Compressores de velocidade variável são o caminho para a economia de energia na refrigeração

A energia, sua geração e disponibilidade, são não apenas fundamentais para a economia de todos os países e para a saúde de qualquer população, mas também uma questão ambiental global. O mesmo acontece com a refrigeração. Embora ela seja vital para a preservação dos alimentos e o desenvolvimento da economia, assim como para a medicina e os progressos científicos, é também uma grande consumidora de energia: a estimativa do Instituto Internacional de Refrigeração é que o setor (incluindo ar-condicionado) consome cerca de 17% da eletricidade usada em todo o mundo.

A refrigeração é um setor altamente tecnológico e a eficiência energética está entre as prioridades na busca constante por evolução e inovação dessa indústria. Um de seus direcionadores tecnológicos é o compressor de velocidade variável (também conhecido por compressor inverter), que, depois de provar suas vantagens e se tornar tendência no mercado de condicionadores de ar e aplicações de refrigeração doméstica, agora está ganhando cada vez mais espaço na indústria de refrigeração comercial em todo o mundo.

Em comparação com o compressor de velocidade fixa (também conhecido como on-off), o de velocidade variável tem um tipo de motor diferente, o motor BLDC (corrente contínua sem escova). Trata-se de um motor trifásico de corrente contínua. Outra diferença é que este motor trabalha conectado com um dispositivo chamado inversor de frequência. O inversor controla o motor do compressor, proporcionando diferentes velocidades de rotação em função da carga térmica do sistema de refrigeração, diminuindo a rotação quando a temperatura ideal é atingida e aumentando quando é necessária maior remoção de calor.

Graças a estas características, os compressores de velocidade variável têm significativas vantagens sobre os de velocidade fixa, e aqui as listamos na perspectiva que mais importa: a do usuário final.

Economia de energia. Um compressor tradicional de velocidade fixa opera em velocidade constante (3000rpm a 50Hz / 3600rpm a 60Hz), continuamente ligando e desligando para atender a demanda de resfriamento do equipamento. Este modo de operação exige uma carga de energia abrupta durante a partida do compressor. Posteriormente, o compressor opera em sua rotação máxima por todo o período de funcionamento, independente da carga térmica, o que leva ao desperdício de energia.

Como descrito previamente, compressores de velocidade variável utilizam uma eletrônica integrada, que permite controlar a velocidade de rotação, diminuindo ao atingir a temperatura alvo, e aumentando quando houver necessidade de mais remoção de calor, idealmente sem ligar e desligar (ou com uma consistente redução dos ciclos de ligar e desligar e com uma potência de partida limitada, em relação aos compressores on-off). Isso permite que o compressor use apenas a quantidade de energia necessária em cada momento e nada mais.

A economia de energia com a utilização de velocidade variável varia de acordo com a aplicação, mas é sempre muito significativa. A Embraco fez diversos estudos de casos com compressores e a única mudança feita foi a troca de um compressor de velocidade fixa por um de velocidade variável. O resultado foi uma economia de energia de pelo menos 15% e de até cerca de 40%. Apenas para citar um exemplo, em um freezer horizontal com desempenho otimizado – por utilizar um compressor on-off de alta eficiência com refrigerante R-290 – a redução de energia foi de 32,6% em uma temperatura ambiente de 20°C, quando usado um compressor de velocidade variável com lógica de controle Smart Drop In (SDI), sem qualquer outra otimização do sistema.

 

Recuperação de temperatura mais rápida. Os compressores inverter se recuperam das aberturas de portas com muito mais rapidez. Em rotações mais altas, esses compressores são capazes de regular rapidamente o delta entre as temperaturas do produto e do ambiente.

Possuem um tempo médio de pulldown (abaixamento de temperatura) menor, que é o tempo necessário para baixar a temperatura do produto, desde sua temperatura inicial (no gabinete do refrigerador) até a temperatura final desejada. Os testes com compressor inverter têm mostrado uma redução média de 20% no tempo de pulldown em comparação aos on-off.  Esse modo de trabalho também contribui para a economia de energia em relação aos compressores tradicionais: o compressor inverter atinge rapidamente as condições estabilizadas, nas quais funciona a uma baixa rotação (com economia de energia).

Baixo nível de ruído e vibração. A tecnologia de velocidade variável permite que as aplicações também gerem menos ruído (menos barulho), em razão de operarem em rotações mais baixas por períodos mais longos do que a de velocidade fixa. Além disso, existe a característica da “partida suave”, que significa que o compressor inicia a operação com uma velocidade mais baixa e, em alguns minutos, acelera até atingir a velocidade necessária, ajustando continuamente a corrente para fornecer a energia requerida dependendo das condições do sistema, com menos vibração e ruído. É importante ressaltar que, em alta rotação, acima de 3600 RPM, o ruído do compressor de velocidade variável é equivalente a um compressor liga-desliga.

Ciclo de vida. Devido à forma como o compressor de velocidade variável trabalha, controlando sua velocidade de rotação de acordo com a temperatura necessária, com longos períodos de funcionamento em baixa velocidade, sua expectativa de vida útil será inerentemente mais duradoura em comparação com o compressor de velocidade fixa.

Ampla faixa de tensão. Graças ao inversor de frequência, eletrônica que comanda o compressor, os sistemas de refrigeração com velocidade variável tem um comportamento muito bom em fortes flutuações de tensão (situações que podem acontecer em muitos países): em baixas tensões, onde o compressor on-off pode nem dar partida, um de velocidade variável o faz. Por exemplo, em locais onde a tensão é de 115V60Hz, por regulamentação, a tensão da rede pode variar de 98V até 127V. O compressor on-off irá funcionar apropriadamente se a tensão estiver dentro deste intervalo, entretanto, sabemos que na prática a tensão muitas vezes pode estar fora destes limites. No caso do compressor de velocidade variável, considerando que utilize um inversor de frequência 115V, ele pode operar normalmente em um intervalo que pode variar entre  70V e 140V.

Eficiência de espaço. Os compressores inverter não são apenas energeticamente eficientes, eles também são eficientes em espaço. Isso porque pode-se produzir um compressor de velocidade variável em menor tamanho para fazer o mesmo trabalho de um compressor de velocidade fixa, que é maior. Durante a fase do projeto para o compressor on-off é necessário projetar seu tamanho para suportar o maior pico de capacidade de resfriamento, uma vez que ele sempre operará em velocidade máxima. Já em um compressor de velocidade variável, o tamanho pode ser projetado para a velocidade média que ele terá na maior parte do tempo, que será uma velocidade mais baixa. Ao liberar mais espaço dentro de gabinetes comerciais sem mudar nenhuma dimensão externa, os fabricantes podem projetar equipamentos de forma mais criativa e fornecer opções de layout mais flexíveis para as lojas.

Há mais do que isso

Além da velocidade variável, outra tecnologia que contribui para a eficiência energética do compressor são os fluidos hidrocarbonetos. Devido às características termodinâmicas dos refrigerantes HCs, proporcionam também, por si sós, uma economia de energia em relação aos HFCs (hidrofluorcarbonetos). Nos testes, usando um compressor on-off, na mesma aplicação, trocando somente o refrigerante HFC R-404A para o refrigerante natural R-290, a energia economizada atingiu em torno de 10%, gerando a mesma capacidade de refrigeração.

Apesar dos fatos aqui destacados terem um impacto mais alto na refrigeração comercial do que na residencial, a adoção da velocidade variável na refrigeração doméstica tem sido alta em muitos países devido a rígidas regulamentações de consumo de energia. Um exemplo é a Europa, onde as regulamentações para classificação de eletrodomésticos por seu nível de consumo de energia estão em vigor há muitos anos. Enquanto isso, na refrigeração comercial, a penetração da velocidade variável – apesar de já ser importante em gabinetes integrados para varejistas – ainda tem um amplo espaço de crescimento. Em março, a Europa já adicionou novas regulamentações que irão contribuir para a difusão dos compressores inverter.

Segundo a Nidec, na refrigeração comercial os principais obstáculos para a adoção de compressores de velocidade variável são: seus benefícios ainda pouco disseminados, seu preço, superior ao compressor de velocidade fixa e a necessidade de uma unidade de controle adicional para regular os parâmetros de funcionamento dos compressores, que existiu por muitos anos e encarecia todo o sistema.

Mas isso está mudando. Graças à evolução da tecnologia do compressor e seus eletrônicos embutidos, a diferença de preço dos compressores inverter em comparação aos compressores on-off tende a diminuir. Além disso, levando em consideração a economia na conta de energia, o investimento tem um retorno rápido (até seis meses em algumas aplicações para o varejo). Em relação à necessidade de uma unidade de controle, isso não é mais verdade. Existem soluções disponíveis no mercado que eliminam a necessidade de uma unidade de controle adicional.

Neste novo momento de economia global em que proteger o meio ambiente ganha nova importância, cada vez mais, a eficiência energética está se tornando um critério relevante para a tomada de decisões e a tecnologia para isso está se tornando mais acessível. A tendência é vermos cada vez mais compressores inverter no mercado de refrigeração, tanto doméstica quanto comercial.

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Por: Daniel Fretta, Especialista de Engenharia de Aplicação na Nidec Global Appliance, onde atua com o portfólio Embraco

Com contribuições de Daniel Daniel Hofmann, John Prall, Daniel Hense, Peter Buksar e Marino Bassi, todos da Nidec Global Appliance.