Por Agenor Gomes Pinto Garcia* e Bruce Rowse**
5. Modelagem
Agora podemos generalizar os conceitos para ter uma visão mais abrangente da questão.
Figura 8 – Modelando o problema
Estamos tratando de fluxos de energia, com:
- uma entrada de energia
- equipamentos que a utilizam para prover serviços de energia (alguns afetados pela AEE e outros não) e
- serviços da energia, cujo controle afeta o fluxo de energia na entrada. Eventualmente, a conversão da energia passa por fases intermediárias, que podem também ser utilizadas para avaliar a economia de energia proporcionada pela AEE.
Por exemplo, os fluxos de energia associados com um chiller são:
- Um alimentador elétrico
- O chiller converte a energia produzindo água gelada
- Bombas, ventiladores e trocadores de calor convertem a água gelada em ar refrigerado
- O ar refrigerado produz conforto térmico (o serviço da energia).
Alguns exemplos de como a energia se converte em serviços de energia estão na Tabela 2.
Tabela 2 – Exemplos de uso da energia para definição da M&V
Algumas passam por estágios intermediários, outras não. No caso do ar condicionado de expansão direta, podia se considerar o ar refrigerado como uma variável intermediária também. Há, portanto, várias maneiras de se medir o consumo e as variáveis independentes para se fazer a M&V, como abaixo, configurando as diversas abordagens de definição da fronteira e pontos de medição.
Figura 9 – Medição da energia
A medição da energia pode ser feita somente na alimentação dos equipamentos afetados pela AEE, que seriam as Opções A e B do PIMVP, ou englobar mais equipamentos, que seria a Opção C.
Figura 10 – Medição das variáveis independentes
A medição das variáveis independentes pode-se dar:
- no que afeta o uso final (por exemplo, temperatura externa e ocupação afetam o condicionamento ambiental, ou a produção afeta o gás que alimenta a caldeira)
- em uma variável intermediária (nos exemplos acima, a água gelada em um sistema de ar condicionado central, e o vapor na caldeira)
- ou até nos serviços não cobertos pela AEE (por exemplo, uma grande atualização da iluminação de um prédio pode ser medida pela Opção C, mas a variação da energia da linha de base é explicada pelo uso do ar condicionado, já que a iluminação é praticamente fixa).
Assim, poderíamos definir três grandes grupos de fronteiras de medição, como abaixo.
Figura 11 – Fronteira de medição larga (instalação)
A primeira opção de fronteira de medição seria o uso de toda a instalação, o medidor da companhia de energia na entrada e a medição das variáveis que afetam o serviço da energia mais significativamente. As vantagens desta abordagem são: a linha de base provavelmente deve estar pronta, porque os dados de entrada são os da fatura de energia e os de saída são normalmente controlados pelo dono da instalação; não há custos de medição adicional; a variação da energia e da economia estão relacionadas diretamente a variáveis acompanhadas pela instalação. As desvantagens: há muitos fatores estáticos, tanto os relativos aos equipamentos não afetados pela AEE, quanto na configuração da instalação. Esta opção, portanto, é focada na instalação.
Figura 12 – Fronteira de medição estreita (equipamento)
No outro extremo está a opção focada no equipamento. A medição da energia é feita no alimentador do equipamento afetado e a variável independente é a saída do equipamento (água gelada no chiller, vapor na caldeira, vazão da bomba, etc.). Os custos de medição são altos, porém o controle do equipamento é muito bem feito, e há poucos fatores estáticos.
Figura 13 – Fronteira de Medição intermediária
Entre as duas opções acima, existe um meio termo, que consiste na medição na entrada do equipamento (Opção B ou A) porém correlaciona com as variáveis da instalação. A vantagem em relação à primeira opção (toda a instalação) é que há menos fatores estáticos, representados pelos equipamentos não afetados pela AEE. A desvantagem é que deve-se instalar um medidor e medir a linha de base. Em relação à segunda opção (fronteira estreita), a vantagem é que as variações da energia e da economia são explicadas por variáveis características da instalação – usualmente bem entendidas pelos donos ou gerentes da instalação; a desvantagem é que tem todos os fatores estáticos da instalação.
6 Outro exemplo interessante
Outro exemplo (proposto por John Cowan) que ilustra bem a questão da fronteira de medição é o apresentado abaixo, que trata de uma AEE em um forno, que aproveita o calor residual da combustão por meio de um trocador de calor instalado na chaminé.
Figura 14 – AEE em forno industrial – situação inicial
A Figura 14 apresenta a situação da linha de base: o forno é aquecido por gás, misturado com ar que fornece o oxigênio necessário à combustão. Um sistema de controle mantém a temperatura constante no interior do forno. Um ventilador no queimador força a circulação de ar no forno, cujos gases residuais saem pela chaminé, ainda com uma temperatura elevada. Uma esteira transportadora conduz os lingotes à fornalha para serem aquecidos e submetidos à extrusão.
Figura 15 – AEE em forno industrial – situação após a AEE
Com o trocador de calor, o ar de combustão é pré-aquecido a 550 ⁰C, diminuindo a necessidade de calor na combustão e reduzindo o consumo de gás. Claro que, para dimensionar o trocador, é necessário estimar-se a vazão de ar e as temperaturas na entrada e saída do trocador. Nesta fase de “diagnóstico” da AEE, estima-se também o rendimento do trocador e o impacto da mudança de temperatura do ar na combustão e a redução do gás. É natural que os especialistas envolvidos nesta fase de engenharia queiram ver como o equipamento se comporta e tenderiam a propor a seguinte estrutura de M&V:
Figura 16 – Abordagem 1 de M&V
Colocando-se medidores de temperatura na entrada e saída do trocador e medindo-se a vazão de ar se conseguiria medir o calor aportado ao ar de combustão. No entanto, a pergunta da M&V não é se o trocador está funcionando bem, é quanto gás se economizou. Assim, ou colocaríamos mais medidores ou faríamos estimativas bem “fortes” para estimar a redução do consumo do gás. Já que queremos saber a redução do gás, porque não o medir diretamente? E também o que faz variar o seu consumo, a produção?
Figura 17 – Segunda abordagem de M&V
Com a medição do gás na entrada e a produção na saída pode-se estabelecer o modelo da linha de base e calcular a redução do consumo de gás no período de determinação subtraindo-se o consumo do gás do calculado pelo modelo da linha de base.
Como os limites da medição são o medidor de gás e a produção, pode-se traçar a fronteira de medição como apresentado na Figura 17. Outra análise interessante é o que acontece com o ventilador do queimador. Se não pensamos na fronteira como fluxo de energia (gás – ar quente – aquecimento das peças – aquecimento do ar entrante), poderíamos vê-lo como dentro da fronteira. No entanto, como é alimentado por eletricidade, este fluxo está obviamente fora da fronteira de medição, que mede apenas gás e produção. Se os cálculos apontarem que este efeito é significativo, poder-se-ia acrescentar um medidor de eletricidade ao motor do ventilador, ampliando-se a fronteira de medição para incluir os dois fluxos, gás e eletricidade.
[FIM DE PARTE 2]
Referências
EVO – Efficiency Valuation Organization. Protocolo Internacional de Medição e Verificação de Performance: Conceitos Básicos. Sofia: EVO, 2016.
GERBI – Redução da Emissão de Gases de Efeito Estufa na Indústria Brasileira. Caso de Estudo de M&V: Recuperador de Calor em Forno. Apresentações em Power Point. Problema inicialmente sugerido por John Cowan. Rio de Janeiro: GERBI, 2003.
(*) Agenor Garcia is an energy efficiency and M&V consultant based in Brazil, technical director of CTC Experts. Agenor is a member of EVO's Extended Training Committee and an EVO L3 accredited instructor.
(**) Bruce Rowse is a consultant with 8020Green and is based in Australia. Bruce is the chairman of EVO's Extended Training Committee and an EVO L3 accredited instructor.
