Sistemas HVAC vêm em várias configurações que diferem significativamente umas das outras. Por exemplo, um sistema de ar condicionado baseado em unidades rooftop é drasticamente diferente de uma instalação de refrigeração. No entanto, as instalações HVAC têm um denominador comum: utilizam motores elétricos sujeitos a cargas variáveis. Independentemente de estes motores serem usados para acionar compressores, bombas de água ou ventiladores, há uma grande oportunidade de economizar energia otimizando a operação em carga parcial.
Em geral, operar um motor em velocidade parcial é mais eficiente em termos energéticos do que fazê-lo funcionar intermitentemente em velocidade máxima.
- A operação intermitente proporciona apenas economias lineares. Por exemplo, um ventilador de torre de resfriamento com ciclo de trabalho de 80% consome 20% menos energia do que um ventilador idêntico operando em tempo integral.
- A redução da velocidade do motor proporciona economia cúbica.. Por outro lado, desacelerar um ventilador para 80% da velocidade reduz o consumo de energia em quase 50%. O fluxo de ar médio é igual ao de um ventilador funcionando com potência máxima 80% do tempo, mas a economia é significativamente aumentada graças ao controle de velocidade.
O controle de velocidade pode ser realizado com drives de frequência variável (VFD), e possuem uma ampla gama de aplicações em sistemas HVAC devido à natureza cíclica das cargas. É importante observar que os VFDs também são conhecidos como drives de velocidade variável (VSD), drives de frequência ajustável (AFD) ou drives de velocidade ajustável (ASD).
Motores de potência fracionada em sistemas HVAC de pequena escala também podem obter economias significativas com controle de velocidade. A principal diferença aqui é que os motores comutados eletronicamente (ECMs) são mais econômicos do que os VFDs nessas aplicações.
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Como funciona o inversor de frequência variável
Conforme explicado nos livros didáticos de engenharia elétrica, a velocidade de um motor elétrico é definida pela frequência da fonte de alimentação e sua construção interna. Por exemplo, um motor funcionando a 1.800 RPM com fonte de alimentação de 60 Hz nos EUA funcionaria a 1.500 RPM no Reino Unido, onde a frequência é de 50 Hz. Assim, se um motor for adequado para operação em frequência reduzida, sua velocidade poderá ser reduzida durante condições de carga parcial para obter economia de energia. Os VFDs são conectados entre a fonte de alimentação e o motor, ajustando a tensão e a frequência como meio de controle de velocidade.
Em aplicações onde apenas a alimentação monofásica está disponível, os VFDs podem ser usados para integrar motores trifásicos e, ao mesmo tempo, alcançar os benefícios de eficiência energética: existem modelos capazes de produzir uma tensão trifásica a partir de uma entrada monofásica, enquanto ajustam a magnitude e frequência para controlar a velocidade do motor.
Além de melhorar a eficiência energética, os VFDs permitem a partida suave dos motores aumentando gradualmente a tensão e a frequência, em vez de aplicar diretamente a tensão total a 60 Hz. Os motores elétricos consomem de cinco a oito vezes sua corrente nominal quando iniciados diretamente, e a queda de tensão resultante da corrente de partida pode danificar equipamentos sensíveis.
A principal limitação dos VFDs é que eles produzem um fenômeno chamado distorção harmônica, onde correntes de alta frequência são induzidas em circuitos ramificados. Contudo, isto pode ser controlado com um filtro harmônico devidamente especificado; este dispositivo absorve distorções de corrente no ponto de consumo, evitando a sua propagação por toda a instalação.
Aplicações VFD em sistemas HVAC
Na maioria dos casos, os VFDs são implantados em sistemas HVAC para controlar a velocidade dos ventiladores, bombas ou compressores.
Ventiladores de torre de resfriamento
O principal objetivo de uma torre de resfriamento é remover o calor de um circuito de água, que pode ser utilizado para resfriamento de processos ou para uma planta de resfriamento. As torres de resfriamento utilizam ventiladores para estabelecer um fluxo de ar, melhorando a remoção de calor por convecção. São ventiladores de descarga aberta, onde não há dutos que criem resistência ao fluxo de ar; portanto, a oportunidade de economia através do controle de velocidade é significativa.
Quando um VFD é implantado em um ventilador de torre de resfriamento, a velocidade normalmente é controlada com base na temperatura da água. Em vez de ligar e desligar o ventilador, ele pode ser acionado em velocidade reduzida para que a água que retorna ao resfriador ou ao processo seja mantida a uma temperatura constante – como explicado anteriormente, a operação em velocidade reduzida é muito mais eficiente do que a operação intermitente em plena velocidade. velocidade.
Unidades de tratamento de ar e unidades de telhado embaladas
Ao contrário dos ventiladores em torres de resfriamento, aqueles usados em AHUs e UTRs embaladas sopram ar em um sistema de dutos, que oferece maior resistência e requer o estabelecimento de uma pressão estática e fluxo de ar específicos. Estas condutas podem ter diversas saídas com caixas de volume de ar variável (VAV), onde o fluxo de ar é controlado individualmente para cada zona através de um registo.
Sem um VFD, o ventilador na AHU ou RTU opera em velocidade máxima e cada caixa VAV é ajustada individualmente. No entanto, esta é uma abordagem ineficiente – se nenhuma das caixas VAV estiver totalmente aberta, a energia está a ser desperdiçada sob a forma de pressão extra. Por outro lado, se o soprador estiver equipado com um VFD, uma estratégia interessante de economia de energia torna-se possível:
- A velocidade do ventilador pode ser reduzida gradualmente enquanto as caixas VAV são abertas gradativamente, para manter o fluxo de ar e a temperatura constantes.
- A temperatura das diferentes zonas não é afetada, mas a pressão é reduzida, poupando energia.
- A redução da velocidade continua até que uma das caixas VAV atinja a posição totalmente aberta. Neste ponto não é possível reduzir ainda mais a velocidade sem afetar as temperaturas interiores.
Há também um benefício de conforto com esta estratégia de controle: a queda de pressão reduzida se traduz em menos ruído, tornando os ambientes internos mais confortáveis.
Controle de velocidade para bombas de água
Os circuitos de água são um elemento-chave de muitas instalações HVAC, incluindo aquelas que utilizam chillers, caldeiras e bombas de calor de fonte de água. Como as cargas de HVAC são variáveis, muitas vezes é necessário ajustar o fluxo de água dependendo da carga total do sistema. Existem três maneiras principais de conseguir isso:
- Válvula de estrangulamento-Uma válvula de estrangulamento é instalada em linha com o fluxo e, como o próprio nome indica, regula o fluxo fechando parcialmente. Este método de controle é simples, mas a perda de pressão resultante representa um desperdício considerável de energia.
- Válvula de recirculação-Com esta abordagem é instalada uma válvula num circuito de recirculação paralelo, que é aberta gradativamente para desviar parte do fluxo de água, reduzindo o fluxo no circuito principal. Neste caso, porém, há também uma perda significativa de energia porque a água recirculada representa potência de bombeamento.
- Controle de velocidade da bomba– A abordagem mais eficiente em termos energéticos é instalar um VFD no motor da bomba. Se for necessário um fluxo de água reduzido, basta reduzir a velocidade da bomba em conformidade. Sem perdas de pressão ou de recirculação, as poupanças alcançadas são significativas. Esta configuração também utiliza uma válvula de estrangulamento por conveniência, mas normalmente é mantida na posição totalmente aberta, uma vez que o VFD regula o fluxo.
Chillers com compressores de velocidade variável
Nos sistemas de ar condicionado com água gelada, o chiller é de longe o equipamento com maior consumo de energia. Portanto, é altamente recomendável instalar o modelo de chiller mais eficiente possível.
Os chillers energeticamente eficientes possuem compressores rotativos helicoidais, capazes de ajustar sua velocidade com um VFD, dependendo das necessidades de resfriamento. Alguns modelos podem apresentar vários compressores individuais para obter maior flexibilidade e maior eficiência em carga parcial.
Quando um chiller é altamente eficiente, a estratégia de controlo baseia-se normalmente na maximização da sua capacidade em vez de operá-lo no ponto de regulação mais baixo possível. As poupanças obtidas através da redução da carga nos sistemas complementares tendem a ser muito maiores do que o consumo extra no chiller. Há exceções, é claro, e somente o monitoramento e o controle podem oferecer a resposta correta 100% das vezes.
Integrando todo o sistema HVAC
Equipar todos os motores de um sistema HVAC com VFDs é um primeiro passo para a eficiência energética, mas os melhores resultados só podem ser alcançados com um sistema de controlo central, capaz de avaliar as condições do edifício e ajustar os pontos de regulação HVAC em tempo real.
A interação entre um chiller e uma torre de resfriamento é um ótimo exemplo de como a engenharia de controle e os VFDs podem ser aplicados às instalações HVAC:
- A redução da velocidade do ventilador da torre de resfriamento aumenta a carga de resfriamento no chiller.
- O inverso também se aplica: reduzir a potência de refrigeração no chiller pode exigir que mais calor seja rejeitado pela torre de resfriamento.
Se o chiller tiver alta eficiência, a melhor opção na maioria dos cenários é reduzir a carga da torre de resfriamento. Porém, apenas um sistema de controle pode equilibrar a operação de ambos os componentes em tempo real. Idealmente, o sistema de controle deve ser capaz de determinar o ponto de ajuste para cada VFD individual, de modo que o consumo de energia seja minimizado no nível total do sistema.
É claro que o desempenho de um sistema HVAC começa na fase de projeto. Para obter melhores resultados, certifique-se de trabalhar com profissionais licenciados e qualificados. Instalar um sistema HVAC eficiente e automatizado desde o início é muito mais barato do que atualizar uma instalação existente.
