AUT 190

AR CONDICIONADO PARA ARQUITETURA

Eder Ricardo Voltani edervoltani@usp.br

Eder Ricardo Voltani edervoltani@usp.br

1. INTRODUÇÃO 2. CARGA TÉRMICA 3. CICLO DE REFRIGERAÇÃO 4. EFICIÊNCIA ENERGÉTICA 5. TIPOS DE SISTEMAS 6. EQUIPAMENTOS 7. DISTRIBUIÇÃO DE AR 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Sumário

Princípios básicos de refrigeração foram desenvolvidos por Carnot, em 1824.

Em 1897, Joseph McCreaty criou e patenteou o primeiro equipamento que pode ser considerado como sendo de ar condicionado e consistia em um sistema de resfriamento baseado no borrifamento de água.

Em 1902, Willys Carrier inventou e fez o primeiro exemplo de condicionamento de ar por um processo mecânico para controlar a umidade de sala de impressão. Primeiro grande mercado foi industria têxtil, que logo passou a ser usado em diversos prédios e instalações de industrias de papel, produtos farmacêuticos, tabaco e estabelecimentos comerciais.

1 Introdução

2 Carga Térmica

A carga térmica é o primeiro e mais importante passo no processo de projeto de uma instalação de ar condicionado.

Os demais elementos deverão ser desenvolvidos visando o suprimento da carga térmica.

O condicionamento de ar efetua o controle da temperatura e umidade para satisfazer as necessidades do espaço, devendo ainda controlar o fluxo e a qualidade do ar.

Condições de Projeto: (internas e externas) • Internas:

• Temperatura e umidade (condições de conforto); ISO 7730:2005 - Ergonomics of the thermal environment –

Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria.

ASHRAE 55:2004 – “Thermal environmental conditions for human occupancy”.

NBR 16401:2008 - Instalações centrais de ar condicionado – Sistemas centrais e unitários: Parte 1- Projeto das instalações; 2- Parâmetros de conforto térmico e 3 - Qualidade do ar interior.

2 Carga Térmica

• Condições de conforto térmico (NBR 16401, 2008); • Verão (CLO = 0,5)

• Inverno (CLO = 0,9)

2 Carga Térmica

• Condições Internas: • Renovação de ar (salubridade);

ASHRAE 62.1:2010 – “Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality” prevê valores de renovação do ar em função do tipo de ambiente, ocupação e volume do ambiente.

A Portaria 3.523 do Ministério da Saúde, 1998, prevê valores de ar de renovação para diferentes ambientes (27 m3/h/pessoa para escritórios), enquanto a ASHRAE 62.1:2004 prevê valores de renovação do ar em função do tipo de ambiente, ocupação e volume do ambiente.

NBR 16401:2008 – Parte 3 prevê valores de renovação do ar em função do tipo de ambiente, ocupação e volume do ambiente.

2 Carga Térmica

• Condições Externas: • São fixadas em função do dia típico, que corresponde às condições em

que 10% dos dias de verão podem ter temperatura do ar superior (para resfriamento) aquela adotada no projeto (temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo úmido ou umidade relativa, nebulosidade ou radiação solar, direção e velocidade do vento). NBR 16401:2008 – Prevê 32 ͦC para frequência de 0,4%, 31 ͦC para

frequência de 1% e 30 ͦC para frequência de 2%.

2 Carga Térmica

Cargas térmicas: (taxa de calor que deve ser removida, em W)

As cargas térmicas do ambiente e no equipamento são divididas em sensível e latente.

Carga térmica do ambiente: • Métodos de cálculos:

Simplificado; Detalhado; Intermediário.

• Simplificado: Cálculos em regime permanente; Determinação apenas do valor máximo diário da carga térmica. CTcondução devido a transferência de calor por elementos opacos será:

2 Carga Térmica

U: coeficiente global de troca de calor entre o ambiente interno e o meio externo, função dos coeficientes de película que englobam tanto os efeitos de convecção como de radiação

A: área do elemento de vedação Tint: temperatura de bulbo seco de projeto do ar interior TAr-Sol: temperatura Ar-Sol. Temperatura fictícia determinada por:

2 Carga Térmica

Text: temperatura de bulbo de projeto do ar exterior α: absortância à radiação solar da face externa do elemento de vedação I: radiação solar incidente no elemento he: coeficiente de troca de calor combinado convecção+radiação, na face

externa do elemento de vedação.

CTsolar Carga térmica devido a radiação solar direta:

ID = radiação direta incidente sobre o vidro: τD = transmissividade do vidro à incidência solar direta: AV = área do vidro sujeito à radiação solar direta.

2 Carga Térmica

CTinterna Carga térmica gerada internamente:

ASHRAE (2009))

CTpessoas = taxa de calor dissipado * número de pessoas

2 Carga Térmica

CTequipamentos + CTiluminação

ASHRAE (2009)

CTequipamentos = taxa de calor dissipado * número de equipamentos

CTiluminação = taxa de calor dissipado * número de lâmpadas

2 Carga Térmica

CTRENOVAÇÃO

mren = vazão de ar de renovação (kg/s) cp = calor especifico do ar (kJ/kg ͦC) Texterna = temperatura externa do ar externo de renovação ( ͦC) Tinterna = temperatura interna de conforto térmico ( ͦC) hlv = entalpia líquido-vapor (kJ/kg) wexterna = umidade absoluta do ar externo de renovação(kg/kg ar seco) winterna = umidade absoluta do ar interno de conforto térmico (kg/kg ar seco)

2 Carga Térmica

2 Carga Térmica

Q = vazão volumétrica de ar insuflado Δp= diferença de pressão = rendimento do ventilar

Q = vazão volumétrica de ar insuflado (m3/s) = massa específica do ar (kg/m3) cp = calor específico do ar (kj/kg( ͦC)

Para determinar a vazão:

CTEQUIPAMENTO soma algébrica da carga do ambiente, renovação e ventilador:

2 Carga Térmica

Divide o valor total da carga térmica por 3520 W para obter o valor da carga em TR = tonelada de refrigeração (energia necessária para que 1000 kg (1tonelada) de água a 0 ͦC passa de água para gelo em 24 horas.

1TR = 12.000 Btu/h (British Thermal Unit).

• Detalhado: Necessário programas de simulação do comportamento térmico da

edificação, tais como: NBSLD (Kusuda, 1976), BLAST (Pedersen et al., 1993), ESP-r (Clarke, 1993), DOE (birdsall, et al., (1994).

EnergyPlus é o mais utilizado.

• Intermediário: Utilizam fatores que tentam reproduzir o efeito do armazenamento

térmico dos componentes radiante dos ganhos de calor e da natureza transitória da condução de calor nos elementos de vedação.

Método das CLTD/CLF:

2 Carga Térmica

CLTD = diferença de temperatura equivalente entre o ambiente interno e externo, na qual está embutido o efeito de condução de calor e sua conversão em carga térmica.

CLF = fator de ponderação para conversão da componente radiante dos ganho de calor em carga térmica, especifico para cada fonte de energia radiante.

(Hernandez Neto et al. 1999)

• Comparação dos métodos:

3 Ciclo de Refrigeração

Componentes do ciclo de refrigeração:

3 Ciclo de Refrigeração

Processos do ciclo de refrigeração • Evaporação: Etapa onde o fluido refrigerante entra na serpentina como

uma mistura predominantemente líquida, com baixa pressão e temperatura, e absorverá calor (carga térmica) do ar forçado pelo ventilador que passa entre os tubos. Ao receber calor, o fluido vaporiza-se.

• Compressão: O fluido refrigerante em forma de vapor é comprimido por meio de um compressor elevando a pressão e a temperatura (calor de compressão).

• Condensação: Etapa onde ocorre a rejeição de calor do ciclo. No condensador o vapor perde calor para o meio condensante (ar ou água) e sai do condensador na forma líquida.

• Expansão: Etapa onde ocorre uma perda de pressão brusca, porém controlada, que vai reduzir a pressão do fluido

4 Eficiência Energética

Dada pelo coeficiente de desempenho (COP) que a relação entre o calor trocado no evaporador , QL, (carga térmica do equipamento) e a energia gasta no compressor, W, isto é:

• COP de “chiller” a água é da ordem de 4,5 a 5 (sem bomba e torre), 3 a 3,5 com bomba e torre de resfriamento.

• COP de “chiller”a ar 2,5 a 3,5

5 Tipos de Sistemas

Expansão direta;

Ar condicionado de janela (ACJ)

0,6 a 3 TR

Vantagens: custo baixo, controle individual,não necessita de área de piso.

Desvantagens: elevado consumo de energia, vida útil reduzida, elevado nível de ruído, impacto na fachada, distribuição de ar ineficiente, baixa qualidade de filtragem, não permite a renovação de ar com controle.

Aplicações: residências, salas comerciais , etc.

Expansão direta;

Split system

0,6 a 5 TR

Vantagens:funcionamento e controle individualizado, não necessita de área de piso, baixo nível de ruído.

Desvantagens: idem o aparelho de janela.

Aplicações:residências, hotéis, pequenos prédios comercias, escolas, lojas e restaurantes.

5 Tipos de Sistemas

5 Tipos de Sistemas

Expansão direta;

Self containeds com condensador remoto (5 a 40 TR)

Vantagens: independência de operação, tecnologia simples.

Desvantagens: consumo de energia, nível de ruído, controle de temperatura on-off por zona, condições psicrométricas pré-definidas.

Aplicações: agências bancárias, pequenos escritórios, lojas, restaurantes.

5 Tipos de Sistemas

Fluxo de refrigerante variável (VRV ou VRF);

Vantagens; controle de temperatura e funcionamento individualizado, diversos modelos de evaporadoras

Desvantagens: custo elevado, condições psicrométrica pré-definidas, tecnologia importada.

Aplicações: residências de alto padrão, hotéis.

CHILLER

FANCOIL

5 Tipos de Sistemas

Expansão indireta (água gelada)

Principais características ;

CAG;

Casa de máquina;

Fancoil;

Rede de dutos;

Vantagens:

Alta eficiência energética, manutenção centralizada, longa vida útil, menor nível de ruído interno, permite o dimensionamento em função das características psicrométricas do local.

Desvantagens:

Custo inicial elevado, área de piso.

Principais aplicações;

Edifícios comerciais de grande porte, shopping, hospitais, indústrias, etc.

6 Equipamentos

6 Equipamentos

6 Equipamentos

6 Equipamentos

(Fonte: G.E.O., 2011, adaptado).

Geotermia:

6 Equipamentos

7 Distribuição de ar

Pelo teto: - Volume de ar constante (VAC) - Volume de ar variável (VAV)

7 Distribuição de ar

Pelo piso:

7 Distribuição de ar

8 Referências bibliográficas

ASHRAE. Handbook of Fundamentals, American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, 2009. ASHRAE 55. Thermal environmental conditions for human occupancy, American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, 2004.

Hernandez Neto, A.; Tribess, A.; Vittorino, F. Análise comparativa de cálculos de carga térmica, XV Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica, Águas de Lindóia, SP. 1999. GEOTHERMAL EXCHANGE ORGANIZATION. (2011). Apresentação: Geothermal Heat Pumps: Harnessing On-Site Renewable Energy to Meet Energy-Efficiency and Climate Change Goals. Recuperado em 8 de julho, 2011, de http://www.geoexchange.org/index.php?option=com_phocadownload&view=category&id=15:igshpa-conference-presentations&Itemid=182.

ISO 7730. Ergonomics of the thermal environment – Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices na local thermal criteria. International Organization for Standardization, Geneva, 2005. NBR 16401 (2008) – Instalações centrais de ar condicionado – Sistemas centrais e unitários: Parte 1 – Projeto das instalações, Parte 2 – Parâmetros de conforto térmico, Parte 3 – Qualidade do ar interior. NBR 16401: 2008. Associação Brasileira de Normas técnicas, Rio de Janeiro.

8 Referências bibliográficas

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