SISTEMAS DE AR CONDICIONADO

Climatização: Trata o ar, ajustando sua temperatura em valores, geralmente, acima de 20 °C. Pode controlar, além da temperatura do ar no recinto, a pressão interna, a pureza do ar (filtragem) e sua umidade relativa. (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 se utiliza o ar como fluido para controle da temperatura, o ar é resfriado a temperaturas próximas de 0 °C, podendo chegar a temperaturas abaixo de -10 °C. Como aplicações típicas, tem-se 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.

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, em 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

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.

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 de um condicionador unitário tipo “janela” (Figura 1), condicionadores tipo “split” (Figura 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 (Figura 3).

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 Figuras 4 e 5.

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 (°C), no sistema Internacional, Fahrenheit (°F) e outras unidades. A correspondência entre as escalas Celsius e Fahrenheit, é mostrada na Figura 6, a seguir:

Se tomarmos uma porção de alguma matéria, por exemplo, água na fase líquida a temperatura ambiente, digamos a 25 °C, e a aquecermos até 99 °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 mudar de estado, dizemos que recebeu (ou perdeu Calor Sensível).

Utilizando a água citada no exemplo anterior, elevando a sua temperatura para 100 °C (212 °F) e pressão atmosférica normal (760mm Hg - 14,7 psia), ao introduzir uma quantidade adicional de calor, vamos observar que terá início a mudança de fase, ou seja, vaporização. Ao medir a temperatura da água durante toda a vaporização, veremos que a temperatura permanece a 100 °C (212 °F).

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 líquido (o condensado), também a 100°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.

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 (Figura 9). Estes consistem basicamente de dois termômetros, um de bulbo seco e outro úmido. Com estas medidas, a umidade pode ser lida numa Carta Psicrométrica.

É a temperatura indicada para a mistura ar-vapor, por um termômetro comum. Esta temperatura é a mesma para ambos os elementos da mistura, ou seja, do vapor e ar

Esta temperatura é obtida por um termômetro similar ao mostrado na Figura 9, onde seu bulbo envolto numa gaze molhada é exposto 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.

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.

A Carta Psicrométrica é um diagrama onde são representadas as propriedades termodinâmicas do ar.

As grandezas representadas neste diagrama são as seguintes:

• Temperatura de bulbo seco (BS) - °C ou °F
• Temperatura de bulbo úmido (BU) - °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
• 1g vapor =15,42 grains vapor
• 1g vapor / kg ar seco = 1/7 grains vapor/ lb ar seco
• Volume Específico – (v) – m3 /kg ar ou ft3 de ar/ lb ar – (o volume específico é o inverso da massa específica).
• Entalpia - (h ou i) - BTU/ lb ar ou kcal/kg ar.

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 a seguir:

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 Figura 29, a seguir, mostra um exemplo da transferência por Convecção.

O fluxo térmico é dado pela expressão:

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 contabilizado

Uma forma de classificar as cargas sobre uma edificação é quanto a sua origem externas ou internas.

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.

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 4A, 4B e 4C – Anexo A mostram os valores da energia solar (BTU/h.ft2 ) por área de vidro, para latitudes 0°, 20° e 40°, 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. As Tabelas 4D, 4E, 4F, 4G e 4H – Anexo A, extraídas do Manual da Springer Carrier, indica os fatores aplicáveis, para uma determinada fachada, peso de construção e horário.

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. 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 fixa de projeto. 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”

O Ar de Ventilação é assim chamado por ser 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 8 – Anexo A), 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 introduzirá uma carga térmica sobre o sistema (condicionador de ar). Condições termo-higrométricas foram estabelecidas pela ABNT, nas Tabelas 9A e 9B – Anexo A. Condições de conforto para ambientes diversos (temperatura e umidade) são estabelecidas pela ABNT, nas Tabelas 10A e 10B – Anexo A. 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.

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.

Este ganho é proporcional à área, ao Coeficiente “U” do elemento construtivo e ao diferencial de temperaturas. 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 São Paulo tem uma área de divisórias internas calculada em 200 m2 , adjacentes a 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

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 as Tabelas 6 e 12 – Anexo A, 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 à “ocupação” do ambiente.

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.

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 - 165 ATÉ 2800 TR

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

É assim dito, quando a água é distribuída para os recintos, onde passa nos condicionadores de ar. Estes condicionadores são chamados de “Fan coil” (ventilador serpentina).

• Aplicação: Prédios de salas onde custo de dutos se torna proibitivo. Ex: hotéis, hospitais, escritórios, prédios profissionais.
• Arranjos: Dois tubos - quatro tubos

A sigla VAV significa Volume de Ar Variável. Estes sistemas abrigam, normalmente, 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.

A eficiência dos condicionadores de janela é influenciada pelo desempenho de vários fatores como: (a) eficiência eletro-mecânica do conjunto motor/ventilador do evaporador e do condensador; (b) do desenho dos trocadores de calor (serpentinas evaporadora e condensadora); e, (c) da tecnologia do compressor. Em anos recentes, em busca de ganhos na eficiência do equipamento, a indústria vem utilizandose de compressores rotativos Dado às suas características (ausência de espaço morto, melhor distribuição de esforços, menos atrito, etc.), este tipo de equipamento vem contribuir para aumento considerável na eficiência dos condicionadores de janela.

As eficiências para equipamentos de maior porte, “selfs”, “chillers”, etc. ainda não são disponíveis dentro do PBE, podendo ser obtidas em catálogos técnicos dos fabricantes de equipamentos. Em geral, são fornecidos valores para capacidades nominais a plena carga, enquanto para valores em cargas parciais, devem ser obtidos junto aos fabricantes.

O gerenciamento do consumo, em sentido mais amplo, deve começar na fase de Projeto do Sistema, elaborando especificações claras, bem detalhadas, incluindo a documentação a ser fornecida e características fundamentais dos equipamentos, tais como eficiências. O Estudo de Solução que leve a:

• Equipamentos mais eficientes, com bases em estudos técnico-econômicos. Solução que preveja a facilidade de execução da manutenção; 
• Prever nas especificações de fornecimento, testes na fase de inspeção em fabricante e após a montagem, que permitam certificar que o especificado foi efetivamente o fornecido e instalado corretamente;
• Elaborar Manual de Manutenção, de forma a não atuar só na crise, mas estabelecendo regras claras, prazos para fazer ajustes de forma que os equipamentos operem em seus “set points” originais.

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. Num diagnóstico pode-se lançar mão de medições e cálculos para estimativas de perdas existentes. A seguir, vamos dar uma breve noção sobre medições e instrumentos mais freqüentemente utilizados em Sistema de Ar Condicionado.