Volume de ar variável: estratégias de controle
Situações de crise econômica, como a decorrente, ou mesmo a necessidade de projetos e sistemas que visem eficiência energética, geram novas demandas e, consequentemente, a busca e desenvolvimento de novas tecnologias.
Em 1970, com a crise norte-americana do petróleo (base da matriz energética americana) e a necessidade de condicionar o ambiente interno de forma mais econômica e com alta qualidade, popularizou-se a utilização de sistemas de volume de ar variável (VAV) em aplicações de AVAC (Aquecimento, Ventilação e Condicionamento de Ar) para conforto (CHEN & DEMSTER, 1996, p3). Passados quase 50 anos de evolução, principalmente no quesito controles, hoje temos no VAV um reconhecido e consolidado sistema de condicionamento de ar.
Volume de ar constante (VAC) versus volume de ar variável (VAV): Tipos de sistemas e seus funcionamentos
Existem diversas variações sobre a forma de controle da temperatura dos ambientes climatizados. Um exemplo, é o sistema de controle unitário, que mantém toda área atendida por uma mesma Unidade de Tratamento de Ar (UTA) e sob a mesma temperatura. Este sistema, em geral, tem um sensor de temperatura instalado no ambiente atendido ou no duto de retorno de ar, próximo à UTA, monitorando a mistura do ar do ambiente.
A partir do sinal emitido por esse sensor, a vazão de água gelada que passa pela serpentina da UTA é regulada através de uma válvula de controle de duas ou três vias, ajustando, desta forma, a temperatura do ar insuflado. Esse sistema é conhecido como sistema de controle de temperatura com volume de ar constante (VAC), uma vez que não há variação na vazão do ar insuflado, e sim na sua temperatura.
Principais vantagens do sistema VAC
a) Menor investimento inicial: Necessita de menor quantidade de controladores, instrumentação e equipamentos, pois não utiliza caixa VAV (assunto abordado na sequência deste artigo);
b) Manutenção facilitada: Em virtude da centralização do fornecimento de ar condicionado em uma única UTA;
c) Simples operação do sistema de AVAC: Em função do baixo número de equipamentos instalados;
d) Qualidade do ar interior (IAQ): Sistemas de VAC apresentam maior autonomia sobre controle do fluxo de ar externo, que visam a renovação do ar interior, para manter a qualidade do ambiente.
Figura 1. Típico de diagrama para controle de climatização
Em sistemas de controle individualizado por ambiente, conhecidas como zonas, (onde a temperatura pode ser regulada de forma independente), cada ambiente tem seu próprio sensor de temperatura, cujo sinal determina o posicionamento do damper (registro que regula a passagem de ar) de volume de ar variável (VAV), instalado no duto de insuflação do ambiente. Neste caso, o ajuste da temperatura é feito através do ajuste do volume de ar insuflado sobre o ambiente, conforme apresentado na figura 1.
Assim, no sistema de VAV para controle de temperatura, utiliza-se um sistema de controle em malha fechada, normalmente utilizando inversores de frequência, para determinar a velocidade do ventilador da UTA a partir da pressão na rede de dutos de insuflação de ar, proporcionando dentre outros benefícios uma significativa redução no consumo da energia elétrica consumida pelos ventiladores dos climatizadores, quando operando em cargas parciais.
Sistemas VAV utilizam muito menos energia do que sistemas VAC, pois a velocidade do ventilador da UTA é reduzida para atender às exigências atuais de demanda dos ambientes. Ao contrário, o ventilador da UTA do VAC está sempre operando a uma velocidade que atenda às piores condições. A energia exigida pelo ventilador varia com o cubo do fluxo de ar, de maneira a que uma pequena redução no fluxo de ar pode ter um impacto significativo sobre o consumo de energia (vide gráfico na figura 2).
O sistema de VAV é também um grande aliado no tocante à distribuição uniforme de ar, pois possui ajustes de vazão máxima e mínima (através de controlador digital) para cada caixa VAV, garantindo que não seja insuflado no ambiente uma vazão de ar maior que o valor máximo configurado, bem como assegurando uma vazão mínima para renovação e circulação do ar ambiente.
Figura 2. Variação do consumo de energia pela variação da velocidade do ventilador
Principais vantagens do sistema de VAV
a) Número menor de UTA’s;
b) Menor espaço utilizado: Demanda por menor área necessária dedicada para as casas de máquinas das UTA’s;
c) Custo de energia: Sistema que propõe reduções significativas no consumo da energia elétrica utilizada nos ventiladores das UTA’s;
d) Dinâmico: Ajusta as temperaturas por zonas e conforme variação da ocupação dos ambientes e envoltória, gerando um ambiente mais confortável para os ocupantes;
e) Flexibilidade: Um sistema VAV pode se adaptar automaticamente à distribuição do ar para uma nova distribuição de cargas de calor em uma zona, não sendo afetado por mudanças de layout do ambiente atendido.
Os itens necessários na instalação que formam um sistema de condicionamento de ar através de VAV, constituem-se de:
– Dutos de distribuição com ar proveniente da UTA;
– Caixas VAV, por padrão de fabricante, já fornecidas com a estrutura para medição multipontos de pressão diferencial (tubos de pitot) e damper para regulagem de vazão máxima e mínima através de sua abertura e fechamento;
– Atuador de damper, normalmente com funcionamento elétrico, que fica acoplado ao damper para prover sua abertura e fechamento;
Figura 3. Atuador de Damper
– Sensor de temperatura ambiente para monitoramento da climatização do ambiente;
– Controlador digital que, por padrão dos fabricantes, embarca o elemento sensor de pressão diferencial que será conectado na estrutura de medição disponibilizada pelo fabricante da caixa VAV. Este mesmo controlador receberá o sinal do sensor de temperatura do ambiente controlado e, com base nesta informação e no setpoint ajustado nas configurações do equipamento, irá ajustar a posição do atuador de damper (exemplificado na figura 4).
Figura 4. Controlador digital para sistemas de VAV
Convencionalmente, os sistemas de VAV podem ser projetados de 2 maneiras:
1. Single-Duct: Neste modelo de aplicação há apenas um duto de insuflação de ar, proveniente de uma UTA dedicada para refrigeração. Opcionalmente, um reaquecimento do ar pode ser adicionado ao sistema, através de resistências elétricas ou fluxo de água quente em uma serpentina, ambos embarcados na caixa VAV. Sistemas de VAV com reaquecimento elétrico (HONEYWELL ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATION, 2004, p 406), devem prever uma vazão mínima de ar para que a função de reaquecimento seja habilitada, como forma de proteção contra superaquecimento das resistências elétricas e possíveis danos ao sistema. Em sistemas single-duct, o controle de temperatura do ambiente é realizado diretamente pela quantidade de ar que será entregue ao ambiente. O controle desta variável fica também a cargo do controlador digital, que recebe a informação do sensor de temperatura ambiente e ajusta a posição do damper de acordo com a demanda de climatização atual do ambiente. Este modelo é o mais utilizado em sistemas de VAV no Brasil, e serve de base para o desenvolvimento deste artigo técnico.
2. Dual-Duct: Constituído por dois dutos de insuflação, um para fornecimento de ar frio e outro fornecendo ar quente, proveniente de UTA’s distintas. Neste sistema o ar é misturado e a proporção da mistura é definida pela informação do sensor de temperatura instalado no duto de descarga do ar no ambiente, sendo tratado por um controlador digital que irá ajustar as posições dos dampers das VAVs (de ar quente e ar frio) conforme o setpoint ajustado e a variação da temperatura deste ar de mistura.
Razões para a utilização de sistemas de VAV
O controle adequado do fluxo de ar é importante para os princípios fisiológicos, levando-se em consideração os parâmetros definidos pelas normas voltadas para a qualidade do ar interior (do inglês IAQ).
O sistema de VAV tem como aplicação principal a climatização por zonas, mas pode auxiliar em sistemas de distribuição de ar, pressurização, exaustão e renovação do ar interno.
Controle do nível do CO2 por controle de ventilação por demanda (DCV)
Um meio de manter a qualidade do ar interno é diluir materiais indesejáveis (por exemplo, Dióxido de Carbono, compostos orgânicos voláteis etc.) com a inserção de ar externo no ambiente. Nesse tipo de aplicação, torna-se ainda mais desejável o controle através de VAV, tanto para as caixas de VAV que atendem as necessidades de climatização dos ambientes, quanto para os ventiladores responsáveis pela inserção do ar externo por controle de ventilação por demanda (DCV) no sistema de tratamento de ar.
DCV é a forma de controle de inserção do ar externo capaz de apresentar as melhores reduções de custos com energia elétrica, com a otimização da utilização dos ventiladores de ar externo, controlando a variação da vazão de ar no monitoramento do nível de CO2 do ambiente interno (conforme figura 5).
Figura 5. Gráfico de comparação de desempenho do sistema DCV x Vazão constante de ar externo. (Fonte: adaptação da apresentação Comercial Carrier ComfortID)
Um dos índices que melhor representa o nível de contaminação de um ambiente é o nível de dióxido de carbono (CO2). Isso porque as pessoas liberam este gás como processo normal de seu metabolismo, por meio da respiração. Assim sendo, os níveis de CO2 fornecem um retrato adequado de como se encontra ocupado um determinado ambiente.
As normas e portarias estabelecem o nível de 1000 ppm (partes por milhão) de CO2 como nível máximo de concentração em ambientes climatizados. A Norma Standard 62.1 de 2016 da ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) apresenta que: [...] é coerente com o processo de renovação de ar que seja permitido que o controle por demanda reduza a renovação total de ar externo em períodos em que o ambiente se encontra com baixa ocupação”.
A combinação destes dois sistemas (VAV e DCV) é atualmente o que existe de mais moderno para economia de energia em sistemas de ar condicionado. Os sensores de CO2 podem ser acoplados aos controladores do sistema VAV para que os dois trabalhem integrados fornecendo a quantidade e qualidade de ar necessárias ao ambiente. Como o sistema de volume de ar variável (VAV) trabalha com dampers motorizados para cada ambiente, podemos fazer com que o ar exterior seja intensificado nas zonas mais ocupadas otimizando em muito o sistema como um todo.
Exemplos de aplicação
A utilização de sistemas de climatização com a aplicação de VAV têm avançado notoriamente onde as características do projeto permitem.
O controle da temperatura de bulbo seco (conforto térmico), umidade relativa, taxas de renovação de ar, bem como a necessidade de maior captação de ar externo e atenuação de níveis de ruídos são premissas básicas para a definição de utilização de sistemas de VAV (CHEN & DEMSTER, 1996, p4).
Projetos típicos onde os sistemas VAV são comumente aplicados apresentam uma característica em comum: edifícios nos quais ao longo do período de funcionamento há grande variação da sua carga térmica interna, como, por exemplo: grandes áreas comerciais, edifícios de escritórios, zonas hospitalares, clínicas e consultórios, salas de aula e agências bancárias.
Figura 6. Exemplo de Aplicação
Transformando isso em números, tomaremos como exemplo uma instalação com potência de ventiladores de 100 kW, equivalente a 5 TR em potência de refrigeração para climatizadores. A simulação, apresentada na figura 5, considera o mesmo número de horas trabalhadas para os sistemas de VAC e VAV. Pode-se observar que ocorre uma redução significativa do consumo de energia dos ventiladores quando da aplicação de sistemas VAV.
Simulação de eficiência energética entre sistema de VAC x VAV
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