análise da viabilidade técnica de instalação de um sistema de
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica
DEM / POLI / UFRJ
“ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DE INSTALAÇÃO DE UM SISTEMA
DE CONDICIONAMENTO DE AR COM VARIAÇÃO DE FLUXO DE
REFRIGERANTE (VRF/VRV) PARA UMA UNIDADE DA UNIVERSI DADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO NA CIDADE DE MACAÉ.”
Bruno Werner De Almeida Corrêa
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO
DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
_______________________________________
Prof. Nísio de Carvalho L. Brum (Orientador)
_______________________________________
Prof. Hélcio Rangel Barreto Orlande
_______________________________________
Prof. Sylvio José Ribeiro de Oliveira
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
AGOSTO DE 2013
i
RESUMO
Este trabalho de conclusão de curso expõe conhecimentos adquiridos ao longo
do curso de Engenharia Mecânica de forma organizada e estruturada, visando atender
um projeto real de engenharia, como parte dos requisitos para obtenção do grau de
Engenheiro Mecânico.
“ANÁLISE DA VIABILIDADE TÉCNICA DE INSTALAÇÃO DE UM SISTEMA DE
CONDICIONAMENTO DE AR COM VARIAÇÃO DE FLUXO DE REFRIGERANTE
(VRF/VRV) PARA UMA UNIDADE DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE
JANEIRO NA CIDADE DE MACAÉ.”
Será discutido um projeto de condicionamento de ar para uma universidade em
construção cuja planta foi fornecida pelo professor orientador. Neste projeto será
calculada sua carga térmica, atendendo os requisitos necessários pelas normas
brasileiras e será proposto um sistema ainda pouco utilizado que visa a economia de
energia. Os cálculos serão realizados com ajuda de softwares, planilhas eletrônicas e
também manualmente.
O sistema proposto será apresentado com suas vantagens e desvantagens em
relação ao sistema convencional.
Serão utilizadas referências bibliográficas recomendadas pelo professor
orientador, bem como catálogos e softwares de fabricantes que dispõem do sistema
em questão.
Por último será feita uma avaliação da viabilidade técnica desse sistema, de
acordo com as condições de operação clássicas para o tipo de instalação.
ii
ABSTRACT
This present work is part of the Mechanical Engineering course and includes
knowledge acquired during the course. Organized and structured to serve a real
engineering project as part of the requirements for the degree of Mechanical Engineer.
"ANALYSIS OF TECHNICAL VIABILITY OF INSTALLING AN AIR CONDITIONING
SYSTEM WITH A VARIABLE REFRIGERANT FLOW (VRF / VRV) FOR A UNIT OF
THE FEDERAL UNIVERSITY OF RIO DE JANEIRO IN MACAÉ, RIO DE JANEIRO."
It will be discussed a project of air conditioning for a university building whose
plant was supplied by the advisor. It will be calculated the cooling load, meeting the
requirements needed by the Brazilian standards and will be propose a system still
underutilized in the country that aims to save energy. The calculations will be
performed with help of software, spreadsheets and also manually.
The proposed system will be presented with their advantages and
disadvantages compared to the conventional system.
Will be used references recommended by the tutor as well as catalogs and
manufacturers software with the system in question.
Finally there will be an assessment of the technical viability of this system,
according to the operating conditions for the classical type of installation.
iii
SUMÁRIO
ÍNDICE DE FIGURAS................................................................................................... iv
ÍNDICE DE TABELAS.................................................................................................... v
1. INTRODUÇÃO.................................................................................................... 1
2. OBJETIVO.......................................................................................................... 2
3. A CARGA TÉRMICA.......................................................................................... 3
3.1 Introdução.......................................................................................... 3
3.2 Condições externas........................................................................... 4
3.3 Condições arquitetônicas.................................................................. 5
3.4 Iluminação....................................................................................... 10
3.5 Ocupação humana.......................................................................... 10
3.6 Equipamentos elétricos................................................................... 12
3.7 Ar exterior........................................................................................ 12
3.8 Memória de cálculo de carga térmica.............................................. 14
3.9 Software para cálculo...................................................................... 15
3.10 Resultados................................................................................. 16
4. CONDIÇÕES DE CONFORTO E INSUFLAMENTO........................................ 18
5. O SISTEMA VRV/VRF...................................................................................... 25
5.1 Introdução........................................................................................ 25
5.2 Características do sistema VRV/VRF.............................................. 26
5.3 Vantagens do sistema VRV/VRF.................................................... 27
5.4 Desvantagens do sistema VRV/VRF............................................... 29
5.5 Seleção de equipamentos............................................................... 30
5.6 Disposição dos equipamentos......................................................... 39
5.7 Sistema de ar exterior dedicado...................................................... 42
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS.............................................................................. 43
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................... 44
ANEXO I – MEMÓRIA DE CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA....................................
ANEXO II - OUTPUT DO SOFTWARE DE CARGA TÉRMICA..................................
ANEXO III – PLANILHA PSICROMÉTRICA................................................................
ANEXO IV – TABELA DE CORREÇÃO DE CAPACIDADES.....................................
ANEXO V – UNIDADE EXTERNA – fonte: catálogo Daikin.......................................
iv
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 3.3.1 - Vista fachada 1........................................................................................ 5
Figura 3.3.2 - Vista fachada 2........................................................................................ 5
Figura 3.3.3 - Planta baixa térreo................................................................................... 6
Figura 3.3.4 - Planta baixa primeiro pavimento.............................................................. 7
Figura 3.9.1 – Hvac Load Explorer............................................................................... 15
Figura 4.1 - Arranjo típico do sistema e nomenclatura utilizada................................ 19
Figura 4.2 - Condições psicrométricas de insuflamento do bloco A.......................... 24
Figura 4.3 - Condições psicrométricas de insuflamento do bloco B.......................... 24
Figura 5.6.2 - Disposição das unidades no Bloco A – Térreo...................................... 38
Figura 5.6.3 - Disposição das unidades no Bloco A – 1º Pavimento........................... 39
Figura 5.6.4 - Disposição das unidades no Bloco B – Térreo...................................... 40
Figura 5.6.5 - Disposição das unidades no Bloco B – 1º Pavimento........................... 41
Figura 5.6.6 – Legenda para unidades externas e internas selecionadas................... 42
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ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 3.2.1 – Condições externas adotadas................................................................ 4
Tabela 3.3.1 – Propriedades físicas dos materiais das paredes.................................... 8
Tabela 3.3.2 – Propriedades físicas dos materiais do piso e teto interno...................... 8
Tabela 3.3.3 – Propriedades físicas dos materiais do teto externo................................ 9
Tabela 3.3.4 – Propriedades físicas do vidro comum.................................................... 9
Tabela 3.5.1 – Distribuição da potência dissipada....................................................... 10
Tabela 3.5.1 – Densidade de ocupação....................................................................... 11
Tabela 3.5.2 – Taxas típicas de calor liberado por pessoa.......................................... 12
Tabela 3.6.1 – Potência dissipada por equipamentos elétricos................................... 12
Tabela 3.7.1 – Vazão de ar exterior para ventilação.................................................... 13
Tabela 3.7.2 – Vazões de ar exterior requeridas para o Bloco A................................. 13
Tabela 3.7.3 – Vazões de ar exterior requeridas para o Bloco B................................. 14
Tabela 3.10.1 – Cargas térmicas dos ambientes do Bloco A........................................16
Tabela 3.10.2 – Cargas térmicas dos ambientes do Bloco B....................................... 17
Tabela 4.1 – Condições internas de conforto............................................................... 18
Tabela 4.2 – Fatores típicos de desvio (by-pass) da serpentina.................................. 18
Tabela 4.3 – Calor específico à pressão constante para o ar e vapor d’água............. 19
Tabela 4.4 – Potências frigoríficas requeridas............................................................. 22
Tabela 4.5 – Condições de insuflamento para o Bloco A............................................. 22
Tabela 4.6 – Condições de insuflamento para o Bloco B............................................. 23
Tabela 5.5.1 - Especificações técnicas da RXYQ50PAHY1 ....................................... 34
Tabela 5.5.2 - Especificações técnicas da RXYQ28PAHY1 ....................................... 35
Tabela 5.5.3 - Especificações técnicas da RXYQ26PAHY1 ....................................... 36
Tabela 5.5.3 - Especificações técnicas para o FXFQ32PVE ...................................... 38
1
1. Introdução
A preocupação com economia de energia é cada vez maior atualmente e os
sistemas de condicionamento de ar são o grande alvo quando se deseja reduzir esse
consumo em uma grande construção. Ela se torna ainda mais relevante em uma
cidade como Rio de Janeiro, quente e úmida quase o ano todo, onde os sistemas de
condicionamento de ar são imprescindíveis e funcionam exaustivamente a fim de
atender a carga térmica do ambiente e proporcionar o desejado conforto térmico.
Modernos sistemas e equipamentos de condicionamento de ar estão disponíveis no
mercado e altos investimentos são feitos para atender as necessidades dos clientes e
obter um melhor aproveitamento de energia.
Os recentes sistemas de VRV/VRF (variação de fluxo de refrigerante), que
surgiram na década de 90, chegaram ao mercado com a promessa de proporcionar
melhor aproveitamento de energia e mais conforto, se adaptando bem as variadas
condições de cargas. É notado também que a grande maioria desses sistemas não
utiliza a água como fluido primário ou secundário em seus ciclos, o que pode acarretar
em uma grande perda de energia, visto que o ar troca calor com muito mais
dificuldade que a água. A seleção desses equipamentos torna-se muitas vezes difícil,
uma vez que os grandes fornecedores tendem a vender aqueles equipamentos que
são mais interessantes comercialmente. Como é um sistema novo para muitos
instaladores e clientes apresenta uma resistência natural para ser aceito e é tido por
alguns como uma tecnologia incerta e cara.
2
2. Objetivo
Neste trabalho será analisada a viabilidade técnica de instalação de um
sistema de condicionamento de ar de médio porte em uma planta de uma unidade da
Universidade Federal do Rio de Janeiro a ser construída na cidade de Macaé, onde o
sistema conservador a ser instalado seria um sistema com chillers (resfriamento de
água) e o novo sistema proposto será um sistema de variação do fluxo de refrigerante
(VRV/VRF) e condensação a ar, que vem sendo proposto corriqueiramente atualmente
pelos grandes fabricantes internacionais.
A instalação de um sistema com variação do fluxo de refrigerante (VRV/VRF) é
apresentada como a nova solução para economia de energia, muito atraente do ponto
de vista econômico, alguns fabricantes prometem uma economia de até 50% de
energia de acordo com a variação da carga. Serão analisados aspectos que levam a
essa economia e também as desvantagens em relação ao sistema convencional.
A viabilidade técnica levará em conta a planta baixa de arquitetura fornecida
pelo professor orientador, a ocupação normal de uma universidade em regime de
horários pré-estabelecidos, que contribuirão para sua carga térmica e disponibilidade
de equipamentos no mercado.
3
3. A Carga Térmica
3.1. Introdução
A primeira etapa para o dimensionamento do sistema de condicionamento de
ar é o cálculo da carga térmica máxima, ou seja, a potência necessária para retirar o
calor dos ambientes, dando-o condições ideais de conforto para os ocupantes. O
cálculo é realizado hora a hora para cada dia do ano, ou mês mais quente do ano, de
acordo com as informações fornecidas pela arquitetura do projeto, como área e
orientação das paredes, áreas dos pisos e tetos, janelas, fontes internas de calor,
ocupação humana, infiltrações, bem como a composição física das estruturas, que
contribuem para o fluxo de calor do ambiente e inércia térmica da própria estrutura.
Além de informações de arquitetura devem ser considerado a localização
geográfica do projeto e os dados climáticos da região. Dados como latitude e longitude
irão influenciar diretamente na radiação solar absorvida pelas estruturas, como
paredes, telhados e janelas. A norma brasileira ABNT NBR 16401, baseada na norma
americana da ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air
Conditioning Engineers), informa as condições externas das principais cidades
brasileiras baseadas em dados aeroportuários. Para este projeto serão utilizados os
dados mais recentes do aeroporto do Galeão, na cidade do Rio de Janeiro.
O cálculo da carga térmica é inviável de ser realizado manualmente, pois
envolve diversas fontes de calor em condições específicas e regime de horários
diferentes para da ambiente a ser condicionado, como ocupação humana, paredes e
telhados recebendo radiação solar, equipamentos que dissipam calor, fenestração,
infiltração, entre outros. Este cálculo foi então realizado com a ajuda de um software
de computador, a ser tratado adiante.
4
3.2. Condições externas
As condições climáticas externas da região, como a temperatura de bulbo
seco, temperatura de bulbo úmido, amplitude térmica diária e dados de localização do
projeto, como altitude, latitude e longitude, pressão atmosférica e velocidade média do
vento, devem ser conhecidas para o cálculo correto da carga térmica dos ambientes a
serem condicionados. Para o projeto em questão foram utilizados dados climáticos
retirados do “2009 ASHRAE Handbook – Fundamentals” do aeroporto do Galeão, no
Rio de Janeiro.
A literatura informada fornece informações para 0,4% dos dias não atendidos,
1% dos dias não atendidos ou 2% dos dias não atendidos. Neste projeto serão
extraídas as informações para 0,4% de frequência não atendida que é o melhor caso
possível, portanto se utilizou:
Tabela 3.2.1 – Condições externas adotadas
Temperatura de bulbo seco (TBS): 37.9ºC
Temperatura de bulbo úmido coincidente (TBUc ): 25.6ºC
Latitude: 22.82S
Longitude: 43.25W
Altitude: 6m
Pressão atmosférica: 101.25kPa
Velocidade média do vento: 3.5m/s
Direção do vento (onde, 0º é norte e 90º é leste): 150º
5
3.3. Condições arquitetônicas
Os dados de arquitetura do projeto foram obtidos através dos desenhos em
AutoCad fornecidos pelo orientador, com as plantas baixas e cortes necessários para
medição das estruturas. Trata-se de uma unidade da Universidade Federal do Rio de
Janeiro a ser construída com dois blocos, A e B, e dois pavimentos cada, térreo e 1º
pavimento, conforme ilustrações abaixo. Todos os ambientes serão considerados
como condicionados, com exceção dos sanitários masculinos e femininos, que terão
apenas a ventilação natural pelas janelas. A orientação das fachadas também está
contida na planta.
Figura 3.3.1 – Vista fachada 1
Figura 3.3.2 – Vista fachada 2
6
Figura 3.3.3 – Planta baixa térreo
7
Figura 3.3.4 – Planta baixa primeiro pavimento
8
A partir do desenho com o corte da construção foi medido o pé direito de 3.4m
para o térreo e 1º pavimento, e assim pode-se calcular a área das paredes.
As paredes foram consideradas como concreto maciço de 100mm de
espessura com argamassa de 20mm em cada lado e cerâmica de 10mm apenas no
lado interno, totalizando uma espessura de 150mm, conforme informação da planta de
arquitetura.
De acordo com a ABNT NBR 15220-2, que trata de desempenho térmico de
edificações, na tabela D.1, foram retiradas as seguintes propriedades para os
materiais:
Tabela 3.3.1 – Propriedades físicas dos materiais das paredes.
Camada c (kJ/kg.ºC) k (W/m.ºC) e (mm) ρρρρ (kg/m³)
Cerâmica 0.92 0.90 10 1600
Argamassa 1 1.15 20 2000
Concreto 1 1.75 100 2400
Onde e é a espessura de cada camada. Foram inseridas no software as
propriedades na ordem correta para o cálculo do fluxo de calor e inércia térmica das
paredes, de fora para dentro do ambiente, sendo ela: argamassa (externa), concreto,
argamassa (interna) e cerâmica.
O piso foi considerado como base concretada de 160mm com argamassa de
20mm e piso de marmorite 20mm, totalizando uma espessura de 200mm.
Foram usadas as seguintes propriedades, de acordo com a norma citada:
Tabela 3.3.2 – Propriedades físicas dos materiais do piso e teto interno.
Camada c (kJ/kg.ºC) k (W/m.ºC) e (mm) ρρρρ (kg/m³)
Base concretada 1 1.75 160 2400
Argamassa 1 1.15 20 2000
Piso marmorite 0.84 2.90 20 800
Onde e é também representa a espessura de cada camada. Foram inseridas
no software as propriedades na ordem correta para o cálculo do fluxo de calor e
9
inércia térmica do piso, de fora para dentro do ambiente, sendo: base concretada,
argamassa e piso marmorite.
O teto interno, do térreo, foi considerado como base concretada de 160mm,
argamassa de 20mm e piso marmorite (1º pavimento), totalizando uma espessura de
200mm. E foram usadas as mesmas propriedades do piso, de acordo com a norma,
porém em ordem inversa, de fora para dentro do ambiente, sendo: piso marmorite,
argamassa e base concretada.
O teto externo possui cobertura, e foi considerado como base concretada (laje)
de 160mm, espaço de ar de 700mm e telhas de barro de 10mm. Sendo a ordem
correta para o cálculo do fluxo de calor e inércia térmica do teto externo, de fora para
dentro do ambiente: telha de barro, espaço de ar e laje.
Foram usadas as seguintes propriedades, de acordo com a norma citada e
dados da arquitetura:
Tabela 3.3.3 – Propriedades físicas dos materiais do teto externo.
Camada c (kJ/kg.ºC) k (W/m.ºC) e (mm) ρρρρ (kg/m³)
Laje concretada 1 1.75 160 2400
Espaço de ar 1 0.03 700 1.201
Telha de barro 0.92 0.95 10 1600
Ainda de acordo com as plantas baixas do projeto, observou-se a presença de
janelas em alguns ambientes, desta forma suas medidas foram informadas nas
paredes correspondentes conforme a orientação dessas paredes. As janelas
acrescentam à carga térmica uma quantidade de calor adicional devido a radiação
solar que atravessa os vidros, conhecida como fenestração.
De acordo com a ABNT NBR 15220-2, tabela B.3,
Tabela 3.3.4 – Propriedades físicas do vidro comum.
c (kJ/kg.ºC) k (W/m.ºC) ρρρρ (kg/m³)
Vidro comum 0.84 1 2500
Para um vidro de espessura e = 0.02m, podemos facilmente calcular a
resistência térmica Rv e a transmitância térmica Uv.
10
RV = e / k = 0.02 / 1 = 0.02 m².ºC / W
UV = 1 / Rv = 50 W / m².ºC
Ainda sobre as condições de arquitetura, é de suma importância a
orientação geográfica das suas estruturas para o cálculo da carga térmica. A
incidência da radiação solar nas paredes e tetos também nas janelas resulta em
aumento do ganho de calor do ambiente, de acordo com os materiais e construção
das estruturas. Um mesmo ambiente pode ter cargas térmicas diferentes dependendo
de sua posição geográfica.
Para cálculos de ganhos de calor pela radiação solar é preciso observar o
movimento de rotação e translação da terra em função das horas e dias do ano. O
cálculo pode ser realizado com auxilio de uma planilha para parede e tetos, sem muita
dificuldade. Porém para inúmeras paredes e tetos com inclinação as contas podem
dispensar longo tempo. Desta forma, o software para o cálculo da carga térmica nos
auxiliará nessa questão.
3.4. Iluminação
A iluminação dos ambientes condicionados fornece uma carga adicional ao
sistema uma vez que dissipam calor ao ambiente. Conforme planta com dados
elétricos fornecidos foi constatado que haverá iluminação com luminárias
fluorescentes (2X40W) em todos os ambientes, sendo sua distribuição seguida
conforme o desenho de arquitetura. Desta forma, foi calculada a quantidade de
potência por metro quadrado de área para cada ambiente.
A fração de potência dissipada em forma de calor foi distribuída da seguinte
forma:
Tabela 3.5.1 – Distribuição da potência dissipada
Radiação por onda curta 0.1
Radiação por onda longa 0.6
Convecção 0.3
O horário de funcionamento da universidade será o horário que a iluminação
estará ligada. Para este projeto foi considerado o funcionamento de 7h00 as 18h00.
11
3.5. Ocupação humana
A taxa de ocupação humana nos ambientes a serem condicionados também é
de suma importância para o cálculo da carga térmica, principalmente no que diz
respeito a carga latente, pois a transpiração e respiração dos ocupantes produz vapor
d’água no recinto condicionado. No projeto em questão as ocupações foram definidas
de acordo com a norma ABNT NBR 16400-3, tabela 1, de onde foram extraídos os
seguintes dados:
Tabela 3.5.1 – Densidade de ocupação
Ambiente Densidade
[pessoas / 100m²]
Hall do edifício, recepção 10
Sala de aula 35
Laboratório de informática 25
Laboratório de ciências 25
Auditório 150
Sala de reuniões 50
Cozinha, Copa 70
Gabinete de profes sores 14
Assim como a densidade de ocupação, o regime e horários de ocupação
devem ser definidos. Os laboratórios e demais salas serão considerados com
ocupação igual a 100% no horário de funcionamento da universidade, 7h00 as 18h00.
O auditório terá ocupação de 50% de 08h00 às 12h00, 100% de 13h00 às 15h00 e
70% de 15h00 às 17h00.
Além da densidade de ocupação no ambiente, o calor liberado por pessoa
pode ser estimado e deve ser considerado, é dividido em sua parte sensível e latente,
bem como sua fração de calor radiante. Essa potência obviamente varia de acordo
com a atividade que esta sendo realizada pela pessoa. Para efeito de cálculo será
considerado, de acordo com a norma ABNT NBR 16401, tabela C.1,
12
Tabela 3.5.2 – Taxas típicas de calor liberado por pessoa.
Atividade Calor sensível
[W/pessoa]
Calor latente
[W/pessoa]
% Radiante do
calor sensível
Moderada, escritório 75 55 60
Sentado, auditório 70 35 60
3.6. Equipamentos elétricos
Os equipamentos elétricos disponíveis na universidade, como computadores,
impressoras, projetores, fornos, elevadores, autoclave, entre outros, ainda não estão
disponíveis na planta de arquitetura. No entanto, a potência dissipada por esses
equipamentos deve ser incluída no cálculo da carga térmica, assim como seu regime
de horários de uso.
Da ABNT NBR 16401-1, Tabela C.3 a Tabela C.6, obtém-se alguns valores
típicos de dissipação de calor para equipamentos elétricos.
Tabela 3.6.1 – Potência dissipada por equipamentos elétricos.
Equipamento Potência dissipada [W]
Computador 65
Monitor 70
Copiadora 400
Impressora de escritório 275
Máquina de fax 10
Máquina de café 1050 (sensível) / 450 (latente)
Para autoclave foi estimada uma potência dissipada de 3000W e para o
projetor do auditório, 500W.
Os regimes utilização desses equipamentos serão de 100% para
computadores e monitores no horário de funcionamento da universidade, 07h00 às
18h00. Para autoclave será considerado apenas dois usos ao dia, um no fim da
manhã, 11h00 às 12h00 e outro no fim da tarde, 17h00 às 18h00. O projetor do
auditório entrará em uso de 8h às 12h e de 13h às 17h.
3.7. Ar exterior
A vazão de ar exterior insuflada no ambiente é necessária para a qualidade do
ar interno do recinto, uma vez definida, ela mantém a concentração de poluentes a um
13
nível aceitável. A ABNT NBR 16401-3, define os valores de vazões volumétricas em
litros por segundo dos diferentes ambientes conforme seu tipo, áreas e ocupação.
Essa vazão de ar contribui para o aumento da potência frigorífica da instalação, pois o
ar vem com entalpia elevada devido a sua temperatura ser a do ambiente externo, ou
seja, quanto mais ar exterior for necessário, maior a potência necessária para retirar
calor do ar insuflado.
De acordo com a Tabela 1 da seção 5 da ABNT NBR 16401-3 podemos obter a
vazão necessária em três diferentes níveis, sendo o nível 1, o mínimo e nível 3, o
recomendado para a melhor qualidade do ar.
Tabela 3.7.1 – Vazão de ar exterior para ventilação.
Ambiente Nível 3
Fp [l/s *pessoa] Fa [l/s *m²]
Sala de aula 7.5 0.9
Laboratório de informática 7.5 0.9
Laboratório de ciências 7.5 1.4
Hall, recepção 3.8 0.5
Escritório média densidade 3.8 0.5
Auditório 3.8 0.5
Refeitório 5.7 1.4
Onde Fp é a fração de ocupação e Fa a fração de área. Esses fatores serão
multiplicados pela área do ambiente e pela ocupação, em número de pessoas de cada
ambiente.
Há também o critério baseado na 2ª Portaria da ANVISA nº 3523/98 que indica
que a renovação do ar interior do recinto condicionado deve ser de 27 m³/h por
pessoa. Por este critério obtemos as seguintes vazões volumétricas por ambiente:
Tabela 3.7.2 – Vazões de ar exterior requeridas para o Bloco A
BLOCO A - AMBIENTE Área [m²] Ocupação [nº pessoas]
Vazão de ar exterior requerida
[m³/h] Sala de Lavagem 1 13.1 3 88.43 Sala Autoclave 5.2 1 35.10 1/2 circulação 9.4 2 63.45 Lab. multiusuário 1 18.8 5 126.90 Sala de cultura 29.4 10 277.83 Copa 5.2 4 98.28 Cozinha 13.1 9 247.59 Lab. Multiusuário 2 51.9 13 350.33
14
Área Lab. Multiusuário 1 104.9 26 708.08 Sala Computadores 18.9 5 127.58 Auditório 117.8 177 4770.90 Sala de Reuniões 37.9 19 511.65 1/2 circulação 13.8 3 93.15 Hall 1 10.9 1 29.43 Hall 2 10.9 1 29.43 Laboratório Pesquisa 2 41.3 10 278.78 Laboratório Pesquisa 1 52.3 13 353.03
Tabela 3.7.3 – Vazões de ar exterior requeridas para o Bloco B
BLOCO B - AMBIENTE Área [m²] Ocupação [nº pessoas]
Vazão de ar exterior requerida
[m³/h]
Laboratório multiusuário 2 102.94 26 694.85 Sala 14.49 5 136.93 Central analítica 14.36 4 96.93 Gabinete professores 37.9 5 143.26 1/2 circulação 9.58 2 64.67 Hall 1 10.9 1 29.43 Sala de aclimatação 13.1 3 88.43 Sala 2 5.2 2 49.14 Experimentação animal 25.45 6 171.79 Sala comportamento 25.45 6 171.79 Sala de lavagem 13.1 3 88.43 Sala da autoclave 5.2 1 35.10 Área Lab. Multiusuário 3 105.76 26 713.88 Sala dos alunos 29.33 10 277.17 Gabinete de professores 37.8 5 142.88 Hall 2 10.89 1 29.40 Sala de lavagem 13.1 3 88.43 Sala autoclave 5.2 1 35.10 Lab. Multiusuário 3 25.45 6 171.79 Sala cultura 25.32 9 239.27 Cozinha 13.1 9 247.59 Copa 5.2 4 98.28 1/2 circulação 9.5 2 64.13
3.8. Memória de cálculo de carga térmica
Com o intuído de facilitar e organizar a entrada de dados no software foi
elaborada uma planilha com todos os dados de arquitetura do projeto, como áreas dos
pisos, tetos, paredes, bem como suas orientações. Além da informação de ocupação
máxima e estimativa de equipamentos elétricos. A planilha segue no anexo I.
15
3.9. Software para cálculo
O software utilizado para o cálculo da carga térmica do ambientes é o HVAC
Load Explorer e utiliza o método RTSM (Radiant Time Series Method), uma
simplificação do método HBM (Heat Balance), é fornecido com o livro que faz parte da
bibliografia deste trabalho, “Heating, Ventilating, and Air Conditioning – Analysis and
Design, 6th Edition.”.
O método Heat Balance assegura que toda energia, em forma de calor, que flui
em cada zona é balanceada e leva a solução das equações de balanço de energia
com suas superfícies em interação com os meios interno e externo. Assim, as
equações do balanço de energia são combinadas com equações da condução de
calor através das paredes, pisos e tetos e dados climáticos da região. O método
RTSM faz algumas simplificações em comparação ao método HBM, como o balanço
de energia no exterior que é modelado a partir de uma transferência de calor com uma
temperatura equivalente, ao invés de separadamente para cada tipo de radiação, por
exemplo.
As condições de contorno são informadas para cada parede, teto e piso do
ambiente. Sendo elas, temperatura sol-ar externa para superfícies em contato com
meio exterior, temperatura interna para superfícies em contato com ambientes também
condicionados, temperatura especial pré-definida para superfícies em contato com
áreas não condicionadas ou em temperaturas especiais.
O software aceita a inclusão de quatro paredes, um piso e um teto, além das
informações de iluminação, ocupação, infiltração e equipamentos. A figura 3.9.1 ilustra
Figura 3.9.1 – HVAC Load Explorer
16
a tela do software HVAC Load Explorer onde esta sendo mostrada a estrutura de
inclusão de ambientes.
É importante relevar que o software foi desenvolvido no hemisfério norte, e a
informação da posição geográfica de longitude somente é aceita ser incluída como
hemisfério norte, sendo então necessário considerar as paredes nortes como sul e
leste como oeste, para um resultado correto no hemisfério sul.
3.10. Resultados
Em posse de todas as informações o software HVAC Load Explorer foi
alimentado com todas as salas a serem condicionadas e suas características
relevantes ao projeto, resultado numa carga térmica total máxima às 17hs do dia mais
quente, de:
Carga térmica total = 181.9kW
Carga térmica sensível correspondente = 159.9kW
Onde o horário de máximo para carga térmica total e sensível da construção
pode não ser o mesmo horário da máxima carga para cada zona ou ambiente, uma
vez que o regime de ocupação e as características deles são diferentes.
As cargas térmicas totais (CT), sensíveis (RSH) e latentes (RLH) separadas
por ambiente são informadas a seguir, considerando o horário de máximo para cada
um:
Tabela 3.10.1 – Cargas térmicas dos ambientes do Bloco A
BLOCO A
AMBIENTE Área [m²] CT [kW] RSH [kW] RLH [kW] Hora Máximo
Sala de Lavagem 1 13.1 4.3309 4.1527 0.1782 18hs
Sala Autoclave 5.2 1.941 1.822 0.119 18hs
1/2 circulação 9.4 2.1402 2.0214 0.1188 18hs
Lab. multiusuário 1 18.8 5.1629 4.8659 0.297 18hs
Sala de cultura 29.4 5.8119 5.6337 0.1782 18hs
Copa 5.2 1.2338 1.0556 0.1782 18hs
Cozinha 13.1 2.6704 2.2546 0.4158 18hs
Lab. Multiusuário 2 51.9 7.2286 6.4564 0.7722 18hs
Área Lab. Multiusuário 1 104.9 9.3438 7.7994 1.5444 18hs
Sala Computadores 18.9 8.9751 8.6781 0.297 17hs
Auditório 117.8 19.3938 13.8498 5.544 15hs
Sala de Reuniões 37.9 10.6649 9.536 1.1289 16hs
1/2 circulação 13.8 1.644 1.466 0.178 18hs
Hall 1 10.9 1.3078 1.2484 0.0594 18hs
Hall 2 10.9 1.0712 1.0118 0.0594 18hs
17
Laboratório Pesquisa 2 41.3 8.686 8.092 0.594 18hs
Laboratório Pesquisa 1 52.3 5.467 4.695 0.772 18hs
Total 554.8 97.0733 84.6388 12.4345
Tabela 3.10.2 – Cargas térmicas dos ambientes do Bloco B
BLOCO B
AMBIENTE Área [m²] CT [kW] RSH [kW] RLH [kW] Hora Máximo
Laboratório multiusuário 2 102.94 11.846 10.301 1.545 18hs Sala 14.49 2.872 2.456 0.416 17hs Central analítica 14.36 2.892 2.476 0.416 17hs Gabinete professores 37.9 8.985 7.856 1.129 17hs 1/2 circulação 9.58 1.729 1.61 0.119 18hs Hall 1 10.9 1.99 1.931 0.059 18hs Sala de aclimatação 13.1 2.541 2.363 0.178 18hs Sala 2 5.2 1.189 1.011 0.178 18hs Experimentação animal 25.45 3.592 3.5137 0.0783 18hs Sala comportamento 25.45 3.47 3.236 0.234 18hs Sala de lavagem 13.1 3.84 3.602 0.238 18hs Sala da autoclave 5.2 1.936 1.817 0.119 18hs Área lab. Multiusuário 3 105.76 10.285 8.741 1.544 18hs Sala dos alunos 29.33 4.617 3.726 0.891 17hs Gabinete professores 37.8 8.693 7.565 1.128 16hs Hall 2 10.89 0.6697 0.6103 0.0594 18hs Sala de lavagem 13.1 2.8294 2.5918 0.2376 18hs Sala autoclave 5.2 3.1641 3.0453 0.1188 18hs Lab. Multiusuário 3 25.45 3.101 2.745 0.356 18hs Sala cultura 25.32 3.362 2.887 0.475 17hs Cozinha 13.1 2.394 1.979 0.415 18hs Copa 5.2 1.066 0.888 0.178 18hs 1/2 circulação 9.5 1.434 1.3152 0.1188 18hs
Total 558.32 88.497 78.2663 10.231
O output gerado pelo software segue no anexo II com dados de carga térmica
total e sensível, para cada hora do dia.
18
4. Condições de conforto e insuflamento
As condições de conforto dos ambientes condicionados usadas para o
dimensionamento do sistema, atenderão a ABNT NBR 16401-2, que trata de
parâmetros de conforto térmico. A norma recomenda que no verão a temperatura
interna esteja entre 22.5ºC a 26ºC e umidade relativa de 35% a 65%, variando de
acordo com as condições de conforto necessária para cada tipo de ambiente,
considerando a vestimenta típica dos ocupantes, a atividade física que estes estarão
realizando, e considerando ainda o índice máximo de pessoas não satisfeitas. Assim,
as condições internas adotadas neste projeto serão:
Tabela 4.1 – Condições internas de conforto
Temperatura de bulbo seco 24ºC
Umidade relativa 50%
Para definirmos as condições de insuflamento, precisamos também do fator de
desvio da serpentina (fator de by-pass, BF). O seu valor representa a fração de ar que
passa pela serpentina sem sofrer alterações de suas propriedades, como temperatura
e umidade relativa. Este fator é característico de cada tipo de serpentina e devemos
analisar no projeto qual o valor adequado para situação. Conforme a tabela abaixo
fornecida pela CARRIER, temos informações que ajudam nessa escolha, logo,
adotaremos BF = 0.1, para aplicações típicas de conforto.
Tabela 4.2 – Fatores típicos de desvio (by-pass) da serpentina.
A partir da carga térmica total dos ambientes, carga térmica sensível, dados
climáticos externos e temperatura de conforto interno, podemos determinar as
condições de insuflamento e a potência frigorífica. Neste ponto fez-se o estudo do ar
19
úmido com ajuda de uma planilha de cálculo construída no software Microsoft Excel
onde se utilizou das fórmulas de psicrometria mostradas a seguir. A planilha
preenchida com os dados segue no anexo III.
Para a explicação das propriedades do ar estudadas e calculadas nesta
planilha, iremos utilizar a nomenclatura típica em condicionamento de ar adotada
internacionalmente, conforme figura 4.1.
O
Figura 4.1 – Arranjo típico do sistema e nomenclatura utilizada
O primeiro passo foi informar a planilha as condições exteriores (OA) já
mencionadas, temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo úmido e pressão
atmosférica do local. O fator de by-pass (BF) da serpentina utilizada e as condições de
conforto do interior do ambiente (RA) já definidas também foram informados para os
cálculos.
Constantes como o calor específico à pressão constante para o ar (Cpa) e calor
específico à pressão constante para o vapor d'água superaquecido (Cpv) foram
utilizados com os valores a seguir:
Tabela 4.3 – Calor específico à pressão constante para o ar e vapor d’água
Cpa 1.006 kJ/kg.K
Cpv 1.805 kJ/kg.K
Pode-se então calcular a pressão de saturação do vapor d’água do ar exterior (OA) em função da sua temperatura de bulbo úmido (Tbu), através da fórmula recomendada pela ASHRAE, válida no intervalo de 0ºC a 200ºC.
ln�Pvsat =C8
Tbu+ C9 + C10. Tbu + C11. Tbu² + C12. Tbu³ + C13. ln�Tbu
Onde, C8, C9, C10, C11, C12 E C13 são constantes pré-definidas e informadas na planilha do anexo III.
A partir dessa pressão de saturação do vapor d’água encontrada e a pressão atmosférica local, pode-se calcular a razão de umidade do ar exterior saturado, por:
������ = 0.622.Pvsat
P − Pvsat
20
Onde P representa a pressão total, atmosférica.
Podemos assim determinar a razão de umidade da mistura (woa). Através da da primeira lei da termodinâmica e da definição de entalpia, chegamos a fórmula:
��� =�������Cpv. #$% + 2501.2 − Cpa. �#$' − #$% − �������Cw. #$%
�2501.2 + Cpv. #$' − Cw. #$%
Onde Cw representa o calor específico da água, que tem o valor de 4.186kJ/kg.K.
Agora a pressão de vapor da mistura ar exterior pode ser encontrada, bastando usar a fórmula anterior de razão de umidade em função da pressão de vapor e pressão total. Essa pressão de vapor da mistura foi usada para o cálculo do volume específico do ar exterior (voa).
A partir da razão de umidade da mistura ar exterior (woa), podemos encontrar a entalpia da mistura ar exterior (hoa) em função da sua temperatura de bulbo seco (Tbs), através da fórmula:
ℎ�� = *+�. #$' + ���. �*+,. #$' + ℎ-.
Onde hlv=2501.2kJ/kg é a variação de entalpia da água líquida saturada a 0ºC
até a condição de vapor saturado a mesma temperatura.
Uma vez definida as propriedades do ar exterior, fez-se o cálculo da razão de
umidade do recinto (wra) através do mesmo procedimento, porém considerando a
umidade relativa, por:
�/� =0.622. Pvsat01. UR
P − Pvsat01. UR
Onde UR representa a umidade relativa do ar do recinto, no caso, UR=50%.
Assim o efetivo fator de calor sensível do recinto (ESHF) foi calculado,
4567 =RSH + �:��. Cpa. BF�Tbs − Tra
CT +:��. BF. �Cpa�Tbs − Tra + 2501,2���� − �/�
Onde moa é a vazão de ar exterior que deve ser insuflado aos ambientes, já
definida no item 3.7.
Temos que estimar agora a temperatura de ponto de orvalho da serpentina
(Tadp), que pode ser entendida como a mesma temperatura de saída da porção de ar
que entra em contato diretamente como superfície metálica da serpentina, pois essa
porção de ar condensa a sua água que estava em forma de vapor, perdendo toda
energia em forma de água condensada. Assumimos que essa porção de ar, que é a
21
todo ar que entra no aparato menos a porção de by-pass, tem temperatura igual a da
serpentina. Desta forma, como é sabido também que o ESHF varia com a temperatura
de ponto de orvalho da serpentina (Tadp), utilizamos na planilha a ferramenta solver
para estimar esta temperatura e calcular a vazão de ar a ser insuflado (msa). A
ferramenta resolve problemas não-lineares, bastando definir um valor desejado e ela
calcula o valor das variáveis que atendem aquele valor desejado, no caso, o valor da
temperatura de ponto de orvalho (Tadp).
Desta maneira, a vazão mássica de ar a ser insuflado (msa) pode ser obtida
com o valor da temperatura de ponto de orvalho (Tadp) estimada,
:'� =?56 + �:��. Cpa. BF. �Tbs − Tra
�1 − BF. Cpa. �Tra − Tadp
A temperatura do ar a ser insuflado (Tsa) também pode ser obtida por:
#'� = #/� −?56
:'�. Cpa
E sua entalpia, definida por,
ℎ'� = Cpa. #'� + �'��Cpv. #'� + 2501,2
As condições de entrada na serpentina (EA) dependem da vazão de ar exterior
(moa) e da vazão de ar de retorno (mra), pela conservação de massa é fácil notar que
a vazão mássica de ar na entrada da serpentina (mea) é a soma dessas duas:
:A� = :'� = :/� +:��
Portanto a temperatura na entrada da serpentina é
#A� = #$'. :�� + #/�.:/�
:'�
E a entalpia,
ℎA� = :��. ℎ�� + :/�. ℎ/�
:�� +:/�
É possível agora estimar a potência frigorífica com a vazão mássica na
serpentina e as condições de entrada e saída.
B7 = :'��ℎA� − ℎ'�
22
De acordo com a planilha no anexo III, pode-se notar que obtemos para o bloco
A e bloco B diferentes resultados para a potência frigorífica, ainda que tenham a
mesma área praticamente, sua ocupação é bastante diferente, principalmente devido a
presença do auditório no bloco A, que requer maior vazão de ar exterior e possui
maior carga térmica latente com sua alta a concentração de pessoas.
Tabela 4.4 – Potências frigoríficas requeridas
Bloco A 175.34kW 49.86TR
Bloco B 126.24kW 35.90TR
A vazão mássica de ar a ser insuflado para cada ambiente, bem como a
temperatura de insuflamento, foram calculadas pela planilha com as fórmulas citadas
para cada ambiente dos blocos A e B, e seguem a seguir:
Tabela 4.5 – Condições de insuflamento para o Bloco A
BLOCO A - AMBIENTE Área [m²] m_oa [kg/s] m_sa [kg/s] T_sa [ºC]
Sala de Lavagem 1 13.1 0.0272 0.36765 12.77
Sala Autoclave 5.2 0.0108 0.16117 12.76
1/2 circulação 9.4 0.0195 0.17973 12.82
Lab. multiusuário 1 18.8 0.0390 0.43167 12.79
Sala de cultura 29.4 0.0854 0.50471 12.90
Copa 5.2 0.0302 0.09631 13.11
Cozinha 13.1 0.0761 0.20713 13.18
Lab. Multiusuário 2 51.9 0.1076 0.57962 12.93
Área Lab. Multiusuário 1 104.9 0.2176 0.71093 13.09
Sala Computadores 18.9 0.0392 0.76613 12.74
Auditório 117.8 1.4660 1.39488 14.13
Sala de Reuniões 37.9 0.1572 0.85587 12.92
1/2 circulação 13.8 0.0286 0.13212 12.97
Hall 1 10.9 0.0090 0.11063 12.78
Hall 2 10.9 0.0090 0.08987 12.81
Laboratório Pesquisa 2 41.3 0.0857 0.72041 12.83
23
Laboratório Pesquisa 1 52.3 0.1085 0.42520 13.02
Total 554.8 2.5166 7.73403
Tabela 4.6 – Condições de insuflamento para o Bloco B
BLOCO B - AMBIENTE Área [m²] m_oa [kg/s] m_sa [kg/s] T_sa [ºC]
Laboratório multiusuário 2 102.94 0.2135 0.95578 13.29
Sala 14.49 0.0421 0.22677 13.23
Central analítica 14.36 0.0298 0.22702 13.16
Gabinete professores 37.9 0.0440 0.71394 13.06
1/2 circulação 9.58 0.0199 0.14768 13.16
Hall 1 10.9 0.0090 0.17526 13.05
Sala de aclimatação 13.1 0.0272 0.21650 13.15
Sala 2 5.2 0.0151 0.09307 13.20
Experimentação animal 25.45 0.0528 0.32349 13.20
Sala comportamento 25.45 0.0528 0.29845 13.22
Sala de lavagem 13.1 0.0272 0.32822 13.09
Sala da autoclave 5.2 0.0108 0.16520 13.07
Área lab. Multiusuário 3 105.76 0.2194 0.81585 13.35
Sala dos alunos 29.33 0.0852 0.34672 13.32
Gabinete professores 37.8 0.0439 0.68768 13.06
Hall 2 10.89 0.0090 0.05617 13.20
Sala de lavagem 13.1 0.0272 0.23713 13.14
Sala autoclave 5.2 0.0108 0.27596 13.03
Lab. Multiusuário 3 25.45 0.0528 0.25418 13.26
Sala cultura 25.32 0.0735 0.26960 13.36
Cozinha 13.1 0.0761 0.18804 13.54
Copa 5.2 0.0302 0.08388 13.48
1/2 circulação 9.5 0.0197 0.12108 13.20
Total 558.32 1.1918 7.20768
Ainda com ajuda do software Microsoft Excel foram traçados gráficos para
ilustrar as condições psicrométricas de insuflamento encontradas no estudo. Nele o
eixo das abscissas representa a temperatura em graus Celsius e o eixo das ordenadas
a razão de umidade. Suas representações seguem a seguir.
24
Figura 4.2 – Condições psicrométricas de insuflamento do Bloco A
Figura 4.3 – Condições psicrométricas de insuflamento do Bloco B
25
5. O sistema VRV/VRF
5.1. Introdução
Para este projeto iremos optar por um sistema moderno de condicionamento de
ar conhecido como “variable refrigerant flow” (VRF) ou “variable refrigerant volume”
(VRV). É um sistema de expansão direta, com condensação a ar, baseado em um
ciclo termodinâmico reverso ao de Rankine por compressão mecânica de vapor. O
vapor neste caso é o fluido refrigerante que escoa na tubulação em estado gasoso
antes da compressão ou líquido antes da expansão. Introduzido no Japão há mais de
20 anos, vem crescendo sua participação no mercado americano, europeu e também
brasileiro. Possui alta flexibilidade, podendo se adaptar à cargas parciais devido seu
controle de capacidade, proporcionando economia de energia e outros benefícios.
O sistema é modular, composto por unidades externas e unidades internas.
Nas unidades externas se localizam os condensadores e compressores, e nas
unidades internas se encontram o evaporador, ventilador e válvula de expansão. Ele é
portanto, um sistema tipo Multi-Split com necessidade de adição de ar exterior para a
renovação de ar e controle de contaminantes, como visto no item 3.7. Desta forma
será instalado um sistema de ar exterior dedicado (DOAS) a ser detalhado adiante.
26
5.2. Características do sistema VRV/VRF
A principal característica deste sistema, e que dá nome a ele, é a vazão de
fluido refrigerante controlada, porém existem muitas outras características a serem
relevadas, desde o controle e gerenciamento por software até a mobilidade de
instalação. No sistema VRV/VRF, a vazão do fluido refrigerante é variada para cada
evaporador de acordo com a necessidade de resfriamento ou aquecimento do
ambiente, com maior ou menor carga térmica, conforme o período do dia ou
ocupação, por exemplo. Desta forma o compressor, localizado na unidade externa,
possui um controle de capacidade e de adapta a carga, economizando energia. Como
seu acionador é um motor elétrico é possível obter essa variação de vazão através de
um variador de frequência que controla sua rotação. Sua variação de capacidade varia
linearmente com a frequência de rotação.
A unidade externa, também chamada de unidade condensadora, está ilustrada
no anexo V, retirada do catálogo do fabricante Daikin. Basicamente são compostas por
um trocador de calor (condensador), um controlador eletrônico para ajuste da
capacidade do compressor e ventiladores axiais para troca de calor por convecção
forçada e compressores. Podem possuir um ou mais compressores, sendo todos com
vazão variável, ou apenas um, por exemplo. O motivo de termos sistemas como
apenas um compressor com controle de capacidade é que a carga térmica total em
geral não passa de um valor mínimo e assim o compressor de vazão variável pode
adaptar o sistema à variação de carga ainda que os outros compressores funcionem
em carga total.
Os compressores aplicados nesse tipo de sistema são do tipo caracol (scroll)
ou parafuso (screw). Com poucas partes móveis são bastante confiáveis e sua
continua compressão garante baixos níveis de ruído e vibração. A geometria de
construção dele impede o vazamento de fluido refrigerante. A figura a seguir ilustra um
modelo de compressor scroll do fabricante Daikin.
As unidades internas são as que tratam o ar do ambiente, elas contêm o
evaporador e o ventilador para insuflamento do ar ao recinto. Podendo ser dutadas ou
não, a maioria das instalações não utiliza dutos para insuflamento do ar, este é
insuflado diretamente a partir da unidade interna. Para cada tipo de ambiente pode
selecionado um modelo de unidade interna com a evaporadora, sem a necessidade de
serem pré-determinadas e fixas pela unidade externas. Diversos modelos e
27
capacidades estão disponíveis. A figura 5.2.3 ilustra alguns modelos mais
comercializados de unidade internas.
As unidades internas podem ser selecionadas independentemente das
unidades externas. A soma de suas capacidades não precisa ser a mesma da
capacidade nominal da unidade externa, podendo variar de cerca de 5% a 10%
dependendo do fabricante e modelo adotado.
As válvulas de expansão utilizadas não são convencionais. As válvulas de
expansão controlam a vazão de refrigerante para o evaporador a fim de proporcionar a
mudança de fase do fluido e a remoção de calor do ambiente. As válvulas
convencionais são do tipo termostáticas e possuem funcionamento independente da
operação do compressor, com a variação da carga do ambiente as válvulas mecânicas
podem não controlar corretamente o grau de superaquecimento do gás, reduzindo a
capacidade de refrigeração ou pior, deixando o fluido atingir o compressor de forma
líquida, o que reduz a vida do compressor. A válvula de expansão utilizada é do tipo
eletrônica (EEV), onde o grau de superaquecimento do fluido é controlado de forma
mais apurada, através de um motor elétrico.
5.3. Vantagens do sistema VRV/VRF
A variação do fluxo de fluido refrigerante implica em algumas vantagens claras.
A maior e a mais e atraente delas é a economia de energia proporcionada pelo
compressor com variação de capacidade. Como não há desativação do acionador do
compressor, no caso, o motor elétrico, podemos obter um consumo menor que no
sistema convencional onde o compressor é ativado e desativado. Ao ser reativado o
compressor precisa comprimir o gás novamente até a pressão desejada, ocorrendo
perdas de energia. Além disso, o sistema sem dutos de insuflamento também é mais
vantajoso do ponto de vista energético uma vez que os dutos do sistema de
insuflamento acrescentam perdas por atrito no escoamento do ar e perdas de calor
para as paredes do duto.
Ainda sobre o compressor, ao desativá-lo é necessário um certo tempo até que
as pressões de sucção e descarga atinjam um determinado valor pois o compressor e
o acionador elétrico podem ser danificados ao ser acionados com alta diferença de
pressão. Podemos concluir que a vida útil tende a ser maior para compressores com
funcionamento contínuo e vazão variável e também para seus acionadores, os
motores elétricos.
28
Do ponto de vista do conforto térmico, podemos citar a vantagem de podermos
definir a temperatura de conforto diferente para cada ambiente e também uma menor
oscilação da temperatura interna, pois o sistema de controle, através dos sensores de
temperatura, pode ajustar a vazão necessária para se atingir a temperatura requerida
de conforto, desta forma o índice de pessoas não satisfeitas tende a reduzir.
A unidade externa entrega fluido comprimido por apenas uma entrada e uma
saída de fluido refrigerante, não havendo necessidade de linhas em paralelo com um
par para cada evaporador existente, pois o sistema ajusta e controla automaticamente
a vazão do refrigerante para cada evaporador através de pontos com juntas especiais,
reduzindo assim as perdas de cargas e perdas de calor para o ambiente devido ao
menor comprimento total da linha, além da redução de custo de instalação. Essas
juntas especiais são chamadas REFNET, que devido a sua concepção conseguem
manter a vazão do fluido igual em cada saída, ainda que haja diferentes perdas de
carga no trecho e um pequeno diâmetro da tubulação, que agrava ainda mais o
problema da perda de carga.
Além dessas vantagens energéticas e de conforto, é possível notar que o
sistema se adapta a mudanças de arquitetura ou expansão da construção com maior
facilidade que em um sistema convencional, pois as unidades internas são modulares
e geralmente expostas, bastando deslocar a linha de fluido refrigerante e instalar a
unidade interna em um novo local. Num sistema convencional os dutos de
insuflamento e retorno de ar são fixos. A instalação do sistema é mais prática também,
pois suas unidades são leves e compactas, podendo ser facilmente transportadas. A
sua eletrônica embutida torna o sistema quase plug-and-play.
A manutenção do sistema é mais fácil e prática que em um sistema de água
gelada, por exemplo. Por ser um sistema de expansão direta, envolve menos
equipamentos e requer menor esforço para manutenção, ainda que sua vida útil não
seja tão grande quanto a de um chiller.
O custo de instalação inicial em uma nova construção é reduzido e se aproxima
de uma instalação convencional de água resfriada, uma vez que não há necessidade
de dutos e terminais de insuflamento, nem outros equipamentos como bombas ou
torres de resfriamento. Porém existem dutos para insuflamento do ar exterior e
exaustão que devem ser considerados no orçamento.
A existência de mais de um compressor na unidade externa faz com que o
sistema torne-se ainda mais confiável, pois se um único compressor apresentar falha,
29
a capacidade de pico do sistema é perdida, mas o sistema pode ainda continuar
trabalhando atendendo uma carga parcial e a manutenção pode ser feita sem parar o
sistema.
Como possuem ampla eletrônica embutida para controle do funcionamento do
sistema, as unidades são gerenciadas por uma central eletrônica que ligada a um
software gerência todo o sistema de condicionamento de ar, além de outros
equipamentos se desejado, como portões, luzes e elevadores. É possível, por
exemplo, fixar horários de funcionamento para as unidades internas e temperaturas
máximas e mínimas dos ambientes condicionados independentemente. O controle,
monitoração e diagnóstico ainda pode ser feito remotamente via Internet, seja pelos
fabricantes ou pelos clientes.
Para sistemas que trabalham com carga parcial na maior parte do tempo, o
controle eletrônico torna-se ainda mais relevante, pois é preciso modular todo sistema.
Os sistemas VRV/VRF mostram-se os mais preparados para se comunicar de forma
padronizada, atendendo a protocolos de comunicação integrada como o BACnet,
desenvolvido pela ASHRAE.
A válvula de expansão eletrônica dos evaporadores permite um controle de
consumo de fluido refrigerante, isto é, é possível controlar o consumo de uma unidade
interna por meio da central eletrônica. Caso um ambiente esteja consumindo mais que
o previsto é possível verificar o que há de errado localmente, como infiltrações ou alta
ocupação, e assim rever o sistema. Outra vantagem deste fato é que é possível tarifar
um ambiente conforme o seu consumo. Ideal para hotéis ou escritórios específicos.
5.4. Desvantagens do sistema VRV/VRF
Dentre as características técnicas do sistema VRV/VRF, podemos relevar
algumas desvantagens em relação a um sistema convencional. Por possuírem grande
eletrônica embutida, requerem softwares de diagnostico próprios dos fabricantes e
treinamento específico. Muitos clientes podem ver o sistema como promessa para o
futuro e não como realidade, uma vez que ainda são encontrados problemas de difícil
solução quando estes são oriundos de seus controladores eletrônicos.
A necessidade de um sistema de ar exterior dedicado auxiliar acrescenta
custos adicionais a instalação.
30
Longas linhas de fluido refrigerante precisam ser conectadas a todas unidades
internas e seus evaporadores. O que pode proporcionar maior probabilidade de
vazamento de fluido. Esta fato pode ser agravado quando temos um pequeno
ambiente condicionado e ocorre um vazamento para este ambiente, o fluido contamina
o ar do recinto condicionado e dificulta a respiração dos ocupantes e nos piores caso
podendo deixá-los sem oxigênio.
Durante a operação normal do sistema óleo é necessário ao funcionamento do
compressor. Este óleo esta contido na linha junto ao fluido refrigerante e normalmente
migra para fora outros pontos da linha e se acumula. São instalados separadores de
óleo para cada compressor que usam a força da gravidade para reter o óleo naquele
local e não deixa-lo percorrer toda a linha. Porém esses separadores de óleo não
conseguem reter todo óleo, pois não são 100% eficientes, e uma boa parte do óleo
percorre a linha e se acumula em lugares indesejados. Assim, depois de um certo
período de funcionamento é preciso recolher o óleo da linha, o que faz o sistema
entrar em modo de recolhimento, que dura cerca de 3 a 6 minutos. Durantes esse
tempo o sistema não refrigera os ambientes.
No que diz respeito a instalação também existem algumas desvantagens, como
é sabido as unidades internas produzem água condensada e como nesse tipo de
instalação existem um ou mais evaporadoras para cada ambiente, cada uma delas
requer a existência de um dreno para essa água. Ou seja, as unidades precisam estar
conectadas a uma rede de drenagem do sistema.
5.5. Seleção dos equipamentos
Iremos selecionar as unidades de acordo com a carga térmica e potência
frigorífica calculada. Os fabricantes oferecem softwares específicos para seleção
desses equipamentos. Nele, sua seleção inicia-se pelas unidades internas e então o
software escolhe as unidades externas de acordo com a capacidade. A capacidade
combinada das unidades internas pode ser igual, superior ou inferior à capacidade das
unidades externas. O que se deve fazer é selecionar primeiramente a unidade externa
de acordo com a máxima carga calculada para um determinado horário, da construção
como um todo, pois ela como ela irá atender a vários ambientes. Caso selecionemos a
unidade externa de acordo com a máxima carga de cada ambiente, iremos
superdimensionar o sistema.
31
O comprimento da linha de fluido refrigerante e seu arranjo também é montado
pelo software do fabricante. É importante frisar que o comprimento das linhas de fluido
refrigerante tem um limite pré-determinado para distâncias horizontais e verticais.
Quando esse comprimento excede um determinado valor, deve-se usar um fator de
correção para potência frigorífica nominal do equipamento, ou ainda pode ser inviável
a instalação.
Usualmente os fabricantes determinam que os limites máximos de
comprimento das linhas de fluido refrigerante são: distância vertical entre a unidade
externa e a unidade interna mais distante igual a 50m; distância vertical entre duas
unidades internas igual a 15m; distância total da unidade externa até a unidade interna
mais distante igual a 165m.
As unidades externas podem ser conectadas a qualquer tipo de unidade
interna e em alguns casos a até 64 delas dependendo do modelo e do fabricante.
Os catálogos de engenharia dos fabricantes fornecem uma potência de
refrigeração das unidades externas e unidades internas para determinadas
temperaturas internas e externas. É preciso verificar a tabela de capacidade corrigida
para saber se o equipamento atende as especificações do projeto.
Como foi calculado, para o Bloco A temos que atender uma potência frigorífica
total máxima de 169.2kW. Portanto, iremos selecionar para o Bloco A duas unidades
externas, que estão disponíveis no mercado, de acordo com essa carga máxima,
sendo uma unidade externa de 139kW (RXYQ50PAHY1 – Fabricante Daikin) com
capacidade corrigida de 112kW para as condições deste projeto e outra unidade
externa de 72.8kW (RXYQ26PAHY1 – Fabricante Daikin) com capacidade corrigida
para o projeto de 58.6kW, totalizando uma potência corrigida de 170.6kW, atendendo
ao Bloco A em condições de carga máxima. Uma planilha de capacidade corrigida
para as condensadoras RXYQ50PAHY1 – Fabricante Daikin segue no anexo IV.
No Bloco B temos que atender uma potência frigorífica de 132.5kW. Portanto,
iremos selecionar para este bloco duas unidades externas, que estão disponíveis no
mercado, de acordo com essa carga máxima, sendo as duas unidades externas de
78.3kW (RXYQ28PAHY1 – Daikin) com capacidade corrigida de 73.2kW para as
condições deste projeto, totalizando uma potência corrigida de 146.4kW, atendendo ao
Bloco B em condições de carga máxima
32
Especificações técnicas para as unidades externas selecionadas retiradas do
catálogos de engenharia do fabricante podem ser visualizadas a seguir.
Tabela 5.5.1 - Especificações técnicas da RXYQ50PAHY1 – Fonte: Catálogo de Engenharia
Daikin
33
Tabela 5.5.2 - Especificações técnicas da RXYQ28PAHY1 - Fonte: Catálogo de Engenharia Daikin
34
Tabela 5.5.3 - Especificações técnicas da RXYQ26PAHY1 - Fonte: Catálogo de Engenharia Daikin
35
Cabe agora selecionar as unidades internas com os evaporadores que irão
tratar o ar dos ambientes. Sua seleção será de acordo com a potência frigorífica
máxima obtida para cada ambiente. Para o auditório do Bloco A iremos usar unidades
internas tipo cassette fluxo circular. O modelo FXFQ50PVE – Daikin, ilustrado na
figura 5.5.1, tem a sua a capacidade corrigida no catálogo de engenharia para as
condições externa e internas deste projeto uma potência frigorífica estimada em
5.2kW. Logo iremos utilizar oito unidades desse tipo distribuídas uniformemente,
totalizando 41.6kW para o auditório. Uma planilha de correção de capacidades para as
unidades internas deste tipo segue no anexo IV.
36
Tabela 5.5.4 - Especificações técnicas para o FXFQ32PVE e FXFQ50PVE – Fonte: Catálogo de Engenharia Daikin
37
Para os demais ambientes as unidades internas serão do tipo suspenso no teto
de acordo com a capacidade requerida. Para o hall e salas pequenas serão utilizadas
unidades internas do tipo high-wall. Para a circulação de pessoas entre os bloco
também está previsto o condicionamento de ar, sendo selecionada duas unidades tipo
duto montado no teto, uma em cada lado do corredor. Uma lista com as unidades
selecionadas segue como legenda da ilustração a seguir.
5.6. Disposição dos equipamentos
O posicionamento das unidades internas nos ambientes foi montado de acordo
com a arquitetura do projeto, ou seja, respeitando seus limites de dimensões, portas e
janelas, foram dispostos a fim de ser obter um fluxo de ar simétrico e viabilizando um
melhor conforto térmico dos ocupantes. Também foram observadas as condições de
não interferência no funcionamento do equipamento mais próximo. Um desenho com
esse posicionamento segue a seguir.
As linhas de fluido refrigerante também serão posicionadas com o menor
comprimento possível para reduzir as perdas de carga e calor para o ambiente. Deve-
se atentar para os comprimentos máximos de cada ramificação de acordo com o
modelo adotado. Softwares de seleção dos fabricantes arranjam as linhas de forma a
se obter um melhor equilíbrio.
As unidades externas serão instaladas ao tempo no piso térreo próximo à área
dos sanitários, tanto para o Bloco A quanto para o Bloco B. A disposição final foi
montada para em suas plantas baixas. Suas ilustrações seguem a seguir.
38
Figura 5.6.2– Disposição das unidades no Bloco A - Térreo
39
Figura 5.6.4– Disposição das unidades no Bloco B - Térreo
40
Figura 5.6.3– Disposição das unidades no Bloco A – 1º Pavimento
41
Figura 5.6.5 – Disposição das unidades no Bloco B – 1º Pavimento
42
5.7. Sistema de ar exterior dedicado ( DOAS)
Um dos grandes desafios do sistema VRV/VRF é o suprimento de ar
exterior para ventilação do recito, uma vez que seus equipamentos não
renovam o ar interno. Uma das maneiras de contornar o problema é através de
uma pequena rede de ventilação de ar, onde o ar é filtrado e forçado através de
ventiladores para os ambientes com a vazão indicada pela norma. Este ar, no
melhor dos casos, pode ser insuflado a uma temperatura inferior a temperatura
externa e para climas úmidos como neste caso, com reduzida umidade. Muitos
fabricantes disponibilizam um kit para ventilação exterior chamado outdoor air
processing unit.
Neste projeto iremos considerar que o ar se mistura ao ar ambiente nas
piores condições possíveis, ou seja, o ar exterior entra no recinto e se mistura
ao ar do recinto às temperaturas externas de bulbo seco e bulbo úmido já
informadas no cálculo da potência frigorífica e carga térmica.
Figura 5.6.6 – Legenda para unidades externas e internas selecionadas
43
6. Considerações Finais
O sistema é tecnicamente viável para o projeto em questão. A capacidade do
sistema VRV/VRF se adaptar a cargas parciais pode fornecer boa economia de
energia em relação a sistemas convencionais, reduzindo seu custo operacional. Sua
instalação oferece vantagens claras frente a outros sistemas, sejam aos de expansão
direta ou refrigerados a água. Porém, o projeto em questão não é o melhor cenário
para sua aplicação, uma vez que a universidade deve trabalhar com ocupação
praticamente constante diariamente. Além disso, o ambiente não é sujeito à mudanças
em sua arquitetura em um curto período de tempo, que é uma vantagem deste
sistema, sua fácil adaptação a mudanças e a carga térmica. Soma-se a isso o fato da
confiabilidade dos controladores eletrônicos e softwares que vem sendo desenvolvidos
para estes sistemas, ainda não ser como a de um sistema convencional.
O clima da cidade de projeto também não contribui para o melhor
aproveitamento energético desse sistema. Como na cidade de Macaé no estado do
Rio de Janeiro, as unidades fornecerão apenas a operação de resfriamento, uma
habilidade do sistema VRV/VRF é perdida, a recuperação de calor de alguns
ambientes para aquecer outros e vice-versa.
Porém, a fácil manutenção pode ser um atrativo para a instalação, pois além do
seu baixo custo, requer pouco tempo.
Atualmente temos uma preocupação cada vez maior com o meio ambiente, e
os sistemas em questão, como vimos, além da economia de energia, utilizam de fluido
refrigerante tidos como ecológicos (R410a), o que pode viabilizar certificações para a
construção. Grandes avanços em tecnologia da informação tornam o sistema atraente,
uma vez que ele pode ser controlado inclusive pelo usuário final de forma prática via
computador ou até por telefones celulares.
44
Referências Bibliográficas
AMARNATH, A., BLATT, M., 2008, “Variable Refrigerant Flow: An Emerging Air Conditioner and Heat Pump Technology”, EUA, ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Buildings, 2008. ASHRAE, 2012, ASHRAE HANDBOOK - HVAC SYSTEMS AND EQUIPMENT. SI Edition. EUA, Georgia, Atlanta, ASHRAE BRUM, N., 2012. “Notas de aula Prof. Nísio Brum”, Rio de Janeiro, RJ. CARRIER, W., “System design manual, part 1, Chapter 8 - Applied Psychrometrics”. EUA. GOETZLER, W., 2007, “Variable Refrigerant Flow Systems”. ASHRAE Journal, EUA, April 2007. MCQUISTON, Faye C., PARKER, Jerald D., SPITLER, Jeffrey D., 2005, “Heating, Ventilation and Air Conditioning – Analysis and Design.” 6 ed. EUA: John Wiley & Sons, Inc. MORRIS, W., 2003, “The Abc of Dedicated Outdoor Air Systems”. ASHRAE Journal, EUA, May 2003. OZISIK, M., 1990, “Transferência de Calor Um Texto Básico”. 1 ed, Rio de Janeiro, RJ: Guanabara. SONNATAG, R., BORGNAKKE, C., VAN WYLEN, G., 2003, “Fundamentos da Termodinâmica”, 6 ed, São Paulo, SP: Edgard Blucher Ltda.
1
Anexo I – Memória de cálculo de carga térmica
Anexo II – Output gerado pelo software HVAC Load Explorer para os dois blocos.
Anexo III – Planilhas Psicrométricas
Anexo IV – Tabela de correção de capacidades dos equipamentos
Anexo V – Unidade externas e internas – fonte: catálogo Daikin
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Anexo II – Output gerado pelo software HVAC Load Explorer para os dois blocos.
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4.5
3.8
4.8
3.8
5.2
3.8
5.3
3.7
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10
.58.7
11.2
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11.9
9.0
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9.1
13.2
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23.0
3.0
2.9
3.6
3.4
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4.5
3.8
4.8
3.8
5.1
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5.2
3.7
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10
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11.2
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25.0
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10
.58.7
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12.8
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27.0
3.0
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3.6
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3.7
4.5
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10
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5.0
3.6
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35.0
3.0
2.9
3.6
3.4
4.2
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.58.7
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.516.7
10
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12.0
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3.4
4.5
3.9
5.2
4.3
5.6
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6.0
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7.0
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12.0
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14.0
10.3
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.516.7
10
.917.5
10.6
14.0
3.8
3.4
4.5
3.9
5.2
4.3
5.6
4.4
6.0
4.5
6.7
4.6
6.9
4.5
14.0
9.4
7.9
11.3
9.0
13
.110.1
14.0
10.3
14.9
10
.516.7
10
.917.2
10.6
16.0
3.8
3.4
4.5
3.9
5.2
4.3
5.6
4.4
6.0
4.5
6.7
4.5
6.8
4.4
16.0
9.4
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11.3
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.110.1
14.0
10.3
14.9
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.516.7
10
.817.0
10.5
18.0
3.8
3.4
4.5
3.9
5.2
4.3
5.6
4.4
6.0
4.5
6.6
4.5
6.7
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18.0
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.110.1
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.516.4
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.716.8
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20.0
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7.9
11.3
9.0
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.110.1
14.0
10.3
14.9
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.616.6
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6.0
4.5
6.4
4.5
6.6
4.3
21.0
9.4
7.9
11.3
9.0
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.110.1
14.0
10.3
14.9
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.516.1
10
.616.4
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23.0
3.8
3.4
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3.9
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6.3
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25.0
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.110.1
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4.3
5.6
4.4
6.0
4.5
6.2
4.4
6.3
4.2
27.0
9.4
7.9
11.3
9.0
13
.110.1
14.0
10.3
14.9
10
.515.4
10
.315.8
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14.0
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.215.5
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3.9
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erf
orm
ance
data
of e
ach
indoor
and o
utd
oor
unit
com
bin
atio
n.
Anexo V – Unidade externas e internas – fonte: catálogo Daikin
�
�
�
���������������
External Appearance ED34-845A
4 General Information
2. External Appearance
2.1 Indoor Units
Ceiling Mounted Cassette Type (Round Flow)
FXFQ25PFXFQ32PFXFQ40PFXFQ50PFXFQ63PFXFQ80PFXFQ100PFXFQ125P
Ceiling Mounted Duct Type
FXMQ200MAFXMQ250MA
Ceiling Mounted Cassette Type (Double Flow)
FXCQ20MFXCQ25MFXCQ32MFXCQ40MFXCQ50MFXCQ63MFXCQ80MFXCQ125M
Ceiling Suspended Type
FXHQ32MAFXHQ63MAFXHQ100MA
Ceiling Mounted Cassette Corner Type
FXKQ25MAFXKQ32MAFXKQ40MAFXKQ63MA
Wall Mounted Type
FXAQ20MAFXAQ25MAFXAQ32MAFXAQ40MAFXAQ50MAFXAQ63MA
Slim Ceiling Mounted Duct Type
FXDQ20PB FXDQ40NBFXDQ25PB FXDQ50NBFXDQ32PB FXDQ63NB
with Drain Pump (VE)without Drain Pump (VET)
Floor Standing Type
FXLQ20MAFXLQ25MAFXLQ32MAFXLQ40MAFXLQ50MAFXLQ63MA
Ceiling Mounted Built-In Type
FXSQ20MFXSQ25MFXSQ32MFXSQ40MFXSQ50MFXSQ63MFXSQ80MFXSQ100MFXSQ125M
Concealed Floor Standing Type
FXNQ20MAFXNQ25MAFXNQ32MAFXNQ40MAFXNQ50MAFXNQ63MA
Ceiling Mounted Duct Type (Middle and high static pressure)
FXMQ20PFXMQ25PFXMQ32PFXMQ40PFXMQ50PFXMQ63PFXMQ80PFXMQ100PFXMQ125P
Ceiling Suspended Cassette Type
FXUQ71MA +FXUQ100MA +FXUQ125MA +
Connection Unit
BEVQ71MABEVQ100MABEVQ125MA