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Aquecimento urbano: o que é e como funciona no telerresfriamento.

O aquecimento urbano é um sistema de transporte de calor à distância destinado ao aquecimento, arrefecimento e produção de água quente sanitária

O aquecimento urbano representa uma solução inovadora e em constante evolução para o aquecimento de edifícios que visa a preservação do ambiente através da produção centralizada de energia térmica proveniente também de fontes renováveis.

Este abordagem reduz os impactos ambientais e promove a eficiência energética em larga escala. Trata-se de um sistema de transporte de calor à distância que pode ser utilizado para o aquecimento, o arrefecimento e a produção de água quente sanitária.

Ao avaliar a oportunidade de adotar o aquecimento urbano, é essencial considerar alguns aspectos técnicos da instalação antes de prosseguir com a conexão. Preliminarmente, é importante considerar que o aquecimento urbano pode ser utilizado em qualquer tipo de edifício, seja de nova construção ou já existente, seja dotados de instalações centralizadas ou autônomas, mesmo que integrados com outras fontes renováveis térmicas, como por exemplo o solar térmico.

Um elemento fundamental, por exemplo, é o trocador de calor, que facilita a troca de energia térmica entre dois fluidos: o primeiro é representado pela água quente produzida pela caldeira centralizada, enquanto o segundo é o líquido utilizado na instalação de aquecimento doméstico. As dimensões deste dispositivo são determinadas com base na potência térmica requerida.

Aquecimento urbano: o que é?

O termo aquecimento urbano indica uma tecnologia que permite transportar o calor do local de produção para o local de utilização. Ele é composto pela união de duas palavras: tele e aquecimento que, em uma única palavra, assumem o significado de aquecimento à distância.

Trata-se de um sistema simples, menos poluente, econômico e seguro para climatizar os edifícios, principalmente residenciais, que pode ser utilizado para o aquecimento, o arrefecimento e a produção de água quente sanitária.

Como é feita uma instalação de aquecimento urbano

Uma instalação de aquecimento urbano é composta principalmente por três elementos:

  • central térmica responsável pela produção de calor, geralmente em cogeração com energia elétrica;
  • rede de transporte de ida, que transporta o calor até o consumidor final;
  • sistema de tubagens de retorno, que devolvem o fluido frio à central.

Aquecimento urbano: como funciona

Quando se fala em aquecimento à distância, percebe-se imediatamente que o calor não é gerado no mesmo local em que é utilizado.

Na verdade, ele é produzido em uma ou mais centrais térmicas e, a partir daí, através de uma rede de distribuição, é enviado às unidades conectadas a ela. Estas centrais produzem água quente ou superaquecida, geralmente a temperaturas de 90° e 120°C.

A base do funcionamento do aquecimento urbano são as centrais de cogeração nas quais é produzido calor que posteriormente é introduzido na rede de distribuição e, a partir daí, nas unidades habitacionais individuais.

Para compreender as potencialidades do aquecimento urbano, é aconselhável aprofundar o seu funcionamento que pode ser esquematizado da seguinte forma:

  • nas centrais de cogeração é produzido e distribuído um líquido, geralmente água, a uma temperatura de 80°C-90°C ou a 120°C-130°C quando superaquecida. O calor pode ser produzido através de centrais a caldeira (a combustível fóssil, biomassa ou de termovalorização de RSU), sistemas de bomba de calor (que aproveitam a energia geotérmica, por exemplo) ou solar térmico;
  • o líquido é transportado através de uma rede de tubagens (rede de distribuição primária) até aos edifícios conectados ao sistema de aquecimento urbano;
  • uma vez chegado ao destino, o líquido cede o calor ao sistema da habitação que pode aproveitá-lo para aquecer os ambientes e a água doméstica;
  • o líquido termovetor, arrefecido por ter cedido o calor às habitações, retorna à central para ser devolvido à temperatura máxima e recomeçar o ciclo.

Fontes de calor da central de aquecimento urbano

Existem diversas fontes de calor utilizadas nos sistemas de aquecimento urbano:

  • bombas de calor água-água: este sistema transfere o calor presente na água subterrânea para a água utilizada no aquecimento urbano através do uso de energia elétrica;
  • cogeração: trata-se da produção combinada de energia elétrica e térmica a partir de uma única fonte energética através da combustão;
  • termovalorização de resíduos sólidos urbanos: esta tecnologia converte o calor gerado pela combustão de resíduos sólidos urbanos em energia térmica;
  • recuperação de calor de processos industriais: consiste em utilizar o calor residual a baixa temperatura produzido por processos industriais;
  • fonte geotérmica: aproveita o calor proveniente do subsolo a diferentes temperaturas (baixa, média e alta);
  • fontes renováveis: entre estas estão o solar térmico, as biomassas, o biogás produzido por aterros sanitários ou por resíduos de processamento e outras fontes semelhantes.

Rede de distribuição de calor

O sistema de distribuição de calor pode ser:

  • direto: um único circuito hidráulico conecta a central de produção às unidades terminais, ou seja, os corpos de aquecimento (radiadores, painéis radiantes, etc.) do utilizador;
  • indireto: existem dois circuitos separados, em contacto entre si através de um trocador de calor localizado perto do utilizador.

Configurações das redes de aquecimento urbano

Com base na disposição das tubagens e na forma que a rede assume, podemos distinguir 3 tipos de redes:

  • ramificada: composta por um conduto principal do qual se ramificam linhas secundárias adicionais que transportam diretamente o fluido termovetor para as unidades;
  • em anel: o fluido termovetor aquecido é enviado pela central, chega ao utilizador e depois retorna à central. Esta configuração permite a alimentação da rede em ambas as direções, tornando-a um sistema flexível e facilmente expansível para acolher mais utilizadores no futuro;
  • em malha: constituída por condutas que formam uma série de circuitos fechados interligados. Trata-se da configuração ideal em termos de regulação e distribuição de calor, mas implica custos de instalação mais elevados em comparação com os outros dois tipos.

Como se projeta uma rede de aquecimento urbano

O projeto de uma rede de aquecimento urbano requer uma série de fases bem definidas:

  • identificação da área;
  • análise dos utilizadores e estimativa da demanda térmica passível de ser aquecida à distância;
  • dimensionamento do cogerador;
  • seleção do local para a central de produção;
  • traçado e dimensionamento da rede;
  • escolha do tipo de instalação;
  • simulação do funcionamento;
  • balanço energético e ambiental;
  • análise econômica.
aquecimento urbano

Projetando o aquecimento urbano

Identificação da área

As características que a área a ser aquecida em rede urbana deve possuir para que o projeto seja bem-sucedido são:

  • boa densidade de construção, com edifícios de vários andares com volume superior a 2-3.000 m3;
  • presença de sistemas de aquecimento centralizados.

As áreas de nova construção ou de reabilitação urbana representam por si só uma área ideal para a implementação de uma rede de aquecimento urbano. Durante a urbanização de novas áreas, a instalação de condutas é facilitada e o cronograma de conexões é menos sujeito a incertezas, pois a aquisição de usuários pode ser definida de forma agregada com as empresas de construção.

Análise dos usuários

Uma vez identificada a área, procede-se à coleta de dados sobre os edifícios:

  • idade, tipologia de construção, volume e uso (residencial, comercial, etc.);
  • número de sistemas de aquecimento existentes, divididos por tipo (centralizado ou autônomo) e combustível utilizado;
  • consumo de combustível nos últimos três anos;
  • regime de propriedade.

Em seguida, procede-se à estimativa da demanda térmica na área, que pode ser feita de duas maneiras:

  • deduzida com base nos dados de consumo de combustível;
  • reconstruída com base nas características do edifício (relação entre área de dispersão / volume, área de superfícies envidraçadas, tipo de isolamento, etc.), tipo de uso e condições climáticas locais (graus-dia), padrões normativos (classe energética do edifício).

Usuários especiais, como hospitais, grandes edifícios públicos, centros esportivos, shoppings ou indústrias que requerem calor de processo, exigem um estudo mais aprofundado.

Neste ponto, passa-se à estimativa da penetração do aquecimento urbano, segmentando a demanda térmica com base nas seguintes características do usuário:

  • regime de propriedade (privado ou público);
  • idade dos sistemas existentes;
  • tipo de sistema;
  • combustível utilizado.

Dimensionamento do cogerador

O dimensionamento do cogerador em um sistema de aquecimento urbano constitui uma fase delicada, pois envolve uma série de considerações técnicas, econômico-financeiras, incluindo a venda de eletricidade nas melhores condições.

Um aspecto importante é a estratégia a ser adotada para o funcionamento, levando em consideração as variações da carga térmica e as tarifas estabelecidas pela Autoridade de Energia Elétrica com base no momento do dia e da semana.

Um método eficaz para determinar as dimensões ideais do cogerador é elaborar um diagrama que ilustre a potência térmica requerida pelo sistema ao longo do ano, em relação ao número de horas em que essa potência é necessária, organizando os dados do máximo ao mínimo.

Nas situações mais comuns, é possível simplificar a construção do diagrama assumindo hipóteses básicas sobre as variações diárias e semanais, concentrando-se em um valor médio de potência para cada mês. O dimensionamento do cogerador pode ser definido de forma a garantir um número suficiente de horas de operação rentável do sistema, geralmente pelo menos 4000 horas por ano.

Seleção do local para a central de produção

O primeiro passo na escolha do local é a verificação da viabilidade de conexão com centrais já existentes, ou seja, a possibilidade de recuperação de calor de indústrias, incineradores ou centrais elétricas. A escolha do local para a central de produção deve atender aos seguintes objetivos:

  • minimização do impacto ambiental (emissões, ruído) para os residentes;
  • minimização do comprimento médio do percurso do calor transportado pelo fluido térmico da central para os usuários (preferencialmente posicionando a central no ponto mais central da área considerada);
  • minimização dos custos de fornecimento de energia (a serem avaliados especialmente no caso de fontes como biomassa e geotermia).

Layout e dimensionamento da rede

A estrutura da rede pode ser dividida em:

  • rede primária: o tronco principal, instalado no solo público sob a via pública;
  • rede secundária: as conexões diretas para os usuários individuais e os trechos que atravessam propriedades privadas.

As diferentes formas de aquisição de usuários, identificadas durante a fase de avaliação da demanda térmica para o aquecimento urbano, influenciam a extensão da rede secundária (por exemplo, oferecer incentivos para as conexões pode promover o crescimento da rede secundária).

O cálculo correto das dimensões da rede primária (diâmetro das tubulações) é de fundamental importância, pois afeta significativamente o custo total do sistema.

O dimensionamento da rede depende de vários parâmetros, como:

  • potência térmica resultante da avaliação das cargas térmicas existentes e das previsões de expansão futura;
  • diferença de temperatura entre o fluido térmico na entrada e na saída (que pode ser água quente, água superaquecida, vapor ou líquidos térmicos).

Escolha do tipo de instalação

Antes de definir a configuração do sistema, é necessário fazer uma escolha preliminar sobre a fonte de energia a ser utilizada. Uma vez estabelecida a fonte, existem várias tecnologias disponíveis para as centrais (para uma visão geral detalhada, consulte o anexo I). A escolha mais comum atualmente é a cogeração a gás.

Os fatores que influenciam a escolha são:

  • tamanho do sistema de aquecimento urbano;
  • nível de temperatura requerido na distribuição de calor;
  • importância econômica atribuída à venda de eletricidade.

Simulação do funcionamento

Uma vez definidos todos os parâmetros necessários, procede-se à simulação do funcionamento do sistema proposto. A simulação do funcionamento para um ano típico gera os seguintes resultados:

  • consumo de combustível;
  • produção de eletricidade;
  • eletricidade fornecida à rede;
  • produção de calor (da cogeração e da integração);
  • calor fornecido aos usuários;
  • emissões.

Balanço energético e ambiental

O objetivo do balanço energético e ambiental é quantificar a economia de energia e as emissões reduzidas graças à implementação do sistema de aquecimento urbano em comparação com a produção descentralizada tradicional.

Embora às vezes possa ser complexo avaliar esses dados de forma precisa, o primeiro passo é analisar os sistemas convencionais que o sistema de aquecimento urbano substituirá, tanto em termos de consumo de combustíveis quanto de emissões geradas. Em seguida, esses resultados são comparados com os derivados da simulação do funcionamento do sistema de aquecimento urbano.

Análise econômica

A análise econômica é a fase de verificação decisiva para a efetiva realização do projeto. Os principais custos de um projeto de sistema de aquecimento urbano são:

  • rede de distribuição;
  • central de produção;
  • combustível;
  • manutenção e gestão da central;
  • manutenção e gestão da rede de transmissão de calor.

Aquecimento urbano: prós e contras

A utilização do aquecimento urbano oferece várias vantagens. Em particular:

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