SELEÇÃO E ESPECIFICAÇÃO DE UM SISTEMA DE …

Eduardo Vinicius Storti

SELEÇÃO E ESPECIFICAÇÃO DE UM SISTEMA DE

CONDICIONAMENTO DE AR PARA SUPRIR A

DEMANDA TÉRMICA DE UM AUDITÓRIO

Centro Universitário Toledo

Araçatuba

2015

Eduardo Vinicius Storti

SELEÇÃO E ESPECIFICAÇÃO DE UM SISTEMA DE

CONDICIONAMENTO DE AR PARA SUPRIR A

DEMANDA TÉRMICA DE UM AUDITÓRIO

Centro Universitário Toledo

Araçatuba

2015

Trabalho de Graduação apresentado à

Faculdade Unitoledo, para cumprimento

de requisito para obtenção do Grau de

Engenheiro Mecânico, sob orientação do

Prof. Lucas Mendes Scarpin.

Agradecimentos

Antes de qualquer um, agradeço primeiramente a Deus, por ter me dado forças nas

horas que precisei, confiei nele e a vitória chegou.

Aos meus pais, Edson e Maria, ao meu irmão Luis Tiago e ao meu Tio Sérgio que me

deram uma ótima formação, sempre me apoiaram e incentivaram os meus estudos cada um de

sua forma, fazendo com que eu pudesse me esforçar e dar o melhor de mim.

A minha namorada e futura esposa Gimely que nos momentos difíceis entendeu minha

ausência sempre me apoiando e me fazendo acreditar que era possível. Aos meus pastores

Waldir e Gisele que não se esqueceram de mim em suas orações e sempre me incentivaram.

Ao meu orientador, Prof. Lucas Mendes Scarpin, pela paciência, dedicação, incentivo

e sabedoria que muito me auxiliou para a conclusão deste trabalho.

A todos os professores do corpo docente, que me ensinaram, incentivaram e ajudaram,

contribuindo assim, para que eu pudesse crescer.

RESUMO

O principal objetivo deste trabalho é calcular a carga térmica total necessária a ser

retirada do ambiente de um auditório para que o mesmo esteja dentro da zona de conforto. O

trabalho mostra todas as características influentes no aumento da carga térmica do local e

como calculá-las, tais como, características específicas da construção, orientação geográfica

da construção, quantidade de pessoas máxima e equipamentos instalados no local estudado.

São mostrados todos os dados de entrada e como encontrá-los através de leituras, colhidas por

meio de aparelhos no local, como bússola e termopar, e também através de tabelas

encontradas através de estudos já feitos e que se encontram disponíveis em livros. A carga

térmica total encontrada será usada em trabalhos futuros para o dimensionamento de um novo

sistema de condicionamento de ar e assim comparado ao atual sistema já instalado no

auditório da Instituição.

Palavras-chave: Carga térmica, Conforto térmico, Sistema de condicionamento de ar.

ABSTRACT

The main objective of this work is to calculate the total thermal load required to be

removed from the environment of an auditorium for which the same is within a zone of

comfort. The work shows all characteristics influence in the increase of the thermal load site

and how to calculate them, such as the specific characteristics of the construction,

geographical orientation of construction, maximum amount of people and equipment installed

on site studied. Are shown all input data and how to find them through readings, harvested by

means of appliances on site, as compass and thermocouple, and also through the tables found

through studies already made and which are available in books. The total thermal load found

will be used in future studies for sizing a new air conditioning system and thus compared to

the current system already installed in the auditorium of the institution.

Keywords: Thermal Load , Thermal comfort , The air conditioning system .

Sumário

1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 7

2. OBJETIVO ............................................................................................................... 10

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................. 11

4. ESTUDO DE CASO ................................................................................................ 12

5. EQUACIONAMENTO ............................................................................................ 14

5.1. Condução térmica .............................................................................................. 14

5.2. Convecção térmica ............................................................................................. 15

5.3. Radiação térmica ................................................................................................ 16

5.4. Resistência térmica ............................................................................................ 17

5.4.1. Resistência térmica de condução ................................................................ 17

5.4.2. Resistência térmica de convecção .............................................................. 18

5.4.3. Resistência térmica de radiação .................................................................. 19

5.4.4. Associação das resistências térmicas em série e em paralelo ..................... 20

5.5. Coeficiente global de transferência de calor ...................................................... 21

5.6. Carga devida à Insolação ................................................................................... 22

5.6.1. Transmissão de calor através de superfícies transparentes ......................... 22

5.6.2. Transmissão de calor solar através de superfícies opacas .......................... 23

5.7. Carga devido às pessoas ..................................................................................... 24

5.8. Carga devido aos equipamentos ......................................................................... 25

5.9. Carga devido à infiltração .................................................................................. 26

5.10. Carga devido à ventilação ................................................................................ 28

5.11. Carga térmica total e o coeficiente de segurança ............................................. 29

6. RESULTADOS ........................................................................................................ 30

6.1. Áreas das paredes que trocam calor com outro meio ......................................... 33

6.2. Carga térmica devida à condução ...................................................................... 34

6.2.1. Resistências térmica da parede ................................................................... 35

6.2.2. Resistências térmica do teto ........................................................................ 36

6.2.3. Coeficiente global de transmissão de calor da parede e do teto ................. 38

6.3. Carga térmica devido à insolação ...................................................................... 40

6.4. Carga térmica devido às pessoas. ....................................................................... 43

6.5. Carga térmica devido aos equipamentos ............................................................ 44

6.6. Carga térmica devido à infiltração ..................................................................... 44

6.7. Carga térmica devido à ventilação ..................................................................... 46

6.8. Carga térmica total ............................................................................................. 48

7. CONCLUSÃO .......................................................................................................... 49

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 50

7

1. INTRODUÇÃO

Carga térmica é o estudo que revela o quanto de calor sensível ou calor latente deve

ser retirado de um ambiente fechado, para que assim haja o conforto térmico das pessoas

presentes no recinto. Por isso, é extremamente importante saber o valor total da carga térmica

para o dimensionamento de um equipamento de refrigeração ou climatização do ar.

Para o dimensionamento dos sistemas de climatização, é de extrema importância levar

em consideração os materiais utilizados na construção desses ambientes, orientação da

edificação, estudo da ventilação e da insolação e ganhos e perdas térmicas, além disso, o

corpo humano emite calor pelo fato de nosso metabolismo estar trabalhando, por isso a

adaptação do corpo humano no ambiente refrigerado dificulta ainda mais no cálculo de

conforto térmico.

Para saber se uma pessoa está ou ficará em estado de conforto dentro de um ambiente

condicionado, é necessário o cálculo da carga térmica dentro das limitações do recinto e o

dimensionamento do equipamento de climatização de acordo com esse cálculo.

Instalações de ar condicionado no Brasil, seguem regras da Norma Brasileira NBR-

6401 (Instalações centrais de ar condicionado para conforto), que traz especificações técnicas

sobre conceitos fundamentais na elaboração de projetos, garantias e aceitação, na prática de se

instalar ar condicionado. Condicionar o ar em um local significa que, independente das

características exteriores, deve-se submeter o ar interior a condições desejadas, referente ao

objetivo buscado (CREDER, 2004).

Na teoria, o funcionamento de um ar condicionado ideal pode ser representado por um

ciclo de Carnot de refrigeração, onde o evaporador do ciclo permite a remoção de calor do

meio a ser refrigerado.

O calor sensível é a quantidade de energia térmica acrescentada ou retirada de um

ambiente, em função do gradiente de temperatura entre o meio externo e o interno, com o

objetivo de promover um conforto desejado. A transferência de calor pode ocorrer por meio

dos mecanismos de condução, convecção e radiação.

Calor latente é o responsável pela mudança de estado de uma substância, sem alterar

sua temperatura. É o calor presente, por exemplo, enquanto a água evapora, mudando seu

estado de líquido para vapor.

8

Sempre que houver um diferencial de temperatura entre um ou mais meios,

consequentemente haverá transferência de calor e há três modos de o calor se transferir de um

meio para outro: condução, convecção e radiação.

Quando há um gradiente de temperatura em um meio estacionário, sólido ou fluido,

usa-se o termo condução para se referir à transferência de calor que houver por esse meio. Em

contraste à condução, a convecção é a forma de transferência de calor entre um fluido em

movimento e uma superfície, enquanto estiverem a diferentes temperaturas. Outro modo de

transferência de calor é a radiação térmica, onde todas as superfícies com temperatura não

nula transmitem energia na forma de ondas eletromagnéticas, com isso, quando não há um

meio interposto, existe transferência de calor líquida entre as superfícies com temperaturas

diferentes (INCROPERA, 2014).

Umidade relativa é a relação existente entre a umidade absoluta, que é a quantidade de

vapor presente em uma mistura, e a umidade máxima absoluta, quando o ar estiver saturado

de vapor, gerando assim um percentual de umidade no ar.

A temperatura de bulbo seco é a temperatura do ar ambiente, enquanto que a

temperatura de bulbo úmido é encontrado diretamente pela quantidade de umidade do ar.

A psicometria é o ramo da ciência que se dedica à análise de propriedades físicas e

termodinâmicas das misturas entre gases e vapor e suas aplicações práticas. Para auxiliar na

obtenção de valores destas propriedades, existe uma ferramenta chamada carta psicométrica

que funciona de maneira simples e com resultados precisos. Diante disso, a Figura 1

representa graficamente uma carta psicométrica.

9

Fig

ura

1. C

arta

psi

com

étri

ca

Fo

nte

: C

RE

DE

R (

20

04

).

10

2. OBJETIVO

O presente trabalho tem por objetivo a seleção e especificação de um sistema de

condicionamento de ar para suprir a demanda térmica de um auditório e, posteriormente,

efetuar uma comparação com o sistema atual que se encontra em funcionamento, a fim de se

propor melhorias, buscando uma redução no consumo de potência elétrica e, principalmente,

proporcionar conforto térmico aos usuários.

11

3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Existem diversas aplicações do cálculo da carga térmica, além de diversas

metodologias para se calcular essa variável de modo satisfatório. Com isso, será apresentada

uma breve revisão bibliográfica, apresentando diferentes trabalhos desenvolvidos na mesma

linha de pesquisa.

Rocha (2004) analisou e comparou os quesitos de conforto térmico entre dois edifícios

habitacionais multipavimentados, respondendo em questões de projetos diferentes, a

importância de alguns fatores como orientação geográfica do local e características

geométricas do edifício. Tais resultados mostraram que é totalmente importante o projeto de

construção ter a devida seleção dos materiais construtivos e implantação no terreno.

Padilha (2010) realizou um estudo para suprir as deficiências de um sistema de ar

condicionado do Salão de Atos da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, propondo um

novo sistema do tipo split. No dimensionamento da potência necessária para os equipamentos

desse novo sistema utilizou um software "EnergyPlus". Esse trabalho apresentou dados de

entrada para ser introduzido nesse software, tais como a geometria do prédio, seus parâmetros

construtivos, as cargas térmicas internas, horários de uso, condições climáticas da cidade onde

o estudo foi feito e o modelo do sistema de ar condicionado proposto, chegando assim, em

resultados que mostraram potências de resfriamento razoáveis e dentro do esperado, ainda que

menores ao do sistema que estava instalado.

Lopes (2013) desenvolveu um projeto de comparação entre métodos diferentes para o

cálculo da carga térmica de um mesmo local com mesmas condições climáticas através de

dois softwares diferentes: Energy Plus e HvacLoadExplorer v1.1.3. A comparação permitiu

mostrar as diferenças nos cálculos e a complexidade de um software comparado ao outro.

12

4. ESTUDO DE CASO

Com capacidade para cerca de 310 pessoas, o auditório “Damásio Evangelista de

Jesus”, localizado no prédio I da Faculdade UNITOLEDO, situado na Rua Antônio Afonso de

Toledo, 595, na cidade de Araçatuba - SP. Se trata do local onde se realizam as sessões

solenes de colação de grau, palestras organizadas pelos cursos ou pela Instituição e outros

eventos acadêmicos e culturais.

O local possui um sistema de condicionamento de ar que foi instalado em sua última

reforma. As dimensões do auditório são 25,85 m x 14,2 m x 3,4 m, o palco tem altura de 0,4

m, referenciado a partir do chão. O local conta com um sistema de iluminação que é composto

por 102 lâmpadas fluorescentes, outras medidas são encontradas a partir da planta baixa, que

segue apresentada pela Figura 2.

13

Figura 2. Planta baixa do auditório.

Fonte: Próprio autor.

14

5. EQUACIONAMENTO

Neste capítulo será apresentado todo o equacionamento empregado para a resolução

deste trabalho. Diante disso, foram apresentados os principais mecanismos de transferência de

calor e as cargas térmicas envolvidas, que são de suma importância para o projeto de um

sistema de condicionamento de ar.

5.1. Condução térmica

A condução de calor ocorre devido às interações entre as partículas de uma substância,

podendo ser interpretado como a transferência de energia de partículas mais energéticas para

as menos energéticas. Diante disso, temperaturas mais altas estão diretamente associadas às

energias moleculares mais elevadas (INCROPERA, 2014).

O fluxo de calor, apresentado pela Eq. (1), é proporcional ao gradiente de temperatura.

Além disso, é possível observar o comportamento desse mecanismo de transferência de calor,

ao longo de uma parede plana, através da Figura 3.

(1)

sendo,

: fluxo de calor por condução na direção x [W/m²];

: condutividade térmica do material [W/(m.K)];

: gradiente de temperatura na direção x [K/m].

15

Figura 3. Transferência de calor unidimensional por condução.


5.2. Convecção térmica

A convecção de calor corresponde à transferência de energia que ocorre no interior de

um fluido, devido à combinação dos efeitos da condução e do escoamento global ou

macroscópico do fluido (INCROPERA, 2014).

O fluxo de calor, apresentado pela Eq. (2), é proporcional à diferença entre as

temperaturas da superfície e ambiente. O comportamento desse mecanismo de transferência

de calor pode ser visto através da Figura 4.

(2)

sendo,

: fluxo de calor por convecção [W/m²];

: coeficiente de transferência de calor por convecção [W/(m².K)];

: temperatura superficial da parede [K];

: temperatura ambiente [K].

16

Figura 4. Transferência de calor por convecção.


5.3. Radiação térmica

A radiação térmica se refere à energia emitida por toda matéria que se encontra em

uma temperatura acima do zero absoluto. Essa energia é transportada através de ondas

eletromagnéticas, de um corpo a outro (INCROPERA, 2014).

Diferentemente dos demais mecanismos, a radiação ocorre mesmo sem a presença de

um substrato entre os corpos que se interagem, ou seja, não há a necessidade de matéria entre

ambos. A Eq. (3) apresenta uma metodologia para se quantificar o fluxo de calor por radiação

e, seguindo a mesma linha, a Figura 5 representa esse mecanismo.

(3)

É conveniente aplicar a eq. (4) em casos onde se possui o coeficiente de transferência

de calor :

(4)

sendo,

: fluxo de calor por radiação [W/m²];

: emissividade superficial;

17

: constante de Stefan-Boltzmann [ W/(m².K4)];

: temperatura da vizinhança [K];

: temperatura da superfície [K];

: coeficiente de transferência de calor por radiação [W/(m².K)].

Figura 5. Transferência de calor por convecção.


5.4. Resistência térmica

Há uma analogia entre difusões de calor e de carga elétrica, pois, da mesma forma que

a resistência elétrica está associada à transferência de eletricidade, na transferência de calor,

também há uma resistência térmica que é disposta semelhantemente ao do sistema elétrico

(INCROPERA, 2014).

5.4.1. Resistência térmica de condução

Seguindo a analogia, a Figura 6 representa o mecanismo de transferência de calor por

condução, abordado via teoria de resistência térmica. Com isso, a resistência térmica de

condução unidimensional em uma parede plana é apresentada pela Eq. (5) e, portanto, a taxa

de transferência de calor pode ser quantificada através da Eq. (6).

18

Figura 6. Resistência de condução.


(5)

sendo,

: resistência térmica de condução [K/W];

: espessura do material [m];

: condutividade térmica do material [W/(m.K)];

: área da seção transversal do material normal ao fluxo de calor [m²].

Com isso, tem-se:

(6)

sendo,

: taxa de transferência de calor por condução [W];

: diferença de temperatura entre os meios [K];

: resistência térmica de condução [K/W].

5.4.2. Resistência térmica de convecção


convecção, abordado via teoria de resistência térmica. Com isso, a resistência térmica de

convecção em uma parede plana é apresentada pela Eq. (7) e, portanto, a taxa de transferência

de calor pode ser quantificada através da Eq. (8).

19

Figura 7. Resistência de convecção.


(7)

sendo,

: resistência térmica de convecção [K/W];

: coeficiente de transferência de calor por convecção [W/(m².K)];


Diante disso, tem-se que:

(8)

sendo,

: taxa de transferência de calor por convecção [W];


: resistência térmica de convecção [K/W].

5.4.3. Resistência térmica de radiação


radiação, abordado via teoria de resistência térmica. Com isso, a resistência térmica de

radiação em uma parede plana é apresentada pela Eq. (9) e, portanto, a taxa de transferência

de calor pode ser quantificada através da Eq. (10).

20

Figura 8. Resistência de radiação.


(9)

sendo,

: resistência térmica de radiação [K/W];

: coeficiente de transferência de calor por radiação [W/(m².K)];


Portanto, tem-se:

(10)

sendo,

: taxa de transferência de calor por radiação [W];


: resistência térmica de radiação [K/W].

5.4.4. Associação das resistências térmicas em série e em paralelo

Uma parede composta, utiliza um sistema mais complexo da disposição das

resistências. Tais paredes podem conter uma quantidade qualquer de resistências térmicas que

estejam dispostas tanto em série quanto em paralelo. Com isso, há maneiras diferentes de se

encontrar o valor total de resistência térmica de um sistema que possui uma composição em

série e outro que possui uma composição em paralelo (INCROPERA, 2014).

21

Para se encontrar o valor total da somatória das resistências em série e em paralelo,

respectivamente, tem-se apresentadas as Eqs. (11) e (12):

(11)

(12)

sendo,

: resistência térmica total de um sistema de associações em série [K/W];

: resistência térmica total de um sistema de associações em paralelo

[K/W];

: resistência térmica pontual que integra o somatório [K/W].

5.5. Coeficiente global de transferência de calor

O coeficiente global de transmissão de calor, é o mesmo que o inverso resistência

térmica total que o sistema oferece à transferência de calor, conforme apresentado pela Eq.

(13) .

(13)

sendo,

: coeficiente global de transmissão de calor [W/(m².K)];

: área da seção transversal do material normal ao fluxo de calor [m²];

: resistência total dos materiais no fluxo de calor [K/W].

Chegando assim a uma expressão global para o cômputo da transferência de calor,

conforme segue apresentada pela Eq. (14):

22

(14)

sendo,

: taxa de transferência de calor total [W];

: área da seção transversal normal ao fluxo de calor [m²];

: coeficiente global de transmissão de calor [W/(m².K)];

: diferença de temperatura entre os meios [K].

5.6. Carga devida à Insolação

A energia solar é a mais poderosa energia que o espaço superficial da Terra recebe do

Universo. Esse tipo de energia é bastante influente no cálculo da carga térmica para

dimensionamento do ar condicionado, e está presente na forma de convecção e radiação.

A energia de radiação solar tem a capacidade de se introduzir em recintos através de

absorção, em geral, quanto menos brilhante for a superfície refletora maior é a quantidade

energética introduzida no ambiente interno de um local, tendo assim a quantidade de calor

sensível que é transmitido. A temperatura em tetos e paredes pode ser alteradas devido alguns

fatores: Coordenadas geográficas, tipo da construção, cor e rugosidade da superfície,

inclinação dos raios solares (muda de acordo com a época do ano e da hora estudada) e a

refletância da superfície (CREDER, 2004).

5.6.1. Transmissão de calor através de superfícies transparentes

Há uma diferença na transmissão de calor entre um meio opaco e um meio

transparente. Embora se consiga estimar com certa precisão a quantidade de calor que é

emitida pelo sol para a superfície, através da radiação e convecção, a quantidade que penetra

nos recintos não é totalmente conhecida. Por isso, é possível obter estimativas satisfatórias

com base em estudos já realizados. O potencial de energia radiante incidente em superfície

transparente, oriunda do sol, pode ser dividida em três grupos:

refletida (q1);

absorvida pelo vidro (q2);

23

atravessa o vidro, entrando assim no cálculo da carga térmica (q3).

Figura 9. Transmissão de calor solar através do vidro

Fonte : CREDER (2004).

O cálculo do calor que penetra ao recinto através de superfícies transparentes é dado

como:

(15)

sendo,

: taxa de calor que é penetrado ao recinto por meio de superfície transparente

[kcal/h];

: área da janela [m²];

: fator solar [kcal/(h.m²)].

5.6.2. Transmissão de calor solar através de superfícies opacas

A transmissão de calor solar que penetra no interior de recintos através de paredes,

lajes e telhados por condução e convecção são dados pela seguinte equação:

(16)

24

sendo,

: taxa de calor transferido para o meio interior [kcal/h];

: área da superfície [m²];

: coeficiente global de transmissão de calor [kcal/(h.m².ºC)];

: temperatura do meio exterior [ºC];

: temperatura do meio interior [ºC];

: acréscimo ao diferencial de temperatura[ºC].

5.7. Carga devido às pessoas

É fato que todo ser humano consegue emitir calor sensível e também calor latente,

variando o nível de atividade que o corpo esteja realizando no momento. Se um indivíduo

estiver submetido a um tipo de atividade física exigente, o corpo humano pode emitir até

cinco vezes mais calor do que um indivíduo que esteja em repouso (CREDER, 2004).

Com experimentos pode se verificar que quanto maior a temperatura na superfície do

corpo humano, maior é a quantidade de calor latente emitido para o meio ambiente, e

inversamente, quanto menor a temperatura na superfície do corpo humano, maior é a emissão

de calor sensível ao ambiente (CREDER, 2004).

Isso pode ser explicado pelo fato que o organismo possui um sistema termostático que

atua juntamente com o metabolismo, mantendo assim a temperatura do corpo humano num

nível constante, próximo de 37ºC. Por isso, se a temperatura exterior estiver acima da média

normal do corpo humano, ou seja, acima de 37ºC, é eliminado vapor d'água pela respiração

devido ao fato do calor ser introduzido do meio exterior para o corpo, consequentemente,

gerando a transpiração e, nessa ocasião, o corpo emite apenas calor latente (CREDER, 2004).

Por outro lado, quando meio exterior tem uma temperatura abaixo de 16,6ºC, a

transferência de calor se dá ao sentido do corpo humano para o meio em que está, gerando

assim somente calor sensível. Dentro dessa faixa de temperatura (16,6ºC e 37ºC), o corpo

humano emite um calor total constante, que é calor latente e calor sensível (CREDER, 2004).

Após encontrar os valores de calor sensível e latente liberados por pessoa, basta

multiplicar pelo número de ocupantes no recinto, conforme as equações:

25

Para o calor sensível, tem-se a Eq. (17):

(17)

Por outro lado, para o calor latente, tem-se a Eq. (18), conforme:

(18)

sendo,

: taxa de calor sensível adicionado a carga térmica devido às pessoas

[kcal/h];

: taxa de calor latente adicionado a carga térmica devido às pessoas [kcal/h];

: taxa de calor sensível liberado por uma pessoa [kcal/h];

: taxa de calor latente liberado por uma pessoa [kcal/h];

: número de pessoas total no recinto.

5.8. Carga devido aos equipamentos

Dentro desse item, podem ser citados vários componentes que, quando em operação,

proporcionam um aumento da carga térmica do local, ou seja, dissipam calor para o meio,

como eletrodomésticos, lâmpadas, motores, aparelhos eletroeletrônicos, dentre outros. No

caso analisado, será considerada apenas influência da potência térmica dissipada pelo sistema

de iluminação.

Diante disso, há uma diferença quando a lâmpada estudada for fluorescente e quando

for incandescente. Essa diferença deve ser contemplada pelo fato de que a lâmpada

fluorescente precisa de um componente elétrico adicional para seu funcionamento, o qual é

conhecido como reator, adicionando cerca de 20% de carga térmica (CREDER, 2004).

Iluminação incandescente:

(19)

26

Iluminação fluorescente:

(20)

sendo,

: carga térmica devido à iluminação [kcal/h];

: potência total das lâmpadas [W];

: fator devido ao reator.

5.9. Carga devido à infiltração

Conforme o ar se movimenta na parte externa do recinto, possibilita a penetração

através das frestas de portas, janelas ou por outras pequenas aberturas. Com essa penetração,

tem-se o aumento da carga térmica sensível ou latente. Esse acréscimo de calor pode ser

quantificado, com certa precisão, através da seguinte expressão:

(21)

sendo,

: taxa de calor sensível transferido [kcal/h];

: massa de ar transferido por hora [kg/h];

: calor específico do ar [kcal/(kg.ºC)];

temperatura externa [ºC];

: temperatura interna do recinto [ºC].

A troca de ar pode ser definida como renovar todo ar contido em um ambiente por

hora, aumentando o ar do recinto com o ar exterior. Essa troca por hora é relacionada

diretamente com a quantidade de paredes que há janelas ou portas que estejam para o meio

exterior.

27

Com a troca de ar definida, basta calcular o volume total do recinto e multiplicar pela

quantidade de trocas por hora, chegando a uma vazão ar em m³/h:

(22)

sendo,

: vazão de ar [m³/h];

: volume do recinto [m³];

: trocas de ar por hora no recinto [1/h].

Determinado a quantidade de vazão de ar, é necessário entender que em 1,0 kg de ar, o

volume ocupado é de 0,833 m³ em condições normais e como o calor específico do ar, nas

mesmas condições, é de 0,24 kcal/(kg.ºC), se tem o seguinte desenvolvimento para chegar em

uma equação geral do calor sensível utilizando o ar, a qual segue:

sendo,

onde,

tem-se que,

(23)

Com o calor sensível já calculado, basta quantifica a taxa de calor latente transferida,

por meio da Eq. (26):

(24)

28

sendo,

: taxa de calor latente transferido [kcal/h];

: umidade específica do ar no interior [kg/kg];

: umidade específica do ar no exterior[kg/kg];

: densidade do ar [kg/m³];

vazão de ar [m³/h].

5.10. Carga devido à ventilação

No funcionamento do ciclo de refrigeração, o ar que está no ambiente refrigerado,

retorna ao equipamento de refrigeração pelo ventilador que é dimensionado a vencer as perdas

de cargas estáticas e dinâmicas oferecidas em todo o circuito do ar. Uma parte desse ar, que

deveria retornar ao equipamento, é perdido devido a aberturas ou frestas em janelas e portas,

precisando ser completada pelo ar externo, sem nenhum tipo de refrigeração, além do ar

necessário para as pessoas que estiverem no local (CREDER, 2004).

Para o cálculo do calor sensível e latente devido à ventilação, deve-se levar em

consideração o dado tabelado, referente ao ambiente analisado, assim como o número total de

pessoas que estarão dentro do recinto. A Eq. (25) apresenta uma metodologia direta para se

quantificar essa carga térmica.

(25)

sendo,

: vazão volumétrica de ar total [m³/h];

: número de pessoas total no recinto;

: ar exterior que se mistura ao ar interior [m³/(h.pessoa)].

Após encontrar o valor da vazão mássica de ar total, basta utilizar novamente a Eq.

(23) e a Eq. (24), que foram definidas para encontrar as respectivas cargas térmicas:

29

para a taxa de calor sensível:

para a taxa de calor latente:

5.11. Carga térmica total e o coeficiente de segurança

Uma vez conhecidas as cargas térmicas devido à condução, insolação, pessoas,

equipamentos, infiltração e ventilação, basta somar os valores de calor sensível e calor latente

para cada item e, ao final do processo, somam-se ambas as parcelas. Para atender a possíveis

eventos inesperados, é necessário acrescentar mais 10% de todo esse calor como uma medida

de segurança, conforme apresentado pela Eq. (28).

(26)

sendo,

: taxa de transferência de calor total para dimensionamento do equipamento

condicionador de ar [kcal/h];

: taxa de calor sensível total [kcal/h];

: taxa de calor latente total [kcal/h].

30

6. RESULTADOS

A partir de dados recolhidos através de aparelhos de medição ou orientação, consultas

à bibliografia, analisando gráficos e tabelas, têm-se os dados de entrada para o cálculo da

carga térmica. Com auxílio de uma bússola, foi encontrado a orientação geográfica, sendo

disposto o auditório da seguinte forma, apresentado pela Figura 10.

Figura 10. Orientação geográfica do auditório


Para estudos mais precisos é determinado a temperatura do interior do auditório e da

sua umidade relativa de acordo com tabelas de estudos anteriores, sendo assim os valores de

respectivos são TBS = 25ºC e UR = 55%, conforme estipulado dentro da zona de conforto

térmico pela Figura 11 e também a temperatura de bulbo seco e bulbo úmido no ambiente

externo, respectivamente TBS = 35ºC e TBU = 26,5ºC conforme a média dos valores obtidos

na Tabela 1, além disso, informações sobre materiais, especificações de potências e outras

características importantes serão previamente estipulados .

31

Figura 11. Gráfico para conforto em ambientes internos.

Fonte : CREDER (2004).

32

Para o meio exterior, as temperaturas colhidas no mês de outubro, um dos mais

quentes do ano de 2015, do dia 1º de outubro ao dia 17 de outubro, seguem apresentadas na

Tabela 1.

Tabela 1. Temperaturas encontradas para cada dia do mês de Outubro de 2015.

Dia Temperatura [ºC]

1º 36

2º 38

3º 29

4º 30

5º 34

6º 36

7º 38

8º 37

9º 38

10º 27

11º 31

12º 30

13º 34

14º 38

15º 39

16º 39

17º 41

Fonte: ACCUWEATHER (2015).

Com esses valores, é possível alcançar uma média de temperatura durante esse período

e, com isso, se tem um dado mais representativo, o qual será empregado nos cálculos a seguir.

Além disso, vale ressaltar que no dia 25 de Outubro, foi medido a temperatura através de um

termopar e, portanto, a temperatura encontrada foi de 35 ºC, mesma temperatura que a fonte

utilizada divulgou, tornando viável sua utilização.

33

Figura 12. Medição da temperatura através de termopar.


6.1. Áreas das paredes que trocam calor com outro meio

Neste item, serão apresentadas as metodologias para se quantificar as áreas das

paredes, do teto, das portas e janelas.

Área das paredes que trocam calor com ambiente interno ( ):

Área das janelas que trocam calor com o meio externo ( ):

Área total do teto ( ):

34

Área total das portas de acesso ( ):

Área das paredes que trocam calor com ambiente externo ( ):

6.2. Carga térmica devida à condução

Considerando que as paredes do auditório são compostas por: reboco externo, bloco de

argila de uma vez e reboco interno. Em seguida, será considerado que o teto possui um

sistema de isolamento térmico, feito por placas de isopor. A Tabela 2 apresenta a

condutividade térmica desses materiais, assim como a espessura de cada um deles.

O coeficiente de transferência de calor por convecção médio depende de inúmeros

fatores, como certas características do fluido, velocidade e direção do vento, dentre outros.

Diante disso, a Tabela 3 ilustra os valores variados de acordo com a velocidade do vento e é

usado no cálculo da resistência térmica oferecida por convecção.

Tabela 2. Condutividade térmica e espessura dos materiais.

Material [kcal/h.m.ºC] [m]

Reboco 0,0478 0,02

Bloco de argila de uma vez 0,8598 0,14

Isopor 0,026 0,02

Fonte: CREDER (2004).

35

Tabela 3. Tabela de coeficiente convectivo médio de acordo com a velocidade do ar

Velocidade do ar [km/h] [kcal/h.m².ºC]

Parado 7,13 a 7,96

12 19,5

24 29,3


6.2.1. Resistências térmica da parede

Inicialmente, a Figura 13 ilustra a disposição dos componentes estruturais da parede,

assim como o comportamento da temperatura ao longo da espessura. Em seguida, a Figura 14

apresenta a associação das resistências térmicas para a resolução do problema.

Figura 13. Esboço do decréscimo de temperatura nas paredes.


Figura 14. Associação em série das resistências térmicas da parede.


36

Conforme o esboço da Figura 14, é possível observar que as resistências térmicas

estão associadas em série e, por consequência, é possível reescrever a Eq. (11), sem levar em

consideração as áreas, visto que são as mesmas para todos os mecanismos de transferência de

calor. Diante disso, tem-se equacionamento para a resistência térmica da parede, para o

problema em questão:

onde,

: somatório das resistências térmicas da parede [(h.m².ºC)/kcal];

: coeficiente convectivo do ar no meio exterior [kcal/h.m².ºC];

: coeficiente convectivo do ar no meio interior [kcal/h.m².ºC];

: espessura do material (reboco) no meio externo da parede [m];

: espessura do material (reboco) no meio interno da parede [m];

: espessura do material (bloco de argila) da parede [m];

: condução térmica do reboco [kcal/(h.m.ºC)];

: condutividade térmica do bloco de argila [kcal/(h.m.ºC)].

Para o caso de estudo, tem-se o seguinte desenvolvimento:

6.2.2. Resistências térmica do teto

Neste caso, a Figura 15 ilustra a disposição dos componentes estruturais do teto, assim

37

como o comportamento da temperatura ao longo de sua espessura. Em seguida, a Figura 16

apresenta a associação das resistências térmicas para a resolução do problema.

Figura 15. Esboço do decréscimo de temperatura no teto.


Figura 16. Associação em série das resistências térmicas do teto.


Conforme o esboço da Figura 16, se tem equacionamento da resistência térmica no

teto, como segue:

onde,

: somatória das resistências térmicas do teto [(h.m².ºC)/kcal];

: coeficiente convectivo do ar entre o telhado e laje [kcal/h.m².ºC];

: coeficiente convectivo do ar no meio interior [kcal/h.m².ºC];

38

: espessura do material (isopor) no teto [m];

: condutividade térmica do isopor [kcal/h.m.ºC].

6.2.3. Coeficiente global de transmissão de calor da parede e do teto

O coeficiente global de transferência de calor pode ser encontrado por meio da Eq.

(13). Diante disso, é possível quantificar a carga térmica para as paredes e teto, seguindo:

Coeficiente global de transferência de calor, conforme a Eq. (13):

i) Paredes

ii) Teto

Carga térmica por condução total, conforme a Eq. (14):

i) Taxa de transferência de calor por condução nas paredes externas:

39

ii) Taxa de transferência de calor por condução nas paredes internas:

iii) Taxa de transferência de calor por condução nas janelas:

O valor do coeficiente global de transmissão de calor U para as janelas, esse valor é

tabelado de acordo com o tipo do vidro, conforme segue especificado através da Tabela 4.

Tabela 4. Coeficiente global de transmissão de calor para janelas

Janelas U

Janelas de vidros comuns 5,18


Com isso,

iv) Taxa de transferência de calor por condução no teto:

v) Taxa de transferência de calor total por condução:

40

6.3. Carga térmica devido à insolação

Antes de adentrar aos cálculos, certas informações primárias devem ser alcançadas,

como o coeficiente de transmissão de calor através de vidros (fator solar) e também o

acréscimo do diferencial de temperatura que são encontrados de acordo com a orientação

geográfica do prédio conciliada aos valores tabelados.

No caso do auditório, será utilizada a tabela de coeficientes de transmissão de calor

através de vidros para a latitude sul 22º 54', referente a cidade do Rio de Janeiro, devido ao

fato de não haver outras informações para cidades mais próximas a que está sendo estudada.

A época do ano foi definida no período de Outubro, um dos mais quentes do ano todo.

A parcela que penetra no recinto é o que interessa para o cálculo da carga térmica. Na

Tabela 5, são apresentados os valores de fator solar que foram coletados através de ensaios

para essa parcela. Neste caso, é suposto que a janela não tem proteção alguma, no caso do

auditório, as janelas são protegidas em sua superfície externa por uma camada de tinta da cor

clara e com característica opaca, tendo assim um coeficiente de redução no fator solar de

50%.

De acordo com a orientação geográfica, as paredes e janelas, nas quais ocorre

transferência de calor do meio externo para o interno, estão dispostas uma para o Norte e a

outra para o Sul. Com essas informações, é possível encontrar o fator solar para cada janela,

em suas respectivas posições nas paredes.

41

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Sola

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04

).

42

i) Carga térmica devido à insolação nas janelas:

ii) Com fator de correção, tem-se:

O acréscimo ao diferencial de temperatura pode ser encontrado por meio da Tabela 6,

conforme segue:

Tabela 6. Acréscimo ao diferencial de temperatura -

Cor

Superfície Escura Média Clara

ºF ºC ºF ºC ºF ºC

Telhado 45 25 30 16,6 15 8,3

Parede E ou O 30 16,6 20 11,1 10 5,5

Parede N 15 8,3 10 5,5 5 2,7

Parede S 0 0 0 0 0 0 Fonte: CREDER (2004).

Para esse caso, será utilizado a cor clara no telhado e nas paredes norte e sul, conforme

análise do local estudado. Portanto, tem-se que:

iii) Carga térmica devido à insolação nas paredes:

43

iv) Carga térmica devido à insolação total:

6.4. Carga térmica devido às pessoas.

A Tabela 7 apresenta os valores de calor sensível, latente e total liberado por pessoas,

de acordo com a temperatura em que estas se encontram.

Tabela 7. Calor liberado por pessoa.

Temperatura

Ambiente

Pessoa sentada ou em movimento lento

Calor Sensível Calor Latente Calor Total

ºC ºF kcal/h BTU/h kcal/h BTU/h kcal/h BTU/h

29 84,2 45,1 179 54,9 218 100 397

28 82,4 50,2 199 50,2 199 100 397

27 80,6 54,9 218 45,1 179 100 397

26 78,8 58,0 230 42,1 167 100 397

25 77,0 62,0 246 38,1 151 100 397

24 75,2 66,0 262 34,0 135 100 397

23 73,4 69,1 274 31,0 123 100 397

22 71,6 72,1 286 28,0 111 100 397

21 69,8 75,1 298 24,9 99 100 397 Fonte: CREDER (2004).

Como foi proposto, a temperatura interna do auditório pelo qual está dentro da zona de

conforto é de 25ºC, com isso os valores de calor sensível e calor latente são determinados

através dessa temperatura e também pelo tipo de atividade que a pessoa fará dentro do recinto,

que para este caso, estarão sentados e as vezes em movimento lento.

i) Calor sensível:

44

ii) Calor latente:

6.5. Carga térmica devido aos equipamentos

Uma lâmpada fluorescente emite cerca de 40W e, como visto anteriormente, o

auditório possui um total de 102 lâmpadas distribuídas por todo recinto. Diante disso,

seguindo a metodologia apresentada no equacionamento, tem-se:

6.6. Carga térmica devido à infiltração

Analisando o equacionamento da carga térmica devida à infiltração é importante

determinar alguns parâmetros de entrada que estão dispostos na Tabela 8 e na Figura 17:

Tabela 8. Trocas de ar por hora no interior do recinto.

Janelas ou portas existentes Trocas por hora

Nenhuma janela ou porta para o exterior 3/4

Janelas ou portas em 1 parede 1

Janelas ou portas em 2 paredes 1 1/2

Janelas ou portas em 3 paredes 2

Lojas 2


45

As umidades relativas são encontradas através da carta psicométrica, tendo

informações como a temperatura de 25ºC e umidade relativa do ar de 55% no interior do

recinto e estipulando uma temperatura de bulbo úmido TBU = 26,5ºC e uma temperatura de

35ºC para o meio exterior, chegando aos valores de = 0,0110 kg/kg e .= 0,0186

kg/kg aproximadamente.

Figura 17. Valores encontrados através da carta psicométrica


i) Volume do auditório:

ii) Vazão mássica do auditório:

46

iii) Calor sensível devido à infiltração:

iv) Calor latente devido à infiltração:

6.7. Carga térmica devido à ventilação

A Tabela 6 apresenta os dados de ventilação, ou seja, a vazão de ar requisitada, em

função do ambiente analisado e da quantidade de pessoas que estão presentes. Com isso, no

valor apresentado para o ar exterior, está contido o calor sensível e também o calor latente,

pelo fato de ser misturado ao ar de retorno antes de ter contato com o evaporador.

i) Vazão de ar exterior que se mistura ao ar refrigerado:

ii) Calor sensível devido à ventilação:

47

iii) Calor latente devido à ventilação:

Os valores de e são os mesmos encontrados na Figura 17, já que os dados de

entrada são os mesmos e, com isso, tem-se:

Tabela 9. Ar exterior para a ventilação.

Local m³/(h.pessoa)

Preferível Mínima

Apartamentos 35 25

Bancos 25 17

Barbearias 25 17

Barbearias 35 25

Cassinos - grill-room 45 35

Escritório Geral 25 17

Estúdios 35 25

Lojas 48 8

Quartos (hospitais) 25 17

Quartos (Hotéis) 25 17

Residências 35 25

Restaurantes 35 25

Salas de Diretoria 50 40

Teatos - Cinemas - Auditórios 13 10

Salas de aula 50 40

Salas de reunião 35 25


48

6.8. Carga térmica total

Com os dados encontrados anteriormente, deve-se somar as cargas de calor sensível e

cargas de calor latente, montando assim a Tabela 10, posteriormente, é aplicado a aplicação

do coeficiente de segurança de 10% para eventos inesperados que possam acontecer.

Tabela 10. Carga térmica total no ambiente.

Carga térmica Calor sensível [kcal/h] Calor latente [kcal/h]

Condução 6874,53 -----

Insolação 9006,84 -----

Pessoas 19220,00 11.811,00

Equipamentos 4210,56 -----

Infiltração 5301,72 9720,36

Ventilação 11687,00 21427,35

Total 56300,65 42958,71


i) Calor total para dimensionamento do equipamento condicionador de ar:

ii) Calor total em tonelada de refrigeração (TR)

49

7. CONCLUSÃO

Esse trabalho mostra que o condicionamento do ar ambiente interno do auditório do

Centro Universitário Toledo de Araçatuba, estando dentro da zona de conforto estipulada por

estudos anteriores, precisa suprir uma demanda de calor total, que, conforme mostrado

anteriormente, é introduzida ao ambiente interno através de diversos fatores, sendo eles,

composição física dos materiais de construção, quantidade máxima de pessoas e seus esforços

dentro do recinto, equipamentos e máquinas instaladas no ambiente interno, orientação

geográfica do prédio e condições externas do meio ambiente em que o prédio se encontra.

Com a quantidade final de calor encontrado que se deve retirar do recinto para que o mesmo

se encontre dentro das condições climáticas desejadas, esse trabalho se mostra apto para ser

usado em estudos futuros de dimensionamento de um sistema novo de condicionamento de ar

do auditório da instituição, desde que não haja nenhuma alteração em suas características

originais de projeto.

50

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ACCUWEATHER. Site meteorológico. Disponível em:

<http://www.accuweather.com/pt/br/aracatuba/36365/november-

weather/36365?monyr=11/1/2015>. Acesso em: 25 nov. 2015.

CREDER, Hélio. Instalações de ar condicionado - 6ª Edição. Rio de Janeiro: LTC,

2004. 318p.

INCROPERA, Frank P. et al. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa - 7ª

Edição. Rio de Janeiro: LTC, 2014. 672p.

LOPES, C. F. M. Análise comparativa de carga térmica entre dois métodos de cálculo

para um auditório. 2013. 53 f. Trabalho de conclusão de curso (Graduação), Faculdade de

Engenharia Mecânica, UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, 2013.

PADILHA, G. R. Análise de cargas térmicas e dimensionamento de sistema de ar

condicionado para o salão de atos da UFRGS. 2010. 28 f. Trabalho de conclusão de curso

(Graduação), Faculdade de Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre, RS, 2010.

ROCHA, A. M. Avaliação das condições de conforto térmico ao calor em edificações

habitacionais multipavimentadas na cidade de Ijuí - RS. 2004. 78 f. Trabalho de conclusão de

curso (Graduação), Faculdade de Engenharia Civil, UNIJUÍ, Ijuí, RS, 2004.

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