LUCIENE PAVANELLO GONÇALVES
CONDICIONAMENTO DE AR E SUA
EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado
à
Universidade
Anhembi Morumbi no âmbito do
Curso de Engenharia Civil com
ênfase Ambiental.
SÃO PAULO
2005
LUCIENE PAVANELLO GONÇALVES
CONDICIONAMENTO DE AR E SUA
EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado
à
Universidade
Anhembi Morumbi no âmbito do
Curso de Engenharia Civil com
ênfase Ambiental.
Orientador:
Prof. Dr. José Rodolfo Scarati
Martins
SÃO PAULO
2005
iii
RESUMO
O conceito da máquina base do ar condicionado pouco evoluiu desde a invenção,
compreendendo compressor, condensador e evaporador. Com a crescente
preocupação com o meio ambiente, faz-se necessário o desenvolvimento de
técnicas menos agressivas e mais econômicas, para que haja otimização tanto de
recursos naturais como financeiros.
Visando deslumbrar as evoluções tecnológicas do sistema de condicionamento de
ar, desde seus conceitos fundamentais (mecanismo de transferência de calor,
convecção, evaporação e radiação) até sua eficiência energética e sistêmica,
juntamente com seu progresso técnico.
A constatação através de comparação de dois sistemas de condicionamento de ar,
entre o sistema convencional e o sistema Forro (Teto) Radiante, mostrou que
mesmo adotando soluções alternativas, a minimização dos impactos e redução de
recursos naturais e financeiros foram obtidos com êxito.
Palavras Chave: Ar Condicionado; Evolução Tecnológica
iv
ABSTRACT
The concept of the conditional air machine was a little evolved since the invention,
including compressing, condensing and evaporator. With an increasing concern
about the environment, the development of less aggressive and more economic
techniques becomes necessary, so that it has to optimise natural resources and
financial. Aiming to regard the technological evolutions of conditioning air system,
since it's basic concepts (mechanism of heat transference, convection, evaporation
and radiation) until it's energy and efficiency, combined with its technical progress.
The evidence through comparison of two conditioning air systems, the conventional
system and the Lining (Ceiling) Radiating system, showed that even adopting
alternative solutions, the decrease in impacts and reduction of natural and financial
resources had been successfully achieved.
Key Worlds: technological evolutions; conditioning air systems
v
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 5.1: Transmissão por condução – Bryant (2001). ..........................................29
Figura 5.2: Transmissão por convecção – Bryant (2001)..........................................30
Figura 5.3: Transmissão por radiação – Bryant (2001). ............................................30
Figura 5.4: Ciclo de refrigeração por compressão de vapor – Bryant (2001). ...........31
Figura 5.5: Princípio geral (sistema de refrigeração por absorção) – Bryant (2001). 34
Figura 5.6: Comparação entre os ciclos – Bryant (2001). .........................................34
Figura 5.7: Processo de Compressão X Expansão de Gás – Alberico (2003). .........38
Figura 5.8: Diagrama de aparelho de janela – Bryant (2001)....................................39
Figura 5.9: Diagrama esquemático de um split – Bryant (2001)................................40
Figura 5.10: Sistema de Expansão Direta - tipo Self Contained – Alberico (2003). ..42
Figura 5.11: Central de Água Gelada – Alberico (2003)............................................43
Figura 5.12: Termoacumulação – Alberico (2003). ...................................................45
Figura 5.13: Fluxograma de Água Gelada – Bryant (2001). ......................................48
Figura 5.14: Compressor Alternativo – Bryant (2001). ..............................................52
Figura 5.15: Compressor parafuso – Bryant (2001). .................................................52
Figura 5.16: Compressor de palheta de duas palhetas – Bryant (2001). ..................53
Figura 5.17: Compressor scroll – Bryant (2001)........................................................53
Figura 5.18: Resfriador de líquido com compressor centrífugo – Bryant (2001). ......54
Figura 5.19: Esquema de condensadores – Bryant (2001). ......................................55
Figura 5.20: Tipos de evaporadores – Bryant (2001). ...............................................55
Figura 5.21: Dispositivos de expansão – Bryant (2001). ...........................................56
Figura 5.22: Consumo final de energia elétrica por setor – Bryant (2001). ...............64
Figura 5.23: Taxas de consumo elétrico no ano de 1988 – Bryant (2001). ..............65
Figura 5.24: Taxas de consumo elétrico (expansão direta) – Bryant (2001). ............66
Figura 5.25: Desempenho de diversos compressores – Bryant (2001).....................67
Figura 5.26: Operação de um Tanque de Termoacumulação – Bryant (2001). ........69
Figura 6.1: Consumo de energia para diferentes sistema de ar - Alberico (2005). ...82
Figura 6.2: Componentes do sistema - Alberico (2005). ..........................................83
Figura 6.3: Instalação do Sistema Forro (Teto) Radiante - Alberico (2005). .............84
Figura 6.4: Estratégias de controle - Alberico (2005). ...............................................85
vi
Figura 6.5: Sistemas de controle - Alberico (2005). ..................................................86
Figura 6.6: Central Produtora de Frio - Alberico (2005). ...........................................88
Figura 6.7: Representação das salas - Alberico (2005). ...........................................88
Figura 6.8: Comparativo dos sistemas - Alberico (2005)...........................................89
Figura 6.9: Reaproveitamento da água de desumidificação - Alberico (2005). .........92
Figura 6.10: Elevação do pé direito - Alberico (2005). ..............................................93
Figura 6.11: Áreas destinadas à Casa de Máquinas - Alberico (2005). ....................94
Figura 6.12: Instalação dos fancoil´s sobre forro rebaixado - Alberico (2005). .........95
vii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1: Distribuição das variáveis referentes ao desconforto ambiental.............15
Tabela 1.2: Cronologia da Idade Moderna. ...............................................................17
Tabela 1.3: Cronologia da refrigeração mecanizada.................................................18
Tabela 1.4: Cronologia do início do ar condicionado.................................................18
Tabela 1.5: Desenvolvimento dos Equipamentos de Refrigeração. ..........................19
Tabela 5.1: Possibilidades de aplicação dos diversos compressores. ......................45
Tabela 5.2: Determinação do protocolo de Montreal.................................................50
Tabela 5.3: Comparativo de aplicação dos diversos compressores..........................54
Tabela 5.4: Possibilidades de aplicação dos diversos compressores. ......................56
Tabela 5.5: Condições internas de conforto para residências e escritórios. .............58
Tabela 5.6: Sintomas de ocupantes de “Edifícios Doentes”......................................73
Tabela 5.7: Problemas correlacionados a Síndrome dos Edifícios Doentes. ............76
Tabela 6.1: Benefícios Anuais...................................................................................96
Tabela 6.2: Benefícios Imediatos. .............................................................................97
viii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas
CFC
Clorofluorcarbonetos
HCFC
Hidroclorofluorcarbono
HFC
Hidro-flúor-carbono
KW / TR
Relação do consumo de energia com a produção de frio.
Btu/hora
Potência é medida pela unidade inglesa British Thermal Unit .
ix
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO...................................................................................................13
1.1
Conforto Térmico ....................................................................................................... 14
1.2
História e Objetivo da Indústria de Refrigeração ................................................... 15
1.3
Cronologia – Início da Termodinâmica.................................................................... 16
1.3.1
Antigüidade .......................................................................................................... 17
1.3.2
Idade Moderna...................................................................................................... 17
1.3.3
Início da refrigeração mecanizada........................................................................ 17
1.3.4
Início do ar condicionado ..................................................................................... 18
1.3.5
Desenvolvimentos dos Equipamentos .................................................................. 19
1.3.6
Histórico dos Refrigerantes .................................................................................. 19
1.4
2
O condicionamento de Ar .......................................................................................... 21
OBJETIVOS.......................................................................................................23
2.1
Objetivo Geral ............................................................................................................ 23
2.2
Objetivo Específico ..................................................................................................... 23
3
METODOLOGIA DO TRABALHO.....................................................................24
4
JUSTIFICATIVA ................................................................................................25
5
CONDICIONAMENTO DO AR...........................................................................26
5.1
Conceitos Básicos........................................................................................................ 26
5.1.1
Calor ..................................................................................................................... 26
5.1.2
Conservação de Energia ....................................................................................... 27
5.1.3
Estados da Matéria ............................................................................................... 27
5.1.4
Temperatura.......................................................................................................... 28
5.1.5
Direção e Regime de Transmissão de Calor.........................................................28
x
5.2
Métodos de Transmissão de Calor ............................................................................ 29
5.2.1
Condução .............................................................................................................. 29
5.2.2
Convecção ............................................................................................................ 29
5.2.3
Radiação ............................................................................................................... 30
5.3
Sistemas de Refrigeração: Compressão de Vapor x Absorção............................... 31
5.3.1
Sistema de Compressão de Vapor ........................................................................31
5.3.2
Sistema de Absorção ............................................................................................ 33
5.4
Unidades Condicionadoras de Ar ............................................................................. 35
5.5
Tipos de Condicionadores de Ar ............................................................................... 37
5.5.1
Expansão Direta.................................................................................................... 37
5.5.2
Individual.............................................................................................................. 38
5.5.3
Split....................................................................................................................... 39
5.5.4
As vantagens da utilização de Splits em ambientes pequenos.............................. 40
5.5.5
Package ................................................................................................................ 41
5.5.6
Expansão Indireta - (Água Gelada) ...................................................................... 43
5.5.7
Termoacumulação ................................................................................................ 44
5.5.8
Sistemas de Grande Porte ..................................................................................... 46
5.6
Calor sensível e calor latente .................................................................................... 48
5.7
Fluido refrigerante ..................................................................................................... 49
5.8
Componentes do Sistema de refrigeração por Compressão à vapor .....................50
5.9
Carga Térmica ............................................................................................................ 57
5.10
Ganhos de calor através do “Envelope” ............................................................... 58
5.10.1
Ganhos por insolação nos vidros .......................................................................... 58
5.10.2
Ganhos por transmissão em paredes externas e tetos ...........................................59
5.10.3
Ganhos diversos por transmissão de calor............................................................ 60
5.10.4
Fator de diversificação.......................................................................................... 61
5.11
5.11.1
Eficiência Energética.............................................................................................. 62
A energia no país .................................................................................................. 62
xi
5.11.2
Impactos da Energia sobre o meio ambiente ........................................................62
5.11.3
Eficiência Energética e Progresso Técnico .......................................................... 63
5.11.4
Principais Consumidores de energia..................................................................... 63
5.11.5
O consumo de energia nos sistemas de ar condicionado......................................65
5.11.6
O Consumo de Energia nos Sistemas de Expansão Direta...................................66
5.11.7
O Consumo de energia nos Sistemas de Expansão Indireta.................................66
5.12
Alternativas para a Racionalização do Consumo de Energia ............................67
5.12.1
Termoacumulação de Água Gelada......................................................................68
5.12.2
Central de Água Gelada com Unidades de Absorção........................................... 70
5.13
6
Qualidade do Ar Interior ....................................................................................... 71
ESTUDO DE CASO ...........................................................................................77
6.1
Descrição da obra referente ao Estudo de Caso ...................................................... 77
6.2
Sistema de Forro (Teto) Radiante............................................................................. 80
6.2.1
Diferentes aspectos do Forro (Teto) Radiante...................................................... 81
6.2.2
Sistema de Controle.............................................................................................. 84
6.3
Descrição dos conceitos utilizados e pontos relevantes entre os sistemas..............86
6.3.1
Sistema Convencional .......................................................................................... 86
6.3.2
Sistema de Forro (teto) Radiante ..........................................................................87
6.4
Comparativo sistêmico ............................................................................................... 88
6.4.1
6.5
Reflexos Práticos .................................................................................................. 89
Outras soluções por Radiação ................................................................................... 90
6.5.1
Air Chilled Ceiling ............................................................................................... 90
6.5.2
Vigas Radiantes .................................................................................................... 91
6.6
Vantagens do Sistema Teto (Forro) Radiante na obra estudada ...........................91
6.6.1
Aproveitamento da água de desumidificação dos Fancoils. ................................ 91
6.6.2
Elevação do Pé Direito do Edifício. ..................................................................... 92
6.6.3
Redução na Altura Total do Edifício.................................................................... 93
6.6.4
Consumo de energia do sistema. ..........................................................................94
xii
7
6.6.5
Área disponibilizada em área útil. ........................................................................94
6.6.6
Redução do número de detectores de fumaça no Edifício.................................... 95
6.6.7
Apresentação dos benefícios em Reais................................................................. 96
CONCLUSÕES..................................................................................................98
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................100
13
1 INTRODUÇÃO
Atualmente, especialmente nas grandes cidades, não é possível imaginar as
atividades do dia-a-dia sem ar condicionado. Em escritórios, janelas abertas
deixarão entrar a poluição ambientais, e a poluição sonora, entre outras, elas por si
só são criadoras de qualidade do ar inadequado.
Quando se pensa em condicionar um ambiente, geralmente leva-se em
consideração uma melhoria ou controle de um processo industrial ou a manutenção
do conforto humano. Em um sistema industrial, as condições a serem mantidas são
estabelecidas pela natureza do processo, do material ou dos equipamentos a se
condicionar. Em um sistema para conforto, entretanto, as condições são
determinadas pelos requisitos do corpo humano.
Para realizar estas funções básicas o sistema de condicionamento de ar deve ter
condições de controlar, no local condicionado, as propriedades e parâmetros
relacionados ao ar, tais como temperatura, umidade, nível de ruído e qualidade do ar
interior.
Em função da variedade de parâmetros ambientais que devem ser satisfeitos,
necessita-se de equipamentos condicionadores de diversos tipos e capacidades. Se
uma potência imprópria for utilizada as condições ambientais podem não ser
satisfeitas, durante algumas horas do dia. Além disso, caso seja escolhido um tipo
errado de equipamento corre-se o risco de nunca se conseguir os valores
de
projeto. O fator economia também deve ser considerado, pois a seleção de um tipo
errado e/ou potência imprópria do equipamento causará um consumo de energia
e/ou água excessivo além de avaliar incorretamente o custo de aquisição.
O bom dimensionamento é primordial para a redução do consumo de energia / água,
para cálculo da carga térmica, para a especificação correta dos equipamentos, para
cálculo correto da rede de distribuição de ar aumentando a eficiência do sistema.
14
1.1 Conforto Térmico
O homem é um motor térmico, seu calor provém da queima dos alimentos nas
células, entretanto, para manutenção do equilíbrio homeotérmico ele tem que jogar
fora continuamente o calor, que é chamado de metabolismo, afirma Alberico (2003).
Além do calor libera-se também umidade através da sudorese e da respiração. O
conforto térmico é quando o organismo não sente dificuldade para eliminar o calor
nestas condições o indivíduo não “sente” o meio e suas variáveis.
As condições climáticas geralmente não interferem na temperatura limite interna do
corpo humano que permanece constante, pois o homem é um ser homeotérmico e
sua temperatura interna varia de 33º a 41º C. As alterações só irão ocorrer quando
a temperatura do ambiente ultrapassa limites nos quais o organismo não consegue
mais equilibrar a temperatura, quer seja baixa ou a alta temperatura.
Quanto maior a atividade física, maior será o calor gerado por metabolismo. Por
esse motivo, deve-se ter a preocupação de saber a função da arquitetura do
ambiente a fim de prever o nível de atividade que será realizada em seu interior,
para proporcionar a sensação de conforto às pessoas.
Desta maneira pode-se verificar que a observação do conforto térmico dos
ocupantes é de fundamental importância no projeto, e de forma a proporcionar
aumento de produtividade das pessoas que ocupam o ambiente.
Devido às diferenças de cada indivíduo, tais como a característica metabólica, a
área superficial do corpo, quantidade de tecido adiposos (gordura), volume
sangüíneo, além de outros tipos de variáveis tais como: vestimenta, tipo de atividade
do indivíduo e outras, torna-se possível satisfazer toda a população de um local, em
relação as condições térmicas ideais. Trabalhos apresentados por vários
pesquisadores, relatam quantitativamente apresentados na Tabela 1.1.
15
Tabela 1.1: Distribuição das variáveis referentes ao desconforto ambiental.
Variável
Nível de observação
Temperatura
15,8 %
Nível de iluminação
11,0%
Tabaco
9,80 %
Ruído
8,70%
Perturbações de ruído
8,50%
Refração de luz
7,90%
Odores
7,50%
Umidade
7,10%
Poeira
6,70%
Sombra
5,10%
Fonte: Alberico, 2003.
Parece não haver nenhuma regra rígida que nos indique quais as melhores
condições atmosféricas para o conforto de toda as pessoas, segundo Alberico
(2003). O cliente que entra numa loja com ar condicionado vindo do calor forte da
rua tem um bem-vindo sentido de alívio. O empregado ativo que tenha estado na
loja durante várias horas poderá estar um pouco quente demais para sentir um
conforto perfeito. As pessoas que dançam na pista de um restaurante sentem um
certo calor enquanto os clientes sentados nas mesas estão confortáveis ou até com
um pouco de frio.
O conforto de um indivíduo é afetado por muitas variáveis. Saúde, idade, atividade,
roupas, sexo, alimentação e aclimatação influem na determinação das “melhores
condições de conforto” para uma pessoa especifica. O melhor que se pode fazer é
selecionar essas condições sob as quais a maioria dos ocupantes de uma sala se
sintam confortáveis.
1.2 História e Objetivo da Indústria de Refrigeração
A primeira patente de uma máquina de refrigeração mecânica, segundo Alberico
16
(2003), foi inglesa e data de 1834. Seu princípio é semelhante ao dos sistemas de
refrigeração mecânica atuais, e no seu texto de apresentação lê-se: “ um fluido
volátil é usado para o propósito de produzir resfriamento ou congelamento de fluidos
e ao mesmo tempo, condensar constantemente o fluido volátil repetindo a operação
continuamente, sem perdas”.
Na segunda metade do século XIX, os equipamentos de refrigeração mecânica
utilizados eram volumosos, dispendiosos e não muito eficientes. Estes equipamentos
eram também de natureza tal que requeriam a assistência permanente de um
mecânico ou um engenheiro de operação. Isso limitava o uso da refrigeração a
poucas aplicações de maior porte, tais como fábricas de gelo, indústrias de
empacotamento de carne, grandes depósitos de armazenamento, etc.
A partir de 1900, com a eletricidade chegando as residências e o desenvolvimento
do motor elétrico, a refrigeração foi se tornando cada vez mais popular em todo o
mundo e, no decorrer de apenas algumas décadas, tornou-se a indústria gigantesca
e de rápida expansão que é atualmente. Este progresso explosivo esteve associado
a outro fator: o desenvolvimento de processos seriados de fabricação industrial, que
tornou possível produzir a custos competitivos, equipamentos cada vez mais
eficientes.
O aparecimento do motor elétrico e, posteriormente (na década de 30), o
desenvolvimento de refrigerantes “seguros”, tornaram possível diminuir o tamanho
das unidades de refrigeração, além de eliminar o risco de toxidade e/ ou explosão
dos antigos refrigerantes. Estes fatores conduziram a larga expansão do uso de
sistemas de refrigeração, atualmente tão usadas em aplicações tais como
refrigeradores e congeladores domésticos, pequenos aparelhos de ar condicionado,
instalações comerciais e industriais.
1.3 Cronologia – Início da Termodinâmica
Alberico (2003), estudou a cronologia da termodinâmica desde a antigüidade, e
17
demonstrou a sua evolução, conforme segue.
1.3.1 Antigüidade
Fogo – utilizado como proteção , iluminação e preparação dos alimentos.
Romanos – utilizado na ventilação e aquecimento por painéis aquecidos.
1.3.2 Idade Moderna
A Tabela 1.2 demonstra a evolução da cronologia ao longo da idade moderna.
Tabela 1.2: Cronologia da Idade Moderna.
Ano
Acontecimento
1659
Robert Boyle – Lei dos gases perfeitos
Século XV
Leonardo da Vinci - inventou o ventilador
Século XVIII As soluções aquosas já eram conhecidas
1748
William Cullen e Joseph Black descobriram o calor latente
1770
James Watt – Primeiro sistema de aquecimento a vapor
1775
William Cullen – Fabricou gelo de forma artificial por vácuo
1785
Benjamim Franklin – norma de construção, instalação e operação
de locais para queima de combustível sólido
1800
Johns Dalton – A pressão total é o resultado da soma das pressões
parciais
Fonte: Alberico, 2003.
1.3.3 Início da refrigeração mecanizada
A Tabela 1.3 demonstra o início da refrigeração mecanizada.
18
Tabela 1.3: Cronologia da refrigeração mecanizada.
Ano
1851
Acontecimento
John Gorrie – máquina de refrigeração para a produção de gelo a
partir de um ciclo aberto de ar
1851
Ferdinand Carré – primeira unidade de absorção com amônia para
a fabricação de gelo
1853
Alexandre Twinning - produziu 800 kg de gelo por dia em uma
bomba de duplo efeito com Éter Sulfúrico como refrigerante
1872
David Boyle – desenvolveu uma máquina por ciclo de compressão
e amônia como refrigerante
1880
A refrigeração era usada na conservação de alimentos e controlar a
fermentação da cerveja e do vinho
1880
O resfriamento do ar era feito por cestas cheias de gelo
Fonte: Alberico, 2003.
1.3.4 Início do ar condicionado
A Tabela 1.4 demonstra o início do ar condicionado.
Tabela 1.4: Cronologia do início do ar condicionado.
Ano
1902
Acontecimento
Willis Carrier – Desenvolveu as fórmulas para a seleção e
aplicação de ventiladores usados em caldeiras
1902
Willis Carrier – O primeiro projeto de aquecimento, refrigeração,
desumidificação e umidificação de uma gráfica.
1904
Willis Carrier – A construção de lavadores de ar para a partir do
controle ponto de orvalho refrigerar e umidificar.
1911
Willis Carrier – apresentava: temperatura de bulbo seco, ponto de
orvalho, e temperatura de bulbo úmido, calor latente e sensível.
Fonte: Alberico, 2003.
19
1.3.5 Desenvolvimentos dos Equipamentos
A Tabela 1.5 demonstra o desenvolvimento dos equipamentos de refrigeração.
Tabela 1.5: Desenvolvimento dos Equipamentos de Refrigeração.
Ano
1920
Acontecimento
General Eletric – O primeiro refrigerador doméstico fabricado com
sucesso. Usava como refrigerante o dióxido de enxofre.
1922
Willis Carrier – desenvolve o refrigerador de água com compressor
centrífugo
1926
Sistema de aquecimento por circulação natural da água
1927
Sistema de aquecimento por circulação forçada da água
1929
A
Frigidaire
desenvolveu
o
primeiro
equipamento
de
ar
condicionado compacto
1930
Thomas Midgley – desenvolvimento das unidades de absorção com
brometo de lítio
1931
Servel – Desenvolvimento das unidades de absorção com brometo
de lítio
1931
Willis Carrier – Desenvolveu o sistema de ar condicionado para
vagões ferroviários por ejetor de vapor
1935
Walter Jones – Introduziu os tubos aletados em trocadores casco e
tubos
Fonte: Alberico, 2003.
1.3.6 Histórico dos Refrigerantes
Os refrigerantes são substituídos ao longo do tempo em função de estabilidade,
compatibilidade com outros materiais, relação KW / TR e toxidade.
As definições das unidades de medidas a seguir pode ser encontradas em diversas
publicações, uma destas (Arcoweb, 2005) define que “KW / TR é a relação consumo
20
de energia e produção de frio. Btu / h significa unidade térmica britânica por hora. É
a unidade mais utilizada no Brasil para se definir a capacidade térmica de um
equipamento. 12.000 BTU/h = 1 TR. Watt (W) é potência desenvolvida quando se
realiza contínua e uniformemente um trabalho igual a 1 joule em cada segundo. O
quilograma força metro por segundo (kgf m/s) não é muito usado, mas define o
cavalo vapor (cv), ou seja, 1 cv = 75 kgf m/s. Assim 1 cv = 735,55 W. O cavalo vapor
é usado para indicar potência de motores mas deveria ser evitado. Melhor usar watt
e seus múltiplos. O inglês horse power (HP) eqüivale a 745,7 W. Outro desvio ocorre
na especificação de potência térmica para equipamentos de refrigeração e carga
térmica. São comuns o Btu por hora (Btu/h = 0,293 W) e a tonelada de refrigeração
(TR = 12000 Btu/h). Esta última eqüivale à potência térmica necessária para fundir
uma tonelada de gelo em 24 horas (mas atenção: a tonelada se refere à tonelada
curta de lá, equivalente a 2000 libras).”
Século XIX até 1930 – Uso de refrigerantes inorgânicos:
- R - 717 – amônia – NH3 em uso até hoje em dia
- R –764 – dióxido de enxofre – SO2
- R – 30 – cloreto de metila
De 1930 a 1991 – uso dos refrigerantes halogenados CFC e HCFC:
- R – 11 – CFC – Triclorofluormetano – CCl3F
- R – 12 – CFC - Diclorodifluormetano – CCl2F2
- R – 22 – HCFC – Monoclorodifluormetano – CHClF2
- R – 115 – CFC – Monocloropentafluoretano – CClF2CF3
- R – 502 – mistura azeotrópica – 48,8% R-22 + 51,2% R-115
De 1996 em diante – transição dos HCFC e uso dos HFC:
- HCFC – Hidro-cloro-fluor-carbono
- R – 22 – Monoclorodifluormetano – CHClF2 – uso até 2030
- R – 123 – Diclorotrifluoretano – CHCl2CF3 – uso até 2040
- HFC – Hidro-fluor-carbono
- R – 32 – Difluormetano – CH2F2
- R – 125 – Pentaflouretano – CHF2CF3
- R – 134a – Tetrafluoretano – CH2FCF3
21
- R – 407c – mistura de 23% R-32 + 25% R-125 + 53% R-134 a
- Inorgânicos
- R – 117 – Amônia – NH3
- R – 600 a – Isobutano – Dimetilpropano – CH(CH3) 3
De 1930 a 1980 – controles eletromecânicos e pneumáticos:
- É necessário acompanhamento humano
- É necessário ajustes freqüentes
- É difícil identificar as panes, quando, onde e como ocorreu
- A partir de 1980:
- controles eletrônicos e micro-processados
- Auto-gerênciamento evitando a parada da unidade
- Registro das panes com detalhes com detalhes
- Monitoração remota
1.4 O condicionamento de Ar
Como o nome sugere, o condicionamento de ar diz respeito ao tratamento do ar
ambiental, controlando não só sua temperatura, mas também sua umidade, pureza e
movimentação, relata Bryant (2001).
As aplicações de condicionamento de ar são basicamente de dois tipos: industrial e
de conforto humano, de acordo com seu principal objetivo. As instalações típicas de
condicionamento de ar de conforto encontram-se em residências, escolas,
escritórios, igrejas, hotéis, supermercados, edifícios, ônibus, etc.
Nestes casos, em geral, dispensa-se o controle rígido da umidade relativa do ar, que
tornaria o sistema mais caro e de custo operacional mais elevado, sem, entretanto
comprometer o conforto, visto que o ser humano é relativamente tolerante as
variações de umidade relativa, afirma Bryant (2001). É importante ressaltar que,
embora, a umidade não seja especificamente controlada, o sistema de
22
condicionamento de ar é projetado visando manter uma faixa de operação que é a
de maior aceitação da maioria dos usuários (ao redor de 50% de umidade relativa).
23
2 OBJETIVOS
A seguir são descritos os principais objetivos a que este trabalho se propõem.
2.1 Objetivo Geral
Este trabalho tem por objetivo geral relatar o funcionamento básico do sistema de
condicionamento de ar, como ele surgiu e o porque da dependência do mesmo nos
dias atuais. Enfocando no texto, os impactos ambientais causados pelo sistema.
2.2 Objetivo Específico
Este trabalho tem por objetivo específico analisar a necessidade da utilização do
condicionamento do ar em diversas áreas, mostrar alguns impactos causados pelos
sistemas de condicionamento e como reduzi-los de maneira a ajudar o meio
ambiente. Detalhando e comparando dois sistemas diferentes de condicionamento
de ar.
Apresentando uma proposta com uma evolução tecnológica, no qual se consegue
mostrar uma economia monetária, soluções técnicas viáveis e um conceito menos
impactante no meio ambiente, em relação ao sistema convencional.
24
3 METODOLOGIA DO TRABALHO
O presente trabalho tem por finalidade a exploração de conceitos teóricos
relacionados com a termodinâmica no sistema de condicionamento do ar, desde seu
surgimento até nos dias atuais.
Fez-se a coleta criteriosa das bibliografias que deram base ao estudo, aplicando
rigorosamente seus conceitos, normas e procedimentos que regem a Associação
Brasileira de Norma Técnica – ABNT.
Após esta etapa, deu-se o início ao desenvolvimento do trabalho.
25
4 JUSTIFICATIVA
Cada vez mais, a preocupação com o meio ambiente, faz-se presente nas nossas
vidas e deveria ser uma constante nas soluções técnicas para a concepção dos
projetos de engenharia.
Quando se fala em meio ambiente, existem vários enfoques para medir a
agressividade gerada perante à ele. Uma forma pouco discutida são os insumos
empregados na fase de construção, mas sobretudo, aqueles consumidos durante à
fase de utilização dos empreendimentos.
Desta forma, para os prédios comerciais, objeto desse estudo, o sistema de
condicionamento de ar é o principal consumidor individual, em edifícios de grande
porte, de energia elétrica, correspondendo sozinho à algo em torno de 40% do
consumo mensal de energia elétrica, bem como é também o maior consumidor de
água, utilizada essa, nas torres de evaporação/resfriamento.
Entretanto, as alternativas analisadas em um sistema de condicionamento de ar,
possibilita que o edifício utilize de forma mais eficiente os recursos naturais, e
consequentemente gere uma otimização no sistema, que levará a um projeto mais
eficaz, buscando ser mais econômico e ecologicamente correto.
26
5 CONDICIONAMENTO DO AR
A premissa do condicionamento do ar é considerar que só condicionam espaços
fechados, segundo Alberico (2003), e é o controle simultâneo da Pureza, Umidade,
Temperatura e Movimentação do Ar. Como fazer o controle da:
-
Pureza: Recirculando o ar contido no ambiente por Sistemas de Filtragem
-
Movimentação do Ar: Selecionando corretamente os equipamentos, dutos e
dispositivos por onde circula o ar em função de limites de velocidade evitando
ruído, sensação de arraste e sensação de ar parado.
-
Temperatura e Umidade: Estas variáveis se manifestam na forma de calor.
-
Temperatura: Calor Sensível – sol, lâmpadas, computadores, pessoas (parcial).
-
Umidade: Calor Latente – evaporação das pessoas, banho “maria”, café quente.
5.1 Conceitos Básicos
Entende-se pelo condicionamento do ar transmissão de calor (de fora para dentro ou
de dentro para fora dos ambientes fechados), afirma Alberico (2003).
5.1.1 Calor
Segundo Alberico (2003), calor é uma forma de energia. Isto se mostra evidente pelo
fato de que o calor pode ser convertido em qualquer outra das formas de energia e
que outras formas de energia podem ser convertidas em calor.
Termodinamicamente, o calor é definido como energia em trânsito de um corpo para
outro como resultado de uma diferença de temperatura entre dois corpos. Toda outra
transmissão de energia ocorre como trabalho.
27
5.1.2 Conservação de Energia
Sempre que um objetivo forneça ou perca calor, outro objeto receberá
o calor
perdido. Não existe o fenômeno do calor deixar e desaparecer de um objetivo
material, afirma Alberico (2003) em seu texto. Quando uma barra de ferro quente
resfria ao ar, o ar à sua volta torna-se mais quente. Quando ar é resfriado por água
fria circulando em um tubo, o calor perdido pelo ar reaparece na água de
resfriamento com um aumento correspondente na temperatura da água.
Desta forma, percebe-se que o calor não pode ser criado nem destruído. O calor
nunca de perde. Sem exceção, o calor apenas pode se transferir de um objetivo
para outro. Quando o ar é resfriado, uma certa quantidade de calor é transferida do
ar para qualquer outra substancia a uma temperatura inferior.
5.1.3 Estados da Matéria
A matéria pode existir em três diferentes fases ou estados de agregação: sólido,
liquido ou gasoso (vapor). Por exemplo, a água é um líquido, porém esta substância
pode existir como gelo, que é um sólido, ou como vapor, que é um estado gasoso.
Muitos materiais sob condições de pressão e temperatura apropriadas podem existir
em qualquer e todas as formas físicas da matéria, segundo Alberico (2003).
Demonstrar-se-à que a quantidade de energia apresentada pelas moléculas de
material, determina não somente a temperatura do material, determina não somente
a temperatura do material como também qual dos três estados físicos apresentará
em um momento particular. Em outras palavras, a dição ou remoção de calor pode
produzir uma mudança no estado físico do material, como também uma mudança de
sua temperatura.
É evidente que o calor pode produzir uma mudança no estado físico de um material,
devido ao fato de que muitos matérias como os metais, fundem quando submetidos
28
a forte aquecimento. Ainda segundo Alberico (2003), os fenômenos da fusão do gelo
e da água fervente, são conhecidos por todos nós. Cada uma dessas mudanças de
estado físico produz-se pela adição de calor.
5.1.4 Temperatura
A temperatura é uma propriedade da matéria, continua Alberico (2003) e é uma
medida do nível da intensidade calorífica de pressão térmica de um corpo. Uma
elevada temperatura indica um alto nível de pressão térmica, e diz-se que o corpo
está quente. Da mesma forma, uma baixa temperatura indica um baixo nível de
pressão térmica e diz-se que o corpo está frio. Foi já determinado que a temperatura
é uma função da energia cinética interna e, como tal, é um índice da velocidade
média molecular.
5.1.5 Direção e Regime de Transmissão de Calor
O calor passará de um corpo para outro quando e somente quando exista uma
diferença de temperatura entre ambos os corpos, relata Bryant (2001). Quando um
corpo está em equilíbrio térmico (i.e., à mesma temperatura) com o ambiente
circulante, não haverá transferência de energia calorífica entre o corpo e o ambiente
circudante.
A transmissão de calor realiza-se sempre da região de maior temperatura para a
região de menor temperatura (do corpo mais quente para o corpo mais frio) e nunca
na direção oposta. Posto que o calor é energia e, consequentemente, não é
destruído ou consumido em qualquer processo, a energia em forma de calor que
deixa um corpo deverá passar e ser absorvida por outro corpo cuja temperatura seja
menor que a do corpo que está cedendo a energia. A taxa ou regime de transmissão
de calor é sempre proporcional à diferença de temperatura que causa a transmissão.
29
5.2 Métodos de Transmissão de Calor
Segundo Bryant (2001), a transmissão do calor ocorre de três formas: por condução,
por convecção e por radiação.
5.2.1 Condução
A transmissão de calor por condução ocorre quando a energia se transmite por
contato direto entre as moléculas de um corpo ou mais, em perfeito contato térmico.
Em qualquer caso, as moléculas aquecidas comunicam sua energia às outras que
se encontram imediatamente adjacentes, conforme Figura 5.1.
A transmissão de energia por condução, é similar as bolas de mesa de bilhar, onde
toda ou parte da energia de movimento de uma bola, é transmitida no momento do
impacto às outras bolas.
Contato entre Corpo
Quente e Corpo Frio
Figura 5.1: Transmissão por condução – Bryant (2001).
5.2.2 Convecção
A transmissão por convecção ocorre quando há fluxo de calor de um lugar para
outro devido a correntes que se estabelecem no interior de um fluido, conforme
30
Figura 5.2. Estas correntes são conhecidas como corrente de convecção resultantes
da modificação da densidade produzida pela expansão da porção aquecida do
fluido.
Movimentação de Gases a
diferentes temperaturas.
No caso o Fluido é Ar.
Figura 5.2: Transmissão por convecção – Bryant (2001).
5.2.3 Radiação
A transmissão de calor por radiação apresenta-se na forma de um movimento de
onda similar às ondas de luz, onde a energia é transmitida de um corpo para outro
sem necessidade de intervenção da matéria, conforme Figura 5.3. A energia
calorífica transmitida por movimento ondulatório denomina-se de energia radiante.
Propagação de Ondas
eletromagnéticas em Linha Reta
(do corpo quente para o corpo frio)
Figura 5.3: Transmissão por radiação – Bryant (2001).
31
5.3 Sistemas de Refrigeração: Compressão de Vapor x Absorção
Para entender apropriadamente o ciclo de refrigeração, é necessária a compreensão
de cada processo no ciclo, segundo Bryant (2001), e sua influência no mesmo.
Qualquer mudança em qualquer um dos processos do ciclo, provocará mudanças
em todos os demais processos. Apresentam-se a seguir as etapas dos ciclos de
refrigeração.
5.3.1 Sistema de Compressão de Vapor
O sistema de refrigeração por compressão de vapor é o mais utilizado dos sistemas
de refrigeração, afirma Bryant (2001). É constituido basicamente por um compressor,
um condensador, um dispositivo de expansão e um evaporador, todos interligados,
através dos quais circula um fluido de trabalho, conforme demosntrado na Figura
5.4.
CONDENSADOR
Processo 2-3
VÁLVULA DE
EXPANSÃO
Processo 3-4
COMPRESSOR
Processo 4-1
Processo 1-2
EVAPORADOR
Figura 5.4: Ciclo de refrigeração por compressão de vapor – Bryant (2001).
32
O fluido de trabalho é um material que se transforma facilmente de gás para líquido
e vice-versa, sob um grande intervalo de pressão e temperatura.
A definição de fluido de trabalho pode ser encontrada em diversas publicações, uma
delas (Arcoweb, 2005) define que “o fluido de trabalho se move através do ar
condicionado em três componentes principais, o compressor, o condensador, e o
evaporador em um ciclo contínuo.
Por serem dotados de propriedades termodinâmicas que os tornam adequados à utilização em sistemas de refrigeração, tais fluidos são frequentemente denominados
de fluidos refrigerantes.
O processo 1-2 corresponde à compressão do fluido de trabalho. Em um processo
ideal de compressão, não existe troca de calor com o meio (compressão adiabática),
nem irreversibilidades (atrito viscoso, atrito entre as partes sólidas móveis, etc.), e o
fluido descreve um processo que segue uma linha de entropia específica constante.
No compressor, o refrigerante sofre um aumento de temperatura e pressão através
da linha de descarga, sendo lançado no condensador.
No condensador, processo 2-3, o fluido refrigerante entra superaquecido e sai no
estado de líquido saturado ou subresfriado. O calor latente de condensação do
refrigerante é transferido através das paredes do condensador para um meio
externo, podendo o fluido que recebe o calor rejeitado ser ar (sistemas de
refrigeração com condensação a ar) ou água (sistemas de refrigeração com
condensação a água). Em certos casos, o refrigerante líquido é armazenado no
fundo do condensador, o qual passa a funcionar também como receptor, enquanto
que em outros casos existe um tanque em separado para armazenar o refrigerante.
No processo 3-4 é feita a expansão do fluido (processo de diminuição de pressão).
O refrigerante escoa através da linha de líquido, atravessa um filtro e passa pelo
dispositivo de expansão. Estando o refrigerante líquido à montante do dispositivo
(usualmente uma válvula) geralmente na condição de saturação (ou ligeiramente
subresfriado), a perda de pressão causa a evaporação de parte da massa líquida, de
modo a ajustar seu volume específico às novas condições de pressão e
33
temperatura. A evaporação de parte da massa líquida tem como única fonte de
energia para a mudança de fase o calor proveniente do próprio fluxo, havendo então
uma transferência adiabática (e isentálpica) na mistura bifásica (líquido e vapor).
Ao entrar no evaporador (processo 4-1), o fluido refrigerante retira calor do meio
refrigerado e se evapora, podendo estar levemente superaquecido à saída do
equipamento (como segurança, para evitar a entrada de líquido no compressor).
O meio resfriado pode ser ar (caso, por exemplo, de câmaras de refrigeração,
condicionadores de ar domésticos, etc.) ou líquido (no caso de chillers, realiza-se o
resfriamento intermediário do líquido, o qual será utilizado como meio de
resfriamento final).
A sucção do compressor extrai o vapor proveniente do evaporador através da linha
de sucção (geralmente isolada termicamente), completando o ciclo.
5.3.2 Sistema de Absorção
Nos sistemas de refrigeração por absorção, ocorre a transferência de calor da região
de baixa temperatura para a região de alta temperatura através de processos de
absorção e dessorção do fluido refrigerante na fase vapor e de uma solução líquida
(que é normalmente uma mistura binária composta pelo refrigerante, água ou
amônia, e uma outra substância, por exemplo, um sal como o brometo de lítio).
Durante o processo de absorção há transferência de calor para o meio ambiente e
durante o processo de dessorção há fornecimento de calor para o ciclo (no gerador)
a partir de uma fonte de calor a alta temperatura, segundo Bryant (2001).
Os processos que compõem um ciclo de absorção estão indicados na Figura 5.5.
34
CONDENSADOR
GERADOR
ÁGUA DE CONDENSAÇÃO
CALOR
ABSORVEDOR
EVAPORADOR
ÁGUA GELADA
BOMBA DE
SOLUÇÃO
Figura 5.5: Princípio geral (sistema de refrigeração por absorção) – Bryant (2001).
Estes processos são caracterizados por trocas de calor (vaporização e
condensação) e por trocas simultâneas de calor e massa (dessorção e absorção).
São eles: vaporização do refrigerante no evaporador; absorção do refrigerante pela
solução no absorvedor; separação (dessorção) do refrigerante no gerador;
condensação do refrigerante no condensador; redução de pressão entre as
pressões do condensador e evaporador; bombeamento da solução entre o
absorvedor e gerador.
Na Figura 5.6, o lado direito representa o ciclo de compressão e o lado esquerdo o
ciclo de absorção, sendo que o evaporador e o condensador são comuns para os
dois ciclos.
Ciclo de Co mpressão
Ciclo de Abso rção
Qge
Gerado r
Co ndensado r
Vál vul a de
Expansão
Abso rvedo r
Wb
Bo mba de
so l ução
Qcd
W
Vál vul a de
Expansão
Co mpresso r
Evaporado r
Qab
Qev
Figura 5.6: Comparação entre os ciclos – Bryant (2001).
35
Entretanto, a função executada pelo compressor no ciclo de compressão, isto é, o
aumento dos níveis de pressão e temperatura do estado de saída do evaporador até
o estado de entrada no condensador, é realizada no ciclo de absorção pelo conjunto
absorvedor-gerador, que
são os equipamentos onde ocorrem os processos de
separação e mistura dos componentes da mistura binária empregada no sistema.
Estes processos são desencadeados pelas transferências de calor existentes no
gerador e absorvedor.
Durante o processo de absorção há transferência de calor para o meio ambiente e
durante o processo de dessorção há fornecimento de calor para o ciclo (no gerador)
a partir de uma fonte de calor a alta temperatura.
O ciclo de absorção é composto pelos processos descritos a seguir, sendo dois
deles caracterizados por trocas de calor (vaporização e condensação) e dois outros
caracterizados por trocas simultâneas de calor e massa (dessorção e absorção).
São eles: vaporização do refrigerante no evaporador; absorção do refrigerante pela
solução no absorvedor; separação (dessorção) do refrigerante no gerador;
condensação do refrigerante no condensador; redução de pressão entre as
pressões do condensador e evaporador; bombeamento da solução entre o
absorvedor e gerador.
5.4 Unidades Condicionadoras de Ar
O condicionador de ar é um aparelho que tem como objetivo tratar do ar de um
ambiente, proporcionando condições de temperatura e umidade ideais para o ser
humano, segundo Alberico (2003).
Projetado para proporcionar conforto térmico a um ambiente fechado e para ser
instalado em janelas, paredes, casas de máquinas, etc., compõe-se de um sistema
de refrigeração e desumidificação com circulação e filtragem do ar, podendo, ainda,
Incluir renovação do ar e aquecimento.
36
Todo ambiente que tem seu ar controlado, com temperaturas de acordo com as
temperaturas de conforto térmico percebidas pelo corpo humano, proporcionando
conforto ao usuário, gerando maior produtividade, saúde e principalmente bem-estar.
As unidades condicionadoras de ar podem ser de expansão direta ou expansão
indireta. Expansão direta é um sistema onde o fluido refrigerante troca calor
diretamente com o ar insuflado no ambiente. Expansão indireta é um sistema onde
um fluido intermediário realiza a troca térmica entre o fluido refrigerante e o ar
tratado.
Como exemplo de condicionadores de ar de expansão direta, pode-se citar os
aparelhos de janela, os splits1, as unidades tipo package e os rooftops. No caso de
expansão indireta, utilizam-se unidades resfriadoras de líquidos e condicionadores
de ar tipo fancoil.
O ar introduzido num espaço condicionado deverá ser distribuído de tal modo que,
dentro da zona ocupada (nível de 1,80 metros acima do assoalho), não haja bruscas
variações de temperatura e que a quantidade de ar seja fornecida às diferentes
seções do ambiente, sem correntezas de ar. Uma correnteza de ar pode-se definir,
como uma corrente de ar sensível, afirma Alberico (2003).
As correntezas de ar são reprováveis, segundo Alberico (2003). Deverá, contudo,
existir uma movimentação de ar pois se não houver, os ocupantes sentir-se-ão
desconfortáveis. O calor e a umidade devem ser retirados do corpo à medida que
são liberados ou então cada ocupante será envolvido por uma camada parada de ar
quente e úmido. O tipo de ocupação, a disposição física da sala, o nível aceitável de
ruído e o grau de atividade dos ocupantes influencia a velocidade permissível do ar
num espaço condicionado. Geralmente uma velocidade de 0,08 a 0,13 m/s a 0,33
m/s constitui uma correnteza de ar para a maioria das pessoas.
Para resfriar um espaço com ar condicionado, o ar insuflado é normalmente
introduzido na sala entre 6 e 17 graus abaixo da temperatura do ar requerida para a
1
Condicionador de Ar, descrito no item 5.5.3.
37
sala e uma velocidade consideravelmente superior a 0,08 m/s. Suponhamos que a
sala é para ser mantida a 26º C e o insuflamento de ar condicionado se processa a
15ºC e 2,5 m/s. Um bom sistema de distribuição de ar para esta deverá fazer o
seguinte:
- Misturar ar da sala com ar frio insuflado de modo a que ao atingir a zona ocupada,
a corrente de ar esteja suficientemente quente para não incomodar.
- Reduzir a velocidade do ar antes de atingir a zona ocupada para evitar correntezas
desagradáveis.
- Produzir uma movimentação de ar uniforme na totalidade da zona ocupada.
- Manter o ruído do ar nas bocas de insuflamento e nas grelhas de retorno abaixo do
nível incômodo.
5.5 Tipos de Condicionadores de Ar
Os tipos de condicionadores de ar podem ser de Expansão Direta ou Indireta, todos
apresentam um sistema de Transmissão de calor em comum, como se verá adiante,
afirma Alberico (2003).
5.5.1 Expansão Direta
Estes apresentam o sistema comum a todos e o processo de Compressão x
Expansão de Gás associados ao fenômeno exotérmico e endotérmico.
A Figura5.7 apresenta o processo de Compressão x Expansão de Gás.
38
(endotérmico) e se
Reservatório
Compressor
Figura 5.7: Processo de Compressão X Expansão de Gás – Alberico (2003).
A transmissão de calor deve-se ao calor do ambiente que foi removido através do
fluido, que ao mudar de estado, expulsa o calor para o exterior.
5.5.2 Individual
O condicionador de ar individual incorpora a unidade evaporadora e a unidade
condensadora em único gabinete. A unidade evaporadora é aquela em há a sucção
do ar quente do ambiente e a devolução do ar refrigerado no caso do modo de
resfriamento.
A unidade condensadora, onde se localiza o compressor, é responsável pela
eliminação do ar quente para fora da residência (para o meio externo), conforme
Figura 5.8.
39
Figura 5.8: Diagrama de aparelho de janela – Bryant (2001).
A versão a frio, é adequada àqueles que vivem em cidades com altas temperaturas
mas com um inverno ameno. Ela permite ventilar ou refrigerar o ambiente. A versão
quente/frio é ideal para pessoas que além de desejar um bom ar refrigerado também
necessitam de aquecimento nos períodos de frio. Esta versão possibilita ventilar,
refrigerar e também aquecer o ambiente, segundo Bryant (2001).
5.5.3 Split
O split é um conceito em equipamento de condicionamento de ar, extremamente
versátil, projetado para condicionar pequenos, médios e grandes ambientes com
grande eficiência e baixo consumo de energia.
A principal característica desse sistema é a instalação das partes ruidosas do
equipamento em áreas externas, deixando apenas a unidade evaporadora no
interior dos ambientes, instalada no forro ou em paredes. Segundo Bryant (2001),
outras vantagens estão na possibilidade de controle individual e nos compressores
de alta eficiência. O condicionador de ar split interliga a unidade evaporadora e a
unidade condensadora através da linha frigorígena (utilização de tubos de cobre). A
unidade evaporadora realiza a sucção do ar quente do ambiente e a devolução do ar
refrigerado – no caso do modo de resfriamento, é a unidade interna, aquela que fica
no interior da sala.
40
A unidade condensadora, aquela instalada fora do seu ambiente interno, succiona o
ar externo e devolve mais quente. A unidade condensadora, por possuir o
compressor em seu interior, ao ser instalado fora, levará o ruído para longe.
Assim, o split é ideal para aqueles que desejam um condicionador de ar silencioso. A
Figura 5.9, mostra o diagrama esquemático de um split.
Figura 5.9: Diagrama esquemático de um split – Bryant (2001).
5.5.4 As vantagens da utilização de Splits em ambientes pequenos
Com capacidades variando entre 9.000 Btu/h a 60.000 Btu/h, os aparelhos split
possuem controle remoto total de funcionamento e temperatura. A instalação é
simples, desde que observadas as exigências técnicas do equipamento, afirma
Bryant
(2001).
Além
disso,
permite
muitas
opções
na
escolha
de
seu
posicionamento, uma vez que suas unidades são independentes. A evaporadora é
instalada no próprio ambiente e a condensadora (unidade mais ruidosa) na parte
externa, possibilitando um funcionamento silencioso dentro do ambiente que está
sendo climatizado.
A unidade externa (condensadora) se interliga à unidade interna (evaporadora),
continua Bryant (2001), através de tubulações de cobre, onde circula um tipo de gás,
41
conhecido como gás refrigerante, o qual promove o ciclo de refrigeração ou
aquecimento. Na função de refrigeração, a evaporadora produz água, sendo
necessária a colocação de ponto de drenagem. Na função de aquecimento, a água é
produzida pela condensadora.
A linha split traz muitas vantagens para os projetos, flexibilizando a escolha da
localização da unidade evaporadora, permitindo um aproveitamento melhor dos
espaços. O ideal é que a opção por utilizar split seja considerada na fase de projeto,
pois pode-se prever soluções mais eficientes para a saída de dreno e tubulação de
gás.
Como exemplo das novas soluções possíveis com o split, podemos citar os projetos
de edifícios residenciais, que, atualmente, têm cômodos com dimensões reduzidas e
com previsão de colocação de aparelhos condicionadores de ar embaixo da
esquadria, o que limita muito a organização do espaço interno. Com a previsão para
split, é possível uma alternativa versátil para a instalação da unidade interna em
outra posição, permanecendo a condensadora no local destinado ao aparelho de
parede, permitindo assim maior liberdade para a decoração e otimização do espaço.
Muitas vezes, a escolha do aparelho terá como um dos fatores determinantes o local
possível para sua instalação. Portanto, uma criteriosa análise inicial do projeto será
fundamental para a correta determinação do local destinado à instalação do
condicionador de ar.
5.5.5 Package
Os condicionadores de ar tipo Package têm como característica básica a operação
de todos os componentes do ciclo de refrigeração dentro de um único gabinete,
segundo Bryant (2001). Como exemplos, tem-se as unidades condicionadoras de ar
tipo Self Contained (ar ou água) e unidades tipo Rooftop. Self Contained são
aqueles condicionadores de ar compactos ou divididos que encerram em seus
gabinetes todos os componentes necessários para efetuar o tratamento do ar, tais
42
como:
filtragem,
refrigeração,
umidificação,
aquecimento,
desumidificação,
movimentação do ar.
Possuem ainda sistemas de comando, controles e segurança. Praticamente são
condicionadores que para operar necessitam somente esperas de força (energia
elétrica) e de drenagem. Suas potências normalmente situam-se na faixa de 3TR a
30TR, podendo tanto ser instalados com insuflamento com ‘Plenum’ ou como
condicionadores Centrais, geralmente distribuindo o ar tratado através de redes de
dutos. Os Rooftops são também enquadrados nesta categoria, continua Bryant
(2001), a grande maioria das unidades Self Contained são construídos com sistemas
de refrigeração por compressão e expansão de fluido refrigerante, conforme figura
5.10, e consomem grandes quantidades de energia elétrica. Existem, porém,
unidades de médio e grande porte cujo método de captação de calor é a absorção ,
com brometo de lítio , que consomem gás natural, e a parcela de energia elétrica é
ínfima.
Figura 5.10: Sistema de Expansão Direta - tipo Self Contained – Alberico (2003).
43
As unidades tipo Package são de expansão direta e são usualmente encontradas
em instalações de médio porte. O ponto em comum com os sistemas de expansão
direta que é a central de produção de frio. Estas unidades tem larga aplicação onde
o horário de ponta é definido com longa duração durante o dia (na Califórnia , onde
há aplicação de Rooftops em Shopping Centers, são 8 horas por dia. Aqui no Brasil
são de 3 horas).
5.5.6 Expansão Indireta - (Água Gelada)
Nos sistemas de expansão indireta faz-se necessária a instalação de uma Central de
água Gelada, afirma Alberico (2003), conforme mostra a Figura 5.11, com
resfriadores de líquidos que são responsáveis pelo fornecimento de água gelada
para as unidade condicionadoras de ar tipo fancoil presentes em cada ambiente a
ser condicionado. Cada ambiente condicionado possuirá, de acordo com sua área,
um ou mais sensores de temperatura que transmitem um sinal elétrico para o
atuador da válvula instalada na tubulação de retorno da unidade condicionadora de
ar.
Figura 5.11: Central de Água Gelada – Alberico (2003).
44
Os sistemas de expansão indireta são geralmente encontrados em instalações de
grande porte, tais como shoppings, prédios comerciais e residenciais. Este sistema
geralmente é o mais energicamente eficiente. Sua produção de frio é separada da
distribuição de frio, interligada por linha de Água Gelada. São caracterizados pelo
uso de FANCOILS (pequeno porte, no Brasil diz-se Fancoletes) ou AIR HANDLING
UNITS (grande porte).
O Fancoil, é o componente do sistema provido de serpentina e ventilador, continua
Alberico (2003), o ventilador força o ar a passar através da serpentina, momento em
que acontece o processo de refrigeração do ar. Da serpentina, o ar é encaminhado
aos ambientes através das redes de dutos, sendo difundido através de difusores e
grelhas.
5.5.7 Termoacumulação
É um sub-sistemas que pode ser agregado à Central de Produção de Frio
objetivando benefícios nos gastos operacionais. Pode ser a “Água” ou a “Gelo”
constituídos por grandes tanques de armazenamento de gelo ou água que
funcionam como garrafa térmica. No Brasil temos a seguinte política tarifária, para
consumidores “não-residenciais”, relata Alberico (2003):
- Energia Elétrica: Horário de Ponta – 17:30 as 20:30 tarifas de demanda e
consumo mais caras.
- Água: Tarifa de valor constante ao longo do dia é cobrado valor de “água” e de
“esgoto”.
- Funcionamento da Termoacumulação:
A Figura 5.12, demonstra como a termoacumulação funciona.
45
Figura 5.12: Termoacumulação – Alberico (2003).
A finalidade do sistema de acúmulo de frio é permitir o desligamento do maior
número de consumidores elétricos no horário mais caro, sem que o benefício seja
interrompido. Segundo Alberico (2003), isto é possível e esta demonstrado na
Tabela 5.1 tomando como exemplo um shopping cujo funcionamento vai das 10:00
as 24:00 horas.
Tabela 5.1: Possibilidades de aplicação dos diversos compressores.
24:00 – 10:00 h
10:00 – 17:30 h
17:30 – 20:30 h
20:30 – 24:00 h
Torre
Operando
Operando
Parada
Operando
Bomba de
Operando
Operando
Parada
Operando
Operando
Operando Sol.
produzindo gelo
Normal (B)
Bomba primária
Operando
Operando
Operando
Operando
Válvula X
Port. 1 fechado 2 e 3
Modulando (C)
Port. 1 fechado 2 e
Modulando (C)
condensação
Resfriador
abertos
Válvula Y
Parado (D)
Operando Sol.
Normal (B)
3 abertos
Port. 3 fechado 1 e 2
1 e 3 abertos 2
2 fechada 1 e 3
1 e 3 abertas e 2
abertos
fechada
aberta
fechadas
Tanque de gelo
Carregando
Descarregando
Descarregando
Descarregando
Trocador de calor
Sem carga
Com carga
Com carga
Com carga
Bomba secundária
Parada
Operando
Operando
Operando
Fan Coil
Parada
Operando
Operando
Operando
(A) Tem um duplo Set Point e quando produz gelo descarrega solução de etileno glicol a 5ºC
(B) Set Point para +5ºC
(C) Acionada por sensor de Temp. na linha de água gelada
(D) Permite fluxo de solução
Fonte: Alberico, 2003.
46
5.5.8 Sistemas de Grande Porte
Os resfriadores de líquido são habitualmente utilizados em instalações de grande
capacidade, segundo Bryant (2001), onde diversas vantagens podem ser obtidas,
tais como a redução de custos e facilidade de operação, o custo operacional KW /
TR (KW / TR é a relação consumo de energia e produção de frio) mais baixo, baixo
espectro e emissão sonora, controle eletrônico, compressores múltiplos (boa
eficiência energética em carga parcial).
Uma central de água gelada com resfriadores de líquidos é responsável pelo
fornecimento de água gelada para as unidades condicionadoras de ar tipo fancoil
presentes em cada ambiente a ser condicionado. Cada ambiente condicionado
possuirá, de acordo com sua área, um ou mais sensores de temperatura que
transmitem um sinal elétrico para o atuador da válvula de duas vias (anel hidráulico
primário e secundário) ou válvulas de três vias (anel hidráulico primário), que é
instalada na tubulação de retorno da unidade condicionadora de ar.
De acordo com a carga térmica requerida em um determinado horário, a unidade
condicionadora de ar precisará de quantidade variável de água gelada para
“combater” a carga térmica, continua Bryant (2001), necessitando assim da válvula
para controlar o fluxo de água gelada que circula pela serpentina e conseqüente
modulação da carga térmica.
Com todos os “fancoils” operando desta forma, concluí-se que a vazão de água
gelada será proporcional a intensidade de carga térmica. Contudo, sabe-se também
que os resfriadores de líquidos necessitam de vazão constante no evaporador, para
que tenham um funcionamento perfeito.
Sendo assim, os sistemas podem operar com um (circuito primário) ou dois circuitos
hidráulicos (circuito primário e secundário) no sistema de água gelada, o circuito
primário de água gelada geralmente encontra-se nos limites de central de água
gelada, tendo como característica uma vazão constante de para cada unidade
47
resfriadora de líquido e a presença de uma bomba de água gelada denominada
primária, intertravada eletricamente com cada unidade, assegurando assim não
somente a vazão constante requerida, mas também a operacionalidade do sistema,
uma vez que a quantidade de unidades em funcionamento varia de acordo com a
carga térmica existente no horário em estudo. Este sistema é em geral utilizado em
instalações de pequeno porte.
Para cálculo da vazão máxima do circuito secundário é considerada a carga térmica
máxima. O circuito possuirá uma bomba de água gelada denominada secundária,
capaz de atender a essas condições, operando com um variador de freqüência,
responsável pelo controle de vazão da mesma.
Na medida em que a carga térmica requerida pelo ambiente varia, ocorre, por parte
da válvula de duas vias, a regulagem da vazão de água gelada na unidade
condicionadora de ar (o atuador envia sinal para que a válvula que abre ou feche),
fazendo com que a pressão na tubulação do sistema aumente ou diminua. Um
sensor de pressão localizado na descarga da bomba de água gelada secundária
verifica a pressão no sistema, fazendo com que o variador de freqüência altere a
rotação da bomba, regulando a vazão no circuito secundário de água gelada.
Para questões de segurança e manutenção, relata Bryant (2001), cada circuito
(primário e secundário) usualmente terá uma bomba reserva com as mesmas
características das demais. Um fato a ser ressaltado é o funcionamento em conjunto
desses dois circuitos, que possuirá uma tubulação de “by-pass” interligando a
sucção das bombas primárias à sucção das bombas secundárias.
Como o circuito de água gelada primário exige vazão constante e o circuito
secundário varia sua vazão, esta tubulação de “by-pass” funcionará como meio de
equilíbrio no sistema. A Figura 5.13 ilustra o processo.
48
Bombas de Água
Gelada Primária
Unidade Resfriadora
de Líquido
Unidade Resfriadora
de Líquido
Circuito Primário
de Água Gelada
Circuito Primário
de Água Gelada
By-pass
Circuito Secundário
de Água Gelada
Circuito Secundário
de Água Gelada
Bombas de Água
Gelada Secundária
Fancoil
Figura 5.13: Fluxograma de Água Gelada – Bryant (2001).
A implantação do bombeamento em anéis primário e secundário pode beneficiar-se
da redução de vazão de água no anel secundário (que varia de acordo com a carga
térmica), reduzindo, deste modo, o consumo de energia elétrica.
5.6 Calor sensível e calor latente
O calor transferido para ou desde uma substância pode produzir uma mudança na
fase de substância ou uma mudança na temperatura da mesma. O calor absorvido
ou cedido por um material causa ou acompanha uma mudança na temperatura
deste, o calor transmitido é denominado de calor sensível, enquanto que a energia
que causa ou acompanha uma mudança de fase é conhecida como calor latente.
Ao avançarem na escala de temperaturas, muitos materiais sofrerão duas mudanças
no seu estado de agregação. Primeiramente eles passam do estado sólido para o
49
estado líquido, e depois, ao aumentar ainda mais a temperatura do líquido acima de
um ponto a partir do qual não pode existir nesta condição, mudará este para o
estado de vapor. Quando a mudança ocorre entre as fases de sólida e líquido em
qualquer direção, o calor latente que intervém é denominado de calor de fusão.
Quando a mudança ocorre entre as fases de líquido e vapor, qualquer que seja a
direção da mudança, o calor latente envolvido nesta é denominado de calor latente
de vaporização.
Suponhamos que se pretende aquecer água em uma chaleira aberta colocada sobre
uma chama de gás. À medida que se aplica o calor, a temperatura da água sobe.
Um termômetro na água indicará uma elevação regular da temperatura até a água
começar a ferver. Neste ponto a temperatura parará de subir e permanecerá
estacionária enquanto a água estiver fervendo. Levantando a chama não se alterará
a leitura da temperatura; continuará estacionária. A água ferverá mais depressa,
mas não ficará mais quente.
5.7
Fluido refrigerante
Quando o refrigerante circula através do sistema, atua como agente transportador de
energia térmica para um corpo ou substância passando um certo número de
transformações de estado e/ou condição, sendo cada uma delas chamada de
processo. O refrigerante começa em algum estado ou condição inicial, passa por
uma série de processos numa dada seqüência, e volta à condição inicial. Esta série
de processos é chamada de ciclo, relata Bryant (2001).
Existe uma grande diversidade de fluidos de trabalho (refrigerantes) utilizados nos
sistemas frigoríficos baseados na compressão de vapor. A amônia e o dióxido de
enxofre foram importantes no início da implantação das máquinas frigoríficas, mas
essas duas substâncias são tóxicas e, portanto, perigosas. Atualmente, os
refrigerantes mais utilizados são genericamente conhecidos como clorofluorcabonos
ou CFC´s, sendo quimicamente estáveis a temperatura ambiente. Esta estabilidade
50
é necessária para que a substância seja um fluido de trabalho adequado, mas pode
provocar efeitos devastadores no meio ambiente se o gás escapar para a atmosfera.
Ainda segundo Bryant (2001), devido
a estabilidade, o gás gasta muitos anos
difundindo-se na atmosfera até atingir o ponto onde a molécula é dissociada,
liberando o cloro, que por sua vez destrói a camada de ozônio presente na
estratosfera.
Por esse motivo é de importância fundamental que ocorra todo um processo de
transformação na indústria de refrigeração, de modo a eliminar completamente a
utilização dos refrigerantes nocivos ao meio ambiente e implantar um substituto
adequado, conforme estabelecido no Protocolo de Montreal (ver Tabela 5.2).
Tabela 5.2: Determinação do protocolo de Montreal.
Datas estipuladas para eliminação (plase-out) dos CFC´s e HCFC´s
Países Desenvolvidos
Países Subdesenvolvidos
CHC´s
01/01/1996
01/01/2006
HCFC´s
01/01/2020
01/01/2040
Fonte: Bryant, 2001.
O ciclo típico de absorção utiliza a água como refrigerante e brometo de lítio (LiBr)
como absorvente. O uso de água com ponto de fusão de 0ºC, como refrigerante,
limita a temperatura que pode ser transmitida pelo absorvedor em uma temperatura
maior que 0ºC. Quando temperaturas inferiores são requeridas, o mesmo ciclo de
absorção pode ser usado, mas com amônia como refrigerante e água como
absorvente.
5.8 Componentes do Sistema de refrigeração por Compressão à vapor
A seguir, serão apresentados alguns dos principais componentes encontrados em
um sistema de refrigeração à vapor:
- Compressores
- Evaporadores
51
- Condensadores
- Dispositivos de expansão
Estes são os componentes básicos de um ciclo de refrigeração por compressão à
vapor, o mais utilizado hoje em dia, afirma Bryant (2001). Para cada um deles, serão
apresentados os tipos construtivos mais comuns e suas aplicações, bem como
comparações entre estes tipos serão realizadas enfocando aspectos técnicos e
operacionais.
O compressor é o componente mecanicamente mais complexo de um sistema de
refrigeração por compressão a vapor. Ele tem a função de fornecer um diferencial de
pressão, de forma que o fluido refrigerante possa evaporar a uma temperatura
inferior a temperatura de condensação, e assim conseguir o objetivo do ciclo de
refrigeração, que é retirar calor de uma fonte fria e rejeitar este calor para uma fonte
quente. Assim, para se obter este diferencial de pressão é necessário fornecer
trabalho ao compressor, na forma de trabalho de eixo (em compressores abertos) ou
energia elétrica (em compressores herméticos e semi-herméticos).
Os compressores podem ser divididos em quatro categorias principais: alternativo,
parafuso, de palheta e centrifugo. Cada um deles tem características únicas e,
portanto, usos específicos. A seguir, serão apresentadas algumas dessas
características:
-
Compressores alternativos: Este tipo de compressor é o mais comumente
utilizado, segundo Bryant (2001), e esta demonstrado na Figura 5.14.
Basicamente, consiste de um pistão que se desloca em movimento alternativo no
inferior de um cilindro, e neste movimento comprime o fluido refrigerante. Este
tipo pode ser dividido em três categorias: aberto, semi-hermético e hermético.
Para o compressor aberto, temos o eixo de acionamento externo ao compressor.
Já no semi-hermético, a carcaça aloja tanto o compressor como o motor elétrico.
Nesta configuração, é possível realizar o resfriamento do enrolamento do motor e
ainda remover o cabeçote para se ter acesso às válvulas e pistões. Os
compressores herméticos são parecidos com os semi-herméticos porém não
permitem o acesso às válvulas e pistões.
52
Figura 5.14: Compressor Alternativo – Bryant (2001).
-
Compressores parafusos: O refrigerante entra pela parte superior de uma
extremidade do compressor e sai pela parte inferior da outra extremidade, explica
Bryant (2001). A Figura 5.15 mostra um esquema de compressor do tipo
“compressores parafusos”.
Na região de aspiração do compressor produz-se vácuo que induz a entrada do
vapor refrigerante, preenchendo toda a cavidade. À medida que o rotor gira, o
vapor circula pela carcaça encontrando-se com o rotor fêmea que promove a
diminuição da cavidade e comprime o vapor. Quando atinge-se o ponto da
válvula de descarga, o vapor é expelido e o ciclo recomeça.
Figura 5.15: Compressor parafuso – Bryant (2001).
-
Compressor de palhetas: O compressor de palhetas pode ser subdividido em
duas categorias: palhetas simples e de palhetas múltiplas. A Figura 5.16,
demonstra um compressor palheta de duas palhetas. No compressor de palheta
simples a linha de centro do eixo do acionamento coincide com o do cilindro e
também a compressão do vapor refrigerante.
53
À medida que o eixo gira, o volume ocupado pelo refrigerante vai sendo reduzido,
comprimindo assim o fluido.
Figura 5.16: Compressor de palheta de duas palhetas – Bryant (2001).
-
Compressor Scroll: Ainda segundo Bryant (2001), o mesmo princípio dos
compressores de palhetas se aplica aos compressores scroll, demonstrado na
Figura 5.17, que no entanto, possuem dois espirais em rotação, fazendo com que
o fluido refrigerante seja comprimido tanto radialmente como axialmente.
Figura 5.17: Compressor scroll – Bryant (2001).
-
Compressores centrífugos: Bryant (2001), relata que o funcionamento deste
compressor é semelhante ao de uma bomba centrífuga. A Figura 5.18 demonstra
um resfriador de líquidos com uso de um compressor centífugo. O vapor entra
pela abertura central do rotor e, por ação de forças centrífugas, desloca-se para a
periferia. Isto imprime uma alta velocidade ao vapor que quando dirige-se do
54
rotor para as pás do difusor, transforma parte de sua energia cinética em
pressão.
Figura 5.18: Resfriador de líquido com compressor centrífugo – Bryant (2001).
Como cada compressor tem características diferentes, a sua aplicação também é
diferenciada.
A
Tabela
5.3,
apresenta
uma
comparação
entre
diversos
compressores, suas aplicações e faixas de potência mais comuns. Cabe ressaltar
que os atuais avanços no setor de compressores, as faixas e aplicações podem
variar bastante.
Tabela 5.3: Comparativo de aplicação dos diversos compressores.
Tipo de compressor Faixa de potência
Alternativos
Até 300 KW
Aplicações mais comuns
Circuitos
com
refrigeração
e
pequena
capacidade,
condicionamento
de
ar
de
ar
doméstico
Parafusos
300 a 500 KW
Sistemas frigoríficos
Palhetas
Até 300 KW
Refrigeração
e
condicionamento
doméstico
Centrífugo
500 KW
Grandes instalações de condicionamento de
ar
Fonte: Bryant, 2001.
- Condensadores e Evaporadores: Estes dois equipamentos podem ser
reagrupados em únicas categoria que seria a de trocadores de calor. Nestes
trocadores ocorrem as trocas de calor entre o fluido refrigerante e as fontes
quente (condensador) e fria (evaporador). Segundo Bryant (2001), os nomes
condensador e evaporador vêm dos processos de mudança de fase, pelos quais
o fluido refrigerante passa (condensação e evaporação).
55
-
Condensadores: Os condensadores são trocadores de calor que têm como
finalidade liqüefazer o gás proveniente do compressor. Bryant afirma que podem
ser resfriados a ar (convecção natural ou forçada), a água ou evaporativos. Os
condensadores a ar possuem menor eficiência, quando comparados com os
condensadores a água e os evaporativos (mais eficientes). A Figura 5.19 mostra
o esquema de condensadores; (A) resfriados a ar com convecção forçada e (B)
resfriado a água.
A
B
Figura 5.19: Esquema de condensadores – Bryant (2001).
-
Evaporadores: O evaporador é o componente do sistema de refrigeração onde
o refrigerante é convertido de líquido para vapor pelo processo de evaporação,
afirma Bryant (2001). Podem ser de tubo liso, de superfície de placa ou de tubos
aletados. Os tipos de evaporadores mostrados na Figura 5.20, são (A)
evaporador de superfície de placas, (B) evaporador de tubo liso e (C) evaporador
de tubos aletados.
A
B
C
Figura 5.20: Tipos de evaporadores – Bryant (2001).
-
Dispositivos de expansão: Estes equipamentos tem por função promover a
redução da pressão do fluido refrigerante, usualmente, no estado líquido. Dessa
56
forma, ele age no sentido contrário ao do compressor e o ponto de equilíbrio
entre ambos determina a vazão que atravessa o ciclo de refrigeração. Estes
dispositivos podem ser subdivididos nas seguintes categorias: tubos capilares
(A), válvulas de expansão termóstatica (B), válvulas de expansão de pressão
constante, válvulas de bóia e tubos de orifício. Cada um desses tem
propriedades e funcionamento bem específicos. Os dispositivos mais usados,
relata Bryant (2001), esta demonstrado na forma de desenho na Figura 5.21.
A
B
Figura 5.21: Dispositivos de expansão – Bryant (2001).
A escolha do dispositivo de expansão com capacidade maior ou menor que o do
sistema prejudicará a operação do mesmo. Entre esses problemas, prejudicando a
sua operação. Por outro lado, pode-se ter uma deficiência na alimentação do
evaporador, resultando em uma diminuição da capacidade do sistema. Na Tabela
5.4 são apresentados os diversos tipos de dispositivos de expansão e alguns
exemplos de suas aplicações.
Tabela 5.4: Possibilidades de aplicação dos diversos compressores.
Tipos de Dispositivos
Tubos capilares
Aplicação
Geladeiras, freezers e condicionadores de ar
domésticos
Válvulas de pressão constante
Instalações com capacidade não maiores que 300
KW
Válvulas de expansão termostáticas
Sistemas de refrigeração de grande porte e de
condicionamento de ar automotivo
Tubos de orifício
Sistemas de condicionamneto de ar e bombas de
calor
Fonte: Bryant, 2001.
57
5.9 Carga Térmica
O cálculo de carga térmica dos ambientes a serem condicionados é a primeira etapa
no dimensionamento de um sistema de ar condicionado, afirma Bryant (2001) e
podemos conceituar carga térmica como sendo “O fluxo de calor que deve ser
continuamente transferido de/ou para um ambiente, por um equipamento, de modo a
atender as condições de conforto ou de processo.”
Para que este fluxo de calor seja transferido, é necessário que haja um meio de
transferência deste calor por um processo físico (condução, convecção ou radiação),
devendo existir, portanto, um gradiente de temperatura.
Análise de uma carga de ar condicionado fica simplificada se for dividida de acordo
com os grupos das fontes de calor envolvidas na mesma. Portanto, tem-se os
seguintes grupos:
-
Ganhos Externos: tetos, paredes, vidros e pisos.
-
Ganhos Internos: pessoas, luzes, equipamentos.
É de fundamental importância para o cálculo de carga térmica, relata Bryant (2001)
o conhecimento das condições externas (latitude, orientação em relação a linha
norte-sul, influência de outras construções, etc.), condições internas (condicionamento de ar para conforto ou processo, natureza construtiva dos ambientes, etc.)
bem como a operação da instalação (pessoas, iluminação, equipamentos).
De modo a definir-se o comportamento da carga térmica requerida pelos ambientes
a serem condicionados ao longo de todo um ano devem ser utilizados dados
relativos aos diferentes meses do ano, afirma Bryant (2001), para as condições de
projeto normalmente especificadas no cálculo das cargas térmicas de resfriamento.
Outro fator importante é o posicionamento das fachadas dos ambientes
condicionados em relação a linha norte–sul.
58
As temperaturas internas de conforto devem ser utilizadas de acordo com o
estabelecido na NB – 10 - Instalações Centrais de Ar Condicionado para Conforto
ABNT, (1978), conforme apresentado na Tabela 5.5 a seguir:
Tabela 5.5: Condições internas de conforto para residências e escritórios.
Temp. de Bulbo Seco (º C)
Umidade Relativa (%)
Verão
23 a 25
40 a 60
Inverno
20 a 22
35 a 65
Fonte: Bryant, 2001.
5.10 Ganhos de calor através do “Envelope”
O ganho de calor é transmitido através dos efeitos de condução, convecção e
radiação, relata Bryant (2001). E são transmitidos ao ambiente através do
“envelope”, e esse fenômeno são devidos aos efeitos de condução, convecção e
radiação, sendo basicamente conhecidos pela equação fundamental de transmissão
de calor:
Q= U. A . ∆T
Onde:
Q = quantidade de calor transmitida por hora (btu /h);
U = coeficiente global de transmissão de calor (btu/h ft2 ºF);
A = área da superfície separadora (ft2)
∆T = diferença de temperatura (ºF)
5.10.1 Ganhos por insolação nos vidros
Os ganhos por insolação nos vidros são, na maioria das vezes, os responsáveis pela
maior parcela de carga térmica no ambiente, no caso de termos grandes áreas de
59
vidro. O ganho solar acontece por radiação direta, continua Bryant (2001), quando
os raios solares incidem diretamente sob o vidro; e por radiação difusa, onde ocorre
a reflexão sobre partículas de poeira, vapor, ozônio, fumaça, etc. (com o vidro em
sobra).
A quantidade de calor devido a radiação solar nos vidros é conhecida pela equação
a seguir:
Q=A.I.f
Onde:
Q = quantidade de calor transmitida por hora (btu /h);
A = área da superfície de vidro (ft2);
I = radiação solar (btu/ h ft2)
f = fator de correção.
5.10.2 Ganhos por transmissão em paredes externas e tetos
Para cálculos dos ganhos por transmissão em paredes externas e tetos, considerase os efeitos da condução, convecção e radiação incidente sobre as superfícies,
como também sua variação devido ao ângulo de incidência, tipo de construção, cor
e acabamento e refletividade. Também foi considerado o fluxo de calor associado a
inércia térmica (atraso de tempo).
Q = U . A . ∆Tequiv
Onde:
∆Tequiv = diferença de temperatura equivalente (ºF).
60
Todas as vezes que as paredes estão situadas de tal modo que recebem uma
quantidade excessiva de calor por radiação, ou do sol ou de algum outro corpo
quente, a temperatura da superfície exterior da parede em geral, afirma Bryant
(2001) será consideravelmente maior do que a temperatura do ar ambiente. Um
exemplo familiar deste fenômeno é a excessiva temperatura da superfície de um
automóvel estacionado ao sol.
Uma vez que qualquer aumento na superfície externa poderá aumentar o diferencial
através da parede, o diferencial de temperatura através de paredes ensolaradas
deve ser corrigido para compensar o efeito do sol.
5.10.3 Ganhos diversos por transmissão de calor
Para cálculos dos ganhos por transmissão de calor foi considerada a equação
abaixo:
Q = U . A . ∆Tproj
Onde:
∆Tproj = temperatura externa – temperatura interna (ºF)
- Vidros:
-
Externos – ∆Tproj
-
Internos – ∆T proj
- Paredes internas ou divisórias adjacentes:
-
Ambientes não condicionados – ∆Tproj – 5ºF
-
Ambientes condicionados – ∆Tproj - zero
-
Cozinhas ou salas de caldeiras – ∆Tproj - + 15 a 25ºF
61
- Pisos adjacentes a:
-
Sobre solo – ∆Tproj – zero
-
Ambientes não condicionados - ∆Tproj – zero
-
Ambientes condicionados – ∆Tproj - 5ºF
-
Cozinhas ou salas de caldeiras – ∆Tproj - + 15 a 25ºF
-
Ambientes externos (pilotis, subsolos, et) - ∆Tproj
- Tetos internos (forros) adjacentes a:
-
Ambientes não condicionados – ∆Tproj – 5ºF
-
Ambientes condicionados – ∆Tproj - zero
-
Cozinhas ou salas de caldeiras – ∆Tproj - + 15 a 25ºF
- Ganhos de calor diversos: Para estimativa dos ganhos de calor através dos
vazamentos nos dutos de insuflamento (calor sensível e latente) e dos ganhos de
calor pelos motores de ventiladores, podem ser considerados respectivamente 10%
a 5 % do calor da sala, segundo Bryant (2001).
5.10.4 Fator de diversificação
O fator de diversificação leva em consideração as lâmpadas previstas desligadas ou
queimadas, os equipamentos desligados e as pessoas não presentes no global do
supermercado durante o horário de operação.
O valor de diversificação será aplicado somente na central geradora de frio, não
sendo aplicado nas cargas térmicas de cada ambiente, continua Bryant (2001). E a
capacidade térmica de uma máquina de refrigeração é definida como sendo o fluxo
de calor que ela é capaz de remover de um fluido (seja este ar, água ou outro
refrigerante).
62
5.11 Eficiência Energética
Qualquer atividade em uma sociedade moderna só é possível com o uso intensivo
de uma ou mais formas de energia. Dentre as diversas formas de energia, as que
interessam são eletricidade: a elétrica, a gasolina, o álcool, óleo diesel, gás natural,
etc.
5.11.1 A energia no país
Há mais de duas décadas, quando ocorreu a primeira “crise” mundial do petróleo,
várias nações se mobilizaram no objeto de combater o desperdício de energia
elétrica. Desde então o Brasil praticamente dobrou sua população e muito pouco foi
efetivamente realizado, afirma Bryant (2001), visto que não foi consolidada uma
nova política energética com bases duradouras, seja no aspecto dos insumos
energéticos, seja no aspecto da conservação destes insumos.
Entretanto, já existem algumas modificações em alguns aspectos da organização
nacional que envolve os insumos energéticos mais importantes, porém ainda
distante da realização de políticas efetivas e duradouras para garantir o equilíbrio de
oferta e demanda.
5.11.2 Impactos da Energia sobre o meio ambiente
A energia está na origem de uma parte importante dos impactos das atividades
humanas sobre o meio ambiente. As relações entre energia e meio ambiente se
constituem, certamente, em um fator de preocupação maior, relata Bryant (2001). A
problemática energia-clima não se acomoda às fronteiras políticas. Os riscos
ecológicos obrigam os governos a traçarem soluções conjuntas, visto que as causas
são de âmbito planetário.
63
5.11.3 Eficiência Energética e Progresso Técnico
O aumento da eficiência energética e a conseqüente redução do ritmo de
crescimento do consumo de energia permitem à humanidade ganhar tempo
podendo decidir amanhã perante uma gama mais ampla de tecnologias
(desenvolvimento de energias novas e renováveis, de um programa nuclear mais
seguro, de tecnologias de redução das emissões de CO2, etc.) em presença de uma
melhor informação sobre os riscos climáticos reais. Além disso, muito provavelmente
a redução da intensidade energética da economia é hoje a maneira mais eficaz de
lutar contra a poluição, de preservar o meio ambiente terrestre e de evitar a
destruição do patrimônio natural.
Verificam-se hoje em todo o mundo um grande interesse e expressivos incentivos a
projetos de eficientização energética, devido ao elevado potencial de redução no
consumo de energia elétrica possível de ser obtido com o combate ao desperdício
de energia associado à sua má utilização.
5.11.4 Principais Consumidores de energia
Pode-se dizer que a energia é um bem essencial e é utilizado em todos os setores
ou áreas da sociedade, segundo Bryant (2001). Em certos setores produtivos, a
energia representa não somente um insumo essencial, mas também constitui-se
como um dos elementos de maior peso na estrutura de custos. As indústrias
siderúrgicas de alumínio e ferro ligas, chamadas energo-intensivas, enquadram-se
nessa
situação.
Nos
demais
setores
industriais
a
energia
elétrica
é
predominantemente consumida nos motores, utilizados para a movimentação
mecânica de diversos tipos.
No setor de comércio e serviços, a energia é utilizada principalmente para a
iluminação e condicionamento de ar, e em menor escala, para o transporte vertical
nos elevadores e par ao funcionamento dos equipamentos elétricos em geral, com o
64
computador ocupando crescentemente esse segmento. Na Figura 5.22, é
apresentado graficamente os dados do consumo de energia elétrica no Brasil, com a
participação de cada setor no consumo global, onde percebe-se claramente o papel
dos setores industrial, residencial e comercial, com cerca de 85% do total.
22% Residencial
11% Comercial
51% Industrial
9% Pública
3% Agropec.
3% Energ.
1% Transporte
Figura 5.22: Consumo final de energia elétrica por setor – Bryant (2001).
No segmento comercial, os sistemas de iluminação e de condicionamento de ar são
os principais sistemas consumidores de energia, representando cerca de 80% do
consumo total desse segmentos das edificações.
Conforme apontado no cálculo de carga térmica, as características funcionais,
operacionais, arquitetônicas, do clima local, de tempo de uso e de equipamentos
instalados, geram diferenças significativas no montante e no modo comum a energia
elétrica é consumida. Podemos observar uma grande variação na intensidade e
eficiência energética dos edifícios, em decorrência das diferenças nas variáveis
citadas acima. Como medida dessa relação à determinada área. De forma geral,
podemos afirmar que os edifícios eficientes apresentam esse índice na faixa de 10 à
20 W/m2 e os menos eficientes com índice acima de 50 W/m2.
65
5.11.5 O consumo de energia nos sistemas de ar condicionado
Os sistemas de condicionamento de ar são responsáveis por cerca de 15% do
consumo global de energia, sendo que no setor comercial/serviços essa participação
chega a 35%. Em regiões de elevada temperatura, associado a edificações com
grandes fachadas envidraçadas e alta carga térmica, o ar condicionado pode
representar valores superiores a 50% do consumo total do edifício.
Conforme apontado no gráfico da Figura 5.23, por Bryant (2001), para o ano de
1998, existe uma grande diversidade de tecnologias para condicionamento de ar,
com diferentes graus de eficiência energética/térmica, diferentes patamares de
investimento inicial e possibilidades de integração a sistemas de controle e
gerenciamento inteligente da edificação.
Mostrando assim as taxas de consumo elétrico para diferentes sistemas de ar
kW/TR
condicionado.
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
Self à Ar
Split System
Aparelho de
Janela
Self à Água
Chiller +
Chiller +
Centrífuga +
Fancoil Central Fancoil Baby Fancoil Central
Figura 5.23: Taxas de consumo elétrico no ano de 1988 – Bryant (2001).
O gráfico aponta, que os sistema que utilizam “Água Gelada” apresentam menor
consumo elétrico em relação aos aparelhos de janela, self à ar e splits.
66
5.11.6 O Consumo de Energia nos Sistemas de Expansão Direta
Os equipamentos de expansão direta têm obtido um grande desenvolvimento nos
últimos anos devidos, principalmente com a utilização de compressores rotativos e
scroll, que apresentam maior eficiência energética.
O gráfico da Figura 5.24, apresenta a relação consumo de energia e produção de
frio “KW/TR”, para os diversos equipamentos de expansão direta, medidos no
sistemas utilizados por Bryant (2001). Pode-se observar a grande diferença de
consumo elétrico, quando os valores são comparados com os apresentados no
gráfico anterior.
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
Rac
Hi-wall
Under Ceiling
Ro o fto p
M aster Split
Figura 5.24: Taxas de consumo elétrico (expansão direta) – Bryant (2001).
5.11.7 O Consumo de energia nos Sistemas de Expansão Indireta
Uma maior preocupação com o desempenho energético dos sistemas de ar
condicionado ocorre em instalações de médio e grande porte, onde geralmente são
utilizados sistemas de expansão indireta (unidades resfriadoras de líquido).
Desta forma, alguns inerentes ao tipo de compressores a serem utilizados ou a
alternativas de uso racional da energia elétrica e térmica devem ser considerados.
67
Para o sistema de ar condicionado com resfriador de líquido a taxa de consumo
elétrico global varia de acordo com a utilização de diferentes compressores.
Contudo, isto não implica que o valor de carga elétrica seja obtida pela multiplicação
da taxa de consumo elétrico pela carga térmica requerida no horário, uma vez que,
pelo próprio sistema de modulação de carga dos resfriador de líquido, fica claro que
ocorrerá uma mudança na taxa de consumo quando o resfriador de líquido operar
em carga parcial.
O gráfico da Figura 5.25, Bryant (2001), mostra a diferença de diversos tipos de
kWe/TR
compressores quando operando em carga parcial.
1,8
1,5
1,2
0,9
0,6
0,3
0
0
10
20
30
40
RECÍPROCO
50
PARAFUSO
60
70
80
90
PERCENTUAL DE CARGA
100
CENTRÍFUGO
Figura 5.25: Desempenho de diversos compressores – Bryant (2001).
Conforme apontado no gráfico, quando utilizado maior percentual de carga o
compressor recíproco é mais eficiente do que os demais, ao contrário do compressor
centrífugo que sua maior eficiência se dá no percentual de carga menor,
aumentando seu desempenho conforme aumenta o percentual de carga.
5.12 Alternativas para a Racionalização do Consumo de Energia
É de fundamental importância o estudo de alternativas para o consumo de energia,
68
bem como sua racionalização, o uso de termoacumulação de água gelada e a opção
do sistema de absorção, são algumas alternativas citadas neste estudo.
5.12.1 Termoacumulação de Água Gelada
Normalmente o pico da carga térmica de ar condicionado coincide com o pico de
demanda elétrica das concessionária, quando se inicia o horário de ponta, com
tarifas de demanda e consumo mais caras. È neste período, portanto, que os
equipamentos de maior consumo devem ser desligados, sem, contudo, prejudicar o
conforto térmico.
Para a implantação da alternativa de uso de termoacumulação com tanque de água
gelada, é necessária a utilização de uma área para a locação do tanque de água
gelada. Este tanque armazenará um grande volume de água que será resfriada a
baixa temperatura durante a noite, de forma a armazenar água gelada suficiente
para suprir o sistema de ar condicionado do empreendimento durante o horário de
ponta (com este sistema é favorável adoção da Tarifa Horosazonal Verde, perante o
órgão fornecedor de energia elétrica), no qual a tarifa energética cobrada é muito
maior que a fora da ponta, havendo redução no consumo de energia durante este
período. Afirma Bryant (2001), que a acumulação térmica se água gelada é mais
simples e de menor custo do que a termoacumulação em gelo (por não comprometer
o rendimento das unidades resfriadoras com a fabricação de gelo, e evitar a
adaptação dos resfriadores de líquidos para esta operação).
Este sistema opera carregando, água é circulada entre tanque e os resfriador de
líquidos. No horário de ponta vários equipamentos são desligados e a água passa a
circular entre os condicionadores de ar e o tanque. Desta forma, na medida em que
se promove o desligamento de grandes consumidores de energia (como
compressores, bombas de água gelada primárias e de água de condensação, torres
de resfriamento), no horário de maior tarifa energética, a conta de energia fica
reduzida.
69
Apesar de ser uma opção econômica e estratégica, continua Bryant (2001), a
utilização da termoacumulação não apresenta redução de consumo de energia ou
demanda fora de ponta, de forma que o consumo de energia pode ser maior, mas o
custo energético mensal é menor, uma vez que o consumo energético do resfriador
de líquido foi transferido do horário de ponta (mais caro) para o horário de tarifa mais
baixa.
Para melhor entendimento do comportamento do tanque de água gelada junto ao
funcionamento da central de água gelada, a Figura 5.26 exemplifica o
acompanhamento do perfil térmico hipotético pelas curvas de carga do Tanque de
Termoacumulação e da Central de Água Gelada.
TR
200
175
150
125
100
75
50
25
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Perfil de Carga Térmica
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Hora
Central de Água Gelada
Tanque de Termoacumulação
Figura 5.26: Operação de um Tanque de Termoacumulação – Bryant (2001).
Com o objetivo de reduzir a capacidade térmica instalada em resfriador de líquidos,
pode – se utilizar a termoacumulação por um período maior que o horário de ponta,
com o intuito de também diminuir a demanda elétrica instalada.
O sistema de bombeamento em primário-secundário, funciona de forma análoga a
um sistema em dois anéis hidráulicos, afirma Bryant (2001). O anel primário alimenta
as unidades resfriadoras e o tanque, em loop fechado. As bombas chamadas
secundárias se interligam ao sistema primário, distribuindo vazão de acordo com o
consumo das unidades condicionadoras de ar.
70
5.12.2 Central de Água Gelada com Unidades de Absorção
A utilização das unidades de absorção apresenta uma solução alternativa sob o
ponto de vista de custo energético e operacional. Para sua implantação é necessária
a implementação de algumas alterações no que concerne a filosofia atual do sistema
de geração de água gelada.
Os processos de conversão de energia em um sistema com unidades de absorção
provocam a transferência de calor da região a ser refrigerada para o meio ambiente
às custas da transferência de parte do calor fornecido ao ciclo (no gerador da
unidade de absorção).
O calor de vaporização que foi adicionado ao refrigerante no gerador e o calor
removido na condensação do vapor d’água é rejeitado através de uma torre de
resfriamento. No evaporador o refrigerante a baixa temperatura é pulverizado sobre
o trocador de calor de água gelada. A pressão do refrigerante é mantida baixa (cerca
de 0,01 atm), ocasionado a vaporização do mesmo, tirando o calor requerido para a
vaporização da água gelada a baixa pressão. O absorvedor é usado para manter
uma baixa pressão de vapor e conter o absorvente. Nele o refrigerante é absorvido
pela solução concentrada de absorvente, que tem alta afinidade química com
refrigerante. Há também uma bomba de solução responsável pela transferência da
solução diluída do absorvedor para o gerador, de forma a dar continuidade ao
processo.
As máquinas de absorção podem ser de fogo direto (com gás natural) ou de fogo
indireto, onde são utilizados calor recuperado de outro processo ou máquina de ciclo
térmico para alimentar a mesma.
Os benefícios dos sistemas de absorção têm se mantido constante e são:
- os sistemas de absorção necessitam menos eletricidade do que os sistemas
convencionais de refrigeração por compressão;
- as máquinas de absorção possuem pouquíssimo ruído e são livres de vibração;
71
- as máquinas de absorção não afetam a camada de ozônio e causam menos
impactos do que muitos outros sistemas;
- os sistemas de absorção são economicamente atraentes, pois o combustível custa
menos do que a eletricidade.
Desta forma, o consumo de energia elétrica é reduzido durante todo o dia, e não
apenas no horário de ponta, como no caso da aplicação de termoacumulação. Desta
forma, a implementação da modificação proposta torna-se uma solução interessante
e de bom aspecto estratégico, pois diminui a dependência de fornecimento de
energia elétrica.
O sistema de absorção tem essencialmente como insumo energético o gás natural
utilizado para queima (fonte de calor no gerador) é um insumo energético mais
barato que a eletricidade.
Assim como qualquer outro tipo de equipamento que possui a finalidade de
refrigerar, algumas máquinas de absorção necessitam de alguma forma de rejeição
de calor, afirma Bryant (2001). Normalmente utilizam-se torres de resfriamento.
Como regra geral, as máquinas de absorção rejeitam 1,5 à 2 vezes mais calor do
que o sistema de compressão de vapor. Sendo assim, se uma máquina de absorção
está substituindo um sistema de compressão a vapor existente, a mesma terá
capacidade para rejeitar todo o calor do sistema de absorção. O aumento de
rejeição do calor requerido de uma máquina de absorção também afeta a
quantidade da água de tratamento e das cargas auxiliares (bombas e ventiladores).
5.13 Qualidade do Ar Interior
A poluição do ar em ambientes internos tornou-se um assunto de interesse público
no Brasil. Atualmente existem várias normas de ar condicionado em revisão ou
sendo elaboradas, em vários órgãos ou entidades, com o intuito básico de
readequar os padrões existentes a nova realidade da qualidade do ar de interiores,
72
porém alguns setores da sociedade ainda não despertaram para a sua
responsabilidade perante a sociedade e seu público usuário.
É necessário que tenha-se em mente que um ser humano inala aproximadamente
10.000 litros de ar por dia que e na vida moderna dos grandes centros urbanos o
homem passa próximo de 80% de seu tempo em ambientes condicionados (hotéis,
cinemas, avião, shopping center, escritórios, metrô e etc.), sendo o trato destas
instalações fundamental para garantia da qualidade de vida, como também para
garantir uma maior expectativa de vida, uma vez que os problemas gerados pela
qualidade do ar em ambientes fechados têm efeito acumulativo, segundo Bryant
(2001).
O objetivo do condicionamento do ar é usualmente para provir conforto térmico e
uma boa qualidade do ar para os ocupantes do espaço. Em muitos casos este
objetivo não é alcançado. Reclamações de má qualidade do ar tem sido
documentadas em numerosos estudos.
Os sistemas de ar condicionado, se corretamente projetados, instalados e com
manutenção adequada, não pioram a qualidade do ar interior, continua Bryant
(2001), mas ajudam em muito a melhorá-la, criando temperaturas, umidade e
velocidades de ar de conforto.
Seus sistemas de filtragem, e reposição de ar exterior, eliminam partículas internas
geradas nos próprios ambientes, além das trazidas pelo próprio homem nas roupas,
sapatos, materiais, etc., também diluindo cheiros e odores liberados pelo próprio
homem ou pelos sistemas, máquinas e materiais usados nos escritórios (liberado por
móveis, carpetes, etc.).
Além do conforto e da saúde ocupacional, as distorções de controle das variáveis
básicas trazem o desconforto térmico, causando danos à propriedade (perda de
produtos e equipamentos), comenta Bryant (2001). No contexto do desequilíbrio
ambiental vários quadros clínicos se instalam entre os ocupantes.
73
De forma a estudar as reclamações de ocupantes de determinados edifícios,
constatou-se de que pessoas que freqüentam certos edifícios apresentam os
sintomas apresentados na Tabela 5.6:
Tabela 5.6: Sintomas de ocupantes de “Edifícios Doentes”.
Reclamações
% de Edifícios
Irritação dos Olhos
81
Garganta seca
71
Dores de Cabeça
67
Fadiga
53
Congestão Sinusite
51
Falta de ar
33
Fonte: Bryant, 2001.
Criou-se então a definição de “Síndrome de Edifício Doente”, quando mais de 20%
dos ocupantes apresentam os sintomas acima relacionados, relata Bryant (2001).
Geralmente os sintomas desaparecem
quando evita-se a exposição dos
susceptíveis aos poluentes sem qualquer alteração das demais variáveis causais.
Somente a diluição dos componentes danosos e a eliminação de fontes internas (se
possível) não conseguem resolver todos os problemas relacionados à qualidade do
ar interior. Os fatores que provocam problemas correlacionados a “Síndrome dos
Edifícios Doentes” podem ser agrupados em sete itens, da forma descrita abaixo por
Bryant (2001):
-
Insuficiência de ar exterior: Conforme estabelecido por norma, a taxa de
renovação do ar adequada de ambientes climatizados será, no mínimo, de 27
m3/hora/pessoa, exceto no caso específico de ambientes como lojas, centros
comerciais, bancos e outros, onde a taxa de ocupação de pessoas por m2 é
crítica. Nestes casos a Taxa de Renovação do Ar mínima será de 17
m3/hora/pessoa, não sendo admitido em qualquer situação que os ambientes
possuam uma concentração de CO2.
74
-
Má distribuição de ar: Além de não permitir que a correta taxa de renovação
atinja aos pontos necessários, a má distribuição do ar pode formar bolsões
quentes e frios no meio ambiente. Um caso típico é o curto circuito,
freqüentemente observado entre insuflamento e exaustão. Um outro fator
desencadeador, muito observado nas instalações de escritórios é a prática
comum de se dividir ambientes que foram dimensionadas para ser vão livre,
introduzindo divisórias para formação de pequenas salas, prejudicando a
distribuição do ar, não planejada para este fim.
- Controle deficiente de temperatura: A colocação de termostato de controle em
lugar errado pode ser uma causa de reclamações dos usuários. Um exemplo é a
utilização de termostato no retorno da casa de máquinas e nos ambientes que
possuem grandes diferenças de carga térmica.
-
Projeto inadequado: Ao executar um projeto de ar condicionado o projetista,
muitas vezes se preocupa com as vazões de ar externo, mas não observa de
modo criterioso o local de captação do ar, o que pode estar inserindo uma nova
fonte de poluentes para o sistema. A observação do local de captação de ar é tão
importante quanto a correta determinação da vazão necessária, devendo ser
evitados os pátios de torres de resfriamento, “shafts” de exaustão de sanitários,
estacionamentos e garagens, docas de carga e descarga, “shafts” escuros e
empoeirados, grelhas de piso junto a calçadas e ruas, telhados com acúmulo de
água.
-
Modificações inadequadas após construção: São mais freqüentes do que se
pode imaginar. De novo, a introdução de divisórias em espaços projetados para
serem vãos livres é um caso típico. Como também a mudança das taxas de
ocupação e/ou ainda iluminação sem análise da carga térmica.
-
Falta de manutenção apropriada: Irá permitir o acúmulo de material particulado,
que além de acumular fatores físicos de agressão, tais como fibras e substâncias
protéicas é um substrato para incubação de fungos e bactérias, desbalanceando
as redes de insuflamento, promovendo saturação dos filtros de ar, o surgimento
de biofilme em bandejas e serpentinas, conduzindo, subseqüentemente, a um
75
aumento das fontes poluentes e promovendo a deterioração precoce da
instalação.
-
Falta de compreensão do funcionamento do sistema: A não compreensão de
funcionamento do sistema, dos mecanismos de instalação, manutenção
(perpetuação) e difusão (transmissão) das fontes poluentes, tanto de origem
biológicas, como químicas e físicas, podem induzir o mantenedor à atitudes
desastrosas, colocando em perigo toda sua performance e impacto direto na
qualidade do ar ambiental interior e na população usuária.
-
Procedimentos Básicos para qualidade de Ambientes Interiores: No sentido
de evitar um desequilíbrio no comportamento de qualidade de ambientes
interiores e o conseqüente comprometimento do ar ambiental, vários são os
procedimentos preventivos e corretivos de manutenção que devem ser adotados,
destacando-se entre eles os descritos por Bryant (2001):
-
Correções, adequações e higienizações de filtros. Muitas vezes há a
necessidade premete de utilização de filtros antimicrobianos, com o objetivo de
redução dos níveis de bioaerodispersão.
-
Higienização adequada o sistema de tratabilidade contínua de bandeja de
condensado.
-
Higienização adequada de difusores.
-
Cuidados criteriosos com a manutenção de casa de máquinas, principalmente se
esta estiver funcionando como um caixa de mistura (plenum de mistura). Para
tanto se deve observar características dos forros, pinturas, drenos, esgotos,
escotilhas de retorno do ar além da própria higienização desta.
-
Cuidados criteriosos com a manutenção das condições dos dutos.
-
Cuidados criteriosos com a manutenção das condições do retorno (quer seja
dutado, quer seja plenum).
-
Adequações das questões pós-ocupacionais. Evitando-se instalações de fontes
poluentes com características terciárias.
-
Adequação de equipamentos que possam atuar como fontes poluentes de
origem química, com características terciárias.
-
Adequação dos programas de higienização de superfícies fixa nos ambientes
interiores.
76
A Tabela 5.7 aponta de forma reduzida os fatores que provocam problemas
correlacionados a Síndrome dos Edifícios Doentes.
Tabela 5.7: Problemas correlacionados a Síndrome dos Edifícios Doentes.
Problemas apontados
Insuficiência de ar exterior
Má distribuição de ar
Controle deficiente de temperatura
Projeto inadequado
Modificações inadequadas após construção
Falta de manutenção apropriada
Falta de compressão do funcionamento do sistema
Fonte: Bryant, 2001.
77
6 ESTUDO DE CASO
Mostrando que mesmo adotando soluções alternativas para minimização dos
impactos o sistema de ar convencional necessita de um estudo, com adoção de
novas premissas que influenciam até no sistema construtivo do edifício. O estudo de
caso aborda um sistema Convencional, comparado ao sistema de Forro (teto)
Radiante, e os aspectos positivos e negativos de suas implantações.
Sendo seu objetivo prático, a constatação de procedimentos técnicos bem como a
comparação de dois sistemas de condicionamento de ar, no que se refere a
qualidade, menor impacto causado ao meio ambiente, prazo, benefícios e custos.
6.1 Descrição da obra referente ao Estudo de Caso
Trata-se de um edifício comercial que está sendo construído pela construtora Gafisa
S.A. em conjunto com a São Carlos Empreendimentos e o Banco Modal S.A., a obra
teve início em Novembro de 2004, e hoje está em fase de término das fundações.
O Edifício tem como objetivo ser o mais moderno do Brasil nos próximos anos, bem
como um dos mais altos da cidade de São Paulo, com 160 metros de altura
(praticamente o dobro da altura do Unibanco localizado ao lado), 32 pavimentos tipo
compostos por grandes lajes de aproximadamente 2.100 m2 de lamina cada (1.800
m2 de área útil), cobertura, ático, heliponto, térreo elevado a 4 metros distanciandose do movimento da marginal com ampla esplanada verde, 5 níveis de garagem com
1.800 vagas. Localizado dentro do terreno do Shopping Eldorado, integrado a este
por uma passarela coberta dotada de escada rolante e elevador, podendo o usuário
usufruir todos os serviços disponíveis no mix da lojas do Shopping, proporcionando
economia de tempo e segurança nos deslocamentos para almoço e serviços dos
executivos e funcionários das empresas instaladas na torre cuja população deve ser
de aproximadamente 8 mil pessoas.
78
O Empreendimento conta com uma localização privilegiada em um dos pontos de
maior visualização de São Paulo, estando em uma das áreas mais valorizadas da
cidade com alto fluxo de veículos, mas fora do trecho problemático em relação ao
trânsito da Marginal Pinheiros localizado entre as pontes do Morumbi e Cidade
Jardim.
Fortalecendo a imagem , sua volumetria é constituída de uma torre única de grandes
dimensões, pele de vidro com vidros de alta eficiência de proteção solar, mas
mantendo grande transparência, vidros brancos que aumentam o edifício e
contrastam com o local e a cidade.
Todos os projetistas buscaram os conceitos e tendências mais modernas
propiciando que as características técnicas e especificações irem de encontro com
as expectativas atuais das empresas; concebendo o projeto de forma que ele seja
perfeitamente adaptável a novas tecnologias e as suas evoluções, reservando
shafts, espaço de entre-forro e de entre-piso, tornando-o apto a receber atualizações
constantes.
Como concepção estrutural, foi adotada o uso de lajes maciça protendidas e capitéis
sobre os pilares de modo a possibilitar vários arranjos de distribuição de dutos de ar
condicionado, redes de chuveiros automáticos (sprinklers), e elétrica o que
possibilitará total versatilidade para concepção dos lay-outs internos e futuras
alterações; suportando 500 kgf/m2 de sobrecarga nas lajes.
Em função de sua altura final desde as fundações até o heliponto ser de 160 metros
o edifício foi submetido a ensaios em Túnel de Vento na Universidade Federal do
Rio Grande do Sul, um dos três centros mais avançados e especializados no mundo;
garantido total segurança contra patologias para ventos de até 136 km/h.
O suprimento de energia em media tensão com dois ramais subterrâneos de 34kv;
com carga total instalada de 11.170 Kva e demanda total de 6.350 Kva; com dois
sistemas de alimentação de energia alternativa; o primeiro com capacidade para
toda a demanda da edificação (Central Própria de Energia) com 6.200 Kva e um
segundo para as cargas emergências (Life Safety) com 550 Kva; com duas centrais
79
de transformação e distribuição e 2 linhas verticais de distribuição proporcionaram
uma confiabilidade de 99,999% pára cargas especiais; e com uso dos geradores à
diesel, as empresas terão garantia e qualidade de energia sete dias por semana,
vinte e quatro horas por dia, inclusive para o ar condicionado, propiciando ainda
redução de custo nos horários de ponta.
O sistema hidráulico contará com filtros de alta vazão na entrada e reserva total de
1.000.000 de litros divididos em 2 subsistemas, um por gravidade e outro
pressurizado.
O empreendimento teve em seu desenvolvimento uma grande preocupação com os
recursos naturais e está em sintonia com as preocupações dos Edifícios Verdes
(“Green Building”); destacando-se entre estas o sistema de tratamento de água
servida e do lençol freático para abastecerem as torres de resfriamento das
máquinas de ar condicionado e a irrigação dos jardins; além do uso racionalizado da
energia elétrica e do sistema de ar condicionado.
O sistema de ar condicionado possui uma demanda de 2.800 TR, e é constituído por
equipamentos de água gelada de ultima geração, fancoil´s nos andares, contando
ainda com os loby´s e circulações dos elevadores nas garagens refrigerados.
Concebido para garantir a qualidade interna do ar pela renovação, filtragem,
distribuição e conforto pelo controle interligado a central de automação, monitorando
temperatura, unidade e velocidade do ar através de VAV´s localizadas uma a cada
75 m/2, além da garantia de um ruído interno máximo de 45 db(a).
Aliado a isto, a preocupação com a redução de insumos de funcionamento torna o
mais moderno a ser instalado com sistemas que permitem a adoção de rotações e
vazões variáveis de todos os equipamentos, o uso de recuperação de calor por roda
térmica na cobertura e em junto com a eficiência dos vidro, permite economias de
até 50% em relação aos sistemas tradicionais.
Apesar da altura do edifício e de suas dimensões; foi projetado para ter uma central
única de geração totalmente automatizada, reduzindo os custos de operação.
80
Contando também com espaços disponíveis para locação de equipamentos de
geração individuais, inclusive com instalação de torres de arrefecimento exclusivas.
Obra em estudo: Eldorado Business Tower
Local da obra: Av. Nações Unidas, 8.501 - Pinheiros
Responsável pela Obra e entrevistado: Luis Fernando Ciniello Bueno
Consultoria de Ar Condicionado: Oswaldo Bueno Engenharia e Representações e
Alexandre Alberico Ltda.
Área Construída: 127.000,00 m2
Área Condicionada: 56.600.00 m2
6.2 Sistema de Forro (Teto) Radiante
São placas metálicas, com mantas absorvedoras de som na parte interna,
industrialmente adequadas à retirada de calor do ambiente através da circulação de
água resfriada em tubos de cobre também internos às placas.
Como tem a radiação como principal fenômeno de remoção do calor, o sistema é
mais eficiente do que os sistemas convencionais de Ar Condicionado, que retira o
calor pela convecção. Reflexo direto dessa maior eficiência de troca térmica em
sistemas aplicados em ambientes de escritório, pode-se notar com:
-
Redução, na proporção de 3:1 na vazão de ar insuflado possibilitando dutos mais
baixos no entre-forro. Isto significa uma maior altura livre (pé direito) no salão. Se
considerarmos um ganho de 25cm a cada entre laje, isto significa um pavimento
a cada dez.
-
Redução, na mesma proporção, dos equipamentos de tratamento de ar, na sua
potência Elétrica instalada e consequentemente o menor consumo de energia
elétrica. Tem-se obtido resultados da ordem de 45 a 50% de redução na parte de
distribuição de frio, com relação a sistemas convencionais.
-
A menor vazão de ar com que se trabalha permite : Menor custo para adequação
de sistema eficiente de Filtragem com conseqüente eliminação de transmissão
de moléstias através de vírus e bactérias .Adicionalmente, pode-se projetar
81
instalações com 100% de Ar Novo, filtrado, e se expurgar totalmente o ar “usado”
(quente, úmido e eventualmente contaminado velocidades de ar bem menores
nos dutos eliminando-se ruídos indesejáveis).
-
As placas radiantes absorvem de 60 a 70% do calor sensível (lâmpadas,
equipamentos, presença de sol e parcial das pessoas). Isto significa que o AR
insuflado só tem a função de Higienizar e não de Resfriar. Conseqüência disto é,
a de que não há jatos de ar que em alguns sistemas convencionais são ruidosos
e incômodos.
-
O Plenum formado pelo entre-forro não é utilizado para Retorno de ar (como nos
sistemas convencionais). O Retorno de ar é dutado e , se houver Filtragem de ar
adequada , não há acumulo de poeiras nos dutos.
-
O Sistema Hidráulico é totalmente “selado “, com seu próprio Tanque para
expansão pressurizado (e portanto não depende do Tanque de expansão
aberto), da linha de água gelada da Central de produção de frio (CAG) . Com
isto, a manutenção é praticamente inexistente.
-
Apresenta a mesma flexibilidade de zoneamento interno do que um sistema com
Caixas de Volume Variável: Válvulas automáticas comandadas por sensores de
temperatura ambiente são instaladas no circuito de água do forro, criando assim,
a possibilidade de zonear áreas do salão, que podem ser mantidas à
temperaturas diferentes, a critério de cada usuário.
-
Apresenta, também, segurança total contra o fenômeno da condensação de
umidade nas placas, pois sensores adequadamente instalados, mantém a
temperatura da água sempre acima da temperatura de orvalho do Ambiente.
6.2.1 Diferentes aspectos do Forro (Teto) Radiante
Os forros (Teto) Radiante tem características distintas no que tange à design,
consumo de energia, produtividade e condições de trabalho:
Quanto ao design tem-se que:
-
O sistema de insuflamento de ar condicionado é invisível e integrado ao forro,
são utilizados pequenos difusores integrados ao forro. O ar de retorno é
82
canalizado por dutos, que permitem a limpeza, evitando sujeira no entre forro,
que prejudica a qualidade do ar e consequentemente a saúde.
-
Já em Sistemas Convencionais é comum se ter o retorno de ar pelo plenum do
entre forro. Com o desligamento diário do Sistema, a poeira, composta também
por vírus em suspensão, cai, em processo de decantação, parte no forro, parte
no ambiente. Sabe-se que é extremamente caro limpar a sujeira do entre forro.
-
É possível qualquer dimensão de painel, cor e perfuração.
Quanto ao Consumo de Energia tem-se que:
-
O sistema convencional precisa de 3 a 4 vezes mais vazão de ar que o Sistema
de Forro (Teto) Radiante, implicando em maior número de máquinas.
-
Estudos comprovam que o ser humano percebe 1°C a menos em sistemas por
radiação. Isto faz com que os usuários ajustem os sensores para 25°C, pois a
sensação térmica é igual a 24°C.
-
Maior Temperatura Real => menor consumo de energia.
O gráfico da Figura 6.1, mostra o consumo de energia para diferentes sistema de ar.
Kwh
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
153
47
82
Carga
em KW
Sistemas
de Instalada
Ar Condicionado
Sistema Convencional AHU +VAV
Sistema de insuflamento pelo piso
Sistema de Teto Radiante (Água)
Figura 6.1: Consumo de energia para diferentes sistema de ar - Alberico (2005).
O gráfico aponta que o sistema de Forro (Teto) Radiante usa um menor consumo de
energia em relação aos sistemas de condicionamento convencional e insuflamento
pelo piso.
83
Os sistemas de Forro (Teto) Radiante são mais eficientes, pois a capacidade de
absorção de calor pela água é 4 vezes superior ao do ar:
-
Cp água : 1Kcal / Kg °C
-
Cp ar : 0,24 Kcal / Kg °C
Quanto a Produtividade e Condições de Trabalho:
-
O Projeto Teto Radiante prevê, assim como nas instalações industriais, o
controle da umidade.
-
A maior parte das pessoas atinge a melhor performance da mente na faixa de 23
a 25°C, e 40 a 50% de umidade relativa, isto é facilmente obtido.
-
As pessoas produzem 20% mais em um ambiente à 25°C com 50% de umidade
do que a 29°C com 50% de umidade o com o Teto Radiante.
Dentre as vantagens do sistema Forro (Teto) Radiante, um alto conforto nas áreas
de trabalho soluciona problemas de passagens e interferências no entre forro, o
consumo de energia é reduzido, proporciona maior área útil por edifício. Os
componentes do sistema são: placas metálicas nos padrões de mercado, dimensão
padrão de 1250 x 625 mm ou outras a critério do usuário.
A Figura 6.2, mostra os componentes citados.
Figura 6.2: Componentes do sistema - Alberico (2005).
A instalação é simples, rápida e de fácil adequação dos lay-outs, pois usa-se
mangueiras de engate rápido. Valorizando o ambiente com um forro metálico
84
visualmente limpo, sem necessidade de recortes para a colocação de difusores de
ar.
A Figura 6.3, mostra a instalação do Sistema Forro (Teto) Radiante.
Figura 6.3: Instalação do Sistema Forro (Teto) Radiante - Alberico (2005).
No que tange a flexibilidade com outros sistemas:
-
As soluções para centrais produtoras de frio são as mesmas utilizadas para os
Sistemas Convencionais.
-
O ar pode ser introduzido no ambiente através do piso, das paredes ou do forro.
-
Difusores podem ser instalados com o Teto Radiante, se desejado.
6.2.2 Sistema de Controle
Na Figura 6.4, fica demonstrado dois tipos de estratégias, os controles de
temperatura (Item 1) e condensação (Item 2).
85
Item 1
Item 2
Figura 6.4: Estratégias de controle - Alberico (2005).
Referente ao Item 1, Controle da Vazão de água; as tubulações e válvulas são de
bitolas pequenas (1 a 2”). Isto torna as implementações de novas zonas
extremamente fáceis e baratas, em caso de readequações de lay-outs, ao contrário
de readequações com caixas de volume de ar variável, onde, ao se criar novas
salas, perde-se a caixa VAV instalada.
Referente ao Item 2, Controle da Temperatura da água; quando retira-se de dentro
de uma geladeira uma garrafa de água, onde a temperatura da água está a 5°C, e
coloca-se a mesma sobre uma mesa de escritório, onde a temperatura do ambiente
está a 24°C, certamente a garrafa de água “suará”.
Se, de algum modo, conseguir elevar a temperatura da água para 14° ou 15°C ela,
apesar de estar abaixo da temperatura da sala ( 24°C), não “suará”. Isto é o que a
automação faz, garantindo o controle total sobre o fenômeno da condensação.
Modulação da vazão, temperatura variável e vazão de água no Forro (Teto)
Radiante controlada por válvula (VAV´s), demostrada na Figura 6.5.
86
Figura 6.5: Sistemas de controle - Alberico (2005).
6.3 Descrição dos conceitos utilizados e pontos relevantes entre os
sistemas
Neste item, abordaremos a descrição dos conceitos e os pontos relevantes entre o
sistema Convencional e sistema Forro (Teto) Radiante.
6.3.1 Sistema Convencional
O Sistema Convencional de condicionamento de ar de ambientes é inteiramente
conceituado pelo fenômeno da CONVECÇÃO para transmitir o calor de um local
para outro: o veículo principal (e único) que serve de transporte de calor é o ar.
Desta forma , a vazão de ar a ser insuflada num ambiente é definida a partir das
diversas grandezas das fontes de calor a serem combatidas. Quanto maiores as
fontes de calor , maiores as vazões de ar necessárias.
Consequentemente:
-
Maiores são os dutos que canalizam o ar.
-
Maiores são as áreas ocupadas pelos equipamentos.
87
-
Maiores são os gastos com energia elétrica.
-
Maiores são os custos de manutenção e operação.
-
Maiores são os gastos com sistemas de filtragem especiais, se um requisito de
melhor qualidade de ar ambiental é desejado.
6.3.2 Sistema de Forro (teto) Radiante
Este sistema utiliza duas formas de transmissão de calor para condicionar um
determinado ambiente:
-
RADIAÇÃO como fenômeno predominante, que utiliza água como veículo
transmissor de “frio” para as placas metálicas do Forro. Os corpos quentes das
fontes do ambiente “perdem” calor para as placas frias.
-
CONVECÇÃO como fenômeno secundário, que utiliza uma pequena parcela de
ar tratado como veículo de transporte de calor.
A radiação, responsável pela retirada de 70 a 80% do calor de um ambiente, não
necessita de ar como veículo logo, a vazão de ar necessária neste sistema é menor,
na razão de 1:3, do que um sistema tradicional. A vazão necessária é somente para
ar de higienização e desumidifiação.
Como reflexo disto tem-se:
-
Menores dutos de canalização de ar.
-
Menores áreas ocupadas pelos equipamentos.
-
Menores gastos com energia elétrica, pois a água transporta uma mesma
quantidade de calor, imputando-se menos energia elétrica do que se necessita
para imputar para o ar.
-
Menores gastos com manutenção e limpeza dos componentes.
-
Menores gastos com sistemas de Filtragem Especiais de Ar, caso requerida uma
ótima qualidade de ar ambiental.
88
6.4 Comparativo sistêmico
Nas Figuras 6.6, 6.7 e 6.8, representa-se o comparativo sistêmico entre os sistemas
convencional e Forro (Teto) Radiante.
A CENTRAL PRODUTORA DO FRIO É
A MESMA PARA OS DOIS SISTEMAS
(Convencional e Teto Radiante)
CENTRAL
PRODUTORA
ÁGUA GELADA A 5 OU 6 ºC
Figura 6.6: Central Produtora de Frio - Alberico (2005).
DESTE LADO
DESTE LADO
UMA SALA
MESMA SALA
ATENDIDA PELO
ATENDIDA PELO
SISTEMA
SISTEMA TETO
CONVENCIONAL
RADIANTE
CENTRAL
PRODUTORA
DE FRIO
Figura 6.7: Representação das salas - Alberico (2005).
89
Dutos maiores
Dutos menores
TROCADOR
AR EXTERNO
DE CALOR
DE PLACA
CALOR
BOMBA DE ÁGUA
AR EXTERNO
LATENTE
+
CALOR SENSÍVEL
FANCOIL
A VAZÃO DE AR É CALCULADA PARA
RETIRAR 100% DO CALOR SENSÍVEL
POR CONVECÇÃO
FANCOIL
PLACAS GELADAS TIRAM DE 70% A 80%
DO CALOR SENSÍVEL POR RADIAÇÃO
(ONDAS ELETROMAGNÉTICAS QUE
NÃO OCUPAM VOLUME E NÃO
NECESSITAM DE AR PARA REMOVER
CENTRAL
PRODUTORA
DE FRIO
AR FRIO E AR SECO QUE RETIRA 100% DO
CALOR SENSÍVEL
CALOR
O FAN-COIL ENVIA UMA PEQUENA
PARCELA DE AR FRIO E SECO QUE
HIGIENIZA E TIRA O SALDO DO CALOR
SENSÍVEL COR CONVECÇÃO.
Figura 6.8: Comparativo dos sistemas - Alberico (2005).
6.4.1 Reflexos Práticos
Com a menor vazão de ar necessária na solução de Teto Radiante tem-se :
-
40% a 50% de redução na carga elétrica instalada e menor consumo de energia.
-
Menor quantidade de fancoils: disponibilizam-se áreas de casas de máquinas
para serem transformadas em áreas nobres.
-
Menores dutos de ar utilizando menores espaços do entre forro.
-
Passagem de utilidades (importante em retrofits).
-
Mais pavimentos em um mesmo gabarito em altura.
-
Menor volume de concreto e ferro para a mesma quantidade de pavimentos.
-
Velocidades de ar bem menores, eliminando a possibilidade de ruídos de ar.
-
Não é o ar que resfria e sim as placas, portanto não há necessidades de jatos
de ar gelado.
90
-
O ambiente permanece com a mesma temperatura na sua totalidade, garantindo
um conforto perfeito.
No que tange a qualidade do ar interior, a mesma é obtida com menor custo:
-
De filtragens especiais.
-
Da limpeza dos canais por onde circula o ar, pois no sistema convencional,
limpar o plenum do entre forro é extremamente caro.
-
Menor custo de manutenção pois há menos equipamentos.
-
Boa aplicação em ambientes especiais onde limpeza, ausência de jatos de ar e
silêncio são considerados terapêuticos, por exemplo salas de recuperação
principalmente de queimados.
6.5 Outras soluções por Radiação
Ao contrário do Sistema Convencional, que só conta com o fenômeno de convecção,
o Sistema Forro (Teto) Radiante conta, com radiação e convecção, além desses, o
mercado contribui mais com o leque de tecnologia, com os sistemas de Air Chilled
Ceiling e Vigas Radiantes.
6.5.1 Air Chilled Ceiling
São placas de forro com micro-perfurações para permitir a passagem do ar tratado.
Este ar, distribuído por quase toda a superfície do forro forma um “colchão” que “cai”
no ambiente propiciando um excelente conforto térmico.
Esta solução é adequada para ambientes com grandes concentração de pessoas.
91
6.5.2 Vigas Radiantes
São vigas de metal por onde circula “água gelada” com um potencial de gerar “Frio”
muito maior que as placas do Teto Radiante. Opera com controles e conceitos
idênticos ao Teto Radiante.
Há dois tipos de acabamento:
-
Um mais rústico que pode ficar acima de um forro “vazado” (tipo colmeia).
-
Outro melhor acabado, para compor a superfície de um forro comum.
Para gerar mais frio, podem conjugar uma solução com ar refrigerado. Sãs as vigas
Radiantes Ativas. São aplicados para locais onde haja grande concentração de calor
sensível. Salões ensolarados, estúdios de televisão, de gravação, telemarketing,
salas de computadores etc.
6.6 Vantagens do Sistema Teto (Forro) Radiante na obra estudada
Em relação ao sistema Convencional, o sistema de Teto (Forro) Radiante possui
algumas
vantagens
consideráveis
tanto
tecnicamente,
economicamente
e
ecologicamente, mais adequadas a concepção e conceito que o empreendimento
propõem. Essas vantagens serão descritas ao longo do texto, bem como
comparadas com o sistema convencional, mostrando através de tabelas seus
ganhos.
6.6.1 Aproveitamento da água de desumidificação dos Fancoils.
O sistema propõe o aproveitamento da água de desumidificação, através da
canalização desta água (que é limpa pelo processo natural da condensação) de
92
maneira a alimentar outras fontes consumidoras no edifício, como por exemplo as
Torres de Arrefecimento/Resfriamento do Ar Condicionado, conforme Figura 6.8.
Os quatro condicionadores de alvenaria que tratam a massa de ar exterior,
instalados no prédio, retiram a água a uma taxa de 2,8 m3/h. Drenar esta água para
o esgoto pode significar um desperdício em Reais anual equivalente a R$
116.000,00.
Figura 6.9: Reaproveitamento da água de desumidificação - Alberico (2005).
6.6.2 Elevação do Pé Direito do Edifício.
Devido a não necessidade de “plenuns” (dutos) nos entre-forros, na utilização do
sistema de Teto (Forro) Radiante, o espaço previsto para os mesmos no sistema
convencional não se faz mais necessário.
93
Isto permitirá tornar os ambiente mais altos, pois diminuirá a altura do entre-forro e
aumentará a do pé direito. O pé direito projetado que era de 2,85m passará a ter
3,10m livres nas salas de escritórios, apontados na Figura 6.10.
Figura 6.10: Elevação do pé direito - Alberico (2005).
6.6.3 Redução na Altura Total do Edifício.
Ao se manter o pé direito projetado (2,85 m), o espaço de entre-forro ficará obsoleto,
pois não existe condução de “plenuns” (dutos) no sistema de Teto (Forro) Radiante,
provocando assim, uma redução na altura do prédio, estimada em uma área de
1.840 m2 de área de envelope do prédio, economizando-se em custos de estruturas
94
(forma, armação, concreto), fachadas (vidros e caixilharias) e todos outros ganhos
nos sistemas construtivos que possam ser afetados com essa redução.
6.6.4 Consumo de energia do sistema.
Com o uso do sistema de Teto (Forro) Radiante, neste estudo, a redução de carga
elétrica instalada, comparando-se com o sistema Convencional é de 599 kW.
Convém notar, que além da economia anual a ser desembolsada à concessionária
de energia, várias outras atividades terão seu custo de implantação e operação
reduzidos, tais como: Grupos Geradores, Cabine primária, cablagem utilizada, etc.
6.6.5 Área disponibilizada em área útil.
Na elaboração do projeto, foi reservada uma área de 31,50 m2 por pavimento
dividida em duas salas de 17,75 m2 destinadas à
casa de máquinas de ar
condicionado, conforme mostra a Figura 6.11.
Casas de
máquinas
Área 15,75 m2
Figura 6.11: Áreas destinadas à Casa de Máquinas - Alberico (2005).
95
Com a utilização do sistema Teto (Forro) Radiante, o sistema de radiação faz com
que as dimensões dos fancoil´s sejam reduzidas, permitindo utilizar um aparelho por
conjunto de escritórios e instalá-los sobre o forro rebaixado dos sanitários e das
atuais casas de máquinas projetadas, demonstrada na Figura6.12.
Figura 6.12: Instalação dos fancoil´s sobre forro rebaixado - Alberico (2005).
Desta forma, haverá disponibilização das áreas reservadas à Casa de Máquinas no
total de 1.040 m2, de área que poderá ser locada, portanto torna-se área útil do
prédio.
6.6.6 Redução do número de detectores de fumaça no Edifício.
A redução do número de detectores de fumaça a serem instalados no sistema de
Detecção de Incêndio em função da Norma NBR 9441 - Execução de sistemas de
detecção e alarme de incêndio ABNT (1998), comparando com o sistema de
condicionamento de ar convencional. A utilização de um sistema Convencional, faria
que fosse necessário um investimento adicional em detetores, placas adicionais na
96
central de Incêndio, etc. (materiais e mão de obra), na ordem de 40% do preço total
da instalação de detecção de incêndio.
6.6.7 Apresentação dos benefícios em Reais
A seguir, será apresentado através das Tabelas 6.1 e 6.2, os benefícios Anuais e
Imediatos, na utilização do sistema Teto (Forro) Radiante, na obra estudada.
Tabela 6.1: Benefícios Anuais.
ITEM
Energia Elétrica
Manutenção
SISTEMA
SISTEMA
BENEFÍCIO
CONVENCIONAL
RADIAÇÃO
R$
1.105 Kw
69 Air Handl.Unit
506 Kw
TOTAL ANUAL R$
441 000,00 (1)
134 A.H.U + 130 conj
< 90 000,00>
hidr.(2)
Limpeza Dutos
Aproveitamento
Retorno plenum (3)
0
Retorno por canal (4)
588 925,00
2,8m3/h x 269 dias x 11h x
93,000,00
da Agua
Área utilizada
1.781.725,00
0,8
1.040 m
0
748.800,00
Cs. Máquinas
Pé direito
2,85 metros
3,10 metros
?
(1)
Tarifa Azul , sub grupo A4 Resol. 324 da ANEEL -Dou 4/7/03- Operação das 8:00 as 19:00
(2)
Conj. hidráulico fechado com tanque pressur.- Monitoração da qualidade da água, uma vez por ano
(3)
A poeira acumula no plenum de retorno -Substituição das placas a cada 10 anos
(4)
Limpeza a cada 3 anos nos canais de retorno
Tabela 6.1: Benefícios Anuais.
(5)
Locação da área a R$ 60,00 / m²- Um fancoil por conjunto sobre o forro rebaixado dos sanitários e das Casas de
Máquinas.
Fonte: Alberico, 2005.
Conforme apontado na Tabela 6.1, comparando o sistema Convencional com o
sistema de Teto (Forro) Radiante, o benefício anual que o empreendimento ganhará
será de aproximadamente R$ 1.781.725,00, na utilização do Sistema de Teto (Forro)
Radiante.
97
Tabela 6.2: Benefícios Imediatos.
PROJETO
Grupo Gerador
SISTEMA
SISTEMA
CONVENCIONAL
RADIAÇÃO
1.563 KVA
681 KVA
ECONOMIA
ABATER DOS
NO CUSTO R$ PROJETOS R$
450 000,00 (1)
5 720 000,00
Detec. de
1.085 detetores (2)
630 detetores (2)
270 000,00 (3)
Altura do prédio: de projeto
Reduz altura em 8,25
5 000 000,00(4)
Incêndio
Civil
metros
(1)
Valor correspondente a Grupo Gerador de 900KVA que deixará de ser instalado
(2)
Conforme NBR 9441
(3)
Valor correspondente a Central completa de 455 detetores que deixará de ser instalada.
(4)
Redução em fundações, estruturas, concreto, ferragens, vidros, caixilhos etc.
Fonte: Alberico, 2005.
Com análise realizada sobre os benefícios imediatos, comparando o sistema
Convencional com p sistema de Teto (Forro) Radiante, nota-se que o ganho para o
empreendimento será de aproximadamente R$ 5.7200.000,00, na utilização do
Sistema de Teto (Forro) Radiante.
98
7 CONCLUSÕES
Em vista do que foi descrito, percebe-se que ao implantar um sistema de
condicionamento de ar com a opção de Teto (Forro) Radiante, os benefícios
imediatos e anuais são bem atrativos economicamente, bem como a análise técnica,
e a preocupação com a contribuição ao meio ambiente se faz presente, e é viável no
sentido de reduzir o consumo de energia elétrica e o consumo de água, através da
reutilização da mesma no sistema.
Analisando sob o ponto de vista financeiro, nota-se que ao implantar esse sistema,
há uma redução no custo inicial da obra de quase R$ 6.000.000,00; valor este
significante à qualquer empreendedor, ainda pode ser somado, o valor de R$
1.700,000,00 por ano em economia para o empreendimento já entregue.
A preocupação ambiental, destaca-se na economia do consumo de energia elétrica,
e na reutilização da água para abastecerem as torres de resfriamento do sistema de
condicionamento de ar.
Aliado a isto, o sistema obtém um ótimo desempenho quando interligado a uma
central de automação, onde controla-se a qualidade do ar interna, filtros do sistema,
distribuição de vazão, conforto (temperatura, umidade, velocidade do ar), através de
uma válvula (VAV´s) instalada em pontos pré determinados, para o êxito desse
controle ser obtido com maior eficiência.
Em relação ao sistema convencional, a melhoria no padrão de desempenho, se faz
pela facilidade de seccionar várias áreas para atender simultaneamente vários tipos
de confortos ou exigências diferentes.
A adaptação do sistema de teto (Forro) Radiante em um edifício antigo, concebido
inicialmente com o sistema tradicional, é possível e necessita de algumas
modificações, tais como: retirada dos dutos de encaminhamento de ar e colocação
de forro metálico alimentado a altura livre entre piso e teto, (devido a não
99
necessidade de dutos no sistema), adaptações de instalações hidráulicas para
atender as vazões de água das mangueiras do novo sistema, adaptação do sistema
de automação e controle do edifício. A proposta de uma nova tecnologia no sistema
de condicionamento de ar mostrou que, os conceitos e as tendências mais
modernas estão propiciando as características técnicas, bem como suas
especificações irem de encontro com as expectativas “ambientais” de redução no
consumo de recursos naturais, aliado a isso, a elaboração de um projeto bem
detalhado trás também viabilidade ou retornos financeiros, a curto ou médio prazo.
100
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALBERICO, A; Visão Geral do Condicionamento de Ar – Apostila Ansett
Tecnologia e Engenharia. São Paulo: 2003.
ALBERICO, A; Estudo em Power Point sobre Sistema de Condicionamento de
Ar da Obra Eldorado – Apresentação Ansett Tecnologia e Engenharia. São Paulo:
2005.
BRYANT; O ar condicionado na climatização de ambientes – Apostila Bryant A
United Technologies Company. São Paulo: 2001.
ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. 1978. NB-10:
Instalações Centrais de Ar Condicionado para conforto. Rio de Janeiro.
ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. 1978. NBR-9441:
Execução de sistemas de detecção e alarme de incêndio. Rio de Janeiro.