(20160915033214)Aula 14 carga térmica e termo acumulação

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Refrigeração e Ar Condicionado
Professor: Evaldo Sabino Lima
Engenheiro Mecânico – PUC-MG
Engenheiro de Segurança – ICMG
Mestre em Engenharia Industrial – Unileste
sabino.lima@ig.com.br
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CALCULO DE CARGA TÉRMICA
Basicamente temos três métodos de cálculo (ou estimativa) de carga térmica para um ambiente:
 Cálculo Completo (ou detalhado);
Cálculo Simplificado;
Estimativa de Carga Témica.
No primeiro caso nos utilizamos de fórmulas matemáticas ou mais comumente de tabelas para o cálculo da carga térmica de forma detalhada.
No segundo caso utilizamos uma planilha de cálculo simplificada, reduzindo o tempo de cálculo.
Por fim temos as estimativas baseadas no espaço (área) e ocupação do ambiemte.
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O nível de confiabilidade destes métodos vai decrescendo do primeiro para o último, porém os métodos mais simplificados não podem ser considerados sem utilidade.
Quando não dispomos de informações detalhadas das instalações ou quando estamos em fase de estimativas iniciais, os métodos simplificados podem ser de grande utilidade.
Existem diversas planilhas de cálculo simplificado de carga térmica disponíveis na internet, entretanto recomenda-se utilizar a planilha baseada na ABNT, inclusive por questões de padronização.
Para uma estimativa rápida de carga térmica sugerimos a tabela contida no Livro “Instalações de Ar-Condicionado” de Hélio Creder, por se tratar de obra amplamente conhecida e aceita no Brasil.
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Termoacumulação
Introdução
Os sistemas de condicionamento de ar, de uma forma geral, não possuem carga térmica constante. Assim, para que a central frigorífica tenha capacidade suficiente para atender a todas as variações de carga do sistema, seus componentes são geralmente especificados em função do pico de demanda. Este procedimento, além de não atender à crescente necessidade de conservar energia, provoca a elevação do custo inicial dos equipamentos. Deve-se observar também que a carga térmica dos sistemas de ar condicionado para conforto térmico, em geral, alcança seu pico diário, no período da tarde, justamente no horário em que as tarifas elétricas são mais elevadas.
Como solução para estes problemas, podem ser utilizados os sistemas de condicionamento de ar que adotem a técnica de termoacumulação com gelo, pois este é um método para nivelar as potências demandadas, o que também permite tirar proveito da tarifa elétrica horo-sazonal, através do planejamento do funcionamento da central frigorífica, de modo a deslocar o consumo total ou parcial para os horários cuja tarifa elétrica é menos elevada. Durante os últimos vinte anos, o uso da termoacumulação.
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O frio é armazenado através da produção de gelo (Figura 8.1), ou através do resfriamento de água feito pelo sistema frigorífico. Isto ocorre durante a noite, fora dos horários de conta, quando a demanda de energia é mínima. O frio armazenado, auxilia no resfriamento nos horários de ponta de carga do ar condicionado no dia seguinte. Armazenar frio durante a noite e usá-lo durante o dia, não é uma idéia nova, nem tão pouco experimental. Durante muitos anos este conceito tem sido usado no condicionamento de ar em instalações com demanda de pico de curta duração, como igrejas e teatros. Agora surge um interesse renovado para um uso mais amplo de sistemas de armazenagem de frio, tanto por parte dos usuários como também por parte das empresas geradoras de eletricidade, responsáveis pela oferta de energia elétrica, como uma maneira segura e econômica para reduzir os custos operacionais e de investimentos em novas usinas de geração de energia.
A termoacumulação não só pode reduzir pela metade os custos operacionais, como também pode reduzir substancialmente os desembolsos de capital, quando os sistemas são adequadamente projetados para novos edifícios comerciais e industriais. Projetistas podem especificar equipamentos (chillers) de capacidade média, operando 24 horas por dia, ao invés de máquinas com capacidade integral para atender aos picos, operando somente 10 ou 12 horas por dia. Quando aplicados em reforma ou retrofit de instalações existentes, um sistema de termoacumulação pode frequentemente suprir as cargas térmicas adicionais sem aumento da capacidade do chiller existente.
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A Figura 8.2 representa a carga teórica de refrigeração de 100 TR mantida durante 10 horas, ou uma carga de refrigeração de 1000 TR-HORA. Cada um dos 100 quadrados no diagrama representa 10 TR-HORA.
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Na prática, nenhum sistema de condicionamento de ar de edifícios comerciais opera com 100% de capacidade durante todo o ciclo diário de refrigeração. A carga de ar condicionado atinge o seu pico durante o período da tarde (geralmente entre 14:00 e 16:00 h), quando a temperatura ambiente é mais alta. A Figura 8.3 representa o perfil típico da carga térmica de um sistema de condicionamento de ar de um edifício comercial.
Como se vê, o chiller de 100 TR é utilizado na sua capacidade máxima somente durante duas das 10 horas do ciclo diário. Durante as outras 8 horas, apenas uma parcela da capacidade total do chiller é solicitada. Somando-se os quadrados sombreados, encontra-se um total de 75, cada um dos quais representando 10 TR-HORA. Entretanto, é necessário especificar chiller de 100 TR, para atender à carga de refrigeração de 100 TR no horário de ponta.
O fator de carga é definido como a relação entre a carga real de refrigeração e a capacidade potencial total do chiller, ou seja:
Neste caso, o chiller tem um fator de carga de 75 %. Ele é capaz de prover 1000 TR-HORA, quando somente são solicitadas 750 TR-HORA. Se o fator de carga é baixo, o desempenho econômico do sistema também é baixo.
Escolhendo Armazenagem Total ou Parcial
Duas estratégias de administração de carga são possíveis com o sistema de armazenagem de frio por bancos de gelo. Quando as tarifas de energia elétrica requerem um deslocamento completo de carga, pode-se usar um chiller de capacidade convencional, com armazenagem de energia (frio) suficiente para deslocar a carga total para as horas fora de ponta. Essa estratégia é chamada Sistema de Armazenagem Total e é freqüentemente aplicada em instalações existentes, usando a o chiller existente.
A Figura 8.4 mostra o mesmo perfil da carga de ar condicionado do edifício comercial, mas com a carga de refrigeração completamente deslocada para as 14 horas fora do horário de uso da refrigeração. O chiller é usado para produzir e armazenar gelo ou para resfriar água durante a noite. O frio armazenado atende à demanda de 750 TR-HORA durante o dia. A carga média foi reduzida para 53,6 TR (750 TR-HORA / 14:00 horas = 53,6 TR), o que resulta em significativa redução dos custos de energia, tanto pela redução do pico da demanda, quanto pela redução nas horas de tarifas altas.
Em instalações novas, um Sistema de Armazenagem Parcial é a estratégia de administração de carga mais prática e aquela de maior eficiência de custo. Neste método de nivelamento de carga, o chiller funciona continuamente. Ele formará gelo ou resfriará água durante a noite, e durante o dia refrigerará diretamente com a ajuda do frio armazenado. O aumento das horas de operação de 14 para 24 horas resulta na carga média mais baixa possível (750 TR-HORA / 24 horas = 31,25 TR), como ilustrado na Figura 8.5. A incidência de tarifa de ponta da demanda é consideravelmente reduzida e a capacidade do chiller pode ser reduzida em 50 a 60% ou mais.
Uma outra possibilidade é a estratégia armazenagem parcial, com desligamento do chiller no horário de ponta do sistema elétrico, onde a tarifa de energia é mais elevada (Figura 8.6).