BRINGING THE WET BULB GLOBE TEMPERATURE TO DECISION-MAKING IN HVAC-R
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ni10202511161519
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 bulbo úmido é uma métrica crucial que combina temperatura e umidade, desempenhando um papel vital na sobrevivência humana e na eficiência de sistemas de refrigeração. Quando a temperatura de bulbo úmido ultrapassa 35°C por longos períodos, o risco de hipertermia e morte aumenta, especialmente entre grupos vulneráveis. Essa condição extrema não apenas afeta a saúde, mas também tem implicações significativas para a instalação de frigoríficos, especialmente aqueles que utilizam amônia como refrigerante. A análise do bulbo úmido é fundamental para determinar locais ideais para a instalação de frigoríficos, considerando todas as cidades citadas na NBR 16401, que fornece diretrizes técnicas. Um mapa abrangente dessas cidades pode ajudar a identificar áreas com condições climáticas favoráveis para operações eficientes. O Coeficiente de Performance (COP) dos sistemas refrigerados deve ser simulado para cada uma dessas localidades, levando em conta a variação de temperatura e umidade. Compreender a importância do bulbo úmido permite que empresas tomem decisões informadas sobre a localização de unidades frigoríficas, assegurando não apenas a preservação de produtos, mas também a saúde e segurança da população nas áreas afetadas por condições de calor extremo.
Palavras-chave: Amônia, COP, Refrigeração, NBR 16401, Temperatura de Bulbo úmido.
ABSTRACT
The wet bulb is a crucial metric that combines temperature and humidity, playing a vital role in human survival and cooling system efficiency. When the wet bulb temperature exceeds 35°C for long periods, the risk of hyperthermia and death increases, especially among vulnerable groups. This extreme condition not only affects health, but also has significant implications for the installation of refrigerators, especially those that use ammonia as a coolant. The analysis of the wet bulb is fundamental to determine ideal locations for the installation of refrigerators, considering all cities mentioned in NBR 16401, which provides technical guidelines. A comprehensive map of these cities can help identify areas with favorable weather conditions for efficient operations. The Coefficient of Performance (COP) of refrigerated systems should be simulated for each of these locations, taking into account the variation of temperature and humidity. Understanding the importance of the wet bulb allows companies to make informed decisions about the location of cold stores, ensuring not only the preservation of products, but also the health and safety of the population in areas affected by extreme heat conditions.
Keywords: Ammonia, COP, Cooling, NBR 16401, Wet Bulb Temperature.
1 INTRODUÇÃO
O bulbo úmido, uma medida que integra temperatura e umidade, desempenha um papel crucial não apenas na sobrevivência humana, mas também na eficiência de sistemas de refrigeração. À medida que as mudanças climáticas intensificam as temperaturas extremas, a compreensão da temperatura de bulbo úmido torna-se cada vez mais relevante (Vanos, et al, 2023). Estudos indicam que uma temperatura de bulbo úmido superior a 35 °C pode levar à hipertermia e até à morte após períodos prolongados de exposição, especialmente em grupos vulneráveis, como idosos e pessoas com doenças crônicas (Sherwood; Huber, M., 2010). Esta condição extrema compromete não apenas a saúde da população, mas também afeta diretamente o desempenho e a instalação de frigoríficos, particularmente aqueles que utilizam amônia como refrigerante, um composto que tem se mostrado eficaz em diversas aplicações industriais (Pearson, 2008).
A amônia (NH3) oferece diversas vantagens como fluido refrigerante, incluindo alta eficiência energética, baixo custo, baixo impacto ambiental e boa capacidade de transferência de calor. Sua utilização é prevalente em sistemas industriais de refrigeração, como em frigoríficos, devido à sua eficácia e economia. As vantagens da amônia podem ser detalhadas da seguinte forma (Danfoss, 2025):
1. Eficiência Energética: A amônia possui um alto calor latente de vaporização, permitindo absorver uma grande quantidade de calor durante a evaporação. Isso resulta em ciclos de refrigeração mais eficientes, reduzindo os custos operacionais e o consumo de energia.
2. Custo-Benefício: Como refrigerante natural de baixo custo, a amônia se torna uma opção econômica para sistemas de refrigeração em larga escala, tornando-a ideal para frigoríficos e indústrias que buscam maximizar a eficiência econômica.
3. Impacto Ambiental: A amônia não contribui para o efeito estufa e não afeta a camada de ozônio, sendo considerada um refrigerante natural com baixo impacto ambiental. Isso a torna uma escolha sustentável em um contexto de crescente preocupação ambiental.
4. Segurança: Embora a amônia seja tóxica em altas concentrações, ela é facilmente detectável devido ao seu odor forte e característico. Com as devidas precauções e treinamentos, pode ser utilizada de forma segura em sistemas de refrigeração, minimizando riscos.
5. Melhor Transferência de Calor: A amônia apresenta um excelente coeficiente de transferência de calor, o que contribui para a eficiência geral dos sistemas de refrigeração.
6. Tamanhos Menores de Tubos: Devido à sua alta capacidade de transferência de calor, a amônia permite a utilização de tubulações menores, o que resulta em economia de custos durante a instalação e manutenção dos sistemas.
7. Estabilidade: A amônia é um composto químico estável em condições normais de armazenamento e manuseio, o que facilita sua aplicação em sistemas de refrigeração.
A Norma Brasileira NBR 16401 oferece diretrizes técnicas para a instalação de sistemas de climatização e refrigeração, destacando a necessidade de considerar as condições climáticas específicas de cada local. Um mapeamento abrangente das cidades mencionadas na norma pode revelar áreas com condições mais favoráveis, permitindo a otimização da instalação de frigoríficos. A simulação do Coeficiente de Performance (COP) dos sistemas refrigerados em diferentes localidades é fundamental para garantir operações eficientes, levando em conta a variação de temperatura e umidade (NBr 16401, 2024).
Diante desse cenário, a aplicação do conceito de temperatura de bulbo úmido na escolha de locais para a instalação de frigoríficos no Brasil é essencial. Essa análise não apenas assegura a preservação dos produtos, mas também protege a saúde da população em regiões afetadas pelo calor extremo. Portanto, é imperativo que as empresas considerem essa métrica ao planejar suas operações de refrigeração, promovendo um futuro mais sustentável e seguro para todos.
2. ESTADO DA ARTE
A NBR 16255 é uma norma essencial que orienta as práticas de resfriamento e congelamento de produtos alimentícios, estabelecendo temperaturas específicas para garantir a segurança e a qualidade dos alimentos. Por exemplo, a norma recomenda que a temperatura de resfriamento de carnes seja mantida entre 0ºC e 2ºC, enquanto o armazenamento de alimentos congelados deve ocorrer em temperaturas que variam de -18ºC a -15ºC. Essas diretrizes são cruciais para prevenir a proliferação de microrganismos e preservar as propriedades nutricionais e organolépticas dos produtos (NBr 16255, 2014).
Um aspecto importante abordado na norma é a seleção de condensadores, particularmente os resfriados a ar e a água. No item 4.5.2, a NBR 15627 esclarece que os condensadores resfriados a ar devem ser escolhidos com base na diferença entre a temperatura saturada de condensação e a temperatura de bulbo seco do ar que entra no condensador, que varia entre 10 °C e 15 °C, dependendo da aplicação e das recomendações do fabricante. Essa diferença média de 12,5 K resulta em temperaturas de condensação mais elevadas, o que pode levar a um aumento significativo nos custos operacionais devido ao maior consumo de energia (NBr 15627, 2008).
Em contraste, os sistemas de condensação a água, conforme indicado no item 4.5.3 da norma, permitem operações com temperaturas de condensação inferiores, exceto em aplicações especiais. A média de aproximação do condensador, que varia entre 5 °C e 8 °C, resulta em uma diferença média de 6,5 K. Essa diferença substancial entre os sistemas de condensação a ar e a água representa uma vantagem significativa para os sistemas de condensação a água, que são amplamente utilizados em grandes frigoríficos que operam com amônia, devido à sua eficiência energética superior.
O item 6.3 da norma complementa essas considerações ao estabelecer diretrizes específicas para unidades condensadoras a água, enfatizando a importância da aproximação entre a temperatura de condensação e a temperatura de entrada da água, que deve ser mantida entre 5 °C e 8 °C. Essa definição não apenas reforça a eficiência energética dos sistemas de condensação a água, mas também destaca a relevância de um projeto adequado que considere as condições específicas de operação.
A interdependência entre os sistemas hídrico e energético é um tema crescente, especialmente na era das mudanças climáticas e da escassez de recursos. O Total Water Impact (TWI) é um conceito que ilustra essa relação, considerando o consumo de água em todas as etapas da produção de energia, incluindo a geração de eletricidade, que abrange também fontes renováveis. A energia é necessária para extrair, transportar e tratar a água, e essa interligação se torna cada vez mais relevante para a comunidade de HVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar-Condicionado) (Santos, et al., 2020).
Uma forma de avaliar a eficiência energética de grandes equipamentos de refrigeração é por meio de indicadores de eficiência, como o valor de carga parcial não padrão (NPLV). O NPLV é derivado do valor de carga parcial integrado (IPLV), ambos utilizados para avaliar a eficiência dos chillers sob condições de carga variáveis. As fórmulas de cálculo são semelhantes, sendo que o IPLV é baseado em condições especificadas na norma AHRI_Standard_550-590, enquanto o NPLV é ajustado para refletir as condições locais específicas.
O TWI pode ser calculado pela seguinte equação: TWI=(ATL⋅NPLV⋅ELS⋅RRW)+(ATL⋅ELS⋅WUTR) onde TWI é o Impacto Total de Água, em m³; ATL é a Carga Térmica Anual, em TON/ano; NPLV é o valor de carga parcial não padrão, em kW/TON; ELS é a vida útil do equipamento, em anos; RRW é a vazão de água específica da região, em m³/kW gerado; e WUTR é a água utilizada por TON, em m³/TON de evaporação, arraste e purga. A unidade TON refere-se à tonelada de refrigeração (1 TON = 3,5 kW).
Além disso, existe um indicador conhecido como Total Equivalent Warming Impact (TEWI), que considera as emissões diretas e indiretas resultantes de vazamentos de refrigerantes e do consumo de energia ao longo do ciclo de vida do equipamento. O TWI, por sua vez, foca no consumo de água, medindo tanto o uso direto quanto o indireto de água no ciclo de vida do sistema HVAC. Essa distinção é importante, pois o TEWI avalia o Potencial de Aquecimento Global (GWP), enquanto o TWI se concentra no consumo hídrico.
É fundamental que, ao projetar “Edifícios Verdes”, as características operacionais sejam integradas a esses índices de eficiência. A análise holística, considerando tanto o COP (coeficiente de performance) quanto os impactos do sistema de refrigerante, pode indicar que sistemas de condensação a água utilizam uma quantidade de água semelhante ou até inferior à de sistemas a ar. No Brasil, por exemplo, a média de uso de água é de aproximadamente 0,0110701 m³/kWh de energia gerada, o que reforça a necessidade de um planejamento cuidadoso e sustentável na escolha dos sistemas de refrigeração (Ghandi; Bilec, 2015).
Em suma, à medida que as demandas por eficiência energética e sustentabilidade aumentam, a integração das normas técnicas, a análise dos impactos hídricos e a escolha de refrigerantes adequados tornam-se imperativas para a operação eficaz e responsável dos sistemas de refrigeração.
3.0 MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia deste estudo consiste em simular o desempenho de sistemas de refrigeração utilizando dados de temperatura de bulbo úmido (TBU) das cidades brasileiras indicadas na NBR 16401-1, considerando as piores condições de carga térmica. A carga térmica de demanda representa a situação mais crítica, enquanto a carga térmica de consumo reflete a distribuição anual dessa carga. Para a análise, utilizaremos o software Coolpack, que permite simulações precisas de sistemas de refrigeração, integrando variáveis relevantes como a temperatura de entrada de água e o Coeficiente de Performance (COP) (Coolpack, 2025).
3.1 Temperatura de Bulbo Úmido e Abordagem em Torres de Resfriamento
A temperatura de bulbo úmido é um parâmetro crítico na avaliação da eficiência de torres de resfriamento. Esta temperatura, medida por um termômetro com o bulbo coberto por um pano úmido, indica a umidade do ar. Temperaturas de bulbo úmido mais baixas correspondem a ar mais seco, enquanto temperaturas mais elevadas indicam umidade maior.
No projeto de torres de resfriamento, a temperatura de aproximação é a diferença entre a temperatura da água fria que sai da torre e a temperatura de bulbo úmido ambiente. Uma menor temperatura de aproximação, que se aproxima da temperatura de bulbo úmido, geralmente indica uma torre de resfriamento mais eficiente. No entanto, isso pode resultar em torres maiores e mais caras. Por exemplo, se a temperatura de bulbo úmido é 26°C e a temperatura da água fria que sai da torre é 28°C, a temperatura de aproximação é de 2°C. A Ashrae indica um diferencial saudável de 2,77 K, mas será utilizado uma diferença de 3 K entre a temperatura de bulbo úmido e a temperatura de entrada da água, e uma diferença de 6,5 K entre a temperatura de saída da água da torre e a temperatura de condensação (ASHRAE, 2025).
Para a simulação será utilizada uma carga térmica padrão de 100 kW, e a simulação ocorrerá na carga de resfriados que num entreposto frigorífico representa a maior carga térmica visto que essa temperatura de evaporação atende a área de Preparo e resfriados propriamente dito, o fluído refrigerante a ser utilizado na simulação é o R-717 (NH3).
3.2 Condições Operacionais e Dados Utilizados
Os parâmetros operacionais foram definidos conforme segue:
– Fluido Refrigerante: R-717 (amônia).
– Temperatura de Evaporação: -30ºC.
– Carga Térmica: 100 kW.
– Eficiência Isentrópica: 0,70.
– Perdas de Calor no Compressor: 10%.
– Superaquecimento: 5 K.
– Subresfriamento: 2 K.
As temperaturas de bulbo úmido para as cidades selecionadas são as seguintes:
1. Brasília: TBU máximo de 22,1ºC.
2. Manaus (Ponta Pelada): TBU máximo de 28,4ºC.
Com base nessas temperaturas, calculamos as temperaturas de condensação:
– Temperatura de Condensação em Brasília: TcondensaçãoBrasília
ºC=TBU+3K+6,5K=22,1ºC+3K+6,5K=31,6ºC.
– Temperatura de Condensação em Manaus: TcondensaçãoManaus
ºC =TBU+3K+6,5K=28,4ºC+3K+6,5K=37,9ºC.
Utilizando essas condições, foram obtidos os Coeficientes de Performance (COP) para cada cidade (utilizando cool pack) (Coolpack, 2025):
– COP em Brasília: 3,61 kW/kW.
– COP em Manaus: 3,05 kW/kW.
Após essa simulação será feita uma tabela com todas as cidades compostas pela NBR 16401-1, conforme a seguir:
Tabela 1 – Simulação com cidades da NBR16401-1
4.0 Análise dos Resultados
A análise dos dados apresentados na tabela revela informações cruciais sobre a eficiência dos sistemas de refrigeração nas diversas cidades brasileiras, conforme as normas da NBR 16401. A comparação dos Coeficientes de Performance (COP) e das temperaturas de bulbo úmido (TBU) fornece uma visão clara sobre onde a instalação de frigoríficos seria mais vantajosa em termos de eficiência energética e consumo (NBR16401, 2024).
4.1 Desempenho dos Sistemas de Refrigeração
Os dados mostram que as cidades com os maiores COPs são (kW/kW):
1. Brasília: COP de 3,6.
2. Campinas: COP de 3,41.
3. Campo Grande: COP de 3,24.
4. Canoas: COP de 3,19.
5. Caravelas: COP de 3,23.
6. Confins: COP de 3,44.
7. Goiânia: COP de 3,36.
8. Guarulhos: COP de 3,38.
9. Curitiba: COP de 3,5.
10. São Paulo: COP de 3,5.
Essas cidades apresentam não apenas os melhores COPs, mas também temperaturas de condensação relativamente baixas, o que indica uma operação mais eficiente dos sistemas de refrigeração. Por exemplo, Brasília, com um COP de 3,6 e uma temperatura de condensação de 31,6°C, destaca-se como um local ideal para a instalação de frigoríficos.
Em contraste, as cidades com os menores COPs incluem (kW/kW):
1. Manaus: COP de 3,05.
2. Marabá: COP de 3,05.
3. Rio Branco: COP de 3,03.
4. Salvador: COP de 3,12.
5. Rio de Janeiro (Santos Dumont): COP de 3,08.
Essas cidades, com COPs mais baixos, refletem temperaturas de bulbo úmido mais altas, o que eleva a temperatura de condensação e, consequentemente, reduz a eficiência energética dos sistemas de refrigeração. Manaus e Marabá, com temperaturas de condensação de 37,9°C, exemplificam a dificuldade de operar sistemas eficientes em climas mais quentes e úmidos.
Gráfico 1 – COP de todas as cidades NBR 16401-1-2024.
4.2 Impacto da Carga Térmica
A carga térmica é um fator determinante na eficiência dos sistemas de refrigeração. Ao considerar uma carga térmica de 1000 kW em vez de 100 kW, pode-se observar diferenças significativas no desempenho e no consumo energético.
4.2.1 Cálculo do COP e Consumo de Energia para 1000 kW:
Para ilustrar, será usado Brasília como exemplo, onde o COP é de 3,61. A alimentação em kW para uma carga de 1000 kW pode ser calculada da seguinte forma:
Alimentação (kW)=Carga Térmica (kW)/COP (kW/kW) = 3,61 kW≈277,78 kW
Comparando com a carga de 100 kW: Alimentação (kW)=3,61 kW≈27,78 kW
Assim, ao aumentar a carga térmica de 100 kW para 1000 kW, a alimentação necessária aumenta de 27,78 kW para 277,78 kW. Isso destaca como a demanda energética cresce significativamente com o aumento da carga térmica.
4.2.2 Comparação do Consumo de Energia
A relação entre o COP e a alimentação em kW também é reveladora. Cidades como Brasília (277,78 kW) e Campinas (aproximadamente 290 kW) apresentam um equilíbrio favorável entre eficiência e consumo de energia. Em contrapartida, cidades como Manaus e Marabá, que têm COPs mais baixos, mostrariam uma alimentação em kW de aproximadamente 327,79 kW para uma carga de 1000 kW, indicando que, apesar do maior consumo de energia, a eficiência do sistema não é otimizada.
5.0 Conclusão
A análise dos dados evidencia que a escolha da localização para a instalação de frigoríficos deve levar em conta as temperaturas de bulbo úmido, e também a eficiência energética dos sistemas de refrigeração, medida pelo Coeficiente de Performance (COP). Cidades como Brasília, com um COP de 3,6 kW/kW, e Campinas, com um COP de 3,41kW/kW, mostram-se claramente as melhores opções para a instalação de frigoríficos. Em contraste, cidades como Manaus e Marabá apresentam COPs de apenas 3,05 kW/kW, o que reflete uma eficiência inferior.
A diferença percentual entre o melhor e o pior desempenho é significativa: Brasília, a cidade com o melhor COP, apresenta uma eficiência aproximadamente 18,03% superior à de Manaus e Marabá. Essa diferença não é apenas teórica; na prática, ela se traduz em custos operacionais mais baixos e em uma menor demanda de energia, o que é crucial em um cenário de crescente pressão por sustentabilidade.
Além disso, a compreensão da relação entre temperatura de bulbo úmido, temperatura de condensação e eficiência energética é vital para a tomada de decisões informadas. Essas considerações garantem não apenas a eficácia operacional, mas também promovem a sustentabilidade, minimizando o impacto ambiental associado ao consumo de energia.
Portanto, a escolha estratégica de locais para a instalação de frigoríficos pode resultar em economias significativas em custos operacionais e em uma contribuição positiva para a eficiência energética. A análise dos resultados sugere que a integração de tecnologias de resfriamento mais eficientes e a otimização do uso de recursos hídricos e energéticos são essenciais para enfrentar os desafios do setor, garantindo que os frigoríficos operem de maneira sustentável e eficiente em um cenário em constante mudança.
Referências
ASHRAE. ASHRAE – Systems-and-Equipment. Disponível em file:///C:/Users/paida/Downloads/ASHRAE-Systems-and-Equipment-Cooling-Towers.pdf. CHAPTER 39. Acessado em 04/03/2025.
Coolpack. Software Refrigeração. IPU. 2024.
Danfoss. Why ammonia. Disponível em https://www.danfoss.com/pt-br/markets/refrigeration-and-air-conditioning/dcs/industrial-refrigeration/ammonia-in-industrial-refrigeration/why-ammonia/. Acessado em 04/05/2025.
Ghandi, Al; Bilec, SG. Pensamento do ciclo de vida e o sistema de classificação LEED: perspectiva global sobre o uso de energia em edifícios e impactos ambientais. Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Pittsburgh: Pittsburgh, PA, EUA, 2015.
NBR 16255. 2014. Sistemas de refrigeração para supermercados – Diretrizes para o projeto, instalação e operação. 2014.
NBR 16401-1 2024. NBR 16401: Atualizações e Novas Restrições para Sistemas de Ar-Condicionado. 2024
Pearson, Andy et a.l. Refrigeration with ammonia le froid a ammoniac. International journal to refrigeration. Volume 31. Isse 4. Doi 10.1016/j.ijrefrig.2007.11.011. Junho de 2008.
Santos, Alexandre et al. Novo Índice de Sustentabilidade HVAC — TWI (Impacto Total da Água). Emergies. Doi 10.3390/en13.071590.
Sherwood, SC & Huber, M. Um limite de adaptabilidade às mudanças climáticas devido ao estresse térmico. National Library of Medicine. Doi 10.1073/pnas.0913352107. 3 de maio de 2010.
Vanos, Jennifer et al. A physiological approach for assessing human survivability and liveability to heat in a changing climate. Nature. Article number 7653. 23 de novembro 2023.