Cerca de 40 por cento de toda a energia consumida por edifícios em todo o mundo é usada para aquecimento e refrigeração de ambientes. Com o aquecimento do clima, bem como o crescimento da população e o aumento dos padrões de vida, especialmente no calor, regiões úmidas do mundo em desenvolvimento - prevê-se que o nível de resfriamento e desumidificação necessário para garantir o conforto e proteger a saúde humana aumente vertiginosamente, aumentando a demanda global de energia.

Muita discussão está agora se concentrando na substituição dos gases de efeito estufa freqüentemente usados ​​como refrigerantes nos condicionadores de ar de hoje. Mas outra preocupação urgente é que a maioria dos sistemas existentes são extremamente ineficientes em termos de energia.

"O principal motivo de serem ineficientes é que têm duas tarefas a realizar, "diz Leslie Norford, o George Macomber (1948) Professor de Gestão da Construção no Departamento de Arquitetura. "Eles precisam diminuir a temperatura e remover a umidade, e fazer as duas coisas ao mesmo tempo exige muita energia extra. "

A abordagem padrão para a desumidificação é fazer correr água fria por meio de canos dentro de um prédio. Se a água estiver mais fria do que a temperatura do ponto de orvalho, o vapor de água no ar se condensará nas superfícies externas dos tubos. (Pense nas gotas de água que se acumulam em uma lata de refrigerante fria em uma lata de refrigerante quente, dia úmido.) Em um sistema de ar condicionado, que a água pode cair fora ou, em um sistema de grande escala atendendo a um edifício, ser recolhido em uma bandeja de coleta.

O problema é que ligar um resfriador para obter água tão fria consome muita eletricidade - e a água está muito mais fria do que o necessário para baixar a temperatura do ambiente. Separar as duas funções traz economia de energia em duas frentes. A remoção da umidade do ar externo trazido para o prédio requer água fria, mas muito menos do que o necessário para remover o calor das áreas ocupadas. Com esse trabalho feito, correr água fria (não fria) através de canos no teto ou chão manterá uma temperatura confortável.

Uma década atrás, Norford e seus colegas do Instituto Masdar em Abu Dhabi confirmaram os benefícios energéticos de manter temperaturas confortáveis ​​usando canos de água fria na sala - especialmente quando os espaços internos são pré-resfriados à noite, quando a eletricidade é barata e o ar externo é frio. Mas o processo de desumidificação permaneceu ineficiente. A condensação do vapor de água é inerentemente intensiva em energia, então os pesquisadores precisaram encontrar outra maneira de remover a umidade.

Empréstimo de sistemas de dessalinização

Dois anos atrás, uma alternativa promissora foi trazida à atenção de Norford por John Lienhard, Abdul Latif Jameel, Professor de Água e Engenharia Mecânica do MIT. Lienhard é colega de Norford no Center for Environmental Sensing and Modeling, um grupo de pesquisa da Aliança para Pesquisa e Tecnologia de Cingapura-MIT. Lienhard estava trabalhando em tecnologias eficientes de energia para dessalinização. Ferver a água do mar para precipitar o sal consome muita energia, então, o grupo de Lienhard estava procurando usar membranas semipermeáveis ​​que deixam as moléculas de água passarem, mas impedem os íons de sal. Norford pensou que uma membrana semelhante poderia ser projetada para permitir que as moléculas de vapor de água passassem para que pudessem ser separadas de outras, moléculas maiores que compõem o ar interno.

Esse conceito se tornou o tema de um projeto realizado por dois estudantes de graduação em engenharia mecânica:Tianyi Chen, que estava trabalhando com Norford sobre os impactos dos fluxos de ar externos no desempenho energético de edifícios, e Omar Labban, que estava colaborando com Lienhard no uso de membranas em sistemas de dessalinização. Os alunos se conheceram em uma aula de conversão avançada de energia ministrada por Ahmed Ghoniem, o Ronald C. Crane ('72) Professor de Engenharia Mecânica. Emparelhados para um projeto de classe, eles identificaram o ar condicionado como um tópico que se basearia em suas respectivas áreas de interesse de pesquisa e usaria sua experiência recém-adquirida em modelagem e análise termodinâmica.

Sua primeira tarefa foi desenvolver um modelo termodinâmico dos processos fundamentais envolvidos no ar condicionado. Usando esse modelo, eles calcularam o mínimo de trabalho teórico necessário para alcançar a desumidificação e o resfriamento. Eles poderiam então calcular a chamada eficiência de segunda lei de uma determinada tecnologia, isso é, a relação entre o mínimo teórico e seu consumo de energia real. Usando essa métrica como referência, eles poderiam realizar uma sistemática, comparação consistente de vários designs em diferentes climas.

Como uma referência industrial para comparação, eles usaram coeficiente de desempenho (COP), uma métrica que mostra quantas unidades de resfriamento são fornecidas para cada unidade de eletricidade de entrada. O COP é usado pelos fabricantes de hoje, para que pudesse mostrar como projetos diferentes podem funcionar em relação ao equipamento atual. Para referência, Norford cita o COP dos sistemas disponíveis comercialmente como variando de 5 a 7. "Mas os fabricantes estão constantemente apresentando equipamentos melhores, portanto, as balizas dos concorrentes estão se movendo continuamente, " ele diz.

A pesquisa anterior de Norford mostrou que os tubos de água fria no teto ou no chão podem lidar com eficiência com cargas de resfriamento interno, ou seja, o calor que vem das pessoas, computadores, luz solar, e assim por diante. Os pesquisadores, portanto, se concentraram em remover o calor e a umidade do ar externo trazido para ventilação.

Eles começaram examinando o desempenho de um ar condicionado disponível comercialmente que usa o sistema de compressão de vapor padrão (VCS) que tem sido usado no século passado. A análise deles quantificou a ineficiência de não separar o controle de temperatura e umidade. Avançar, localizou uma das principais fontes dessa ineficiência:o processo de condensação. Seus resultados mostraram que o sistema era menos eficiente em refrigeração, as condições úmidas melhoraram à medida que as condições ficaram mais quentes e secas. Mas no seu melhor, ele usou de cinco a dez vezes mais energia do que o mínimo teórico exigido. Assim, houve uma oportunidade significativa de melhoria.

Membranas e dessecantes

Para explorar o uso da tecnologia de membrana, os pesquisadores começaram com um sistema simples incorporando uma unidade contendo uma única membrana. O ar externo entra na unidade, e uma bomba de vácuo puxa o vapor de água através da membrana. A bomba então aumenta a pressão para os níveis ambientais de forma que o vapor d'água se torne água líquida antes de ser ejetado do sistema. O ar externo não mais úmido passa da unidade de membrana através de uma serpentina de resfriamento convencional e entra no espaço interno, fornecendo ar fresco para ventilação e empurrando um pouco mais quente, ar úmido de exaustão ao ar livre.

De acordo com a análise deles, o sistema funciona melhor em condições relativamente secas, mas, mesmo assim, atinge um COP de apenas 1,3 - não alto o suficiente para competir com o sistema atual. O problema é que o funcionamento da bomba de vácuo com altas taxas de compressão consome muita energia.

Para ajudar a resfriar o fluxo de ar que entra, os pesquisadores tentaram adicionar um trocador de calor para transferir calor do ar quente de entrada para o ar de exaustão frio e um condensador para transformar o vapor de água capturado pela unidade de membrana em água fria para a serpentina de resfriamento. Essas mudanças empurraram o COP para 2,4 - melhor, mas não alto o suficiente.

Em seguida, os pesquisadores consideraram as opções de uso de dessecantes, materiais que têm uma forte tendência de adsorver água e geralmente são embalados com produtos de consumo para mantê-los secos. Em sistemas de ar condicionado, um revestimento dessecante é normalmente montado em uma roda posicionada entre os fluxos de ar de entrada e saída. Conforme a roda gira, uma parte do dessecante passa primeiro pelo ar que entra e adsorve a umidade dele. Em seguida, ele passa pelo ar de exaustão aquecido, o que o seca para que esteja pronto para adsorver mais umidade em sua próxima passagem pelo ar que entra.

Os pesquisadores começaram analisando vários sistemas que incorporam uma roda dessecante, mas os ganhos no COP foram limitados. Em seguida, eles tentaram usar as tecnologias de dessecante e membrana juntas. Neste projeto, uma roda dessecante, um trocador de umidade de membrana, e um trocador de calor transfere umidade e calor do ar de entrada para o ar de exaustão. Uma serpentina de resfriamento resfria ainda mais o ar que entra antes que ele seja entregue ao espaço interno. Uma bomba de calor aquece o ar de exaustão, que então passa pelo dessecante para secar e regenerá-lo para uso continuado.

Este sistema "híbrido" complicado rende um COP de 4 sob uma ampla gama de temperaturas e umidade. Mas isso ainda não é alto o suficiente para competir.

Sistema de duas membranas

Os pesquisadores então tentaram um novo sistema que omite a roda dessecante, mas inclui duas unidades de membrana, produzindo um design que é relativamente simples, mas mais especulativo do que os outros. O novo conceito chave envolvia o destino do vapor d'água na corrente de ar que entrava.

Neste sistema, uma bomba de vácuo puxa o vapor de água através de uma membrana - agora chamada de unidade de membrana 1. Mas o vapor de água capturado é então empurrado através da membrana na unidade 2 e se junta ao fluxo de ar de exaustão - sem nunca se transformar em água líquida. Neste arranjo, a bomba de vácuo só precisa garantir que a pressão de vapor seja mais alta no lado a montante da membrana 2 do que no lado a jusante, de modo que o vapor d'água seja empurrado. Não há necessidade de aumentar a pressão para os níveis ambientais, que condensaria o vapor de água, portanto, o funcionamento da bomba de vácuo exige menos trabalho. Essa nova abordagem resulta em um COP que pode chegar a até 10 e atinge um COP de 9 em muitas combinações de temperatura e umidade.

Diferentes opções para diferentes cidades

Para a maioria dos sistemas analisados, o desempenho varia em diferentes combinações de temperatura ambiente e nível de umidade. Para investigar o impacto prático dessa variabilidade, os pesquisadores examinaram como os sistemas selecionados funcionariam em quatro cidades com climas diferentes. Em cada caso, a análise assumiu uma temperatura externa e umidade relativa médias no verão.

Em geral, os sistemas que eles consideraram superaram o VCS convencional operando em COPs consistentes com a prática atual. Por exemplo, em Dubai (representando um clima tropical desértico), o uso do sistema dessecante de membrana híbrido pode reduzir o consumo de energia em até 30 por cento em relação ao VCS padrão. Em Las Vegas (um clima árido subtropical), onde a umidade é mais baixa, um sistema à base de dessecante (sem a membrana) é a opção mais eficiente, potencialmente também trazendo uma redução de 30%.

Em Nova York (um clima subtropical úmido), todos os designs parecem bons, mas o sistema baseado em dessecante se sai melhor com uma redução de 70% no consumo geral de energia. E em Cingapura (um clima tropical oceânico), o sistema dessecante e o sistema dessecante de membrana combinados funcionam igualmente bem, com uma economia potencial de até 40 por cento - e dados os custos das duas opções, o sistema dessecante sozinho surge como a primeira escolha.

Tomados em conjunto, as descobertas dos pesquisadores fornecem duas mensagens principais para alcançar um resfriamento interno mais eficiente em todo o mundo. Primeiro, o uso de membranas e dessecantes pode aumentar a eficiência do ar condicionado, mas os ganhos reais de desempenho ocorrem quando tais tecnologias são incorporadas a sistemas cuidadosamente projetados e integrados. E em segundo lugar, o clima local e a disponibilidade de recursos - tanto energia quanto água - são fatores críticos a serem considerados ao decidir qual sistema de ar condicionado terá o melhor desempenho em uma determinada área do mundo.