Estratégias de Eficiência Energética para Sistemas Hidrónicos · A limitação quer do delta-T quer do caudal de água ... Mesmo nos dias mais quentes do ano estes ... calor da

Estratgias de Eficincia Energtica

aplicadas a Permutadores de Calor

Marc Thuillard, PhD

Forest Reider, M.Sc.

Gregor P Henze, PhD, PE Member ASHRAE

ASHRAE Winter Conference 2014 New York Pag. 2 de 13

Sumrio A degradao da diferena de temperatura da gua entre a ida e o retorno, tambm conhecida por Sndroma do delta-T, relativamente aos valores de projecto uma ocorrncia habitual em vrias centrais de distribuio de gua refrigerada ou aquecida, origina um desperdcio significativo de energia tanto nas redes de distribuio como nos circuitos primrios. Neste texto iremos abordar vrias estratgias conducentes preveno da degradao desse delta-T e compar-las recorrendo a simulaes e ensaios reais. Uma das causas de degradao do delta-T o caudal de gua excessivo no permutador de calor (serpentina de aquecimento ou de arrefecimento). A limitao quer do delta-T quer do caudal de gua atravs do permutador de calor constituem duas abordagens conhecidas conducentes reduo da degradao do delta-T no circuito primrio. Iremos apresentar uma nova estratgia, denominada de limitao de caudal/delta-T e compar-la-emos com as duas tcnicas atrs referidas. Constatou-se que a soluo de limitar o caudal de gua permite obter melhores resultados nos casos em que a temperatura do ar ou a temperatura da gua so as variveis predominantes quanto sua flutuao. Por outro lado a limitao do delta-T a melhor soluo sempre que a humidade relativa do ar de entrada ou o caudal de ar constituam, por sua vez, as variveis predominantes quanto sua flutuao.

Uma vez que as diversas variveis que afectam a performance do permutador de calor se alteram tipicamente em simultneo, surge a dvida sobre qual a melhor estratgia a adoptar.

Dos estudos de simulao, aqui analisados, chegmos concluso que a nova estratgia, limitao do caudal delta-T, conduz a resultados intermdios quando comparados com os obtidos quando se aplicam as duas estratgias tradicionais, limitao de caudal e limitao de delta-T, mantendo uma aceitvel performance de transferncia de energia no permutador. As diferentes abordagens foram aplicadas a conjuntos de dados obtidos em duas faculdades universitrias, servindo os testes de campo como suporte dos resultados da simulao.

ASHRAE Winter Conference 2014, New York

Autores:

Marc Thuillard, Phd BELIMO Automation AG Hinwil, Switzerland Email: [email protected] Forest Reider, M.Sc BELIMO Automation AG Hinwil, Switzerland Email: [email protected] Gregor P. Henze, PhD, PE Department of Civil, Environmental and Architectural Engineering University of Colorado Boulder Boulder, Colorado Email: [email protected]


ndice

Captulo Pg. 1 Introduo. ....................................................................................................... 4 2 Estratgias para gerir o desempenho pretendido da serpentina ..................... 5 3 Caso 1: Variaes da Temperatura da gua de entrada ................................. 6 4 Caso 2: Variaes do caudal e Humidade do ar de entrada ........................... 7 5 Aplicao s medies de campo ................................................................... 9

6 Concluses ..................................................................................................... 11 7 Referncias .................................................................................................... 13


1 - Introduo A degradao da diferena de temperatura entre o caudal de gua de ida e do retorno, conhecida como degradao de delta-T, em sistemas de gua refrigerada foi amplamente observada e documentada ao longo dos ltimos 25 anos (Fiorino 1996, Harrell 2009, Hyman 2004, Ma 2010, Reed 2007, Taylor 2002, 2006). As causas incluem, mas no se limitam, a existncia de circuitos de by-pass, loops de controlo oscilantes e circuladores de gua de velocidade constante com vlvulas de controlo de trs vias terminais. Particularmente, sob condies de carga parcial, quando o caudal de gua excessiva face carga de refrigerao necessria, poder dar-se o arranque de um chiller e uma torre de arrefecimento adicionais, por requisito de caudal de gua, mesmo que o limite da capacidade de refrigerao dos grupos em funcionamento no tenha sido atingida. Apesar dos efeitos da reduo da temperatura da gua de retorno serem sobejamente conhecidos, o verdadeiro problema o caudal de gua refrigerada excessivo (Henze, Henry e Thuillard 2013). Apesar de existirem numerosos factores que contribuem para uma degradao de delta-T, este artigo explora vrias possibilidades de mitigao da degradao de delta-T, aplicando estratgias de controlo a cada permutador de calor. A transferncia de energia num permutador de calor, sem mudana de estado, descrita pela funo, E(,T)= cpT (1) onde o caudal mssico do fluido [kg/s], cp o calor especfico do fluido [J/kgK] e T [K] a alterao da temperatura do fluido ao passar pelo permutador. Uma aplicao tpica de um permutador de calor no domnio AVAC consiste em arrefecer o ar fornecido a uma zona ambiente at se atingir a temperatura de conforto com temperaturas exteriores elevadas. A transferncia de energia da gua refrigerada para o fluxo de ar depende no s das dimenses do permutador de calor como tambm dos estados fsicos dos fluidos (temperatura, entalpia). Com um fluxo de ar e condies de entrada constantes, a transferncia de energia para o ar aumenta com um aumento do caudal de gua refrigerada conforme apresentado na Figura 1a. A caudais elevados, a transferncia de energia (linha contnua) aproxima-se de um limite, enquanto que o delta-T (linha intermitente) se degrada assintoticamente em direco a zero. Ao aproximar-se deste limite, qualquer aumento no caudal de gua refrigerada apenas ir resultar num aumento marginal da transferncia de energia para o fluxo de ar. A zona de retorno diminudo poder ser considerada como uma zona de desperdcio ou saturao na qual a degradao de delta-T causada por um caudal de gua desnecessariamente alto, provocando uma baixa temperatura da gua de retorno. Para reduzir a contribuio de um permutador de calor para a degradao de delta-T em sistemas hidrnico centralizados, recomendado que se evite operar na zona de saturao. Ainda assim, mesmo que se opere na zona de saturao, mas no exageradamente, verifica-se que a diminuio da capacidade de transferncia resultante, na serpentina, largamente compensada pela poupana energtica nos circuladores e no aumento da eficincia energtica dos produtores da central trmica. Neste artigo iremos apresentar e analisar trs estratgias de limitao do caudal mssico, para evitar a saturao na serpentina, como uma contribuio explorao e abordagem geral desta temtica.


Figura 1: Capacidade de transferncia de calor, absoluta (a) e normalizada (b), s condies de projecto. (A descida no canto superior esquerdo de (a) deve-se transio do regime de caudal)

2 - Estratgias para gerir o desempenho pretendido da serpentina Foi levado a cabo um estudo de campo sobre a estratgia de limitao de delta-T na biblioteca do Massachusetts Institute of Technology (MIT) (Henze, Henry e Thuillard 2013). Este estudo envolveu a utilizao de dispositivos de controlo independentes de presso que incorporavam medidores de caudal elctromagnticos, sensores de temperatura nas tubagens de gua ida e retorno, e microprocessadores para implementar e monitorizar cada uma das estratgias de limitao de delta-T. Fez-se uso de um software apropriado, no sendo aqui relevante a sua descrio, para determinar os valores limiares do delta-T para cada serpentina. O resultado obtido no MIT foi a duplicao do delta-T face ao que era antes da renovao da instalao, que sustenta a afirmao que as estratgias de limitao tm um impacto positivo no sndroma do delta-T. Igualmente bons foram os resultados obtidos neste estudo na implementao da limitao de caudal. Mesmo nos dias mais quentes do ano estes ensaios, de limitao do delta-T e caudal, no tiveram impacto nas condies de conforto ambiente. A equao 1 contm duas variveis: caudal e delta-T. Limitar uma das variveis ter impacto sobre a outra levando-nos a concluir que as duas estratgias so merecedoras de anlise na degradao do delta-T. Este artigo prope uma nova estratgia de reduo da degradao de delta-T ao combinar o caudal e o delta-T numa nica varivel, a razo entre caudal e delta-T. Esta estratgia de limitao ser referida no resto deste artigo como a estratgia de limitao de caudal/delta-T. So necessrios trs sensores para implementar a estratgia de caudal/delta-T. Dois sensores de temperatura medem a alterao da

a)

b) 1

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0

RP

Transferncia de calorDelta-T

Del

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[K]

Caudal mssico [kg/s]

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Transferncia de calorPonto de referncia

Caudal mssico [kg/s]Tran

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PR


temperatura entre a entrada e a sada do permutador e um caudalmetro para a medio do caudal da gua refrigerada. Foi desenvolvida uma ferramenta de simulao, baseada no cdigo do kit de ferramentas AVAC de Brandemuehl, Gabel e Andersen (Brandemuehl 1993) para gerar mapas de desempenho de permutadores de calor de fluxos cruzados baseados nos comportamentos sobejamente conhecidos das serpentinas de refrigerao, secas e hmidas, de modo a estabelecer um comportamento esperado da serpentina para uma determinada gama de condies operacionais. Esta ferramenta foi desenvolvida porque o comportamento complexo dos permutadores de calor depende de diversos factores: presso do ar, temperaturas de entrada da gua e do ar, humidade, caudais, propriedades de ambos os fluidos e a geometria e propriedades fsicas do permutador de calor. Em particular o modelo tem em considerao a massa de gua de condensao originada em serpentinas totalmente e parcialmente molhadas no processo de desumidificao. Para efeitos do presente estudo as nicas variveis consideradas foram as temperaturas de entrada da gua e do ar, humidade do ar de entrada e o caudal mssico do ar; os restantes parmetros consideraram-se inalterados. As trs estratgias de limitao so abordadas e comparadas utilizando uma capacidade normalizada, uma varivel desenvolvida para estudar o comportamento do permutador de calor. A normalizao conseguida pelo quociente da curva absoluta de transferncia de calor pela transferncia mxima de calor da serpentina para determinados estados de entrada dos fluidos a caudais de gua muito elevadas, como se mostra na Figura 1b. O domnio dos valores de transferncia de calor normalizados encontra-se, portanto, entre zero e um. Um ponto de referncia (PR) seleccionado na curva de transferncia de calor normalizada s condies de projecto da serpentina de refrigerao. O ponto de referncia serve de base de comparao. medida que as condies de operao mudam durante o ano, o ponto de operao mximo normalizado da serpentina imposto pelas estratgias de limitao varia, consoante pode ser visto nas Figuras 2 a 4. Neste estudo, os parmetros fsicos foram alterados um de cada vez, sendo o seu efeito analisado. Relativamente s simulaes numricas, as condies de projecto referem-se transferncia de calor observada na biblioteca da faculdade do MIT, no pico do vero. O PR neste artigo foi escolhido com fins ilustrativos e representa um ponto na curva de transferncia de calor normalizada para o qual a serpentina se encontra 85% saturada. Nestas condies de projecto, o ponto de referncia no s define um limite de capacidade normalizado da transferncia de calor como tambm define o incio do controlo de caudal, delta-T ou caudal/delta-T. A estratgia cujo resultado permite atingir, o mais aproximadamente possvel, o limite de capacidade normalizado excedendo, sempre, a performance mnima aceitvel da serpentina ser considerada superior. 3 - Caso 1: Variaes da Temperatura da gua de entrada Assumindo constantes a temperatura, humidade e caudal do ar, as simulaes mostram que, as curvas de capacidade normalizada da serpentina so quase independentes da temperatura de entrada da gua numa gama bastante alargada que, ao invs, provocam uma variao da potncia de arrefecimento absoluta. A figura 2 a) mostra um exemplo de um permutador de calor com duas temperaturas de gua de entrada. As curvas de transferncia de calor normalizadas (figura 2b) encontram-se quase sobrepostas assim como o caudal limite e o PR. Por outras palavras a forma de curva de transferncia de calor normalizada independente da temperatura da gua de entrada


Figura 2: Capacidade de transferncia de calor, absoluta (a) e normalizada (b), com resultados na limitao do caudal mssico de gua provocados pelas trs estratgias em anlise, limitao de caudal, limitao do delta-T e limitao do caudal/delta-T, assumindo um aumento de 2K na temperatura de entrada da gua refrigerada, de 6 para 8C. Considerando apenas variaes da temperatura da gua, a limitao do caudal da gua a melhor estratgia para prevenir que o mesmo entre excessivamente na zona de saturao. Em contraste, a limitao de delta-T conduz a um desvio bastante acentuado do ponto de referncia PR. O resultado obtido com a limitao de caudal/delta-T encontra-se entre os resultados obtidos com as estratgias de limitao de caudal e de delta-T. O mesmo comportamento pode ser observado com temperaturas de entrada do ar distintas; a transferncia de energia normalizada pelo limite mximo de transferncia independente da temperatura de entrada do ar com resultados de controlo similares. 4 - Caso 2: Variaes do Caudal e Humidade do ar de entrada Assumindo constantes a temperatura da gua, a temperatura e humidade do ar de entrada as curvas de capacidade normalizada de arrefecimento tomam aspectos muito distintos para os casos de transferncia alta e baixa de calor, tal como se mostra na Figura 3. As simulaes mostram que a capacidade da serpentina tem um comportamento quase perfeito em funo do delta-T considerando a estratgia de limite do delta-T a ponto de se aproximar bastante do PR. Ao invs o limite de caudal no evita a entrada em plena saturao da serpentina. A limitao caudal/delta-T conduz a um resultado intermdio em relao s duas estratgias anteriores.

0

0

1

PR

b)

a)Transferncia de calor elevadaTransferncia de calor baixaDelta T elevadoDelta T baixo

Transferncia de calor elevadaTransferncia de calor baixaPonto de refernciaLimite do caudalLimite ?TLimite caudal/?T

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Limite do delta-TLimite de caudal/delta-T


Figura 3: Capacidade de transferncia de calor absoluta (a) e normalizada (b) com resultados na limitao do caudal mssico de gua provocados pelas trs estratgias de limitao em anlise, limitao de caudal, limitao do delta-T e limitao do caudal/delta-T, assumindo um factor de reduo 6 no caudal mssico do ar. As escalas das curvas normalizadas no caso de fazermos variar a humidade do ar dependem fortemente da existncia ou no da condensao na serpentina, ou seja, se h ou no mudana de estado da gua contida no ar. Quando se d o fenmeno da condensao (desumidificao), o que tipicamente ocorre numa serpentina de arrefecimento, os resultados obtidos so muito semelhantes aos anteriores, para o caso de variao do caudal de ar. Conclui-se assim que a estratgia de limite do delta-T tambm a melhor soluo para os casos em que se verifique variaes da humidade do ar. vulgar observar-se nas instalaes de caudal de ar varivel que a gua refrigerada e o caudal de ar de entrada na serpentina variem simultaneamente. Neste caso, qual a melhor estratgia de limitao? Os resultados obtidos nos sistemas de caudal de ar constante reflectem os encontrados para sistemas de caudal de ar varivel nos quais a limitao de caudal/delta-T a melhor estratgia conforme se pode comprovar no captulo seguinte. necessrio, contudo, tomar as devidas precaues quanto escolha do valor limite do delta-T: pode ocorrer uma forte limitao da transferncia de calor no caso, habitual, de variao simultnea das vrias variveis. Por seu lado o limite de caudal pode originar o efeito inverso, ou seja, limitar tarde de mais, conduzindo a uma saturao excessiva da serpentina. Chegou-se concluso que o limite do quociente caudal/delta-T a estratgia que previne uma temperatura de gua de retorno demasiado baixa e, simultaneamente mantm, ou mesmo excede, a performance normalizada da serpentina nas situaes de carga elevada.

0

1

PR

b)

a)Transferncia de calor elevadaTransferncia de calor baixaDelta T elevadoDelta T baixo

Transferncia de calor elevadaTransferncia de calor baixaPonto de refernciaLimite caudalLimite ?TLimite caudal/?T

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Limite do delta-T

Limite de caudal/delta-T


5 - Aplicao s medies de campo Foi levado a cabo um estudo de campo nas faculdades do Massachusetts Institute of Technology (MIT) e da University of Colorado Boulder (UCB) durante a estao fria de 2011. No decurso deste estudo de campo, foram recolhidos dados de elevada preciso nos permutadores de calor. As variveis, registadas em intervalos de 30 segundos, incluram o delta-T atravs do permutador de calor e o caudal mssico de gua atravs da serpentina. Utilizando estes conjuntos de dados, as trs estratgias de gesto das serpentinas foram aplicadas e comparadas, conforme ilustrado nas Figuras 4 (MIT) e 5 (UCB). Para os dados apresentados nestas figuras, o caudal de gua no foi restringido, intencionalmente, durante a operao real, e as estratgias de gesto foram aplicadas numa subsequente anlise da simulao para evidenciar as restries que teriam ocorrido caso essas estratgias tivessem sido implementadas.

Figura 4: Estratgias de gesto das serpentinas com limitao de caudal (a), limitao de delta-T (b) e limitao de caudal/delta-T (c) aplicadas s medies obtidas na unidade de tratamento de ar do MIT. Podemos observar na Figura 4 a capacidade da serpentina a aumentar com o caudal mssico de gua refrigerada de modo exponencial, revelando saturao a caudais elevados. A aplicao das estratgias de gesto das serpentinas torna-se evidente pela separao das zonas claras e escuras. Analisando a Figura 4a, pode notar-se que o ponto de saturao diferente para as curvas envolventes superior e inferior. Apesar de terem sido observados resultados favorveis no MIT ao aplicar tanto estratgias de

a)

b)

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x 10

x 10

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1 2 4 53

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Caudal sem restriesCaudal restringido

Caudal de gua [kg/s]

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limitao de caudal como de delta-T, os resultados da simulao apresentados na Figura 4 evidenciam que a limitao de caudal/delta-T iria conduzir a resultados favorveis compreendidos entre as estratgias de caudal e de delta-T.

Figura 5: Estratgias de gesto de serpentinas com limitao de caudal (a), limitao de delta-T (b) e limitao de caudal/delta-T (c) aplicadas aos dados obtidos numa unidade de tratamento de ar da UCB. Na Figura 5, pode-se constatar tendncias similares na UCB s observadas na fig.4 referentes ao MIT. Em particular, a estratgia de gesto de delta-T parece limitar o caudal prematuramente tendo em considerao o ponto de referncia seleccionado. Os dados sugerem que a limitao de caudal/delta-T ligeiramente superior estratgia de gesto de limitao de caudal. No decurso das experincias levadas a cabo, a seleco do ponto de referncia foi particularmente importante. Uma vez que a finalidade das estratgias de gesto de limitao conseguir o equilbrio apropriado entre o desempenho da serpentina e a optimizao da transferncia de energia, a seleco deve ser realizada com muito cuidado. Uma seleco incorrecta do limite, no permitindo que a serpentina chegue zona de saturao dever ser evitada.

b)

c)

x 10

x 10

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4

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[W]


6 - Concluses Os permutadores de calor recorrentemente so forados a funcionar num regime que provoca um abaixamento excessivo da temperatura da gua de retorno; acima de um determinado valor, aumentar o caudal de gua resulta num aumento marginal da transferncia de energia. Implementar uma estratgia para evitar esse abaixamento excessivo bastante positivo do ponto de vista da racionalizao energtica. A eficincia da instalao central - grupos geradores de gua quente e fria e respectivos circuladores - aumenta com a diminuio do caudal de gua e com a elevao da temperatura da gua de retorno. A energia elctrica despendida nos circuladores baixa significativamente em consequncia directa da diminuio de caudal. Neste estudo analismos trs estratgias de limitao de caudal de gua refrigerada atravs da serpentina do permutador de calor de modo a evitar a zona de saturao. A performance das serpentinas de aquecimento e arrefecimento complexa e depende fortemente das temperaturas de entrada e caudais, tanto da gua como do ar, bem como da humidade do ar. Dependendo de qual destas variveis dominante, quanto s suas flutuaes, os melhores resultados, no que diz respeito transferncia de energia, poder-se- escolher a melhor estratgia de limitao de caudal.

Tabela 1. Classificao das Estratgias de Gesto da Serpentina (Permutador de calor)

Varivel predominante (1)

Limitao de caudal

Limitao de delta-T

Limitao de caudal/delta-T

Temp.de entrada de gua 1 3 2 Temp. de entrada de ar 1 3 2

Humidade de entrada de ar 3 1 2 Caudal de ar 3 1 2

(1) Quanto sua prpria flutuao (variao) A tabela 1 sintetiza a classificao de cada uma das estratgias de limitao de caudal em funo da varivel predominante quanto sua prpria flutuao. Ficou demonstrado que a limitao de caudal a estratgia preferencial quando apenas varia a temperatura da gua ou do ar. Quando mudanas da humidade ou do caudal de ar dominam a transferncia de calor, a limitao de delta-T a soluo preferencial para controlar o desempenho da serpentina. Quando todas as condies de entrada mudam em simultneo, conforme exemplificado nas Figuras 4 e 5, a limitao de caudal/delta-T apresenta-se como a soluo mais eficaz para manter um bom desempenho da serpentina e evitar a saturao.


Nomenclatura E = taxa de energia transferida do permutador de calor = caudal mssico do fluido, sob controlo, que atravessa o permutador de calor T = diferena da temperatura do fluido, sob controlo, ao atravessar o permutador de calor cp = calor especfico do fluido, sob controlo, que atravessa o permutador de calor


Referncias Brandemuehl, M.J., Gabel, S., and I. Andersen. 1993. A toolkit for secondary HVAC system energy calculations (629-RP). ASHRAE Fiorino, D.P. 1996. Twenty-five ways to raise your chilled-water temperature differential. AHSRAE Transaction. 102(1): 567-572. Harrel, J.M. and J.A. Mathias. 2009. Improving efficiency in a campus chilled water system using energy analysis. ASHRAE Transactions. 115(1): 507-522. Henze, G.P., Henry, W., and M. Thuillard. 2013. Improving campus chilled water systems with intelligent control valves: A Field Study, pp. 103-112. Proceedings of the 2013 ASCE Architectural Engineering Conference, April 2-5, 2013, State College, PA. Hyman, L.B. and D. Little. 2004. Overcoming low delta-T, negative delta-P, at large university campus. ASHRAE Journal. February. 28-34. Ma, Z. and S. Wang. 2010. Enhancing the performance of large primary-secondary chilled water systems by using bypass check valve. Energy. doi:10.1016/j.energy.2010.10.042. Reed, M.A., and C.Davis. 2007.Chilled water plant savings at no cost. Energy Engineering. 105(2):59-76. Taylor, S.T. 2002. Degrading chilled water plant delta-T: causes and mitigation. ASHRAE Transactions. 108(1): 641-653. Taylor, S.T. 2006. Chilled water plant retrofit a case study. ASHRAE Transactions. 112(2): 187-197.

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