60projecto avac

Relatrio Final do Trabalho Final de Curso

Licenciatura em Engenharia Mecnica Ano Lectivo: 00/01 (Ramo: Termodinmica Aplicada)

Projecto de um sistema de Ar Condicionado do Museu Martimo e Regional de lhavo

Aluno: Bruno Lima, N. 44299 e-mail: [email protected] Supervisor: Prof. Artur Barreiros e-mail: [email protected] Co-Supervisor: Eng. Lus Andrade e-mail: [email protected]

Site do Projecto: http://tfcmmi.no.sapo.pt Data de Realizao: 5 de Fevereiro de 2002


Agradecimentos:Em primeiro lugar ao Professor Artur Barreiros pelo seu apoio incondicional ao meu trabalho e orientao que contribuir certamente para o meu desempenho a nvel profissional.

Ao Engenheiro Lus Andrade por me ter apresentado este caso real de estudo, pelos esclarecimentos tcnicos e pela documentao que contriburam de forma decisiva para a estrutura deste Projecto.

Ao Doutor Rui Xavier que favoreceu de forma indelvel ao alertar- me para as condies especficas da conservao do esplio do Museu, enriquecimento assim o meu Projecto e a minha cultura cientfica.

minha famlia o meu profundo agradecimento pela orientao na minha vida acadmica e pessoal.

A amabilidade da direco do Museu em apadrinhar este Projecto de assinalar e saudar.

Por ltimo gostava de agradecer aos meus colegas Mrcio Nbrega e Esa Freire por todo o seu apoio.

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ndice1.- Sumrio___________________________________________________________ 4 2.- Introduo_________________________________________________________ 4 3.- Descrio do caso de estudo___________________________________________ 53.1- Descrio do Edifcio ____________________________________________ 5 3.2- Caracterizao das condies operacionais _________________________ 6 3.3- Condies especficas ___________________________________________ 8

4.- Modelao dos processos de transferncia de Energia______________________ 84.1- Conforto Trmico ________________________________________________ 8 4.2- Avaliao das cargas trmicas ___________________________________ 124.2.1- Carga por insolao atravs das superfcies transparentes ______________________ 12 4.2.2- Carga por insolao atravs da envolvente exterior ____________________________ 15 4.2.3- Carga por conduo atravs dos elementos interiores __________________________ 17 4.2.4- Carga resultante da Gerao Interna de calor ________________________________ 17 4.2.5 Carga trmica devido renovao do ar ____________________________________ 19 4.2.6 Carga trmica devido infiltrao de ar ____________________________________ 20

4.3- Dimensionamento dos equipamentos______________________________ 21

5.- Seleco dos componentes principais de instalao _______________________ 295.1- Anlise dos sistemas existentes __________________________________ 30 5.2- Anlise da soluo instalada _____________________________________ 30 5.3- Anlise de resultados ___________________________________________ 32

6.- Concluses _______________________________________________________ 38 7.- Referncias _______________________________________________________ 38 8.- Anexos___________________________________________________________ 40e

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1.- SumrioEste trabalho consistiu no estudo do sistema de ar condicionado do Museu Martimo e Regional de lhavo. A anlise baseou-se na utilizao de metodologias apropriadas para o dimensionamento dos componentes do sistema. O procedimento adoptado permitiu identificar alguns inconvenientes da soluo instalada relacionados com o controlo da humidade. A nova soluo visa responder aos problemas sentidos pelo Museu na correcta preservao e conservao das peas expostas.

2.- IntroduoO estudo do sistema de climatizao instalado no Museu foi conduzido atravs de metodologias apropriadas para o dimensionamento de sistemas de ar condicionado.

O principal objectivo da realizao deste Trabalho consiste na aquisio de conhecimentos tericos e prticos na rea de Projecto de sistemas de ar condicionado, com vista ao futuro desempenho de funes neste sector. Para a concretizao deste objectivo, considerou-se importante a cooperao com uma empresa, a qual permitiu o acesso a informao tcnica especfica e a utilizao de um caso real de estudo.

Em funo dos objectivos propostos, estabeleceu-se, numa primeira fase, como prioritrio a anlise detalhada da soluo existente, repetindo todos os clculos necessrios para efectuar o seu dimensionamento. Posteriormente, atravs de contactos com um Especialista na rea de conservao de peas em Museus, foi identificada a necessidade de um controlo rigoroso da humidade. Constatou-se, ento, que a instalao actual no respondia na sua totalidade s novas condies especficas desta aplicao. A soluo instalada foi dimensionada de acordo com restries econmicas impostas pela direco do Museu. Neste trabalho, estas restries no so consideradas sendo, consequentemente, proposta uma soluo ideal com a capacidade de manter, em todos os espaos, as condies ideias para a correcta conservao e preservao do esplio da Instituio.

A nova configurao foi dimensionada utilizando a mesma metodologia que foi adoptada para a anlise da soluo instalada. Na sua concepo, procurou-se minimizarN. de Pgina: 4

Relatrio Final do Trabalho Final de Curso as alteraes ao Projecto inicial de modo a reduzir os custos de uma eventual implementao. Deste modo, foi necessrio verificar se os componentes da instalao se adequavam s novas condies de Projecto. Concluiu-se que as principais modificaes so nas Unidades de Tratamento de Ar (UTA) e no Chiller Bomba de calor. As condutas de distribuio dos fluidos, os vasos de expanso e os reservatrios de inrcia no necessitam de alteraes.

3.- Descrio do caso de estudoNesta seco apresentada uma descrio do edifcio, identificando, nomeadamente, a sua volumetria e compartimentos. So tambm, caracterizadas as condies operacionais adoptadas para o clculo das cargas trmicas e as condies especficas de projecto.

3.1- Descrio do EdifcioO edifcio em estudo composto por dois andares, R/C e 1Andar, cuja identificao por zonas foi a seguinte:

?? Rs-do-cho:Compartimento Sala de Conferncias Sala de Reunies trio Sala da Faina Maior Sala da Ria Sala de Exposies Temporrias Casa de Banho Secretaria Arquivo Direco Cafetaria Loja Sala da Reserva Escola de Artes Martimas Oficina Recepo trio da sala de conferncias Designao Z01 Z02 Z03 Z04 Z05 Z06 Z07 Z08 Z09 Z010 Z011 Z012 Z013 Z014 Z015 Z016 Z017 rea 1 [m2] 150 17 240 545 407 105 48 18 14 14 38 52 43 36 44 8 17

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rea que foi contabilizada para calcular as cargas trmicas no respectivo compartimento, ou seja, a rea de pavimento N. de Pgina: 5


?? 1 Andar:Compartimento Biblioteca Arquivo Sala de Amigos de S. M. Manuela Sala de Amigos do Museu de lhavo Sala dos Mares Sala de traduo 1 Sala de traduo 2 Sala de Vdeo e Som Designao Z11 Z12 Z13 Z14 Z15 Z16 Z17 Z18 rea1 [m2] 153 70 14 14 453 5 5 12

Todos os compartimentos so climatizados excepto o arquivo do R/C, os corredores e as pequenas salas de arrumao da Instituio porque as suas taxas de ocupao ou finalidade no justificam tal investimento extra. As cargas trmicas da recepo (Z016) e do trio da sala de conferncias (Z017) foram contabilizadas no dimensionamento da Unidade de Tratamento de Ar (UTA) do trio, pois esta unidade abrange a rea destes trs recintos. Na zona Z07, casa de banho, no feita a climatizao do ar mas apenas uma extraco para evitar odores no compartimento. Apresentamos no anexo D uma descrio detalhada dos compartimentos.

3.2- Caracterizao das condies operacionaisNo clculo das cargas trmicas foram consideradas duas situaes extremas, nomeadamente a de Vero e de Inverno, em que utilizamos alguns valores de referncia. As condies exteriores assumidas para este projecto foram obtidas de [1] recorrendo para tal aos quadros 1.3, 1.4 e 1.8 considerando que a regio de lhavo uma zona climtica 2 do tipo I2 -V1 : Tabela 1: Condies exteriores de projecto

Condies exteriores de projectoTemperatura [C] Humidade especifica [g v/kgar ] Presso de saturao do vapor de gua [bar] Humidade relativa [%]

Vero Inverno28 10.129 0.03782 42 0 3.055 0.00611 80

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Relatrio Final do Trabalho Final de Curso Para a escolha das condies interiores optamos pelos valores expostos na tabela que se segue, atendendo no s ao bem-estar das pessoas presentes no recinto mas tambm s condies preferenciais para a correcta preservao (manuteno/conservao) do esplio do Museu3 :

Tabela 2: Condies interiores de projecto

Condies interiores de projectoTemperatura [C] Presso de saturao do vapor de gua [bar] Humidade relativa [%] Humidade especifica [g v/kgar ]

Vero Inverno 24 22 0.02985 0.02645 50 50 9.482 8.419

No dimensionamento dos equipamentos de AVAC 4 necessrio no s ter em conta os valores apresentados na tabela anterior, mas tambm alguns pormenores prprios do edifcio em estudo, dado que estes influenciam os valores das cargas trmicas, salientando-se os seguintes: ?? A Instituio em estudo tem um horrio de funcionamento das 9h s 19h o que implica que a iluminao funcione durante um perodo de dez horas, impondo assim uma determinada carga por iluminao nos recintos condicionados; ?? Existem quinze funcionrios no museu que foram contabilizados nas cargas trmicas dos respectivos compartimentos onde trabalham; ?? A sala de conferncias tem uma capacidade para 180 pessoas o que provoca uma carga trmica significativa quando o auditrio estiver em funcionamento; ?? As pessoas entram no recinto pela porta do trio o que permite uma infiltrao, suplementar existente pelas janelas, de ar exterior no recinto; ?? As exposies guiadas pelo Museu so feitas em grupos de quinze pessoas, com uma durao aproximada de quinze minutos, perfazendo um total de dezasseis pessoas, incluindo o Monitor, em cada compartimento de exposio.

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Informao retirada do quadro III.1 de [1]; Consultamos para o efeito o Dr. Rui Xavier da Fundao Calouste Gulbenkian. 4 Aquecimento, Ventilao e Ar Condicionado; N. de Pgina: 7


3.3- Condies especficasPela anlise da tabela precedente podemos observar que em condies de projecto a humidade relativa igual para as situaes de Vero e Inverno, estes valores encontramse na gama de valores aceitveis de conforto humano 5 . Relativamente ao acervo do Museu, que assenta principalmente em peas de madeira necessrio ter em conta a sua elevada sensibilidade humidade relativa. Por este facto torna-se importante ter um controle rigoroso desta varivel. Conforme se refere no anexo N a humidade relativa tem influncia na conservao do esplio do Museu, sendo os parmetros desta varivel dependentes de um estudo das condies especficas de cada compartimento. Assim ser necessrio conceber um sistema com a flexibilidade de resposta a qualquer necessidade.

4.- Modelao dos processos de transferncia de EnergiaEsta seco foi organizada em duas partes: uma que consiste em apresentar algumas noes de conforto trmico e outra onde apresentada a metodologia de clculo das cargas trmicas utilizada neste projecto, tendo em conta todos os pormenores mencionados nas seces precedentes. No anexo H encontra-se uma aplicao da metodologia exposta nesta seco e a respectiva anlise da relevncia de cada tipo de carga trmica.

4.1- Conforto TrmicoA definio clara de conforto termo-higromtrico em edifcios no facilmente alcanvel uma vez que depende de factores subjectivos, obtidos atravs de sensaes humanas que diferem de pessoa para pessoa. Correntemente considera-se que um indivduo est colocado em condies de conforto termo- higromtrico quando no experimenta qualquer desagrado ou irritao de modo a distrai- lo das suas actividades de momento. A condio bsica para que tal se verifique a de que o sistema termoregulador do organismo se encontre em equilbrio com o ambiente envolvente, obtendose ento um estado de neutralidade trmica.5

Para conforto das pessoas a humidade relativa deve assumir valores entre 35% e 85%, devendo-se contudo evitar exceder os 60% no Vero; N. de Pgina: 8


Para um ser humano saudvel o seu organismo funciona a um temperatura aproximadamente constante de 36 C. A energia calorfica (metabolismo) produzida pelos seus processos vitais circulao, respirao, reaces provenientes da digesto, etc. e a actividade muscular, dever ser dissipada na medida em que produzida, de forma a no haver acumulao ou dfice que provocam um funcionamento anormal6 . Esta troca de calor com o meio envolvente efectua-se atravs das seguintes vias: ?? Conduo: Atravs do contacto directo das partes do corpo com elementos do contorno; ?? Conveco e radiao: Atravs da interaco da superfcie do corpo com o ar por conveco e com out ras superfcies por radiao; ?? Respirao e evaporao: Transpirao pelos poros da pele. Este equilbrio pode ser resumido pela seguinte equao: Metabolismo 7 = Trocas por (Conduo + Radiao + Evaporao)

Os factores dos quais depende o estado de neutralidade trmica so: ?? Parmetros ambientais: Temperatura do ar, Temperatura radiante mdia, Velocidade do ar e Humidade relativa do ar. ?? Parmetros individuais: Nvel de actividade e Tipo de vesturio. de salientar que as condies fisiolgicas no so, por si s, suficientes para caracterizarem a sensao trmica provocada pelo ambiente, admitindo-se ser ainda necessrio ter em conta factores de natureza psicolgica e sociolgica, tais como: sexo, idade, estrato scio-cultural, adaptao ecolgica s regies, etc.

Uma quantificao da neutralidade trmica proposta por Fanger (1972) foi a de assumir que esta era controlada por aspectos fisiolgicos quantificveis, sendo ento possvel a deduo duma equao geral de conforto. Utilizando para o efeito uma escala de sete6 7

Nomeadamente tremer de frio numa situao de dfice ou transpirar numa situao de acumulao. Pode-se consultar o quadro 1.1 de [1] para obtermos o nvel de metabolismo; N. de Pgina: 9

Relatrio Final do Trabalho Final de Curso termos de 3 a +3, representando o zero a neutralidade trmica 8 . Fanger estabeleceu um ndice PMV (Predict Mean Vote) que permitia calcular, a partir das condies ambientais, da actividade e do tipo de vesturio, o valor mdio esperado do voto dos indivduos. Com base numa anlise estatstica dos resultados da observao correlacionou o PMV com a percentagem previsvel de pessoas insatisfeitas PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) nas condies referidas. A relao existente entre a Percentagem Previsvel de Insatisfeitos PPD e Voto Mdio Previsvel PMV a que se representa na figura seguinte, retirada de [1]:

Figura 1: Relao de PPD com PMV A norma ISO 9 7730, publicada originalmente em 1984 e revista em 1994, recomenda para espaos onde se verifique ocupao humana, que o valor de PPD seja inferior a 10 %, o que equivale a admitir valores de PMV compreendidos entre 0,5 e +0,5. Os valores apresentados expressam as condies de conforto considerando que todo o corpo troca calor com o meio ambiente na mesma proporo. Ora na prtica tal situao no ocorre pois a pessoa pode sentir aquecimento ou arrefecimento assimtrico do corpo, como por exemplo o efeito provocado pela radiao excessiva de uma lmpada que aquece a cabea ou o de um cho frio que arrefece os ps. Tendo em conta estes efeitos estabeleceu-se na dcada de 80 um documento 10 onde se estabelecia valores limites das seguintes variveis:8 9

Recomenda-se a leitura de 1 de [1]; ISO International Standarts Organization; 10 Este documento Regras de qualidade trmica para edifcios foi realizado no quadro de actividades do Conselho Superior de Obras Pblicas e Transportes (CSOPT). N. de Pgina: 10


?? Temperatura do ar A temperatura do ar no interior dever estar compreendida entre os valores limites de 18C e 26C, devendo a sua variao corresponder variao sazonal da temperatura do ar exterior. Admite-se que em perodos no muito longos aqueles limites possam ser excedidos em 2C. A flutuao diria da temperatura durante os perodos de ocupao no deve ser superior a 2C e, em perodos de Inverno, a diferena de temperatura para locais no aquecidos no edifcio, por exemplo corredores, vestbulos, etc. ou locais onde o nvel de actividade seja elevado - oficinas, ginsios, etc. - no deve ser superior a 4C. ?? Humidade do ar A humidade relativa do ar deve estar compreendida entre os valores 35% e 85%, devendo contudo evitar-se que em perodos de Vero exceda os 60%. ?? Radiao do contorno A temperatura mdia de radiao deve apresentar valores prximos dos da temperatura do ar. Quando tal no suceda, o efeito conjunto daquelas duas aces deve ser de modo a simular uma sensao equivalente suscitada pela temperatura mdia do ar recomendada. A temperatura do pavimento no deve exceder a temperatura do ar mais do que 6C. ?? Velocidade do ar Os valores da temperatura do ar foram fixados admitindo que a velocidade do ar baixa (

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