Os caminhos para a liderança em projetos de energia e meio ambiente Créditos de conservação de água para torres de resfriamento evaporativo
Neal Walsh: Gerente de Negócios, Baltimore Aircoil Company, Inc. e Robert Downey: Gerente de Desenvolvimento de Vendas Globais e Especialista em Tratamento de Água, Baltimore Aircoil Company, Inc.
As torres de resfriamento evaporativo desempenham um papel importante em edifícios verdes, reduzindo significativamente o consumo de energia quando complementam ou substituem os sistemas de ar condicionado tradicionais, reduzindo assim a pegada de carbono e os custos operacionais. Embora o resfriamento evaporativo seja ótimo para economizar energia, ele consome um pouco de água, mas os benefícios na economia de energia superam o uso de água, que em alguns lugares é um recurso escasso.
A conservação de água é, portanto, uma alta prioridade no projeto e operação de equipamentos refrigerados a água e desempenha um papel importante na certificação de Liderança em Energia e Design Ambiental (LEED) do USGBC e outros programas de sustentabilidade. LEED atribui pontos de crédito para reduzir o uso de água.
Dois caminhos de design
As opções LEED para redução do consumo de água potável em torres de resfriamento podem ser divididas em duas estratégias:
Obtenha mais uso da água potável
A primeira estratégia visa maximizar o uso e o valor de cada galão de água potável usado no resfriamento evaporativo, otimizando os ciclos de concentração (COC) da torre de resfriamento. O sucesso desta estratégia e a facilidade ou dificuldade de implementá-la é altamente dependente da qualidade da água potável disponível.
Substituição de água não potável
A segunda estratégia recomendada pelo LEED – que pode ser combinada com a primeira – é substituir água não potável, como condensado de HVAC ou água da chuva, por alguma parcela da água total consumida. Analogamente ao uso de energia solar e eólica como fontes de “energia alternativa” para substituir ou complementar o consumo de combustíveis fósseis, o uso de água não potável atua como uma fonte de “água alternativa”, substituindo a água potável potencialmente escassa. Obviamente, a viabilidade desta abordagem depende dos tipos de fontes de água não potável disponíveis.
Para alguns desses caminhos de design, alcançar a redução desejada do uso de água potável traz alguns efeitos colaterais potenciais e novos desafios que devem ser avaliados e enfrentados. Por exemplo, aumentar o COC é mais difícil quando a água local tem dureza elevada. Outro exemplo é o condensado HVAC e a água da chuva, que geralmente são ótimas opções naturalmente suaves para água não potável. Deve-se notar que estes introduzem os problemas potenciais de partículas em suspensão no ar que promovem o crescimento biológico e de corrosão para o equipamento de resfriamento.
Consumo de água em uma torre de resfriamento
Para entender o princípio do COC, devemos recuar e entender as causas da perda de água em uma torre de resfriamento.
Evaporação
O vapor de água é um subproduto importante do resfriamento evaporativo, e a Agência de Proteção Ambiental (EPA) estima que cerca de 1,8 galões de água são evaporados para cada tonelada-hora de resfriamento. De acordo com a EPA, “a evaporação é a principal função de uma torre de resfriamento e é o método que remove o calor do sistema da torre de resfriamento. A quantidade de evaporação normalmente não é direcionada para a eficiência da água, pois é responsável pelo efeito de resfriamento”.
Fonte: EPA: Water Efficiency Management Guide - Mechanical Systems, novembro de 2017
Deriva, vazamentos e transbordamento
Embora a evaporação seja considerada uma causa necessária e aceitável de perda de água, outros meios de perda de água devem ser cuidadosamente controlados.
A deriva é a pequena quantidade de água na forma de névoa ou gotas de água que é expelida da torre de resfriamento com pouco ou nenhum efeito de resfriamento benéfico. Os fabricantes de equipamentos abordam isso incluindo eliminadores de deriva, que controlam a perda de deriva entre 0,05-0,2% da taxa de fluxo de água através da torre de resfriamento. Para uma aplicação de 500 toneladas nominais com fluxo de 1500 gpm, a perda por deriva pode ser de até 3 gpm, o que é típico para unidades de fluxo cruzado e representa cerca de 1% do uso total de água.
Vazamentos ou transbordamento não devem ocorrer regularmente em uma torre de resfriamento operada e mantida adequadamente. Os alarmes de transbordamento devem ser instalados no dreno de transbordamento, conforme normalmente exigido pelos códigos de encanamento e construção, a fim de corrigir rapidamente qualquer problema de vazamento ou transbordamento.
Soprar para baixo
Isso deixa uma causa remanescente de perda de água. Blowdown, também conhecido como bleed, é a água que é sangrada do sistema para manter a concentração de sólidos dissolvidos na água de resfriamento circulante dentro de limites aceitáveis. À medida que a água evapora, a água escapa, mas a maioria das outras moléculas é deixada para trás. Este processo eleva a concentração de sólidos totais dissolvidos (TDS) remanescentes na água do sistema, incluindo cálcio, magnésio, cloreto e sílica. Altas concentrações podem causar a formação de incrustações ou levar à corrosão, resultando em ineficiências do sistema, falhas e problemas de manutenção. A concentração de sólidos suspensos de partículas transportadas pelo ar e outras fontes também aumenta, facilitando a incrustação biológica e arriscando o crescimento bacteriano.
Simplificando, a concentração de TDS e sólidos suspensos é controlada pela remoção da água de purga. Para manter o volume ideal de água no sistema, o volume total de água que é perdido por meio dessa descarga e por evaporação é substituído por “água de reposição” (supondo que não haja perda por deriva, vazamentos e transbordamento).
Maximizando os Ciclos de Concentração
Uma medida fundamental da eficiência da torre de resfriamento são os ciclos de concentração, também conhecidos como taxa de concentração. Os ciclos de concentração (COC) são definidos como a razão dos sólidos dissolvidos (condutividade) na água da torre para os sólidos dissolvidos (condutividade) na composição. Isso é fácil e comumente determinado tomando a condutância específica da água de resfriamento e dividindo-a pela condutância da composição. O cálculo também pode ser feito usando minerais que não são afetados pelo regime de tratamento químico, como cloreto ou sílica.
Um método alternativo, igualmente preciso, de cálculo do COC é pegar o volume de água de reposição e dividi-lo pelo volume de sangria. Isso é feito facilmente se a torre estiver equipada com hidrômetros nas linhas de reposição e purga, prática altamente recomendada.
Quanto melhor a qualidade da água de reposição - em outras palavras, quanto menor o TDS, sólidos suspensos e corrosividade - maior o COC que pode ser alcançado e menos purga é necessária para manter o COC desejado para manter a qualidade da água do sistema dentro de limites aceitáveis. Abaixo, examinamos vários métodos para melhorar a qualidade da água de reposição.
O TDS, e especificamente a dureza da água, é de longe o fator mais significativo que afeta as estratégias para conservar a água aumentando o COC. O aumento do COC é muito mais fácil de implementar em locais onde a água é naturalmente macia, como porções do Nordeste, Sudeste e Noroeste dos Estados Unidos.
Na versão 4.0 do LEED, alcançar pelo menos 10 COC rende de 2 a 4 créditos, dependendo se o sistema é para uma nova construção, um prédio existente ou um data center. Os programas de redução de água que atingem menos de 10 COC ganharão apenas 1-2 créditos (a menos que pelo menos 20% da água de reposição seja água não potável reciclada, caso em que 2-4 créditos podem ser ganhos).
A versão LEED 4.1 é um pouco diferente. Ele remove o limite de 10 COC e, em vez disso, concede créditos com base no excesso de COC em uma porcentagem. A porcentagem compara o COC antes e depois que medidas são tomadas para melhorar a qualidade da água de reposição. Para BD+C e projetos core e shell, exceder o COC da linha de base em 25% ganha 2 créditos, e para core e shell um ponto adicional pode ser ganho se o COC da linha de base for excedido em 30%.
Água Não Potável como Fonte Alternativa
Quando disponíveis, fontes de água não potável podem ser uma ótima maneira de economizar água potável e um caminho para ganhar 2 créditos LEED. Vejamos quatro categorias comuns de água não potável: condensado HVAC, água pluvial e pluvial, água municipal reciclada e água cinza.
HVAC Condensado
Especialmente no sudeste dos EUA, alta umidade e altas cargas de resfriamento durante a maior parte do ano proporcionam um alto potencial de captura de condensado. Em Washington, DC, por exemplo, a captura de condensado pode chegar a 10 galões/cfm de OA por ano e em Miami até 31 galões/cfm de OA por ano, de acordo com um artigo do ASHRAE Journal de 2021.
O condensado HVAC é uma fonte ideal de água de reposição para torres de resfriamento por dois motivos. Primeiro, o tempo de geração de condensado dos sistemas de ar condicionado se alinha bem com o tempo de necessidade de água de reposição para as torres de resfriamento. Este alinhamento significa que um tanque de armazenamento pode não ser necessário. Em segundo lugar, a água condensada é pura com um conteúdo mineral dissolvido muito baixo. No entanto, uma possível desvantagem do condensado HVAC é que às vezes ele contém metais pesados, como cobre ou chumbo, que podem exigir tratamento antes de serem usados como água de reposição.
água da chuva
As águas pluviais e pluviais são comumente coletadas de telhados e superfícies duras, como leitos de estradas ou estacionamentos. Os regulamentos variam de acordo com o estado sobre o uso dessa água. Este mapa fornece uma avaliação inicial da viabilidade da implementação da captação de águas pluviais e pluviais. Um estudo de 2012 publicado pela Universidade do Tennessee concluiu que um alto número de COC pode ser alcançado com a água da chuva porque os sólidos dissolvidos são significativamente menores do que na água da torneira.
No entanto, o pH da água da chuva frequentemente fica em torno ou abaixo de 6 e, portanto, precisa ser mitigado antes do uso em uma torre de resfriamento para minimizar o risco de corrosão e contaminação. Além disso, o controle do crescimento microbiológico deve ser incluído em qualquer plano de tratamento de água onde a água da chuva coletada está sendo usada. O nível de tratamento necessário para a água da chuva coletada depende da fonte. Dois problemas comuns são excrementos de pássaros se a chuva for coletada de um telhado e óleo se for coletado de leitos de estradas e estacionamentos.
Água municipal reciclada e água cinza
Os municípios locais estão desenvolvendo cada vez mais a capacidade de recuperar e vender águas residuais tratadas (a um preço significativamente mais baixo do que a água potável) em vez de descartá-las em um lago ou rio. “Tubo roxo”, junto com sinalização apropriada, é usado para distinguir tais sistemas de distribuição de linhas de água potável.
Essa água geralmente é de boa qualidade, embora a concentração de minerais seja geralmente maior do que a água potável. Uma vantagem é que o aumento do teor de sílica, alcalinidade, dureza e fosfato na água recuperada costuma ser menos corrosivo do que a água da torneira. Ao usar água municipal reciclada, as equipes de gerenciamento de qualidade da água precisam avaliar como os inibidores de corrosão do processo municipal podem afetar as estratégias de tratamento de água para água de compensação da torre de resfriamento.
Infelizmente, fontes comerciais típicas de água cinza – por exemplo, mictórios e lavanderias – não são apropriadas para uso como fonte direta de água não potável sem tratamento adicional significativo. Os sabões encontrados na lavanderia podem ser problemáticos porque agem como uma fonte de alimento para o crescimento microbiológico.
Enfrentando os desafios da qualidade da água
Dependendo da qualidade da água disponível e com base em testes e recomendações de profissionais de tratamento de água, a estratégia de conservação de água pode exigir a implementação de um ou mais métodos de mitigação. Esses métodos se dividem em duas categorias básicas: (a) melhorando a água com tratamento químico e filtração e (b) protegendo o sistema com materiais de construção que oferecem alta proteção contra corrosão.
Minerais Dissolvidos. A água com alto teor de minerais pode ser particularmente desafiadora porque altos níveis de cálcio, magnésio, alcalinidade e sílica aumentam o risco de incrustação nas superfícies de transferência de calor, o que pode degradar rapidamente o desempenho do sistema. Por outro lado, altos níveis de cloretos e sulfatos aumentam o risco de corrosão em vários metais usados em sistemas de água de resfriamento, o que pode levar ao aumento dos custos de manutenção e redução da vida útil dos ativos. Limitar os sólidos dissolvidos é fundamental para alcançar aumentos no número de ciclos de concentração. Três métodos de mitigação são comumente usados:
Tratamento químico. Os produtos químicos inibidores de incrustações causam um processo chamado modificação do cristal, que suaviza as arestas duras do precipitado cristalino em um material mais redondo que permanece em solução por mais tempo e tem menos probabilidade de formar incrustações. Os tratamentos químicos também incluem polímeros dispersantes que coalescem e aglomeram essas partículas mais macias e, por forças hidrofílicas e hidrofóbicas, tornam essas partículas menos propensas a se ligarem às superfícies de transferência de calor. Esses tratamentos químicos funcionam, mas têm limites baseados na química moderna e muitas vezes são insuficientes para lidar com águas com alto teor de minerais.
Pré-tratamento mecânico. A maioria das instalações precisa considerar o pré-tratamento mecânico, sistemas amaciadores de água ou sistemas de osmose reversa parcial ou uma combinação dos dois. Os amaciadores de água usam uma resina de troca iônica, que coleta cálcio e magnésio, juntamente com um tanque de salmoura, que usa sal como regenerante. Esses sistemas são relativamente simples e têm baixo custo total de propriedade, mas removem apenas cálcio e magnésio e não outros sólidos dissolvidos como cloretos; e não reduzem a alcalinidade. Os amaciadores de água podem aumentar os ciclos de concentração de aproximadamente 2 para 4, mas raramente permitem os grandes saltos necessários para atingir 10 COC.
A osmose reversa parcial (RO) é mais eficaz. A água é empurrada através de uma membrana, removendo 95-98% de todos os minerais. Normalmente, o RO é usado para produzir água pura, mas isso seria muito corrosivo para aplicações em torres de resfriamento. Portanto RO parcial é usado, que mistura a água RO com água de reposição municipal. Para água com conteúdo mineral muito alto, o projeto mais econômico é usar um amaciador de água para remover os minerais de dureza antes do processo RO.
Sólidos em suspensão. A concentração de sólidos suspensos de várias fontes de água e de partículas transportadas pelo ar que se acumulam na torre de resfriamento facilita a incrustação biológica e arrisca o crescimento bacteriano perigoso. Para esta aplicação, a filtragem ciclônica é mais eficaz e fácil de manter do que a filtragem de areia.
A solução mais econômica é projetar e instalar um sistema de filtragem de fluxo lateral com tubulação de varredor de bacia. O sistema deve ser montado na fábrica e entregue com a nova torre de resfriamento. (Os sistemas de pós-venda exigem a remoção do pacote de preenchimento, o que aumenta o risco de danos ao preenchimento.)
Corrosão. As estratégias de conservação de água geralmente envolvem corrosividade elevada da água do sistema, especialmente ao usar RO parcial ou água não potável de alta pureza, como condensado de HVAC e água da chuva.
Para ver as diretrizes de qualidade da água da BAC, clique aqui .
Materiais alternativos de construção
Outra estratégia de mitigação é selecionar um material de construção para a torre de resfriamento que ofereça alguma proteção contra corrosão, como o aço inoxidável. Para o mais alto nível de proteção contra corrosão, podem ser aplicados revestimentos de bacia de poliuretano. O sistema de proteção contra corrosão TriArmor® da Baltimore Aircoil Company oferece um revestimento de poliuretano aplicado na fábrica.
Vários caminhos de design
Proprietários e operadores que lidam com incrustações, bactérias e corrosão manterão a máxima eficiência do sistema e prolongarão a vida útil do equipamento de resfriamento evaporativo. A tabela a seguir resume as considerações de projeto para atender aos objetivos da figura à direita.
Esses vários caminhos de projeto oferecem muitas opções para ganhar pontos LEED em edifícios existentes e novas construções. Ao reduzir o consumo de energia e água potável, sistemas de torres de resfriamento bem projetados e bem conservados economizam recursos naturais escassos e dinheiro.
Para obter mais informações, assista ao webinar da BAC sobre LEED e equipamento de resfriamento evaporativo: o que você precisa saber .