INDIRECT EVAPORATIVE COOLING TECHNOLOGY: A SUSTAINABLE SOLUTION FOR THERMAL COMFORT
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ni10202510311922
Bolivar Fagundes; Alexandre F. Santos; Heraldo José Lopes de Souza; Darlo Torno; Sariah Torno; Eliandro B. Aguiar; Marcia C. de Oliveira F. Santos; Fabio F. Ferreira; Luis Fernando Santos; Natalia TinTi; Daiane Busanello; Gustavo Lira
RESUMO
O artigo aborda a tecnologia de resfriamento evaporativo indireto (IEC), destacando seu potencial promissor devido ao baixo consumo energético e alta eficiência em diversas aplicações. Embora essa tecnologia seja eficaz, a ausência de fábricas no Brasil limita sua disseminação, especialmente considerando os altos custos envolvidos. Em um projeto realizado no Rio Grande do Sul, um protótipo com elemento de troca em PVC (polimérico) demonstrou resultados significativos: em um dia com temperatura de bulbo seco de 38ºC e bulbo úmido de 26ºC, a saída de ar resfriado alcançou 30ºC, com temperatura de bulbo úmido de 24,4ºC. Essa configuração resultou em uma redução da entalpia de 80,08 kJ/kg para 73,59 kJ/kg. Quando combinado com um sistema evaporativo direto, obteve-se uma temperatura de insuflamento de 24,96ºC, evidenciando a capacidade da tecnologia de transformar uma entrada de bulbo seco de 38ºC em um ambiente significativamente mais fresco. O estudo detalha a teoria, princípios de funcionamento, fluxo e construção do sistema IEC, que é adequado para aplicações de climatização comercial, industrial, residencial e em centros de dados. Além de ser ambientalmente amigável e ter baixo impacto no aquecimento global, o principal desafio da tecnologia reside no consumo de água. Os resultados obtidos no protótipo sugerem que a IEC, com o uso de elementos de troca em PVC, pode ser uma solução viável e eficiente para o mercado brasileiro.
Palavras-chave: Evaporativo, Evaporativo Direto, Evaporativo Indireto.
ABSTRACT
The article discusses indirect evaporative cooling (IEC) technology, highlighting its promising potential due to low energy consumption and high efficiency across various applications. Despite its effectiveness, the lack of manufacturing facilities in Brazil limits its dissemination, especially considering the high associated costs. A project conducted in Rio Grande do Sul featured a prototype with a heat exchange element made of PVC, which demonstrated significant results: on a day with a dry bulb temperature of 38ºC and a wet bulb temperature of 26ºC, the cooled air output reached 30ºC, with a wet bulb temperature of 24.4ºC. This setup resulted in a reduction of enthalpy from 80.08 kJ/kg to 73.59 kJ/kg. When combined with a direct evaporative system, an air supply temperature of 24.96ºC was achieved, showcasing the technology’s ability to transform a dry bulb input of 38ºC into a considerably cooler environment. The study details the theory, operating principles, flow, and construction of the IEC system, which is suitable for commercial, industrial, residential, and data center cooling applications. In addition to being environmentally friendly with a low impact on global warming, the primary challenge of this technology lies in water consumption. The results obtained from the prototype suggest that IEC, using PVC heat exchange elements, could be a viable and efficient solution for the Brazilian market.
Keywords: Evaporative, Direct Evaporative, Indirect Evaporative.
1 INTRODUÇÃO
Os sistemas de resfriamento evaporativo estão entre as técnicas de resfriamento mais antigas conhecidas pela humanidade. Sua história remonta a civilizações antigas, onde métodos rudimentares eram empregados para criar ambientes mais frescos. No Egito, por volta de 2500 a.C., há registros de trabalhos de gesso que mostram escravos abrindo jarros de água para resfriar os quartos dos faraós, utilizando a evaporação da água como um meio de amenizar o calor. Na França, o rei Francisco I utilizava vasos de barro provenientes de Portugal para resfriar a água por meio do efeito da evaporação (Watt, 2012).
Um dos pioneiros na mecanização do resfriamento evaporativo foi Leonardo da Vinci. Ele é creditado por desenvolver o primeiro sistema mecânico de resfriamento evaporativo, que consistia em uma roda d’água oca pela qual o ar era aspirado em câmaras, permitindo a troca de calor com a água, resfriando e purificando o ar. Da Vinci também criou o primeiro higrômetro, que utilizava uma bola de lã para indicar o nível de umidade (Munters, 2015).
Nos Estados Unidos, entre 1920 e 1930, os colonos do Meio-Oeste encontraram uma maneira simples de se refrescar durante o calor do verão, utilizando lençóis molhados nas janelas de suas varandas. Essa prática rudimentar de resfriamento evaporativo ilustra a busca contínua da humanidade por métodos eficientes de climatização.
Com o passar dos anos, o desenvolvimento dos sistemas de resfriamento evaporativo foi gradual. Em 1946, apenas seis empresas vendiam cerca de 200.000 sistemas evaporativos. No entanto, a verdadeira revolução aconteceu em 1955, com a invenção do painel rígido por Carl Munters. Munters, inventor prolífico com mais de 1.000 patentes, é conhecido como o criador do papel multilayer, precursor dos painéis evaporativos modernos. Sua inovação levou a uma melhoria significativa na eficiência dos sistemas de resfriamento evaporativo, resultando em um aumento substancial nas vendas.
Em 1958, 25 empresas já estavam comercializando 1.250.000 sistemas evaporativos, mesmo em um período em que os sistemas de ar-condicionado de janela dominavam o mercado. Desde então, os sistemas evaporativos evoluíram e hoje são utilizados em uma ampla gama de aplicações, incluindo purificadores de ar, torres de resfriamento e condensadores, além de serem essenciais para o conforto térmico humano em edifícios de escritórios, supermercados, cinemas, centros esportivos e data centers (Watt, 2012).
Atualmente, os sistemas evaporativos são amplamente utilizados para resfriamento de data centers, com estudos modelando a eficiência energética dessas instalações ao incorporar resfriamento evaporativo nas torres de resfriamento e sistemas de resfriamento livre. As metodologias de Design de Eficiência de Uso de Energia (EUED) e Centro de Dados de Design Perfeito (PDD) consideram os sistemas evaporativos como essenciais para medir a eficiência energética. A Comissão de Energia da Califórnia afirma que os resfriadores evaporativos podem utilizar até 75% menos energia do que os sistemas de climatização convencionais, destacando ainda mais a importância e a relevância dessa tecnologia (Porumba et al, 2015).
A melhoria do padrão de vida nas últimas décadas resultou em um aumento significativo no consumo de energia, especialmente em sistemas de ar-condicionado (AC), que são essenciais para atender aos requisitos de conforto térmico. A Agência Internacional de Energia (AIE) estima que os indivíduos passam cerca de 90% do seu tempo em espaços climatizados. Essa dependência do ar-condicionado leva a um consumo contínuo de recursos naturais, gerando preocupações sobre a sustentabilidade e o impacto ambiental do uso elevado de energia. A demanda por resfriamento, particularmente na China, aumentou notavelmente, subindo 13% ao ano desde 2000 e resultando em um uso total de eletricidade de cerca de 400 TWh em 2017. Essa situação culminou em um aumento significativo das emissões de CO2 relacionadas ao resfriamento, tornando imprescindível o desenvolvimento de novas abordagens que possam reduzir o consumo de energia enquanto garantem o conforto térmico e a qualidade do ar interno.
Neste contexto, o resfriamento evaporativo indireto (IEC) se destaca como uma alternativa promissora ao ar-condicionado convencional. Essa tecnologia, que utiliza o processo de evaporação para remover calor do ar, tem se mostrado eficaz, especialmente em regiões desérticas e semiáridas, além de estar sendo aplicada em climas quentes e úmidos para o pré-resfriamento do ar. O IEC não apenas oferece uma solução energeticamente eficiente, mas também evita o uso de compressores e refrigerantes químicos prejudiciais ao meio ambiente. Este artigo tem como objetivo explorar em profundidade a tecnologia de resfriamento evaporativo indireto, suas vantagens, aplicações e o potencial de implementação em diferentes contextos (Taware et al, 2017).
O principal problema do IEC no Brasil é o custo, visto que não existe fabricação nacional, a ideia desse trabalho é realizar um IEC de protótipo no Brasil e analisar e eficiência para aplicá-lo no Brasil e ver se usar um enchimento PVC de Torre poderia ser uma alternativa para produzir esse produto nacionalmente.
2. ESTADO DA ARTE
O resfriamento evaporativo indireto (IEC) tem emergido como uma solução promissora para os desafios relacionados à climatização de ambientes, especialmente em regiões com altas temperaturas e umidade. Embora o conceito de resfriamento evaporativo não seja novo, a tecnologia do IEC evoluiu significativamente nas últimas décadas, resultando em melhorias substanciais em eficiência e aplicabilidade. Esta tecnologia, ao contrário do resfriamento evaporativo direto, oferece a vantagem de não adicionar umidade ao ar, contribuindo para a manutenção de uma qualidade do ar mais higiênica.
2.1 Elementos Psicrométricos e sua Importância
Para entender o funcionamento dos sistemas de resfriamento evaporativo, é essencial considerar os elementos psicrométricos que caracterizam o ar úmido (Santos et al, 2019):
– Temperatura do Ar: A temperatura do ar é uma medida da energia térmica. Em sistemas de resfriamento, a temperatura de bulbo seco é frequentemente utilizada.
– Umidade Relativa: Essa é a relação entre a quantidade de vapor d’água presente no ar e a quantidade máxima que o ar pode suportar a uma determinada temperatura, expressa em porcentagem.
– Temperatura de Bulbo Úmido: Representa a temperatura que um termômetro de bulbo úmido indicaria se fosse exposto à corrente de ar. Essa medida considera a umidade do ar; quanto maior a umidade, mais baixa será a temperatura de bulbo úmido em comparação com a temperatura de bulbo seco.
– Temperatura de Orvalho: É a temperatura à qual o vapor d’água no ar começa a se condensar. Este parâmetro é particularmente importante em sistemas de resfriamento indireto, pois influencia diretamente a eficiência do processo de resfriamento.
2.2 Avanços e Pesquisa em IEC
Nos últimos anos, diversas linhas de pesquisa têm sido exploradas no âmbito do IEC, refletindo o crescimento e a inovação na área (Santos et al, 2020):
1. Modelagem Computacional: O desenvolvimento de modelos computacionais para simular o desempenho do trocador de calor e massa é fundamental. A verificação e modificação da precisão desses modelos, utilizando resultados de testes, têm sido essenciais para otimizar a operação e a configuração geométrica do sistema.
2. Desempenho do Sistema: Estudos têm analisado o desempenho do IEC em termos de eficácia de resfriamento, coeficiente de desempenho (COP), dissipação de umidade e resistência térmica. Testes em laboratório e em campo têm sido realizados para avaliar o desempenho tanto do trocador quanto do sistema IEC como um todo.
3. Sistemas Híbridos: Recentemente, a pesquisa tem explorado a viabilidade de sistemas híbridos que combinam resfriamento evaporativo com tecnologias de resfriamento tradicionais. Esses sistemas visam maximizar a eficiência em climas quentes e úmidos, onde a taxa de evaporação do IEC tradicional pode ser insuficiente, inclusive a associação de sistema evaporativo indireto e direto.
4. Desenvolvimentos Inovadores: Uma inovação significativa foi o desenvolvimento de um novo tipo de sistema de IEC conhecido como “resfriamento por ponto de orvalho”. Esse sistema é capaz de resfriar o ar de saída a uma temperatura abaixo da temperatura de bulbo úmido do ar de entrada, aproximando-se do ponto de orvalho relevante. Essa abordagem é vista como um avanço em relação ao resfriamento evaporativo direto e indireto tradicional.
5. Materiais e Estruturas: A investigação em novos materiais e estruturas que melhoram a transferência de calor e massa no IEC tem se intensificado. Por exemplo, o uso de materiais poliméricos na construção de elementos de troca tem mostrado resultados promissores em termos de eficiência térmica, permitindo um desempenho aprimorado do sistema.
2.3 Diferenças entre Resfriamento Evaporativo Direto e Indireto
2.3.1 Resfriamento Evaporativo Direto
O resfriamento evaporativo direto utiliza a evaporação da água para resfriar o ar. Nesse processo, o ar quente passa por um meio úmido, onde a água se evapora, resultando em uma diminuição da temperatura do ar. A principal ênfase desse método está na temperatura de bulbo úmido:
– Efeito da Evaporação: A temperatura de bulbo úmido é fundamental, pois representa a capacidade do ar de absorver umidade. Quando o ar passa por um meio evaporativo, a temperatura de bulbo úmido é reduzida, resultando em um ar mais fresco e úmido.
– Limitações: O resfriamento direto é mais eficaz em ambientes secos. Em condições de alta umidade, a eficácia do resfriamento diminui, uma vez que o ar já está próximo da saturação.
2.3.2 Resfriamento Evaporativo Indireto
O resfriamento evaporativo indireto utiliza um trocador de calor para transferir a energia térmica do ar sem adicionar umidade ao ambiente. Aqui, a temperatura de orvalho torna-se um fator crucial (Zero, 2020):
– Processo de Resfriamento: O ar quente passa por um trocador de calor, onde um fluxo de água fria evapora, resfriando o ar que passa pelo trocador. A temperatura de orvalho é vital, pois o ar pode ser resfriado a uma temperatura abaixo da temperatura de bulbo úmido do ar de entrada, aproximando-se do ponto de orvalho.
– Vantagens: O resfriamento indireto é especialmente benéfico em ambientes úmidos, pois não adiciona umidade ao ar. Isso resulta em uma melhoria na qualidade do ar interno e permite um maior controle sobre as condições de conforto térmico.
2.4 Base Psicrométrica
A análise psicrométrica é realizada em um diagrama psicrométrico, onde se pode visualizar as propriedades do ar e os efeitos dos processos de resfriamento. Neste diagrama, diferentes linhas e curvas representam:
– Linhas de Umidade Relativa: Mostram a umidade relativa do ar, indicando como a umidade varia em diferentes temperaturas.
– Linhas de Temperatura de Bulbo Úmido e de Orvalho: Ajudam a identificar as temperaturas de bulbo úmido e orvalho em relação à temperatura de bulbo seco, permitindo uma análise visual dos processos de resfriamento.
– Processos Térmicos: Ao traçar um processo de resfriamento no diagrama, é possível observar como a temperatura e a umidade do ar mudam ao longo do processo, ajudando a entender a eficiência dos sistemas de climatização.
Em resumo, a compreensão dos elementos psicrométricos e a diferenciação entre os métodos de resfriamento evaporativo direto e indireto são essenciais para otimizar sistemas de climatização. Enquanto o resfriamento direto se beneficia da temperatura de bulbo úmido, o indireto utiliza a temperatura de orvalho para maximizar a eficiência sem comprometer a umidade do ar. A análise psicrométrica serve como uma ferramenta valiosa para visualizar e entender esses processos, contribuindo para o desenvolvimento de soluções inovadoras em climatização (Zne, 2013).
3.0 MATERIAIS E MÉTODOS
O protótipo de resfriamento evaporativo indireto (IEC) foi desenvolvido no estado do Rio Grande do Sul, Brasil, como parte de um estudo voltado para a avaliação da eficácia desse sistema em condições climáticas específicas da região. O projeto foi concebido com o objetivo de criar uma solução de climatização eficiente e sustentável, utilizando um trocador de calor construído em PVC do mesmo modelo utilizado em Torres de resfriamento, um material polimérico conhecido por suas propriedades de resistência e durabilidade, conforme figura a seguir pode-se observar a ideia desse sistema evaporativo indireto que será associado a jusante por um sistema evaporativo direto.
Figura 1 – Solução de climatização eficiente e sustentável
O sistema foi projetado com dois ventiladores principais. O primeiro ventilador, um modelo axial, foi responsável pela operação do sistema evaporativo. Esse ventilador promove a descarga vertical do ar através da colmeia, que é a estrutura onde ocorre a troca de calor e umidade. O segundo ventilador é destinado à entrada de ar e ao insuflamento, permitindo que o ar resfriado seja direcionado para o ambiente que necessita de climatização (sentido horizontal). Essa configuração é estratégica para maximizar a eficiência do sistema, garantindo que o fluxo de ar resfriado atinja todas as áreas do espaço a ser condicionado.
Para garantir a circulação adequada da água no painel de colmeia de PVC, foi incorporada uma bomba de água com uma velocidade de deslocamento de 2 m/s. A bomba desempenha um papel crucial no processo de resfriamento, pois proporciona a umidade necessária para a evaporação, que é fundamental para o funcionamento eficiente do sistema, a velocidade do ar no sistema da colmeia polimérica era de aproximadamente 2,5 m/s, essa velocidade foi utilizada para se evitar o arraste de água.
Foto 1 – Equipamento evaporativo
3.1 Instrumentos de Medição
A precisão das medições realizadas durante o experimento foi garantida por meio da utilização de instrumentos de medição de alta qualidade. Um anemômetro foi utilizado para medir a velocidade do ar no sistema, enquanto sensores de temperatura de bulbo seco e bulbo úmido foram empregados para monitorar as condições térmicas do ar antes e depois do resfriamento. Essas medições foram essenciais para a avaliação do desempenho do sistema e foram registradas em intervalos regulares ao longo do experimento.
As medições foram inseridas em um diagrama psicrométrico, uma ferramenta que permite visualizar as propriedades do ar úmido e entender como as condições de temperatura e umidade interagem durante o processo de resfriamento. O uso do diagrama psicrométrico é fundamental na análise da eficiência do sistema, pois possibilita a identificação de mudanças nas propriedades do ar à medida que ele passa pelo processo de resfriamento (Ashrae, 2019).
4 Análise dos Resultados
O principal experimento foi realizado em um dia particularmente quente, no dia 17 de janeiro de 2025 (foi feita propositadamente por saber de se tratar de um dos dias mais quentes do ano em Porto Alegre – RS). As condições climáticas naquele dia as 16 horas foram de 38ºC para a temperatura de bulbo seco e 26ºC para a temperatura de bulbo úmido. Essas condições extremas foram escolhidas deliberadamente para testar a capacidade do sistema de resfriamento em situações de alta carga térmica.
Durante o experimento, o sistema foi operado continuamente, e as temperaturas do ar de entrada e saída foram monitoradas de forma sistemática. A saída de ar resfriado foi registrada e alcançou uma temperatura de 30ºC, enquanto a temperatura de bulbo úmido do ar de saída foi medida em 24,4ºC. Esses valores indicam uma eficiência significativa do sistema de IEC em resfriar o ar, demonstrando sua capacidade de operar efetivamente sob condições adversas.
A análise dos dados coletados revelou uma redução da entalpia do ar, que passou de 80,08 kJ/kg para 73,59 kJ/kg. Essa diminuição na entalpia é um indicativo da eficácia do sistema em remover energia térmica do ar, resultando em uma experiência de conforto térmico significativamente melhorada.
Além disso, quando a tecnologia de resfriamento evaporativo indireto foi combinada com um sistema evaporativo direto, a temperatura de insuflamento foi reduzida ainda mais, alcançando 24,96ºC (os painéis de 12” tiveram um rendimento de 90% de eficiência evaporativa). Essa combinação evidenciou a capacidade do sistema de transformar uma entrada de bulbo seco de 38ºC em um ambiente consideravelmente mais fresco e confortável. Os resultados obtidos demonstram que a tecnologia IEC, quando aplicada de forma integrada, pode ser uma solução viável e eficaz para a climatização.
Gráfico 1 – Gráfico psicrométrico
Gráfico 2 – Resultados das temperaturas
Como pode-se observar a redução na temperatura de insuflamento foi de 13,04ºC e conforme pode-se observar a trajetória do sistema IEC é na direção do ponto de orvalho e no caso do evaporativo direto na direção oblíqua da Temperatura de Bulbo úmido.
Conclusão
A tecnologia de resfriamento evaporativo indireto representa uma solução inovadora e sustentável para os desafios do conforto térmico em ambientes construídos. Com seu baixo consumo energético, eficiência em diversas aplicações e impacto ambiental reduzido, o IEC tem o potencial de transformar o setor de climatização, especialmente em regiões de clima quente e seco. Os resultados positivos obtidos em protótipos, como o desenvolvido no Rio Grande do Sul, indicam que a IEC é uma alternativa viável e eficaz para o mercado brasileiro.
O protótipo de baixo custo com enchimento de Torre foi promissor nos resultados iniciais e podem ser uma alternativa para nacionalizar o produto no futuro.
À medida que as preocupações com as mudanças climáticas e a sustentabilidade continuam a crescer, é essencial que os pesquisadores e profissionais do setor explorem novas maneiras de otimizar o desempenho do IEC e ampliar sua aplicação. Futuras pesquisas devem focar em inovações que possam não apenas aumentar a eficiência do sistema, mas também garantir uma gestão adequada dos recursos hídricos. A implementação de tecnologias de resfriamento mais sustentáveis é fundamental para garantir um futuro mais confortável e ambientalmente responsável.
Para conseguir mais resultados esses valores serão submetidos a múltiplas temperaturas em um Laboratório em Curitiba-PR.
REFERÊNCIAS
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