Data Centers como do Santander em Campinas tem sistema de condensação a ar
(crédito: Santander)
Apesar de chillers com condensação a água terem custos inferiores a chillers com condensação a ar de mesma capacidade, a instalação completa do sistema normalmente tem custo superior, por conta dos custos adicionais de infraestrutura de água de condensação, bombas de água de condensação e torres de arrefecimento. Por outro lado, o consumo de energia elétrica em sistemas de ar condicionado sempre foi muito menor em sistemas de condensação a água do que em sistemas com condensação a ar.
O que acabou caindo no esquecimento, é que a grande vantagem no consumo de energia de sistemas de condensação a água em relação a sistemas de condensação a ar era, boa parte, oriunda da diferença de tecnologia utilizada na compressão do gás dos chillers mais antigos, quando os de condensação a ar ainda se utilizavam de compressores alternativos de baixa eficiência, enquanto que os de condensação a água, nos sistemas de grande porte, já utilizavam compressores centrífugos, muito mais eficientes.
O estudo de caso a seguir mostra a quebra do paradigma de custos operacionais mais baixos em sistemas de condensação a água de grande porte em relação a sistemas de condensação a ar.
A principal razão para esta quebra de paradigma está no fato de hoje já dispormos de chillers com condensação a ar com compressores centrífugos de alta eficiência, de tal forma que se faz possível a comparação destes dois sistemas ora baseados na mesma tecnologia de compressão do gás (a centrífuga, mais eficiente de todas).
Notaremos que o consumo de energia dos chillers continuará sendo bem mais alto na condensação a ar do que na condensação a água – em média, 50% –, como era de se esperar em função das temperaturas de condensação mais altas. Contudo, esta diferença já começa a diminuir a partir da adição dos consumos das bombas de água de condensação e dos ventiladores das torres de arrefecimento, especialmente quando operando em cargas parciais, visto que, normalmente, as bombas de água de condensação operam com vazões constantes. Se mantivermos o “set point” dos ventiladores das torres de arrefecimento em torno de 18,5ºC para máxima eficiência dos chillers, também estes ventiladores operarão a 100% de capacidade na maior parte do tempo.
Premissas do estudo de caso
- Localização - São Paulo;
- Operação de segunda a sexta-feira das 8:00h às 20:00h;
- Carga térmica de pico de 1.000 TR;
- Variação anual da carga de 200 TR à 1.000 TR, com carga média anual de 67% (670 TR);
- Temperatura de saída da água gelada dos chillers de 7,0ºC;
- Temperatura de retorno da água gelada de 12,5ºC;
- Custo do kWh de energia elétrica de R$ 0,325;
- Custo do m³ da água de reposição das torres de R$ 9,78 conforme tabela Sabesp para contrato de demanda firme (fidelidade) em vazões de 1.001 m³/mês a 2.999 m³/mês;
- Distribuição de temperaturas anuais de bulbo seco e de bulbo úmido conforme tabelas BIN abaixo;
- Temperatura de saída da água das torres de arrefecimento igual a temperatura de bulbo úmido local no horário + 5,5ºC de “aproach” das torres;
- 90% do calor a ser rejeitado pelas torres feito através de troca latente (evaporação de água);
- 25% da água a ser consumida pelas torres de arrefecimento reposta pela água de condensação dos fancoils do empreendimento.
Opção com condensação a água:
- Dois chillers de 500 TR com compressores centrífugos de alta eficiência (COP = 0,585 kW/TR e IPLV = 0,330 kW/TR);
- Três bombas (duas operantes + uma reserva) bombas de água de condensação cada uma com vazão de 325 m³/h e com motores de 50 Cv;
- Duas torres de arrefecimento com ventiladores com motores de 30 Cv.
Opção com condensação a ar:
- cinco chillers de 220 TR com compressores centrífugos de alta eficiência (COP = 1,066 kW/TR e IPLV = 0,560 kW/TR);
Como podemos verificar nas Tabelas 1 a 5 o NPLV calculado para as condições de operação em São Paulo, nas porcentagens de cargas parciais entre 40% e 100% especificadas nas mesmas, é pior (maior consumo) do que o IPLV determinado pela ASHRAE na condição AHRI 550/590 Standard, que estabelece operação a 100% de carga somente durante 1% do tempo, 75% de carga durante 42% do tempo, 50% de carga durante 45% do tempo e 25% de carga durante 12% do tempo, com respectivas reduções nas temperaturas externas para chillers a ar e temperaturas de água de condensação para chillers a água conforme a redução das cargas. Isso mostra que este é um cálculo mais conservador e realista para as condições operacionais da respectiva localidade – no caso, São Paulo –, e instalação (carga variando de 200 TR a 1000 TR com mais de um equipamento, o que permite operar com variação por equipamento de 40% a 100%).
Como estamos considerando que o calor rejeitado pelas torres de arrefecimento é feito 90% por troca latente (evaporação de água) e 10% por troca sensível, e que a carga térmica média anual é de 670 TR (67% da carga térmica de pico), na tabela abaixo apresentamos o cálculo do consumo médio de água para a rejeição da carga térmica de 670 TR, valor este de apenas 603 TR (90%) a ser feito por troca latente.
Como podemos verificar na Tabela 6, consideremos que não pagaríamos por 25% da vazão de água consumida pelas torres, pois esta vazão seria oriunda de reuso da água condensada nos fancoils.
Com base nos números acima, podemos agora calcular as despesas operacionais anuais médias para os dois sistemas (condensação a ar e condensação a água).
No caso de São Paulo, por mais absurdo que seja, a grande maioria dos empreendimentos com sistemas de ar condicionado com condensação a água está pagando a tarifa de esgoto pela água evaporada nas torres de arrefecimento, de tal forma que é desta forma que apresentaremos os cálculos a seguir, conforme Tabela 7 e 8. A representação gráfica do comparativo está na Tabela 9.
Considerações finais
Como podemos verificar nas tabelas e gráficos acima, em termos anuais médios (considerando-se as cargas parciais ao longo do ano em São Paulo), a economia de energia com sistema de condensação a água é mínima em relação ao sistema de condensação a ar, e não paga os custos relativos ao pagamento à concessionária pela água de reposição das torres de arrefecimento. Portanto, o paradigma de que sistemas de condensação a água apresentam custos operacionais mais baixos do que sistemas de condensação a ar em instalações de grande porte já não é mais uma certeza absoluta, devendo ser analisado caso a caso, local por local.
A água é um recurso natural precioso, cada dia mais escasso e importante. Seu custo no Brasil vem aumentando significativamente, e de forma mais acentuada do que o custo da própria energia elétrica. Acredita-se que as próximas guerras serão por acesso a água.
O The Green Grid, consórcio global de companhias, agências governamentais e instituições educacionais dedicado ao avanço da eficiência energética em data centers, desenvolveu uma nova métrica que complementa a série de métricas introduzidas nos últimos anos e avalia a evolução da eficiência energética e sustentabilidade de data centers, que incluem o PUETM (Power Usage Effectiveness) e o CUETM (Carbon Usage Effectiveness), denominada WUETM (Water Usage Effectivess), que é a razão entre o uso anual de água medida em litros e o consumo de energia anual dos equipamentos de TI, medido em kWh. Mais informações através do link: http://www.thegreengrid.org/~/media/WhitePapers/WUE. Não por acaso que novos Data Centers, como do BBVA (Espanha) e do Santander (Espanha e Brasil) optaram por sistemas de condensação a ar.
Por conta do mencionado acima, faz-se necessário que analisemos melhor o uso que estamos fazendo da água tratada fornecida pelas concessionárias. Não faz sentido utilizá-la para abastecimento de torres de arrefecimento de sistemas de ar condicionado para gerarem uma pequena economia de energia, que não faz jus a preciosidade deste recurso.
Não podemos esquecer que em cidades litorâneas, mesmo com os menores custos operacionais ora demonstrados para sistemas de condensação a ar, estes sistemas podem não ser apropriados, por conta da degradação dos equipamentos pela maresia.
Contudo, considero que em locais onde não tenhamos o problema de degradação dos chillers a ar pela maresia, os sistemas de condensação a ar são mais adequados, e podem, na maioria dos casos, apresentar custos operacionais totais (energia elétrica + água + tratamento de água) inferiores aos sistemas de condensação a água. Lembrando que estudos devem ser feitos para cada localidade, pois as tarifas de água no Brasil têm diferenças maiores de preço por localidade do que as tarifas de energia elétrica, que variam mais em função da tensão de fornecimento e tipo de contrato.
Por analogia, apesar de não dispor de dados detalhados por temperatura, como os utilizados para a comparação dos sistemas de expansão indireta (água gelada), acredito que estes resultados possam ser extrapolados para comparação de sistemas VRF de condensação a ar e condensação a água, onde, em ambos os casos, a tecnologia de compressão será a mesma (compressores scroll inverter).
Portanto, considero que sistemas de ar condicionado de condensação a água devam necessariamente vir acompanhados de projetos para reaproveitamento de águas (pluviais, condensação, entre outras), que possam garantir, se não a totalidade da água a ser consumida pelas torres de arrefecimento, pelo menos uma parcela significativa ( acima de 50% ). Desta forma, serão não só reduzidos os custos operacionais, como também contribuiremos para soluções mais sustentáveis.
