Sistema chiller-fan coil: princípio de funcionamento e configuração do sistema de termorregulação

O sistema climático multizonal chiller-fan coil é projetado para criar condições confortáveis dentro de um edifício de grande área. Ele funciona constantemente — no verão fornece frio, e no inverno calor, aquecendo o ar até a temperatura desejada. Vale a pena conhecer seu funcionamento, concorda?

No artigo que propomos, a construção e as partes componentes do sistema climático são descritas em detalhes. São apresentados e analisados em detalhe os métodos de conexão do equipamento. Explicaremos como este sistema de termorregulação é estruturado e funciona.

Partes componentes do esquema chiller-fan coil

O papel do dispositivo de resfriamento é atribuído ao chiller — uma unidade externa que produz e fornece frio através de tubulações com água ou etilenoglicol circulante. Isso a diferencia de outros sistemas split, onde o freon é usado como fluido de transferência de calor.

Para o movimento e transferência de freon (refrigerante), são necessários tubos de cobre caros. Aqui, porém, tubos de água com isolamento térmico lidam perfeitamente com essa tarefa. A temperatura do ar externo não afeta seu funcionamento, enquanto sistemas split com freon perdem funcionalidade já a -10°. O agregado de troca de calor interno é o fan coil.

Ele recebe o líquido a baixa temperatura, depois transfere o frio para o ambiente do recinto, e o líquido aquecido retorna ao chiller. Os fan coils são instalados em todos os cômodos. Cada um deles funciona de acordo com um programa individual.

Os elementos principais do sistema são: estação de bombeamento, chiller, fan coil. O fan coil pode ser instalado a uma grande distância do chiller. Tudo depende da potência da bomba. O número de fan coils é proporcional à potência do chiller.

Normalmente, esses sistemas são usados em hipermercados, centros comerciais, construções subterrâneas, hotéis. Às vezes, são usados como aquecimento. Então, pelo segundo circuito, água aquecida é fornecida aos fan coils, ou o sistema é alternado para uma caldeira de aquecimento.

Configuração construtiva do sistema

Quanto à configuração construtiva, os sistemas chiller-fan coil podem ser de 2 tubos ou 4 tubos. Quanto ao tipo de instalação, os dispositivos se diferenciam em montados na parede, no piso ou embutidos.

O sistema é avaliado com base nos seguintes parâmetros principais:

• potência ou capacidade de refrigeração do chiller;
• capacidade dos fan coils;
• eficiência do movimento da massa de ar;
• comprimento das tubulações principais.

O último parâmetro depende da potência da unidade de bombeamento e da qualidade do isolamento térmico dos tubos.

Conexão do chiller e do fan coil

O funcionamento coordenado do sistema ocorre através da conexão do chiller com um ou vários fan coils por meio de tubulações com isolamento térmico. Na ausência deste, o valor do rendimento do sistema cai significativamente.

Cada fan coil possui um conjunto de conexão individual, através do qual é garantido o ajuste de seu desempenho tanto para produção de calor quanto de frio. O fluxo do refrigerante em cada unidade é regulado por meio de válvulas especiais — de corte e de regulagem.

Para direcionar a água resfriada para o trocador de calor, um tubo é conectado ao fan coil, e o outro — para a saída do fluido — ao chiller. A configuração do sistema permite a mistura do refrigerante com o fluido térmico.

Se não for permitida a mistura do fluido térmico com o agente refrigerante, a água é aquecida em um trocador de calor separado e o esquema é complementado com uma bomba de circulação. Para garantir o ajuste suave do fluxo do fluido de trabalho através do trocador de calor, durante a montagem do esquema de conexão, é utilizada uma válvula de 3 vias.

Se no edifício estiver instalado um sistema de dois tubos, tanto o resfriamento quanto o aquecimento ocorrem por meio do refrigerador — chiller. Para aumentar a eficiência do aquecimento com fancoils no período frio, além do chiller, uma caldeira é incluída no sistema.

Ao contrário do sistema de dois tubos com um trocador de calor, no sistema de quatro tubos são incorporados 2 desses componentes. Nesse caso, o fancoil pode funcionar tanto para aquecimento quanto para resfriamento, utilizando no primeiro caso o líquido que circula no sistema de aquecimento.

Um dos trocadores de calor é conectado à tubulação com refrigerante, e o segundo ao tubo com fluido térmico. Cada trocador de calor possui uma válvula individual controlada por um controle remoto especial. Se esse esquema for aplicado, o refrigerante nunca se mistura com o fluido térmico.

Como a temperatura do fluido térmico no sistema durante a estação de aquecimento varia entre 70 e 95⁰ e, para a maioria dos fancoils, excede o permitido, ela é reduzida previamente. Portanto, a água quente que chega da rede central de aquecimento aos fancoils passa por um ponto térmico especial.

Principais classes de chillers

A divisão condicional dos chillers em classes ocorre de acordo com o tipo de ciclo de refrigeração. Por essa característica, todos os chillers podem ser condicionalmente divididos em duas classes — absorção e compressão de vapor.

Estrutura do agregado de absorção

O chiller de absorção ou ABXM (máquina de refrigeração por absorção) utiliza para funcionar uma solução binária com água e brometo de lítio — absorvedor. O princípio de funcionamento é a absorção de calor pelo refrigerante na fase de transformação de vapor em estado líquido.

Tais agregados utilizam o calor liberado durante a operação de equipamentos industriais. Além disso, o absorvente com temperatura de ebulição significativamente superior ao parâmetro correspondente do refrigerante dissolve bem este último.

O esquema de funcionamento do chiller desta classe é o seguinte:

1. O calor de uma fonte externa é levado ao gerador, onde aquece a mistura de brometo de lítio e água. Durante a ebulição da mistura de trabalho, o refrigerante (água) evapora completamente.
2. O vapor é transportado para o condensador e se torna líquido.
3. O refrigerante em estado líquido entra na válvula de expansão. Aqui ele é resfriado e a pressão cai.
4. O líquido entra no evaporador, onde ocorre a evaporação da água e a absorção de seus vapores pela solução de brometo de lítio — absorvedor. O ar no ambiente é resfriado.
5. O absorvente diluído é aquecido novamente no gerador, e o ciclo é reiniciado.

Esse sistema de condicionamento de ar ainda não se difundiu amplamente, mas está totalmente alinhado com as tendências modernas de economia de energia, portanto, tem boas perspectivas.

Estrutura das instalações de compressão a vapor

A maioria das unidades de refrigeração funciona com base no resfriamento por compressão. O resfriamento ocorre devido à circulação contínua, ebulição em baixas temperaturas, pressão e condensação do refrigerante em um sistema fechado.

Na construção do chiller desta classe estão incluídos:

• compressor;
• evaporador;
• condensador;
• tubulações;
• regulador de fluxo.

O refrigerante circula em um sistema fechado. Esse processo é controlado pelo compressor, onde a substância gasosa a baixa temperatura (-5⁰) e pressão de 7 atm é comprimida até atingir 80⁰.

O vapor saturado seco em estado comprimido segue para o condensador, onde é resfriado a 45⁰ com pressão constante e convertido em líquido.

O próximo ponto no trajeto é a válvula de expansão (válvula redutora de pressão). Nesta etapa, a pressão diminui do valor correspondente à condensação até o limite em que ocorre a evaporação. Simultaneamente, a temperatura também cai para aproximadamente 0⁰. O líquido evapora parcialmente e forma-se vapor úmido.

O diagrama mostra um ciclo fechado no qual a unidade de compressão de vapor opera. No compressor (1), o vapor saturado úmido é comprimido até atingir a pressão p1. No compressor (2), o vapor libera calor e se transforma em líquido. Na válvula de expansão (3), tanto a pressão (p3 – p4) quanto a temperatura (T1-T2) diminuem. No trocador de calor (4), a pressão (p2) e a temperatura (T2) permanecem constantes

Ao entrar no trocador de calor – evaporador, o fluido de trabalho, uma mistura de vapor e líquido, cede frio ao fluido de transferência de calor e absorve calor do agente refrigerante, secando-se ao mesmo tempo. O processo ocorre com pressão e temperatura constantes. As bombas enviam o líquido a baixa temperatura para os fan coils. Depois de percorrer esse caminho, o agente refrigerante retorna ao compressor para repetir todo o ciclo de compressão de vapor.

Especificidade do chiller de compressão a vapor

Durante o período frio, o chiller pode operar no modo de resfriamento natural — isso é chamado de free cooling. Nesse caso, o fluido de transferência de calor resfria o ar externo. Teoricamente, o resfriamento livre pode ser usado quando a temperatura externa for inferior a 7⁰C. Na prática, a temperatura ideal para isso é 0⁰.

Ao ser configurado no modo 'bomba de calor', o chiller opera para aquecimento. O ciclo sofre alterações, em particular, o condensador e o evaporador trocam suas funções. Nesse caso, o fluido de transferência de calor deve ser aquecido, não resfriado.

Os chillers monobloco são os mais simples. Neles, todos os elementos são compactamente integrados em uma única unidade. Eles são vendidos 100% completos, incluindo a carga de refrigerante.

Esse modo é mais frequentemente usado em grandes escritórios, prédios públicos e armazéns. O chiller é uma unidade de refrigeração que produz três vezes mais frio do que consome. Sua eficiência como aquecedor é ainda maior — ele consome quatro vezes menos eletricidade do que fornece calor.

Qual a diferença entre refrigerante e fluido de transferência de calor?

O agente refrigerante é a substância de trabalho que, durante o ciclo de refrigeração, pode existir em diferentes estados físicos sob diferentes valores de pressão. O fluido térmico não muda de estado físico. Sua função é transportar frio ou calor por uma certa distância.

O transporte do refrigerante é controlado pelo compressor, e o do fluido térmico, pela bomba. A temperatura do agente refrigerante pode cair abaixo do ponto de ebulição ou subir além dele. O fluido térmico, ao contrário do refrigerante, opera constantemente em temperaturas que não excedem o ponto de ebulição na pressão atual.

Papel do fan coil no sistema de condicionamento de ar

O fan coil é um elemento importante de um sistema climático centralizado. Também é chamado de ventilador-convector. Se o termo fan-coil for traduzido literalmente do inglês, soa como 'ventilador-trocador de calor', o que descreve com mais precisão seu princípio de funcionamento.

A estrutura do fan coil inclui um módulo de rede que permite a conexão ao dispositivo de controle central. Um invólucro resistente oculta os componentes estruturais e os protege contra danos. Do lado de fora, é instalado um painel que distribui uniformemente os fluxos de ar em diferentes direções.

A finalidade do dispositivo é receber o fluido de baixa temperatura. Suas funções também incluem a recirculação e o resfriamento do ar no ambiente onde está instalado, sem entrada de ar externo. Os principais elementos do fan-coil estão localizados em seu invólucro.

Entre elas estão:

• ventilador centrífugo ou diametral;
• trocador de calor em forma de serpentina, composto por um tubo de cobre e aletas de alumínio montadas nele;
• filtro de poeira;
• unidade de controle.

Além dos componentes e peças principais, a estrutura do fan coil inclui uma bandeja para captação de condensado, uma bomba para removê-lo e um motor elétrico que gira as válvulas de ar.

Na foto, um fan coil de duto da marca Trane. A capacidade dos trocadores de calor de duas fileiras é de 1,5 a 4,9 kW. A unidade é equipada com um ventilador silencioso e um invólucro compacto. Ele se encaixa perfeitamente atrás de painéis falsos ou sob um teto suspenso.

Dependendo do método de instalação, existem fan coils de teto, de duto (instalados em dutos por onde o ar de entrada é fornecido), sem invólucro (com todos os elementos montados em uma estrutura), de parede ou de console.

Os aparelhos de teto são os mais populares e têm duas versões: cassete e de duto. Os primeiros são instalados em salas amplas com tetos suspensos. O invólucro é colocado atrás da estrutura suspensa. O painel inferior permanece visível. Eles podem distribuir os fluxos de ar em dois ou todos os quatro lados.

Se o sistema for usado exclusivamente para resfriamento, o melhor lugar para ele é o teto. Se a estrutura se destina ao aquecimento, o dispositivo é colocado na parede, na parte inferior.

A necessidade de resfriamento nem sempre existe, portanto, como visto no diagrama que mostra o princípio de funcionamento do sistema chiller-fan coil, um tanque que atua como acumulador de refrigerante é incorporado ao módulo hidráulico. A expansão térmica da água é compensada por um tanque de expansão conectado à tubulação de alimentação.

Os fan coils são controlados tanto manualmente quanto automaticamente. Se o fan coil estiver operando para aquecimento, no modo manual o fornecimento de água fria é interrompido. Quando opera para resfriamento, a água quente é fechada e o caminho é aberto para a entrada do fluido de trabalho de resfriamento.

Controle remoto para gerenciar tanto o fan coil de 2 tubos quanto o de 4 tubos. O módulo é conectado diretamente ao dispositivo e colocado próximo a ele. A partir dele, conectam-se o painel de controle e os fios para sua alimentação.

Para operação no modo automático, a temperatura desejada para o ambiente específico é ajustada no painel. O suporte do parâmetro definido é realizado por meio de termostatos, que ajustam a circulação dos fluidos térmicos — frio e quente.

A vantagem do fan coil se expressa não apenas no uso de um fluido térmico seguro e barato, mas também na rápida correção de problemas como vazamentos de água. Isso reduz o custo de sua manutenção. O uso desses dispositivos é a maneira mais energeticamente eficiente de criar um microclima favorável no edifício.

Como qualquer edifício grande possui zonas com diferentes requisitos de temperatura, cada uma delas deve ser atendida por um fan coil individual ou por um grupo deles com configurações idênticas.

A quantidade de unidades é determinada na fase de projeto do sistema por meio de cálculo. O custo dos componentes individuais do sistema chiller-fan coil é bastante alto, portanto tanto o cálculo quanto o projeto do sistema devem ser realizados com a máxima precisão.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Vídeo #1. Tudo sobre a estrutura, funcionamento e princípio de operação do sistema de termorregulação:

Vídeo #2. Sobre como instalar e colocar em operação o chiller:

A instalação do sistema chiller-fan coil é viável em edifícios médios e grandes com área superior a 300 m². Para uma casa particular, mesmo que enorme, a montagem de tal sistema de termorregulação é um prazer caro. Por outro lado, esses investimentos financeiros garantirão conforto e bem-estar, e isso não é pouco.

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