Bombeamento Distribuído: Tirando o Pé do Freio

Ao analisar o uso de energia em edifícios comerciais, o resfriamento de ambientes é um dos maiores consumidores de eletricidade. O resfriamento central é usado em grandes edifícios onde uma estação de água gelada pode consumir de 20% a 30% da energia elétrica total de um edifício. As bombas são necessárias para distribuir a água gelada para as unidades de tratamento de ar dos edifícios.

Atualmente, o projeto de água gelada mais comum é um sistema de fluxo primário variável (VPF). Um exemplo simplificado deste projeto é mostrado na Imagem 1. A água é bombeada através dos chillers, distribuída para as unidades de tratamento de ar do edifício e depois devolvida às bombas. Com este projeto, a altura manométrica da bomba deve ser suficiente para superar as perdas por atrito através dos chillers, da tubulação, das serpentinas de tratamento de ar, das válvulas de controle e de balanceamento. O método de controle mais comum para bombas de velocidade variável é o controle de pressão através de um transmissor de pressão diferencial estrategicamente localizado no sistema de tubulação. Quando uma pressão diferencial constante é mantida, pressão adequada e fluxo suficiente são fornecidos a cada unidade de tratamento de ar. Quando a demanda de vazão de água gelada dos manipuladores de ar for inferior à exigência de vazão mínima do resfriador, uma válvula de derivação deverá ser aberta para fornecer proteção aos resfriadores.

Antes de os projetos de VPF se tornarem mais predominantes, os sistemas primários/secundários eram o padrão para sistemas de água gelada e ainda hoje são uma consideração de projeto. Um exemplo simplificado de um sistema primário constante/secundário variável é mostrado na Figura 2. Este tipo de projeto requer dois conjuntos de bombas. As bombas primárias fornecem água através do circuito principal do chiller. Essas bombas precisam fornecer apenas altura manométrica suficiente para superar as perdas na tubulação, nas conexões e nas válvulas, juntamente com as perdas de pressão através dos resfriadores. As bombas secundárias distribuem água para as unidades de tratamento de ar, onde a cabeça da bomba deve superar as perdas por atrito através da tubulação, serpentinas de tratamento de ar, válvulas de controle e balanceamento. Assim como o sistema VPF, um transmissor de pressão diferencial é instalado em local estratégico para manter pressão suficiente, garantindo vazão adequada para cada unidade de tratamento de ar (UTA).

Tanto o VPF quanto os sistemas primário/secundário envolvem o uso de válvulas de controle e balanceamento para garantir o fluxo adequado para cada unidade de tratamento de ar. A imagem 3 mostra um arranjo típico de tubulação em espiral para uma unidade de tratamento de ar. Uma temperatura constante do ar de saída (LAT) é mantida pelo uso de uma válvula de controle modulante. Um aumento na temperatura do ar de retorno e/ou do ar externo causará um aumento na temperatura do ar de saída, o que exigirá um fluxo de resfriamento adicional, caso em que a válvula de controle modulará para uma posição mais aberta. Da mesma forma, uma diminuição no ar de retorno e/ou no ar externo resultará em uma diminuição na temperatura do ar de saída e a válvula de controle modulará para uma posição mais fechada.

Para garantir o fluxo adequado para a bobina, a bomba deve fornecer altura manométrica suficiente para superar as perdas de pressão através da bobina, válvulas de controle e equilíbrio. Deve existir uma queda de pressão através de uma válvula de controle para que ocorra fluxo. Se a queda de pressão através da válvula quando totalmente aberta não for uma porcentagem suficientemente grande da perda total de carga do sistema, haverá pouca mudança no fluxo de fluido até que a válvula realmente feche. As válvulas de controle devem ser selecionadas para se alinharem com o desempenho da serpentina de resfriamento se for desejado um bom controle. Uma regra prática comum para garantir um bom controle é selecionar válvulas de modo que, na vazão projetada, 25% a 50% da queda total de pressão do sistema seja absorvida pela válvula de controle. Válvulas de controle subdimensionadas podem resultar em boa autoridade/bom controle da válvula, mas podem não ser capazes de fornecer vazão suficiente durante picos de demanda, enquanto válvulas de controle superdimensionadas podem resultar em controle deficiente.

Uma maneira de evitar desafios com válvulas de controle e balanceamento é eliminá-las. A imagem 4 mostra como a válvula de controle e equilíbrio pode ser substituída por uma bomba inteligente com controles integrados. Com este projeto, o mesmo sensor de temperatura que estava conectado à válvula de controle agora pode ser conectado diretamente à bomba. A bomba inteligente de velocidade variável pode ajustar sua velocidade de rotação para manter o ponto de ajuste da temperatura do ar de saída. Ela desempenha literalmente a mesma função que a válvula de controle, mas a uma pressão operacional muito mais baixa. A válvula de retenção evita qualquer refluxo para o lado da alimentação caso a AHU não esteja em uso. Uma analogia com a diferença entre as duas é que as válvulas de controle e equilíbrio representam os freios de um automóvel e a bomba representa o pedal do acelerador (acelerador). Em vez de aplicar o acelerador e os freios, a bomba inteligente simplesmente aplica a quantidade de gás necessária para manter a velocidade ou o ponto de ajuste neste caso.