Dissertação Harmônicos Chillers Qualidade de Energia

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


Figura 2.1.b – Influência da quantidade de tipo de vidro no CDE de um edifício de escritórios de 3.000 m2


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”


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


Figura 2.3.b – Ciclo ideal de refrigeração por compressão a vapor

EVAPCOND

EVAP

EVAPCOMD

EVAP

COMP

EVAPMAX TT

T

QQ

Q

W

QCOP

−=

−== ••

•

•

•

CONDQ&

EVAPQ&

17


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


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


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.


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%)


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.


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


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.


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.


Figura 3.5.a – Curva de vazão mínima total de água gelada x carga de resfriamento do prédio. Caso da Central Jabaquara

39


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.


Figura 3.6.a – Sistemas sem bombas secundárias (Estratégia 1)

41


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.


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


Figura 4.1.b – Altura manométrica (H/H0) x vazão em volume (Q/Q0) com velocidade variável

46


Figura 4.1.c – Potência mecânica consumida (P/P0) x vazão em volume (Q/Q0) com velocidade variável


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

QQ

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.


Figura 4.2 – Bancada de ensaio de bombas centrífugas da EFEI

50


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


51


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


Figura 5.5.b – Curvas rendimento x conjugado de um motor de 50HP / 2 pólos / 60Hz alimentado por inversores PWM-VSI escalares


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$

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[22] NEMA Standards Publication nº. MG1, “Motor and Generators”.

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[23] IEC 34-1, “Rotating Electrical Machines, Part 1, Rating and Performance”,

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[24] NBR 7094, “Máquinas Elétricas Girantes – Motores de Indução –

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84[25] Augusto Jr., Norberto – Motores de Alto Rendimento: Dimensionamento e

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[26] Revista WEG – nov./dez., 1999.

[27] Hughton, J. – Global Warming – Cambridge University Press, 1997.

[28] AAE – Agência para Aplicação de Energia, 1996.

Dissertação Harmônicos Chillers Qualidade de Energia

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