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Introdução O Ar Condicionado Central possui uma série de detalhes para que ele funcione de acordo com o esperado. Um bom projeto, uma instalação criteriosa, além evidentemente de equipamentos eficientes e de qualidade. Dessa forma, projeto/instalação/equipamentos estão intimamente ligados, para oferecerem um bom desempenho geral do sistema. Não obstante isso, outro fator de suma importância para o bom funcionamento de um sistema de ar condicionado é o aspecto arquitetônico. Esse aspecto, aspecto , na maioria das vezes, influi de forma decisiva na definição do sistema de ar condicionado, e por consequência nos equipamentos/instalação equipamentos/instalação e principalmente principalmente no resultado esperado. Existe uma preocupação constante quer seja dos fabricantes/projetistas/ instaladores, quer seja pêlos arquitetos ou empreendedores, empreendedo res, em relação ao custo inicial e operacional do ar condicionado. Por outro lado, os fabricantes estão constantemente desenvolvendo equipamentos mais econômicos, não somente visando o preço inicial, mas também o aspecto consumo de energia. Porém, muitas vezes, deparamo-nos com detalhes arquitetônicos contrários contrários à redução do custo do ar condicionado. Nesta apresentação, o nosso intuito é chamar atenção dos arquitetos e responsáveis pelas obras civis sobre detalhes que uma vez estudados e analisados por essa comunidade, podem em muito ajudar a diminuir o custo do sistema de ar condicionado e torná-lo mais eficiente. Podemos verificar que tratam-se de detalhes de projeto arquitetônico cuja alteração pouco afetaria o conjunto, e cujo poder decisório de fazêlo cabe aos arquitetos, engenheiros civis ou empreendedores. Acreditamos que essa integração entre os responsáveis pelo projeto arquitetônico e os responsáveis pelo sistema de ar condicionado antes da construção, é de vital importância para o sucesso final. Para tanto, a TRANE está disposta a fazer a sua parte, colocando o Departamento de Engenharia à disposição para discutir e orientar naquilo que for possível.
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Introdução O Ar Condicionado Central possui uma série de detalhes para que ele funcione de acordo com o esperado. Um bom projeto, uma instalação criteriosa, além evidentemente de equipamentos eficientes e de qualidade. Dessa forma, projeto/instalação/equipamentos estão intimamente ligados, para oferecerem um bom desempenho geral do sistema. Não obstante isso, outro fator de suma importância para o bom funcionamento de um sistema de ar condicionado é o aspecto arquitetônico. Esse aspecto, aspecto , na maioria das vezes, influi de forma decisiva na definição do sistema de ar condicionado, e por consequência nos equipamentos/instalação equipamentos/instalação e principalmente principalmente no resultado esperado. Existe uma preocupação constante quer seja dos fabricantes/projetistas/ instaladores, quer seja pêlos arquitetos ou empreendedores, empreendedo res, em relação ao custo inicial e operacional do ar condicionado. Por outro lado, os fabricantes estão constantemente desenvolvendo equipamentos mais econômicos, não somente visando o preço inicial, mas também o aspecto consumo de energia. Porém, muitas vezes, deparamo-nos com detalhes arquitetônicos contrários contrários à redução do custo do ar condicionado. Nesta apresentação, o nosso intuito é chamar atenção dos arquitetos e responsáveis pelas obras civis sobre detalhes que uma vez estudados e analisados por essa comunidade, podem em muito ajudar a diminuir o custo do sistema de ar condicionado e torná-lo mais eficiente. Podemos verificar que tratam-se de detalhes de projeto arquitetônico cuja alteração pouco afetaria o conjunto, e cujo poder decisório de fazêlo cabe aos arquitetos, engenheiros civis ou empreendedores. Acreditamos que essa integração entre os responsáveis pelo projeto arquitetônico e os responsáveis pelo sistema de ar condicionado antes da construção, é de vital importância para o sucesso final. Para tanto, a TRANE está disposta a fazer a sua parte, colocando o Departamento de Engenharia à disposição para discutir e orientar naquilo que for possível.
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Índice 1.0. – HISTÓRICO HISTÓRICO DO AR CONDICI CONDICIONA ONADO DO ........ ............. ......... ........ ......... .......... .......... ......... ........ ......... .......... ......... ........ ......... .......
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2.0. – CONCEITOS CONCEITOS FUNDAMENT FUNDAMENTAIS AIS ......................... ...................................... .......................... ......................... ......................... ................. ....
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2.1. 2.1. – Calor ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ....... ... 2.2. 2.2. – Intensidade ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ .... 2.3. 2.3. – Quanti Quantidad dadee de Calor Calor ........ ............. ......... ........ ......... ......... ........ ........ ......... ......... ........ ........ ......... ......... ........ ........ ......... ......... ........ ....
6 7 7
3.0. – CONFORTO CONFORTO TÉRMICO ........................ .................................... ......................... ......................... ......................... ......................... .................. ......
8
3.1. 3.1. 3.2. 3.2. 3.3. 3.3. 3.4. 3.4. 3.5. 3.5. 3.6. 3.6. 3.7. 3.7. 3.8. 3.8.
– – – – – – – –
Balanço Balanço Térmico Térmico do Corpo Corpo Humano Humano ......... .............. .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..... Metabol Metabolismo ismo (M) ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ .... Trabal Trabalho ho (W) ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ...... .. Convec Convecção ção (C) ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ....... ... Radiação Radiação (R) ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ...... Evaporação Evaporação ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ .... Respiração Respiração (RE) ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ .... Confort Confortoo e Produti Produtivid vidade....... ade........... ......... ......... ........ ........ ......... ......... ........ ........ ......... ......... ........ ........ ......... ......... ........ ........ ....
8 9 10 10 11 11 12 12
4.0. – FUNÇÕES FUNÇÕES DO AR CONDICIONADO CONDICIONADO ............................ ........................................... ............................. ........................... ............. 14 4.1. 4.1. – Aplicaç Aplicações ões do Ar Condici Condiciona onado do ......... ............. ......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... ......... ....... ... 14 5.0. – NOÇÕES SOBRE CARGA TÉRMICA ......................... ...................................... .......................... .......................... ................... ...... 15 5.1. 5.1. 5.2. 5.2. 5.3. 5.3. 5.4. 5.4. 5.5. 5.5. 5.6. 5.7. 5.7.
– – – – – – –
Insolação ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ....... ... Pessoas (Ocupação) ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ .... Transmissão (Condução) ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ .... Luminárias (Iluminação)........... (Iluminação)............... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ .... Equipament os ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ....... ... Ar Externo .................... ............................... ..................... ..................... ...................... ..................... ..................... ..................... ................... ......... Cálculo Cálculo de de Carga Carga Térmic Térmicaa via Compu Computad tador or ......... .............. ......... ......... .......... ......... ......... .......... ......... ...... ..
15 16 16 16 17 17 18
6.0. – EQUIPA EQUIPAMENTO MENTOS S DE CONDICIONAMENT CONDICIONAMENTO O DE AR ............................ ........................................... ................... .... 19 6.1. – 6.2. – 6.3. – 6.4. –
Equipame Equipamentos ntos de Equipame Equipamentos ntos de Equipame Equipamentos ntos de Equipame Equipamentos ntos de
Expansã Expansãoo Direta Direta com Condens Condensação ação a Ar .......... ............... .......... ....... Expansão Expansão Direta Direta com com Conde Condensaç nsação ão a Água Água .......... ............... ....... Expansão Expansão Indireta Indireta com Condensa Condensação ção a Água .......... ............. ... Expans Expansão ão Indir Indireta eta com com Conden Condensaçã saçãoo a Ar............ Ar................. ....... ..
19 20 21 22
7.0. – INFLUÊNCIA DO ARQUITETO ARQUITETO NA REDUÇÃO REDUÇÃO DOS DOS CUSTOS CUSTOS DO AR................... 23 7.1. – 7.2. 7.2. – 7.3. 7.3. – 7.4. 7.4. – 7.5. 7.5. – 7.6. 7.6. – 7.7. 7.7. – 7.8. 7.8. – 7.9. 7.9. –
Alteraçõe Alteraçõess na Estrutura Estrutura do Edifí Edifício cio Visando Visando Redução Redução da Carga Carga Térmica. Térmica. 24 Cores Claras ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ...... 24 Isolament o ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ...... 24 Rotação Rotação do Edifíci Edifícioo ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ...... .. 24 Redução Redução dos Vidros Vidros ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ...... 25 Persi anas ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ...... .. 25 Vidro Vidro Reflet Refletivo ivo ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ .... 26 Brise-sol eil ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ .... 26 Todas odas as Alteraçõ Alterações es Juntas Juntas ........ ............ ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ....... .. 26
8.0. – CONCLUSÃO CONCLUSÃO ....................... ................................... ........................ ........................ ....................... ....................... ........................ ........................ .............. 28 9.0. – OUTRAS OUTRAS AL ALTERAÇÕES TERAÇÕES POSSÍVEIS POSSÍVEIS ...................... ................................. ..................... ..................... ...................... ................. ...... 29 9.1. 9.1. 9.2. 9.2. 9.3. 9.3. 9.4. 9.4. 9.5. 9.5. 9.6. 9.6. 9.7. 9.7. 9.8. 9.8. 9.9. 9.9. 3
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Sistema Sistema de Acumulaçã Acumulaçãoo de Energi Energiaa ......... .............. .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... Utiliz Utilização ação de Ar Externo Externo ........ ............ ........ ......... ......... ........ ........ ......... ......... ........ ........ ......... ......... ........ ........ ......... ......... ........ ...... Utilizaç Utilização ão do Calor Calor Rejeita Rejeitado do ......... ............. ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ......... ........ .... Iluminação Iluminação Natural ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ .... Aumento Aumento da Eficiência Eficiência dos Equipa Equipamentos mentos ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ...... Pré-resfriamento Pré-resfriamento das Estruturas........... Estruturas............... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ....... ... Mobíli Mobílias as Leves Leves ........ ............ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ....... ... Mudanç Mudançaa do Set-po Set-point int ........ ............. ......... ........ ........ ........ ........ ......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ......... ......... ........ ........ ........ .... Venti Ventilaç lação ão do Ático Ático ......... ............. ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ......... ......... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ...... ..
29 29 29 29 29 30 30 30 30
Histórico do Ar Condicionado Desde os tempos remotos, o homem já procurava abrigo e conforto nas cavernas. O fogo constituia uma fonte para proporcionar-lhe o conforto térmico.
O refrigerador doméstico resolveu os problemas que os antigos refrigeradores a bloco de gelo apresentavam. Com ele podemos conservar produtos por um longo período de tempo.
Os Egípcios, na sua época áurea, procuravam construir suas habilitações favorecendo a ventilação natural de forma a propiciar-lhes conforto térmico.
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Hoje o desenvolvimento industrial exige novos materiais e processos que para serem realizados necessitam de ambientes com condições controladas. Na área industrial, os sistemas de ar condicionado, tormaram-se peças vitais em alguns tipos de atividades. Por outro lado, uma das parcelas mais importantes de Conforto Humano é o Conforto térmico.
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Conceitos Fundamentais 2.1. – Calor Calor é uma forma de energia. Calor é energia em trânsito entre dois corpos com diferentes níveis de energia. Calor não pode ser destruído. É energia que se transforma ou se tranfere.
CALOR NÃO PODE SER DESTRUÍDO
A energia térmica de um corpo, é resultado da agitação de suas moléculas. Calor é a energia térmica que se transfere de um corpo a outro, quando há uma diferença de energia entre eles.
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2.2. – Intensidade A medida da intensidade de energia térmica de um corpo é a temperatura. Entre as diversas escalas para medir temperaturas, duas são mais usuais: escala Celsius (grau Celsius ºC) - sistema métrico e a Fahrenheit (grau Fahrenheit ºF ) - sistema inglês.
INTENSIDADE= GRAUS CELSIUS (ºC) OU GRAUS fAHRENHEIT ( ºF)
2.3. – Quantidade de Calor Em termodinâmica é comum expressarmos a quantidade de calor que se transfere de um corpo para o outro por unidade de tempo, a qual costumamos chamar de fluxo de calor. Para que pudéssemos medir o fluxo de calor, foi necessária a criação de novas unidades; sendo que as mais comuns são o kcal/h ou TR ( Tonelada de Refrigeração ).
A quantidade de calor pode ser medida. Para isso devemos ter uma unidade, o kcal é a quantidade de calor que, retirada de um qulograma de água a 15,5ºC abaixo de sua temperatura de 1ºC, sob pressão normal.
TR - é aproximadamente a quantidade de calor necessária para derreter uma tonelada de gelo em 24 horas. Também pode ser entendido com a quantidade de calor necessesária para derreter 1/2 toneladas de gelo em 12 horas, e assim por diante. 7
Conforto Térmico É definido pela Norma ASHRAE como “um estado de espírito que reflete satisfação com as condições térmicas do ambiente que envolve a pessoa”. Nesse sentido, o desempenho durante qualquer atividade deverá ser otimizado desde que o ambiente propicie condições de conforto, sendo esse objetivo primeiro dos sistemas de controle ambiental. Conforto térmico é um conceito subjetivo, isto é, depende de cada pessoa.
3.1. – Balanço Térmico do Corpo Humano
O corpo humano é um sistema termodinâmico aberto, como geração interna de eneregia. interagindo termicamente com o meio que o circunda. O sistema termo-regulador do corpo humano tende a manter a energia interna num ponto de equilíbrio (U = 0), procurando manter a temperatura interna sempre constante. Caso ocorra uma variação das condições do ambiente exterior, o sistema termo-regulador entra em ação, a fim de manter a energia interna numa situação de equilíbrio (U = 0), de forma que a temperatura interna do corpo varie através de uma ação fisiológica (suor, por exemplo). Caso o corpo não consiga manter a temperatura interna, atinge-se uma situação que pode ser prejudicial à saúde (aumento ou redução da temperatura interna).
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3.2. – Metabolismo (M)
Em condições que não se afastam significadamente da situação de neutralidade térmica, o metabolismo depende exclusivamente do tipo de atividade. Nos trabalhos da ASHRAE, podem ser encontradas tabelas apresentando o metabolismo para distintas atividades.
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3.3. – Trabalho (W) O trabalho realizado pelo corpo é considerado positivo. Assim, a ascesão de um aclive ou o levantamento de um peso são consideradas atividades com realização de trabalho positivo, ao passo que uma caminhada em plano horizontal, não apresenta realização de trabalho. É importante observar que a realização de um trabalho (W > 0) tende a diminuir a energia interna do corpo , o qual responde com um aumento de metabolismo. η
3.4. – Convecção (C) É a transferência de calor do corpo, através do ar ao meio ambiente. A transferência por convecção será maior quanto maior for a velocidade do ar, entretanto, ela será reduzida à medida que aumentamos a vestimenta do indivíduo.
CONVECÇÃO 10
3.5. – Radiação (R) A superfície do corpo trocará calor por radiação com outras superfícies; desde que exista diferença de temperatura entre ela e a outra superfície.
TRM (UNIFORME)
T1 AR AMBIENTE NÃO INTERFERE
T2
T3
T4
3.6. – Evaporação Através do suor, o corpo elimina uma certa quantidade de água, que sofre evaporação. Promove assim, a tentativa de balanço térmico dio organismo.
EVAPORAÇÃO 11
3.7. – Respiração (RE) O ar externo aspirado, ao circular pelos pulmões, recebe calor e umidade, colaborando desse modo para o resfriamento do corpo. ESQUEMA DO PROCESSO DE RESPIRAÇÃO mres Ts ∅s rhres Ts ∅s
VAPOR
CALOR
3.8 – Conforto e Produtividade Diversas experiências têm sido feitas para determinar a parcela real de decréscimo na eficiência devido ao trabalho em ambiente impróprio. Uma dessas experiências mostra que uma atmosfera fria com ar parado (estagnado), reduz o rendimento de um grupo em teste em 9% enquanto que uma atmosfera quente com ar em movimento reduz o rendimento em 15%. A atmosfera quente com ar estagnado produz uma redução de 23% no trabalho e um ambiente com ar quente e com umidade alta reduz 28%. Existem vários exemplos de queda da eficiência quando se trabalha em ambientes que estão abaixo dos padrões. Alguns destes têm sido relatados nos testes realizados em Pittsburgh e experiências conduzidas por H.M.Vemon e demonstradas em seu livro “Fadiga e Eficiência na Indústria” e ainda por Weston, para o Comitê de Pesquisa da Fadiga na Indústria, da Grã-Bretanha. A eficiência mental também reage favoravelmente ao ar condicionado. Uma das mais significantes provas disto é a experiência levada a efeito pelos Serviços Gerais da Administração do Governo dos EUA para um grupo de empregados federais. Nesta experiência, os empregados foram divididos em dois grupos Cada grupo realizando as mesmas tarefas, porém, um conjunto trabalhava numa área com ar condicionado e outro em área não condicionada. A área com ar condicionado mantinha uma temperatura de bulbo seco constante de 24°C e umidade relativa de 50%. Ambas as áreas tinham a mesma intensidade de iluminação, mesma decoração interna e móveis iguais. Cada grupo era eficazmente testado no tipo de trabalho que eles faziam. Ambos os grupos tinham setenta pessoas, com um igual número de homens e mulheres em cada grupo. A média de idade em ambos os grupos era de vinte e nove anos. O tipo de trabalho executado consistia de um registro de pesquisas exigindo de cada empregado uma cota mínima por mês. O trabalho era considerado com orientação maior no sentido mental do que físico. 12
Após cinco meses, provou-se conclusivamente que o sistema de ar condicionado aumentou a eficiência. O rendimento do grupo que tinha ar condicionado estava entre 6 a 13,5% maior que o grupo sem ar condicionado, com média de 9,5%. É particularmente significativo que este aumento na eficiência foi acompanhado por uma redução de 0,9% nos erros, assim como também ocorreu uma redução nas ausências e um desenvolvimento moral do empregado foi também registrado com benefício adicional. Os resultados dessas e outras experiências não deixam dúvidas que o ar condicionado aumenta a eficiência e a produtividade dos empregados, quer eles estejam engajados num trabalho físico ou mental.
EXPERIÊNCIA NO SETOR DE SERVIÇOS GERAIS DA ADMINISTRAÇÃO DO GOVERNO DOS E.U.A.
RENDIMENTO 6% A 13.5% MAIOR (MÉDIA 9.5%) REDUÇÃO DE ERROS DE 0.9% MENOR NÚMERO DE AUSÊNCIAS NO TRABALHO MELHORA A MORAL
REDUÇÃO DE RENDIMENTO DE UM GRUPODE PESSOAS
AMBIENTE FRIO COM AR ESTAGNADO AMBIENTE QUENTE COM MOVIMENTO DE AR AMBIENTE QUENTE COM AR ESTAGNADO AMBIENTE QUENTE COM ALTA UMIDADE
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Funções do Ar Condicionado É o processo pelo qual são controladas simultaneamente pelo menos: a temperatura, a umidade, a movimentação e a pureza do ar em recintos fechados destinados a ocupação do homem.
4.1. – Aplicações do Ar Condicionado A maioria das unidades de condicionamento de ar estão associadas a aplicações de conforto. Sistemas para resfriamento de ar durante o verão tornam-se obrigatórios em edifícios de grande porte no mundo inteiro. Mesmo em regiões onde as temperaturas de verão não sejam elevadas, edifícios grandes devem ser resfriados para compensar o calor liberado por pessoas luzes e outros aparelhos elétricos. Em regiões de temperaturas de verão elevadas, o resfriamento do ar pode contribuir, por exemplo, para o aumento da efetividade no trabalho. Uma aplicação importante de ar condicionado é em hospitais, pois exige condições bem especiais não encontradas em edifícios comerciais. Na área industrial, os sistemas de ar condicionado tornaram-se peças vitais em alguns tipos de atividades (produtos fotográficos, laboratórios, confecção de produtos têxteis, telefonia, telecomunicações, etc.). Encontramos ainda aplicações mais específicas como: salas limpas para fabricação de componentes eletrônicos ou mecânicos de grande precisão, salas de computador, usinas geradoras de potência, ar condicionado em veículos, etc.
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Noções sobre Carga Térmica Os edifícios ganham calor de diversas formas. A soma desses ganhos de calor denominamos carga térmica de um edifício. Obs.: Na realidade precisamos associar o ganho de calor à carga térmica. CT ≅ KxGC CT = Carga Térmica K = Função de transferência do ambiente GC = Ganho de calor. em geral, CT
5.1. – Insolação É o ganho de calor devido a irradiação solar sobre superfícies envidraçadas. Como atualmente encontramos edifícios com grandes fachadas envidraçadas, essa parcela da carga térmica é muito importante.
INSOLAÇÃO 15
5.2. – Pessoas (Ocupação) O corpo humano é um motor térmico eficiente, e como qualquer motor, deve liberar calor para o ambiente. A quantidade de calor liberada pelas pessoas em um recinto depende do tipo de atividade.
PESSOAS
5.3. – Transmissão (Condução) É o fluxo de calor que ocorre quando há uma diferença de temperatura entre dois ambientes, sendo que o sentido do fluxo de calor ocorre normalmente da fonte quente para a fonte fria.
32ºC
25ºC
CONDICIONADA
29ºC NÃO CONDICIONADA
TRANSMISSÃO
5.4. – Luminárias (Iluminação) Um dos componentes mais importantes da carga térmica é sem sombra de dúvidas o ganho de calor devido as luminárias.
ILUMINAÇÃO 16
5.5. – Equipamentos Os diversos equipamentos que comparecem neste “organismo vivo” que é o edifício moderno, constituem-se em fontes de calor, e dependendo do tipo e da qualidade dos mesmos eles podem representar parcela considerável no ganho de calor.
EQUIPAMENTO
5.6. – Ar Externo Uma certa quantidade de ar externo é necessária para promover a higienização do ambiente. Esse ar externo (dependendo das temperaturas de bulbo seco e úmido), irá acrescentar calor sensível e latente à carga térmica.
AR EXTERNO
Portanto, a carga térmica de um ambiente é composta, pelas parcelas: insolação, transmissão, iluminação, número de pessoas, equipamentos, ar externo. Existe uma técnica bastante adiantada para os cálculos da carga térmica. Pode-se inclusive executá-los através de computador.
CARGA TÉRMICA 17
5.7. – Cálculo de Carga Térmica via Computador O comportamento térmico de habitações tem sido objeto de análise durante muitos anos, enfrentando como barreira a complexidade dos cálculos, que não permitia um levantamento preciso da carga térmica real. Com o advento do computador, houve uma revisão do procedimento de avaliação do desempenho térmico de construções, surgindo, então, programas para simulação térmica do edifício. Com tais programas, os engenheiros especialistas de ar condicionado podem promover múltiplas análises (melhor orientação solar, isolamento das paredes, pisos e coberturas, utilização de brise-soleil, persianas, etc.) com relativa facilidade, visando a redução no consumo de energia dos equipamentos de ar condicionado.
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Equipamentos de Ar Condicionado Existem dois sistemas básicos para condicionamento de ar: – Expansão direta: O ar que passa pela serpentina é resfriado pelo fluído frigorífico que escoa nos tubos.
– Expansão indireta: O fluído frigorífico refrigera um fluído intermediário (caso geral a água), e este por sua vez resfria o ar em contato com a serpentina.
Podemos subdividir os equipamentos de expansão direta em:
6.1. – Equipamentos de Expansão Direta com Condensação a Ar • condicionadores compactos “Self Contained” (5 a 15 TR’s) •condicionadores divididos (0,75 a 50 TR´s)
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Os condicionadores compactos podem ser aplicados em qualquer tipo de edifício, são econômicos, bom desempenho podendo resfriar ou aquecer, umidificar e desumidificar o ar. A rede de dutos promove melhor distribuição de ar. Permite colocar o condicionador num recinto fechado, determinando entre outras vantagens, menor nível de ruído no ambiente condicionado.
Ainda dentro do conceito de expansão direta, temse o equipamento “dividido” (split-system), que permite colocar a unidade condensadora (ventilador, condensador e compressor) do lado externo do prédio enquanto o gabinete com a serpentina de resfriamento e o ventilador de insuflamento fica colocado próximo à região a ser beneficiada. É uma outra solução para atender a arquitetura, e outras eventuais exigências.
6.2. – Equipamentos de Expansão Direta com Condensação a Água São fabricados nas capacidades de 5 a 40 TR’s, podendo ser instalados diretamente no ambiente insuflando ar através de “plenum de insuflamento” ou através de rede de dutos. No lado externo do edifício, teremos que instalar uma torre de resfriamento para resfriar a água que circulará no condensador (Shell and Tube do Self). SELF COM CONDENSAÇÃO À ÁGUA
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Podemos subdividir os equipamentos de expansão indireta em:
6.3. – Equipamentos de Expansão Indireta com Condensação a Água O sistema de expansão indireta com condensação a água é composto pêlos seguintes equipamentos: – Resfriador de Líquido com Condensação a água (Chiller): Tem a função de resfriar a água, que será enviada aos climatizadores (Fan Coil). São disponíveis nas capacidades de 20 a 60 TR’s com compressor scroll, 70 a 430 TR´s com compressor parafuso e 150 a 3950 TR´s com compressor centrífugo.
RTWA
– Climatizador (Wave Doble): Remove o calor do ambiente através da água gelada que recebe do Resfriador de Líquido (Chiller). Nada mais é do que um gabinete que contém serpentina (através da qual circula a água resfriada), um ventilador, motor e filtro para purificação do ar tratado. Wave Doble
– Torre de Resfriamento Tem a função de resfriar a água que irá circular no condensador (shell and tube) do Resfriador de Líquido, promovendo o resfriamento do mesmo.
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6.4. – Equipamentos de Expansão Indireta com Condensação a Ar O sistema de expansão indireta com condensação a ar é composto pelos seguintes equipamentos: – Resfriador de Líquidos com Condensação a Ar (Chiller): Tem a função de resfriar água, que será enviada aos climatizadores (Fan Coil). São disponíveis nas capacidades de 7,5 a 150 TR´s com compressor Scroll, 140 a 500 TR´s com compressor parafuso .
RTAC
CGAD Obs.: O Resfriador de Líquido com condensação a ar, promoverá o resfriamento de seu condensador através da circulação forçada de ar, não sendo necessária a utilização de torres de resfriamento.
– Climatizador (Fan Coil ou Hidrônicos): Remove o calor do ambiente através da água gelada que recebe do Resfriador de Líquido (Chiller).
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Influência do arquiteto na redução dos custos do ar condicionado No decorrer dos anos, temos observado sérias críticas aos sistemas de ar condicionado. Muitos o acusam de ser um mau necessário, outros dizem ser o maior responsável pelo consumo de energia nos prédios de escritórios. Nesse trabalho não pretendemos discutir a veracidade de tais fatos, apenas tentar mostrar de uma forma sucinta porque sistema de ar condicionado tornou-se uma parcela pesada no custo global da obra, e principalmente porque ele passou a ser a maior parcela de consumo de energia nos prédios de escritórios, hotéis, shopping centers, etc. Para abordarmos o assunto de uma forma bem realista, idealizamos um prédio de escritórios com as seguintes características:
PRÉDIO DE 20 ANDARES PÉ DIREITO 2.5 METROS ALTURA DO PLENUM 50 cm 66% DA ÁREA DAS FACHADAS EXTERNAS DE VIDRO GARAGEM NÃO CONDICIONADA 1,5 TROCAS POR HORA [RENOVAÇÕES] 8m2 /PESSOA 40 w/m2 BS = 24C UR - 50%
Com tais dados, levantamos a carga térmica do edifício, a qual podemos dividi-la da seguinte forma. ESTRUTURAS 47.4% LUZES 20.5%
DIVERSOS 4.8% AR EXTERNO 14.5% PESSOAS 12.8%
Gráfico 1.1. Carga térmica total = 939.2 TR’s Do gráfico acima, podemos notar que a maior parcela da carga térmica do edifício é devida às estruturas. Dessa forma, para que consigamos obter reduções consideráveis na carga térmica, devemos investir nas estruturas. 23
7.1. – Alterações na Estrutura do Edifício Visando Redução da Carga Térmica Faremos uma série de alterações na estrutura do edifício visando reduzir a carga térmica total, e conseqüentemente o consumo de energia.
7.2. – Cores Claras Quando utilizamos cores claras para as paredes externas, passamos a ter a carga térmica total igual a 928.9 TR’s, ou seja, a utilização de cores claras na.s fachadas do edifício é recomendável para redução da carga térmica.
939.2 TRs
PRÉDIO BASE
928.9 TRs
CORES CLARAS
7.3. – Isolamento A utilização de uma camada de 25mm de espessura de Styrofoam (isolante) nas paredes externas, telhado e piso do pavimento térreo, fará com que tenhamos uma redução na carga térmica (carga térmica total = 887,2 TR’s). Utilizando-se estruturas com maior inércia térmica (maior massa) e isolantes térmicos em sua composição, trará como consequência uma redução na amplitude da carga térmica (redução do, pico de carga), assim como um atraso da mesma (deslocamento da hora em que teremos o maior valor de carga térmica).
939.2 TRs
PRÉDIO BASE
928.9 TRs
CORES CLARAS
7.4. – Rotação do Edifício Rodando o prédio de 90 graus, teremos uma carga térmica total igual a 830,2 TR’s, o que representa uma redução significativa, contudo, sabemos que nem sempre essa rotação é possível, principalmente porque dependemos da área disponível para a construção do prédio. Caso tenhamos possibilidade de escolha da orientação, é importante que façamos um estudo da direção dos ventos na região (ventilação natu24
ral, resfriamento das estruturas), e procuremos orientar as menores fachadas no sentido leste/oeste, pois dessa forma teremos uma redução da carga térmica total.
939.2 TRs
PRÉDIO BASE
7.5. – Redução dos Vidros
830.2 TRs
ROTAÇÃO DO PRÉDIO
A redução das fachadas exteriores envidraçadas de 66% para 40%, trará como conseqüência uma carga térmica total igual a 804,6 TR’s. Na medida do possível, devemos evitar a utilização de fachadas exteriores envidraçadas.
939.2 TRs
PRÉDIO BASE
804.6 TRs
REDUÇÃO DE VIDROS
7.6. – Persianas A utilização de persianas ou cortinas de cores claras em todas as fachadas, trará como conseqüência uma carga térmica total igual a 798,6 TR’s. Desde que não possamos reduzir a utilização de fachadas envidraçadas, devemos no mínimo evitar que tais fachadas fiquem expostas sem proteção contra a irradiação solar direta.
939.2 TRs
PRÉDIO BASE 25
798.6TRs
PERSIANAS
7.7. – Vidro Refletivo
Ao trocarmos os vidros comuns por vidros refletores, teremos uma carga térmica total igual a 795,8 TR’s. A utilização de vidros especiais refletores, absorvedores ou refletores e absorvedores é conveniente para reduzirmos o ganho de calor.
939.2 TRs
PRÉDIO BASE
795.8 TRs
REDUÇÃO DE VIDROS
7.8. – Brise-soleil
A adoção de peças arquitetônicas como abas ou venezianas externas (brise-soleil), evitam ou impedem a insolação direta fazendo com que a carga térmica total seja igual a 661,4 TR’s.
939.2 TRs
PRÉDIO BASE
661.4 TRs
BRISE-SOLEIL
7.9. – Todas as Alterações Juntas A somatória de todos os itens anteriores (paredes claras, isolante nas estruturas, rotação do prédio, redução das fachadas de vidro, utilização de persianas, utilização de vidro refletivo e a utilização de peças arquitetônicas para redução da irradiação solar direta), trará como conseqüência uma carga térmica igual a 548,2 TR’s, a qual podemos dividir da seguinte forma:
939.2 TRs
PRÉDIO BASE 26
548.2 TRs
TODAS ALTERAÇÕES
Gráfico 1.2. Comparando o gráfico 1.2. com o 1.1., podemos notar que a participação das estruturas na carga térmica total foi em muito reduzida, deixando de ser a maior parcela (de 47,4% para 11,8%).
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Conclusão Não queremos com esse trabalho discutir detalhes arquitetônicos nem estruturais, apenas mostrar que com alterações simples na concepção dos edifícios, conseguimos reduções significativas no custo inicial e operacional das instalações de ar condicionado. Acreditamos que tenha ficado bem claro que nos dias de hoje, com os crescentes aumentos no preço da energia elétrica e na eminência de um possível déficit da mesma para os primeiros anos da próxima década, não se pode conceber a construção de um edifício sem um prévio estudo econômico e energético. Para tanto, se faz necessário a participação de engenheiros especialistas da área térmica na fase de elaboração do edifício.
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Outras Alterações Possíveis As alterações que fizemos não são complexas e nem irão encarecer o preço global do edifício. Alterações mais complexas, que com certeza trariam como resultado reduções ainda maiores no consumo de energia do edifício, poderiam ser apresentadas, contudo para que elas fossem viabilizadas, seria necessário a participação de engenheiros especialistas da área térmica. De qualquer forma, listaremos algumas delas apenas como curiosidade:
9.1. – Sistema de Acumulação de Energia Podemos deixar os equipamentos funcionando em horas onde não exista ocupação no edifício para que os mesmos fabriquem água gelada ou gelo, que seria acumulada em reservatórios e posteriormente utilizada. Esse sistema é vantajoso para clientes que tenham contratado a tarifação horo sazonal (tarifa azul e tarifa verde); pois dessa forma podemos desligar os equipamentos de ar condicionado durante o horário de ponta (normalmente entre 17:30 e 20:30 hs) quando o preço da energia é elevado, utilizando apenas a água gelada ou gelo acumulado para resfriamento do ambiente (nesse tipo de sistema não temos economia no consumo de energia, entretanto a conta de energia elétrica pode ser reduzida em até 50%.
9.2. – Utilização de Ar Externo Poderíamos utilizar o ar externo para resfriar o ambiente. Toda vez em que o mesmo estiver a uma entalpia (ou temperatura, caso queiramos utilizar controles menos sofisticados) inferior a da sala, deixaríamos penetrar ar externo para resfriamento do ambiente.
9.3. – Utilização do Calor Rejeitado Poderíamos utilizar o calor rejeitado pelo condensador, para aquecimento de água, que ficaria armazenada para posteriormente ser utilizada no banho, preparo de alimentos, etc.
9.4. – Iluminação Natural Um estudo de iluminação natural, também poderia ser feito com o intuito de reduzirmos a quantidade de luzes no edifício (40 W/m2para escritórios).
9.5. – Aumento da Eficiência dos Equipamentos Um aumento da temperatura da água gelada (no caso de sistemas de expansão indireta), trará bons resultados na performance do Chiller, em contrapartida teremos que utilizar áreas de troca maiores na serpentina dos Fan Coils. Nesse item seria necessário um estudo minucioso, visando não só a redução no consumo de energia, como também da viabilidade do sistema proposto (simulação do sistema).
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