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Suzana Estrela Silveira
1 SISTEMAS DE AR CONDICIONADO E REFRIGERAÇÃO PROCEL PROGRAMA NACIONAL DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Engº Sérgio Meirelles Pena 1ª Edição - JULHO/2002
2 Índice MÓDULO I - FUNDAMENTOS INTRODUÇÃO Climatização Refrigeração Ventilação Diagnóstico Energético Medidas de Conservação de Energia (MCE S) FUNDAMENTOS UMA VISÃO DE CONJUNTO Uma instalação de pequeno/médio porte Uma instalação de médio/grande porte CONCEITOS BÁSICOS Temperatura Calor Sensível Calor Latente Umidade Relativa do Ar (UR) Temperatura de Bulbo Seco do Ar Temperatura de Bulbo Úmido do Ar Entalpia Carta Psicrométrica Exercícios na Carta Psicrométrica Ciclo Frigorífico por Compressão Coeficiente de Performance EER ENERGY EFFICIENCY RATE (RAZÃO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA) EFICIÊNCIA EM kw/tr TRANSMISSÃO DE CALOR MECANISMOS RADIAÇÃO- CONVECÇÃO CONDUÇÃO...32 ELETROBRÁS/PROCEL 2
3 2.3. CARGAS TÉRMICAS SOBRE UMA EDIFICAÇÃO Fatores que influem sobre as Cargas Externas Radiação Solar através de Janelas Ganhos por Condução através de Paredes Externas e Telhados Ar de Ventilação Infiltração Fatores que influem sobre as Cargas Internas Ganhos por Condução através de Vidros - Paredes Internas- Forros - Pisos Pessoas Potência dissipada por Equipamentos Potência dissipada por Iluminação Perdas em Dutos PLANILHA DE CARGA TÉRMICA CLASSIFICAÇÕES DE SISTEMAS DE AR CONDICIONADO EQUIPAMENTOS - ARRANJOS - DISTRIBUIÇÃO DE AR Sistema de Expansão Direta Sistema de Expansão Indireta Tudo Água Sistemas Ar Água Sistemas Tudo Ar Sistemas Multizona Sistemas VAV EQUIPAMENTOS DE AR CONDICIONADO E SEUS RENDIMENTOS TÍPICOS BIBLIOGRAFIA: MÓDULO II - GERENCIAMENTO DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA - MEDIDAS DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA (MCE S) - DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO ELETROBRÁS/PROCEL 3
4 1. INTRODUÇÃO GERENCIAMENTO DO CONSUMO DE ENERGIA DIAGNÓSTICO ENERGÉTICO MEDIDAS DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA (MCE S) MCE S COM CUSTO ZERO Ajustes de registros ( dampers ) de tomada de ar exterior Desligamento De Luzes Vazamento em Dutos Desligamento de Sistemas de Exaustão Limpeza de Filtros Programação de Computadores Para Baixo Consumo Ajustes de acionamentos Limpeza de Superfícies de Trocadores de Calor Ajustes de Termostatos Ajustes de Vazão de Ar Manutenação Programada Seminário de Conservação de Energia MCE S COM BAIXO CUSTO Redução de Infiltração de Ar Externo Recálculo de Ocupação de Pessoal - Ar Exterior - Rebalanceamento Isolamento Térmico em Dutos Isolamento de Tubos Desligamento de Sistemas X Instalações de Sistemas Dedicados Desligamento de Bombas de Circulação (BAG e BAC) e Torres de Resfriamento Segregação para Área de Fumantes Recalibrar Controles Instalar Barreiras ou Isolar Equipamentos...85 ELETROBRÁS/PROCEL 4
5 Reduzir Perdas em Circuitos de Água (Fase de Projeto ou Retrofit ) Proteção de Vidros Cortinas, Filmes, Brises, Telas MEDIDAS COM CUSTOS DE MODERADOS A ALTOS REFORMAS ( RETROFITS ) Impacto da Eficientização da Iluminação sobre o Sistema de ar Condicionado Controle do Ar Exterior (Ventilação) pelo uso de Sensores de CO Isolamento Térmico em Coberturas Uso de Motores Eficientes Uso de Variador de Freqüência ( VSD S) Trocas de Centrais de Água Gelada ( CAG) SOFTWARES RELACIONADOS À ESTIMATIVA DE CARGA TÉRMICA E SIMULAÇÃO PREDIAL ELETROBRÁS/PROCEL 5
6 MÓDULO I - FUNDAMENTOS ELETROBRÁS/PROCEL 6
7 1. INTRODUÇÃO 1.1. Climatização Refrigeração Ventilação Climatização - Trata o ar, ajustando sua temperatura em valores geralmente acima de 20 o. C. Pode controlar além da temperatura do ar no recinto, a pressão interna, a pureza do ar (filtragem) e sua umidade relativa. A Climatização pode ser utilizada com finalidades de conforto ambiental (como no uso residencial, em escritórios, comércio, etc.) ou Industrial, para controlar variáveis de processo (na indústria de tecelagem e gráfica, controlando temperatura e umidade) na indústria eletrônica, controlando temperatura, umidade, pureza do ar e pressão do recinto. Refrigeração - Quando utilizando o ar como fluido para controle da temperatura, o ar é resfriado a temperaturas próximas de 0 o. C, podendo chegar a temperaturas abaixo de -10 ºC. Como aplicações típicas, o uso de Câmaras ou Balcões Frigoríficos. Ventilação - Nesta aplicação, o ar é introduzido num ambiente para controlar a sua temperatura, limitado sempre em relação à temperatura do ar exterior, removendo a energia térmica gerada no seu interior por pessoas, equipamentos, etc. Neste caso, não há como controlar a temperatura a um valor fixo. A Ventilação é também usada para remover poluentes e odores Diagnóstico Energético Um Diagnóstico Energético é uma ferramenta utilizada para levantar e estimar como e em que quantidades as diversas formas de energia estão sendo gastas numa Edificação, em seus Sistemas (ar condicionado, iluminação, motorização, bombeamento, refrigeração, etc.) ou, em aplicações Industriais, nos seus processos (ar comprimido, vapor, bombeamento, etc.). Após o levantamento, é feito estudo que permite avaliar perdas (traduzido em consumo de kwh, demanda, etc.), seus custos e indicar medidas corretivas, avaliar custos de investimentos nas modificações (projetos, aquisição de equipamentos novos), calcular tempo de retorno dos investimentos, visando orientar os gerentes do empreendimento na tomada de decisões. ELETROBRÁS/PROCEL 7
8 1.3. Medidas de Conservação de Energia (MCE S) São medidas que visam reduzir o consumo de energia, nas suas diversas formas (elétrica, térmica, etc.). Podem ser extremamente simples como desligar lâmpadas e condicionadores de ar fora de horário de uso, ou medidas mais complexas que demandam cálculos elaborados e investimentos, como a substituição de uma central de resfriadores de água gelada (CAG), com baixa eficiência, de um Sistema de Ar Condicionado de um prédio. 2. FUNDAMENTOS 2.1. UMA VISÃO DE CONJUNTO Uma instalação de pequeno/médio porte Instalações até 100 TR (este número limite pode variar). A instalação pode consistir no uso de um ou mais condicionador unitário tipo janela (Fig. 1), condicionadores tipo split (Fig.2), ou num sistema um pouco mais complexo constituído de condicionadores tipo self contained (auto portante), rede de dutos para distribuição do ar, torre de resfriamento, bomba de água de condensação e respectivas tubulações (Fig 3). Fig. 1 ELETROBRÁS/PROCEL 8
9 Fig. 2- Split ELETROBRÁS/PROCEL 9
10 Fig Uma instalação de médio/grande porte Instalações acima de 100 TR podem assumir diversas configurações, mas a título de ilustração, vamos apresentar os constituintes de um Sistema típico de água gelada (expansão indireta). Ver Fig 4A e 4 B Fig. 4 A ELETROBRÁS/PROCEL 10
11 Fig. 4B ELETROBRÁS/PROCEL 11
12 2.2. CONCEITOS BÁSICOS Temperatura A temperatura é uma propriedade da matéria. É uma medida do nível energético de um corpo. Uma alta temperatura é um indicativo de alto nível de energia do corpo. Diz-se neste caso, que o corpo está quente. Já se demonstrou que a temperatura é uma função da energia cinética interna, sendo um índice da velocidade molecular. É expressa em graus Celsius (ºC), no sistema Internacional, Fahrenheit (F), e outras unidades. A correspondência entre as escalas Celsius e Fahrenheit, é mostrada na Fig. 5, a seguir: Fig. 5 A expressão que correlaciona estas unidades é dada por: C 32 = F 5 9 ELETROBRÁS/PROCEL 12
13 A título de ilustração: A água a 100º C, corresponde a: ( 9x(100 5)) + 32 = 212F Outra relação importante, de uso freqüente, é a que relaciona diferenciais de temperaturas expressas em º C com F, dado por: ( T )º C ( T ) F = 5 9 A tabela no.1, no Anexo, mostra a correspondência entre estas temperaturas Calor Sensível Se tomarmos uma porção de uma matéria, por exemplo água na fase líquida a temperatura ambiente, digamos 25º C, por exemplo, e a aquecemos até 99 º C a uma pressão atmosférica normal (760 mm Hg), dizemos que introduzimos Calor Sensível. Então, toda vez que introduzimos (ou removemos) calor num corpo, variando sua temperatura, sem contudo mudar de estado, dizemos que recebeu (ou perdeu Calor Sensível) Calor Latente Se tomarmos a água do exemplo acima, levarmos a 100 º C (212 F), e pressão atmosférica normal (760 mm Hg- 14,7 psia), e introduzirmos uma quantidade adicional de calor, vamos observar que terá início a mudança de fase, ou seja, Vaporização. Se medirmos a temperatura da água durante toda a vaporização, veremos que a temperatura permanece a 100 º C (212 F). Neste caso o calor introduzido é dito Calor Latente. Ver Figs. 6 e 7 ELETROBRÁS/PROCEL 13
14 Fig.6 Fig.7 No caminho inverso, se tomarmos o vapor que estava sendo gerado no exemplo acima e o passássemos num Condensador (operação de Condensação), removendo o seu calor, obteríamos um liquido (o Condensado), também a 100 º C. O calor removido foi, igualmente, Calor Latente. Sumarizando: Toda vez que há troca de calor com mudança de temperatura, sem mudança de estado físico, o calor cedido ou removido é dito Sensível. No momento em que a troca de calor acarreta mudança de estado físico, sem ser acompanhado por mudança de temperatura, dizemos que houve troca de Calor Latente Umidade Relativa do Ar (UR) A Umidade Relativa é a relação aproximada entre as massas de vapor d água presente num volume e a massa de vapor que saturaria aquele volume, a mesma temperatura e pressão total. m UR = m vaph 2O vaph 2Omax ELETROBRÁS/PROCEL 14
15 A umidade relativa do ar pode ser medida com auxílio de higrômetros, sendo que os técnicos de ar condicionado (A/C) usam mais comumente os psicrômetros (Fig.8). Estes consistem basicamente de dois termômetros, um de bulbo seco e outro úmido. Com estas medidas, a umidade pode ser lida numa Carta Psicrométrica (Fig.9). Fig..8 ELETROBRÁS/PROCEL 15
16 Fig. 9 ELETROBRÁS/PROCEL 16
17 Temperatura de Bulbo Seco do Ar É a temperatura indicada para a mistura ar-vapor, por um termômetro comum. Esta temperatura é a mesma para ambos elementos da mistura, ou seja, do vapor e ar. (Fig. 8) Temperatura de Bulbo Úmido do Ar Esta temperatura é obtida por um termômetro similar ao mostrado na Fig.8, onde seu bulbo envolto numa gaze molhada é exposta a uma corrente de ar até que o equilíbrio da temperatura da mistura ar-vapor /bulbo seja obtida e a temperatura pare de baixar. Esta temperatura será inferior à de Bulbo Seco Entalpia A Entalpia é uma variável termodinâmica de posição ou de quantidade. De uma maneira geral trabalha-se com diferenças de entalpias. Esta diferença corresponde à quantidade de calor trocado pelo ar (mistura ar- vapor), entre duas posições Carta Psicrométrica A Carta Psicrométrica é um diagrama onde são representadas as propriedades termodinâmicas do ar (Ver Fig. 9). As grandezas representadas neste diagrama são as seguintes: Temperatura de bulbo seco BS- o. C ou F Temperatura de bulbo úmido BU- o. C ou F Umidade relativa do ar (UR)- % Umidade Absoluta do ar (W) lb vapor/lb ar seco, ou grains vapor/lb ar seco ou gramas (g) vapor/ kg de ar seco. 1 lb = 0,454 kg 1 grain vapor = 1/7000 lb vapor ELETROBRÁS/PROCEL 17
18 1 g vapor =15,42 grains vapor 1 g vapor / kg ar seco = 1/7 grains vapor/ lb ar seco Volume Específico (v) m 3 /kg ar ou ft 3 de ar/ lb ar (o volume específico é o inverso da massa específica). Entalpia- (h, ou i)- BTU/ lb ar ou kcal/kg ar A Fig. 10, a seguir, apresenta de forma esquemática as principais linhas de uma carta psicrométrica, com as respectivas grandezas termodinâmicas: Figura Exercícios na Carta Psicrométrica A) Na carta a seguir foi assinalado um ponto (1), com as seguintes características: TBS 77 o. F h = 38,5 BTU/LB TBU 75 o. F W= 127 gr/lb ar UR 90 % W= 0,018 Lb vapor/lb ar seco ELETROBRÁS/PROCEL 18
19 ELETROBRÁS/PROCEL 19
20 B) AQUECIMENTO (RESFRIAMENTO) SÓ COM CALOR SENSÍVEL Uma vazão de 1000 ft3/min (c.f.m.) ar sendo aquecido num duto por um banco de resistências (só calor sensível), conforme esquema, passou do ponto (1) ao ponto (2). Fig A partir da carta psicrométrica, indicar as condições iniciais e finais do ar: INICIAL (1) FINAL (2) DIFERENÇA BS ( F) BU ( F) W (GR/LB) W(LB/LB AR SECO) h=(btu/lb) V= (ft3/lb) Com a expressão a seguir, calcular a quantidade de calor sensível acrescido ao ar: Qs= 1,08 X cfm X (t2-t1) Sendo: Qs = Calor sensível trocado, em BTU/h cfm = vazão em pés cúbicos por minuto t2, t1, Temperatura de bulbo seco, na saída e entrada do resistor ELETROBRÁS/PROCEL 20
21 1,08 = fator de conversão Qs= 1,08 X 1000X_(10) =10800_ Qs=10.800BTU/h A expressão do Calor Sensível em unidades métricas: Qs= 0,288 X m3/h X (t2-t1) Sendo: Qs = Calor Sensível em kcal/h m3/h = vazão em m3/ h t2/t1 = temperaturas de saída e entrada em o. C Ou com a expressão do Calor Total: Qt = 4,5. cfm. h Qt= 4,5X1000X(2,4) = Qt=10.800BTU/h Comparando, vemos que Q s = Q t, já que só houve variação no calor sensível, portanto igual ao calor total. C) UMIDIFICAÇÃO (OU DESUMIDIFICAÇÃO) SÓ COM CALOR LATENTE (Fig. 11) Uma vazão de 1000 ft3/min (c.f.m.) ar será umidificada num duto por um umidificador (só calor latente), conforme esquema, passando do ponto (2) ao ponto (3), segundo evolução mostrada na carta psicrométrica: ELETROBRÁS/PROCEL 21
22 Fig Indicar as condições iniciais e finais do ar, lidas na carta psicrométrica: INICIAL (2) FINAL (3) DIFERENÇA BS ( F) BU ( F) W (GR/LB) W(LB/LB AR SECO) h=(btu/lb) V= (ft3/lb) Com a expressão a seguir, calcular a quantidade de calor latente acrescido ao ar: Ql= 0,67 X cfm X (w2-w1) Sendo: Ql = Calor latente trocado, em BTU/h cfm = vazão em pés cúbicos por minuto w2, w1, umidades absolutas (grain/lb), na saída e entrada do umidificador 0,67 = fator de conversão Ql= 0,67 X 1000X_(62) =41540 ELETROBRÁS/PROCEL 22
23 Ql=41540BTU/h A Expressão do Calor Latente em unidades métricas: Ql= 0,702 X m3/h X (w2-w1) Sendo: Ql = Calor latente em kcal/h m3/h = vazão em m3/h w2/w1 = umidades de saída e entrada em g/kg ar seco (gramas/quilograma ar seco) D) RESFRIAMENTO COM DESUMIDIFICAÇÃO EM UMA SERPENTINA (Fig.13) Uma vazão de 1000 ft3/min (c.f.m.) ar será resfriada e desumidificada numa serpentina de um condicionador de ar, conforme esquema, passando do ponto (3) ao ponto (1), segundo evolução mostrada na carta psicrométrica: Fig.13 ELETROBRÁS/PROCEL 23
24 1 - Indicar as condições iniciais e finais do ar, lidas na carta psicrométrica: INICIAL (3) FINAL (1) DIFERENÇA BS ( F) BU ( F) W (GR/LB) W(LB/LB AR SECO) h=(btu/lb) V= (ft3/lb) Com a expressão a seguir, calcular a quantidade de calor sensível removido do ar: Sendo: Qs = Calor sensível removido, em BTU/h cfm = vazão em pés cúbicos por minuto Qs= 1,08 X cfm X (t3-t1) t1, t3, temperaturas (o. C), na saída e entrada da serpentina 1,08 = fator de conversão Qs= 1,08 X 1000X(10) =10800 Qs=10.800BTU/h 3 - Com a expressão a seguir, calcular a quantidade de calor latente removido do ar: Sendo: Ql = Calor latente trocado, em BTU/h cfm = vazão em pés cúbicos por minuto Ql= 0,67 X cfm X (w3-w1) w1, w3, umidades absolutas (grain/lb), na saída e entrada da serpentina 0,67 = fator de conversão Ql= 0,67 X 1000X(62) = Ql= BTU/h ELETROBRÁS/PROCEL 24
25 ELETROBRÁS/PROCEL 25
26 Ciclo Frigorífico por Compressão A água, com é sabido, vaporiza a 100º C em pressões normais. Existem fluidos contudo, que vaporizam a temperaturas bem mais baixas. Estes fluidos são chamados de Fluidos Refrigerantes, pois possuem características termodinâmicas especiais. O Freon 22, vaporiza a 0 ºC quando recebendo calor e submetido a pressão de 4 kg/cm2. Isto permite que este fluido, nesta temperatura, seja utilizado para remover calor de substâncias a temperaturas mais elevadas, como no resfriamento do Ar ou Água numa instalação de Ar Condicionado. Desta forma tornou-se possível, através da compressão e expansão de fluidos especiais, a obtenção de baixas temperaturas e assim remover calor de uma fonte quente. A evolução do Fluido Refrigerante num ciclo fechado é chamada de Ciclo Frigorífico por Compressão. Os principais componentes (equipamentos) utilizados num Ciclo a Compressão estão mostrados na Fig.14, a seguir: ELETROBRÁS/PROCEL 26
27 Fig.14 A evolução do fluido refrigerante pode ser representada graficamente num diagrama chamado de Diagrama de Mollier, ilustrado esquematicamente, com suas principais linhas e grandezas termodinâmicas, na Fig. 15. Fig. 15 ELETROBRÁS/PROCEL 27
28 As Figuras de 16 a 23, a seguir, mostram cada fase do ciclo com os respectivos balanços energéticos : o calor removido no ciclo, através do Evaporador (serpentina); a potência requerida no acionador do Compressor; o calor removido no Condensador e sua passagem na Válvula de Expansão. Evaporador Fig 16 Fig 17 Compressão Fig 18 Fig 19 ELETROBRÁS/PROCEL 28
29 Condensação Fig 20 Fig 21 Expansão Fig 22 Fig 23 ELETROBRÁS/PROCEL 29
30 A Fig. 24 representa esquematicamente um diagrama indicando perdas de pressão nas tubulações, subresfriamento e superaquecimento nas linhas. Fig Coeficiente de Performance Este é um índice importante para avaliar o rendimento de um equipamento de refrigeração ( selfs, chillers, Tc). Ele nos dá um índice que relaciona a Capacidade de Remoção de Calor de um equipamento (Energia Útil ou Efeito Frigorífico) à Potência requerida pelo Compressor (Energia Consumida). Quanto maior o C.O.P., melhor o rendimento do equipamento. Observe-se que é um índice maior que 1. É dado pela expressão: COP = ENERGIAÚTIL ENERGIACONSUMIDA h1 h4 = h2 h1 ELETROBRÁS/PROCEL 30
31 A Fig. 25 a seguir, mostra os pontos envolvidos no conceito. Fig EER ENERGY EFFICIENCY RATE (RAZÃO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA) É uma outra forma de indicar a eficiência de uma máquina frigorífica, relacionando o Efeito Frigorífico (EF) (4-1) produzido e o Trabalho de Compressão (w) dispendido (1-2). É dado pela expressão abaixo, sendo expressa em BTU/h / Watts: h1 h4 EER = = h2 h1 EF w = BTU / h Watts A figura 26 abaixo, ilustra o significado da expressão: Fig. 26 ELETROBRÁS/PROCEL 31
32 EFICIÊNCIA EM kw/tr Um forma bastante usual de indicar eficiência de um equipamento é em kw/tr, sendo o TR (Tonelada de Refrigeração) equivalente a BTU/h. Neste caso, estaríamos relacionando o Trabalho de Compressão (em kw), com o Efeito Frigorifico (em TR s). Na Fig. 26, acima, seria dado pela relação: h2 h1 kw / TR = = h1 h4 w EF Existe uma correlação entre o índice EER e a eficiência expressa em kw/tr: kw / TR = 12 EER TRANSMISSÃO DE CALOR MECANISMOS RADIAÇÃO- CONVECÇÃO CONDUÇÃO Embora a transmissão de calor possa se dar por um mecanismo ou pela combinação de mais de um, cabe distinguir a forma em que isto ocorre e a forma de calcular. a) RADIAÇÃO Este mecanismo envolve a transferência de energia radiante entre dois corpos separados. Esta transferência não requer um meio contínuo. É propagada por ondas, de todos os corpos, em todas as direções. É proporcional à área, ao tipo de superfície e à diferença de temperatura absoluta entre as superfícies. Para exemplificar, imaginemos a energia do sol que penetra por uma janela, aquece o piso, o qual irá irradiar seu calor para o ar ambiente, que se encontra a temperatura inferior a do piso. O fluxo térmico (taxa de calor transferido), é dado pela equação abaixo: ϕ = A. ε. σ.( T 2 T1) 4 ELETROBRÁS/PROCEL 32
33 Onde: ϕ = fluxo térmico, em kcal/h ou BTU/h A= área da superfície radiante ( m2, ou ft2) σ ε = emissividade do corpo = constante de Boltzman ( 5,669 W/m2. K ou BTU/h.ft2. K 4 ) T2,T1 Temperaturas absolutas da fonte quente e fria, em Kelvin b) CONVECÇÃO A Convecção envolve transferência de energia térmica dentro de um fluido, através de uma ação de mistura. Pode ocorrer naturalmente por diferença de densidade ou por interferência de um agente externo (ventilador, bomba, etc.). A Fig. 27, a seguir, mostra um exemplo da transferência por Convecção. Fig. 27 A seguir, a equação de transferência de calor: Fig. 28 ELETROBRÁS/PROCEL 33
34 O fluxo térmico é dado pela expressão: ϕ = A. h.( T1 T 2) Onde: ϕ = fluxo térmico em kcal/h ou BTU/h A= área da superfície radiante (m 2, ou ft 2 ) h= coeficiente de película (em BTU/h.ft 2. F ou kcal/h.m 2. ºC) T1, T2, temperaturas em F ou º C c) CONDUÇÃO Envolve a transferência de energia entre as moléculas dentro de um corpo, por contato físico. A transferência pode ser alcançada pelo contato entre dois corpos, podendo ser dois sólidos, ou fluidos, ou um de cada. A condução dentro de um fluido é concomitante com a transferência por Convecção. A Condução através de um corpo depende da sua área ( A), da resistência térmica oferecida pelo material do qual o corpo é feito (r) ou falando de outra forma, da sua condutibilidade térmica (k), da sua espessura (x), e da diferença de temperatura (T2-T1). A resistência oferecida pelo filme, ou seja, seu coeficiente de película (h) devido a transmissão por Convecção deve ser contabilizada. Observando a Fig. 29, a seguir, vamos calcular o fluxo térmico através do corpo: ELETROBRÁS/PROCEL 34
35 Fig.29 Onde: ϕ = fluxo térmico, em kcal/h ou BTU/h A= área da superfície radiante (m 2, ou ft 2 ) h o, h i = coeficientes de película externo e interno (em BTU/h.ft 2. F ou kcal/h.m 2. ºC) T1, T2,T3,T4- temperaturas em F ou º C X= espessura da parede 1- cálculo do fluxo térmico entre 1 e 2: daí, ϕ = ho( T1 T 2) A ( T1 T 2) = ϕ A. ho ELETROBRÁS/PROCEL 35
36 2- cálculo do fluxo térmico entre 2 e 3: daí, ( T 2 T3) = 3- cálculo do fluxo térmico entre 3 e 4: 4- daí, ( T3 T 4) = ϕx A. k ϕ A. hi ϕ k = ( T 2 T 3) A x ϕ = hi( T3 T 4) A Se somarmos (T1-T2), (T2-T3) e (T3-T4), teremos: ϕ 1 x 1 T 1 T 4 = ( + + ) A hi k ho Se fizermos: 1 U 1 x 1 = + + h1 k ho Teremos: ϕ = A.. U.( T1 T 4) Desta expressão, podemos observar: O fluxo térmico é proporcional a área, ao diferencial de temperatura e ao coeficiente U, chamado de coeficiente Global de Transmissão de Calor. Ele é expresso em BTU/ h.ft 2.F ou kcal/h.m 2.º C, e está tabelado para diversos materiais. Ver tabela 2, no Anexo. Para paredes compostas, com materiais em série, conforme desenho abaixo: ELETROBRÁS/PROCEL 36
37 Fig U 1 x = + ho k 1 x2 x k 2 + k 3 + h 1 onde k1, k2,k3, k4, são os coeficientes de condutibilidade dos materiais. O problema pode ser apresentado na forma de resistências : R = r + r + r r n e: r = 1 1 h 0 x1 r 2 = k,,.., etc. 1 1 rn = h n vem: 1 U = R logo: vem: U = 1 R ELETROBRÁS/PROCEL 37
38 Exemplo 1: A parede externa de uma casa é constituida de tijolos de 10 cm (4 pol) de espessura e de duas camadas de argamassa de 2,5 cm cada (1 pol), com 30 m2 de área. Imaginando-se que a temperatura interna é de 24 º C e a externa é de 35 º C, calcular o fluxo térmico. Fig. 31 A= 30 m2 = 30 X 10,76 ft2/m2= 322,8 ft2 TC= 35 24= 11 º C TC /5= TF/9 11/5= T F/9 TF=19,8 F U, da tabela, U= 0,53 BTU/h.ft2.F ϕ = A. U.( t1 T 4) ϕ = 322,8 X 0,53 X19,8 = 3387 BTU / h Exemplo 2 Calcule o fluxo térmico através da laje de cobertura com 30 m2, sob diferencial de temperatura de 11 º C, e constituída da seguinte forma: ELETROBRÁS/PROCEL 38
39 Fig. 32 Camada Material Espessura (mm-pol) K (BTU.pol/hft2.F) 1 Isopor 25,4/1 0,25 2 Concreto 100/4 12,00 3 Ar 100/4 4 Fibra de vidro 25,4/1 0,25 No anexo, vamos encontrar as resistências oferecidas pelos filmes de ar ( air film ) ou espaços de ar ( air space ). h e = filme externo (verão) r e = 0,25 h i filme interno parado- ( still ) horizontal descendente r i = 0,92 Espaço de ar horizontal descendente verão 4 pol r 3 = 0,99 Computando as resistências: R= r e + r 1 + r 2 + r i + r 3 + r I + r 4 + r i ELETROBRÁS/PROCEL 39
40 R = r e + x 1 / k 1 + x 2 / k 2 + r I + r 3 + r I + r 4 + r i R= 0,25+ 1/0,25 + 4/12 + 0,92 + 0,99 + 0,92 + 1/0,25 + 0,92 R= 12,33 U= 1/R U-1/12,33 = 0,081 BTU/h. ft 2.F Calculando o fluxo térmico: ϕ = A.. U.( T1 T 4) A= 30 m2 = 322,8 ft 2 T= 11 º C T=19,8 F ϕ = 322,8X 0,08X19,8 = 511,31BTU / h A título de exercício, verifique a relação entre os fluxos térmicos e U, deste exemplo e do anterior CARGAS TÉRMICAS SOBRE UMA EDIFICAÇÃO Uma forma de classificar as cargas sobre uma edificação é quanto a sua origem externas ou internas. A figura 29 abaixo ilustra o fato. Fig. 33 ELETROBRÁS/PROCEL 40
41 Cargas externas são tipicamente aquelas provenientes da insolação através de uma janela; diferença de temperatura exterior/interior através de parede externa; admissão ou infiltrações de ar externo e outras. Cargas internas são aquelas geradas no interior da edificação. Tipicamente, provêm de pessoas, equipamentos, iluminação, recintos adjacentes sob temperaturas mais elevadas. Vamos dar uma olhada nestas cargas Fatores que influem sobre as Cargas Externas Radiação Solar através de Janelas Uma vez que a Terra descreve uma órbita em torno do Sol e que nosso planeta possui uma inclinação no seu eixo, a incidência de energia solar varia de acordo com a latitude, orientação da edificação e horário, ao longo do dia. As tabelas 3 mostram os valores da energia solar (BTU/h.ft- 2 ) por área de vidro, para latitudes 0 º, 20 º e 40 º, diferentes fachadas e horários do dia, evidenciando a variação acima referida. Por este fato, ao se fazer um estudo de localização de uma edificação, é de suma importância analisar a orientação das fachadas envidraçadas. Cabe observar que a energia solar incidente através dos vidros não se torna integralmente em carga térmica instantânea. As lajes e paredes atingidas pela energia radiante do Sol absorvem esta energia e a irradia parcialmente para o ambiente. Existem metodologias que auxiliam no cálculo da energia transferida para o ambiente. A tabela 4 (A,B,C,D,E), no Anexo, extraída do Manual da Springer Carrier, indica os fatores aplicáveis, para uma determinada fachada, peso de construção e horário. Outros fatores que influenciam na energia transmitida pelos vidros, são função das características de vidro e a existência de elementos de sombreamento (venezianas, telas, toldos, brises, etc.). A tabela 4 F, do anexo, mostra como estes fatores influenciam na radiação transmitida. ELETROBRÁS/PROCEL 41
42 A seguir faremos um exercício aplicativo. Calcular o ganho solar através das janelas de uma construção, com as seguintes características: Local Rio de Janeiro latitude 22 S mês dezembro Área de vidro comum (6 mm) 100 ft 2 (com esquadria de alumínio) Fachada Oeste (W) 10 h e 16 h Alternativa 1- sem veneziana Alternativa 2- veneziana interna clara Alternativa 3- veneziana externa clara Peso médio da construção 100 lb/ft 2 Solução: 1- Área de vidro 100 ft2 2- Pico solar: da tabela 3 B, lat sul 20, dezembro, oeste, temos o pico de 160 BTU/h.ft2 Do rodapé da tabela, tomadas as correções de 17 % e 7 % para latitude Sul, dezembro: 160 X 1,17X 1,07 = 200,3 BTU/h. ft 2 3-Fator de armazenamento (tab. 4) Alt 1/3 (sem sombreamento, c/ venez ext) tab 4 B, lat Sul, oeste, 100 lb/ft 2 10 h _ 0,09 16 h _ 0,40 ELETROBRÁS/PROCEL 42
43 Alt 2 (venez int clara ) tab 4A lat sul oeste 100 lb/ft 2 10 h_ 0,09 16 h_ 0,66 4- Correção para proteção (veneziana tab 4 F) Vidro comum (6 mm) S/ venez. _ 0,94 Venez int. clara _ 0,56 Venez externa _0,14 O quadro a seguir, sumariza os ganhos devido à insolação, para os diversos horários, e com elementos de proteção diversos: Alt 1 S/venez Alt 2 C/ ven int Alt 3 C/ven ext Radiação através da Janela Ganho BTU/h.ft2 Área Ft 2 Correc Armazenamento p/protec Tot BTU/h 200, h 0,09 0, h 0, , h 0,09 0, h 0, , h 0,09 0, h 0, Ganhos por Condução através de Paredes Externas e Telhados O ganho por Condução é influenciado pelo diferencial de temperaturas através da parede ou telhado, seu Coeficiente de Transmissão Global de Calor ( U ) e da área da superfície. A localização da cidade da edificação influencia nas temperaturas externas ambientes, acarretando maiores ou menores cargas por Condução, através de paredes ou outros elementos externos da construção. ELETROBRÁS/PROCEL 43
44 Considerando que a temperatura externa varia ao longo do ano e do dia, a carga térmica por Condução através das paredes externas e telhados, não é calculada diretamente usando uma temperatura de Projeto fixa. Numa metodologia utilizada (da Springer Carrier), foram desenvolvidos cálculos de temperatura equivalente que consideram o regime transiente, do transporte através das paredes /telhados, que podem ser usados nos cálculos em questão, com as devidas correções, para o correto diferencial de temperatura (externa/interna), fachada, latitude, mês, cor de parede e daily range. A equação que calcula o fluxo térmico é: ϕ = U. A. Teq O diferencial T eq, é obtido nas três tabelas 5 A,B e C, da Springer Carrier (no Anexo). A equação mais geral, para obter condições para latitudes e meses diferentes de 40 N, Julho, é a seguinte: onde: teq = tes + Rs Rm ( tem tes) teq=diferencial equivalente, para latitude, mes tes=idem, para mesma parede ou telhado, em sombra, na hora, corrigido. tem=idem, para mesma parede ou telhado, insolado, na hora, corrigido. Rs=max ganho solar, para fachada em questão ou telhado, para mes e latitude. Rm= max ganho solar, para fachada em questão ou telhado, para julho, 40 N. Onde se fizerem necessárias correções para diferentes cores de paredes, as expressões acima se transformam em: ELETROBRÁS/PROCEL 44
45 Paredes claras (ou tetos) 0,5 teq = tes + ( tem tes) = 0,55 tem + 0, 45 tes 0,9 Paredes médias (ou tetos) 0,7 teq = tes + ( tem tes) = 0,78 tem + 0, 22 tes 0,9 Cores claras: branco, creme, etc. Cores médias: verde claro, azul claro, etc. Cores escuras: azul escuro, verde escuro, marrom escuro, etc Ar de Ventilação O Ar de Ventilação é assim chamado pois é utilizado para renovar o ar interno, que vai sendo depreciado, seja pela queima no metabolismo humano (O2 CO2), seja pela agregação de poluentes internos. A ABNT estabelece valores (tabela 6), para se estimar as vazões de ar a serem adotadas num projeto de climatização. Este ar, que se encontra nas condições externas, ao ser admitido irá introduzir uma carga térmica sobre o sistema (condicionador de ar). Condições termo- higrométricas foram estabelecidas pela ABNT, na tabela 7. Condições de conforto para ambientes diversos (temperatura e umidade) são estabelecidas pela ABNT, na tabela 8. Uma vez calculada a sua taxa de admissão (vazão), e o salto entálpico (diferença entre condição do ar exterior/ar interior), a carga térmica introduzida pode ser estimada. A seguir, faremos um exemplo ilustrativo. Um pavimento de escritório no Rio de janeiro, com 600 m2, e taxa de ocupação média de 6 m2/pessoa, deverá admitir ar exterior através de seu sistema de ar condicionado para efeito de renovação. Calcular qual a carga térmica sensível, latente e total, que incidirá sobre o sistema. ELETROBRÁS/PROCEL 45
46 Solução: 1- Condições termo- higrométricas. Interna - (Tab. 8 da ABNT) BS 24 º C (75,2 F)- 50 % UR BU 17,2º C (62,9 F) Externa - (Tab. 7 ABNT ) BS 35 º C (95 F) BU 26,5 º (79,7 F) BS (F) BU (F) U s ( gr/lb) h ( BTU/lb) EXTERNA 95 79, ,5 INTERNA 75,2 62, ,5 DIFERENÇA 19,8 16, Ar de Ventilação Da tab. 6 ABNT Escritório ( público) 25 m3/h/pessoa 25 m3/h X 35,3 ft3/m3 X 1 h/60 min = 14,7 cfm ( ft3/min) (1 m3 = 35,3 ft3) Ocupação : 600 m2/ 6 pes/m2 = 100 pessoas Vazão : 14,7 cfm/pes x 100 pessoas = 1470 cfm 3- Carga Térmica Cs = 1,08 X cfm X Dt BS = 1,08 x 1470 x 19,8 F = BTU/h Cl= 0,67 x cfm X Du = 0,67 x 1470 x 64 = BTU/h Ct= 4,5 x cfm x X Dh = 4,5 x 1470 x 15 = BTU/ h (a diferença encontrada entre a soma das parcelas de Cs e Cl contra o valor calculado de Ct, decorre de imprecisão na leitura de valores na Carta Psicrométrica, aproximadamente 5 %). ELETROBRÁS/PROCEL 46
47 Infiltração O ar infiltrado num ambiente através de janelas, portas, frestas, outras aberturas ou por efeito de exaustores, constitui-se numa carga para o ambiente e, conseqüentemente, para o sistema, já que o ar externo irá aquecer o ambiente (verão). A carga será proporcional a vazão de ar (área da abertura e velocidade do ar) e ao salto entálpico entre as condições externa/interna. A tabela 9 fornece meios para estimar a quantidade de ar infiltrado. Eventualmente, este valor terá que ser determinado por medições. A exemplo do cálculo de cargas térmicas, visto no parágrafo anterior (ar de ventilação), com a vazão de ar infiltrado e as condições termo - higrométricas, pode-se estimar a carga térmica devido ao Ar Infiltrado. A carga a ser computada deverá considerar situações de projeto (1 e 2) e situação efetivamente medida (3). (1)- Caso o ar infiltrado (calculado) seja inferior à vazão de ar de ventilação, apenas esta carga será computada, já que a pressurização do recinto evitará a infiltração. (2)- Caso o ar infiltrado (calculado) seja superior à vazão de ar de ventilação, a diferença (infiltrado ventilação), será computada a título de carga de infiltração. (3)- Caso o ar infiltrado, seja efetivamente verificado (por medição), este valor deverá ser usado para base de cálculo. A seguir faremos um exemplo. Uma loja de departamentos possui quatro portas de 1,80 m de largura, que permanecem abertas durante o seu funcionamento. Sabendo-se que a ventilação (ar de renovação) foi dimensionada para 200 pessoas, calcular: a) Ar de ventilação b) Ar de infiltração c) Vazão efetiva para cálculo de carga de ar infiltrado ELETROBRÁS/PROCEL 47
48 Solução; a) Ar de ventilação Da tab. 6 ABNT, loja, recomenda-se 17 m3/h/pessoa. 17 x 200 pessoas = 3400 m3/h (2000 cfm) b) Ar de infiltração Da tabela 9 da ABNT, porta de 1,80 m de largura, temos: 2000 m3/h x 4 = 8000 m3/h (4706 cfm) c) Ar efetivamente infiltrado: Considerando que o recinto será pressurizado pelo sistema de ar condicionado, teremos: Ar infiltrado (calculado) Ar de ventilação (calculado) 4706 cfm 2000 cfm = 2706 cfm Com esta vazão e os dados (BS, w, h) do ar exterior e interno, seguindo os cálculos do exemplo anterior (Ar de ventilação), poderíamos calcular a carga térmica devido à infiltração Fatores que influem sobre as Cargas Internas Cargas internas são aquelas geradas no interior do prédio, dentre outras, divisórias, tetos, pisos,pessoas, equipamentos, luzes, e perdas em dutos. A seguir estudaremos cada caso mais detalhadamente Ganhos por Condução através de Vidros - Paredes Internas- Forros - Pisos Este ganho é proporcional a área, ao Coeficiente U do elemento construtivo e ao diferencial de temperaturas. ELETROBRÁS/PROCEL 48
49 Para o caso de vidros de janelas externas em paredes não insoladas, pode-se usar o diferencial temperatura externa/interna. No caso de paredes internas (divisórias), forros e pisos, usa-se o diferencial de temperaturas dos ambientes. A seguir, um exemplo. Um escritório em S. Paulo, tem uma área de divisórias internas, calculada em 200 m2, adjacentes à áreas não condicionadas. Estimar a carga térmica através desta divisória, sabendo-se que o U da divisória é de 0,36 BTU/h.ft2. F. Solução: 1- Condição interna para Escritório (tab. 8) 24 ºC (75,2) 2- Condição das áreas internas não climatizadas As áreas não climatizadas, por experiência, costumam ficar a 5ºC abaixo da temperatura ambiente externa. Para S. Paulo, da ABNT (tab. 7), temperatura externa de BS = 31 ºC (87,8 F) Temperaturas das áreas não condicionadas : 31 5 = 26 ºC (78,8 F) 3- Cálculo da carga térmica ϕ = A x U X t A= 200 m2 x 10, 70 ft2/m2 = 2152 ft2 t= (78,8-75,2) = 3,6 F ϕ = 2152 x 0,36 x 3,6 = 2789 BTU/h ELETROBRÁS/PROCEL 49
50 Pessoas Também chamada de carga de ocupação, é aquela proveniente do calor de metabolismo. É função da temperatura interna do ambiente, do sexo da pessoa e do nível de atividade (mais ou menos intensa). Apresentamos no Anexo, as tabelas 10 A e 10 B, que estabelecem: (1) condições de temperatura a serem adotadas nos projetos, em função do tipo de ambiente; (2) calor liberado pelas pessoas (em BTU/h ou kcal/h). Com estes elementos, é possível calcular a dissipação térmica devido a ocupação do ambiente. A seguir, um exemplo. Uma Empresa sofreu uma restruturação ao longo dos anos, tendo reduzido o número de funcionários em 1000 pessoas. Estimar a redução proporcional na carga térmica. Da ABNT, tab. 10 A, para escritórios, a 24 º C: Calor sensível - 61 kcal/h Calor latente - 52 kcal/h Total 113 kcal /h/pessoa Para 1000 pessoas : 113 kcal/h x 1000 pessoas = kcal/h Em BTU/h: 1 kcal/h = 3,968 BTU/h 1BTU/h = 0,252 kcal/h kcal/h = BTU/h ELETROBRÁS/PROCEL 50
51 Em TR (toneladas de refrigeração) 1 TR = BTU/h BTU/h = 37,36 TR Potência dissipada por Equipamentos Equipamentos que dissipam calor diretamente para os ambientes condicionados, devem ser contabilizados. A tabela 11 no Anexo, da ABNT e outras fontes, apresentam valores listados para dissipação de equipamentos Potência dissipada por Iluminação Despeito de, na realidade, a dissipação pelos sistemas de iluminação para os ambientes também estarem sujeitos ao armazenamento térmico pelas estruturas da edificação, em cálculos estimativos, admite-se que todo o calor dissipado pelas luminárias se tornam uma carga instantânea para o sistema de ar condicionado. As tabelas da ABNT e Springer Carrier, tabelas 12 A e B no Anexo, estabelecem critérios para cálculo da energia dissipada por sistemas de iluminação. Caberia ressaltar, no entanto, que o melhor meio para calcular esta carga seria através do levantamento na planta de iluminação. Os valores indicados na tabela da ABNT correspondem a padrões antigos, distantes em muitos casos de padrões de iluminação eficiente. Valores mais atuais, podem estar na faixa de 20 w/m 2 ou cerca de 2 w/ft 2. Tabelas com valores para iluminação eficiente são encontradas no Anexo Perdas em Dutos As perdas em dutos, em geral, tem duas fontes: (1) quando vazando para ambiente diferente daquele sob condicionamento ou (2), por passagem em áreas não condicionadas e quando não estiverem devidamente isolados. No primeiro caso, a perda se dá pois uma parcela adicional de ar terá que ser condicionada para atender ao recinto. Este tipo de perda ocorre, em geral, pelo ELETROBRÁS/PROCEL 51
52 mal acabamento nas juntas dos dutos, devido à equipamento inadequado ou qualificação do duteiro. Estas perdas podem variar muito, sendo difíceis de estimar, podendo ser superior a 5 %. Caso o vazamento se dê para o interior do ambiente condicionado, a perda não será computada. No segundo caso (passagem por áreas não condicionadas/duto mal isolado), as perdas são proporcionais a área do trecho do duto passante em área não condicionada, o diferencial de temperatura interna/externa ao duto, a velocidade do ar no duto e o coeficiente U do duto isolado. Estas perdas são relacionadas (percentualmente) à carga térmica do ambiente alvo do condicionamento, já que esta carga e a vazão do duto estão intimamente relacionadas. O gráfico da Springer Carrier a seguir, indica os parâmetros aqui mencionados. ELETROBRÁS/PROCEL 52
53 O exemplo, a seguir, mostra os passos a serem seguidos para o cálculo em questão. Uma rede de dutos não isolada, com 20 ft (6 m) de comprimento, passa sobre uma área não condicionada, que se encontra a 100 F (37,8 ºC). Conhecendo-se ainda a velocidade do ar no duto, de 2000 ft/min (10 m/seg), a temperatura do suprimento do ara de 60 F (15,6 º C)e o ganho de calor sensível no recinto de BTU/h, determinar o percentual adicional de calor ao recinto. Solução: Diferença de temperatura ( ambiente duto) : = 40 F Da carta da Springer Carrier, com BTU/h, duto não isolado, e 20 ft de comprimento, o percentual adicional é de : 4,5 % Correção para a velocidade de 2000 ft/min e 40 F : 1,26 Percentual adicional: 4,5 x 1,26 = 5,7 % Calor adicional : 0,057 x BTU/h = 5780 BTU/h (aproximadamente 0,5 TR) 2.4. PLANILHA DE CARGA TÉRMICA Os cálculos de carga térmica, quando executados manualmente, são lançados numa planilha com aspecto similar à apresentada a seguir. Os campos são grupados de forma mais ou menos lógica, separando cargas sensíveis e latentes, externas e internas, e cálculos gerais de psicrometria. Ela sumariza os cálculos anteriormente vistos e apresenta os campos listados a seguir: Bloco de Identificação Identificação da edificação e do executante do cálculo Bloco das condições de Projeto Condições de projeto (TBS/TBU/UR, etc.) ELETROBRÁS/PROCEL 53
54 Vazão de ar exterior Vazão por infiltração. Bloco de Cargas Sensíveis Externas e Internas Vidros com ganho por radiação solar Paredes externas e telhados com ganhos por diferencial de temperatura (equivalente) Ganhos internos por vidros, divisórias, forros, pisos. Ganhos por infiltração de ar externo Ganhos devido ocupação, equipamentos, iluminação e outros Ganhos de calor em dutos Ganhos de calor em motores de ventiladores dos condicionadores Ganhos pelo ar de ventilação Bloco de Cargas Latentes Infiltração, ocupação, outros, vapor, outros Perdas nos dutos Ar de ventilação Bloco de carga sobre a serpentina Sensível e latente Bloco de Condições Psicrométricas Ponto de orvalho Fator de calor sensível Vazão de ar insuflado Temperatura de mistura e de insuflamento ELETROBRÁS/PROCEL 54
55 Preparado por: Conferido por: Aprovado por: Fig. 34 Local: Endereço: Obs.: Item Área ou Ganho Solar ou Dif. de Fator BTU/Hora Estimativa Para: Quantidade Temperatura Mês: Hora: Ganho Solar - Vidros Cond. T.S T.U UR% P.O gl/lb Vidro sq ft x x x Ext. Vidro sq ft x x x Rec Vidro sq ft x x x Dif Vidro sq ft x x x Ar Exterior - Ventilação Ganho Solar e Transmissão - Paredes Externas e Cobertura Pes. x CFM/ps= L Parede sq ft x ( - ) x sq ft x CFM/ps= O Parede sq ft x ( - ) x Infiltração S Parede sq ft x ( - ) x P. Girat. pes.x CFM/pes= N Parede sq ft x ( - ) x = CFM Teto sq ft x ( - ) x P. Aber. por.x CFM/port= Portas sq ft x ( - ) x = CFM Transmissão por Paredes Internas e Teto Exaustores CFM Vidro sq ft x ( - ) x Vãos ft x CFM/ft = Vidro sq ft x ( - ) x = CFM Divisórias sq ft x ( - ) x CFM = Divisórias sq ft x ( - ) x Ar Exterior Exigido: CFM Teto sq ft x ( - ) x Ponto de Orvalho da Serpent. (PO) Piso sq ft x ( - ) x FCSE= CSER = #### Infiltração CFMx ( - ) x 1.08 CTER Calor Interno P.O (Indicado) = F Ocupação Pessoas x P.O (Selecionado) = F Equipamentos Hp ou W x 3.4 Ar Insuflado Luz Watts x x 3.4 ( 1 - FB ) x ( FR - Outros Ganhos - F P.O ) = F Calor Sensível do Recinto (CSR) Ganhos de Calor nos Dutos % CSER =#### CFM Ganhos de Calor Dev. Hp Vent. % ( 1,08 x F ) Ar Ext. CFM x F x FB x 1.08 Temp. de Insuflamento e Mistura Calor Sensível Efetivo do Recinto (CSER) TES=TR F + ( CFMvent / Calor Latente #DIV/0! CFM ins ) x ( TE F - Infiltração CFMx gl/lb x TR F ) = #### F Ocupação Pessoas x Vapor lb/hr x 1000 Tins=P.O F + FB x Outros Ganhos x (TES #### F - P.O F ) = Calor Latente do Recinto (CLR) = #### F Perdas nos Dutos % NOTAS Ar Ext. CFM x gl/lb x FB x 0.67 Calor Latente Efetivo do Recinto (CLER) Calor Total Efetivo do Recinto (CTER) Carga de Ar Exterior Sobre a Serpentina Sensível CFM x Fx (1- FB) x1,08 Latente CFM x gl/lbx (1- FB) x0,67 FCER= Fator de Calor Sensível do Recinto Outros Ganhos P.O = Ponto de Orvalho TOTAL P. Girat. = Portas Giratórias GRANDE TOTAL P. Abert. = Portas Abertas ELETROBRÁS/PROCEL 55
56 2.5. CLASSIFICAÇÕES DE SISTEMAS DE AR CONDICIONADO EQUIPAMENTOS - ARRANJOS - DISTRIBUIÇÃO DE AR Uma maneira de classificar os sistemas de condicionamento é quanto aos fluidos utilizados para a remoção da carga térmica e arranjos dos equipamentos. Uma classificação possível é a seguinte: Expansão direta Tudo água Ar - água Tudo ar Sistema de Expansão Direta Um sistema é dito de Expansão Direta, quando o ar é diretamente resfriado pelo fluido refrigerante ( freon ).As aplicações são as seguintes: Instalações de Pequenas e médias capacidades, onde são usados: Aparelhos de janela Splits Self contained Resfriamento de líquidos (expansão indireta), para médias e altas capacidades, onde são usados chillers com compressores alternativos, centrífugos ou parafuso. ELETROBRÁS/PROCEL 56
57 CONDICIONADORES SPLIT 3 ATÉ 50 TR Fig. 35 ELETROBRÁS/PROCEL 57
58 EXPANSÃO DIRETA SELF CONTAINED - 5 A 40 TR CONDENSAÇÃO A ÁGUA OU AR Fig.36 ELETROBRÁS/PROCEL 58
59 RESFRIADORES DE LÍQUIDOS - (EXPANSÃO INDIRETA) CONDENSAÇÃO A AR - ALTERNATIVOS- ATÉ 400 TR CONDENSAÇÃO A ÁGUA- ALTERNATIVO - ATÉ 280 TR PARAFUSO - 75 ATÉ 350 TR CENTRÍFUGO ATÉ 2800 TR Fig. 37 RESFRIADOR ( CHILLER ) CENTRÍFUGO ELETROBRÁS/PROCEL 59
60 COMPRESSOR TIPO PARAFUSO Fig.38 ROTOR DE COMPRESSOR TIPO CENTRÍFUGO Fig.39 ELETROBRÁS/PROCEL 60
61 Sistema de Expansão Indireta Um sistema é dito de Expansão Indireta, quando o fluido usado como refrigerante do ar é a água. Esta, por sua vez, é resfriada num circuito de compressão, por um chiller. Podem ser classificados em: Tudo Água Ar - Água Tudo Ar Tudo Água É assim dito, quando a água é distribuída para os recintos, onde passa nos condicionadores de ar. Este condicionadores são chamados de Fan coil (ventiladorserpentina). Aplicação: prédios de salas onde custo de dutos se torna proibitivo. Ex: hotéis, hospitais, escritórios, prédios profissionais. Arranjos duplo tubo quatro tubos Fig. 40 Fan coil Fig. 41 Arranjo fan coil dois tubos ELETROBRÁS/PROCEL 61
62 Fig. 42 Arranjo fan coil - quatro tubos Sistemas Ar Água Aplicação: prédios com grande número de salas, muitas internas. Ex : hotéis, hospitais, etc.. Fig. 43 Sistema Ar - água ELETROBRÁS/PROCEL 62
63 Fig.44 Fig.45 System Ar Água dutos e tubos Sistema Ar Água tubos Sistemas Tudo Ar É assim dito, quando o ar é distribuído diretamente para os recintos. Dentre outros, estão os sistemas Multizona e os sistemas VAV Sistemas Multizona Aplicação: Locais com espaços com múltiplas condições de operação e função, requerendo grandes flexibilidades de temperatura e umidade. Requisitos para aplicação: Vários espaços a serem controlados individualmente. Ex.: Escolas, escritórios, etc. Prédios com fachadas múltiplas e diferentes características de cargas internas. Combinação de amplas áreas internas com pequenos espaços na periferia. Áreas com espaços internos com diferentes características de cargas (estúdio de TV, Rádio, etc.). Ambientes típicos para uso com Sistemas Multizona ELETROBRÁS/PROCEL 63
64 Fig.46 Fig 47 Equipamento Multizona - Arranjo de dutos (câmaras) ELETROBRÁS/PROCEL 64
65 Sistemas VAV A sigla VAV, significa Volume de Ar Variável. Estes sistemas abrigam, via de regra, além de caixas reguladoras de vazão, chamadas caixas VAV, controles de freqüência nos acionadores dos ventiladores. Aplicação: Sistemas com cargas internas variáveis, que requeiram controle de temperatura fixo. Ex.: Prédios de escritórios com diferentes fachadas e horários de funcionamento flexíveis. Vantagens: Redução na carga de refrigeração, pela redução nos volumes de ar resfriado. Redução da carga térmica, pela admissão de maiores parcelas de ar exterior em estações amenas. Controle individual de temperatura, pelo controle de vazão de ar em caixas VAV, para diferentes recintos. Fig. 48 ELETROBRÁS/PROCEL 65
66 Abaixo, uma caixa VAV Fig EQUIPAMENTOS DE AR CONDICIONADO E SEUS RENDIMENTOS TÍPICOS Conforme foi visto no parágrafo ,12,13, o rendimento de uma equipamento pode ser expresso através de seu COP, seu EER ou em kw/tr. O rendimento através do índice EER, é expresso em BTU/h / watts, representando a relação entre o efeito útil e a quantidade de trabalho utilizado para produzi-lo. A relação entre o EER e seu correspondente em kw/tr é: kw 12 = TR EER A seguir, listamos algumas tabelas com valores típicos, para diversos tipos de equipamentos. É conveniente lembrar contudo, que estes valores são apenas para referência, devendo ser obtidos junto aos fabricantes, no caso de uso em estudos de casos reais. Outros valores, padrões de equipamentos eficientes, estão incluídos no Anexo. ELETROBRÁS/PROCEL 66
Índice 1.0. HISTÓRICO DO AR CONDICIONADO... 4 2.0. CONCEITOS FUNDAMENTAIS... 6. 2.1. Calor... 6 2.2. Intensidade... 7 2.3. Quantidade de Calor...
1 Introdução O Ar Condicionado Central possui uma série de detalhes para que ele funcione de acordo com o esperado. Um bom projeto, uma instalação criteriosa, além evidentemente de equipamentos eficientes