Otimização do conforto térmico dos operadores e da eficiência energética da fábrica Verallia Cognac, no contexto da passagem de um forno a gás para um forno elétrico.
O objetivo principal do estudo é implementar soluções para otimizar o conforto térmico dos operadores no seu posto de trabalho, tanto na zona fria como na zona quente da fábrica. Isto inclui também a otimização dos consumos de energia associados à gestão climática da fábrica. É dada uma atenção particular à conceção das entradas de ar específicas para a substituição de um forno a gás por um forno elétrico.
Um objetivo secundário é limitar os efeitos das correntes de ar nas zonas de processo sensíveis, que podem ter um impacto negativo nas operações de produção e provocar defeitos recorrentes.
A complexidade dos fenómenos termoaeráulicos no dimensionamento resulta de numerosos fatores, como as temperaturas radiantes das paredes, a tiragem térmica, a pressão do vento, a resistência interna ao escoamento vertical do ar, as características das aberturas da envolvente do edifício, o terreno local ou ainda a proteção contra o vento. Neste ambiente em que o edifício não é regulado termicamente, o controlo das condições ambientes faz-se sobretudo pela admissão de ar fresco por tiragem natural para os arejadores estáticos em cobertura e por ventilação forçada (extração ou insuflação).
O essencial. A EOLIOS otimiza o conforto térmico dos operadores e a eficiência energética da vidraria Verallia Cognac, no contexto da passagem de um forno a gás para um forno elétrico. A auditoria no local (ensaios de fumo, câmara térmica) e o modelo CFD 3D mostraram que a paragem do forno a gás inverte o arejador estático, que passa a entrada de ar. A regulação das grelhas e a compartimentação entre zona quente e zona fria restabelecem o conforto no inverno e reduzem a fatura energética.
Para avaliar os movimentos do ar, foram realizados ensaios de fumo a fim de visualizar as trajetórias do ar e de identificar eventuais zonas de estagnação ou de má ventilação suscetíveis de gerar uma má qualidade do ar nessas zonas.
O ensaio de fumo liberta um fumo traçador não poluente para tornar visíveis as trajetórias reais do ar. Revela as zonas de estagnação e as circulações parasitas entre as diferentes zonas da fábrica, impercetíveis a olho nu.
Além disso, foram utilizadas câmaras térmicas para visualizar as temperaturas das paredes e identificar as zonas de fortes ganhos ou perdas térmicas. Estas informações foram utilizadas para quantificar os fenómenos térmicos e as zonas que apresentam pontos quentes e pontos frios.
A auditoria aeráulica permitiu evidenciar as zonas onde são necessárias melhorias para otimizar a ventilação, a temperatura e a qualidade do ar na fábrica. Foram formuladas recomendações para resolver os problemas detetados e melhorar assim as condições de trabalho dos operadores e a eficiência energética das instalações.
Os dados climatológicos da estação meteorológica de Cognac-Châteaubernard são utilizados para definir as condições climáticas exteriores necessárias ao estudo das ventilações da fábrica.
Foram registadas a velocidade e a direção dos ventos, bem como a temperatura mínima média no inverno e a temperatura máxima média no verão, assim como os picos de temperatura mais extremos atingidos.
Estes dados são essenciais para determinar as condições climáticas reais e adaptar as estratégias de ventilação e de climatização a fim de assegurar o conforto dos operadores na fábrica ao longo de todo o ano.
A mecânica dos fluidos computacional (ou CFD) reúne o conjunto dos métodos numéricos utilizados para estudar os escoamentos de fluidos num dado ambiente. Como as equações que regem esses escoamentos não podem ser resolvidas analiticamente, o método dos elementos finitos permite resolvê-las numericamente.
No domínio do edificado, um estudo CFD pode fornecer aos projetistas informações precisas sobre as velocidades do ar, as pressões e as temperaturas que ocorrerão no interior e em torno dos sistemas estudados. Este tipo de estudo é particularmente útil para estudar a conceção dos sistemas de ventilação e de climatização em grandes espaços. Permite otimizar o conforto interior verificando que as entradas e as saídas de ar asseguram uma ventilação adequada do volume, garantindo assim um conforto ótimo para os ocupantes. Estas simulações são essenciais para assegurar uma conceção eficaz, contribuindo para melhorar a eficiência energética e o bem-estar dos utilizadores.
No âmbito do estudo, foi criado um modelo 3D a partir das plantas e dos cortes fornecidos, incluindo a geometria do local e da sua envolvente num raio de 300 metros. Para este estudo, os tipos de paredes, as superfícies abertas para o exterior, os pontos de insuflação, os retornos e todos os sistemas que libertam calorias no espaço, identificados durante a auditoria, são modelados e tidos em conta de forma rigorosa.
Um arejador estático (ou clarabóia de exaustão em cobertura) evacua o ar quente por tiragem térmica, sem motor. O seu sentido de funcionamento depende da tiragem: com o forno desligado, pode inverter-se e passar a entrada de ar. O seu estudo enquadra-se no dimensionamento dos arejadores estáticos.
Depois de verificada a precisão e a eficácia do modelo de simulação utilizado no estudo CFD, comparando os primeiros resultados com as medições realizadas no local durante a auditoria, são efetuadas simulações sobre a configuração atual da fábrica em situação de inverno. Verifica-se que a paragem do forno a gás reduz a tiragem térmica e que o arejador estático passa, por isso, a entrada de ar, trazendo ar fresco e poluentes, além de perturbar os fluxos de ar na fábrica.
Além disso, os nossos estudos mostraram também que os principais problemas de conforto térmico dos operadores decorriam, em primeiro lugar, da falta de regulação das grelhas, que gera no inverno entradas de ar indesejáveis. Outra causa destes problemas é a abertura considerável entre a zona quente e a zona fria, que cria importantes deslocações de ar entre uma e outra e perturba fortemente os fluxos de ar dos sistemas de aquecimento da zona fria, gerando zonas mortas e, consequentemente, zonas de desconforto para os operadores.
Foi realizada uma nova simulação de inverno, com a introdução de soluções para bloquear a propagação do ar fresco que entra pelas grelhas, bem como de uma compartimentação que permite separar de forma mais eficaz a zona quente da zona fria. Esta simulação demonstra uma melhoria nítida da eficácia dos sistemas de aquecimento na zona onde trabalham os operadores, graças às soluções técnicas propostas.
Numa vidraria, a zona quente designa o forno e a conformação do vidro em fusão; a zona fria, o recozimento, o controlo e a embalagem. Gerir as trocas de ar entre estas duas zonas, com necessidades térmicas opostas, é um dos desafios centrais do estudo.
Além disso, outra simulação permitiu igualmente mostrar que, com a ativação do novo forno elétrico, a tiragem térmica é suficiente para o bom funcionamento do arejador estático em extração de ar, eliminando o fluxo de ar parasita anteriormente gerado na zona de trabalho.
Os dados climatológicos da estação meteorológica de Dunquerque são de importância capital para definir as condições climáticas exteriores necessárias ao estudo das ventilações da fábrica. As informações recolhidas incluem a velocidade e a direção dos ventos, bem como a temperatura mínima média no inverno e a temperatura máxima média no verão.
Além disso, os picos de temperatura mais extremos registados são igualmente tidos em conta. Estes dados desempenham um papel crucial na adaptação das estratégias de ventilação e de climatização a fim de garantir o conforto ótimo dos operadores da fábrica ao longo de todo o ano.
Este tipo de estudo CFD sobre a termoaeráulica do edifício permite melhorar consideravelmente a eficiência energética, minimizando as perdas de energia e maximizando a utilização do calor gerado, o que melhora o desempenho energético global do processo de produção. Assim, a otimização energética de um edifício do tipo vidraria apresenta numerosas vantagens. Permite, em primeiro lugar, reduzir os custos energéticos otimizando as instalações, os processos de aquecimento e as trocas térmicas entre a zona quente e a zona fria, gerando assim poupanças na fatura energética associada ao aquecimento da zona fria.
Por outro lado, a otimização energética contribui para a redução das emissões de gases com efeito de estufa, diminuindo a procura de energia e limitando as emissões de CO2 e de outros poluentes provenientes da combustão de combustíveis fósseis. Por fim, a melhoria da sustentabilidade ambiental da empresa através de medidas de otimização energética permite responder às expectativas dos clientes e das partes interessadas em matéria de práticas sustentáveis, reforçando assim a imagem da empresa. A otimização energética de uma vidraria oferece, portanto, benefícios significativos tanto no plano económico como no plano ambiental.
A reter. Numa vidraria, mudar de forno reconfigura os equilíbrios aeráulicos: são a regulação das grelhas e a compartimentação entre zona quente e zona fria, mais do que o aquecimento de apoio, que restabelecem o conforto dos operadores reduzindo ao mesmo tempo o consumo de energia.
Ventilação natural, transição de forno gás/elétrico e conforto térmico em vidraria.
Como o edifício não é regulado termicamente, a ventilação natural por tiragem para os arejadores em cobertura assegura o essencial da renovação do ar, complementada por uma ventilação forçada onde a tiragem por si só não é suficiente. Uma abordagem semelhante foi conduzida no nosso projeto ventilação natural de uma fábrica siderúrgica.
Um forno a gás liberta muito calor e mantém uma forte tiragem térmica. Quando é desligado, o arejador estático inverte-se e passa a entrada de ar, trazendo ar frio e poluentes. O forno elétrico restabelece uma tiragem suficiente para que o arejador volte a funcionar em extração.
A zona quente reúne o forno e a conformação do vidro em fusão; a zona fria, o recozimento, o controlo e a embalagem. Uma abertura demasiado ampla entre as duas cria deslocações de ar que perturbam o aquecimento da zona fria.
O estudo recomenda regular as grelhas para bloquear as entradas de ar indesejáveis no inverno e compartimentar a zona quente e a zona fria, o que melhora nitidamente a eficácia dos sistemas de aquecimento na zona de trabalho.
Ao limitar as perdas de calor da zona fria e ao aproveitar o calor já produzido, a ventilação otimizada reduz o recurso ao aquecimento de apoio e, por isso, o consumo de energia e as emissões de CO2 associadas.
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O estudo visa melhorar o conforto térmico dos operadores reforçando ao mesmo tempo a eficiência energética. A transição de um forno a gás para um forno elétrico está planeada para otimizar as condições térmicas. Reduzir as correntes de ar nas zonas sensíveis é um objetivo complementar, para evitar perturbações da produção. Toda a complexidade dos fenómenos termoaeráulicos é estudada, tendo em conta elementos como as temperaturas das paredes, a tiragem térmica e a pressão do vento. Neste contexto sem regulação térmica, a admissão de ar fresco pelos arejadores em cobertura e a ventilação forçada são estratégias fundamentais para controlar o ambiente.
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