CAG otimizada para sistemas com chillers em série e resfriamento

Projeto Demonstrativo para o Gerenciamento
Integrado no Setor de Chillers
CAG Otimizada para Sistemas com
Chillers em Série e Resfriamento
Dedicado de Ar Externo
Eng. Francisco Dantas – Interplan
01/04/2016 - Fortaleza
Execução
Implementação
Realização
ABORDAGENS
PARTE I
CENÁRIO MUNDIAL ENERGIA X EMISSÕES
PARTE II
EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA
ERV – DOAS – DCV - VAV
PARTE III
PREPARAÇÃO PSICROMÉTRICA
DESACOPLAMENTO SENSÍVEL X LATENTE
III. 1
III. 2
PARTE IV
IV.1
IV.2
PARTE V
THIC POR DESSECAGEM
THIC POR RESFRIAMENTO PROFUNDO
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS RADIANTES
VIGAS FRIAS
PISO FRIO RADIANTE
OTIMIZAÇÃO TERMODINÂMICA
ESCALONAMENTO DA PRODUÇÃO FRIGORÍFICA
PARTE I
CENÁRIO MUNDIAL ENERGIA X EMISSÕES
Fonte: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/
Fonte: Manual REHVA Nº 7
Adaptado da VDI 6022
Fonte: Manual REHVA Nº 7
Adaptado da VDI 6022
Fonte:
Fonte:
REVHA Workshops Clima 2010
Fonte:
SISTEMAS TERMICAMENTE ATIVADOS:TRANSFORMANDO ENERGIA QUE SE
DEGRADARIA, EM ENERGIA NOBRE
CHAMINÉ
PERDAS TOTAIS = 10%
50°C
120°C
CHAMINÉ
500°C
AR ÚMIDO
PARA PROCESSO
DESUMIDIFICADOR
V3V
500°C
ÁGUA GELADA
(VEM DO PROCESSO)
DESCARGA DOS GASES
AR SECO
PARA PROCESSO
ÁGUA GELADA
(VAI AO PROCESSO)
ENTRADA
GÁS NATURAL
V3V
ENERGIA ELÉTRICA EVITADA
CHILLER ABSORÇÃO
DUPLO EFEITO
ENERGIA ELÉTRICA PARA UTILIDADES
REDUÇÃO 37% + 11% = 48%
MOTOR A GÁS
GERADOR
ÁGUA GELADA
(VEM DO PROCESSO)
ENERGIA ELÉTRICA
EVITADA
RECUPERADOS 100¨%
ÓLEO
E TURBO
RECUPERADOS 100¨%
ÁGUA GELADA
(VAI AO PROCESSO)
CHILLER ABSORÇÃO
SIMPLES EFEITO
BLOCO
DESCARGA DE GASES PARA O EXTERIOR
SEM CO-GERAÇÃO : ..........................500°C
CO-GERAÇÃO COM CHILLER : .........120°C
INTERFACE PARA
ÁGUA QUENTE PREDIAL
PARTE II
EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA
ERV – DOAS – DCV - VAV
TECNOLOGIAS DE EFICIENTIZAÇÃO
Fonte: http://doas.psu.edu/DOE_report.pdf
DOAS with Parallel Cooling
Fonte:
TECNOLOGIAS DE EFICIENTIZAÇÃO
Fonte: http://doas.psu.edu/DOE_report.pdf
TRATAMENTO DO AR COMO MISTURA
CARGAS ACOPLADAS
PARTE III
PREPARAÇÃO PSICROMÉTRICA
DESACOPLAMENTO SENSÍVEL
X
LATENTE (THIC)
III.1
THIC POR DESSECAGEM
DIAGRAMA PSICROMÉTRICO
11
5
PSYCHROMETRIC CHART - NORMAL TEMPERATURES
SI METRIC UNITS
Barometric Pressure 101.325 kPa SEA LEVEL
35
40
45
50
55
11
0
33
(ar externo após recuperador de energia)
32,0/26,0°C
18,8 g/kg
80,22 kJ/kg
26,4/21,0°C
13,4 g/kg
60,62 kJ/kg
30
29
30
80%
26
85
(ar externo após desumidificador)
28
27
90
PONTO 3
90%
(ar externo)
31
10
0
PONTO 2
95
PONTO 1
70%
25
Hu
mi
dit
y
(final do resfriamento livre)
(ar externo após resfriamento sensível)
40
20
19
18
17
16
20
15
2
13
12
15
11
30
40
35
24,0/17,0°C
9,3 g/kg
47,75 kJ/kg
7
PONTO 7
(ar na saída dos climatizadores)
C 10
e°
tur
era
p
m
Te
14,6/13,6°C
9,3 g/kg
38,14 kJ/kg
PONTO 8
(ar de insuflamento)
14,6/12,5°C
8,2 g/kg
35,38 kJ/kg
14
%
30
45
(ar no ambiente)
1
t
We
0
ion
rat
atu
5
rS
o
lb
Bu
%
20
6
10
9
8
8
7
5
4
3
6
10%
5
4
3
-5
2
1
0
-10
-5
0
5
10
0.80
15
20
Dry Bulb Temperature °C
25
30
0.85
35
40
45
50
0.90
55
Moisture Content g/kg Dry Air
PONTO 6
En
tha
lpy
14,6/10,3°C
6,0 g/kg
29,87 kJ/kg
21
40
%
PONTO 5
22
50
%
70
25
50
At
Sa
tur
atio
nk
55
J/k
gD
ry
60
Air
65
28,0/24,6°C
6,0 g/kg
43,43 kJ/kg
23
Re
lat
ive
75
PONTO 4
24
60
%
80
44,3/21,0°C
6,0 g/kg
60,62 kJ/kg
25
DISTRICT COOLING
10
5
32
SISTEMA DE RESFRIAMENTO
EXEMPLO TÍPICO
ATENUADOR DE RUIDO SAIDA DE ÁGUA
19,0°C
ATENUADOR DE RUIDO
CAIXA DE MISTURA
DUTO DE RETORNO
DUTO DE
INSUFLAMENTO
40.518 L/s
15,0°C / 12,7°C
8,2 g/Kg
24,0°C
9,3 g/Kg
14,6°C /
FILTRO PLANO
MÓDULO
13,6°C
FILTRO BOLSA
DISTANCIADOR
9,3 g/Kg
SERPENTINA
VENTILADOR DE
INSUFLAMENTO
9,0°C
ENTRADA DE ÁGUA
27.168 L/s
24,0°C
50%UR
9,3 g/Kg
RETORNO
carga latente interna = 133.533 W ( 114.838 Kcal/h )
vazão de insuflamento = 40.518 L/s ( 145.865 m3/h )
114.838 Kcal/h = 1,1 g/Kg
x=
0,72 x 145.865 m3/h
40.518 L/s
INSUFLADOR
24,0°C
50%UR
9,3 g/Kg
1.80m
DISTRICT COOLING
VEMDA UNIDADE DE
TRATAMENTO DE AR EXTERNO 13.350 L/s
14,6°C
6,0 g/Kg
PISO
Matéria Revista Climatização Junho/2001
III.2
THIC POR RESFRIAMENTO PROFUNDO
UTAEs
PRÉ
ERV (27%)
FREE COLLING
1º EST.
MT (44%)
COP 7,2
2º EST.
BT (29%)
COP 5,6
Reaq.
DEVOLVIDO À CAG
RESF. SENSÍVEL
+
DESUMIDIFICAÇÃO
FLUXOGRAMA HIDRÁULICO E DE AR DO CONSUMO
DUTO DE AR EXTERIOR SECO E FRIO
28,2°C / 24,4°C
30,0°C / 26,7°C
filtro F7
DADOS DE SHOPPING IMPLANTADO E EM
OPERAÇÃO DESDE OUT/2012
S = 1.368 TR
UAB
V2V
24,7°C / 20,6°C
18,5°C
S = 1.135 TR
SERPENTINA - 1º Est.
14,0°C / 13,9°C
V2V
SERPENTINA - 2º Est.
S=
828 TR
S=
369 TR + 159 TR = 528 TR
1.896 TR
OBTIDAS POR
CONSERVAÇÃO
DE ENERGIA
6,0°C / 6,0°C
ST
10°C 4°C
V3V
SERPENTINA - Reaq.
12,0°C / 8,9°C
VOLTA À CAG
VEM DA CAG
VEM DA CAG
ST
POTÊNCIA DA CAG
4.200 TR
RESFRIAMENTO SENSÍVEL
UTARs
MT (100%)
COP 7,2
RESF. SENSÍVEL
BALANÇO DE VAZÕES DE AR
RESFRIAMENTO COM MENOS AR
Fonte: ASHRAE Journal December/2009
Fonte: GUIDEBOOK No. 21 REHVA Edition
PARTE IV
INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS
RADIANTES
IV. 1
VIGAS FRIAS
Fonte: GUIDEBOOK No. 21 REHVA Edition
Fonte: Manual REHVA – Vigas Arrefecidas
Fonte: Manual REHVA – Vigas
Arrefecidas
Fonte: Manual REHVA – Vigas Arrefecidas
Fonte: Manual REHVA – Vigas Arrefecidas
IV. 2
PISO FRIO RADIANTE
Fonte: REHVA Guidebook nº 7
Fonte: REHVA Guidebook nº 7
Fonte: REHVA Guidebook nº 7
VFAs e PFR
ASHRAE PSYCHROMETRIC CHART NO.1
NORMAL TEMPERATURE
BAROMETRIC PRESSURE: 101,325 kPa
R
R
110
Copyright 1992
120
,030
AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS, INC.
,029
SEA LEVEL

1.0
100
-
1.0
,028
30
1,5
2,0
SENSIBLE HEAT
TOTAL HEAT
10,0
0,5
-5,0
4,0
Qs
Qt
-2,0
-
,026
90
-4,0
-2,
0
5,0
0 ,4
0,0
30
4 ,0
0,1
-0,2
0,2
WE
T
1 ,0
5
-0,
0 ,3
-1,
0
0
,027
4
0,6
0,9
0,8
0,7
,025
BU
LB
80
TE
,024
MP
ER
AT
UR
E
,023
- °C
110
0,9
2,0
3,0
,022
2
2,5
,021
ENTHALPY
HUMIDITY RATIO
h
W
70
25
,020
,019
C
RE
,016
20
PE
40
R
IO
AT
N
20
S
%
90
New 1
New 2
0,8
E
UM
OL
6V
15
%
70
10
Y
DR
KG
ER
RP
TE
ME
0,8
40%
2
30%
0
AIR
0,8
20%
,015
90
,014
,013
,012
,011
80
,010
,009
,008
,007
70
,006
,005
,004
,003
60
,002
,001
20
15
10
5
8
HUMIDITY
25
0,7
E
10% RELATIV
10
DRY BULB TEMPERATURE - °C
IC
UB
4
50%
5
5
0,8
10
-C
%
60
20
2
0
RESF.
SENSÍVEL
30
%
80
30
30
45
U
AT
40
-K
M
TE
50
R
U
AT
HUMIDITY RATIO - KILOGRAMS MOISTURE PER KILOGRAM DRY AIR
50
15
10
,017
-°
8
TH
R
AI
0,8
EN
LO
AM
RY
0
J
PY
AL
KI
R
G
D
0,9
COP 8,0
F
O
100
,018
35
AT (100%)
25
60
R
PE
120
40
50
ENTHALPY - KJ PER KILOGRAM OF DRY AIR
FLUXOGRAMA HIDRÁULICO DO CONSUMO
DADOS DE SHOPPING IMPLANTADO E EM
OPERAÇÃO DESDE OUT/2012
10,0°C
4,0°C
18,5°C
ARRANJO OTIMIZADO DO CONSUMO
(DESACOPLAMENTO RESFRIAMENTO/DESUMIDIFICAÇÃO)
VBC
V2V
18,5°C
10,0°C
SERPENTINA - 1º Est.
V2V
10,0°C
4,0°C
SERPENTINA - 2º Est.
COLETA DE CONDENSADO
V3V
+
SERPENTINA - Reaq.
FLUXO AR
4.613 L/h
907 L/h
5.520 L/h
REDE DE DRENAGEM
DO CONDENSADO
VBC
VBC
VBC
VBC
VF
VF
VF
15,0°C
18,5°C
VBC
TRC
BAR
SERPENTINA
VENTILADOR
V2V
15,0°C
SERPENTINA
V3V
10,0°C
TORRE
DUTO
VENTILADOR
V3V
SMT
AAG
SBT
AAG
RAG
SAT
VBC
18,0°C
VBC
15,0°C
ARMÁRIO
DISTRIBUIÇÃO
E CONTROLE
PISO FRIO
RADIANTE
Q/E CAG
ARREFECIMENTO DA CAG
TAR
FLUXOGRAMA HIDRÁULICO E DE AR DO CONSUMO
DUTO DE AR PRIMÁRIO SECO E FRIO PARA VIGAS FRIAS ATIVAS
31,1°C / 27,2°C
filtro F7
VAI A CAG
UAB
26,5°C / 21,8°C
V2V
17,5°C
SERPENTINA - 1º Est.
10°C 4°C
V3V
SERPENTINA - Reaq.
ST
VAI Á CAG
V3V
V3V
V3V
ST
VEM DA CAG
ST
13,0°C
15,0°C
VEM DA CAG
ST
VIGAS FRIAS
6,0°C / 6,0°C
ST
VIGAS FRIAS
SERPENTINA - 2º Est.
18,0°C
VIGAS FRIAS
14,0°C / 13,9°C
V2V
Fonte: ASHRAE Journal December/2009
Fonte: ASHRAE Journal December/2009
Fonte: ASHRAE Journal December/2009
PARTE V
OTIMIZAÇÃO TERMODINÂMICA POR
ESCALONAMENTO DA PRODUÇÃO
FRIGORÍFICA
FLUXOGRAMA HIDRÁULICO DA PRODUÇÃO
19°C
M
M
TANQUES
PRESSURIZADOS
TANQUE DE TERMOACUMULAÇÃO
MÉDIA TEMPERATURA
10°C
TANQUE DE TERMOACUMULAÇÃO
BAIXA TEMPERATURA
4°C
TANQUE
DE
EXPANSÃO
FECHADO
VB
M
M
M
M
CHILLER - BT
CHILLER - MT
14,5°C
10°C
M
M
4°C
M
M
M
M
14,5°C
CHILLER - AT
M
RETORNO GERAL UTAs
19°C
UTARs
10°C
M
VAI ÀS UTA´s
UTAEs
4°C
RESULTADOS
Consumo Real de Energia por TR de Rateio em Shoppings Centers
RESULTADOS DE MEDIÇÃO
SISTEMA COM CARGAS
100% DESACOPLADAS
(THIC)
X
SISTEMA COM CARGAS
63% ACOPLADAS E 37% DESACOPLADAS
(VAV)
(THIC)
153 - 115
x
100
=
39,5%
153 X 0,63
1
2
3
4
5
Fonte: GUIDEBOOK No. 21 REHVA Edition
TRADUÇÃO:
Por outro lado, comparando ao sistema convencional básico à água , o sistema de vigas frias consome mais
energia de bombeamento pois, o fluxo de água opera com um diferencial de temperatura de 2 a 3°C, quando
comparado ao diferencial convencional de 5°C.
O sistema de vigas frias requer água resfriada de 14°C à 18°C, mas, as unidades de tratamento de ar com
propósito de desumidificação, requerem tipicamente, água em torno de 6°C. A planta de água gelada pode
produzir água à 6°C e o requerimento da carga é entre 14°C e 18°C. A temperatura requerida é obtida através
de uma mistura entre a água produzida e a água de retorno. Isso não é uma solução ideal do ponto de vista de
Eficiência Energética, mas, a solução tem um importante efeito no consumo de energia quando comparado ao
sistema convencional com água à 6°C, devido à mais alta temperatura da água de retorno para a planta de
resfriamento.
O consumo de energia é minimizado se houver um sistema dedicado de produção para duas temperaturas da
água requeridas.
Esta separação melhora e Eficiência Energética pelas seguintes duas razões:
•
Os chillers dedicados às vigas podem trabalhar com 14°C de temperatura da água gelada, majorando
altamente a sua relação de Eficiência Energética (EER).
Resfriamento natural (free cooling) pode ser implementado com algumas das seguintes tecnologias:
•
Torres de resfriamento para climas quentes / secos;
•
Ciclos economizadores ;
•
Energia Geotérmica (da água ou do solo).
A análise energética deve considerar todos esses aspectos.
Fonte Original em Inglês :
GUIDEBOOK No. 21 REHVA Edition
SHOPPING HIPOTÉTICO PARA
COMPARAÇÃO DE CUSTOS
SISTEMA DE AR-CONDICIONADO
ESPECIFICAÇÕES E INFORMAÇÕES PARA AS COMPOSIÇÕES
ORÇAMENTÁRIAS DAS POSSÍVEIS CONFIGURAÇÕES PARA O
MALL
SETEMBRO/2014
1-
CONFIGURAÇÕES POSSÍVEIS:
POT. EQUIVALENTE UTAS
ESTIMATIVA DUTOS (Kg)
(TR NOM.)
CONF. 1
TODO AR
CONF. 2
AR/EXT
31.722 L/s
200 (4 x 50)
12.600
AR/DES
39.851 L/s
250 (5 x 50)
15.800
AR/REC
98.795 L/s
435 (9 x 50)
39.200
TOTAL
170.368 L/s
895 (18 x 50)
67.600
AR/EXT
31.722 L/s
200 (4 x 50)
12.600
AR/DES
39.851 L/s
250 (5 x 50)
15.800
52.948 L/s
-
-
45.847 L/s
200 (4 x 50)
18.200
170.368L/s
650 (13 x 50)
46.600
AR/EXT
31.722 L/s
200 (4 x 50)
12.600
AR/DESM
39.851 L/s
250 (5 x 50)
15.800
45.960 L/s
-
-
52.835 L/s
240 (5 x 50)
21.000
170.368L/s
690 (14 x 50)
49.400
AR/EXT
31.722 L/s
200 (4 x 50)
12.600
AR/DES
39.851 L/s
250 (5 x 50)
15.800
PFR
AR + PFR
AR/REC
TOTAL
CONF. 3
VGF/SEC
AR + VFAs
AR + PFR + VFAs
Eq.
Eq.
AR/REC
TOTAL
CONF. 4
Eq.
Eq.
PFR
Eq.
52.948 L/s
-
-
VGFS/SEC
Eq.
45.960 L/s
-
-
-
-
450 (9 x 50)
28.400
AR/REC
TOTAL
Eq.
170.481 L/s
(42%)
2-
QUADRO COMPARATIVO DE QUANTITATIVOS DAS DISTINTAS
CONFIGURAÇÕES PARA O SISTEMA DO MALL:
CONF. 1
CONF. 2
CONF. 3
CONF. 4
UTAEs
200 TR
200 TR
200 TR
200 TR
UTADs
250 TR
250 TR
250 TR
250 TR
UTARs
450 TR
200 TR
250 TR
-
PFR
-
13.000 m²
-
13.000 m²
VFAs
-
-
675 Pç
675 Pç
67.600 Kg
46.600 Kg
49.400 Kg
28.400 Kg
DUTOS
OBS: Utilizar sempre unidades de 50 TR nominais para todas as UTAs em todas as
configurações.
3-
LEGENDA:
PFR – Piso Frio Radiante;
VFAs – Vigas Frias Ativas
QUADRO COMPARATIVO DE CUSTOS INICIAIS E OPERACIONAIS EM R$ x 1.000
CUSTO
ALTERNATIVA
INICIAL DO
CUSTO ADICIONAL DA
CUSTO ADICIONAL DA OPERAÇÃO
INFRAESTRUTURA
ANUAL
SISTEMA
ELÉTRICA
CIVIL
INSUMOS
PAY-BACK
REPOSIÇÃO E MÃO
(ANOS)
DE OBRA
TODO AR
CONF. 1
18.200
+ 300 (300 kVA)
+ 800 (400 m²)
+ 488
+ 180
-
AR + PFR
CONF. 2
19.820
+ 135 (135 kVA)
+ 360 (180 m²)
+ 220
+ 80
-
AR + VFAs
CONF. 3
21.110
+ 165 (165 kVA)
+ 440 (220 m²)
+ 268
+ 100
-
AR + PFR + VFAs
CONF. 4
21.616
+ ZERO
+ ZERO
+ ZERO
+ ZERO
-
DIFERENÇA ENTRE CUSTOS
RELAÇÃO
DIF. CUSTOS
INICIAIS
DIF. CUSTOS INFRAESTRUTURA
DIF. CUSTOS OPERACIONAIS
PAY-BACK
ANUAIS
(ANOS)
4-1
- 3.416
+ 1.100
+ 668
3,5
4-2
- 1.796
+ 495
+ 300
4,3
4-3
- 506
+ 605
+ 368
-
Execução
Implementação
Realização