Uma instalação de aquecimento e resfriamento de 4 tubos contém equipamentos de aquecimento e resfriamento central e é capaz de fornecer água de aquecimento e água gelada ao edifício simultaneamente por meio de quatro tubos (um abastecimento de água de aquecimento, um retorno de água de aquecimento, um abastecimento de água gelada e um retorno de água gelada). O equipamento de aquecimento e resfriamento dentro do edifício conectado a um sistema de 4 tubos terá quatro conexões de tubo, a menos que o equipamento forneça apenas aquecimento ou apenas resfriamento. Nesse caso, o equipamento teria apenas duas conexões de tubulação.
A figura acima é um diagrama esquemático da tubulação para uma planta de aquecimento e resfriamento de 4 tubos que utiliza duas caldeiras de água quente de condensação e dois resfriadores refrigerados a água. O arranjo de bombeamento é primário-secundário para os sistemas de água de aquecimento e água gelada. Ambos os sistemas de aquecimento e água gelada são sistemas de fluxo variável com inversores de frequência variável controlando a velocidade do aquecimento (secundário) e das bombas do sistema de água gelada. Uma das duas bombas mostradas para as bombas do sistema de aquecimento e água gelada e uma das bombas de água do condensador é uma bomba de reserva. Uma bomba de água do condensador separada e uma torre de resfriamento são dedicadas a cada chiller. As válvulas de fechamento automático são projetadas para o abastecimento de água do condensador, retorno e conexões da tubulação do equalizador para isolar a torre de resfriamento ociosa quando apenas um resfriador estiver operando.
Uma planta de aquecimento e resfriamento de 2 tubos contém equipamentos de aquecimento e resfriamento central, mas não é capaz de fornecer água de aquecimento e água gelada para o edifício simultaneamente. Funciona no modo de aquecimento ou no modo de arrefecimento e fornece água de aquecimento ou água refrigerada através de dois tubos (um de abastecimento de água de dupla temperatura e um de retorno de água de dupla temperatura) ao edifício. O equipamento de aquecimento e resfriamento dentro do prédio que está conectado a um sistema de 2 tubos terá duas conexões de tubo.
A figura acima é um diagrama esquemático da tubulação para uma instalação de aquecimento e resfriamento de 2 tubos que utiliza duas caldeiras de água quente de condensação e um resfriador de água quente. O arranjo de bombeamento quando a planta está operando no modo de aquecimento é um sistema de bombeamento secundário primário com uma bomba primária dedicada a cada caldeira para garantir um fluxo constante de água através de cada caldeira de condensação. As bombas do sistema de água de dupla temperatura são de velocidade constante e funcionam como bombas secundárias.
Uma das duas bombas mostradas para as bombas do sistema de água de temperatura dupla e as bombas de água do condensador é uma bomba de reserva.
No modo de resfriamento, a planta opera em um arranjo de bombeamento primário. Nesse arranjo, o sistema de água de dupla temperatura deve ser um sistema de fluxo constante para manter um fluxo constante de água através do resfriador durante a operação de resfriamento. Se uma bomba primária fosse projetada para o resfriador, o sistema de água de temperatura dupla poderia ser um sistema de fluxo variável com acionamentos de frequência variável controlando a velocidade das bombas de água de temperatura dupla (secundárias).
Considerações de projeto
As considerações de projeto para plantas de aquecimento e resfriamento de 4 tubos e 2 tubos são as seguintes:
É comum projetar redundância para os equipamentos em sistemas de aquecimento (como caldeiras e bombas) porque o congelamento do edifício pode ocorrer se o sistema de aquecimento for perdido. Por outro lado, não é comum projetar redundância para os equipamentos em sistemas de resfriamento (como chillers e bombas) porque o resfriamento de conforto geralmente não é considerado crítico. No entanto, os sistemas de resfriamento que atendem a funções críticas, como computadores ou instalações de saúde, podem exigir equipamentos de resfriamento redundantes.
Como normalmente é necessária alguma redundância nas caldeiras, é comum que cada uma das duas caldeiras em um sistema de 4 ou 2 tubos seja dimensionada para dois terços da carga de aquecimento de pico do edifício. Isso fornece 67% de redundância para manter a temperatura do edifício acima de zero se uma caldeira falhar.
Para sistemas pequenos, é comum utilizar um sistema de bombeamento primário de fluxo constante. No entanto, para sistemas maiores (onde a energia de bombeamento é significativa), um sistema de bombeamento primário-secundário é recomendado porque o fluxo do sistema (ou secundário) pode ser variado para reduzir o uso de energia da bomba secundária. Em um sistema de bombeamento primário-secundário, cada peça do equipamento primário, como uma caldeira ou resfriador, possui uma bomba primária dedicada. A economia de energia também é alcançada com os sistemas de bombeamento primário-secundário por meio do escalonamento no equipamento primário (e bombas associadas) em resposta à carga do sistema.
As figuras acima ilustram um sistema de bombeamento primário de fluxo constante e um sistema de bombeamento primário-secundário. Observe que um sistema de bombeamento primário-secundário requer um tubo comum que une os loops de bombeamento primário e secundário. O tubo comum deve ser dimensionado para o fluxo secundário completo e deve ter no máximo 10 diâmetros de tubo de comprimento para reduzir qualquer mistura indesejada e manter a perda de pressão através deste tubo a um mínimo absoluto.
É comum fornecer redundância total para a bomba do sistema (ou bomba secundária em um sistema de bombeamento primário-secundário) projetando duas bombas, cada uma dimensionada para circular o fluxo total. Uma bomba estará sempre funcionando enquanto a outra bomba está disponível em modo de espera caso a bomba principal falhe.
Um sistema de bombeamento primário-secundário é quase sempre usado para caldeiras de alta eficiência (condensação) por causa de sua necessidade de fluxo de água constante. Algumas caldeiras de alta eficiência são equipadas com bombas primárias instaladas dentro das próprias caldeiras para garantir que os trocadores de calor recebam o fluxo mínimo de água necessário. Conforme mencionado anteriormente neste capítulo, algumas caldeiras de condensação não exigem mais uma vazão mínima para operação adequada. Como resultado, essas caldeiras podem ser conectadas a um sistema de aquecimento de água que utiliza um arranjo de bombeamento primário de fluxo variável.
Uma estratégia de controle comum para sistemas de aquecimento de água é redefinir a temperatura da água de aquecimento fornecida ao equipamento de aquecimento do edifício com base na temperatura externa. Esta estratégia permite um melhor controle da temperatura ambiente e também reduz a perda de calor do sistema de tubulação de água de aquecimento durante a operação de carga parcial.
Uma programação comum de reinicialização da água de aquecimento para caldeiras sem condensação é a seguinte:
- Temperatura de abastecimento de água de aquecimento de 180°F quando a temperatura externa é de 0°F.
- Temperatura de abastecimento de água de aquecimento de 140°F quando a temperatura externa é de 50°F.
A temperatura de alimentação da água de aquecimento varia proporcionalmente entre 180 e 140°F enquanto a temperatura externa varia entre 0 e 50°F.
No entanto, como mencionado anteriormente, as caldeiras sem condensação devem manter um mínimo de 140°F de temperatura da água de retorno; assim, não seria possível atingir o cronograma de reinicialização listado acima, reiniciando a temperatura de alimentação da água de aquecimento das caldeiras. Portanto, a adição de uma válvula misturadora de 3 vias para misturar o retorno da água de aquecimento com o fornecimento de água de aquecimento é necessária para redefinir a temperatura do fornecimento de água de aquecimento com base na temperatura externa.
Um cronograma comum de reinicialização da água de aquecimento para caldeiras de condensação é o seguinte:
- Temperatura de abastecimento de água de aquecimento de 140°F quando a temperatura externa é de 0°F.
- Temperatura de abastecimento de água de aquecimento de 90°F quando a temperatura externa é de 50°F.
A temperatura de alimentação da água de aquecimento varia proporcionalmente entre 140 e 90°F conforme a temperatura externa varia entre 0 e 50°F.
A redefinição da temperatura da água de aquecimento é realizada com caldeiras de condensação simplesmente redefinindo a temperatura de fornecimento de água de aquecimento das caldeiras com base na temperatura externa. Conforme mencionado anteriormente, a eficiência das caldeiras de condensação aumenta à medida que a temperatura da água de retorno diminui.
É melhor utilizar o mesmo critério de dimensionamento de tubos para a planta central que é usado para o sistema de distribuição.
O conjunto de água de reposição para todos os sistemas fechados consiste em um desconector, válvula redutora de pressão e válvulas de fechamento.
A caldeira deve ser instalada no ponto de menor pressão desenvolvida pela bomba do sistema de aquecimento de água (lado de sucção da bomba) pelas razões discutidas anteriormente.
Para plantas de resfriamento que consistem em vários chillers resfriados a água, é comum que cada chiller tenha uma torre de resfriamento dedicada (ou célula da torre de resfriamento dentro de uma torre de resfriamento de várias células) e uma bomba de água do condensador dedicada. Uma bomba de água do condensador adicional pode servir como bomba reserva para cada dois sistemas de água do condensador, desde que os sistemas exijam a mesma vazão de água e as válvulas apropriadas sejam instaladas para isolar as bombas.
Para plantas de resfriamento central com apenas um chiller e uma torre de resfriamento, é possível que uma terceira bomba funcione como uma bomba reserva tanto para o sistema de água gelada quanto para o sistema de água do condensador, desde que a bomba tenha um ponto de operação adequado para ambos os sistemas.
Uma grande desvantagem dos sistemas de aquecimento e resfriamento de 2 tubos é o tempo que leva para realizar a mudança da operação de aquecimento para a operação de resfriamento na primavera de cada ano, porque os resfriadores geralmente não toleram uma temperatura da água de entrada no evaporador maior que 70 °F. Portanto, o circuito de água de temperatura dupla deve esfriar de uma temperatura de água de aquecimento de pelo menos 140°F (para caldeiras sem condensação) a 70°F antes que a água de temperatura dupla possa circular pelo evaporador do resfriador e a água gelada possa ser produzida.
O problema disso é que, quando o edifício pede resfriamento, não há demanda de calor. Assim, não há como a água quente no sistema de água de dupla temperatura rejeitar seu calor. O circuito de água de temperatura dupla deve esfriar como resultado das perdas de calor da tubulação isolada de água de temperatura dupla, o que pode levar até 2 ou 3 dias, dependendo do tamanho do sistema.
Uma solução para esse problema está disponível se os resfriadores forem resfriados a água. O tempo de troca pode ser bastante reduzido através da incorporação de um sistema de resfriamento de água de temperatura dupla. Este sistema utiliza a torre de resfriamento como fonte de rejeição de calor para o sistema de água de dupla temperatura quando está no modo de aquecimento. A adição de um trocador de calor de placa e estrutura, válvulas de desvio de 3 vias e controles são necessários para realizar esse modo de operação, cujos detalhes estão além do escopo deste livro.
HVAC Design Sourcebook - W. Larsen Angel, PE, LEED AP, é diretor da empresa de engenharia de consultoria MEP Green Building Energy Engineers
