UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA Vitor Gugelmin 05... · 2020. 2. 5. · Engenheiro Mecânico...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA VITOR BUCH GUGELMIN AUDITORIA ENERGÉTICA EM SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA FLORIANÓPOLIS 2019
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
VITOR BUCH GUGELMIN
AUDITORIA ENERGÉTICA EM SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA
FLORIANÓPOLIS
2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
VITOR BUCH GUGELMIN
AUDITORIA ENERGÉTICA EM SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA
Trabalho de Conclusão do Curso de graduação em Engenharia Mecânica da Universidade
Federal de Santa Catarina, como requisito parcial para a obtenção do Título de Bacharel em
Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Vicente de Paulo Nicolau, Dr.
Florianópolis
2019
Vitor Buch Gugelmin
AUDITORIA ENERGÉTICA EM SISTEMA DE BOMBEAMENTO DE ÁGUA
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do Título de
Engenheiro Mecânico e aprovado em sua forma final pela Comissão Examinadora e pelo Curso
de Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina.
Florianópolis- SC, 09/12/2019
___________________________________________
Prof. Carlos Enrique Niño Bohórquez, Dr. Eng.
Coordenador do Curso
Comissão Examinadora:
___________________________________________
Prof. Vicente de Paulo Nicolau, Dr.
Orientador
Universidade Federal de Santa Catarina
___________________________________________
Prof. Saulo Güths, Dr.
Universidade Federal de Santa Catarina
___________________________________________
Edevaldo Brandílio Reinaldo, Eng.
Universidade Federal de Santa Catarina
Este trabalho é dedicado aos meus pais e a minha
família que sempre estiveram presentes durante
essa fase da vida.
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer primeiramente aos meus pais, que me ajudaram a enfrentar as
dificuldades da graduação e meus amigos que sempre estiveram presentes me incentivando.
Agradecimento especial ao meu tio Thiago C. de Oliveira pelas oportunidades de trabalho e de
crescimento profissional e a todo o pessoal da Grundfos Colômbia pelo apoio e paciência
durante os meses que trabalhei lá.
Agradeço também ao professor Vicente de Paulo Nicolau por aceitar ser orientador deste
trabalho e por todo o apoio e ajuda prestada.
À banca por ter aceitado e participado da apresentação deste trabalho e também pelas sugestões
de correção feitas.
“O insucesso é apenas uma oportunidade para
recomeçar com mais inteligência”
-Henry Ford
RESUMO
Neste trabalho foi desenvolvido uma proposta para a substituição do atual sistema de
bombeamento do Centro Comercial Hayuelos, localizado na cidade de Bogotá, Colômbia.
Primeiramente foi realizado uma pesquisa na literatura para buscar trabalhos que tratassem de
tecnologias para aumentar a eficiência de sistemas de bombeamento, onde a adoção de
inversores de frequência nos motores elétricos foi a alternativa mais efetiva encontrada. Para
realizar uma proposta ao centro comercial, foram feitas medições no sistema instalado para
colher dados como pressão, vazão e potência consumida, de modo ininterrupto durante sete
dias. Os dados foram então analisados para fornecer informações em relação aos pontos de
operação do sistema, horas de funcionamento, energia consumida e eficiência. A partir do
conhecimento da real demanda requisitada pelo usuário, foi selecionado um novo sistema de
bombeamento para atender melhor as variações da demanda, fornecendo uma maior eficiência
em todo o intervalo de operação, a qual subiu de 13%, para o sistema atual, para 38%. Este
aumento foi devido ao sistema escolhido, que possui inversores de frequência nos motores
elétricos e uma unidade de controle que considera as curvas exatas de operação das bombas. A
economia de energia anual conseguida por essa otimização foi de 12.267 kWh e o tempo de
payback do investimento de 9 anos, sendo que o sistema novo proposto possui um upgrade nas
bombas pois está dimensionado para um futuro aumento na demanda. A emissão de CO2 da
empresa foi reduzido para 1,27 toneladas, ante 3,75 toneladas, diminuindo sua pegada de
carbono em 66%.
Palavras chave: Auditoria energética. Sistema de bombeamento. Curva de desempenho.
Eficiência energética.
ABSTRACT
In this work a proposal to replace the pump system from the Shopping Center Hayuelos, located
in Bogota, Colombia, was developed. First a literature search was done to find similar academic
works that investigated technologies focused in increasing the energy efficiency of pumping
systems, where the adoption of frequency inverters in the electrical motors was the most
effective alternative found. In order to make a proposal to the shopping center, measurements
were made on the installed system to collect data such as pressure, flow and power consumption
continuously for seven days. The data was then analyzed to provide information regarding the
system duty points, running hours, energy consumption and efficiency. Knowing the real
demand requested by the user, a new pumping system was selected to better meet the demand
variations providing a higher efficiency across all the operation range, which rose from 13%
for the current system to 38%. This increase is due to the chosen system which is equipped with
frequency inverter in the electrical motors and a control unit which considers the exact
operational curves of the pumps. The annual energy savings achieved by this optimization were
12,267 kWh and the payback time of the investment was 9 years, considering that the new
proposed system has a pump upgrade since it was sized to meet a future increase in demand.
The company’s CO2 emissions dropped from 3.75 tons to 1.27 tons, reducing its carbon
footprint by 66%.
Keywords: Energy audit. Pumping system. Performance curve. Energy efficiency.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Ciclo de vida típico de uma bomba industrial ......................................................... 17 Figura 2 - Curva mostrando a variação da vazão ..................................................................... 18 Figura 3 - Consumo de energia para o sistema com e sem variador ........................................ 18 Figura 4 - Exemplo de válvula controladora de vazão ............................................................. 20 Figura 5 - Válvula motorizada para controle de vazão ............................................................ 20 Figura 6 - Potencial de economia de energia ........................................................................... 21 Figura 7 – Curva de desempenho com o ponto de trabalho original (ponto amarelo à direita) e
após a estrangulação (ponto amarelo à esquerda) .................................................................... 22 Figura 8 - Curva de desempenho da bomba utilizando variador de frequência e mantendo a
pressão constante...................................................................................................................... 23 Figura 9 - Curva de desempenho considerando uma redução de pressão proporcional à
redução de vazão ...................................................................................................................... 24 Figura 10- Curva de desempenho para a bomba CR 32-2 ....................................................... 26 Figura 11- Sistema de bombeamento atual do Centro Comercial Hayuelos ........................... 27 Figura 12- Placa das bombas e dos motores do sistema atual ................................................. 28 Figura 13- Maleta da Eltek com os medidores integrados ....................................................... 29 Figura 14- Medidor de vazão Micronics Portaflow 220 .......................................................... 29 Figura 15- Medidor de espessura usado na tubulação ............................................................. 29 Figura 16- Esquema de medição de um sistema com múltiplas bombas ................................. 30 Figura 17- Sensor de pressão instalado na tubulação de descarga ........................................... 30 Figura 18- Sensores ultrassônicos de vazão ............................................................................. 31 Figura 19- Painel de controle com os cabos para medir a potência conectados ...................... 31 Figura 20- Perfil de uso atual do sistema ................................................................................. 35 Figura 21- Perfil de vazão com as classes de fluxo ................................................................. 37 Figura 22- Perfil de carga dividido em classes de fluxo .......................................................... 38 Figura 23- Curva de desempenho do sistema proposto com duas bombas .............................. 41 Figura 24- Curva de desempenho do sistema proposto com três bombas ............................... 42 Figura 25- Modelo selecionado: Hydro Multi-E 3 CME10-3 .................................................. 43 Figura 26- Gráfico ilustrativo do tempo (anos), de payback do investimento ......................... 45
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Consolidado dos dados obtidos nas quatro situações. ............................................. 25 Tabela 2- Informações técnicas do sistema atual. .................................................................... 28 Tabela 3- Valores máximos, mínimos e médios das medições. ............................................... 34 Tabela 4- Definição das zonas de vazão do sistema. ................................................................ 36 Tabela 5- Desempenho do sistema atual com todos os pontos de operação ............................ 39 Tabela 6- Desempenho do novo sistema em todos os pontos de operação .............................. 44 Tabela 7- Comparação do desempenho entre o sistema atual e o novo. .................................. 44 Tabela 8- Resumo dos resultados obtidos pela auditoria energética ........................................ 45
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
COP – Peso Colombiano.
ISO – International Organization for Standardization.
NPSH – Net Positive Suction Head.
USD – Dólares americanos.
LISTA DE SÍMBOLOS
E = energia consumida [kWh].
g = aceleração da gravidade [m/s2].
H = altura de elevação [m].
Hp = Horse-power.
N = quantidade de horas de funcionamento [h].
n = quantidade de pontos de dados.
P = potência elétrica [kW].
p = pressão medida na saída da bomba [bar].
Q = volume de fluído [m3].
t = tempo [s].
SG = densidade relativa.
V = fluxo de fluido [m3/s].
�� = taxa de trabalho realizado [J/s ou W].
Letras Gregas
= eficiência.
= massa específica [kg/m3].
Sub-índices
h = referente a parte hidráulica.
m = referente ao motor.
SUMÁRIO
LISTA DE SÍMBOLOS .............................................................................................................................. 37 SUMÁRIO .................................................................................................................................................... 38 1- INTRODUÇÃO ....................................................................................................................................... 15 2- OBJETIVOS ............................................................................................................................................ 16 2.1- Objetivos Específicos ............................................................................................................................................. 16
3- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................................... 17 3.1– Trabalhos experimentais ...................................................................................................................................... 17
3.2- Análise técnica ....................................................................................................................................................... 21
3.2.1- Bomba com rotação constante ........................................................................................................................... 21
3.2.2- Bomba com rotação variável ............................................................................................................................. 22
3.3- Aspectos para a seleção de um sistema de bombeamento .................................................................................. 25
4- METODOLOGIA ................................................................................................................................... 27 4.1- Identificação do equipamento atual ..................................................................................................................... 27
4.2- Medição .................................................................................................................................................................. 28
4.3- Análise dos dados coletados .................................................................................................................................. 32
4.4- Seleção de novo equipamento ............................................................................................................................... 32
4.5- Economias geradas e payback .............................................................................................................................. 32
5- RESULTADOS E DISCUSSÃO ............................................................................................................ 32 5.1- Apresentação dos dados e informações gerais da medição ................................................................................ 32
5.2- Análise das zonas de vazão ................................................................................................................................... 36
5.3- Definição dos pontos de operação do sistema ...................................................................................................... 39
5.4- Seleção de um novo sistema de bombeamento .................................................................................................... 40
5.5- Economias geradas e investimento ....................................................................................................................... 43
6- CONCLUSÕES ....................................................................................................................................... 46 7- SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................................................. 47 8- REFERÊNCIAS ...................................................................................................................................... 48 APÊNDICE A – Dados obtidos para as 20 primeiras medições .............................................................. 49 APÊNDICE B – Dados convertidos para as 20 primeiras medições ....................................................... 50 ANEXO A – Curva de desempenho e informações técnicas do sistema proposto ................................. 51
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1- INTRODUÇÃO
Atualmente as empresas estão buscando cada vez mais formas de reduzir o consumo de
energia elétrica e, consequentemente, seu impacto ambiental, seja para cumprir com políticas
do governo, reduzir custos ou para se destacar como uma empresa “verde” no mercado. Existem
várias maneiras de ser menos poluente, seja através do uso de energias renováveis ou
simplesmente otimizar processos e equipamentos.
Segundo Geller (2003) a eficiência energética é hoje crucial para a humanidade pois as
atuais fontes de energia e padrões de uso são insustentáveis. Para o autor, o consumo crescente
de combustíveis fósseis causará enormes danos ao meio ambiente podendo ocasionar a escassez
das reservas de petróleo. Neste contexto, defende que uma revolução energética é desejável,
focando em um aumento da eficiência energética e do uso de combustíveis renováveis. Deste
modo os problemas causados pelo atual padrão de uso da energia podem então ser mitigados.
Em estabelecimentos comerciais, como em shopping centers e hotéis, um dos principais gastos
é justamente com energia para o sistema de bombeamento para suprimento de água, que muitas
vezes é mal dimensionado, não possui uma boa manutenção ou já possui vários anos de
operação. Em relação ao dimensionamento, muitas vezes os sistemas são dimensionados sem
considerar a variação da demanda, o que condena sua eficiência em pontos de menor carga. De
modo geral, bombas com variador de frequência conseguem manter uma eficiência maior em
todos os regimes de operação.
Tomando isto como base, este trabalho propõe a substituição do sistema de
bombeamento de água instalado no Centro Comercial Hayuelos, na cidade de Bogotá, na
Colômbia, visando a redução do consumo de energia. Este é um sistema de pressurização que
abastece os banheiros, cozinhas e serviços de limpeza do estabelecimento. Por não haver um
reservatório de água elevado (caixa d’água), é necessário o uso deste sistema que pressuriza a
água a partir de um reservatório térreo (cisterna), diretamente para a tubulação hidráulica.
Para isso foram feitas medições no sistema atual para colher informações sobre seu
funcionamento como a vazão, pressão e potência consumida e entender melhor a demanda em
que está submetido. A partir disso, foi dimensionado um novo sistema mais eficiente para o
empreendimento, apresentando a economia gerada, o tempo de payback do investimento e a
redução da pegada de carbono da empresa.
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2- OBJETIVOS
O objetivo geral desse trabalho é realizar uma auditoria energética em um sistema de
bombeamento, colhendo informações do seu uso e propor sua substituição por um sistema com
maior eficiência e menor gasto de energia. Serão calculadas as economias geradas por essa
substituição, a redução do impacto ambiental, assim como o payback do investimento.
2.1- Objetivos Específicos
O objetivo geral se desdobra na coleta dos dados da variação da pressão, vazão e potência
consumida do sistema atual, durante sete dias, para gerar os perfis de variação de demanda e de
carga do sistema. Os pontos de operação do sistema serão calculados com base na demanda,
assim como a eficiência e potência consumida em cada um. Para cada ponto será relacionada a
quantidade de horas em que o sistema trabalha calculando, assim, o consumo de energia anual
do sistema. Por fim será dimensionado um novo sistema de bombeamento mais eficiente e seu
consumo de energia será comparado com o do atual, explicitando as economias geradas.
17
3- REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1– Trabalhos experimentais
Neste capítulo se faz uma revisão da bibliografia, tanto de trabalhos, como de estudos
referentes ao impacto energético de sistemas de bombeamento em várias aplicações como nas
indústrias e em saneamento básico em cidades. Também se cita trabalhos que analisam as
perspectivas para o futuro e discutem propostas de atualização destes equipamentos de modo a
reduzir o consumo de energia.
De modo geral os sistemas de bombeamento para saneamento tanto domésticos quanto
para indústrias, gastam entre dois a três por cento de toda a energia produzida no planeta
(USEPA, 1998). No Brasil esta participação corresponde a 9,5 bilhões de kWh por ano.
Gomes (2005) aponta que os custos com eletricidade ficam em segundo lugar no ranking
dos gastos operacionais das empresas brasileiras que prestam o serviço de saneamento, ficando
atrás somente para a mão de obra. O motivo para este elevado valor, além do alto consumo, é
o alto valor da tarifa da energia e os impostos atribuídos que, segundo Sampaio Filho e Alcade
(2004), fazem com que o custo da energia no Brasil seja a segunda maior do mundo. Sahoo e
Guharoy (2009) estabelecem que o custo com a energia é o maior gasto que as indústrias têm
com sistemas de bombeamento, sendo responsável por, dependendo do tipo de indústria, 25 a
60% do gasto de energia elétrica total da planta.
Em seu trabalho Sahoo e Guharoy (2009) analisam ainda o custo de ciclo de vida de uma
bomba industrial típica em um período de 20 anos de uso, representado na Figura 1. Os
principais custos são os custos iniciais que incluem a compra do equipamento e a instalação, os
custos com manutenção e reparos e o custo de operação da bomba que consiste na energia
utilizada para seu funcionamento. Na análise feita pelos autores, os custos iniciais
compreendem apenas de 5 a 10% do custo total de ciclo de vida da bomba, sendo os custos com
manutenção e com energia os mais significativos sendo, na maioria das indústrias, mais de 20
vezes os custos iniciais. Concluem que os custos de operação devem ser considerados como o
primeiro critério ao se selecionar um novo equipamento.
Figura 1 - Ciclo de vida típico de uma bomba industrial (Sahoo e Guharoy, 2009).
Neste contexto, Polese (2010) desenvolve um trabalho avaliando a possibilidade de
reduzir o consumo de energia de um sistema de bombeamento para abastecimento de água,
através do uso de inversores de frequência nos motores elétricos. Para isto, ele realiza testes
para quatro regimes de operação, variando, por meio da abertura e fechamento de uma válvula
de estrangulação, a vazão do sistema e colhe os dados referentes a potência consumida pelo
motor. Na segunda parte dos testes, um motor elétrico com variador de frequência, acoplado à
bomba, é usado para variar a vazão do sistema, ao invés da válvula de estrangulação. Os quatro
regimes de variação de vazão estão mostrados na Figura 2. Para uma variação senoidal da vazão
18
(Figura 2d), os resultados obtidos comparando os sistemas com variador (linha vermelha) e
com válvula de estrangulação (linha azul) são mostrados no gráfico da Figura 3.
Figura 2 - Curva mostrando a variação da vazão. (Polese, 2010).
Figura 3 - Consumo de energia para o sistema com e sem variador (Polese, 2010).
Conforme Polese (2010, p. 66) “O uso do variador de frequência apresentou resultados
significativos, com valores na redução do consumo de energia entre 44% e 57%, tornando
possível o aumento da eficiência energética”. O autor ainda compara os resultados obtidos
experimentalmente com os valores teóricos calculados a partir das curvas de potência e vazão
da bomba e de eficiência elétrica do motor. Para os quatro cenários propostos, a variação média
entre teórico e experimental é de 8%, onde o teórico indica sempre um consumo menor de
energia. Conclui que esta diferença pode ser explicada pois adota-se valores médios de altura
manométrica e vazão e rendimentos constantes nas curvas de desempenho da bomba, ao passo
que no experimental os valores utilizados são os reais para o sistema de bombeamento
analisado. Nota-se que no cálculo da eficiência energética geral do sistema, foi considerado as
perdas referentes ao rendimento do motor elétrico e do inversor de frequência.
No âmbito das indústrias, mais especificamente nas extrativistas como mineração,
Oliveira e Martins (2011) desenvolvem um trabalho de estudo e implementação de um projeto
de eficiência energética para um sistema de bombas utilizado na rebritagem, em uma empresa
do ramo. O sistema é composto por duas bombas, uma principal e outra reserva, porém devido
ao aumento da demanda por água, os dois equipamentos trabalham simultaneamente, o que
ocasionou um aumento significativo no consumo de energia elétrica. Após testes e medições
de vazão, pressão e potência consumida, os autores constataram que por meio da troca do rotor
da bomba principal de 415 mm para 425 mm de diâmetro, a bomba reserva poderia ser
desligada, ocasionado uma economia de 1750 MWh ou R$ 332.647,06 ao ano. O investimento
19
por parte da empresa para trocar o rotor é estimado em R$ 21.939,13, cujo payback é de 23 dias
(Oliveira e Martins, 2011).
Outro exemplo de trabalho semelhante ao de Oliveira e Martins (2011) foi desenvolvido
por S. Jani, M. Jani e Dave (2017) em uma indústria têxtil situada na Índia e consistiu na análise
energética de nove bombas centrifugas com potências de 60, 40, 30 e 25 HP. O método utilizado
foi muito parecido com o estudo anterior de Oliveira e Martins (2011) que consistiu em medir
individualmente a pressão de sucção e descarga, a vazão e a potência consumida pelos motores
por aproximadamente 20 minutos de funcionamento das bombas. Para as bombas submersíveis,
utilizadas para suprir água para as caldeiras geradoras de vapor, obtiveram-se valores de
eficiência muito baixos, na ordem de 25%, se comparados aos valores de eficiência previstos
em projeto de 75%. As causas seriam principalmente a manutenção precária e rotores
deteriorados. Para as bombas utilizadas no abastecimento doméstico da indústria, as eficiências
médias foram um pouco mais elevadas, na faixa de 45%, porém ainda muito ineficientes. Por
fim, as bombas do sistema de arrefecimento apresentaram uma eficiência de 35%. De modo
geral, os autores identificaram que os sistemas de bombeamento eram antigos e com a
manutenção mal feita, assim como mal dimensionados para os requisitos das plantas
produtoras. Assim, S. Jani, M. Jani e Dave (2017) sugerem a substituição de todas as bombas
por sistemas atuais com eficiência de 75%, que poderá economizar até 573.013 kWh anuais.
Esse investimento custaria a empresa cerca de US$ 18.000 e terá um payback de menos de 5
meses.
Existem várias soluções que podem ser empregadas a fim de reduzir o impacto
energético de sistemas de bombeamento em geral. Algumas são mais simples de se
implementar e outras requerem mais investimentos por parte das empresas. Sampaio Filho e
Alcade (2004) sugerem o controle ativo de pressão como uma alternativa tecnológica para
redução do consumo de energia, que consiste em monitorar a pressão na saída da bomba através
de um painel de controle e, junto com um inversor de frequência, variar a velocidade do motor
da bomba de maneira proporcional ao sinal de pressão da rede possibilitando, assim, aumentar
e diminuir a vazão do sistema e a potência dissipada pelo motor, conferindo um menor consumo
de energia. Uma outra solução mais custosa proposta pelos autores, consiste na automatização
de todo o sistema, interligando todos os pontos do sistema em um local único de controle
através de uma rede de radio frequência, centralizando informações como pressão, vazão e
potência consumida, sendo possível controlar e comandar o sistema a distância, ligando e
desligando bombas, abrindo e fechando válvulas, além de ser possível identificar e combater
vazamentos.
Em um cenário de realização de uma auditoria energética onde se procuram os
potenciais de economia, Grundfos (2017) elenca os principais componentes desperdiçadores de
energia de uma instalação hidráulica. O último item é um dos principais fatores que causam um
alto consumo de energia das bombas, onde um exemplo é mostrado na Figura 4.
• Sistemas com mais de 10 anos de uso (quando há má manutenção);
• Mal dimensionamento e má seleção dos equipamentos;
• Superdimensionamento do sistema na pressão ou fluxo;
• Bombas com baixa eficiência;
• Controle de vazão feito por válvulas.
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Figura 4 - Exemplo de válvula controladora de vazão. (Grundfos, 2017).
Outras válvulas controladoras de vazão responsáveis por grandes desperdícios de energia
são as motorizadas com atuadores, geralmente utilizadas em sistemas de aquecimento para
distribuição de calor que trabalham com altas pressões e vazões, conforme mostrado na Figura
5 (Grundfos, 2017).
Figura 5 - Válvula motorizada para controle de vazão. (Grundfos, 2017).
Ainda segundo Grundfos (2017), um serviço de auditoria energético, por analisar o
sistema de bombeamento como um todo, consegue propor uma redução no consumo de energia
muito maior se comparado a análise e eventual substituição de cada componente
separadamente. Segundo a empresa, de 2% a 10% de economia de energia pode ser alcançado
com uma troca de motor, já se for analisado o conjunto bomba motor, a economia pode chegar
a 50% e, se além desse conjunto, sensores, válvulas e sistemas de controles forem analisados,
a economia de energia pode saltar para 60%. Por fim, quando se considera o sistema todo,
estendendo-se a análise para as tubulações, processo de operação e perfil de carga o potencial
de economia pode subir para 90%, como ilustrado na Figura 6.
21
Figura 6 - Potencial de economia de energia (Grundfos, 2017).
3.2- Análise técnica
Nesta seção será demostrado o potencial de economia de energia de um sistema de
bombeamento através da variação da rotação do eixo da bomba. Para fazer essa análise, foi
escolhida a bomba multiestágios modelo CR 150-6 da fabricante Grundfos, cuja rotação
nominal é de 2980 rpm e potência de 75 kW. Para haver um real potencial de economia, deve
ser considerado que a bomba funcione com baixa vazão por uma quantidade de tempo razoável,
aproximadamente 50% do tempo de trabalho. É neste tipo de cenário que bombas com
inversores de frequência se mostram mais eficientes.
3.2.1- Bomba com rotação constante
Mantendo a velocidade nominal da bomba fixa, em 2980 rpm, seleciona-se o ponto de
trabalho, representado pelo ponto amarelo a direita, na Figura 7. Nota-se que nessa
configuração, a bomba esta consumindo cerca de 74 kW para mover 165 m3/h e gera uma altura
manométrica de 130 m. Mantendo a rotação do motor constante, a atuação de uma válvula
estranguladora de fluxo é simulada, causando uma diminuição na vazão do sistema para cerca
de 40% da original e reduzindo a potência elétrica consumida em 15%.
22
Figura 7 – Curva de desempenho com o ponto de trabalho original (ponto amarelo à direita) e
após a estrangulação (ponto amarelo à esquerda). (Autoria própria).
3.2.2- Bomba com rotação variável
Considerando a mesma redução da vazão, para 40% do seu valor original, porém agora
através da redução da rotação da bomba por um inversor de frequência no motor, é possível
manter a pressão do ponto de trabalho original constante. Isso faz com que a potência
consumida pela bomba seja menor se comparada ao uso de uma válvula estranguladora. Nesse
caso a potência consumida é reduzida em cerca de 48% e a velocidade de rotação da bomba
passa a ser de 84% da original. Os gráficos para esta situação estão mostrados na Figura 8.
23
Figura 8 - Curva de desempenho da bomba utilizando variador de frequência e mantendo a
pressão constante. (Autoria própria).
Ainda, considerando uma redução de pressão proporcional a redução da vazão, o sistema
passa a consumir somente cerca de 15% da energia em relação ao ponto de trabalho original,
com a bomba girando a 51% da rotação nominal, aproximadamente 1520 rpm (Figura 9).
24
Figura 9 - Curva de desempenho considerando uma redução de pressão proporcional à redução
de vazão (Autoria própria).
Para poder fazer uma comparação do desempenho da bomba nas quatro situações
descritas, considera-se que a bomba funcione 24 horas por dia e 360 dias ao ano, totalizando
8640 horas anuais de funcionamento. Além disso, cerca de 60% do tempo ela funciona com
40% da vazão nominal. Assim, os resultados são apresentados na Tabela 1. O valor do kWh
considerado foi de R$ 0,45. Considerando o consumo de energia da bomba com a vazão
reduzida, ao se controlá-la através da diminuição da rotação da bomba por meio de um inversor
de frequência, consegue-se uma redução grande no consumo energético se comparado ao uso
da válvula estranguladora para realizar a redução do fluxo. Essa redução foi de 20,5% e além
disso a pressão do sistema consegue ser mantida constante, o que, em muitas aplicações, é
desejável. Por fim, caso a aplicação da bomba permita que a pressão possa ser reduzida
proporcionalmente à redução da vazão, consegue-se uma economia maior ainda, de cerca de
48%, ao reduzir a rotação da bomba para 51% em relação a nominal.
25
Tabela 1 - Consolidado dos dados obtidos nas quatro situações.
CR 150-6 75kW 2980 rpm
Velocidade Fixa
Fixa com
válvula
redutora
de fluxo
Variável com
inversor de
frequência e
pressão
constante
Variável com
inversor de
frequência e
redução de pressão
proporcional
Vazão 165 m3/h 60 m3/h 60 m3/h 60 m3/h
Altura 130 m 190 m 130 m 40 m
Rotação (% da
nominal) 100% 100% 84% 51%
Eficiência 78% 49% 53% 73%
Potência 74 kW 62 kW 38 kW 9 kW
Horas de operação a
100% da vazão 8640 h 3456 h 3456 h 3456 h
Horas de operação a
40% da vazão - 5184 h 5184 h 5184 h
Consumo de energia 642.816 kW 583.718 kW 464.486 kW 303.782 kW
Custo de operação R$ 289.267,00 R$ 262.673,00 R$ 209.019,00 R$ 136.702,00
Redução no
consumo - - 20,5% 48%
3.3- Aspectos para a seleção de um sistema de bombeamento
Para realizar um correto dimensionamento e seleção de um sistema de bombeamento é
muito importante conhecer claramente a aplicação em que este sistema será submetido, ou seja,
se será utilizado para elevação de pressão, enchimento de reservatórios, utilização em poços,
bombeamento de águas negras, etc. Cada uma dessas aplicações possui critérios próprios que
devem ser levados em conta no momento da seleção do tipo de bomba, acessórios e controles
eletrônicos.
No caso da aplicação voltada para a elevação da pressão, que é o objeto do presente
trabalho, deve-se atentar, entre outros fatores, para a pressão que se espera entregar em cada
ponto de fornecimento de água. Isso resulta na seleção de um sistema que seja capaz de manter
toda a tubulação a uma dada pressão (constante), independentemente da vazão (demanda).
A partir do estudo realizado na seção 3.2, comparando o desempenho de bombas com
velocidade fixa e variável, conclui-se que para aplicações de elevação de pressão deve-se
procurar usar sistemas com variador de frequência nos motores, principalmente nas que a
demanda apresenta grandes variações. Com este dispositivo, é possível controlar a rotação da
bomba, mantendo a pressão constante sob quaisquer condições de vazão, além de que é possível
reduzir o consumo de energia em comparação a um sistema com rotação fixa, assim como foi
apresentado na seção anterior.
Para realizar o dimensionamento de um sistema de bombeamento, seja ele para qualquer
aplicação, deve-se analisar a curva de desempenho, a qual é característica de cada bomba, e
variam, tendo em vista uma mesma família de bombas (verticais multi-estágio) por exemplo,
26
conforme o diâmetro do rotor, número de estágios, rotação nominal, etc. A Figura 10 mostra
uma curva de desempenho de uma bomba do tipo vertical multi-estágio sem variador de
frequência no motor, ou seja, funciona sempre na velocidade nominal de 3490 rpm. Para se
buscar o melhor compromisso entre desempenho/consumo de energia, uma bomba deve operar
sempre no ponto de mais alta eficiência, que é representada pela linha preta inferior do gráfico
superior, que já considera a eficiência do motor elétrico. Nesse caso, essa bomba deve ser
escolhida quando a aplicação necessitar um ponto de operação de 35m3 de vazão a uma pressão
de 45m, assim ela operará na região de maior eficiência possível. Caso haja uma variação na
demanda e a vazão, ou pressão, se altere, o sistema funcionará em um novo ponto de trabalho
onde a eficiência pode ser menor, consumindo mais energia.
Figura 10- Curva de desempenho para a bomba CR 32-2. (Grundfos, 2019).
Como a curva de desempenho depende, dentre outros fatores, da velocidade de rotação
do motor, sistemas com variador de frequência conseguem variar a rotação e consequentemente
melhorar a eficiência geral quando ocorre variações na demanda. Por esse motivo que, no
momento do projeto, deve-se conhecer se a aplicação está sujeita a variações na demanda ou
não, para poder decidir sobre a necessidade ou não de um variador de frequência. As aplicações
de elevação de pressão estão geralmente sujeitas a essa variação, situação pela qual se justifica
a adoção de controle de velocidade nos motores.
Esta revisão bibliográfica mostra como, em muitas indústrias e estabelecimentos
comerciais, os sistemas de bombeamento são ineficientes e antigos fornecendo uma grande
oportunidade para empresas do ramo de bombas de fornecerem um serviço de auditoria
energética, promovendo seus produtos e serviços. As causas para as baixas eficiências são
inúmeras, incluindo mal dimensionamento do sistema, manutenção insuficiente, defeitos no
produto e até mesmo devido a mudanças na demanda do sistema hidráulico. Naturalmente,
devido as novas tecnologias de fabricação, de controle eletrônico e motores mais eficientes,
bombas cada vez mais eficientes vem sendo oferecidas no mercado, o que se apresenta como
uma oportunidade constante às indústrias de reduzirem seus custos e o próprio impacto
ambiental.
27
4- METODOLOGIA
Neste capítulo será detalhada a sequência de atividades realizadas no desenvolvimento
do projeto de auditoria energética para a empresa Centro Comercial Hayuelos, localizada na
cidade de Bogotá, Colômbia. A empresa Grundfos Colombia SAS foi responsável pelo presente
estudo e desenvolvimento da proposta final, a qual autorizou seu uso para o presente trabalho.
A auditoria de bombas assim como todas as medições seguem as regras previstas na
Norma de Avaliação Energética de Sistemas de Bombeamento ISO 14410, respeitando a
tolerância de 3% nas medições.
4.1- Identificação do equipamento atual
A primeira etapa consiste em levantar informações técnicas referentes ao sistema atual
de bombeamento, assim como a idade e quantidade de horas anual de funcionamento do
sistema, para poder avaliar previamente o potencial de economia energética do projeto. Em
termos gerais, sistemas com mais de 10 anos de uso e acima de 5 kW de potência possuem
grande potencial de economia, sendo viável a realização da auditoria energética.
O sistema de bombeamento é composto por 4 bombas, marca Barnes modelo 1E 0517,
de sucção final, com fluxo nominal de 18 m3/h, altura de 80 m e potência nominal de 7,5 kW.
O sistema foi instalado no ano de 2006 e é usado para aumentar a pressão da rede hidráulica do
centro comercial e funciona aproximadamente 3700 horas por ano. A Figura 11 mostra o
conjunto de bombas e a Figura 12 as placas das bombas e dos motores. Na Tabela 2 está
resumida toda a informação do sistema atual.
Figura 11 – Sistema de bombeamento atual do Centro Comercial Hayuelos. (Autoria própria).
28
Figura 12- Placa das bombas e dos motores do sistema atual. (Autoria própria).
Tabela 2- Informações técnicas do sistema atual.
Número de bombas 4
Tipo de bomba Sucção final
Marca do produto Barnes
Modelo IE 0517
Fluxo nominal 18 m3/h
Altura nominal 80 m
Potência nominal 7,5 kW
Diâmetro da tubulação na descarga 2"
Diâmetro da tubulação na sucção 3"
Aplicação Aumento de pressão
Ano de instalação 2006
Horas de funcionamento por ano [h] 3700
4.2- Medição
A partir dos dados coletados na etapa anterior, prossegue-se com as medições in loco do
sistema. São medidos fluxo, pressão (altura manométrica) e potência consumida pelo sistema
de bombeamento. A Figura 13 mostra o equipamento utilizado, que consiste em uma maleta
marca Eltek que reúne os transdutores de pressão que medem a altura manométrica, os cabos
que são conectados ao painel de controle para a medição da potência elétrica consumida, por
meio da tensão e corrente, e um data logger. A medição do fluxo é feita por meio de um medidor
de vazão ultrassônico da marca Micronics, mostrado na Figura 14, modelo Portaflow 220 que,
por sua vez, está conectado a maleta para registrar os dados obtidos. Por fim os dados são
consolidados pelo data logger ficando disponíveis para análise.
29
Figura 13- Maleta da Eltek com os medidores integrados. (Autoria própria).
Figura 14- Medidor de vazão Micronics Portaflow 220. (Nivetec, adaptado).
Para realizar a medição, conecta-se um sensor de pressão na tubulação de entrada para
medir a pressão de sucção e na saída para recolher os dados da pressão de descarga. No sistema
estudado, já havia uma entrada para o transdutor de pressão integrado ao manômetro analógico,
o que facilitou a medição. Esses dados são então enviados para o data logger que calcula, assim,
a altura efetiva. Para a medição do fluxo, verifica-se primeiramente a espessura da tubulação,
que é medida com o auxílio do equipamento Micronics 8812, mostrado na Figura 15.
Figura 15- Medidor de espessura usado na tubulação. (Micronics, 2019).
Assim, instalam-se os sensores de vazão na tubulação de descarga que são fixados com a
ajuda de uma corrente e o valor da espessura é programado no equipamento. Por fim, conectam-
se os cabos que medem a tensão e a corrente consumida no painel de controle da bomba. No
30
data logger, deve-se solicitar a frequência em que as informações são gravadas, definida como
5 minutos para esse projeto, devido ao longo tempo de medição, de 7 dias. A Figura 16 mostra
um esquema da medição. Vale notar que para o presente projeto, não foram utilizados os
sensores adicionais mostrados na figura.
Figura 16- Esquema de medição de um sistema com múltiplas bombas (Grundfos, publicação interna)
A Figura 17 mostra a instalação dos sensores de pressão instalados na tubulação de
descarga. Já a Figura 18 mostra os cabeçotes do medidor de vazão ultrassônico, enquanto a
Figura 19 mostra o painel de controle do conjunto, com os cabos do medidor de potência.
Figura 17- Sensor de pressão instalado na tubulação de descarga. (Autoria própria).
31
Figura 18- Sensores ultrassônicos de vazão. (Autoria própria).
Figura 19- Painel de controle com os cabos para medir a potência conectados. (Autoria própria).
Após a instalação de todos os sensores e a verificação da conformidade de
funcionamento, a medição deve continuar ininterrupta durante os 7 dias, para se ter um
conhecimento da variação da demanda real do sistema durante o dia.
32
4.3- Análise dos dados coletados
Após o término da medição, os dados obtidos pelo data logger são inseridos no software
Grundfos Product Center, de uso interno da empresa, para gerar um perfil de carga que
representa em um gráfico os dados de pressão, vazão e potência consumida, em relação ao
número de pontos de informação colhidos. Esse perfil é, em seguida, dividido em zonas de
carga, que relaciona a quantidade de horas com a carga da bomba. Assim é calculado o ponto
de trabalho médio em cada uma destas zonas e, para cada um destes pontos, é relacionado a
energia consumida e as horas de funcionamento do sistema. Essa análise é útil para a próxima
etapa que consiste na seleção de um novo equipamento mais eficiente para a atual operação.
4.4- Seleção de novo equipamento
A partir dos pontos de trabalho médio de cada zona, é possível selecionar um novo
equipamento levando em consideração o ponto de maior carga (maior altura manométrica
requerida e vazão) na seleção da nova bomba. O formato da bomba também deve ser levado
em conta para evitar custos extras com adaptações e mudanças na tubulação já existente.
Para fazer a seleção, será usado o novamente o software Grundfos Product Center, porém
essa versão é livre e o acesso foi feito direto pelo site da empresa. Os dados usados como input
para a seleção do novo sistema serão explicados no próximo capítulo.
4.5- Economias geradas e payback
A partir dos dados do novo sistema de bombeamento dimensionado, é feita uma
comparação do consumo de energia em cada ponto de trabalho médio de cada zona de carga
entre o sistema atual e o novo, sendo possível calcular a economia de energia gerada para cada
zona, baseado na quantidade de horas que o sistema funciona em cada uma. Deste modo, o
consumo de energia anual do novo sistema é calculado e comparado com o atual, obtendo o
potencial de economia.
Adicionalmente, o tempo de recuperação do investimento realizado para a instalação do
novo sistema, é calculado com base na economia gerada e o valor despendido pelo sistema
novo, além de considerar gastos com manutenção. Um indicador muito empregado em
empresas em geral e também usado para fins de redução de impostos, a pegada de carbono,
pode ser calculado através do consumo de energia anual e levando em conta a matriz energética
do país ou região em que a empresa está instalada.
5- RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesta seção, será feito o tratamento e análise dos dados obtidos na medição por meio da
metodologia explicada no capítulo anterior para entender o padrão de uso das atuais bombas e
encontrar os pontos de operação do sistema. Posteriormente, será dimensionado um novo
sistema de bombeamento para o Centro Comercial Hayuelos e sua eficiência comparada com a
atual. Finalmente, apresenta-se as a redução de consumo de energia conseguida e as economias
geradas pelo projeto. Na parte econômica, será estimado o prazo para recuperação do
investimento realizado assim como a redução do impacto ambiental.
5.1- Apresentação dos dados e informações gerais da medição
33
Após os sete dias de medição, os equipamentos são retirados do local e os dados
recolhidos são compilados pelo data logger em uma tabela que relaciona cada ponto de tomada
de dados com a respectiva pressão média, volume de fluido deslocado e a energia consumida
medidos. A gravação desses dados foi programada para cada 5 minutos, obtendo, durante esse
intervalo, a média dos valores de pressão, o volume total de água bombeada e o total de energia
consumida. No total a medição durou 167,5 horas, obtendo 2011 pontos de dados A tabela
apresentada no Apêndice A mostra os primeiros 20 pontos de dados coletados.
Os sensores trabalham com a unidade de pressão em bar, portanto, para prosseguir a
análise, primeiramente deve ser feita a conversão da unidade de pressão para metros de coluna
de água, que é a unidade mais usada em estudos de bombas. Para isso, usa-se a Eq. (1), onde
SG = 1:
𝐻[𝑚] =𝑝[𝑏𝑎𝑟].10,197
𝑆𝐺 (1)
A partir do valor do volume de água bombeado em cada 5 minutos, o fluxo em m3/h
pode ser encontrado através da Eq. (2):
𝑄[𝑚3/ℎ] =60.V[𝑚3]
5 (2)
Por fim, calcula-se o valor da potência elétrica média exigida pelo sistema durante cada
intervalo de tomada de dados, a partir do valor do consumo de energia. Para isso usa-se a Eq.
(3), onde t = 0,0833 h.:
𝑃[𝑘𝑊] =𝐸[𝑘𝑊ℎ]
𝑡 (3)
Os cálculos e conversões realizados para os primeiros 20 pontos estão consolidados na
tabela mostrada no Apêndice B.
Com os dados obtidos devidamente processados e convertidos em unidades que serão
úteis para as futuras análises, pode-se retirar algumas informações preliminares referente ao
padrão de uso do sistema de bombeamento do Centro Comercial Hayuelos. Na Tabela 3 são
consolidados os valores máximos, mínimos e médios de pressão, fluxo e potência adquiridos
durante a medição.
34
Tabela 3- Valores máximos, mínimos e médios das medições.
Início da análise 30/10/2016 - 11:37
Fim da análise 06/11/2016 - 11:07
Quantidade de dias/horas 7 dias / 167,5 h
Vazão máxima 25,32 m3/h
Vazão mínima 0 m3/h
Vazão média 5,37 m3/h
Desvio padrão 6,04 m3/h
Altura máxima 49,01 m
Altura mínima 28,56 m
Altura média 45,99 m
Desvio padrão 1,62 m
Potência máxima 10,08 kW
Potência mínima 2,88 kW
Potência média 5,06 kW
Desvio padrão 1,44 kW
Observa-se que o sistema de bombeamento não é muito eficiente, uma vez que o fluxo
médio em todo o período da medição é de 5,37 m3/h, porém o sistema deve ser capaz de
fornecer, mesmo que durante um pequeno intervalo de tempo, uma vazão máxima de 25,32
m3/h. Isto baixa a eficiência geral do sistema, pois ao dimensioná-lo para atender a essa
demanda pontual, sacrifica-se a eficiência nos outros pontos de operação.
A Figura 20 mostra o perfil de uso do sistema, onde também se pode perceber as variações
da demanda no decorrer do dia, onde os picos de consumo ocorrem à tarde e início da noite. De
modo geral se observa que a demanda do sistema é heterogênea e que este trabalha poucas
horas na carga máxima, conferindo uma oportunidade de redução de consumo de energia ao
realizar uma análise mais detalhada desse perfil, como será feito na seção seguinte. Como pode
ser observado pelo baixo valor do desvio padrão da altura e pelo gráfico do perfil de uso do
sistema, este se trata de um sistema de pressurização, pois mesmo havendo alguns picos de
redução da pressão, ela se mantém praticamente constante em todo o intervalo de operação.
Esse comportamento era de se esperar, uma vez que o sistema foi projetado para fornecer água
a uma pressão constante para consumo em banheiros, cozinhas, etc.
35
Figura 20- Perfil de uso atual do sistema. (Autoria própria).
36
5.2- Análise das zonas de vazão
A partir dos dados de vazão, determina-se 10 zonas de carga do sistema que são divididas
com base na diferença entre os valores máximo e mínimo de vazão obtidos. Com base nos dados
atuais, os valores de vazão variam de 25,32 m3/h a 0 m3/h. Assim divide-se essa variação pelas
10 zonas e obtém-se 2,53 m3/h por zona, ou seja, cada zona terá um intervalo de 2,53 m3/h entre
o valor de início e de fim. O próximo passo consiste em relacionar a quantidade de valores de
vazão, ou seja, a quantidade de pontos de dados, que entram em cada intervalo de vazão. Isso
será usado posteriormente para realizar o cálculo aproximado da quantidade de horas de
funcionamento da bomba em cada zona. O intervalo das zonas e o número de pontos de dados
estão apresentados na Tabela 4.
Tabela 4- Definição das zonas de vazão do sistema.
Início [m3/h] Fim [m3/h] Número de pontos
Zona 1 25,32 22,79 7
Zona 2 22,79 20,26 37
Zona 3 20,26 17,72 64
Zona 4 17,72 15,19 79
Zona 5 15,19 12,66 96
Zona 6 12,66 10,13 130
Zona 7 10,13 7,60 225
Zona 8 7,60 5,06 250
Zona 9 5,06 2,53 159
Zona 10 2,53 0 964
Os dados da Tabela 4 estão representados no gráfico da Figura 21, onde se pode observar
a divisão dos valores de vazão nas 10 zonas com o número de pontos de dados obtidos em cada
intervalo. Para gerar o perfil de carga completo, sobrepõe-se, sobre o gráfico da Figura 21, os
valores de potência e altura referentes a cada valor de fluxo. Assim, gera-se o gráfico mostrado
na Figura 22 onde se tem o perfil de carga completo. A partir desse gráfico, é possível calcular
os pontos de operação médio do sistema em cada zona de carga, o que será feito na seção
seguinte.
37
Figura 21- Perfil de vazão com as classes de fluxo. (Autoria própria).
38
Figura 22- Perfil de carga dividido em classes de fluxo. (Autoria própria).
39
5.3- Definição dos pontos de operação do sistema
O próximo passo consiste em calcular os valores de vazão, altura e potência médios em
cada zona de carga. Para isso se calcula a média aritmética dos valores referentes a cada zona.
Deste modo obtém-se 10 pontos de operação do sistema onde, para cada um deles, calcula-se a
eficiência geral, a energia específica e a quantidade de horas de funcionamento de cada ponto
de operação por ano. Essa última informação é importante para fazer os cálculos posteriores de
consumo de energia elétrica anual.
A eficiência geral é calculada através da Equação (4):
𝜂 =��ℎ
��𝑚 (4)
sendo ��𝑚 a potência elétrica consumida pelo motor, dado em Watts, e ��ℎ a potência hidráulica
requerida pela bomba em Watts, a qual é calculada a partir da Equação (5). Para os cálculos se
considerou a água a uma temperatura de 20˚C, cuja massa específica é 𝜌= 998,23 kg/m3 e a
aceleração da gravidade g = 9,83 m/s2.
��ℎ = 𝜌. 𝑔. 𝑄. 𝐻 (5)
A energia específica é a razão entre a potência elétrica consumida e a vazão e representa
a quantidade de energia necessária para bombear 1 m3 de água.
O cálculo da quantidade de horas de funcionamento anual foi feito com base no número
de pontos de dados, onde um ponto é gerado a cada 5 minutos, conforme programado no
momento da medição. Assim, é estabelecido uma relação entre a quantidade de horas totais
medidas, 167,5 horas, a quantidade de pontos de dados (p) em cada zona e a quantidade de
horas anuais de uso do sistema fornecida pelo usuário, 3700 horas, obtendo uma estimativa do
uso anual por zona de carga. Para ficar mais claro, a Equação (6) é usada para o cálculo da
quantidade de horas que o sistema funciona em cada uma das zonas de carga.
𝑁 =5
60. 𝑛.
3700
167,5 (6)
Todos os parâmetros calculados para o sistema estão consolidados na Tabela 5.
Tabela 5- Desempenho do sistema atual com todos os pontos de operação
Vazão Q
[m3/h]
Altura H
[m]
Potência
do motor
[kW]
Eficiência
geral η
[%]
Energia
específica
[kWh/m3]
Número
de
pontos n
Horas de
funcionamento
anual N [h]
Zona 1 24 46,5 8,8 36 0,367 7 11
Zona 2 21 44,1 8,3 31 0,395 37 68
Zona 3 19 44,5 8,0 29 0,421 64 118
Zona 4 16 45,2 7,6 27 0,475 79 145
Zona 5 14 46,2 7,0 25 0,500 96 177
Zona 6 11 45,9 6,3 23 0,573 130 239
Zona 7 9 46,3 5,8 20 0,644 225 414
Zona 8 6 46,1 5,3 15 0,883 250 460
Zona 9 4 46,2 4,9 10 1,225 159 293
Zona 10 0 46,1 3,9 1 0,000 964 1775
40
5.4- Seleção de um novo sistema de bombeamento
Analisando novamente o perfil de uso do sistema de bombeamento, mostrado na Figura
20, observa-se que a demanda é muito heterogênea, com a vazão variando bastante durante o
dia. Por ser um sistema cuja aplicação é um aumento da pressão, observa- se que esta se mantém
aproximadamente constante, salvo algumas quedas decorrentes do aumento repentino da vazão.
Isso pode ser concluído a partir dos dados da Tabela 5, onde os valores de pressão variam muito
pouco nas 10 zonas de carga.
Devido ao sistema atual ser antigo e os motores terem uma velocidade de rotação
constante, o gasto energético é grande e a eficiência geral muito baixa, principalmente porque,
em situações de baixa carga (baixa vazão), o motor continua trabalhando na mesma rotação,
situação na qual onde poderia estar utilizando uma rotação mais baixa e consumindo menos
energia.
No dimensionamento de bombas se deve atender ao ponto de operação de maior
exigência do sistema, ou seja, maior vazão e maior pressão, mesmo que ele funcione somente
por poucas horas nesse regime, sob risco de não atender a demanda, mesmo que pontual, do
usuário. No entanto esse dimensionamento pode não ser ideal para as situações mais frequentes
em que o sistema é submetido, como uma demanda mais baixa, por exemplo. Isso pode ser
observado na Tabela 5, onde o ponto de operação (demanda) que possui a menor quantidade
de horas de operação, zona 1, é o que possui a mais alta eficiência e as zonas 7, 8 e 10, que
possuem a maior quantidade de horas, possuem eficiências muito baixas.
Tendo em vista esta análise, propõe-se a substituição do atual sistema de bombas por um
que possua variador de frequência no motor, possibilitando, assim, a variação da velocidade de
rotação e garantindo uma melhor eficiência em todos os pontos de operação.
Para realizar a seleção do novo sistema, foi considerado um modelo com bombas de
sucção final, assim como o atual, para aproveitar o layout da instalação presente. Assim, o
dimensionamento foi feito com o auxílio do software Grundfos Product Center, disponível no
site da empresa Grundfos. São fornecidas informações como os pontos de operação, modelo da
bomba, especificações da tubulação atual e material da bomba. O software sugere alguns
modelos de bomba, dois dos quais serão analisados e comparados a seguir.
Os modelos sugeridos pelo dimensionador são da marca Grundfos: Hydro Multi-E 2
CME10-3 e Hydro Multi-E 3 CME10-3. Ambos são sistemas que possuem motores com
variador de frequência e uma unidade de controle que conhece as curvas exatas das bombas.
Esta é responsável por comandar os variadores, reduzindo ou aumentando a rotação do motor,
conforme a demanda atual do sistema, conferindo uma maior eficiência em todos os pontos de
operação. Além disso, ambos possuem um vaso de expansão com membrana (acumulador), que
compensa pequenas reduções de pressão na tubulação, sem que os motores precisem funcionar.
As bombas que compõe o sistema são multi-estágios, horizontais e de sucção final. A diferença
entre os dois modelos é o número de bombas, sendo que o primeiro possui duas bombas e o
segundo três bombas, conectadas em paralelo. Os diagramas de desempenho dos dois modelos
estão representados nas Figuras 23 e 24, com os 10 pontos de operação indicados pelos pontos
de cor laranja.
Os diagramas de desempenho estão divididos em duas partes, a primeira mostra as curvas
de altura vs. vazão, em azul, para cada valor de rotação do motor. Estes valores estão
representados como uma porcentagem em relação ao valor de rotação nominal. Ainda na
primeira parte, as curvas de eficiência geral do sistema são mostradas em preto, já considerando
as perdas do motor e conversor. A segunda parte mostra a curvas de potência em azul e de
NPSH, em preto, para cada valor de rotação do motor. As curvas roxas presentes nas duas partes
e em ambas as Figuras 23 e 24, delimitam a área de operação do sistema com base no número
de bombas em funcionamento. Analisando a Figura 24, se o sistema está funcionando em um
ponto de operação a esquerda da primeira linha roxa, somente um motor estará funcionando.
41
Conforme a demanda cresce e o ponto de operação se desloca entre as duas linhas, o sistema
passará a acionar duas bombas e, caso haja um novo aumento na demanda, deslocando o ponto
para a direita da segunda curva, os três motores estarão ativados simultaneamente.
Figura 23- Curva de desempenho do sistema proposto com duas bombas. (Autoria própria).
42
Figura 24- Curva de desempenho do sistema proposto com três bombas. (Autoria própria).
Pelas curvas das Figuras 23 e 24, observa-se que ambos os sistemas, com duas ou três
bombas conectadas paralelamente, atendem as demandas atuais do usuário e possuem a mesma
eficiência em cada ponto de operação. No entanto, o sistema com duas bombas fica limitado
em relação a um possível futuro aumento de demanda. Por exemplo, se um aumento de 40%
na vazão for considerado, o ponto de maior demanda atual, representado pelo ponto laranja
mais a direita das Figuras 23 e 24, passará dos atuais 25 m3/h de vazão para 35 m3/h.
Considerando que nessa nova situação o sistema deve entregar a mesma altura da anterior, de
aproximadamente 45 m, o sistema com duas bombas não será capaz de suprir essa nova
demanda, pois este novo ponto de operação ficará fora da curva de desempenho. Por outro lado,
o modelo com três bombas comportará facilmente esse aumento da demanda.
Tendo em vista que existem planos de expansão do Centro Comercial Hayuelos,
conforme informado pelo usuário, e levando em consideração um futuro aumento da demanda
por água, é mais interessante a escolha do modelo com três bombas. Assim, o novo sistema de
bombeamento selecionado para o estabelecimento é o Hydro Multi-E 3 CME10-3, mostrado na
Figura 25. As respectivas curvas de desempenho e os dados técnicos são apresentados no Anexo
A.
43
Figura 25- Modelo selecionado: Hydro Multi-E 3 CME10-3. (Grundfos, 2019).
5.5- Economias geradas e investimento
A partir da curva de desempenho do modelo selecionado, é possível retirar os valores da
potência elétrica consumida, da eficiência geral e calcular a energia específica do novo sistema
em cada uma das zonas (pontos) de operação. Assim como foi feito para o sistema atual, os
dados estão apresentados na Tabela 6. Analisando rapidamente a tabela, observa-se que a
potência elétrica média requerida é bem menor que no sistema atual, o que reflete em uma
eficiência geral mais alta.
44
Tabela 6- Desempenho do novo sistema em todos os pontos de operação
Vazão
Q
[m3/h]
Altura
H [m]
Potência
do motor
[kW]
Eficiência
geral η [%]
Energia
específica
[kWh/m3]
Número
de
pontos n
Horas de
funcionamento
anual N [h]
Zona 1 24 46,5 5,5 56 0,229 7 11
Zona 2 21 44,1 4,6 55 0,219 37 68
Zona 3 19 44,5 4,3 54 0,226 64 118
Zona 4 16 45,2 3,5 56 0,219 79 145
Zona 5 14 46,2 3,1 57 0,221 96 177
Zona 6 11 45,9 2,5 56 0,227 130 239
Zona 7 9 46,3 2,1 53 0,237 225 414
Zona 8 6 46,1 1,7 45 0,283 250 460
Zona 9 4 46,2 1,4 36 0,350 159 293
Zona 10 0 46,1 1,0 4 0 964 1775
Com os dados do novo sistema consolidados, calcula-se a capacidade de fluxo, neste caso
o volume de líquido bombeado por ano, o consumo de energia anual, calculado através da soma
dos produtos entre o valor de potência e a quantidade de horas de funcionamento em cada zona.
A eficiência geral foi calculada com o auxílio das Equações (4) e (5), onde as variáveis H, Q e
��𝑚 foram substituídas pelo valor da média ponderada da pressão (altura), da vazão e da
potência elétrica respectivamente, em relação a quantidade de horas de funcionamento. A
energia específica para os dois sistemas é calculada pela razão entre o consumo de energia anual
e a capacidade de fluxo. A comparação entre os dois sistemas é apresentada na Tabela 7.
Tabela 7- Comparação do desempenho entre o sistema atual e o novo.
Sistema atual Sistema novo proposto
Capacidade de fluxo [m3/ano] 19020 19020
Consumo de energia anual [kWh] 18650 6383
Eficiência 13% 38%
Energia específica [kWh/m3] 0,98 0,36
Como pode ser observado, o novo sistema proposto é muito mais eficiente que o atual,
economizando ao usuário 12.267 kWh ao ano e possui uma eficiência de 38% ante 13% do
sistema atual. Em termos financeiros, considerando que o valor do kWh médio na cidade de
Bogotá é de USD 0,14, o custo atual de energia ao ano é de USD 2.611,00. Com o novo sistema
instalado, esse gasto cairá para USD 893,62, uma economia de USD 1.717,38 anuais, ou seja,
de 65,9%.
O impacto ambiental da empresa, a pegada de carbono, reduzirá do valor atual de 3,75
para 1,27 toneladas anuais de CO2 emitidas. Esse cálculo foi feito com base na matriz energética
do país, que emite 0,2 kg de CO2 para cada kWh de energia produzido.
Em relação ao investimento, o novo sistema de bombeamento, somado aos gastos das
medições e da instalação, custará USD 17.190,00. Considerando que o preço da energia seja
ajustado anualmente em 3%, que é o padrão na Colômbia, e a economia de energia gerada pelo
45
novo sistema, o atual investimento se pagará em cerca de 9 anos, conforme ilustrado na Figura
26. A Tabela 8 resume estes resultados. Cabe aqui salientar que o sistema proposto possui um
upgrade nas bombas, por ser capaz de fornecer uma vazão maior que o atual e já está preparado
para suprir o aumento de demanda em consequência da expansão do centro comercial.
Considerando um cenário alternativo, onde a demanda por água não aumente nos
próximos anos, o sistema mais indicado para substituir o atual seria então o Hydro Multi-E 2
CME 10-3 com duas bombas conectadas em paralelo. Para esta situação, levando em conta que
a eficiência e consumo de energia em todos os pontos de operação são idênticas ao sistema com
três bombas, pode-se calcular um novo payback para este investimento, uma vez que o custo
deste sistema é menor que o anterior. O valor do equipamento, junto com os gastos com
medição e instalação, seria de USD 13.228,00 gerando um payback de aproximadamente 7
anos.
Figura 26- Gráfico ilustrativo do tempo (anos), de payback do investimento. (Autoria própria).
Tabela 8- Resumo dos resultados obtidos pela auditoria energética
Consumo atual de energia anual 18.650 kWh
Consumo de energia após a otimização 6.383 kWh
Custo atual de energia anual 2.611,00 USD
Custo de energia após a otimização 893,62 USD
Economia anual (65,9 %) 1.717,38 USD
Emissão anual de CO2 3,75 Toneladas
Emissão anual de CO2 após a otimização 1,27 Toneladas
Economia anual de CO2 2,48 Toneladas
Investimento 17.190,00 USD
Preço da energia por kWh 0,14 USD
Reajuste anual do preço da energia 3 %
Payback do investimento 9 anos
-USD 20.000
-USD 10.000
USD 0
USD 10.000
USD 20.000
USD 30.000
USD 40.000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Tempo de payback
Novo sistema Sistema Atual Economia
46
6- CONCLUSÕES
O objetivo deste trabalho era realizar uma auditoria energética e propor uma substituição
do sistema de bombeamento do Centro Comercial Hayuelos, localizado na cidade de Bogotá,
na Colômbia, visando a redução do consumo de energia e o aumento da eficiência energética
do conjunto. A partir dos dados colhidos durante a medição, foi possível entender melhor a
demanda por água do estabelecimento, assim como sua variação durante cada dia, para qual foi
elaborado um perfil de carga do sistema. A partir desse primeiro estudo foi possível perceber a
heterogeneidade da demanda por água durante o dia, onde as bombas funcionavam com baixa
carga pela maior parte do tempo.
Antes de realizar as análises mais profundas dos dados coletados, foi identificado que o
sistema atual era pouco eficiente, pois este estava projetado para atender a uma carga muito
maior do que a média e, por não possuir variador de frequência, ficaria limitado a conseguir
entregar uma melhor eficiência em regimes de carga mais baixos. A análise seguinte, com a
divisão da vazão em classes e a definição dos pontos de operação, provou esta conclusão inicial,
ao mostrar que a eficiência energética média do sistema era de somente 13%.
Os novos sistemas considerados para substituir o atual, dimensionados com base nos
pontos de operação, foram os modelos Grundfos Hydro Multi-E 3 CME10-3 e Hydro Multi-E
2 CME10-3, ambos possuem variador de frequência e eficiência igual em todos os pontos. No
entanto, levando em conta uma futura expansão do centro comercial, causando um aumento da
demanda por água, somente o modelo com três bombas comportaria esta mudança, conforme
explicado na Seção 5.4.
Assim, o novo sistema escolhido para o centro comercial é o Hydro Multi-E 3 CME10-3
e, a partir da curva de desempenho mostrada no Anexo A, foi calculada a eficiência para cada
ponto de operação, onde uma eficiência média de 38% foi obtida ante 13% do sistema original.
Já o consumo anual de energia passou de 18.650 kWh para 6.383 kWh, uma redução de
aproximadamente 66%. Levando em consideração o custo do novo sistema, de USD 17.190,00
e a economia por ele obtido, foi calculado um prazo de 9 anos para o payback do investimento.
Vale salientar que o sistema proposto conta com um upgrade nas bombas pois é capaz de
fornecer uma vazão de água maior que o atual. Além disso, a empresa deixará de emitir 2,5
toneladas de CO2 ao ano, reduzindo em 66% sua pegada de carbono possibilitando, assim, a
obtenção de incentivos fiscais.
47
7- SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
1- Considerar outros modelos de bombas e comparar seu desempenho em relação ao
sistema escolhido neste trabalho.
2- Avaliar se a divisão das zonas de vazão em 20 pontos, ao invés dos 10 atuais, aumentaria
a precisão dos cálculos de energia consumida e da eficiência.
48
8- REFERÊNCIAS
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Press, 2003.
GOMES, H. P. Sistemas de Abastecimento de Agua: dimensionamento economico e
operaçao de redes elevatórias. 2. ed. rev. amp. Joao Pessoa: Editora Universitária – UFPB,
2004.
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selection.grundfos.com/productdetail.productdetail.html?from_suid=15746896309220841919
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<https://micronicsflowmeters.com/product/thickness-gauge-8812/>. Acesso em 10 ago. 2019.
NIVETEC. Nivetec, instrumentação e controle, c2019. Disponível em:
<https://nivetec.com.br/produto/medidor-de-vazao-portatil-serie-portaflow-220/>. Acesso em
10 ago. 2019.
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em uma indústria de mineração. Disponível em:
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frequência. 2010. 69 f. Trabalho de Diplomação (Graduação em Engenharia Civil) –
Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre.
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<https://www.worldpumps.com/general-processing/features/energy-cost-savings-with-
centrifugal-pumps>. Acesso em 23 ago. 2019.
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Energetica em Sistemas de Agua e Saneamento”. Anais do IV SEREA – Seminário hispano-
brasileiro sobre sistemas de abastecimento urbano de água, Joao Pessoa - Brasil, CD-ROM
USEPA - Agência de Proteçao Ambiental dos EUA; 1998 “Apendice A: Medidas de
Conservacao de Agua. Guia de Planos para Conservacao de Agua Tratada”. Washington D.C.
Agosto.
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APÊNDICE A – Dados obtidos para as 20 primeiras medições
Data e Hora Pressão
[bar] Volume [m3]
Energia consumida
[kWh]
30/10/2016 11:37 4,475 0,38 0,32
30/10/2016 11:42 4,52 0,38 0,32
30/10/2016 11:47 4,54 0,43 0,33
30/10/2016 11:52 4,49 0,35 0,31
30/10/2016 11:57 4,5 0,48 0,34
30/10/2016 12:02 4,55 0,52 0,35
30/10/2016 12:07 4,56 0,37 0,35
30/10/2016 12:12 4,535 0,5 0,36
30/10/2016 12:17 4,55 0,38 0,34
30/10/2016 12:22 4,475 0,43 0,35
30/10/2016 12:27 4,495 0,56 0,37
30/10/2016 12:32 4,565 0,58 0,39
30/10/2016 12:37 4,51 0,55 0,47
30/10/2016 12:42 4,565 0,45 0,44
30/10/2016 12:47 4,525 0,26 0,4
30/10/2016 12:52 4,54 0,63 0,48
30/10/2016 12:57 4,69 0,66 0,48
30/10/2016 13:02 4,5 0,5 0,42
30/10/2016 13:07 4,475 0,61 0,44
30/10/2016 13:12 4,515 0,47 0,42
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APÊNDICE B – Dados convertidos para as 20 primeiras medições
Data e Hora Altura H [m] Fluxo Q [m3/h] Potência P [kW]
30/10/2016 11:37 45,64 4,56 3,84
30/10/2016 11:42 46,10 4,56 3,84
30/10/2016 11:47 46,31 5,16 3,96
30/10/2016 11:52 45,80 4,20 3,72
30/10/2016 11:57 45,90 5,76 4,08
30/10/2016 12:02 46,41 6,24 4,20
30/10/2016 12:07 46,51 4,44 4,20
30/10/2016 12:12 46,26 6,00 4,32
30/10/2016 12:17 46,41 4,56 4,08
30/10/2016 12:22 45,64 5,16 4,20
30/10/2016 12:27 45,85 6,72 4,44
30/10/2016 12:32 46,56 6,96 4,68
30/10/2016 12:37 46,00 6,60 5,64
30/10/2016 12:42 46,56 5,40 5,28
30/10/2016 12:47 46,15 3,12 4,80
30/10/2016 12:52 46,31 7,56 5,76
30/10/2016 12:57 47,84 7,92 5,76
30/10/2016 13:02 45,90 6,00 5,04
30/10/2016 13:07 45,64 7,32 5,28
30/10/2016 13:12 46,05 5,64 5,04
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ANEXO A – Curva de desempenho e informações técnicas do sistema proposto
