG. Nos conjuntos de velocidade constante
são sugeridos o uso de motores de alto rendimento alimentados por fontes senoidais
equilibradas e bombas centrífugas eficientes, sendo que o retorno no financeiro na
substituição de motores standard por motores de alto rendimento pode ser analisado
pelo Programa Smart Motor, recentemente desenvolvido (2001) para essa finalidade.
Nos conjuntos de velocidade variável são sugeridos e analisados o uso de motores
standard alimentados por conversores PWM e bombas eficientes.
O capítulo 7 analisa o retorno do investimento na substituição do controle de
vazão por válvulas pelo controle por velocidade variável e aplica esse conceito ao
estudo de um conjunto motor-bomba secundário de um SAC-AG da biblioteca de um
centro universitário. A partir da curva de demanda diária de água dos "fan-coils" da
biblioteca e das curvas de rendimento do motor e da bomba é calculada a energia
economizada diariamente.
5
2 PROJETO DE EDIFICAÇÕES ENERGETICAMENTE
EFICIENTES
Os sistemas de iluminação e de ar condicionado são os maiores consumidores
de energia elétrica de uma instalação comercial. Portanto, as eficiências desses
sistemas são tópicos fundamentais de um projeto eficiente. Além disso, um projeto
elétrico com automação adequada e a qualidade da energia elétrica fornecida pela
concessionária são complementos importantes de um projeto eficiente.
Quanto ao tema condicionamento de ar, segundo Jackson [2],os seguintes
estudos fornecem dados importantes:
1) Estudos feitos por Vernon e reforçados por Moss e Halls em 1935 e por
Wyndhan em 1961, comprovam que os trabalhadores tinham melhores
desempenhos em fábricas e minas, quando os seus ambientes eram mais
frios e bem ventilados;
4) Estudos feitos a partir dos anos 60 na Inglaterra e na Suécia, analisaram o
efeito do calor sobre as crianças nas escolas, associando-os ao baixo
desempenho;
5) Estudos realizados recentemente na Suécia constataram que a condição
térmica é o fator que mais influencia a produtividade nos escritórios. O
desempenho dos funcionários diminuiu entre 30 e 50% com temperatura
acima de 24ºC, em relação ao desempenho com 20ºC.
Os estudos mencionados apontam para a uma zona térmica ideal de 22 ± 2ºC
e umidade relativa do ar entre 50 e 60%.
Quanto a iluminação, segundo [5] ,um local bem iluminado deve
proporcionar conforto visual adequado , visando os seguintes benefícios:
- Um trabalho com produtividade (escritório/fábricas);
- Um aprendizado eficaz (escolas);
- Criação de ambientes desejados (apartamentos residenciais, museus, etc.);
- Criação de ambientes agradáveis e propícios para o consumo
(supermercados, shopping centers, etc.)
6
2.1. UTILIZAÇÃO DE TECNOLOGIAS ATIVAS E PASSIVAS NO PROJETO
ARQUITETÔNICO
Segundo Romero [3] as seguintes diretrizes são importantes para garantir um
projeto energeticamente eficiente:
1) O conhecimento das condições climáticas, dos materiais de construção e
da forma, são fundamentais para minimização do uso de ar condicionado
e luz artificial, no projeto;
2) Um projeto de arquitetura inteligente pode reduzir em até 50% o futuro
consumo de energia do prédio. O uso de tecnologias arquitetônicas
passivas através, de iluminação e ventilação naturais, deve ser
maximizado;
3) Após a análise do uso de tecnologias passivas, deve-se lançar mão das
tecnologias ativas, ou seja, escolher os sistemas de iluminação artificial e
os sistemas de ar condicionado (SAC). O uso das tecnologias ativas deve
ser minimizado;
4) A iluminação e o condicionamento de ar são responsáveis por cerca de
70% do consumo de energia elétrica do setor de comércio e serviços,
sendo que boa parte desse consumo deve-se a projetos arquitetônicos não
eficientes.
Portanto, após a maximização do uso de tecnologias passivas, pode-se partir
para os projetos de sistemas de iluminação artificial e condicionamento de ar
eficientes, que atendam respectivamente aos requisitos de conforto visual e
ambiental, adequados a cada setor da edificação.
2.2. SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL
Segundo o Manual de Administração de Energia- Iluminação [5] a
iluminação artificial é responsável por aproximadamente 20% de toda energia
elétrica consumida no país, cerca de 20% de consumo do setor residencial e por mais
de 40% da energia elétrica consumida pelo setor de comércio e serviços.
7
As seguintes informações e diretrizes básicas permitem se aproximar de um
projeto eficiente [5]:
1) A eficiência dos sistemas de iluminação artificial está associada
basicamente às características técnicas, à eficiência e ao rendimento de
um conjunto de elementos, dentre os quais destacam-se: necessidades de
iluminação do ambiente, lâmpadas, luminárias, reatores, circuitos de
distribuição, utilização de luz natural, cores das superfícies internas,
mobiliário, etc.;
2) As lâmpadas podem ser escolhidas pela temperatura (aparência) da cor de
luz emitida, pelo índice de reprodução da cor necessário, pela vida útil e
pela eficiência luminosa (Lúmen/Watt). As luminárias tem uma escolha
mais complexa;
3) Os reatores eletrônicos são a melhor alternativa para um aparelho
fluorescente, principalmente por aumentarem a eficiência luminosa das
lâmpadas (em cerca de 10%), reduzirem as perdas no reator (em
aproximadamente 70%) e terem a possibilidade de dimerização (controle
do fluxo luminoso);
4) Quanto aos circuitos, alguns recursos que podem ser utilizados para a
redução do consumo e melhoria do desempenho dos sistemas de
iluminação. São eles:
• Dividir os circuitos por área ou conforme o tipo de tarefas
desenvolvidas;
• Separar os circuitos que servem áreas de circulação e área
de trabalho;
• Dividir os circuitos, para permitir o funcionamento de
apenas uma parte das luminárias;
• Dividir os circuitos de forma que as luminárias próximas às
janelas possam ser desligadas;
• Dividir os circuitos, visando a automação com sensores de
presença e sensores fotoelétricos.
5) As superfícies internas e o mobiliário devem ter cores claras com altos
índices de reflexão.
8
2.2.1. Influência da iluminação e do condicionamento de ar no desempenho
energético global
Weersink e Meyer [4] analisaram a normalização do desempenho energético
introduzida na Holanda em 1996 através de uma ementa ao Decreto de Edificações.
Os principais tópicos desse análise são descritas a seguir:
1) A normalização obriga a uma redução de 10% a 20% no consumo de
energia nas novas habitações e em edificações não residenciais, trazendo
enormes conseqüências em termos arquitetônicos, de instalação,
iluminação e/ou custos;
2) O requisito de desempenho energético global de um edifício não
residencial, denominado CDE – Coeficiente de Desempenho Energético,
é introduzido e está associado diretamente ao consumo de energia
permitido, ou seja, quanto maior o CDE maior é o consumo permitido;
3) Durante a fase de projeto arquitetônico o uso de um sistema de
iluminação artificial eficiente é um recurso importante na obtenção do
CDE especificado.
A figura 2.1.a ilustra o comportamento do consumo de energia elétrica do
sistema de iluminação em função da potência de iluminação instalada, de acordo com
o nível de automação utilizado e levando em conta a influência da luz natural, desde
um sistema liga/desliga centralizado até um sistema com interruptor tipo dimmer e
influência de 30% da luz natural. São definidas as classes de iluminação em termos
de eficiência energética, desde a iluminação classe 1 (a mais eficiente), classe 2
(eficiente), classe 3 (convencional), chegando a classe 4 (não eficiente). Por
exemplo, um sistema com interruptor tipo dimmer e 30% de luz natural é
considerado classe 1 (eficiente) com potência instalada até 10W/m2 e classe 2 até
12W/m2.
A figura 2.1.b ilustra a influência da quantidade e do tipo de vidro utilizados
nas janelas externas, no CDE de um edifício de escritórios de 3.000 m2 .
Observando-se a figura podemos tirar as seguintes conclusões:
- Utilizando-se vidro duplo normal claro, os requisitos de CDE são
atendidos, com iluminação classes 2 e 3 e no máximo 30% de janelas;
9
- Utilizando-se vidro LE preenchido com gás, os requisitos CDE são
atendidos com iluminação classe 3 e 55% de janelas;
- O melhor CDE é conseguido com vidro preenchido com gás e 20% de
janelas.
Para a obtenção do CDE especificado, além da escolha de um sistema de
iluminação eficaz e eficiente é necessário a escolha de um sistema de
condicionamento de ar que também atenda a esses requisitos.
A figura 2.1.c mostra o conjunto de medidas que devem ser analisadas na fase
de projeto, visando atingir o CDE especificado, para um edifício de escritórios de
3.000m2.
Fonte: Weersink e Meyer – Ref. [4]
Figura 2.1.a – Classes de iluminação
10
Fonte: Weersink e Meyer – Ref. [4]
Figura 2.1.b – Influência da quantidade de tipo de vidro no CDE de um edifício de escritórios de 3.000 m2
Fonte: Weersink e Meyer – Ref. [4]
Figura 2.1.c – Medidas para atingir o CDE num edifício de escritórios de 3.000m2
11
2.3. SISTEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR
2.3.1. Condicionamento de ar e carga térmica do ambiente
A função de um SAC é de controlar, no ambiente beneficiado, a temperatura,
umidade, velocidade e pressão do ar. As aplicações técnicas visam a manutenção de
condições ambientais adequadas para a operação de determinados equipamentos,
como por exemplo computadores, exigindo um controle rigoroso de temperatura e
umidade. As aplicações específicas, tais como salas de cirurgia, requerem um
elevado padrão de pureza do ar. Quando o processo de condicionamento do ar visa
proporcionar o conforto dos ocupantes do recinto a aplicação é definida como de
conforto, sendo o controle da temperatura o fator mais importante.
Para que o controle do ambiente possa ser feito pelo SAC, a carga térmica
deve ser levantada. A carga térmica de uma edificação é a quantidade de energia que
deve ser transferida na forma de calor dos ambientes, pelo SAC, de forma a manter
um determinado nível de conforto térmico, condições adequadas para a realização de
certas atividades ou operação de equipamentos.
O cálculo da carga térmica de resfriamento é usualmente baseada nas
condições de projeto e umidade interna e externa. Os valores de TBS (Temperatura
de Bulbo Seco) e TBU (Temperatura de Bulbo Úmido) internas, são aquelas que
proporcionam conforto satisfatório ou condições técnicas adequadas. Para conforto a
NB-10 da ABNT recomenda alguns valores conforme a finalidade do ambiente. A
TBS externa de projeto é a temperatura que, na média estatística dos últimos anos, é
ultrapassada durante 2,5% das horas de verão e a TBU externa é aquela que é
ultrapassada durante 5% das horas de verão.
As componentes da carga térmica de resfriamento são:
1) A geração de calor devido, principalmente, a pessoas, equipamentos e
iluminação;
2) A insolação através de vidros e superfícies transparentes;
3) A insolação através de superfícies opacas (paredes, por exemplo);
4) A infiltração e renovação do ar;
12
5) A condução através das estruturas exterior e interior, devido às diferenças
de temperatura externa e interna.
A Carga Térmica pode ser dividida em:
- Carga Térmica Latente, denominação utilizada quando há aumento da
umidade absoluta com temperatura constante;
- Carga Térmica Sensível, quando há aumento da temperatura com
umidade absoluta constante.
2.3.2. Classificação e critérios de escolha do SAC
Quanto aos sistemas de expansão, os SAC são classificados como de:
1) Expansão direta , onde o fluido primário(refrigerante) resfria diretamente
o ar a ser insuflado nos ambientes condicionados, e;
2) Expansão indireta, onde o fluido primário não resfria diretamente o ar.
Isto é feito através do fluido secundário.
Os principais sistemas de expansão direta são:
- Condicionador tipo janela;
- Condicionador "self-contained" com condensação a ar remoto;
- Condicionador "split-system" com condensação a ar;
- Condicionador "split-system" com condensação a água.
O principal sistema de expansão indireta é o Sistema com Central de Água
Gelada que utiliza a água como fluido secundário para o resfriamento do ar.
Quanto aos critérios de escolha, segundo recomendações do IPT [7], ela é
baseada na análise da relação "custo-benefício", levando-se em consideração os
critérios de análise econômica relacionados com: investimento inicial, custos de
operação (consumo de energia) e custos de manutenção. As características técnicas
da instalação, tais como, espaço ocupado e nível de ruído também devem ser
consideradas.
A título ilustrativo, conforme [7], as faixas de aplicação recomendadas pela
Telesp (que era o maior consumidor de energia para ar condicionado em l989), em
função da potência instalada, são:
- SAC "self-contained" com condensação a ar (até 50 TR)
13
- SAC "self-contained" com condensação a água (50 a 100 TR)
- SAC com "central de água gelada" (acima de 100 TR)
2.3.3. SAC com Central de Água Gelada
A. Descrição
Esses tipos de SAC são os mais utilizados em edificações comerciais de
médio e grande portes. A figura 2.2.a mostra os principais componentes desse tipo de
SAC.
A unidade resfriadora ou "chiller", formada por um ciclo completo de
compressão a vapor, é o coração desse sistema. A água gelada, resfriada pelo
evaporador do "chiller" é distribuída (pelas bombas de água gelada) para os
condicionadores de ar dos ambientes ou "fan-coils" (ventiladores com trocadores de
calor água-ar), que insuflam o ar resfriado no ambiente condicionado. O sistema de
condensação (bomba de água de condensação + torre de resfriamento) retira os calor
do condensador do "chiller". Na figura é usada a condensação a água, mas também
existe a condensação a ar, formada por ventiladores de condensação incorporados
diretamente no "chiller".
B. Potências Elétricas Consumidas
A figura 2.2.b é a representação esquemática da figura 2.2.a e mostra a taxa
de calor que deve ser retirada do ambiente condicionado ( ) e as potências
elétricas consumidas ( ) pelos principais componentes do SAC, ou seja: o
"chiller"; o "fan-coil"; a bomba de água gelada; a bomba de condensação; o
ventilador da torre de resfriamento; e as resistências de umidificação e
desumidificação.
W&Q&
14
Fonte: IPT – Ref. [7]
Figura 2.2.a – SAC tipo “água-ar” com “Central de Água Gelada”
Fonte: IPT – Ref. [7]
Figura 2.2.b – Potências elétricas consumidas num SAC com “Central de Água Gelada”
15
2.3.4. Funcionamento e desempenho do "chiller"
As figuras 2.3.a, 2.3.b e 2.3.c, extraídas de [8], mostram o comportamento de
um ciclo de compressão a vapor.
A figura 2.3.a mostra o diagrama esquemático, com o evaporador,
compressor, condensador e válvula de expansão, bem como os estados do fluido
refrigerante.
A figura 2.3.b mostra a curva temperatura x entropia de 2 (dois) ciclos ideais.
O ciclo 1’ – 2’ – 3 – 4’ – 1’ é o ciclo de Carnot e o ciclo 1 – 2 – 2’ – 3 – 4 – 1 é o
ciclo ideal de compressão a vapor, com o fluido refrigerante nas condições viáveis na
prática.
A figura 2.3.c mostra a curva da temperatura x entropia de um ciclo real
1 – 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 7 – 8 – 1. O ciclo real afasta-se do ciclo ideal de compressão a
vapor, principalmente, devido às perdas de carga associadas ao fluido de trabalho e à
transferência de calor para ou do meio envolvente.
O balanço energético em regime permanente (1ª lei da termodinâmica),
aplicado ao ciclo, resulta na seguinte equação, conforme [8]:
, ou [2.1]
, onde [2.2]
Potência de acionamento do compressor [W]
Taxa de calor rejeitada pelo condensador [W]
Taxa de calor absorvida pelo evaporador [W]
Taxa de calor rejeitada pelo compressor e tubulação [W]
O coeficiente de performance (ou de desempenho) do ciclo é dado pela
equação:
COMPTUBCONDCOMPCOMPEVAP QQQQWQ••••••
+++=+
PERDASEVAPCONDCOMP QQQW••••
+−=
=•
COMPW=
•
CONDQ
=•
EVAPQ
=•
PERDASQ
COMP
EVAP
W
QCOP •
•
=
16
Para o ciclo de Carnot definimos o coeficiente de performe máximo teórico
do Ciclo, como:
, [2.4]
onde T é a temperatura absoluta em graus Kelvin.
No ciclo ideal as temperaturas e o COP dependem fundamentalmente das
pressões de condensação e evaporação.
Fonte: Van Wylen – ref. [8]
Figura 2.3.a – Diagrama esquemático de um ciclo por compressão a vapor
Fonte: Van Wylen – ref. [8]
Figura 2.3.b – Ciclo ideal de refrigeração por compressão a vapor
EVAPCOND
EVAP
EVAPCOMD
EVAP
COMP
EVAPMAX TT
T
Q
W
QCOP
−=
−== ••
•
•
•
CONDQ&
EVAPQ&
17
Fonte: Van Wylen – ref. [8]
Figura 2.3.c – Ciclo real de refrigeração por compressão a vapor
2.4. PROJETO DE UMA INSTALAÇÃO ELÉTRICA EFICIENTE
O projeto deve, além de atender os requisitos normalizados pela NBR
5410/97 [9], contemplar alguns requisitos complementares que levam em
consideração a qualidade e conservação da energia.
2.4.1. Critérios normalizados
Os critérios normalizados são:
1) Critério da máxima capacidade de condução em cabos;
2) Critério da máxima queda de tensão em circuitos;
3) Critério de proteção contra sobrecorrentes e sobretensões;
4) Critério de proteção contra choques elétricos.
Esses critérios não levam em consideração as questões de conservação de
energia. A observação mais importante é quanto à máxima queda de tensão
permissível em instalações alimentadas pela rede pública de alta tensão e
transformador abaixador na própria instalação (usual em instalações comerciais) que
é de 7%.
É importante salientar que uma queda de tensão de 7% significa que
aproximadamente 6 a 7% da potência do circuito será convertida em calor nos
condutores, ou seja, a eficiência do circuito estará entre 93% e 94%, que é baixa em
CONDQ&
EVAPQ&
18
termos energéticos. Portanto, é importante que esse fato seja levado em conta no
projeto da instalação. A titulo de esclarecimento essa conclusão foi tirada, após o
cálculo da relação entre a resistência e a impedância de cabos de cobre de baixa
tensão, isolados com PVC, com três condutores carregados em eletroduto aparente de
PVC, com secções entre 1,5 e 120 mm2, a partir de tabelas da Pirelli.
2.4.2. Dimensionamento de circuitos terminais e de distribuição de luz
O dimensionamento dos circuitos terminais de tomadas de uso geral e
tomadas de uso específico devem ser feitos a partir dos critérios normalizados.
O projeto do circuito de iluminação deve ser feito levando-se em conta a
classe de iluminação desejada, conforme já descrito anteriormente.
2.4.3. Dimensionamento de circuitos terminais e alimentadores para
acionamentos de velocidade constante
São os circuitos que alimentam os "chillers", os “fan-coils” e os conjuntos
motor-bomba de água gelada primária e de condensação, em acionamentos de
velocidade constante.
O dimensionamento deve ser feito pelos critérios normalizados, com baixas
quedas de tensão. O desequilíbrio de tensões e a distorção harmônica da tensão, tanto
nos alimentadores como nos circuitos terminais de motores são outros fatores
importantes para uma performance eficiente dos acionamentos.
2.4.4. Cuidados adicionais em circuitos terminais para acionamentos de
velocidade variável com conversores PWM
São os circuitos que alimentam os conjuntos motor-bomba de água gelada
secundários. Segundo [10] os cuidados adicionais são:
- Analisar a conformidade do conversor com os requisitos EMC
(Eletromagnetic Compatibility);
- Projetar instalações que atendam requisitos EMC.
19
Como referência, a diretrizes EMC da União Européia traz requisitos quanto
a imunidade, emissão conduzida e emissão irradiada, que devem ser atendidos. Esses
requisitos estão descritos em [10].
2.5. QUALIDADE DE ENERGIA DA CONCESSIONÁRIA E DA INSTALAÇÃO
2.5.1. Os requisitos de distorção harmônica nos EUA
A. Definições conforme IEEE STD 519-1992
“Total Voltage Harmonics Distortion” (Distorção Harmônica Total de
Tensão)
[2.5], onde VK é valor eficaz da
harmônica de ordem K e V1 é o valor eficaz da fundamental.
“Voltage Distortion Factor” (Fator de Distorção da Tensão)
[2.6]
THDI (%) é a “Distorção Harmônica Total de Corrente”, com definição
análoga a THDV (%).
B. Pesquisas realizadas em concessionárias nos EUA
Em 1993, o Comitê de Transmissão e Distribuição do Edison Electric
Institute realizou uma pesquisa sobre distorção harmônica em sistemas de
distribuição nos EUA, para determinar a extensão do problema e avaliar as
providencias das concessionárias.
As figuras 2.4.a e 2.4.b, extraídas de [13], mostram através de diagramas de
barras os resultados das pesquisas. A pesquisa constatou também que o nível total de
distorção harmônica de tensão, na maioria dos sistemas de distribuição, são menores
que 2%.
De acordo com o levantamento, 20 das 80 concessionárias pesquisadas
já têm uma política ou uma norma de limitação da distorção harmônica.
( ) %100%1
2
2
×=∑
∞
=
V
VTHD K
K
V
( ) %100%1
×=VVVDF K
20
Quase 30 das 80 concessionárias estão considerando a aplicação dos limites
da IEEE STD519 – 1992 [12].
Fonte: Lewis – Ref. [13]
Figura 2.4.a – Número de concessionárias que relataram diferentes tipos de problemas nos sistemas de distribuição nos EUA
Fonte: Lewis – Ref. [13]
Figura 2.4.b – Alterações realizadas pelas concessionárias nos alimentadores de distribuição para resolver problemas de distorção harmônica de tensão nos EUA
C. Limites de distorção harmônica da IEEE STD 519-1992
As tabelas 2.1 e 2.2 apresenta os limites para as distorções de tensão e de
corrente. Para as concessionárias a IEEE limita os níveis de distorção de tensão e
para os consumidores individuais ela limita os níveis de distorção de corrente
absorvida pela instalação, para cada relação entre a corrente de curto circuito e a
corrente de carga média (RCC), no ponto de entrega.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Int e rfe rênc iat e le fônica
Explosão decapa c it ore s/ fusí ve is
Capac it ore sremovidos/ re loca dos
S obrea quec ime nt ode t ransformadore s
S ubst it uição det ra nsforma dore s de
dist r ibuição
Corrent e s de ne ut roexcessiva s
Remane jament o deconsumidore s pa ra
out ros c ircuit os
05
10152025303540
R e moç ã o/ r e a loc a ç ã o de
ba nc os de c a pa c i tor e s
Subs t i t ui ç ã o de
t r a ns f or ma dor e s de
di s t r i bui ç ã o
T r a ns f e r ê nc i a de
c ons umidor e s
Ins t a l a ç ã o de f i l t r os
pr imá r ios
Ins t a l a ç ã o de f i l t r os
s e c undá r ios
Ins t a l a ç ã o de f i l t r os a t i vos R e c ondutor a me nto de
f a s e / ne ut r o
SIM NÃO
21
Tabela 2.1 – Limites de tensão harmônica no ponto de entrega
Tensão no barramento (kV)
VDF máxima (%)
THD máxima (%)
Abaixo de 69 kV 3,0% 5,0% De 69 a 138 kV 1,5% 2,5% Acima de 138 kV 1,0% 1,5%
Fonte: IEEE 519 – 1992
Tabela 2.2 – Limites de correntes harmônicas para consumidores em média tensão
RCC k < 11 11 – 16 17 – 22 23 – 34 k > 34 THD (%)RCC < 20 4,0% 2,0% 1,5% 0,6% 0,3% 5,0% 20 < RCC <50 7,0% 3,5% 2,5% 1,0% 0,5% 8,0% 50< RCC< 100 10,0% 4,5% 4,0% 1,5% 0,7% 12,0% 100 < RCC < 1000 12,0% 5,5% 5,0% 2,0% 1,0% 15,0% RCC > 1000 15,0% 7,0% 6,0% 2,5% 1,4% 20,0%
Fonte: IEEE 519 – 1992
D. Os requisitos de distorção harmônica no Brasil
A Comissão de Serviços Públicos de Energia do Estado de São Paulo definiu
um cronograma para a implantação gradativa dos indicadores de controle da
qualidade da energia fornecida pelas concessionárias [14]. As 3 (três) etapas desse
cronograma são as seguintes: etapa de adaptação; etapa de transição; e etapa de
maturidade. A etapa de maturidade é caracterizada pelo alcance pleno de
instrumentos, procedimentos e padrões para o completo controle da qualidade do
fornecimento de energia elétrica. Os indicadores mais importantes, em termos de
conservação de energia, ou seja, o desequilíbrio de tensões e o conteúdo harmônico
da tensão, ainda não atingiram a etapa de maturidade e, portanto, ainda não foram
implantados.
E. Automação e gerenciamento da instalação
Além do que foi descrito nos itens anteriores, uma instalação deve ser
gerenciada (em termos tarifários) e controlada e monitorada (por um sistema de
automação predial).
Os principais tópicos a serem gerenciados, monitorados e controlados são:
1) Contratação do sistema tarifário adequado;
2) Atuação do sistema de automação para evitar multas devido ao baixo fator
de potência ou ultrapassagem da demanda máxima contratada;
22
3) Monitoramento dos desequilíbrios de tensão nos circuitos que alimentam
motores elétricos de velocidade constante dos SAC;
4) Monitoramento da distorção harmônica na entrada e nos circuitos que
alimentam os conversores PWM que acionam os motores de velocidade
variável dos SAC;
5) Controle dos sistemas de iluminação e ar condicionado, visando a
racionalização do uso da energia.
2.6. ANÁLISE DO PERFIL DE CONSUMO
2.6.1. Elaboração das matrizes energéticas
A análise do perfil de consumo da instalação, através da elaboração e
comparação das matrizes de insumos e de custos energéticos com matrizes de
referência, é o item final de um projeto eficiente. Essa comparação, evidencia os
itens de projeto, automação e gerenciamento que devem ser revistos para a obtenção
do projeto final.
2.6.2. Exemplo da análise do perfil de consumo de uma edificação comercial
Com o objetivo de salientar a importância do consumo de energia de um SAC
com central de água gelada numa instalação de grande porte e a forma de
racionalizar o uso de energia nessa instalação, foi escolhido como exemplo o
Hospital São Rafael em Salvador – BA, com área construída de 33.000 m2 e 377
leitos, atendido em 11,4 KV (subgrupo A4) por duas subestações abaixadoras, com
potências de 1300 e 3000 kVA. A análise foi elaborada pela Ecoluz Consultores
Associados, em 1998 [6].
A. Perfil do consumo
A figura 2.5.a mostra a matriz energética (insumos energéticos), sendo que os
principais são a energia elétrica (63,0%), o óleo para caldeiras que produzem água
quente e vapor (35,1%) e gás para as lavanderias e cozinhas (1,9%). A figura 2.5.b
23
mostra a matriz dos custos energéticos, sendo que a energia elétrica é o mais
importante (91,8%), seguido do óleo (7,8%) e gás (0,4%). A figura 2.5.c mostra a
distribuição do consumo de energia elétrica na instalação, sendo o ar condicionado o
maior consumidor (53%), seguido de equipamentos especiais (18%), iluminação
(17%) e outras cargas (12%, sendo que o consumo de energia elétrica do hospital é
de 946 MWh/mês.
Fonte: Ecoluz – Ref. [6]
Figura 2.5.a – Matriz energética do hospital: para determiná-la, converteram-se todos os insumos energéticos numa mesma base de poder calorífico
Fonte: Ecoluz – Ref. [6]
Figura 2.5.b – Matriz de custos com energéticos: conta de eletricidade corresponde à maior parte dos gastos com insumos energéticos
Energia elétrica63,0%
Óleo BPF35,1%
Gás GLP1,9%
Energia elétrica91,8%
Óleo BPF7,8%
Gás GLP0,4%
24
Fonte: Ecoluz – Ref. [6]
Figura 2.5.c – Distribuição percentual do consumo no hospital
B. Principais medidas de racionalização propostas
As seguintes medidas levarão a uma economia total de 3327 MWh/ano:
1) Alteração do contrato de fornecimento de energia para tarifa azul;
2) Retirada de transformadores;
3) Readequação de fator de potência
4) Monitoramento e controle automatizado do uso de energia;
5) Racionalização energética dos sistemas térmicos
2.6.3. A importância da racionalização energética de um SAC
No item anterior foi analisado o perfil de consumo do Hospital São Rafael.
Neste item será descrito o projeto de racionalização do SAC, que levará a uma
economia de 2.023MWh/ano (60% da economia total proposta).
A. Descrição da central de água gelada
A figura 2.6 mostra os principais componentes de SAC-AG. A central de
água é composta de 16 “chillers” com condensação a ar com capacidade/consumo
unitário de 56TR/79 kW, com uma capacidade/consumo total de 900TR/1264 kW. A
água gelada produzida circula em duas redes hidráulicas denominadas circuito
primário (que circula água para os chillers) e circuito secundário (que circula água
para o edifício). A central possui também um tanque de gelo com capacidade de
Ar-condicionado53%
(501.286 kWh)
Outras cargas12%
(115.802 kWh)
Iluminação17%
(158.486 kWh)
Equipamentos especiais18%
(170.248 kWh)
25
1200TRh para operar nos horários de pico de consumo, atualmente fora de operação.
Todo sistema de água gelada é mantido com uma solução de etileno-glicol à razão de
25%, de forma a evitar o congelamento das tubulações.
Fonte: Ecoluz – Ref. [6]
Figura 2.6 – SAC com “Central de Água Gelada” do Hospital São Rafael
B. Projeto de racionalização
As principais ações no SAC são :
1) Melhoria da performance dos “fan-coils”, mudando posições de tomadas
de ar e desobstruindo os seus filtros;
2) Automação das duas centrais de insuflamento de ar novo nos ambientes
condicionados, que atualmente funcionam ininterruptamente. Termostatos
comandarão a atuação dos ventiladores;
3) Aumento médio de 10% na umidade relativa do ar nos ambientes. A
desumidificação é feita nos “fan-coils”, por meio de serpentinas de água
gelada e de água quente (vinda das caldeiras);
26
4) Racionalização energética da central de água gelada, com as seguintes
ações:
Ativação e ampliação do tanque de gelo;
Automação das bombas primárias e “chillers”,
programando o seu funcionamento, que atualmente é
ininterrupto;
Modulação da vazão de água do circuito secundário,
adequando a vazão às necessidades da edificação. Essa
modulação deve ser feita instalando-se acionamentos de
velocidade variável nas bombas secundárias;
Redução adicional do consumo das bombas secundárias,
através da substituição do fluido para água pura. As
bombas atuais de 50CV serão substituídas por bombas de
30CV.
As duas ações com maior peso individual na redução do consumo foram a
modulação da vazão de água gelada e a redução do consumo adicional no circuito
secundário (912MWh/ano) e o aumento da umidade relativa do ar nos ambientes
(500MWh/ano).
27
3 PROJETO DE UM SISTEMA DE AR CONDICIONADO COM
CENTRAL DE ÁGUA GELADA EFICIENTE
Conforme vimos no capítulo 2 e está ilustrado na figura 2.2.b, os principais
equipamentos que consomem energia elétrica num SAC-AG são:
1) Os "chillers";
2) As bombas primárias e secundárias de água gelada;
3) As bombas e ventiladores do sistema de condensação a água;
4) Os "fan-coils".
Nos SAC-AG com condensação a água o consumo das bombas e ventiladores
de condensação é substituído pelo consumo dos ventiladores de condensação
incorporados ao "chiller".
3.1. ESCOLHA DO "CHILLER"
Segundo Jackson [2], desde os anos 30 até o final dos anos 70, o
desenvolvimento do projeto de condicionadores de ar permaneceu virtualmente
estático. A partir dos anos 80 a necessidade da melhoria da eficiência energética e
redução de custos levou a um novo ciclo de desenvolvimento.
Neste capítulo falaremos sobre os indicadores de eficiência dos
condicionadores de ar e da evolução dos componentes do ciclo de compressão a
vapor que forma o "chiller.
3.1.1. Indicadores de eficiência
Nos EUA, um trabalho coordenado pela ARI (Air Conditioning and
Refrigeration Institute) definiu três medidas de eficiência [2]:
1) Taxa de eficiência energética (TEE), que é a relação entre a taxa de
resfriamento total (Btu/h) e a potência elétrica consumida(W) a plena
carga e temperatura externa de 35ºC;
28
2) Taxa de eficiência energética sazonal (TEES), que é a relação entre o
resfriamento anual obtido (Btu) e o consumo anual (Wh);
3) Taxa de eficiência parcial integrada (VCPI), com a mesma definição da
TEES, para utilização em sistemas com capacidade acima de 5,4 TR.
Segundo [2], o nível mais comum de TEE é da ordem de 10, apesar de alguns
condicionadores atingirem 14. A tabela 3.1 mostra as potências consumidas por
sistemas de refrigeração, levantadas pela Jonhson Controls ,onde observa-se os
consumos de 1,31 kW/TR (TEE= 9,16) e 1,36 kW/TR (TEE = 8,82) em sistemas
com "chillers" e "fan-coils".
Tabela 3.1 – Potências médias consumidas a plena carga por sistemas de refrigeração
Tipo de Sistema
Aparelho de Janela
Split System
Self a Ar
Self a Água
Chiller + Fan Coil
Baby
Chiller + Fan Coil Central
Centrífuga + Fan Coil
Central
Exp. Dir.
Cond. Evap.
+ VAV
Cent. + Fan Coil
Central +
TanqueTotal
(kW/TR)* 1,66 1,68 1,71 1,43 1,31 1,36 1,17 0,98 1,16
EER** (kWt/kWe) 2,12 2,1 2,06 2,46 2,69 2,59 3,01 3,60 3,03
*kW/TR = kWelétrico por tonelada de refrigeração (1 TR = 12.000 BTU/h) do sistema completo **EER = kWtérmico / kWelétrico (potência térmica transferida por unidade de potência elétrica).
Fonte: Jonhson Controls
3.1.2. Otimização da eficiência dos componentes do "chiller"
A. Compressores
O projeto dos compressores a êmbolo desenvolveu-se bastante nos anos 70,
como resposta à necessidade do aumento da eficiência. Para serem obtidos
desempenhos superiores foram desenvolvidos os compressores rotativos centrífugos
e tipo parafuso. A recente introdução da tecnologia de controle por inversores e
microprocessadores levou ao desenvolvimento de condicionadores de ar com volume
refrigerante variável, com coeficiente de performance superior a três [2].
A tabela 3.2 mostra testes comparativos de compressores realizados na Inglaterra,
extraídos de [2].
29
Tabela 3.2 – Testes comparativos entre compressores realizados na Inglaterra
Ciclo de Resfriamento
Projeto a êmbolo
Projeto rotativo anual
Novo projeto rotativo
Resfriamento total (kW) 2,47 2,57 2,55
Entrada elétrica (kW) 1,45 1,16 1,04
COP (resfriamento) 1,70 2,22 2,45 Fonte: Jackson – Ref. [2]
B. Evaporadores e Condensadores
A equação [2.4] mostrou a relação entre a potência de acionamento do
compressor e as temperaturas de evaporação e condensação, para um ciclo ideal de
Carnot. Nessa equação verifica-se que: quanto maior a temperatura de evaporação e
quanto menor a temperatura de condensação, maior será o coeficiente de
performance e consequentemente menor será o consumo do compressor. A tabela
3.3 mostra uma redução de 22% no consumo devido a elevação da temperatura de
evaporação(de 0ºC para 5ºC) e diminuição da temperatura de condensação (de 45ºC
para 40ºC), num ciclo ideal.
O desenvolvimento dos trocadores de calor tem se baseado no aumento e
tratamento das superfícies de troca de calor e no emprego de ventiladores centrífugos
de alta eficiência [2].
Tabela 3.3 – Comparação entre coeficientes de performance num ciclo ideal
Temperatura de evaporação
Temperatura de condensação
CE refriger. consumo
kW/TR consumo refrigeração Item
(ºC) (ºK) (ºC) (ºK) (kW/kW) (kW/TR) 1 0 273 45 318 6,1 0,57 2 5 278 40 313 8,0 0,44
Fonte: York do Brasil
C. Válvulas de Expansão
As válvulas eletrônicas de expansão fornecem uma nova dimensão para o
controle dos sistemas de refrigeração. As válvulas termostáticas, apesar de sua alta
confiabilidade, são limitadas na sua aplicação porquê têm que ser otimizadas para
uma faixa estreita de operação. As válvulas eletrônicas permitem que o controle de
fluxo do refrigerante seja obtido em uma ampla faixa de operação, o que é
30
particularmente benéfico quando se utiliza controle de capacidade ou de pressão no
cabeçote do compressor [2].
D. Refrigerante
A necessidade de eliminar os fluídos que destroem a camada de ozônio, levou
ao desenvolvimento de novas misturas de fluidos de trabalho, que, além de não
destruírem a camada de ozônio, fornecem melhores efeitos refrigerantes. Segundo
Jackson [2] a variação típica dos fluidos disponíveis representa cerca de 5% de
melhoria no coeficiente de performance.
3.2. SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE AR
Segundo Jackson [2], as principais recomendações para um projeto eficiente
são:
1) Projetar sistemas com baixas quedas de pressão;
2) Utilizar "fan-coils" eficientes;
3) Prever a utilização do ar externo nos valores mínimos exigido pela norma
ou especificação e nos casos em que a entalpia do ar externo for inferior à
do ambiente condicionado.
A SCANVAC (Federation of the Societies of the Heating, Air Conditioning
and Sanitary Engineers in Denmark, Sweden, Finland, Norway and Iceland)
desenvolveu diretrizes sobre eficiência energética nos sistemas de distribuição de ar,
utilizando a Potência Específica de Ventilação (PEV) como meio de expressar a
eficiência global. A PEV (kW/m3/s) é definida como a relação entre a soma das
potências nominais de todos os ventiladores do sistema de distribuição de ar (kW) e a
vazão nominal do fluxo de ar (m3/s) [2].
A tabela 3.4 fornece os limites de PEV da SCANVAC, tanto para sistemas
com volume constante(CAV), como sistemas com volume variável (VAV). A figura
3.1 ilustra a relação entre a pressão total de ventilação e a PEV, para ventiladores
com pás curvadas para frente (mais ruidosos e de menor custo inicial) e de pás
curvadas para trás (menos ruídos, maior custo inicial e mais eficientes). Por exemplo,
31
para uma pressão de 1000 Pa, pode-se obter uma PEV de 1,5 com ventiladores de pás
curvadas para trás e 2,5 com pás curvadas para frente [2].
Tabela 3.4 – Normas SCANVAC para PEV com vazões de fluxo nominais
Normas PEV [(kW)/(m3/s)] Volume constante
PEV [(kW)/(m3/s)] Volume variável
VAS 4000 4,0 7,8 VAS 2500 2,5 4,9 VAS 1500 1,5 2,9 EE 1,0 1,9
Fonte: Jackson – Ref. [2]
Fonte: Jackson – Ref. [2]
Figura 3.1 – Exemplo da relação entre a PEV e a Pressão Total de Ventilação
3.3. SISTEMAS DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA GELADA
Além de um projeto hidráulico eficiente, a utilização de conjuntos motor-
bomba eficientes alimentados por fontes com qualidade de tensão adequada é
fundamental.
As conjuntos motor-bomba primários de que alimentam os "chillers" e
funcionam com velocidade constante são normalmente alimentados diretamente pela
tensão secundária da instalação e devem ser compostos por bombas centrífugas
eficientes acionadas por motores de alto rendimento. É importante que as tensões
elétricas sejam equilibradas e com baixa distorção harmônica (vide item 2.4).
32
Os conjuntos motor-bomba secundários que distribuem água para a edificação
e funcionam com velocidade variável, são alimentados por conversores PWM e
devem ser formados por bombas centrífugas eficientes acionadas por motores
standard. Nesses casos, o uso de motores de alto rendimento deve ser analisado em
cada caso.
As instalações elétricas também devem atender aos requisitos abordados no
item 2.4.
3.4. SISTEMAS DE CONDENSAÇÃO
Nos SAC-AG com condensação a água, tanto os conjuntos motor-bomba de
condensação que operam com velocidade constante , como as torres de resfriamento
devem ser eficientes. As recomendações para as bombas de condensação são as
mesmas já descritas para as bombas primárias. Nos SAC-AG com condensação a ar
a melhoria da eficiência é feita pelo fabricante do "chiller". A comparação entre a
TEE do "chiller" com condensação a ar, com a TEE do "chiller" com condensação a
água (incluído o consumo do sistema de condensação) é a forma adequada de
avaliação dos sistemas.
3.5. PREVISÃO DO CONSUMO DE ENERGIA E ESTRATÉGIAS DE CONTROLE PARA
RACIONALIZAÇÃO DO CONSUMO
A metodologia que será descrita, foi desenvolvida pelo IPT em 1989 [7], num
trabalho para a Telesp, que era , na época, o maior consumidor de energia elétrica do
Estado de São Paulo, sendo que 40 a 60% desse consumo é dos sistemas de ar
condicionado. A tabela 3.5 mostra que 35,9% dos SAC instalados nas centrais
telefônicas eram do tipo central de água gelada e representavam 75,1% da
capacidade instalada para refrigeração.
A descrição da metodologia é feita utilizando-se como exemplo o SAC-AG
da Central Telefônica Jabaquara.
33
As possíveis estratégias para controle da vazão de água gelada e controle dos
"chillers", visando a redução do consumo, também são descritas.
Tabela 3.5 – Participação dos tipos de SAC nos edifícios sede de centrais telefônicas Telesp
Nº instalações Capacidade Tipo de SAC Número de instalações Nº total
Capacidade (TR) Capacid. total
“Self-contained” a ar 31 21,8% 565 3,3%
“Self-contained” a água 60 42,3% 3.760 21,6%
Central de água gelada 51 35,9% 13.055 75,1%
TOTAL 142 17.380 Fonte: IPT – Ref. [7]
3.5.1. O SAC da Central Telefônica Jabaquara
A figura 3.2 mostra o esquema do SAC-AG com condensação a água, com
bombas de velocidade constante e vazão de água nos "fan-coils" controlada por
válvulas de três vias. A tabela 3.6 mostra as características do SAC, com capacidade
instalada de 300 TR.
Tabela 3.6 – Características do SAC-AG da Central Telefônica Jabaquara
Características do SAC • Capacidade Instalada: 300 TR (3chillers de 100 TR); • 4 bombas de água gelada (1 bomba de reserva); • 4 bombas de condensação (1 bomba de reserva); • 2 “fan-coils” por pavimento; • Controle da capacidade dos “fan-coils” através de válvulas de 3 vias; • 3 torres de resfriamento com ventiladores.
Consumo Mensal de Energia Estimado (kWh) • Compressores dos “chillers” 63.930 (57,5%) • Ventiladores dos “fan-coils” 11.880 (10,7%) • Bombas de água gelada 15.920 (14,3%) • Bombas de água de condensação 17.410 (15,7%) • Torres de resfriamento 2.040 (1,8%) • Resistências de umidificação desprezível TOTAL 111.180 (kWh/mês) (100%)
Fonte: IPT – Ref. [7]
34
3.5.2. Metodologia para previsão do consumo
O modelo , desenvolvido pelo IPT [7], é formado por quatro submodelos:
1) Cálculo da carga térmica de resfriamento;
2) Simulação do circuito de ar;
3) Simulação do 'chiller';
4) Simulação da torre de resfriamento.
Fonte: IPT – Ref. [7]
Figura 3.2 – Sistema de distribuição de ar do SAC da Central Telefônica Jabaquara
A. Cálculo da Potência Consumida através do Modelo de Simulação
A figura 3.3 mostra o fluxograma de simulação do SAC-AG, cujo
funcionamento básico é o seguinte:
- Cálculo da carga térmica de resfriamento , a partir dos dados
climatológicos e das características dos ambientes condicionados;
- Simulação do processo psicrométrico do circuito de ar, a partir da carga
térmica e dos parâmetros operacionais do SAC. O parâmetro
de saída é a temperatura da água gelada na saída do "chiller" (TAGS);
•
TQ
•
TQ
35
- Simulação do "chiller" , a partir da carga de refrigeração do "chiller"
que é calculada a partir da capacidade dos "fan-coils" na temperatura
TAGS. As saídas são a potência do compressor e a taxa de
liberação de calor do condensador ;
- Simulação da torre de resfriamento, a partir dos parâmetros operacionais e
informações do fabricante. A saída é a potência consumida pelos
ventiladores da torres ;
- Cálculo das potências dos ventiladores dos "fan-coils" , a
partir dos parâmetros do circuito de ar e das curvas dos ventiladores;
- Cálculo das potências consumidas pelas bombas de água gelada e de
condensação , a partir dos parâmetros dos circuitos de
água e das curvas das bombas;
- Cálculo da potência total consumida pelo SAC-AG
•
EQ
•
CQ
•
CW
•
TRW
•
VENTW
+
••
BACWBAGW
++++=
••••••
BACWBAGWVENTWTRWCWSACW
36
Fonte: IPT – Ref. [7]
Figura 3.3 – Fluxograma de simulação de um SAC com Central de Água Gelada
B. Cálculo da Energia Anual Consumida
Para o cálculo, devem ser fixados os parâmetros operacionais que são as
variáveis que podem ser modificadas ,em um SAC, sem que haja necessidade de
modificações físicas. Seus valores são fixados através de "set-points" de
controladores, valores, da posição de "dampers" do circuito de ar e de controladores
manuais ou automáticos que comandam o número de bombas e de "chillers"
necessários. Normalmente os parâmetros assumem valores que satisfaçam uma
condição necessária (por exemplo, conforto térmico dos ocupantes) ou que resulte no
funcionamento adequado dos equipamentos.
37
O método "BIN" estima o consumo de energia a partir da freqüência de
ocorrência da temperatura de bulbo seco (TBS) do ar externo durante o ano.
Analisando esse método IPT constatou que a maior precisão seria obtida através da
correlação do consumo de energia não só com a TBS, mas também com a carga
térmica total (QT). Após serem testadas várias alternativas, para um dado valor de
carga térmica (QT) e diversos valores de TBS ,a alternativa que resultou no menor
consumo foi a escolhida. A figura 3.4 mostra essa escolha.
Fonte: IPT – Ref. [7]
Figura 3.4 – Estratégia para estimativa anual de um SAC
3.6. ESTRATÉGIAS DE CONTROLE
As estratégias , sugeridas pelo IPT [7], são:
3.6.1. Controle da vazão de água num sistema com um único "chiller"
A figura 3.5 mostra o caso da Central Jabaquara. Foi levantada a curva vazão
mínima x carga térmica total. Até o ponto C existe uma bomba ligada, entre os
pontos C e B duas bombas e entre B e A três bombas (estão indicados nas figuras as
38
diferenças de temperatura da água no "chiller"). As alternativas (estratégias) de
controle possíveis são:
1) Controle discreto (on-off) das 3 bombas, a partir da diferença de
temperatura da água gelada, conforme exemplificado na figura 3.5;
2) Controle discreto (on-off) das 3 bombas, a partir da carga térmica de
resfriamento;
3) Controle contínuo de vazão, através do controle eletrônico da velocidade
da bomba, a partir da diferença de temperatura da água, da medição
indireta da velocidade da bomba através da freqüência da fonte e de um
microprocessador.
Fonte: IPT – Ref. [7]
Figura 3.5.a – Curva de vazão mínima total de água gelada x carga de resfriamento do prédio. Caso da Central Jabaquara
39
Fonte: IPT – Ref. [7]
Figura 3.5.b – Estagiamento das bombas de água gelada e água de condensação a partir do ∆t da água. Caso da Central Jabaquara
3.6.2. Controle de vazão da água num sistema com vários "chillers"
independentes
Essas estratégias são mostradas nas figuras 3.6.a e 3.6.b.
A. Sistemas sem Bombas Secundárias (Estratégia 1)
Os "chillers" operam com vazão de água gelada constante e "set-point" de
temperatura de água pré-fixado. O controle dos ambientes condicionados é feito
através da modulação de pressão com válvula de duas vias. A diferença de pressão
entre a linha de fornecimento e a linha de retorno é mantida através de uma linha de
"by-pass". Uma válvula de 3 vias no final da linha permite o retorno da vazão
excedente.
B. Sistemas com Bombas Secundárias (Estratégia 2)
Os "chillers" operam com vazão de água gelada constante e "set-points" de
temperatura da água pré-fixados. O controle dos ambientes condicionados é feito
através da modulação da vazão com válvula de 2 vias. A separação hidráulica entre
os circuitos primário e secundário é garantida pelo "by-pass" entre A e B. As bombas
secundárias podem trabalhar com velocidade e vazão constantes e controles "on-off"
ou podem trabalhar com controle eletrônico de velocidade. A utilização de bombas
40
secundárias com controle de vazão por velocidade variável, bem como a economia
de energia proporcionada e o retorno do investimento necessário, serão analisados
nos próximos capítulos deste trabalho.
Fonte: IPT – Ref. [7]
Figura 3.6.a – Sistemas sem bombas secundárias (Estratégia 1)
41
Fonte: IPT – Ref. [7]
Figura 3.6.b – Sistemas com bombas secundárias (Estratégia 2)
42
3.6.3. Controle de "chillers" operando em paralelo
O controle da carga de um "chiller" é usualmente feito pela variação do
número de estágios e/ou número de compressores em operação.
A. "Chillers" operando com um Único Compressor de Vários Estágios
A figura 3.7 ilustra essa operação. Nesse caso, a curva potência x carga de
resfriamento do "chiller" não parte da origem (reta traçada com linha cheia na
figura). Os "set-points" de temperatura de água gelada devem ser os mesmos. A
eficiência aumenta se o controle de estagiamento dos " chillers" for único. [7]
B. "Chillers" operando com Vários Compressores de Múltiplos Estágios
Neste caso, a curva potência x carga de resfriamento parte da origem,
conforme mostra a linha tracejada da figura 3.7. Isto é conseguido com uma
automação adequada dos compressores e estágios. Os "set-points" de temperatura da
água gelada dos "chillers" podem ser diferentes e quanto maior o "set-point" de
temperatura da água maior é o coeficiente de performance e menor é o consumo de
energia [7].
Esta solução é a de maior eficiência energética. Observando-se a figura 3.7
verifica-se que para a mesma carga térmica temos um consumo de energia menor.
Fonte: IPT – Ref. [7]
Figura 3.7 – Curva potência x carga de resfriamento de um “chiller”
Potência
Carga de Resfriamento
43
3.6.4. Escolha da estratégias adequadas
Essa escolha normalmente é feita levando-se em conta o consumo
energético, os custos de investimento, a confiabilidade, a facilidade de
operação, a manutenção, etc. [7].
44
4 RACIONALIZAÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA POR BOMBAS
CENTRÍFUGAS
No capítulo 3 foram analisados aspectos relativos ao projeto de SAC-AG
eficientes. Neste capítulo, baseado na ref. [15], analisaremos o comportamento de
bombas centrífugas operando com velocidade constante ou variável. Essas bombas
são utilizadas nos conjuntos motor-bomba primários e secundários do SAC.
4.1. BOMBAS OPERANDO COM VELOCIDADE CONSTANTE COM VAZÃO
CONTROLADA POR VÁLVULA
A figura 4.1.a mostra uma curva típica de altura manométrica (H) x vazão e
volume (Q) de uma bomba centrífuga com velocidade constante. O ponto de trabalho
é a intersecção da curva de carga do sistema com a curva da bomba. Com a válvula
aberta teremos (Q1;H1) e fechando-se a válvula teremos respectivamente (Q2;H2),
(Q3;H3) e (0;HMAX) com a válvula fechada.
A figura 4.1.b mostra as curvas (H/H0) x (Q/Q0) e (η/η0) x (Q/Q0) para três
velocidades (n/n0), sendo (η) o rendimento. A figura 4.1.c mostra as curvas (P/P0) x
(Q/Q0) para três velocidades, sendo (P) a potência mecânica consumida. As
condições ótimas de operação são representadas pelo pondo de trabalho (Q0;H0), na
velocidade (n0) e consumindo uma potência (P0).
Tomando como exemplo uma bomba operando no ponto A com a válvula
aberta, na velocidade (n/n0 = 1,3) a vazão será (Q/Q0 = 1,2), o rendimento (η/η0 =
0,965) e a potência consumida (2,2 P/P0). Para reduzirmos a vazão para (Q/Q0 = 0,6)
fechamos a válvula até atingirmos o ponto B (vide figuras 4.1.b e 4.1.d), onde o
rendimento é
(η/η0 = 0,77) e a potência consumida é (P/P0 = 1,55), ou seja, para uma redução de
50% na vazão haverá uma redução de 30% no consumo.
45
Fonte: UNESP/EFEI – Ref. [16]
Figura 4.1.a – Altura máxima (H) x vazão em volume (Q) com velocidade constante
Fonte: UNESP/EFEI – Ref. [16]
Figura 4.1.b – Altura manométrica (H/H0) x vazão em volume (Q/Q0) com velocidade variável
46
Fonte: UNESP/EFEI – Ref. [16]
Figura 4.1.c – Potência mecânica consumida (P/P0) x vazão em volume (Q/Q0) com velocidade variável
Fonte: UNESP/EFEI – Ref. [16]
Figura 4.1.d – Altura manométrica (H) x vazão em volume (Q) com velocidade variável
47
4.2. BOMBAS OPERANDO COM VELOCIDADE VARIÁVEL
No mesmo exemplo anterior, para obtermos a vazão (Q/Q0 = 0,6) com
válvula aberta, se reduzirmos a velocidade para (0,7 n/n0), manteremos
aproximadamente o mesmo rendimento e a potência será de (0,35 P/P0), ou seja, para
redução de 50% na vazão haverá uma redução de 84% no consumo, com um ganho
de 54% em relação ao controle por válvula (pontos C e C’ das curvas).
As relações que permitem predizer o desempenho de uma bomba centrífuga
trabalhando em rotações diferentes daqueles do ponto de projeto são conhecidas
como “Leis de Afinidade”. São elas:
1) A capacidade de vazão Q varia diretamente com a velocidade de rotação;
2) A altura manométrica total H varia com o quadrado de rotação;
3) A potência mecânica consumida varia com o cubo da rotação.
Matematicamente, as “Leis de Afinidade” pode ser expressa como:
[4.1]
4.3. ENERGIA ECONOMIZADA NO CONTROLE POR VELOCIDADE VARIÁVEL
A grande vantagem do controle de velocidade está no fato da bomba fornecer
somente a potência hidráulica que a instalação realmente necessita, além de manter a
bomba na faixa de altos rendimentos resultando na minimização da potência
mecânica fornecida pelo motor elétrico acionador. A utilização de bombas de alto
rendimento é outro fator importante na economia de energia.
A figura 4.1.d mostra com maior clareza os pontos de operação analisados e
destaca a diferença de alturas manométricas (∆H = HB – HC) entre os pontos de
operação inicial (ponto A) à velocidade inicial (n1) e os pontos de operação finais
com vazão (Q2) e velocidade n1 (ponto B) e n2 (ponto C).
3
2
1
2
1
2
2
1
2
1
2
1
2
1 ;;
=
==
nn
PP
nn
HH
nn
48
A economia de energia mecânica e consequentemente de energia elétrica
pode ser calculada por:
, sendo [ 4.2 ]
EEE = energia economizada [kWh]
ρ = massa específica da água [Kg/m3]
g = aceleração da gravidade [m/s2]
Q2 = vazão reduzida por controle [m3/s]
∆H = diferença entre alturas monométricas [m]
t = tempo de operação com vazão reduzida [h]
4.4. UM EXEMPLO PRÁTICO
4.4.1. Ensaio da bomba e determinação da energia economizada
O ensaio foi realizado na bancada de ensaio (figura 4.2) de bombas
centrífugas do Laboratório Hidromecânico para Pequenas Centrais Hidrelétricas
(LHPCH) da Escola Federal de Engenharia de Itajubá (EFEI). Constitui-se de um
circuito fechado, por meio do qual a água é sugada de um reservatório, passa pela
bomba, por um medidor de vazão tipo Venturi e por uma válvula de
estrangulamento, desaguando em um canal, onde fecha o circuito.
As características do conjunto motor-bomba são as seguintes:
- Bomba centrífuga, 30kW, 1770 rpm;
- Motor de indução trifásico, 30kW, 60Hz, 220/380/440V;
- Acoplamento hidrocinético, 30kW.
As características de aquisição de dados são:
- Computador PC;
- Placa de aquisição de dados;
- Transdutor de pressão, 0 a 15mca;
- Transdutor de vazão diferencial, 0 a 2mca;
- Transdutor de rotação (tacogerador);
- Software Dasy Lab.
32EE 10tHQgE −⋅⋅⋅⋅⋅= ∆ρ
49
O levantamento da curva da bomba foi realizado com velocidade constante e
os resultados são mostrados na figura 4.3. A curva foi analisada e o seu
comportamento estava dentro das previsões teóricas.
Para o cálculo da energia economizada utilizou-se a curva de demanda de
vazão de Karassik et al., relativa à instalação de distribuição de água de uma grande
cidade (figura 4.4). A tabela 4.1 mostra a Energia Economizada calculada a partir da
curva de demanda de uma grande cidade e da curva H x Q da Bomba utilizando-se a
fórmula de energia economizada, adotando-se g = 9,806 m/s2 e ρ = 1.000 Kg/m3 e as
leis de afinidade.
Analisando-se a tabela 4.1 verifica-se que o consumo de energia com controle
por válvulas seria de 130, 150 kWh/dia e a energia economizada se o controle fosse
por variação de velocidade seria de 116, 163 kWh/dia.
Fonte: UNESP/EFEI – Ref. [16]
Figura 4.2 – Bancada de ensaio de bombas centrífugas da EFEI
50
Fonte: UNESP/EFEI – Ref. [16]
Figura 4.3 – Curva altura manométrica (H) x vazão (Q) levantada na EFEI
Tabela 4.1 – Energia economizada com velocidade variável Q (m3/s) t (h) ∆H (m) EECON (kWh) EVALV (kWh) 0,01892 6 11,4 12,690 12,690 0,03513 1 11,9 3,997 4,065 0.04324 4 11,9 20,182 20,352 0,05946 1 11,5 6,705 6,880 0,06486 8 11,2 56,987 59,022 0,07838 2 8,4 12,912 15,064 0,09459 1 2,9 2,690 6,586 0,10000 1 0,0 0,000 5,491 Total 24 116,163 130,150
Fonte: UNESP/EFEI – Ref. [16]
51
Fonte: UNESP/EFEI – Ref. [16]
Figura 4.4 – Curva de demanda de Karassik et al.
4.4.2. Tempo de retorno do investimento
Considerando que o conjunto motor-bomba pertença a um consumidor
atendido em A4 que paga, em média, uma tarifa de energia elétrica de 79,16
R$/MWh, a economia de energia, em unidades monetárias, será:
EED (R$) = 0,0116163 * 79,16 = R$ 9,19/dia, ou
EAC (R$) = R$ 3.354,35/ano.
52
O tempo de retorno do investimento é dado por:
[4.3]
onde:
TBP = tempo de retorno em anos
CI = custo inicial do investimento (preço do conversor)
EAC = energia anual conservada
j = taxa de juros anual
Tomando como exemplo o preço do conversor de freqüência no mercado
brasileiro (em 1998) em torno de R$ 6.500,00 (CI), um total economizado de
R$ 3.354,35 (EAC) e uma taxa de juros de 12% a.a. (j = 0,12), temos:
TBP = 1,84 anos (22 meses)
É importante destacar que o trabalho de Bortoni, Tiago e Silva [16], que
serviu como base para este item, não leva em consideração os rendimentos da bomba
e do motor e também faz uma análise financeira muito simplificada.
( )j
jEACCI
TBP+
+⋅
=1log
1log
53
5 CARACTERÍSTICAS DE MOTORES DE INDUÇÃO TRIFÁSICOS
E CONVERSORES PWM UTILIZADOS EM UM SAC-AG
5.1. CATEGORIAS DE MOTORES PARA ACIONAMENTO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS
Neste item são descritas as categorias e seus principais usos, com destaque
para aplicações em SAC-AG.
5.1.1. Categorias conforme normas NEMA, IEC e ABNT
A figura 5.1 mostra as curvas típicas de conjugado e corrente x rotação para
as categorias A, B, C, e D da norma NEMA MG1 [22]. As principais características
dos motores de cada categoria são as seguintes, segundo [16], são:
1) Categoria A: motores com conjugado e corrente de partida normais,
pequeno escorregamento nominal, conjugado máximo alto e fator de
potência elevado. Devido ao pequeno escorregamento nominal, obtido
com baixas resistências do rotor, esses motores podem ser projetados
com rendimentos superiores aos da categoria B;
2) Categoria B: motores com conjugado de partida normal, baixa corrente
de partida, pequeno escorregamento nominal, conjugado máximo menor
que os da categoria A e fator de potência e rendimento mais baixos que
os da categoria A. O seu escorregamento é menor que 5%. É a categoria
mais utilizada no acionamento de bombas centrífugas;
3) Categoria C: motores com conjugado de partida alto, baixa corrente de
partida, pequeno escorregamento nominal, conjugado máximo e fator de
potência menores que os das categorias A e B. Uma aplicação típica é no
acionamento de compressores de sistemas de refrigeração;
4) Categoria D: motores com alto conjugado de partida, baixa corrente de
partida, sendo que o conjugado máximo é o próprio conjugado de partida.
Possuem alto escorregamento (esta categoria é dividida em motores de
categoria D com escorregamento nominal de 5 a 8% e naqueles de 8 a
2r ′
54
13%). A sua aplicação típica é no acionamento de cargas com altas
inércias, altos conjugados resistentes na partida e que apresentam picos
de carga
Segundo [16], a norma brasileira NBR 7094 [24] adota, a partir de 1981, os
preceitos da norma européia IEC 34-1 [23] (utiliza também as categorias N e H) e,
adicionalmente, utiliza a categoria D da norma NEMA MG1 [22] Pode-se associar a
categoria N a conjugados normais e a categoria H a conjugados altos, sendo que os
níveis de corrente de partida permitidos são os mesmos para as duas categorias. A
comparação entre categorias é feita nos tópicos apresentados a seguir:
- A partir de 5 CV, os valores de conjugados de partida prescritos pela
NEMA para as categorias A e B diferem ligeiramente daqueles prescritos
pela IEC para a categoria N;
- Até 20 CV, os valores de conjugados de partida prescritos pela NEMA
para a categoria C, são menores que os prescritos pela IEC para a
categoria H;
- Acima de 20 CV, os valores de conjugados de partida da categoria C
(NEMA) são semelhantes aos da categoria H (IEC);
- A IEC permite correntes de partida mais altos para as categorias N
(comparando com as categorias A e B da NEMA). Isto implica em
motores com custo inicial mais baixo para a categoria N (IEC )em
comparação com as categorias A/B (NEMA), porém com condições de
partidas adversas à rede.
5.1.2. Categorias de motores para acionamento de bombas centrífugas
Os motores da categoria B (NEMA) e da categoria N (IEC ou ABNT) são os
mais utilizados. No caso da NEMA a escolha é feita devido a menor corrente de
partida dos motores da categoria B em relação aos da categoria A, apesar dos
rendimentos maiores dos motores desta categoria. No caso da IEC ou ABNT os
motores da categoria H possuem menores rendimentos que os da categoria N.
55
Fonte: Lobosco – Ref. [16]
Figura 5.1 – Curvas típicas de conjugado e corrente versus rotação para as diferentes categorias (NEMA) de motores de indução de gaiola
5.2. ANÁLISE DE PERDAS EM MOTORES
A partir da analise de perdas na fase de projeto feita por Levi [18] e
considerando como sendo K uma constante interna que depende dos parâmetros
construtivos do motor, podemos escrever as seguintes expressões (desprezando-se os
efeitos das harmônicas da tensão de alimentação), que dependem somente da tensão
de linha da alimentação (V), da corrente de linha (I) e da freqüência de operação (f):
(Perdas Totais); sendo [5.1]
(Perdas no ferro do estator em vazio) [5.2]
(Perdas no cobre do estator + rotor) [5.3]
(Perdas adicionais em carga) [5.4]
(Perdas por atrito + ventilação) [5.5]
Foram consideradas também as seguintes hipóteses:
1) As induções magnéticas são proporcionais a V/f;
2) A velocidade de rotação é proporcional à freqüência;
3) A corrente no rotor referida ao estator é igual a I.
( )
( )
7,06AV
25,15ST
243CU
22
21FE
AVSTCUFET
fKP
IfKP
IKKP
fVfKfKP
PPPPP
⋅=
⋅⋅=
⋅+=
⋅⋅+⋅=
+++=
56
5.3. MOTORES DE ALTO RENDIMENTO
5.3.1. Características de projeto
As principais características de projeto do motores são:
1) O enrolamento do estator é feito com condutores de maior seção
transversal, visando a redução da resistência e das perdas no cobre do
estator;
2) O núcleo do estator é feito com maior seção transversal, visando a
redução da densidade de fluxo. São utilizadas também chapas de menor
espessura e melhor qualidade. Esses procedimentos reduzem as perdas no
ferro;
3) Normalmente são de categorias A ou B (NEMA). Logo tem os
conjugados de partida e máximo e a corrente de partida especificados, o
que impede a redução da resistência do rotor. Como os motores de
categoria A possuem menor escorregamento e menor resistência rotórica,
eles podem ser projetados com maiores rendimentos;
4) Como os motores de alto rendimento tem menos perdas, os seus
ventiladores podem ser reduzidos, o que diminui as suas perdas
mecânicas;
5) As perdas adicionais são reduzidas com um projeto adequado.
5.3.2. Comparação entre motores standard e de alto rendimento
A tabela 5.1 mostra a comparação entre as perdas de um motor de 50 HP
standard e de alto rendimento. Observa-se uma redução de 40% nas perdas e um
acréscimo de 3,6 pontos percentuais no rendimento (90,1% no motor standard e
94,1% no motor de alto rendimento). No Brasil, a NBR 7094 [24] especifica os
menores valores de rendimento nominal a plena carga para motores de alto
rendimento.
57
Tabela 5.1 – Comparação entre as perdas de motores de 50 HP standard e de alto rendimento
Typical Losses – 50 HP. Four-Pole Motor
Standard motor 50 HP losses (kW)
Energy-efficient motor 50 HP losses (kW)
kW loss improvement
Primary I2r 1,319 0.911 0,408 Iron 0,725 0,180 0,545 Secondary I2r 0,646 0,668 (0,022) Friction and windage 0,373 0,281 0,092 Stray load 0,852 0,299 0,553 Total 3,915 2,339 1,576
Fonte: Jordan – Ref. [17]
5.4. INFLUÊNCIA DO DESEQUILÍBRIO DE TENSÕES NO RENDIMENTO, FATOR DE
POTÊNCIA E TEMPERATURA DO MOTOR
Um trabalho feito por Lee [19] analisa os resultados dos ensaios realizados
num motor de indução trifásico de 3 HP, com oito tipos de desequilíbrio de tensão,
sendo três casos de subtensão, três casos de sobretensão e dois casos de desequilíbrio
dos ângulos de fase. A análise desse trabalho leva às seguintes conclusões:
1) Quanto maior a componente de seqüência negativa, maior é o rendimento
e menor é o fator de potência;
2) Desequilíbrios de tensões provocam maior elevação de temperatura,
sendo o pior tipo de desequilíbrio a subtensão.
Para evitar os problemas constatados por Lee [19], recomenda-se que e motor
opere em condições equilibradas de alimentação. Segundo a NBR 7094 [26] os
motores devem ser projetados para serem alimentados por um sistema de tensões
equilibrado. A norma também define que um sistema polifásico é considerado
equilibrado se a componente de seqüência zero não exceder 1% da componente de
seqüência positiva e se a componente de seqüência negativa não exceder 1% da
componente de seqüência positiva durante um período prolongado, ou 1,5% durante
um período curto não superior a alguns minutos.
Caso o motor opere em condições desequilibradas devem ser utilizados os
fatores de redução de potência um função do desequilíbrio de tensões indicadas na
NBR 7094 [26], mas o rendimento e o fator de potência ficam comprometidos.
58
A influência da alimentação desequilibrada no motor pode também ser
analisada através de simulação, utilizando-se o circuito equivalente para operação
com tensões desequilibradas, descrito na referência [17].
5.5. INFLUÊNCIA DA ALIMENTAÇÃO NÃO SENOIDAL NO RENDIMENTO, FATOR
DE POTÊNCIA E TEMPERATURA EM MOTORES QUE OPERAM COM
FREQÜÊNCIA CONSTANTE
Um trabalho feito por Lee [20] analisa os resultados dos ensaios realizados
num motor de indução trifásico de 3 HP. Os ensaios foram realizados com tensão
fundamental nominal e uma harmônica, com três valores de VDF (5%, 10% e 15%).
Por exemplo, fundamental mais 5ª harmônica com VDF = 10% (tensão da 5ª
harmônica igual a 10% da fundamental). As principais conclusões tiradas desse
trabalho são:
1) Os piores rendimentos, os piores fatores de potência e a maior corrente
ocorrem nas harmônicas de seqüência negativa (k = 2, 5, 8 e 11), para
todos o VDF;
2) Quanto maior a ordem da harmônica mais o fator de potência,
rendimento e corrente aproximam-se dos valores com alimentação
puramente senoidal;
3) As componentes de seqüência zero (k = 3, 6, 9 e 12) pouco afetam as
características do motor;
4) A elevação de temperatura com seqüência zero é praticamente a mesma
obtida para alimentação puramente senoidal;
5) Quanto maior a ordem de harmônica mais a elevação de temperatura
aproxima-se do valor obtido com alimentação puramente senoidal.
Considerando-se as constatações de Lee [20], que as harmônicas influem de
forma diferente no motor, é importante a limitação do VDF de cada harmônica da
tensão de alimentação. Segundo a NBR 7094, os motores devem ser projetados para
operarem nas condições nominais com FHV igual ou inferior a 0,03, mas com o
59
rendimento e fator de potência comprometidos. O cálculo do FHV é feito pela
seguinte expressão:
; onde:
FHV = Fator Harmônico de Tensão
VK = Tensão harmônica em valores por unidade
k = Ordem da harmônica
A influência das harmônicas de tensão no motor podem também ser
analisadas por simulação, utilizando-se o circuito equivalente para operação com
fontes não senoidais, descrito na referência [17].
No caso de motores alimentados por conversores PWM, normalmente são
utilizadas curvas de redução do conjugado em função da freqüência de operação,
fornecidas pelos fabricantes. A WEG, o maior fabricante de motores do Brasil, tem
sua curva apresentada na referência [11].
5.6. CONVERSORES PWM PARA ALIMENTAÇÃO DE MOTORES QUE OPERAM
COM FREQÜÊNCIA VARIÁVEL
Os conversores de tensão tipo PWM-VSI são os mais utilizados e são
formados pelos seguintes estágios:
1) Retificador: ponte com 6 diodos;
2) Circuito Intermediário: banco de capacitores;
3) Inversor: transitores de potência IGBT e diodos de roda livre.
Já existem no mercado conversores com o circuito retificador controlado com
transitores IGBT, com o objetivo de melhorar a forma de onda da corrente absorvida
(filtragem ativa), corrigir fator de potência e controlar o fluxo das potências ativa e
reativa.
∑=k
VFHV2
K
60
5.6.1. Formas de controle escalar e vetorial
Controle Escalar é aquele que impõem no motor uma determinada relação
entre tensão/freqüência constante. Essa relação pode ser ajustada para o valor
desejado. É um controle típico de malha aberta, onde é gerada uma curva conjugado
x velocidade do motor na tensão e freqüência impostas. O motor trabalha na
velocidade em que ocorre a intersecção da curva do motor com a curva da carga.
Controle Vetorial é aquele que possibilita um elevado grau de precisão e
rapidez no controle tanto do conjugado como da velocidade do motor. O nome
vetorial advém do fato que para ser possível esse controle, é feita decomposição
vetorial da corrente do motor nas componentes que produzem o conjugado e o fluxo,
como é feito no motor de corrente contínua de excitação independente. O controle
vetorial é dividido em:
- Controle vetorial normal, com a velocidade e a posição do rotor medidas
com um “encoder”;
- Controle vetorial “sensorless”, sem medição e velocidade e com a
velocidade obtida por simulação do motor.
5.6.2. Conteúdo harmônico da tensão de saída
A tabela 5.2 mostra os conteúdos harmônicos típicos de dois conversores
PWM-VSI de p = 12 e p = 24 pulsos por ciclo. O conteúdo harmônico mostrado no
conversor de 24 pulsos é típico dos conversores atuais, ou seja, o conversor gera a
tensão fundamental e harmônicos de ordem k = p ± 1. No exemplo temos a
fundamental, a 23ª H e a 25ª H
61
Tabela 5.2 – Conteúdos de harmônicos da tensão fornecida por conversores PWM de 12 e 24 pulsos
Harmonic Content of Pulse-Width-Modulated Waveforms* Voltage in percentage of fundamental
Waveform harmonic 12 pulses per cycle 24 pulse per cycle 1 10 100 5 0 0 7 0 0
11 40 0 13 40 0 17 4 0 19 11 0 23 13 40 25 13 40 29 18 0 31 9 0
*Data from DeBuck. Fonte: Jordan – Ref. [17]
5.7. RENDIMENTO DE MOTORES
5.7.1. Motores que operam com alimentação senoidal de freqüência constante
A figura 5.2 ilustra o comportamento típico da curva rendimento x potência
útil sob tensão e freqüência nominais. Essas curvas são fornecidas pelos fabricantes.
62
Fonte: Lobosco – Ref. [16]
Figura 5.2 – Curva de rendimento e fator de potência em função da carga, motor elétrico trifásico de indução, gaiola, de 297 kW, 4000V, 60Hz
5.7.2. Motores que operam alimentados por conversores PWM de freqüência
variável
As curvas rendimento x conjugado útil (para cada freqüência de operação),
adequadas para esse tipo de operação, não são fornecidas pelos fabricantes.
A título ilustrativo são comentados os ensaios realizados no Brasil pela WEG
e descritos na referência [11], e os ensaios realizados nos EUA pelo “Oak Ridge
National Laboratory” para o “US Department of Energy” descritos na referência
[21]:
A. Ensaios Realizados no Brasil
A tabela 5.3 e a figura 5.3 mostram a curva rendimento x conjugado de um
motor WEG 15 CV/4 pólos/50 Hz, alimentado por um conversor PWM–VSI com
freqüência de chaveamento de 2,5 kHz e por uma rede senoidal. A análise da tabela e
da figura levam às seguintes conclusões:
1) A curvas de rendimento (motor + conversor) e (motor + rede) na
freqüência de 50Hz, têm comportamentos semelhantes com a variação da
carga.
63
2) O rendimento diminui com a redução da freqüência de operação.
A figura 5.4, extraída da referência [26], mostra a influência da freqüência de
chaveamento no rendimento de motores standard e de alto rendimento de
25CV / 60Hz da WEG, mostrando que o rendimento aumenta com o aumento da
freqüência de chaveamento, para a mesma freqüência de operação (alimentados por
conversor WEG tipo CFW).
Fonte: WEG – Ref. [11]
Figura 5.3 – Rendimento do sistema (motor 15CV)
Tabela 5.3 – Resultados motor 15 CV INVERSOR: CFW-06.67A / 380-480V MOTOR: 15CV – Ivp – 50Hz – 400V
RENDIMENTO DO SISTEMA [%] Inversor + Motor CARGA
[%] 12,5Hz 25Hz 50Hz 62,5
Rede + Motor [50Hz]
Diferença (Inv-Rede)
25 66,9 74,8 79,0 82,8 - - 50 71,5 80,8 85,8 85,1 87,24 -1,44 75 68,2 80,5 86,4 84,9 88,30 -1,90
100 62,6 78,5 85,6 81,3 87,69 -2,09 125 - 75,2 83,8 77,3 86,44 -2,64
Fonte: WEG – Ref [11]
64
Fonte: WEG – Ref [26]
Figura 5.4 – Comparativo do rendimento dos motores 25CV standard e alto rendimento alimentados por inversor e rede (60Hz)
B. Ensaios Realizados nos EUA
Os ensaios foram realizados num motor de indução de 50HP / 60Hz /
2 pólos / categoria B, alimentado por conversores PWM–VSI com freqüência de
chaveamento ajustável. Os ensaios foram realizados com três conversores de
fabricantes diferentes e os resultados foram idênticos.
A figura 5.5.a mostra as curvas rendimento x conjugado (torque) sob tensão e
freqüência nominais, para três freqüências de chaveamento (3,0; 2,5; 1,0 kHz
correspondentes aos drivers A,B e C). A figura 5.5.b mostra a curvas rendimento x
conjugado com freqüência de chaveamento de 2,5 kHz e várias freqüências de
operação. As principais conclusões são:
1) O rendimento aumenta com o aumento da freqüência de chaveamento;
2) O rendimento apresenta altos valores entre 50 e 100% do conjugado
nominal e bons valores entre 20 e 50% , para velocidades (ou
freqüências) entre 50 e 100% da nominal.
RENDIMENTO DO CO NJUNTO(Freq. O per. 60Hz - CFW-05,35/380-480)
85,79
89,4290,1991,75
87,3185,05
60
65
70
75
80
85
90
95
100
25CV-440V-Standard 25CV-440V-Alto Rend.
rend
imen
to [%
]
1,8 kHz 3,6 kHz Rede
65
A figura 5.5.c mostra a curvas rendimento x conjugado (torque) de um
conversor PWM com freqüência de chaveamento de l kHz, alimentado o motor com
várias freqüências de operação. As principais conclusões são:
3) O rendimento do conversor com velocidade (ou freqüência) de operação
nominal é de 97 – 98% com conjugado nominal, tem um pequeno
decréscimo até 50% do conjugado e atinge 95% com 20% do conjugado
nominal;
4) Com 50% da velocidade de operação, o rendimento do conversor cai para
95 – 96% com conjugado nominal, tem um pequeno decréscimo até 50%
do conjugado nominal e atinge 90% com 20% do conjugado nominal
Fonte: Kueck, Casada, Staunton e Webb – Ref. [21]
Figura 5.5.a – Curvas rendimento x conjugado de um motor de 50HP / 2 pólos / 60Hz alimentado por inversores PWM-VSI escalares
66
Fonte: Kueck, Casada, Staunton e Webb – Ref. [21]
Figura 5.5.b – Curvas rendimento x conjugado de um motor de 50HP / 2 pólos / 60Hz alimentado por inversores PWM-VSI escalares
Fonte: Kueck, Casada, Staunton e Webb – Ref. [21]
Figura 5.5.c – Curvas rendimento x conjugado de um inversor PWM-VSI escalar alimentando um motor de 50HP / 2 p / 60Hz
67
6 RACIONALIZAÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA
DOS CONJUNTOS MOTOR-BOMBA DE ÁGUA GELADA EM
UM SAC-AG – UM ESTUDO DE CASO
No capítulo 4 foi feita uma análise sobre a racionalização do consumo de
energia mecânica por bombas centrífugas. No capítulo 5 foi analisado o
comportamento de motores de indução com rotor gaiola alimentados por fontes
senoidais e não senoidais. Neste capítulo analisaremos a performance dos conjuntos
motor-bomba, constituídos de bombas centrífugas acionadas por motores de indução
com rotor gaiola, levando-se em conta as características da fonte de alimentação.
A figura 2.6, já analisada no capítulo 2, mostra esses conjuntos, são eles:
1) Conjuntos motor-bomba primários (bombas primárias) que alimentam os
"chillers";
2) Conjuntos motor-bomba secundários (bombas secundárias) que
alimentam os "fan-coils" da edificação.
6.1. RENDIMENTO DOS CONJUNTOS MOTOR-BOMBA
6.1.1. Conjuntos primários que operam com velocidade constante
Tomando-se como exemplo as curvas rendimento e potência x vazão típicas
de bombas centrífugas e já analisadas no capítulo 4 (figuras 4.1.b e 4.1.c), e a curva
típica de rendimento x potência do motor já mostrada no capítulo 5 (figura 5.2)
podemos concluir o seguinte:
1) - Se a bomba trabalhar com velocidade nominal e vazão entre 60 e 100%
da vazão nominal a potência fornecida pelo motor estará entre 75 e 100%
da potência nominal. Nessas condições a bomba trabalhará com
rendimento próximo ao nominal e o motor trabalhará com rendimento
próximo ao nominal;
68
2) Abaixo de 60% da vazão nominal a bomba trabalhará com baixo
rendimento e o motor continuará na faixa entre 50 e 71% da potência
nominal, que é uma faixa de bons rendimentos.
O rendimento do conjunto é o produto dos rendimentos do motor e da bomba,
em cada vazão.
Uma das maneiras de melhorar a eficiência desses conjuntos é utilizar
motores de alto rendimento no lugar de motores standard. A análise de viabilidade
econômica desse procedimento pode ser feita utilizando-se o Programa Smart Motor
contido na referência [25] recentemente desenvolvido (2001) para essa finalidade.
6.1.2. Conjuntos secundários que operam com velocidade variável
Tomando-se como exemplo as curvas típicas rendimento e potência x vazão
típicas de bombas centrífugas e já analisadas no capítulo 4 (figuras 4.1.b e 4.1.c), e a
curva típica de rendimento x conjugado do motor de 50 HP analisada no capítulo 5
(figura 5.5.b) podemos concluir que:
1) Suponhamos que o conjunto esteja trabalhando nas condições nominais,
com registro da válvula totalmente aberto (mesma curva de carga)
• Bomba trabalhando com velocidade (n0) no ponto (Q0,H0),
consumindo potência P0 e desenvolvendo um torque C0;
• Motor trabalhando nas condições nominais: potência e conjugado
(torque) nominais (PN e CN), sendo PN = P0 e CN = C0;
5) Reduzindo-se a velocidade para 0,6 n / n0, teremos:
• Bomba trabalhando com vazão 0,6 Q/Q0, consumindo uma potência
(0,6)3 x P0 = 0,216 x P0 e desenvolvendo um conjugado
(0,6)2 x C0 = 0,36 x C0. Nessa região a bomba trabalha com
rendimentos próximos ao nominal;
• Motor trabalhando com 0,216 x PN e 0,36 x CN de carga e 60% da
velocidade nominal. Nessas condições teremos uma potência de 10,6
HP e um conjugado (torque) de 36%. Com esses valores de carga
observamos pela figura 5.5.b (rendimento x conjugado) que o
69
rendimento do motor será de aproximadamente 80% (um bom
rendimento);
6) Reduzindo-se a velocidade para 0,5 n/n0, teremos:
• Bomba trabalhando com vazão 0,5 Q/Q0,, 0,125 P0 e 0,25 C0 , sem
considerarmos a variação do seu rendimento;
• Motor trabalhando com 0,125 P0 (6,25 HP), 0,25 C0 (25%) e 50% da
velocidade nominal, correspondente a um rendimento de
aproximadamente 75% (um bom rendimento);
7) Reduzindo a velocidade até zero, teremos:
• Bomba trabalhando fora da região de bons rendimentos;
• Motor trabalhando fora da região de bons rendimentos.
O rendimento total do conjunto é calculado pela produto dos rendimentos do
motor, bomba e conversor PWM (da ordem de 97-98% ,conforme capítulo 5), na
vazão e freqüência (ou velocidade) de operação. O rendimento do motor é reduzido
devido à alimentação não senoidal.
Quanto a análise da viabilidade econômica da substituição do controle de
vazão por válvula pelo controle de velocidade variável, ela será feita no capítulo 7.
6.2. EXEMPLO DE UTILIZAÇÃO DO CONTROLE DE VAZÃO POR VELOCIDADE
VARIÁVEL EM UM CONJUNTO SECUNDÁRIO
Neste capítulo será analisada a viabilidade econômica da substituição do
controle de vazão por válvula de um conjunto motor-bomba de velocidade constante
alimentado pela rede, por um controle por velocidade variável onde o motor é
alimentado por um conversor de freqüência PWM-VSI escalar .
Como exemplo, será utilizado um conjunto motor-bomba secundário de água
gelada que alimenta os “fan-coils” da biblioteca de um Centro Universitário. O
SAC-AG desse Centro Universitário será descrito a seguir:
70
6.2.1. Descrição do SAC-AG do Centro Universitário
O esquema do SAC é semelhante ao mostrado na figura 2.6, referente a
sistemas com bombas secundárias.
Características do SAC:
Capacidade instalada: 280 TR
• 4 “chillers” com condensação a ar TRANE CGAD.080.6T – 6
compressores: 70TR / 83,6kW / 220V / 60Hz / TEE=10,0 Btu/h/W;
• 4 conjuntos motor-bomba primários de água gelada, para alimentação
dos “chillers”, formados por:
- 1 motor WEG alto rendimento: 12,5CV /220V /60Hz /4 pólos;
- 1 bomba centrífuga EQUIPE BRF_TE 14: 40mCA / 38,2m3/h /
1750rpm
• 1 conjunto motor-bomba secundário de água gelada , para alimentação
dos “fan-coils” da biblioteca, formado por:
- motor WEG Standard: 7,5CV / 220V / 60Hz / 4 pólos / η = 88,5% ;
- 1 bomba centrífuga EQUIPE BRF_UC 17 – rotor 211: 20mCA /
70m3/h / 1750rpm / η = 79%;
• 1 conjunto motor-bomba secundário de água gelada, para alimentação
dos “fan-coils” do auditório, idêntico ao da biblioteca.
6.2.2. Metodologia para cálculo das potências absorvidas pelo conjunto motor-
bomba secundário da biblioteca
A. Potências absorvidas no controle por válvula
[6.1] [6.2] [6.3]
PECV = Potência elétrica absorvida no controle por válvula [W];
PMCV = Potência mecânica absorvida no controle por válvula [W;]
PHCV = Potência hidráulica fornecida no controle por válvula [W];
M
MCVECV
B
HCVMCVHCV
PP
PP
3600QHgP
ηηρ
==×××
=
71
ηB = Rendimento da bomba (curva fornecida pelo fabricante);
ηM = Rendimento do motor com velocidade constante (curva
fornecida pelo fabricante);
ρ = 1000 Kg/m3 (massa específica da água);
g = 9,81 m/s2 (aceleração da gravidade);
Q = Vazão em volume [m3/h];
H = Altura manométrica [m].
B. Potências absorvidas no controle por velocidade variável
[6.4] [6.5] [6.6]
PECVV = Potência elétrica absorvida no controle por velocidade variável
[W];
PMCVV = Potência mecânica absorvida no controle por velocidade
variável [W];
PHCVV = Potência hidráulica fornecida no controle por velocidade
variável [W];
ηB = Rendimento da bomba (curva fornecida pelo fabricante);
ηMC = Rendimento do conjunto motor + conversor de freqüência
(estimado);
Q0 = 70 m3/h (vazão no ponto nominal);
Q = Vazão em volume [m3/h].
C. Método para estimativa do rendimento do motor da bomba secundária da
biblioteca
O rendimento do conjunto (conversor PWM + motor) não é fornecido pelos
fabricantes de motores, principalmente porque ele depende, tanto do rendimento do
conversor PWM (normalmente entre 97 e 98%), como do rendimento do motor. O
rendimento do motor depende das características construtivas do próprio motor e da
forma de onda da tensão fornecida pelo conversor, que não é padronizada e depende
da estratégia de controle PWM utilizada pelo fabricante do conversor.
Neste trabalho, é apresentado um método para estimativa do rendimento do
conjunto conversor VSI-PWM escalar + motor de indução WEG standard 7,5CV /
4 pólos / 60Hz, que aciona a bomba secundária da biblioteca do centro universitário.
MC
MCVVECVV
B
HCVVMCVV
3
HCVHCVVP
PP
PQQPP
ηη==
×=
72
C.1. Descrição do método para estimativa do rendimento
No item 5.2 foram analisadas as perdas dos motores de indução, em função da
tensão de alimentação (V), da freqüência de operação (f) e da corrente de
alimentação (I), desprezando-se os efeitos das harmônicas da tensão de alimentação.
A seqüência descrita a seguir descreve esse método:
1) Considerando-se as seguintes condições e hipóteses adequadas ao estudo
da conservação de energia (onde perdas menores implicam em tempos
maiores para retorno do investimento) e as equações [5.1] a [5.5] que
exprimem matematicamente as perdas do motor, são considerados:
- Funcionamento com fluxo constante, ou seja (V/f) constante
(típico de alimentação com conversores PWM escalares);
- Variação linear das perdas no ferro + atrito e ventilação (hipótese
conservadora pois essas perdas têm maior variação com a
freqüência);
- Perdas adicionais independentes da freqüência (hipótese
conservadora pois essas perdas têm maior variação com a
freqüência);
2) Conclui-se que :
[6.7] (Perdas totais do motor na
freqüência e corrente de
operação)
• Como o conjugado (C) é proporcional ao quadrado da corrente
rotórica e aproximadamente proporcional ao quadrado da corrente
de alimentação podemos escrever:
[6.8]
• O rendimento estimado do motor, na freqüência de operação, com
alimentação senoidal é dado por:
[6.9] , sendo
ηME = rendimento do motor estimado
PMEC = potência mecânica útil
TMEC
MECME PP
P+
=η
2109T CKfKP ⋅+⋅=
287T IKfKP ⋅+⋅=
73
• A partir de informações da WEG [30], para “motores standard”
podemos considerar:
[6.10] , sendo
ηMC = rendimento estimado do conjunto motor +
conversor PWM, operando com freqüência e
conjugado variáveis
C.2. Exemplo de aplicação do método
Com o objetivo de verificar a aplicabilidade do método, é utilizado como
exemplo um motor WEG 15CV / 11,04kW / 4 pólos / 50Hz, cujos ensaios são
relatados pela WEG na referência [11].
A estimativa pode ser feita, a partir do rendimento nominal do motor, da
seguinte forma:
1) A partir do rendimento nominal do motor podemos estimar o rendimento
com conversor PWM, em outras freqüência de operação e cargas pelas
seguintes expressões:
• Calculam-se as perdas totais do motor em regime senoidal, a partir
do rendimento nominal [6.11] , sendo:
PT(N) = perdas totais do motor nas condições nominais [W]
PN = potência nominal do motor [W]
ηN = rendimento nominal do motor
3) Supondo-se que 50% das perdas correspondem a perdas no ferro + atrito
e ventilação e 50% correspondem a perdas no cobre + adicionais, a
equação [6.8] pode ser reescrita como:
[6.12] , sendo:
PT = perdas totais estimadas [W]
f = freqüência de operação [Hz}
T = conjugado (Torque) de carga [%]
PT = Perdas totais na freqüência f e com carga C, em regime
senoidal
( ) NN
NT PPNP −=
η
MEMC 96,0 ηη ×=
( ) ( ) 2TT
T 100C
2NP
60f
2NP
P
×+×=
74
4) O rendimento estimado do conjunto motor standard + conversor PWM
pode ser reescrito, a partir das equações [6.9] e [6.10] como:
[6.13]
5) A tabela abaixo, mostra a comparação entre os rendimentos medidos pela
WEG [11] e os rendimentos estimados pelo método descrito
anteriormente:
Tabela 6.1 f [Hz] 25 50
T (%)
PMEC [W]
ηMC (%) MEDIDO
ηMC (%) ESTIMADO
PMEC [W]
ηMC (%) MEDIDO
ηMC (%) ESTIMADO
25 1380 74,8 74,2 2760 79,0 50 2760 80,8 81,0 5520 85,8 75 4140 80,5 81,4 8280 86,4
100 5520 78,5 80,6 11040 85,6 - OBS.: 1) O rendimento nominal medido com alimentação senoidal é η = 87,69%
2) É considerado nos cálculos dos rendimentos estimados ηMC = 0,976 x ηM
(relação real obtida no ensaio)
3) A seqüência de cálculos, utilizando-se as equações [6.11], [6.12] e [6.13] é
a seguinte:
- ηN = 0,8769 PT = 1.550W
-
- Para f = 25Hz / C = 25% obtemos ηMC = 74,2%
6.2.3. Cálculo da energia elétrica economizada por controle de velocidade nas
bombas secundárias da biblioteca
Os cálculos são feitos a partir da curva de demanda diária de água gelada da
biblioteca, ou seja, da curva vazão de água x tempo necessária para que os “fan-
coils” da biblioteca mantenham a refrigeração adequada, conforme figura 6.2.b.
+
×=TMEC
MECMC PP
P96,0η
2
T 100C775
60f775P
×+
×=
75
A energia economizada em cada intervalo de tempo considerado é dada por:
[6.14] , sendo:
EEE = Energia Elétrica Economizada por Controle de Velocidade
[kWh];
PECV = Potências elétricas absorvidas no controle por válvula,
calculadas pelas equações [6.1], [6.2] e [6.3] (vide tabela 6.2),
utilizando-se os rendimentos extraídos das curvas da bomba
(figura 6.1.a) e do motor (figura 6.1.b) fornecidas pelos
fabricantes [W]
PECVV = Potências elétricas absorvidas no controle por velocidade
variável, calculadas pelas equações [4.1], [6.4], [6.5] e [6.6]
(vide tabela 6.3), utilizando-se os rendimentos extraídos das
curvas da bomba (figura 6.1.a) e do motor (estimados
conforme tabela 6.4) [W];
PEE = Potência Elétrica Economizada [W]
t = Intervalo de tempo considerado [h]
A energia economizada diariamente (EED) e as horas diárias de funcionamento (HD).
[6.15]
, sendo i = intervalo considerado na curva de demanda diária.
Os cálculos e o gráfico da energia economizada diariamente x tempo são
mostrados nas figuras 6.2.a e 6.2.c.
6.2.4. Análise de viabilidade econômica da substituição do controle de vazão do
conjunto motor-bomba secundário da biblioteca
A análise financeira aqui utilizada é semelhante à do Programa Smart Motor,
contido na referência [27], recentemente desenvolvido (2001) para análise da
viabilidade econômica da substituição de motores standard por motores de alto
rendimento.
( ) ( ) ( )
( )∑
∑∑
=
==
=
⋅==
n
i
n
iiEE
n
iIEE
tHD
tPEEED
11
1111
( ) t10PPE 3ECVVECVEE ××−= −
76
A. Indicadores para análise de viabilidade econômica de um projeto
O tratamento dos ganhos financeiros pelas ferramentas usuais de economia
oferecem condições para avaliação e tomada da decisão mais adequada.
A análise da viabilidade do projeto pode ser efetuada pela simples intuição
empresarial, por indicadores econômicos ou pelos atuais e sofisticados modelos
matemáticos desenvolvidos pela engenharia econômica. Os métodos abordados são :
- Vantagem Financeira – VF;
- Tempo de Retorno do Capital ou Tempo de “Pay-Back” – TPB;
- Valor Presente Líquido – VPL;
- Índice de Lucratividade – IL;
- Taxa Interna de Retorno – TIR.
A.1. Indicadores não corrigidos monetariamente
A vantagem financeira (VF) é a diferença entre a receita de energia no
período (REP) e o custo do investimento inicial (CI). O tempo de “pay-back” (TPB)
é o tempo necessário para tornar VF = 0.
A vantagem financeira no período (VF) e o tempo de “pay-back” (TPB) não
consideram as taxas de juros de capital e a taxa de aumento da energia no período. O
TPB, apesar de ser um indicador sem qualquer rigor econômico é muito utilizado
pela simplicidade de sua aplicação. Experiências mostram , segundo [25] que:
• No Brasil, os investidores são atraídos por:
TPB ≤ 2 ANOS ⇒ projeto viável;
• Nos países com economia estabilizada e desenvolvidas o TPB ≤ 5 anos.
A.2. Indicadores corrigidos monetariamente
O valor presente líquido (VPL) é a diferença entre a receita de energia em
valor presente (REVP) e o custo inicial do investimento (CI.) Para o valor presente
líquido (VPL), que é a vantagem financeira corrigida monetariamente, devemos
sempre ter:
VPL ≥ CI ⇒ projeto viável
O índice de lucratividade (IL) é a relação entre o valor presente líquido (VPL)
e o custo inicial do investimento (CI). Quanto ao Índice de lucratividade (IL)
devemos ter:
IL > 1 ⇒ projeto viável
77
A taxa interna de retorno (TIR) é a taxa que torna VPL = 0 no período de
análise do projeto. A viabilidade econômica do projeto é garantida, se a taxa interna
de retorno (TIR) for superior a taxa de juros de investimentos (j), levando-se em
conta se essa superioridade compensa do risco inerente ao projeto. A viabilidade
econômica está também vinculada ao critério de uma taxa de atratividade mínima e
aceitável definida pelo investidor, que, em projetos de conservação de energia,
considerados de baixo risco, são considerados atraentes para TIR maior que 30%
(trinta por cento) da taxa de juros do projeto [25], ou seja:
TIR ( % ) > 1,3 x j ( % ) ⇒ projeto viável
B. Análise do conjunto motor-bomba da biblioteca
Essa análise é mostrada na figura 7.3.
B.1. Dados de entrada
1) Custo inicial do investimento, referente à aquisição de um conversor
escalar PWM-WEG-CFW09: 7,5CV / 220V (CI = R$ 2.330,00);
2) Custo atual da energia elétrica, referente ao sub-grupo A4, com ICMS
incluso (CE = 0,14 R$/kWh);
3) Energia economizada diariamente conforme figura 6.2.c
(EED = 32,88 kWh);
4) Número de dias de funcionamento por mês (DM = 26 dias);
5) Período de análise do projeto, compatível com a vida média do conversor
PWM (M = 120 meses);
6) Taxa mensal de juros (j = 1,53%), correspondente a 20% a.a.;
7) Taxa mensal de aumento da energia elétrica (e = 1,17%), correspondente
ao rateio mensal de um aumento de 15% a.a.
B.2. Verificação da viabilidade econômica do projeto
Os indicadores calculados são:
• (TBP = 19,47) ≤ 24 meses
• (VPL = R$ 9.207,61) > (CI = R$ 2.330,00)
• (IL = 3,95) > 1
• (TIR % = 6,3) > (1,3 x j (%) = 1,99%)
Projeto Viável
78
Tabela 6.2 – Potências Hidráulica, Mecânica e Elétrica no Controle de Vazão por Válvula
Q/Q0 (%) Q [m3/h] H [m] PHCV [W] ηB
(%) PMCV [W] PMCV [%] ηM (%) PECV [W]
100 70,0 20,0 3815 79 4829 87,5 88,0 5488 78,5 55,0 21,0 3147 76 4141 75,0 88,0 4706 71,4 50,0 21,5 2929 74 3960 71,7 88,0 4500 64,3 45,0 21,7 2661 72 3696 67,0 88,0 4200 57,1 40,0 21,9 2387 69 3460 62,7 87,5 3954 50,0 35,0 22,0 2098 66 3179 57,6 87,0 3654
(*)PMCV (%) = relação entre a potência mecânica e a nominal do motor (7,5 CV = 5520 W)
Tabela 6.3 – Potências Hidráulica, Mecânica e Elétrica no Controle de Vazão por Velocidade Variável
f [Hz]
n/n0 (%)
Q/Q0 (%)
PHCV [W]
ηB (%)
PMCVV [W]
PMCVV [%]
CMCVV [%]
ηMC [%]
PECVV [W]
60 100 100 3815 79 4829 87,5 87,5 84,5 5715 47,1 78,5 78,5 1845 76 2428 44,0 56,0 82,6 2939 42,8 71,4 71,4 1389 74 1877 34,0 47,6 81,4 2306 38,6 64,3 64,3 1014 72 1408 25,5 39,7 79,7 1767 34,3 57,1 57,1 710 69 1029 18,6 32,6 77,6 1326 30,0 50,0 50,0 477 66 723 13,1 26,2 74,9 965
(*)PMCVV (%) = relação entre a potência mecânica e a potência nominal do motor (7,5CV = 5520W) (*)CMCVV (%) = conjugado (Torque) no eixo do motor
Tabela 6.4 – Rendimentos estimados do conjunto conversor PWM + motor standard WEG 7,5 CV / 5,52 kW / 4 pólos / 60 Hz
f [Hz] 30 40 50 60 T
(%) PMEC
[W] ηMC (%)
PMEC[W]
ηMC (%)
PMEC[W]
ηMC (%)
PMEC [W]
ηMC (%)
25 690 74,3 920 74,7 1150 75,0 1380 76,8 50 1380 80,3 1840 81,4 2300 82,1 2760 83,5 75 2070 81,1 2760 82,8 3450 83,8 4140 84,5
100 2760 80,3 3680 82,6 4600 84,0 5520 85,0 (*)ηN = 88,5% (rendimento nominal do motor) (*)ηMC = 0,96 x ηME (rendimento do conjunto para todas as cargas)
79
Fonte: Equipe
Figura 6.1.a – Curva rendimento e altura manométrica x vazão – bomba BRF-UC17
Fonte: WEG
Figura 6.1.b – Curva rendimento x potência útil – motor 7,5CV / standard
80
Figura 6.2.a – Energia elétrica economizada diariamente com velocidade variável
Figura 6.2.b – Curva de demanda diária de água da biblioteca
Figura 6.2.c – Energia economizada diariamente por velocidade variável
Q/Q0 (%) Q (m3 / h) PECV (W) PECVV (W) PEE (kW) t (h) EEE (kWh)100 70 5488 5715 -0,227 2 -0,45
71,4 50 4500 2306 2,194 2 4,3964,3 45 4200 1767 2,433 2 4,8657,1 40 3954 1326 2,628 2 5,26
50 35 3654 965 2,689 7 18,82Tempo / Energia economizada diariamente 15 32,88
50 57,1 64,3 71,450
020406080
100
Horário
Q /
Q(%
)
10:00
12:00
14:00
16:00
18:00
22:00
8 5,3 4,8-0,45
4,410,83
32,88
-10
0
10
20
30
40
Horário
E EE (k
Wh)
10:00
12:00
14:00
16:00
18:00
22:00
Total
81
Figura 6.3 – Análise financeira
Análise Financeira
ENTRADAS
CI (R$) 2.330,00 Custo do Investimento inicialCE (R$/ Kwh) 0,14 Custo atual de energia elétricaEED (kwh) 32,88 Energia economizada diariamenteDM (dias) 26,00 Nº de dias de funcionamento por mêsM (meses) 120,00 Período de análise do projetoj (%) 1,53% Taxa mensal de jurose (%) 1,17% Taxa mensal de aumento da energia elétrica
SAÍDAS
CI (R$) 2330,00 Custo do Investimento inicialEMC (Kwh) 854,88 Energia mensal conservadaRME (R$) 119,68 Receita mensal de energiaREP (R$) 14361,98 Receita de energia no períodoVF (R$) 12031,98 Vantagem financeira no períodoTBP (meses) 19,47 Tempo de " Pay-Back"REVP (R$) 11537,61 Receita de energia em valor presenteVPL (R$) 9207,61 Valor Presente LíquidoIL 3,95 Índice de LucratividadeTIR 6,3% Taxa interna de retorno que torna VPL=0
FORMULÁRIO VIABILIDADE DO PROJETO
EMC=EED x DM TBP < 2 ANOSRME=EMC x CEREP=RME x M VPL > CIVF=REP - CITBP= CI / RME (para VF=0) IL > 1REVP=RME*(((((1+e)/(1+j))M)-1)/(e-j)VPL=REVP- CI TIR > 1,3 x j(%)IL=VPL / CITIR- Obtido por cálculo Iterativo
Vantagem Financeira (R$) x Meses de Análise (meses)
-100010003000500070009000
1100013000
12 24 36 48 60 72 84 96 108 120Meses
R$
Valor Presente Líquido (R$) x Meses de Análise (meses)
-1000
1000
3000
5000
7000
9000
11000
12 24 36 48 60 72 84 96 108 120Meses
R$
Índice de Lucratividade x Meses de Análise (meses)
00,5
11,5
22,5
33,5
44,5
12 24 36 48 60 72 84 96 108 120
Meses
R$
82BIBLIOGRAFIA
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