Reuso de água na climatização

Por: Ana Paula Basile Pinheiro - Editora da Revista Climatização & Refrigeração

No Centro Administrativo Presidente Trancredo Neves, o reaproveitamento médio de água é de 50.000 litros por dia

(crédito: NT Editorial)

Atualmente as torres de resfriamento de água, resfriadores e condensadores evaporativos tornaram-se importantes opções para eficiência energética em sistemas de climatização.  As tecnologias existentes, para produção de água de reuso, não diferem muito das técnicas usadas no tratamento de águas pluviais e cinzas. Toda água rejeitada do edifício, seja de telhados, lavatórios ou de drenos de condensação, são captadas e tratadas em tanques ou cisternas. O depósito de água de reuso abastece a reposição de água na Torre de Resfriamento e também pode abastecer a água do sistema fechado (água gelada) para climatizar os ambientes internos. “A água que circula em baixa velocidade na bacia das torres provoca a decantação dos sais e sólidos suspensos. Sob esses aspectos, podemos afirmar que os sistemas evaporativos são agentes de purificação da água e do ar. Por tal motivo, utilizando água potável ou de reuso, as torres de resfriamento e condensadores evaporativos exercem uma importante função nos sistemas de ar condicionado, além de ecológica”, explica Bolivar Fagundes, diretor presidente da Annemos.

Fagundes salienta que a água de reuso não é potável, daí a importância da sua adequada destinação.  Por meio de um estudo do edifício é possível quantificar o volume de água que pode ser gerado.  

A quantidade de contaminantes existentes na água a ser tratada, definirá a complexidade do sistema de tratamento. Em função dos problemas relatados, a entidade norte americana EPA desenvolveu padrões para a qualidade da água de reuso em torres de resfriamento, conforme a tabela abaixo.

“A pesar de haver uma consciência ecológica crescente, ainda existem resistências sobre a utilização de água de reuso. Uma política de conscientização e incentivos fiscais pode ser um motivador para acelerar o processo”, diz Fagundes.

Segundo ele, os sistemas que utilizam condensação à água são, em média, 30% mais eficientes energeticamente, se comparados aos sistemas de resfriamento a ar. “Então, a questão é conjugar a equação água x energia”, diz.

Para Fagundes, já é possível ver nas indústrias muitas iniciativas que visam à sustentabilidade. “Hoje já percebemos algumas iniciativas nesse sentido. Em muitos casos, o reaproveitamento das águas servidas, agregado à captação das águas de chuva em telhados, vem sendo suficiente para abastecer torres de resfriamento e/ou condensadores evaporativos e, em alguns casos, ainda produzindo sobras para regar jardins, lavar calçadas etc”, exemplifica. 

Fagundes ressalta que o controle físico e químico da água de reuso é de vital importância para manter uma água circulante limpa e com qualidade adequada. “As pesquisas e desenvolvimentos de sistemas de reuso de água têm avançado rapidamente, não só para resfriamento de sistemas, como também para consumo em agricultura, postos de lavagem automotiva, residências, prédios comerciais etc”, afirma.

A seguir, o diretor da Annemos dá um exemplo teórico de como poderia operar uma instalação de ar condicionado, com condensação à água, utilizando-se água de reuso: “Vamos considerar um prédio de escritórios com 2000 m², ocupação média de 400 pessoas e potência de ar condicionado aproximada de 100TR, cujo consumo de água em pia de lavabo e copa é de 15 litros por pessoa/dia (segundo informações de fabricantes de louças e metais), totalizando 6000 litros/dia. A água de reposição necessária para oito horas de funcionamento da torre, neste caso, é de 5000 litros aproximadamente. Se coletarmos essa água em cisternas e ainda adicionarmos a água coletada da chuva, tornaremos o sistema de ar condicionado auto-suficiente em água e, ainda, uma boa sobra para molhar jardins, calçadas etc”

Segundo ele, o tanque de captação (cisterna) de água de chuva é imprescindível neste caso, pois além de armazenar a água para reuso, contribui para minimizar inundações de ruas e avenidas nos grandes centros urbanos. Para Fagundes, o exemplo anterior indica que, “usando o nosso poder de pensar, criar, aprender e adaptar, sempre é possível evoluirmos na busca de melhores soluções”.

Premissas de projeto

A premissa, no entender de Sandra Botrel, diretora da Protherm Engenharia, é que o projeto hidráulico tenha feito a previsão da coleta da água de condensação em separado.

“Todos os sistemas de condicionamento de ar liberam água em função da condensação do vapor de água do ar. Antigamente não havia a preocupação de se reutilizar esta água (ela era totalmente descartada, pelo esgoto). Não existe nenhuma “tecnologia” especial. O que ocorre é a captação desta água, por um sistema independente e sua condução até um ponde de reserva (caixa d`água dedicada para o reuso)”, diz Sandra.

Segundo ela nas torres de resfriamento esta água pode até ser utilizada sem nenhum tipo de tratamento. Para outros usos, seria importante um tratamento simples da água.

“Sei de alguns sistemas onde esta água é reutilizada na descarga dos banheiros, sem qualquer tratamento, entretanto, este é um ponto polêmico, pois a água do vaso pode entrar em contato com o homem e neste caso o ideal seria tratá-la. Não que esta água seja suja, mas ela possui uma alta concentração dos poluentes presentes nos ambientes condicionados. O reuso da água de forma geral e da água de condensação reduz o consumo de água tratada das companhias de água, reduzindo em primeiro lugar, a conta  de água paga. Com a redução do consumo, ocorrerá a redução da energia gasta para o bombeamento desta água pela concessionária”.

Sandra cita o processo para o reuso e reaproveitamento de água em duas obras, uma é a do Centro Administrativo Presidente Trancredo Neves, sede do governo de Minas Gerais, em Belo Horizonte, inaugurado em 2010; e o Edifício Forluz, obra ainda em execução, pleiteando o LEED na categoria Gold.

No Centro Administrativo Presidente Trancredo Neves o reaproveitamento médio de água é de 50.000 litros por dia, e no Edifício Forluz é previsto um reaproveitamento médio 7500 litros/dia nas torres de resfriamento. “Nos casos que utilizamos o reaproveitamento não foi feito o estudo de pay-back. Na verdade a utilização foi definida em função de ser uma medida sustentável. Nos projetos comuns esta água seria jogada direto no esgoto”, revela Sandra.

Nas torres de resfriamento do Centro Administrativo, a água reaproveitada foi utilizada para diversos fins

Transformando a perda em ganho energético

De acordo com Fagundes, o meio mais eficaz de trocar calor é através da água. Uma torre de resfriamento consome, aproximadamente, três vezes menos energia que um resfriador a ar. Hoje, as torres de resfriamento são projetadas para garantir o mínimo de perdas de água por arraste e respingos. No passado, as perdas de água por arraste representavam 0,1% a 0,2 % da vazão total de recirculação e hoje correspondem a 0,05%. Além disso, a água evaporada na torre é devolvida à natureza em forma de vapor limpo.

“O menor consumo elétrico proporcionado por um sistema de condensação a água reduz a necessidade de geração de energia e os impactos ambientais decorrentes. No Brasil, temos várias instalações comerciais e industriais consumindo água de reuso em seus sistemas de climatização e refrigeração”, diz Fagundes.

Segundo ele a redução de consumo elétrico deve ser planejada em todas as instalações, sejam comerciais, industriais ou residenciais. “Por tal motivo, ressalto a importância das torres de resfriamento na obtenção de eficiência energética nas instalações. A água é um recurso natural de vital importância, por tal motivo, o seu uso deve ser cada vez mais responsável. A captação de águas de chuva e/ou de reuso (águas cinzas) deve ser considerada  para minimizar o consumo de água potável e na economia de energia”.

Fagundes acrescenta que o consumo de energia elétrica nos ventiladores das torres pode ser reduzido, significativamente, valendo-se das variações climáticas e de carga térmica.  Manter a capacidade da torre constante não significa que se tenha que manter o approach constante e/ou o range constante. Com a redução das temperaturas de bulbo seco e úmido, a temperatura de saída dos condensadores invariavelmente já tem redução, portanto uma condição de temperatura de saída mais favorável. A remoção de calor da água depende das entalpias de entrada e de saída do ar na torre. A retirada de calor da água em uma Torre acontece com os percentuais próximos a 80% por calor latente e 20% por calor sensível, porém os percentuais variam quando a Temperatura de Bulbo Seco (TBS) reduz. Quando acontece redução da TBS, ocorre uma redução da evaporação, redução do Dx do ar e menor consumo de água.

Fagundes faz um comparativo abaixo:

Exemplo 1: Potência de dissipação de calor = 449.045 kcal/h

TBS = 34°C 

TBU = 26°C 

Tea=35°C

Tsa= 29,5°C

Entalpia de entrada = 19,22 kcal/kg 

Entalpia de saída = 28,62 kcal/kg   

DH= 9,4 kcal/kg

Umidade de entrada= 18,05 g/kg    

Saída = 33,42 g/kg       

Dx = 15,37 g/kg

Massa específica do ar na saída = 1,091 kg/m3

Calor total removido = 1,091 kg/m3 x ?H = 10,2554 kcal/m³

Consumo de água por evaporação: 1,091 kg/m3 x ?x = 16,76 g/m3

Calor latente removido = 0,597 kcal/g x 16,76 g/m3 = 10,01 kcal/m3

% de Calor latente = 97,6%

 Exemplo 2: Potência de dissipação de calor= 450.119 kcal/h

TBS = 15°C 

TBU = 10°C

Tea = 25,5°C 

Tsa = 20°C

Entalpia de entrada = 6,98 kcal/kg 

Saída = 15,63 kcal/kg  

DH= 8,65 kcal/kg    

Umidade de entrada= 5,6 g/kg         

Saída = 16,71 g/kg        

Dx = 11,11 g/kg

Massa específica do ar na saída = 1,182 kg/m3

Calor total removido = 1,182 kg/m3 x ?H = 10,2243 kcal/m³

Consumo de água por evaporação: 1,182 kg/m3 x ?x = 13,13 g/m3

Calor latente removido = 0,597 kcal/g x 13,13 g/m3 = 7,839 kcal/m3

% de Calor latente = 76,67%

“Nota-se uma diferença muito pequena no DH x massa específica do ar seco, comparativamente aos dois exemplos, mantendo as potências praticamente iguais. Já a diferença de umidade específica mostra que, com ambiente mais frio o consumo de água diminui e o calor retirado na forma latente também. Como podemos observar, a economia de energia em torres de resfriamento de água depende das condições climáticas, das variações da Temperatura de Bulbo Úmido (TBU) em particular. A redução da TBU torna possível reduzir a vazão dos ventiladores, o que também reduz, significativamente, o consumo elétrico nos mesmos. Como sabemos, a potência para movimentar um fluído varia com o cubo da velocidade ou o cubo da vazão (1ª Lei dos Ventiladores), logo, a redução de rotação em um ventilador, quando possível, é altamente vantajosa quando o objetivo é a redução de consumo elétrico. A utilização de inversores de frequência em ventiladores de torres de resfriamento, não é novidade (muitas Torres da base instalada já contemplam esse acessório),  porém não se quantifica o consumo de energia que o sistema está proporcionando”, diz ele. 

Torre de resfriamento instalada na WEG

Como experimento prático Fagundes descreve o processo aplicado na WEG, fábrica de transformadores, em Blumenau (SC). Ele ressalta que o retorno do investimento deve ser calculado caso a caso. Além da economia direta no custo da água, devem ser levados em conta os benefícios energéticos, ambientais e de certificações.

“Convém salientar que a água  é um bem natural inesgotável e que somente o uso responsável evitará a escassez de água potável, essencial para a preservação da vida no planeta”, conclui o diretor comercial da Annemos.  

Sistemas de resfriamento por torre

Em um experimento prático, em uma torre de resfriamento instalada na fábrica de transformadores da WEG em Blumenau/SC, onde os técnicos da WEG obtiveram dados de consumo elétrico, em um comparativo entre os motores standard originalmente instalados, e motores de altíssimo rendimento acionados por inversor de frequência. No teste realizado, por um período de mais de um ano, foi possível analisar o consumo elétrico em diversas condições climáticas. As variações de temperaturas foram reconhecidas pelo sensor de temperatura, imerso na bacia da Torre, enviando sinal ao inversor de frequência, que comandou a velocidade do motor do ventilador da Torre. “Para confirmação dos dados obtidos, nos coube analisar os aspectos teóricos relativos ao desempenho dos ventiladores em operação na Torre, considerando-se as perdas de carga fixas e variáveis, que pudessem alterar a “lei do cubo””, conta Fagundes, diretor da Annemos. 

As venezianas de entrada de ar, enchimento, eliminadores de gotas e as partes internas estruturais são elementos fixos mas, também, considerou-se fixa a vazão de água e a diferença de temperatura (Range). A água em aspersão apresentou uma resistência ao fluxo do ar mais complexa.  As gotas em queda no fluxo de ar recebem um empuxo para cima, proporcional ao quadrado da velocidade relativa (velocidade de queda da água menos a velocidade do ar ascendente). Quando a velocidade relativa aumenta, com a redução do fluxo de ar, aumenta o número de Reynolds e o coeficiente de empuxo diminui, assim como também a perda de carga.  Esse empuxo menor aumenta a velocidade efetiva de queda da água e reduz o tempo das gotas em suspensão. A superfície de interface tende a diminuir e o desempenho da Torre também, o que exige mais vazão dos ventiladores para manter a performance constante. Em face disso, o software de seleção da Torre teve que ser incrementado para fazer essa convergência automática. Procurou-se verificar se a perda de carga variável  sofreria modificações importantes com a vazão de ar, e se essa modificação seria significativa diante das outras resistências da Torre. Mas isso não se comprovou. Os resultados obtidos serviram de base para o algoritmo de um software dedicado, onde foram considerados os valores de rendimento dos motores e inversores WEG, suas potências, polaridades, perdas e curvas climatológicas de variação da TBU em diferentes cidades no Brasil. O software possibilita o cálculo de consumo elétrico em ventiladores de qualquer Torre de Resfriamento com ventilação mecânica e uma estimativa conservadora de retorno do investimento, bastando informar o valor do kWh da cidade da instalação. A eficiência energética é representada por um conjunto de sistemas e ações que proporcionem as condições de uso da energia da forma mais inteligente e economicamente possível. A energia deve estar disponível sempre que for necessário utilizá-la e, para isso, é preciso que os equipamentos e componentes de uma instalação ofereçam condições para tal conforme tabela abaixo.

“Hoje, vemos muitas iniciativas para se obter menor consumo de energia. O esforço dos projetistas e fabricantes tem sido constante neste sentido, mas cabe também aos usuários acreditarem, investindo em equipamentos e instalações sustentáveis, o que acredito ser cada vez mais um caminho sem volta”, informa Fagundes.

Fonte: Portal E/A