[pt] O presente trabalho tem por objetivo analisar e comparar sistemas de trigeração (produção simultânea de eletricidade, aquecimento e refrigeração) de diferentes arquiteturas com base nas eficiências energética e exergética e nas emissões de CO2. Sistemas de trigeração são considerados mais eficientes na conversão de energia, se comparados a sistemas convencionais, devido ao reaproveitamento do calor de rejeito do motor térmico para outros fins (aquecimento, acionamento de chiller, ou geração de eletricidade). Quatro configurações (com chiller de compressão de vapor, com chiller de absorção, com a combinação dos ciclos anteriores, e combinado com um ciclo Rankine orgânico) foram estudadas a partir de modelos matemáticos resultantes dos balanços de energia e de exergia, e do cálculo de emissão de CO2 considerando as demandas energéticas (eletricidade, aquecimento e refrigeração) como independentes do desempenho do sistema. Todas as arquiteturas de trigeração aqui analisadas apresentaram um ponto ótimo de operação, onde o calor de rejeito recuperado para aquecimento se iguala à respectiva demanda. Neste ponto, o fator de utilização de energia (indicador de desempenho pela primeira Lei) e a eficiência exergética são máximos, e a emissão de CO2, mínima. A solução das equações resultantes mostrou também que a melhor arquitetura, do ponto de vista energético, exergético ou ambiental, dependerá da combinação das demandas energéticas. / [en] The present work aims at analyzing and comparing trigeneration systems (for the simultaneous production of electricity, heating and refrigeration) of different architectures based on energetic and exergetic efficiencies and on CO2 emissions. Trigeneration systems are regarded as more efficient in energy conversion, if compared to conventional systems, due to the recovery of waste heat from the heat engine. The waste heat is used for different purposes, including heating, chiller driving or electricity generation. Four trigeneration configurations (with vapor compression chiller, absorption chiller, with a combination of the two previous cycles, or combined with an organic Rankine cycle) were studied. Mathematical models resulting from the energy and exergy balances and from the calculation of CO2 emissions were developed taking into account that the three energy demands (electricity, heating and refrigeration) are independent from the trigeneration system performance. Solution of the resulting equations indicated an optimal point of operation, for all trigeneration architectures under study, where the waste heat recovered for heating equals the heating demand. At this point, the energy utilization factor (first Law indicator) and the exergy efficiency reach their maximum value, and the CO2 emissions, its lowest. Another important finding is that the configuration with best performance, from the energetic, exergetic, or environmental point of view, will depend on how the energy demands relate to each other.

[pt] A produção simultânea de energia elétrica, calor e frio, a partir da queima de combustível primário (trigeração), pode se mostrar como estratégia promissora do ponto de vista energético e de projeto, principalmente em indústrias como a química e a de alimentos. No presente trabalho descreve-se o estudo experimental de um sistema de produção de água gelada (chiller) com compressor hermético acionado eletricamente. Um motor a combustão interna, do tipo Diesel, foi convertido para operar com gás natural veicular (Diesel- gás) e aciona um gerador de eletricidade que supre a energia elétrica necessária ao funcionamento do chiller e ao atendimento de demanda elétrica préestabelecida. O resultante sistema de trigeração é, portanto, composto por dois sub-sistemas: a bomba de calor (chiller) e o conjunto motorgerador. Calor de rejeito, do condensador do chiller e do sistema de arrefecimento e gases de exaustão do motor, é recuperado para a produção de água quente. O sistema é analisado à luz da 1ª e 2ª leis da Termodinâmica. As razões entre as demandas de frio, calor e eletricidade, as temperaturas de evaporação e de condensação da bomba de calor, e a razão de substituição de óleo Diesel por gás natural veicular são os principais parâmetros de controle dos resultados apresentados. Determinou-se, para o sistema em questão, uma taxa de substituição energética ótima do óleo Diesel por GNV de aproximadamente 25%, com uma economia de 11% a 15% (para geração de potência elétrica acima de 4,0 kW), fundamentada na diferença de preços entre os dois combustíveis e numa melhora do rendimento do motor para estas condições de operação. Obteve-se a contribuição percentual de cada um dos produtos energéticos (frio, calor e eletricidade), em função do consumo de combustível, para as diferentes potências testadas, em função da taxa de substituição energética do óleo Diesel por GNV. Determinou-se, experimentalmente, a vazão de água nos diferentes componentes, para a qual se obtém uma máxima eficiência do sistema, quando analisado do ponto de vista exergético. / [en] The simultaneous production of electric energy, heat and cooling capacity from the primary fuel burning on a heat engine (trigeneration) can emerge as a promising strategy, from the energy and project points of view, mostly, in food and chemistry industries. The present work describes the experimental study of a vapor compression system for chilled water production. A Diesel internal combustion engine was converted to operate with natural gas (Diesel-gas) and drives an electric generator that supplies the necessary electric energy for the chiller`s functioning and to attend the pre-established electric demand. The resultant system of trigeneration is, therefore, composed of two subsystems: the heat pump (chiller) and the engine-generator group. Heat rejected from the condenser of chiller and from the cooling system and exhaust gases of the engine, is recovered for hot water production. The system is analyzed under the light of first and second laws of the Thermodynamics. The ratio between the cooling, heating and electricity demands, the temperatures of evaporation and condensation of the heat pump, and the Diesel-natural gas substitution ratio are main parameters of control of the presented results. The percentile contribution of cold, heat and electricity (on energetic fuel consumption basis), for the different electric energy generation rates, was obtained as a function of the energy substitution rate of the Diesel oil for natural gas. An optimal energy substitution rate of Diesel oil for natural gas of approximately 25% was determined with an economy rated between 11% and 15% (for electric energy generation rates above 4,0 kW), based both on the difference between prices of the two fuels and on the engine`s performance improvement for these operational conditions. An optimum water flow rate, from the exergetic point of view, was found for each component.