Análise De Eficiência Energética Em Sistemas De Ventilação

ANÁLISE DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM SISTEMAS DE VENTILAÇÃO
INDUSTRIAL
Alex Gomes da Fonseca, Alin de Amaral Martins, Cecília de Melo Batalhone, Décio Bispo, Antônio
Carlos Delaiba.
Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Uberlândia – MG,
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Resumo - O objetivo deste documento é de apresentar
uma metodologia para análise da eficiência energética em
sistemas de ventilação industrial. A análise será dirigida,
mais precisamente ao estudo de um ventilador centrífugo
instalado no Laboratório de Eficiência Energética na
Faculdade de Engenharia Elétrica – UFU.
Palavras-Chave – Eficiência Energética, Ventilador.
ENERGY EFFICIENCY ANALYSIS IN A
INDUSTRIAL FAN SYSTEM
Abstract - The objective of this document is to present
a methodology for the energetic efficiency analysis in
industrial fan systems. The analysis, more precisely, will
be towards the study of a centrifugal fan installed in the
Electric Engineering department’s Energetic Efficiency
Laboratory.
1
Keywords – Energetic Efficiency, Fan.
I. INTRODUÇÃO
A ameaça de esgotamento das reservas de combustíveis
fósseis, a pressão dos resultados econômicos e as
preocupações ambientais, levam-nos a encarar a eficiência
energética como uma das soluções para equilibrar o modelo
de consumo existente e para combater as alterações
climáticas. Aprender a utilizar de forma responsável a
energia de que dispomos é garantir um futuro melhor para as
gerações futuras. No entanto, para que isso ocorra,
precisamos alterar a nossa atitude em relação ao consumo de
energia.
Ao falarmos de eficiência energética, falamos em efetuar
o mesmo trabalho, utilizando a menor quantidade de energia
possível, ou seja, manter a mesma qualidade e eficiência sem
perder as vantagens e conforto oferecido pelo equipamento,
porém consumindo menos energia.
A conservação de energia elétrica é o meio mais barato e
mais limpo existente, pois não agride o meio ambiente. Desta
maneira, a energia conservada, por exemplo, no motor bem
dimensionado pode ser utilizada para iluminar uma creche ou
atender a uma escola, sem ser desperdiçada.
Neste projeto iremos aprofundar em um caso mais
especifico, em sistemas de ventilação industrial, os quais são
amplamente utilizados em diversos processos. São utilizados
para promoverem a circulação de ar condicionado (resfriado
ou aquecido) para o conforto humano, para removerem ar
contaminado de ambientes, para removerem, com auxílio de
uma corrente de gás, particulado sólido gerado em processos
industriais, para promoverem a filtragem de ar de ambientes
críticos e para muitas outras aplicações.
Com a análise desse projeto, pretendemos comprovar
algumas formas de se obter uma maior eficiência em
sistemas de ventilação.
II. DESCRIÇÃO DA BANCADA DE ENSAIO
A bancada do ventilador consiste em um sistema completo
de acionamento. Ela é composta por duas mesas e um painel.
Na primeira mesa está instalado um micro-computador
(CPU, monitor, mouse, teclado e no-break). Este microcomputador é responsável pela supervisão da bancada
através do supervisório Indusoft 6.1. Na segunda mesa estão
instalados dois motores (Standard e Alto Rendimento), o
módulo de carga (com variação de 0 a 120% da carga
nominal do motor) e dispositivos de sensoriamento e
atuação.
O ventilador existente na bancada é classificado como
centrífugo operando com pequenas vazões e grandes
pressões, o mesmo tem a possibilidade de trabalhar com certa
variação de vazão com pouco decréscimo do rendimento e
pode operar com variação de rotação mantendo praticamente
o mesmo rendimento, o qual é excelente para o estudo em
questão [1].
Na Figura 1 temos a bancada de ensaio:
Nota de rodapé na página inicial será utilizada apenas pelo professor
avaliador para indicar o andamento do processo de revisão. Não suprima
esta nota de rodapé quando editar seu artigo.
Fig. 1. Bancada de ensaio
No painel estão instalados os dispositivos de partida
(contator, soft-starter e inversor de freqüência), o controlador
programável (CLP), medidor de grandezas elétricas e
elementos de acionamento e proteção como contatores,
disjuntores e fusíveis:
uma vazão constante no sistema utilizando-se o controlador
de vazão PID.
É aconselhável que se faça a escolha de uma vazão de tal
forma que os motores operem próximos à sua potência
nominal. Sendo assim, para determinar essa vazão procedese da seguinte forma.
•
•
•
•
•
•
Fig. 2. Painel de instalação
Na bancada de ensaio é possível analisar um sistema de
ventilação simulando diversas cargas através de um damper
(equipamento responsável pelo controle de fluxo de ar na
tubulação através da sua abertura e fechamento.) ou de um
inversor de freqüência (dispositivo que converte um sinal
elétrico contínuo em um sinal elétrico alternado em uma
freqüência qualquer, para isso, são utilizadas chaves
eletrônicas.), além de apresentar a possibilidade de comparar
a eficiência de dois motores (1,5 cv), um da linha padrão
(standard) e outro de alto rendimento.
A descrição completa da bancada pode ser encontrada em
[2].
O procedimento descrito acima leva em consideração que
o motor está operando na condição nominal, porém o ensaio
pode ser feito para qualquer carregamento do motor. Mas é
importante que o ensaio dos dois motores seja feito
submetendo-os à mesma condição de carga.
Para a análise de consumo de energia dos dois motores
procede-se assim:
•
•
•
•
III. ENSAIOS
Através da bancada descrita anteriormente podem ser
realizados vários tipos de ensaio para análise de eficiência
energética. Entretanto, este projeto tem como objetivo
mostrar a perda de energia devido à utilização de um motor
com menor rendimento e também devido à utilização de um
sistema mecânico (damper) para controle de vazão de ar.
A. Consumo de motores da linha padrão e de alto
rendimento
Neste momento será apresentado o procedimento a ser
realizado para verificar-se a eficiência energética da bancada
do ventilador no que diz respeito à utilização do motor
standard e do motor de alto rendimento.
O ensaio será realizado submetendo-se os dois motores às
mesmas condições de carga. Para tanto, é necessário fixar
Acople um dos motores ao sistema;
Antes de partir o motor fecha-se o damper
completamente, ou seja, coloque o valor 0 “zero” no
campo <MV> da janela do PID. Para esse procedimento
é necessário que esteja selecionado o controle manual
do damper;
Parte-se o motor através da partida direta (TeSys) ou
partida suave (Soft-starter);
Abre-se a janela de medição das grandezas elétricas e
seleciona-se a leitura de corrente;
Varia-se gradativamente a abertura do damper através do
campo <MV> da janela do PID observando-se o valor
da corrente. Deve-se parar de variar a abertura do
damper assim que a corrente lida atingir o valor nominal
do motor;
Anota-se o valor do campo <MV> para que o ensaio do
outro motor seja feito com a mesma abertura do damper.
Acopla-se o motor Standard ao sistema;
Fecha-se o damper totalmente e aciona-se o motor com a
partida direta ou Soft-starter. É importante partir-se o
motor com o damper fechado para que a partida seja
mais rápida e o motor esteja submetido à corrente de
partida por um período mais curto;
Com o sistema acionado, abre-se o damper na posição
encontrada no procedimento descrito anteriormente;
Ao estabilizar o sistema, ou seja, quando o damper já
estiver aberto na posição desejada e o valor de vazão do
sistema estiver estabilizado, anota-se o valor da potência
elétrica ativa trifásica no sistema. Esta informação se
encontra na janela <Medições>. Escolher as opções
<Potência> e <Ativa>. Além da potência ativa, é
interessante anotar a vazão de ar no sistema para essa
condição.
A seguir é necessário fazer a análise do motor de Alto
Rendimento, para isso, procede-se da seguinte maneira:
•
•
•
Acopla-se o motor de Alto Rendimento ao sistema;
Fecha-se o damper totalmente e aciona-se o motor com a
partida direta ou Soft-starter;
Com o sistema acionado, abre-se o damper na posição
encontrada no procedimento descrito anteriormente.
Neste momento é importante observar se a vazão no
sistema apresenta o mesmo valor quando feito ensaio
com o motor Standard, caso seja diferente, é importante
fazer um reajuste na abertura do damper para que a
vazão no sistema seja a mesma para as duas situações.
O reajuste deverá ser realizado manualmente alterandose o valor do campo <MV> da janela PID;
• Ao estabilizar o sistema, ou seja, quando o damper já
estiver aberto na posição desejada e o valor de vazão do
sistema estiver estabilizado, anota-se o valor da potência
elétrica ativa trifásica no sistema. Esta informação se
encontra na janela <Medições>. Escolher as opções
<Potência> e <Ativa>.
Para uma situação em que tem-se um ventilador operando
por um período de tempo de t op , a economia de energia ao
se utilizar o motor de alto rendimento ao invés do motor da
linha padrão nesse período será de:
Economia = (PSt − PAR ) ⋅ t op
(1)
Onde:
Economia - Economia de energia;
PSt
- Potência no sistema com motor Standard;
PAR
- Potência no sistema com motor de Alto
t op
Rendimento;
- tempo de operação do ventilador em uma
situação genérica.
Em percentual a economia de energia seria:
Eco% =
(PSt
− PAR )
⋅ 100
PSt
•
•
•
•
•
Com os dados obtidos do ensaio descrito anteriormente
pode-se verificar a maior eficiência do sistema quando
utilizado o inversor de freqüência. A economia de energia
deve ser analisada em cada ponto, ou seja, teremos um valor
de economia de energia diferente para cada valor de vazão no
sistema. Para verificar essa economia basta utilizar a equação
seguinte:
Economia = ( Pdamper − Pinversor ) ⋅ top
(3)
Onde:
Economia - Economia de energia;
Pdamper
- Potência ativa para uma dada vazão
Pinversor
utilizando damper;
- Potência ativa para uma dada vazão
top
utilizando inversor de freqüência;
- tempo de operação do ventilador em uma
situação genérica.
Em percentual a economia de energia seria:
- Economia de energia em porcentagem;
B. Controle de vazão de Ar por Damper e por Inversor de
Freqüência
Neste ensaio, pretende-se verificar a eficiência do sistema
de ventilação quando submetido a um controle de vazão de ar
por meio de um inversor de freqüência em substituição ao
damper.
Para a realização do ensaio procede-se da seguinte forma:
•
•
•
(2)
Onde:
Eco%
•
momento do ensaio ou através do banco de dados que
armazena todos os dados necessários durante o ensaio;
Repete-se o procedimento anterior. Porém com o damper
aberto na posição de carga nominal quando se utiliza
partida direta.
Para a obtenção dos diferentes valores de vazão, varia-se
a freqüência do inversor de freqüência na janela
Comando. É importante que os valores de vazão nesse
momento sejam próximos dos valores de vazão do
ensaio realizado com damper.
Constrói-se o gráfico Potência Ativa x Vazão agora
utilizando o inversor de freqüência.
Fecha-se o damper manualmente através da janela PID;
Aciona-se o sistema (motor Standard ou Alto
Rendimento) através da partida direta ou Soft-starter;
Abri-se o damper numa primeira posição e anota-se o
valor da potência elétrica ativa no sistema;
Repete-se o item anterior para várias aberturas do
damper;
Para cada abertura do damper verificar se o sistema não
está operando em sobrecarga, caso esteja, coloca-se o
damper numa posição em que isso não ocorra;
Traça-se um gráfico Potência Ativa x Vazão. Os pontos
para a construção do gráfico podem ser obtidos no
Eco% =
(P
damper
− Pinversor )
Pdamper
⋅100
(4)
Onde:
Eco%
- Economia de energia em porcentagem;
IV. ESTUDO DE CASO
Neste momento será realizado o estudo do sistema de
ventilação do laboratório que é objeto desse trabalho.
Primeiramente será realizado o estudo de eficiência
energética no que diz respeito à utilização do motor de alto
rendimento em substituição ao motor da linha padrão [3].
Posteriormente será analisada a eficiência do sistema quanto
à utilização de um inversor de freqüência em substituição ao
damper. O inversor de freqüência e o damper são utilizados
nos sistemas de ventilação para variarem a vazão de ar no
sistema.
As análises serão realizadas tendo-se como base as
seguintes informações:
menos, sendo assim, pode haver o caso que o erro do motor
de alto rendimento seja para menos, e no motor de linha
padrão para mais, ocorrendo a equivalência de rendimentos
para mesma carga.
A. Consumo de motores da linha padrão e de alto
rendimento
A análise será direcionada a utilização de um motor de
alto rendimento em substituição a um da linha padrão.
Foram realizados os ensaios descritos anteriormente.
Chegou-se aos seguintes resultados:
B. Controle de vazão de Ar por Damper e por Inversor de
Freqüência
A análise agora será direcionada à utilização de um
inversor de freqüência em substituição ao tradicional damper
utilizado para variar a vazão de ar em sistemas de ventilação.
Foram realizados os ensaios descritos anteriormente.
Chegou-se aos seguintes resultados:
1500
1000
AR
LP
500
0
1
2
5
6
8 13 15 19 20
Potência (Watts)
Potência (Watts)
O sistema operará durante 4000 horas no ano, sendo 1400
horas com vazão de 8 m³/min, 1500 horas com vazão de 13
m³/min e 1100 horas com vazão de 18 m³/min;
A tarifa de energia elétrica é de R$ 0,30/kWh
1500
1000
Damper
Inversor
500
0
1
Vazão (m³/min)
2
5
6
8 13 15 19
Vazão (m ³/m in)
Fig. 3. Curva Potência x Vazão
Onde:
LP
AR
Fig. 4. Curva Potência x Vazão
- Linha Padrão
- Alto Rendimento
A partir da análise do gráfico, e dos dados coletados é
possível encontrar os valores de potência para a vazão
desejada. Com esses valores de potência podemos construir a
tabela abaixo.
TABELA I
Ensaio utilizando motores padrão e de alto rendimento
Linha Padrão
Vazão
Pot.
(m³/min)
8
13
18
(W)
Alto Rendimento
Vazão
Pot.
(m³/min)
816
8
998
13
1365
18
Total
(W)
790
952
1303
A partir da análise do gráfico e dos dados coletados no
ensaio, é possível encontrar os valores de potência para a
vazão desejada. Com esses valores de potência podemos
construir a tabela abaixo.
TABELA II
Ensaio utilizando Damper e Inversor de Freqüência
Damper
Tempo de
Economia
Eco
Vazão
Pot.
operação
(kWh)
(%)
(m³/min)
(W)
(horas)
1400
1500
1100
4000
36,4
69
68,2
172,2
3,2
4,6
4,5
4,1
Como pode ser visto na tabela acima a economia de
energia em um ano de operação do sistema de ventilação
substituindo o motor da linha padrão pelo motor de alto
rendimento é de 172,2 kWh/ano, equivalente a 4,1%.
Supondo a tarifa de energia ser de R$ 0,30/kWh, a economia
seria de R$ 51,66/ano. Com base nessa economia, deve se
fazer um estudo de tempo de retorno de investimento para
saber se vale a pena investir. Isso porque os motores de alto
rendimento são mais caros que os da linha padrão devido ao
uso de materiais especiais na construção dos mesmos.
Uma observação que não pode faltar quanto à curva de
Potência x Vazão na fig. 1. na qual em determinados pontos
da curva a potência consumida nos dois motores é a mesma,
podendo até chegar o caso no qual o motor de alto
rendimento gaste mais energia do que o da linha padrão para
a mesma carga, isso ocorre porque na especificação do
rendimento do motor, realizado de maneira indireta, tem se
um erro em torno do valor encontrado para mais ou para
8
13
18
Inversor de
Freqüência
Vazão
Pot.
(m³/min)
790
8
952
13
1303
18
Total
(W)
100
340
1100
Tempo de
Economia
Eco
operação
(kWh)
(%)
1003,8
918
223,3
2145,1
87,7
64,3
15,6
54
(horas)
1400
1500
1100
4000
Como pode ser visto na tabela acima a economia de
energia em um ano de operação do sistema de ventilação
substituindo o uso de damper pelo inversor de freqüência é
de 2145,1 kWh/ano, equivalente a 54%. Supondo a tarifa de
energia ser de R$ 0,30/kWh, a economia seria de R$
643,53/ano. Com base nessa economia, deve se fazer um
estudo de tempo de retorno de investimento, contabilizando o
preço do inversor de freqüência e uma análise do tipo de
carga a qual o motor está acoplado, isso porque existem
algumas cargas onde não se pode usar o inversor de
freqüência como dispositivo de acionamento, como por
exemplo, compressor a pistão, o qual não permite variação
de rotação.
É importante que se faça outra análise relacionada à
qualidade da energia elétrica. Normalmente, os inversores de
freqüência causam muita poluição na rede, isso pode gerar
algumas complicações em determinadas áreas em que o
mesmo será utilizado. Para minimizar os distúrbios causados
pelo uso de inversores são utilizados filtros de harmônicos,
entretanto esses dispositivos são caros. Sendo assim, a
utilização desses equipamentos deve ser incluída no estudo
de viabilidade de implementação do inversor de freqüência
no sistema.
[2] S. F. P. Silva, A. C. Delaiba, D. Bispo, at all –
“Especificação para um Laboratório de Eficiência
Industrial”. II CBEE, Vitória – ES, 2007.
[3] LOCATELLI, E. Programa de Eficientização Industrial
– Módulo Motor Elétrico. ELETROBRÁS/PROCEL.
V. CONCLUSÕES
DADOS BIOGRÁFICOS
A análise realizada nesse projeto permite concluir que é
possível consumir menos energia para realização do mesmo
trabalho em sistemas de ventilação industrial. Algumas
soluções para isso são: a substituição de motores da linha
padrão por motores de alto rendimento, salvo a necessidade
de uma análise do caso, verificando o custo e o retorno do
investimento, outra solução seria a substituição de um
sistema mecânico (damper) de controle de vazão por um
sistema eletrônico (Inversor de Freqüência), ressaltando a
necessidade de uma análise do tipo de carga a ser acionada, e
o custo do inversor
Para finalizar, foi analisada a eficiência de um ventilador
centrífugo de pequeno porte, lembrando que em sistemas
maiores os valores seriam mais expressivos.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] VIANA, A. N. C. Programa de Eficientização Industrial
–
Módulo
Ventiladores
e
Exaustores.
ELETROBRÁS/PROCEL.
Alex Gomes da Fonseca, nascido em 26/03/1986 em
Itumbiara-GO, é estudante de engenharia elétrica na
Universidade Federal de Uberlândia. Integrante do
Laboratório de Eficiência Energética.
Alin de Amaral Martins, nascida em 29/09/1986 em
Uberlândia-MG, é estudante de engenharia elétrica na
Universidade Federal de Uberlândia. Integrante do
Laboratório de Eficiência Energética.
Cecília de Melo Batalhone, nascida em 27/09/1986 em
Uberlândia-MG, é estudante de engenharia elétrica na
Universidade Federal de Uberlândia. Integrante do
Laboratório de Eficiência Energética.
Décio Bispo, é engenheiro eletricista, mestre (1985) e doutor
(2000) pela UNICAMP. Atualmente é professor de Máquinas
Elétricas e Manutenção de Sistemas Industriais na
Universidade Federal de Uberlândia.
Antônio Carlos Delaiba, é engenheiro eletricista, mestre
(1987) e doutor (1997) pela USP/SP. Atua na área de
Qualidade da Energia Elétrica. Professor na Universidade
Federal de Uberlândia.