Refrigeração Solar

Refrigeração por Energia Térmica Solar: Rio de Janeiro

A casa solar da Santa Clara University é um projeto modelo equipado com um sistema de refrigeração movido a energia solar térmica. Foto por congressman honda,  licenciada sob creative commons

 

O uso de energia solar térmica para acionar sistemas de refrigeração está se tornando mais comum, embora sistemas comerciais ainda não estejam sendo difundidos.

A Agência Internacional de Energia (IEA) da Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE) tem vários projetos que envolvem o uso de energia solar para fornecer refrigeração a edifícios.

Esta tecnologia é geralmente conhecida como refrigeração solar ou climatização solar. Refrigeração solar tem o potencial para ser aplicada em edifícios comerciais e escritórios, onde a demanda por ar condicionado acontece nas horas de maior disponibilidade de radiação solar.

Em muitas partes do mundo uma grande proporção da energia elétrica é produzida pela queima de combustíveis fósseis. Neste contexto, a tecnologia de refrigeração solar tem o potencial de reduzir as emissões de gases de efeito estufa (GEE) através da redução da demanda elétrica por ar condicionado. Isto não é o caso do Rio de Janeiro, onde o fornecimento de energia elétrica provém principalmente de fontes renováveis e por isto o uso de refrigeração solar térmica não reduziria significativamente as emissões de GEE.

No entanto, a geração de energia renovável poderia trazer outros benefícios ambientais ou sociais. Além disso, o ar condicionado convencional é responsável por grandes picos de demanda de energia, o que sobrecarrega a infra-estrutura (geração e distribuição) e talvez gere a necessidade de geração de energia por usinas termoelétricas.

A  refrigeração solar térmica em grande escala já está disponível – mas a tecnologia de pequena escala ainda está em desenvolvimento [1].

O que é o Resfrigeração Solar?

A maioria dos sistemas de refrigeração solarusacoletores de energia solar térmica similares aos usados em sistemas solares térmicos de aquecimento de água para residências, mas ao invés de usar o calor para aquecimento, o calor é direcionado para um chiller de absorção.

Um chiller de absorção é termodinamicamente semelhante (em princípio) a um chiller  convencional (de compressão de vapor), mas ele é movido pela energia do calor absorvido e não por energia elétrica.

Chillers de absorção são muito menos eficientes do que refrigeradores convencionais, gerando entre 0,65-1,2 kW de arrefecimento para cada kW 1.0 de entrada de calor. Isso se compara com cerca de 3,0 kW de refrigeração por kW de uso de eletricidade para um chiller convencional. Chillers de absorção dependem da entrada de energia barata e/ou de baixo carbono (ou seja, do Sol).

A principal desvantagem  técnica dos chillers de absorção é que eles dependem de temperaturas muito elevadas para acionamento, tipicamente acima de cerca de 90°C (quanto maior a temperatura, maior a eficiência). Se a temperatura cai abaixo do valor mínimo crítico, o efeito de arrefecimento para completamente. Pode ser difícil manter a temperatura dos sistemas de energia solar térmica em níveis tão elevados constantemente.

Resfrigeração Solar Dessecante

Um tipo alternativo de refrigeração solarusadessecantes. Os mais comuns são dessecantes sólidos dispostos numa roda da que gira entre duas correntes de ar.

Uma corrente de ar quente e/ou úmido é aspirada do exterior e passa por uma roda dessecante onde sua umidade é absorvida. Com a perda de umidade para a roda, a temperatura do ar aumenta (se o ar de um ambiente pode ser resfriado com introdução de água por evaporação, então ele pode ser aquecido com a retirada de umidade). Após a perda da umidade, o ar resultante é seco e muito quente – cerca de  70°C. A esta temperatura o ar não pode ser utilizado para condicionamento do ambiente, então ele passa por um permutador de calor que aborve o seu calor excedente. A 70°C o ar está tão quente que pode facilmente perder calor para qualquer coisa que esteja ao seu redor – geralmente o ar quente do sistema troca energia com o ar externo do edíficio.

Assim, o ar atinge a mesma temperatura que o ambiente externo mas sua umidade é muito mais baixa. O calor solar-térmico é usado para reativar a roda dessecante (retirar a umidade absorvida por ela) de forma que o processo se repita.

Na sua forma mais simples, os sistemas dessecantes apenas realizam a desumidificação – o que em si já é bem útil em ambientes úmidos -, mas é possível levar o processo adiante. Com o ar “super-seco” e o seu calor dissipado para o ambiente externo, o ar reabsorve umidade do ambiente (por evaporação) baixando a temperatura, e assim resfria o ambiente ao mesmo tempo em que reduz sua umidade.

Esta tecnologia não é intuitiva porque o calor e a água são fornecidos para resfriar e desumidificar. A principal vantagem é que os dessecantes operam em temperaturas mais baixas do que as exigidas por chillers de absorção, sendo mais adequados para sistemas solares térmicos.

Existe também uma variante de dessecante líquido que utiliza água salgada (cloreto de lítio ou brometo de lítio). Sistemas dessecantes são muito mais simples de se manter do que chillers de absorção e não requerem know-how específico.

Parauma descrição mais completa das técnicas de refrigeração solar térmica, consulte este recurso fornecido pela Associação Européia da Indústria Solar Térmica

Componentes dos Sistemas de Refrigeração Solares Térmicos

Há uma série de chillers e torres de refrigeração “molhadas” disponíveis no mercado brasileiro  (por exemplo, Internacional Refrigeração). Deve notar-se que nem todos os coletores solares térmicos são adequados para acionar os sistemas de refrigeração solar, assim deve-se  tomar cuidado na aquisição de componentes que sejam compatíveis.

A Economia dos Sistemas Solares Térmicos

Aparelhos de ar condicionado padrão (por exemplo, ar condicionado split) são produzidos emmassae suas instalações são muito mais baratas do que as dos sistemas de energia solar térmica. Sistemas de refrigeração solar são substancialmente mais complexos e exigem considerações mais cuidadosas na fase de design.

Um projeto piloto em Guaratinguetá demonstrou que os custos de instalação de sistemas de refrigeração solar térmicos podem ser quase 12 vezes mais caros do que dos sistemas split padrão. Os custos de instalação do sistema solar térmico foram R$ 5.461,00 (por capacidade de refrigeração kW) e os custos do ar condicionado split foram R$ 456,00.

Despesas de funcionamento dos sistemas de energia solar térmica podem ser até cinco vezes menores do que o  ar condicionado padrão – mas os custos de manutenção de refrigeração solar térmica tendem a ser mais elevados do que do AVAC convencional. No momento, os sistemas de refrigeração solares térmicos não são economicamente viáveis, mas poderiam se tornar viáveis se financiados com juros menores do que 1,5% ao ano  e se os preços da electricidade excedessem  R$ 0,60/kWh. Nas atuais condições, a instalação geraretorno financeiro em 21 anos – ou seja, não há benefícios durante a vida-útil do sistema [2].

Mesmo os projetos piloto de refrigeração solar térmica necessitam de backup com sistemas de ar-condicionado padrão ou uma fonte alternativa de calor. No contexto do Rio de Janeiro, o mais recomendado seria utilizar a tecnologia de AVAC padrão mas com alta eficiência energética, combinada com medidas de design passivo de eficiência energética.

Referências

  1. International Energy Agency, “Technology Roadmap: Solar Heating and Cooling,” 2012. [Online]. Disponível em: http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/2012_SolarHeatingCooling_Roadmap_FINAL_WEB.pdf. [Accessado em: 30-Oct-2012].
  2. F. R. Till, “Technical and Economic Assessment of Medium Sized Solar-Assisted Air-Conditioning in Brazil”  Dissertação (Mestrado em Engenharia Urbana e Ambiental) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2010.