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CURSO DE EXTENSO EM ENGENHARIA DO AR CONDICIONADO

APOSTILA DE CARGA TRMICA ANO 2014 AUTOR : PROF. JULIO TEYKAL VENDA PROIBIDA MATERIAL PARA USO INTERNO E TREINAMENTO - -- 1

REALIZAO

COORDENAO E APOIO IME - INSTITUTO MILITAR DE

ENGENHARIA

13o CURSO DE EXTENSO EM ENGENHARIA DO AR

CONDICIONADO

APOSTILA DE CARGA TRMICA

AUTOR: PROFESSOR JULIO TEYKAL

PATROCINADORES



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NDICE

VENTILAO E INFILTRAO.............................................................................................................................. 3 Ventilao Geral Diluidora ....................................................................................................................................... 4 Sistemas de Condicionamento de Ar ........................................................................................................................ 7 Taxa de Troca de Ar................................................................................................................................................ 10 Renovao de Ar por Pessoa................................................................................................................................... 10 Percentual de Ar Exterior........................................................................................................................................ 14 Infiltrao................................................................................................................................................................ 15

QUALIDADE DO AR INTERIOR ............................................................................................................................ 16 TRANSFERNCIA DE CALOR EM CONSTRUES........................................................................................... 22

Mtodo das Resistncias ......................................................................................................................................... 23 Camadas de Materiais Homogneos ....................................................................................................................... 24 Camadas de materiais no homogneos.................................................................................................................. 27 Cmaras de ar.......................................................................................................................................................... 28 Conveco............................................................................................................................................................... 28 Conduo e Conveco Combinadas ...................................................................................................................... 29 Coeficiente total de transmisso de calor ................................................................................................................ 30 Conceitos Gerais ..................................................................................................................................................... 32

ESTIMATIVA DE CARGA DE RESFRIAMENTO ................................................................................................. 34 Mtodos de Clculo e Aplicao............................................................................................................................. 35 Princpios Bsicos ................................................................................................................................................... 37 Consideraes Iniciais de Projeto ........................................................................................................................... 41 Clculo da Carga de Resfriamento.......................................................................................................................... 44 Superfcies Translcidas ......................................................................................................................................... 45 Angulos Solares ...................................................................................................................................................... 47 Sombreamento Externo........................................................................................................................................... 48 Sombreamento Interno ............................................................................................................................................ 50 Carga de Resfriamento devido a Superfcies Translcidas .................................................................................... 50 Carga de Resfriamento devido a Superfcies Externas Opacas............................................................................... 57 Carga de Resfriamento devido a Superfcies Internas............................................................................................. 61 Cargas de Resfriamento devido a Fontes Internas .................................................................................................. 62 Cargas de Resfriamento devido ao Ar Exterior....................................................................................................... 71 Ganhos Diversos ..................................................................................................................................................... 73

RESUMO DOS PROCEDIMENTOS......................................................................................................................... 75 TABELAS................................................................................................................................................................... 76 ANLISE DOS RESULTADOS OBTIDOS ............................................................................................................. 88 EXERCCIOS PROPOSTOS...................................................................................................................................... 90 BIBLIOGRAFIA, SITES E UNIDADES ................................................................................................................... 93



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VENTILAO E INFILTRAO

As trocas entre os fluxos de ar externo e interno, que ocorrem nos ambientes ventilados ou condicionados podem ser classificadas como ventilao ou renovao, infiltrao e exfiltrao.

Ventilao ou Renovao uma introduo intencional de ar externo, para fins de renovao do volume de ar interno, e pode ser natural ou forada. A natural resulta da movimentao de ar propositadamente causada por meios naturais, tais como diferenas de presso e/ou de temperatura. A forada resulta da movimentao de ar causada pela utilizao de ventiladores. O termo renovao usualmente empregado em sistemas de condicionamento de ar, de forma a indicar o ar exterior introduzido no processo.

Infiltrao o fluxo no controlado de ar externo para o interior do ambiente, atravs de frestas em janelas e portas externas, assim como outras aberturas extenas no intencionais. Preferencialmente, os ambientes condicionados devem ser mantidos fechados em relao ao meio externo, ou a outros ambientes internos no condicionados.

Exfiltrao o escape no controlado, do ar interno para o exterior, causado por diferencial de presso interna em relao externa, assim como pela infiltrao ou pela renovao.

A infiltrao ou a exfiltrao no devem ser consideradas para prover renovao em sistemas centrais de condicionamento de ar, por serem dependentes de condies climticas externas excessivamente variveis, tais como, velocidade dos ventos e diferenas de temperatura entre o meio externo e o interno.

Os edifcios modernos, comerciais e institucionais, so dotados de renovao forada, e so usualmente pressurizados, de forma a eliminar a infiltrao. Nestes casos, a renovao no forada no recomendada.



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Os sistemas de ventilao podem ser classificados em dois grandes grupos, de acordo com a forma em que ocorre a renovao de ar no ambiente a ser ventilado:

Ventilao natural em que a renovao ocorre por meios naturais, devido incidncia de ventos dominantes, e diferenas entre temperaturas internas e externas.

Ventilao forada em que a renovao ocorre por meios mecnicos, com a utilizao de ventiladores, sendo portanto, praticamente independente das condies atmosfricas. Os sistemas de ventilao forada so dividos em dois grupos bsicos:

Ventilao geral diluidora o ar exterior misturado com o ar do ambiente, de forma a diluir os contaminantes gerados internamente, e reduzir a temperatura ambiente.

Ventilao local exaustora o ar capturado prximo s fontes de contaminao, de forma a minimizar sua disseminao pelo ambiente. Trata-se de uma ventilao altamente especializada, utilizada em ambientes industriais.

Ventilao Geral Diluidora

Existem trs tipos de instalaes de ventilao geral diluidora, aplicveis conforme as necessidades operacionais ou condies do ambiente a ser ventilado:

Ventilao geral diluidora por insuflao aplicaes:

ambientes relativamente limpos presso interna positiva (acima da presso atmosfrica) possibilidade de filtragem do ar insuflado possibilidade de direcionamento do ar insuflado



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Qi = vazo de ar insuflado Componentes bsicos:

1 veneziana de admisso de ar 2 filtro de ar na admisso 3 ventilador de insuflao 4 veneziana de insuflao 5 veneziana de captao de ar

Ventilao geral diluidora por exausto aplicaes:

ambientes com contaminantes (odores, particulados, etc..) presso interna negativa (abaixo da presso atmosfrica)

Qx = vazo de ar extrado (exausto)

1 2 3 P

Qx

1 2 3 4

5

P +

Qi



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Componentes bsicos:

1 veneziana de admisso de ar 2 veneziana de captao de ar 3 ventilador de exausto

Ventilao geral diluidora mista aplicaes:

presso interna de acordo com as vazes de ar insuflada e exaurida possibilidade de filtragem do ar insuflado possibilidade de direcionamento do ar insuflado

A ventilao geral diluidora utilizada com a finalidade de reduzir a temperatura interna, assim como diluir a concentrao de contaminantes no ambiente, incluindo-se neste caso, o dixido de carbono (CO2) liberado pelos ocupantes do recinto.

P + ou

Qx

Qi



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Sistemas de Condicionamento de Ar

A figura a seguir representa os fluxos de ar resultantes de um processo de condicionamento de ar, sem renovao forada. O condicionador insufla o fluxo de ar tratado (Qi), devidamente resfriado, desumidificado e filtrado no ambiente condicionado. O fluxo de ar de retorno (Qr) mistura-se com fluxo de ar externo ou de renovao (Qe), gerando o fluxo de ar de mistura (Qm), que retorna ao condicionador. Neste processo, considera-se a exfiltrao (Qx) de parte do volume de ar do ambiente condicionado, resultante da diferena da presso interna em relao externa. Balano dos fluxos volumtricos:

Qm = Qr + Qe = Qi Qe = Qx = exfiltrao de parte do ar do ambiente condicionado

O fluxo de ar exterior (Qe) ou ar de renovao, deve ser filtrado, e necessrio para a manuteno da Qualidade do Ar Interior (QAI).

F C Qi

TAE

D = damper F = filtro C = serpentina

P + D

Qe Qm

Qr Qx



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A figura a seguir representa os fluxos de ar resultantes de um processo de condicionamento de ar, dotado de renovao forada. O condicionador insufla o fluxo de ar tratado (Qi) no ambiente condicionado. Parte do ar vindo do ambiente retorna ao condicionador (Qr), e a outra parte exaurida (Qx), de forma a permitir a admisso de ar exterior (Qe). O fluxo de ar exterior ou de renovao (Qe), mistura-se com parte do ar de retorno (Qr), gerando o fluxo de ar de mistura (Qm), que retorna ao condicionador. Balano dos fluxos volumtricos:

Qm = Qr + Qe = Qi Qx = Qe (desprezando-se as infiltraes e exfltraes no ambiente condicionado)

O ar exterior (Qe) ou ar de renovao, pode ser tratado (filtrado, resfriado e/ou desumidificado), e necessrio para a manuteno da Qualidade do Ar Interior (QAI).

Este processo usualmente adotado em sistemas de maior capacidade, que requerem elevadas taxas de renovao de ar exterior, sistemas de VAV, ou processos especiais.


F C Qi

TAE

D

D

Qe Qm

Qr + Qx Qx

Qr

P + ou



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A figura a seguir representa os fluxos de ar resultantes de um processo de condicionamento de ar com 100% de renovao, ou seja, no h retorno do ar insuflado para o condicionador. O condicionador insufla o fluxo de ar tratado (Qi) no ambiente condicionado. Todo o ar insuflado exaurido (Qx). O fluxo de ar exterior ou de renovao (Qe) captado pelo condicionador. Balano dos fluxos volumtricos:

Qx = Qe = Qi (desprezando-se as infiltraes e as exfltraes no ambiente)

O ar exterior (Qe) ou ar de renovao, pode ser tratado (filtrado, resfriado e/ou desumidificado), e necessrio para a manuteno da Qualidade do Ar Interior (QAI).

Este processo usualmente adotado como tratamento de ar exterior para condicionadores de pequena capacidade, ou processos especiais nas reas hospitalares ou industriais.


F C Qi TAE

P +/

D

Qe

Qx



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Taxa de Troca de Ar

Uma taxa de troca de ar definida como sendo a razo entre um fluxo volumtrico de ar movimentado, e o volume de ar do ambiente. Este fluxo volumtrico pode ser a vazo de ar insuflada no ambiente ou a vazo de ar de renovao. As taxas de troca de ar so expressas em termos de nmero de renovaes do volume de ar do ambiente por unidade de tempo, sendo usual se referenciar hora. Portanto, as taxas de troca de ar so expressas em nmero de trocas ou renovaes por hora, ou ainda Air Changes per Hour (ACH) do volume de ar do ambiente considerado.

I = (Qe ou Qi) Vo ou Qe ou Qi = I .Vo sendo: I = taxa de troca ou renovao de ar por hora, ren/h ou ACH Qe ou Qi = fluxo volumtrico de ar de renovao ou de insuflao, m3/h Vo = volume do ambiente, m3

O Decreto 22.281 da Gerncia de Engenharia Mecnica da Rioluz recomenda diversos valores de renovao para ventilao de ambientes, de acordo com o tipo de aplicao.

A NBR 7256 recomenda valores para insuflao e renovao (Qi e Qe) em ambientes hospitalares, em termos de vazo por rea de piso climatizada (m3/h / m2), em funo da finalidade do ambiente.

Renovao de Ar por Pessoa

Em sistemas de condicionamento de ar destinados exclusivamente a conforto humano, tais como escritrios, restaurantes, hotis, residncias, etc.. a taxa de renovao de ar ou taxa de ar exterior Qe, calculada em funo do nmero de ocupantes.

A Portaria 3.523 do Ministrio da Sade recomenda para renovao (Qe) 27 m3/h por pessoa, e a Resoluo 9 da ANVISA, permite renovaes de 17 m3/h.pessoa, em ambientes de grande rotatividade, tais como, cinemas, teatros, auditrios, etc..



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A NBR 16401:2008 recomenda valores para renovao (Qe) em funo do tipo de aplicao (atividade exercida no ambiente condicionado), em termos de litros/s.pessoa e litros/s.m2 de rea condicionada. So disponibilizados trs nveis de valores de renovao (mnimo, intermedirio e eficaz), que podem ser adotados em funo da Qualidade do Ar Interior a ser definida no projeto. Este procedimento baseado na ASHRAE 62.1.2004:

Nvel 1 Nvel 2 Nvel 3 Aplicao pess/ 100m2 L/s pes L/s m2 L/s pes L/s m2 L/s pes L/s m2 Escritrios alta densidade 20 2.5 0.3 3.1 0.4 3.8 0.5

Lojas 15 3,8 0,6 4,8 0,8 5,7 0,9 Teatro / Cinema / Auditrio 150 2.5 0.3 3.5 0.4 3.8 0.5

Obs- pess/100m2 = quantidade de pessoas na zona ocupada

Qefz = Pz . Fp + Az . Fa sendo: Qefz = vazo de ar exterior eficaz na zona trmica considerada, L/s

Pz = nmero mximo de pessoas no ambiente ou na zona trmica, adimensional Fp = fator de renovao por pessoa, L/s.pessoa Az = rea til ocupada, m2 Fa = fator de rea, L/s. m2

A vazo de ar exterior eficaz na zona dever ser corrigida em funo da eficincia da ventilao na zona:

Qsz = Qefz Ez sendo: Qsz = vazo de ar exterior a ser suprida na zona, L/s Ez = eficincia da distribuio de ar na zona, adimensional

Eficincia da distribuio de ar na zona de respirao o movimento do ar na zona respirao, causado pela forma como o fluxo de ar insuflado, ou ainda como o ar exterior inserido na zona, afetam a qualidade do ar interior (QAI). Duas formas distintas de difuso, so usualmente adotadas em sistemas de resfriamento para conforto:



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Deslocamento um movimento do ar tipo pisto, do piso para cima, com a utilizao de aberturas de piso com baixa velocidade de ar, havendo pouca mistura entre o ar insuflado e o do ambiente. considerado o mtodo mais eficiente de difuso de ar, devido ao efeito pisto, que remove suavemente os poluentes do ambiente.

Arraste ou Mistura utiliza difusores e grelhas de insuflao, que promovem o arraste e a mistura entre o ar insuflado e o do ambiente. Quando a mistura deficiente, o fluxo de ar passa quase que diretamente dos dispositivos de insuflao para os de retorno, causando o denominado curto-circuito de ar. Mesmo em sistemas bem projetados e instalados, podem ocorrer pequenos curto-circuitos de ar.

Na ausncia de dados mais precisos, os valores de Ez podem ser adotados conforme indicado na NBR 16401, tais como:

Ez = 1,2 insuflao de ar frio pelo piso com fluxo de deslocamento e retorno pelo forro. Ez = 1,0 insuflao de ar frio pelo forro. Ez = 0,8 ar de reposio suprido pelo lado oposto ao retorno ou exausto.

A vazo total de ar exterior a ser suprida pelo sistema (Qe), no necessariamente dever ser igual soma das vazes de ar exterior a serem supridas nas zonas que constituem este sistema ( Qsz), podendo ser reduzida em sistemas que beneficiem vrios ambientes (zonas trmicas), caso haja diversidade na ocupao simultnea. Este fator de diversidade somente deve incidir na parcela referente ao nmero de pessoas (Pz x Fp). A vazo total de ar exterior a ser suprida por um sistema constitudo de vrias zonas trmicas pode ser calculada por:

Qi

Qi Qr

Qr

Deslocamento Mistura CORTE

piso elevado



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Qe = [ D . (Pz . Fp) + (Az . Fa) ] / Ev sendo: Qe = vazo total de ar exterior a ser suprida pelo sistema, L/s

D = fator de diversidade de ocupao = Ps / Pz, adimensional Ps = total simultneo de pessoas presentes nas zonas que constituem o sistema Pz = soma total das pessoas nas zonas que constituem o sistema

Ev = eficincia do sistema de ventilao em suprir a vazo requerida em cada zona que constitui o sistema.

O valor de Ev determinado em funo da maior relao entre Qsz (vazo a ser suprida na zona) / Qiz (vazo a ser insuflada na respectiva zona):

Qsz / Qiz Ev 0,15 1,0 0,25 0,9 0,55 0,6

Exemplo: calcular a vazo de ar exterior a ser suprida por um sistema de condicionamento de ar que beneficia dois ambientes de escritrios distintos, com as seguintes caractersticas de ocupao:

ambiente rea (m2) pessoas ar insuflado Qiz (L/s) 1 50 5 480 2 50 10 570 Considerar que o sistema dever atender ao Nvel 2 de renovao (Fp=3,1L/s.pess e Fa=0,4L/s.m2), e que o fator de diversidade de pessoas nos dois ambientes de 90%. Considerar a eficincia da ventilao nos dois ambientes, Ez = 1,0 (difuso por mistura, fluxo turbulento, sem curto-circuito, e boa distribuio).

Considerando os dados acima para o ambiente 1:

Qefz = Pz . Fp + Az . Fa Qefz = 5 x 3,1 + 50 x 0,4 = 35,5 L/s



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Qsz = Qefz Ez Qsz = 35,5 / 1,0 = 35,5 L/s Qsz / Qiz = 35,5 / 480 = 0,07

Considerando os dados acima para o ambiente 2:

Qefz = Pz . Fp + Az . Fa Qefz = 10 x 3,1 + 50 x 0,4 = 51 L/s Qsz = Qefz Ez Qsz = 51 / 1,0 = 51 L/s Qsz / Qiz = 51 / 570 = 0,09 (maior valor)

Considerando o maior valor de Qsz / Qiz = 0,09, na tabela pg. 13, Ev = 1,0.

A vazo total de ar exterior a ser suprida pelo sistema ser de:

Qe = [ D . (Pz . Fp) + (Az . Fa) ] / Ev Qe = [ 0,9 x (5 x 3,1 + 10 x 3,1) + (50 x 0,4 + 50 x 0,4) ] / 1,0

Qe = 81,85 L/s = 294,7 m3/h

Percentual de Ar Exterior

usual a referncia quantidade de ar exterior, como um percentual do ar insuflado. Em prdios comerciais e de escritrio, esta percentagem costuma estar entre 10 e 40%.

100% de ar externo significa no haver recirculao do ar de retorno, o qual descarregado diretamente para o exterior. Neste caso, todo o ar insuflado ar exterior, tratado.



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Infiltrao

A infiltrao de ar em um ambiente pode ser avaliada de forma experimental em funo da vedao do ambiente em relao ao exterior, da velocidade do vento incidente sobre as fachadas e da diferena entre as temperaturas externa e interna, conforme indicado a seguir:

ACH = a + b V + c (te ti) sendo: ACH = nmero de renovaes por hora em termos de infiltrao, adimensional a, b e c = constantes experimentais conforme tabela abaixo, adimensionais V = velocidade do vento, m/s (usual 3,3 m/s = 12 km/h no vero) (te ti) = diferena entre a temperatura externa e a interna, oC

Vedao a b c Boa 0,15 0,010 0,007

Mdia 0,20 0,015 0,014 M 0,25 0,020 0,022

Exemplo: estimar a infiltrao de ar, em termos de ACH, em ambiente com vedao mdia, no vero (3,3 m/s), sendo a diferena entre as temperaturas externa e interna de 15 oC.

ACH = 0,20 + 0,015 x 3,3 + 0,014 x 15 = 0,46

No caso de cargas de resfriamento, considerando-se os ambientes climatizados ligeiramente pressurizados, as taxas de infiltrao so efetivamente reduzidas. A antiga NBR 6401 recomendava um valor mnimo de 1,5 renovaes por hora, como suficiente para evitar infiltrao. Para grandes volumes de ar, com pequena infiltrao (ambientes quase estanques), este valor poderia ser reduzido para 1,0 ren/h.



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QUALIDADE DO AR INTERIOR

Os prdios dotados de sistemas centrais de condicionamento de ar, quando mantidos e operados inadequadamente, podem causar problemas de sade para seus ocupantes. Estes problemas, denominados Sndrome do Edifcio Doente (SED), podem ser identificados pela ocorrncia em pelo menos 20% de seus ocupantes, de um ou mais dos seguintes sintomas:

Irritao nos olhos

Garganta sca

Dor de cabea Fadiga Congesto nasal e sinusite Falta de ar

A SED gerada por fatores externos e internos aos ambientes condicionados, tais como:

Renovao inadequada Contaminao do ar interior Contaminao do ar exterior Arquitetura do ambiente Projeto inadequado Manuteno insuficiente

Os contaminantes internos so classificados como:

Aerodispersides ou particulados (p) Microbiolgicos (bactrias e fungos) Qumicos (CO2, formaldedo e outros)



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Em 28/08/98, o Ministrio da Sade publicou a Portaria 3.523, visando a melhoria da Qualidade do Ar Interior (QAI) em construes dotadas de condicionamento de ar de uso coletivo, existentes ou a serem executadas. Esta Portaria basicamente determinou:

Art 1o. Medidas referentes limpeza e manuteno dos sistemas de climatizao

Art 2o. Identificao dos poluentes, assim como os nveis de tolerncia e mtodos de controle, os quais seriam objeto de regulamento tcnico futuro

Art 5o. Determinou ainda: e) captao de ar exterior com filtro classe G1 f) renovao mnima de 27 m3/h por pessoa

Art 6o. Manter PMOC e tcnico habilitado para garantir a aplicao da Portaria em instalaes acima de 5 TR (15.000 kcal/h ou 60.000 Btu/h).

Em 24/10/00, a ANVISA publica a Resoluo 176, atualizada em 16/01/03, com a referncia Resoluo 9 Padres Referenciais de Qualidade do Ar Interior. Esta resoluo define os seguintes padres referenciais:

Contaminao por aerodispersides menor que 80 g/m3.

Contaminao microbiolgica menor que 750 ufc/m3 (unidades formadoras de colnias) para I E < 1,5 (sendo I e E indicadores das ufcs interna e externa).

Contaminao qumica menor que 1.000 ppm (partes por milho) de CO2 como indicador de renovao de ar externo.

Condies fsicas: temperatura (23 a 26 C) umidade relativa (40 a 65%) velocidade do ar no ambiente 0,25 m/s a 1,5 m do piso renovao 27 m3/h.pess ou 17 m3/h.pess (alta rotatividade)



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temp oC UR % Aplicao min max min max

Conforto em geral 23 26 40 65 Obras de arte 21 23 40 55

Acesso 28 70

Determina filtragem mnima G1 para tomadas de ar exterior e G3 para condicionadores.

Estabelece as Normas Tcnicas (NT) 001 a 004 especificando equipamentos e processos para avaliao dos parmetros de QAI:

NT 001 concentrao de ufcs NT 002 concentrao de CO2 NT 003 temperatura, umidade relativa, velocidade e renovao de ar NT 004 concentrao de aerodispersides

A Resoluo 9 determina ainda:

Nmero de pontos de medio, em funo da rea construida

Amostragens, medies e anlises devem ser executadas com profissionais habilitados nas reas qumica e de biologia

Anlises laboratoriais e sua responsabilidade tcnica desvinculadas da rea de limpeza, manuteno e comercializao de produtos destinados aos sistemas de climatizao

A NBR 15848:2010 Sistemas de ar condicionado e ventilao Procedimentos e requisitos relativos s atividades de construo, reformas, operao e manuteno das instalaes que afetam a qualidade do ar interior (QAI) estabelece em seu Anexo A os parmetros que indicam a necessidade de limpeza dos dutos em funo de ensaios atestados por entidade especializada.



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Em 01/10/03, o Governo do Estado Estado do Rio de Janeiro sancionou a Lei no 4.192, visando a melhoria da Qualidade do Ar Interior em prdio pblicos e comerciais dotados de sistemas centrais de condicionamento de ar. Esta Lei basicamente determinou:

Art 1o. Limpeza anual dos sistemas

Art 2o. Fiscalizao pela Secretaria de Sade (ANVISA)

Art 5o. Manter e aplicar PMOC em sistemas acima de 5 TR

Em setembro de 2008 a ABNT emitiu a NBR 16401:2008 Instalaes de ar-condicionado sistemas centrais e unitrios, reviso da antiga NBR 6401:1980, composta das seguintes partes:

parte 1 Projeto das Instalaes

parte 2 Parmetros de Conforto Trmico

parte 3 Qualidade do Ar Interior

Esta norma no aplicvel a pequenos sistemas unitrios isolados, para conforto, em que a soma das capacidades nominais das unidades que compem o sistema inferior a 10,0 kW (



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A temperatura operativa pode ser estimada por:

to = C ta + (1 C) trm C = coeficiente adimensional, funo da velocidade do ar no ambiente to = temperatura operativa, oC

ta = temperatura de bulbo seco do ambiente, oC trm = temperatura radiante mdia, oC

Para velocidades do ar no ambiente menores que 0,2 m/s, ou ainda se trm ta < 4,0o C, o valor de C pode ser considerado como C = 0,5 e portanto:

to = (ta + trm) / 2

A temperatura radiante mdia definida como a temperatura uniforme de um ambiente imaginrio no qual a troca de calor do corpo humano por radiao igual troca de calor por radiao no ambiente real no uniforme.

Esta temperatura pode ser estimada por meio de clculos complexos, ou ainda a partir de clculos baseados na temperatura de globo (tg) medida no ambiente condicionado. Esta consiste na medio da temperatura no interior de um globo metlico com parede fina, pintado de preto (emissividade = 0,95) e dimetro de 150 mm.

A sensao de conforto trmico varia ainda em funo da velocidade mdia do ar na zona ocupada, assim como a atividade fsica avaliada em met (1 met = 58,2W/m2), e o tipo de vestimenta dos ocupantes, em clo (1 clo = 0,155m2.oC/W).

Para vero, considerando-se os ocupantes com roupa tpica para esta estao de 0,5 clo, e atividade fsica entre 1,0 e 1,2 met, as condies de conforto devem estar dentro da zona delimitada por:



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- 22,5 C a 25,5 C e umidade relativa de 65% - 23,0 C a 26,0 C e umidade relativa de 35%

Estas condies podem ser alteradas em funo de outros tipos de vestimenta (clo), assim como maior nvel de atividade fsica (> 1,2 met).

A parte 3 da NBR16401 define basicamente as taxas de ar exterior para renovao, com base no tipo de atividade e na rea a ser condicionada, conforme visto anteriormente, assim como novas classes de filtragem para as instalaes, classificadas com base na norma europia EN779.

A filtragem mnima do ar exterior passa a ser classe G4.

Para os condicionadores de ar, a filtragem definida pelo tipo de aplicao, sendo a mais usual para ambientes de conforto, a classe fina F5.

Aplicao Filtragem Escritrios alta densidade F5

Teatro, cinema, auditrio, culto, sala de aula F5 Residncias G3

Lanchonete, cafeteria G4

Considerando-se a aplicao destas novas classes de filtragem, ateno especial deve ser dada seleo dos condicionadores, tendo em vista que as presses necessrias para movimentao dos fluxos de ar so mais elevadas, podendo resultar em motores mais potentes para acionamento dos ventiladores, assim como a possvel troca do tipo de ventilador (rotor).

A norma permite, em casos de projetos que adotem condicionadores de pequeno porte tais como, sistemas de gua gelada com fancoletes (hidrnicos) ou sistemas de VRF (fluxo de refrigerante varivel), a utilizao de filtros classe G3 nos condicionadores, desde que o fluxo de ar exterior seja tratado com filtragem de classe idntica indicada na norma, para o tipo de aplicao previsto para os ambientes.



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TRANSFERNCIA DE CALOR EM CONSTRUES

Transferncia de calor a energia em trnsito devido a uma diferena de temperatura, e ocorre, por meio naturais, sempre da regio com temperatura mais elevada, para a de menor temperatura.

Existe em trs formas: Conduo, Conveco e Radiao.

Conduo ocorre devido diferena de temperatura em distintas regies um meio estacionrio.

Quanto maior a temperatura de uma regio, maior a movimentao de suas molculas. Esta movimentao provoca uma reao em cadeia nas molculas das regies vizinhas, ocasionando a transmisso de calor por conduo.

Conveco ocorre quando um fluido escoa sobre uma superfcie slida com temperatura diferente, ocasionando um movimento relativo entre o fluido e a superfcie.

Caso a movimentao do fluido seja causada por mecanismos mecnicos tais como ventiladores e bombas, este processo denominado conveco forada. Caso contrrio, sendo a movimentao causada por diferena da massa especfica das partculas do fluido, denomina-se conveco natural.

Radiao trata-se da energia emitida por qualquer matria com temperatura no nula. Esta forma de transmisso se d por meio de ondas eletromagnticas, no havendo necessidade de um meio (matria) entre as superfcies radiante e receptora, para se propagar.

A energia irradiada por um elemento radiante funo bsica de sua temperatura superficial.

Esta energia incide sobre a superfcie de um corpo com temperatura mais baixa, sendo parte absorvida, em funo de suas propriedades especficas.



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Mtodo das Resistncias

Na avaliao dos ganhos de calor em construes, geralmente as trs formas de transmisso de calor, ou seja, conduo, conveco e radiao, devem ser consideradas.

Os conceitos bsicos que envolvem fluxos de calor, de fluidos, ou de eletricidade (eltrons), so os mesmos, e portanto, possvel se estabelecer uma relao entre os fluxos de calor e os circuitos eltricos:

Fluxo = Diferena de potencial Resistncia ao fluxo

Por este conceito, fluxo de calor por conduo, atravs de uma camada plana de um determinado material, por unidade de rea, pode ser expresso por:

q = (t1 t2) R sendo: q = fluxo de calor atravs da camada, W

t1,2 = temperaturas nas superfcies da camada, C (t1 > t2) R = resistncia trmica por unidade de rea, m2.C/W

Em clculos prticos usual se determinar a resistncia por unidade de rea.

possvel se considerar com razovel preciso, que a temperatura decresce uniformemente na direo do fluxo de calor.

t1 t2

R



REALIZAO


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Camadas de Materiais Homogneos

A resistncia trmica de camadas planas constitudas de material homogneo, tais como camadas de concreto ou tijolo macio, pode ser determinada por:

R = e k sendo: e = espessura da camada, m

k = condutividade trmica do material, W/m.C

Nas construes, usualmente as paredes, os pisos e os telhados so constitudos de diversas camadas de materiais homogneos, tais como, reboco, tijolo macio e outras. Estas camadas costumam ter comportamentos trmicos distintos, em funo de suas espessuras, assim como de suas condutividades trmicas, e, portanto, de suas resistncias trmicas.

Em termos de avaliao do fluxo de calor, estas resistncias esto termicamente em srie.

t2

t1 t2

t1

q

A



REALIZAO


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Desta forma, a seguinte relao pode ser estabelecida:

Rt = R1 + R2 + ... + Rn sendo:

Rt = resistncia total das camadas em srie, m2.C/W

R1,2,...n = resistncia de cada camada, m2.C/W

O fluxo de calor por conduo atravs de superfcies compostas de camadas planas homogneas pode ser expresso por:

q = (t1 t4) Rt

t2 t1

t3 t4

e2 e1 e3

t1 t2

R1

t3

R2

t4

R3



REALIZAO


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A NBR 15220 (partes 1 e 2) apresenta tabela com valores de condutividade trmica e outras carctersticas tcnicas, para diversos materiais empregados em construes no Brasil, em parte reproduzida a seguir:

Material (homogneo) k (W/m.oC) Argamassa 1,150 Cermica 1000~1300 kg/m3 0,700 Cermica 1800~2000 kg/m3 1,050 Placa de fibrocimento 1800~2200 kg/m3 0,950 Concreto normal 1,750 Concreto de vermiculite 0,310 Concreto celular autoclavado 0,170 Placa de gesso ou acartonado 0,350 Asfalto 1600 kg/m3 0,430 Asfalto 2300 kg/m3 1,150 L de vidro 0,045 Poliestireno expandido 0,035 Poliuretano extrudado 0,030 Madeira de alta densidade 0,290 Aglomerado de madeira denso 0,200 Compensado de madeira 0,150 Ferro 55,000 Alumnio 230,000 Cobre 380,000 Granito 3,000 Ardsia 2,200 Mrmore 2,900 Borracha sinttica 0,400 Acrlico e PVC 0,200 Vidro 1,100



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Camadas de materiais no homogneos

O fluxo de calor atravs de camadas planas no homogneas, tais como tijolos de cermica ou de concreto vazados, pode ser indicado pela resistncia total da camada, para uma espessura definida. Neste caso, o fluxo de calor pode ser determinado por:

q = (t1 t2) Ro sendo: Ro = resistncia trmica de camada por unidade de rea, m2.C/W, para determinada

composio e espessura definidas

A tabela a seguir apresenta valores de condutividade trmica para tijolos de concreto e cermicos:

Material Ro m2.oC/W Bloco de concreto 2400 kg/m3 de 39 x 19 x 9

cm (L x H x P) com duas cmaras de ar verticais de 16,5 x 5 cm

0,1312

Tijolo cermico 1600 kg/m3 de 32 x 16 x 10 cm (L x P x H) com 6 cmaras de ar horizontais de

4 x 3 cm 0,2321

A NBR 15220 (partes 1 e 2) apresenta mtodo para clculo de resistncias trmicas de camadas planas no homogneas para diversos tipos de tijolos de concreto e cermicos empregados no Brasil, subdividindo a camada heterognea em diversas outras homogneas e heterogneas.

fluxo de calor homognea

heterognea



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Cmaras de ar

A resistncia trmica de cmaras de ar tais como entre vidros duplos, ticos, etc..., pode ser obtida por meio da tabela apresentada a seguir, para cmaras delimitadas por superfcies de alta emissividade, tais como concreto, reboco, etc.. e de baixa emissividade, tais como chapa de alumnio e similares. Define-se emissividade como sendo o quociente da taxa de radiao emitida por uma superfcie, pela taxa emitida por um corpo negro mesma temperatura.

Resistncia trmica da Cmara de Ar Rca (m2.oC/W) Espessura Direo do Fluxo Natureza da Superfcie Externa (cm) Horiz. Ascend. Descend.

Superfcie de alta emissividade 1,0 5,0 0,17 0,14 0,21 Superfcie de baixa emissividade 1,0 5,0 0,34 0,27 0,61

Conveco

A conveco ocorre quando uma superfcie slida e um fluido com temperaturas diferentes esto em contato. Parte do fluido em contato com a superfcie tem sua massa especfica alterada devido diferena de temperatura, provocando movimentao e substituio da camada em contato. Este processo contnuo denominado Conveco Natural, e o fluxo de calor por conveco pode ser expresso por unidade de rea como:

q = h (t1 t2) sendo h = coeficiente de transmisso de calor convectivo ou coeficiente de filme, W/m2.oC



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O conceito de resistncia trmica igualmente aplicvel conveco:

Rar = 1 h e portanto,

q = (t1 t2) Rar

Valores de resistncia trmica devido ao coeficiente de filme do ar em contato com superfcies internas e externas de construes esto apresentados na tabela a seguir:

Superfcie / Direo do Fluxo de Calor Rar (m2.oC/W) Interna / Fluxo Horizontal (Paredes) 0,13 Interna / Fluxo Descendente (Teto) 0,17 Interna / Fluxo Ascendente (Piso) 0,10 Externa / Qualquer direo 0,04

O valor de Rar depende da movimentao do ar em contato com a superfcie. Para o ambiente intermo, o ar considerado com movimento suave (0,25 m/s), e para o externo, ventos de 7,5 mph (milhas por hora) ou aproximadamente 12 km/h.

Conduo e Conveco Combinadas

Na anlise dos fluxos de calor atravs das construes, as parcelas devidas conduo e conveco esto usualmente associadas, conforme representado a seguir:

t2 t1

t3 t4

te

ta



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Desta forma, as resistncias de cada camada podem ser consideradas termicamente em srie, e o fluxo de calor por unidade de rea, atravs da superfcie pode ser considerado como sendo:

q = (te ta) Rt sendo: Rt = resistncia trmica total ao fluxo de calor por conduo e conveco, por unidade de

rea, m2.C/W

No clculo de Rt, deve-se considerar todas as resistncias trmicas em srie:

Resistncia por conveco do ar no ambiente externo Resistncia por conduo de todas as camadas homogneas Resistncia por conduo de todas as camadas no homogneas Resistncia por conduo de todas das cmaras de ar Resistncia por conveco do ar no ambiente interno

Coeficiente total de transmisso de calor

Na prtica, estando a conduo e a conveco envolvidas na transmisso de calor, torna-se mais conveniente a utilizao do conceito de coeficiente total de transmisso de calor. Desta forma, o fluxo de calor atravs de uma superfcie plana, com uma rea transversal em relao ao fluxo de calor de A m2, pode ser avaliado como:

q = U A (te ta) e U = 1 Rt sendo: U = coeficiente total de transmisso de calor ou transmitncia trmica, W/m2.oC

Rt = resistncia trmica total ao fluxo de calor por conduo e conveco, por unidade de

rea, m2.C/W



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Exemplo: calcular o coeficiente U do centro de uma janela de vidro comum (ordinrio), com espessura de 3,2 mm, instalada em fachada externa.

Rt = Rar externo + Rv + Rar ambiente

Da tabela da pg. 28 so obtidos os valores de Rar externo e Rar ambiente interno:

Rar externo = 0,04 m2.oC/W (superfcie externa qualquer direo) Rar ambiente = 0,13 m2.oC/W (superfcie interna fluxo horizontal)

Sendo o vidro ordinrio uma camada homognea, a condutividade trmica obtida da tabela pg. 25 (k = 1,1 W/m.oC), e a resistncia trmica da camada de vidro pode ser calculada:

Rv = e k = 0,0032 m 1,1 W/m.oC = 0,003 m2.oC/W

Resistncia trmica total = Rt = Rar ext + Rv + Rar amb = 0,04 + 0,003 + 0,13 = 0,173 m2.oC/W

Coeficiente global de transmisso de calor (transmitncia trmica):

U = 1 Rt = 1 0,173 m2.oC/W = 5,78 W/m2.oC

Entretanto, nos estudos sobre ganhos de calor em aberturas translcidas, considerada a influncia das esquadrias de fixao destas superfcies nas aberturas da construo.

abertura centro do vidro

esquadria

borda



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Para efeitos de avaliao dos ganhos de calor, considerado o conjunto da superfcie translcida e do material da esquadria, assim como a influncia deste material sobre a camada adjacente (borda) da superfcie translcida. De acordo com o material que constitui a esquadria e o isolamento trmico entre ambos (esquadria-superfcie translcida), os valores da transmitcia trmica do conjunto podem variar consideravelmente:

material (a) (b) (c) (d) vidro ordinrio 3,2mm 5,91 6,42 6,07 5,55

policarbonato/acrlico 3,2mm 5,45 6,01 5,66 5,15 policarbonato/acrlico 6,4mm 5,00 5,60 5,25 4,75

(a)- centro do vidro (b)- esquadria de alumnio sem isolamento (c)- esquadria de alumnio com isolamento (d)- esquadria de madeira

Conceitos Gerais

O fluxo de calor radiante emitido pelo Sol, na forma de ondas eletromagnticas, incide sobre as superfcies de uma construo, sendo em parte refletido e em parte absorvido. Em superfcies translcidas, parte da radiao ainda transmitida para o interior do ambiente.

Define-se absortncia como sendo o quociente da radiao solar absorvida por uma superfcie, pela radiao solar incidente nesta mesma superfcie. O calor absorvido aquece a superfcie, e transferido ao ambiente interno, por meio da conduo e da conveco combinadas.

Refletncia o quociente da radiao solar refletida pela radiao incidente na superfcie.

Para as superfcies translcidas, a transmitncia consiste no quociente da radiao solar que atravessa a superfcie pela radiao incidente na superfcie.



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Define-se como capacidade trmica de uma superfcie, a quantidade de calor necessria para variar em uma unidade a temperatura da mesma, por unidade de rea. Nos sistemas SI e mtrico prtico, a quantidade de calor necessria para aumentar em 1 oC, um metro quadrado da superfcie.

Pode ser calculada por:

Ct = ei ci i variando de i=1 a i=n camadas, sendo,

Ct = capacidade trmica da camada, kJ/m2.oC ei = espessura da camada, m ci = calor especfico da camada, kJ/kg.oC

i = massa especfica da camada, kg/m3

Atraso trmico o tempo que transcorre entre uma variao trmica em um ambiente e sua manisfestao na superfcie oposta de um componente construtivo, submetido a um regime peridico de transmisso de calor. Depende da capacidade trmica e da ordem das camadas do componente construtivo. O mtodo de clculo apresentado na NBR 15220.



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ESTIMATIVA DE CARGA DE RESFRIAMENTO

O projeto de um sistema de condicionamento de ar inicia-se com a determinao da sua capacidade ou potncia . Trata-se da estimativa de todas as cargas de resfriamento, resultantes dos fluxos de calor incidentes nos ambientes a condicionar, ou gerados em seus interiores, assim como outras cargas externas aos ambientes e que incidam sobre o condicionador de ar. Ao somatrio destas cargas de resfriamento, denomina-se carga trmica ou carga de resfriamento (no caso de cargas de vero).

De acordo com o Sistema de Unidades adotado no clculo, a carga de resfriamento pode ser expressa em W (Sistema Internacional), kcal/h (Mtrico Prtico) ou Btu/h (Sistema Ingls). Como em sistemas centrais de ar condicionado, os nmeros resultantes destes clculos costumam ser elevados, usual se definir a capacidade em termos de Toneladas de Refrigerao (TR), sendo:

1 TR = 12.000 Btu/h = 3.024 kcal/h = 3.517 W

A capacidade ou potncia de um condicionador, consiste na quantidade mxima de calor a ser removida do(s) ambiente(s) condicionado(s), mais as cargas adicionais serpentina do condicionador. Esta capacidade refere-se sempre ao evaporador do ciclo de refrigerao contido no condicionador, no caso de sistemas de expanso direta (self-contained ou split), ou a capacidade da serpentina de gua gelada, no caso de sistemas de expanso indireta.

As variveis envolvidas no clculo so numerosas e difceis de serem definidas precisamente, assim como so interrelacionadas. Diversos componentes variam em grande magnitude ao longo de um perodo de 24 horas, assim como ao longo dos meses do ano. Mesmo que as variaes dirias sejam cclicas, estas esto defasadas umas das outras. Portanto, o clculo preciso impossvel. e a adequada avaliao destas variveis no passa de uma boa estimativa da carga real.



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Mtodos de Clculo e Aplicao

Existem diversos mtodos para clculo da carga de resfriamento, de acordo com a bibliografia ou a norma adotada. Entretanto, quanto maior a capacidade do sistema, mais apurado deve ser o mtodo de clculo, considerando-se que erros, podem resultar em custos de instalao excessivos.

Sistemas de pequeno porte destinados ao conforto humano, no necessitam clculos muito apurados, j que os condicionadores utilizados dentre os disponibilizados no mercado, so padronizados pelos diversos fabricantes.

Carga de resfriamento residencial (simplificada) a ASHRAE apresenta mtodo de clculo de carga de resfriamento a sistemas de pequeno porte (at 5 TR), destinados ao conforto humano, para ambientes beneficiados por apenas um condicionador de ar, com controle simples de temperatura, tipo termostato liga-desliga. A NBR 5858 apresenta planilha de carga trmica simplificada para ambientes a serem dotados de aparelhos de janela, at 3 TR (36.000 Btu/h), sem renovao de ar.

Carga de resfriamento no residencial para sistemas de maior porte, destinados tanto para conforto humano, como para instalaes industriais, os clculos podem ser:

clculo para a hora de pico (CLTD/CLF) o clculo realizado manualmente ou por meios computacionais, para apenas uma hora do dia de um ms de vero (hora de pico ou hora mxima), e destina-se a estimativas de carga para um nico ambiente, ou um nmero no muito elevado de ambientes, preferencialmente pertencentes a uma mesma zona trmica, beneficiados por um ou mais condicionadores. utilizado na determinao da capacidade de sistemas de expanso direta, j que os condicionadores e o sistema devem ser dimensionados para a carga de pico, ou ainda pequenos sistemas de expanso indireta (gua gelada), nos quais a a carga mxima de quase todos ambientes ocorre aproximadamente na mesma hora de clculo.



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clculo hora a hora (TETD/TA, TFM, HB ou RTS) para sistemas de grande porte, do tipo expanso indireta (gua gelada), as cargas mximas dos ambientes ocorrem em horrios e meses diversos, devido incidncia solar diferenciada, no simultaneidade dos fluxos de calor incidentes, ou ao denominado schedule de operao dos ambientes. Nestes casos, as cargas dos diversos ambientes so calculadas hora a hora, sendo utilizados programas computacionais de forma a facilitar as totalizaes e a estimativa da carga mxima simultnea do sistema ou carga de bloco, necessria ao dimensionamento da central de gua gelada. O clculo manual complexo, e em alguns casos praticamente impossvel.

Este tipo de clculo necessrio em projetos de grandes prdios que possuem contratos de fornecimento de energia eltrica com tarifao diferenciada de consumo e demanda, e com custos elevados durante o horrio de ponta, geralmente entre as 17:30 e as 20:30. Com a finalidade de se reduzir custos de operao, pode ser adotada a termoacumulao, na qual o sistema de condicionamento de ar produz e acumula gelo ou gua gelada nos horrios ociosos para serem utilizados como meio de refrigerao, em substituio aos compressores, de forma a reduzir o consumo e a demanda contratada no horrio de ponta, ou em perodos pr-determinados. Alguns programas computacionais permitem a anlise energtica do empreendimento, considerando-se diversas opes de sistemas de condicionamento de ar.

1 5 10 15 20 24 hora

TR 3h carga mxima simultnea



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Princpios Bsicos

Zona trmica denomina-se um ambiente ou um conjunto de ambientes que possuem as mesmas caractersticas trmicas, em termos de ganhos de calor, schedules de operao, e cargas de resfriamento, assim como aproximadamente a mesma hora de carga de pico, podendo ser mantidos por um nico sistema de controle.

Sistema a definio de sistema depende do tipo de anlise efetuada na instalao. Desta forma, em termos de carga de resfriamento, considera-se sistema como sendo composto uma ou mais zonas trmicas atendidas por um condicionador ou mais de um em paralelo. Em termos de distribuio de ar, pode ser definido pela abrangncia dos ambientes condicionados por uma mesma rede de dutos.

Tipos de fluxo de calor um sistema apresenta quatro fluxos de calor, que variam ao longo do tempo: 1) ganho de calor do ambiente; 2) carga trmica (de vero) ou carga de resfriamento do ambiente; 3) quantidade de calor extrada do ambiente; 4) carga de resfriamento da serpentina.

1 5 10 15 20 24 hora

TR 3h

termoacumulao



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Ganho de calor do ambiente o somatrio de todos os ganhos de calor absorvidos pelo ambiente, em um determinado instante, que so classificados pelo modo como entram ou so gerados no ambiente: 1) radiao solar atravs de superfcies externas translcidas; 2) conduo/conveco atravs de vidros, telhados e paredes externas; 3) conduo/conveco atravs de superfcies internas; 4) calor interno gerado por ocupantes, iluminao e motores e/ou outros tipos de aparelhos; 5) renovao e infiltrao de ar externo; 6) diversos.

importante ainda classificar estes ganhos como sensveis ou latentes. Calor sensvel absorvido pelo ambiente por conduo, conveco e/ou radiao. Calor latente inserido no ambiente atravs de vapor dgua emitido por ocupantes, infiltrao ou equipamentos. Para manter a temperatura e a razo umidade ou umidade relativa constantes no ambiente, o condicionador deve remover estes ganhos na mesma taxa em que so absorvidos pelo ambiente. Na seleo do condicionador, importante distinguir as cargas sensveis e latentes, pois cada equipamento possui uma capacidade mxima de remoo destas cargas, para uma determinada condio de operao.

Qe (5)

Qi Qr

FONTES INTERNAS (4)

(1)

(5)

sistema sem renovao forada (3)

(2)



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Carga trmica ou carga de resfriamento do ambiente a soma dos ganhos de calor instantneos, em um determinado tempo, no necessariamente e frequentemente, igual carga de resfriamento neste mesmo tempo, devido ao efeito de armazenamento trmico dos ganhos de calor sensvel, na estrutura do ambiente.

Todos os ganhos de calor sensvel so constituidos de duas parcelas distintas: ganhos por conduo/conveco e por radiao.

Os ganhos por conduo/conveco so imediatamente convertidos em carga de resfriamento, enquanto os ganhos por radiao, no so imediatamente convertidos. Primeiramente estes ganhos devem ser absorvidos pelas superfcies existentes (paredes, piso, etc..) e objetos (mobilirio, etc..). Posteriormente, com o aquecimento destas superfcies, o calor passa para o ambiente, por conveco, havendo, portanto, um atraso trmico entre o ganho de calor e a carga trmica, em funo do tipo e da massividade da construo.

Este efeito, denominado armazenamento trmico, importante para diferenciar os ganhos de calor instantneos do ambiente, e a carga de resfriamento naquele momento.

incio fim

calor armazenado

calor armazenado

carga real

ganho



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Quantidade de calor extraida do ambiente caso a quantidade de calor extraida pelo condicionador seja exatamente igual carga de resfriamento, a temperatura e a umidade do ambiente sero mantidas constantes ao longo do tempo. Como normalmente a quantidade de calor extraida no exatamente igual carga de resfriamento do ambiente, o sistema de controle de capacidade do condicionador atua de forma a permitir uma flutuao cclica da temperatura interna (faixa ou range do termostato). Os clculos de carga de resfriamento hora a hora consideram uma variao dos fluxos de calor devido a esta flutuao.

Carga de resfriamento da serpentina a quantidade de calor removida pela serpentina de expanso direta (evaporador de self-contained ou split) ou pela serpentina de gua gelada (fan-coil), igual soma das cargas sensveis e latentes do(s) ambiente(s), mais as cargas sensveis e latentes de ar exterior de renovao e/ou infiltrao, assim como outras cargas externas ao ambiente, que adicionam calor ao ciclo do ar, tais como tetos rebaixados utilizados para retorno de ar, reatores de luminrias instalados nos forros e ganhos em dutos de ar. Em sistemas de expanso indireta, podem ainda ser considerados os ganhos de calor no sistema de distribuio de ar (ventiladores). Estas cargas devem ser incorporadas ao clculo da carga de resfriamento.

O balano das cargas de resfriamento de uma serpentina pode ser expresso por:

qss = qsa + qse

qls = qla + qle

qts = qss + qls sendo: qss = carga de resfriamento sensvel da serpentina qls = carga de resfriamento latente da serpentina qts = carga de resfriamento total da serpentina qsa = carga de resfriamento sensvel do ambiente qla = carga de resfriamento latente do ambiente qse = carga de resfriamento sensvel do ar exterior e outros ganhos externos ao ambiente qle = carga de resfriamento latente do ar exterior e outros ganhos externos ao ambiente



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Consideraes Iniciais de Projeto

A partir dos projetos de arquitetura, estrutura e instalaes prediais, e/ou de dados obtidos no local da construo, deve-se efetuar um detalhado levantamento dos dados necessrios estimativa da carga de resfriamento, tais como:

Caractersticas dos ambientes e da construo:

localizao, altitude (elevao), latitude e longitude da construo; dimenses de todas as superfcies que limitam os ambientes condicionados; materiais de construo, massa especfica e colorao das superfcies externas; sombreamentos externos sobre as superfcies da construo;

tipos de proteo interna para as superfcies translcidas.

Condies climticas (externas):

temperaturas de bulbo seco (BS) e bulbo mido (BU) s 15:00 hs variao diria da temperatura de bulbo seco (DR daily range)

Na falta de maiores dados, as temperaturas de bulbo seco e mido podem ser obtidas de dados disponveis na NBR 16401:2008. Esta Norma relaciona temperaturas mximas de bulbo seco s 15:00 hs, que s so ultrapassadas em at 0,4%, 1% e 2% dos dias do ano, e as temperaturas mdias coincidentes de blbo mido, para o Rio de Janeiro.

A variao diria de temperatura (DR) para o Municpio do Rio de Janeiro, no perodo de vero, usualmente se situa entre 6 a 10C. Esta varivel importante para se determinar a temperatura

de bulbo seco externa (te), em horrios distintos das 15:00 hs, necessria para o clculo de carga de resfriamento, pelos mtodos de carga de pico ou hora a hora. Esta variao diria de temperatura igualmente denominada Amplitude Trmica diria ou Daily Range (DR).



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As temperaturas externas de bulbo seco (te) nas diversas horas do dia, funo da temperatura de bulbo seco externa s 15:00 (BS), e da variao de diria de temperatura (DR) podem ser determinadas por:

te = BS Fr x DR sendo:

te = temperatura de bulbo seco, C

BS = temperatura de bulbo seco s 15:00, C (definida pela NBR 16401:2008) Fr = frao do daily range ou variao diria de temperatura (ver TABELAS) DR = daily range, C

Condies internas:

Para a estimativa de carga de resfriamento, as condies internas devem ser definidas em funo da temperatura de bulbo seco interna e da umidade relativa. Podem ser consideradas evetuais variaes na temperatura interna durante o perodo de operao do sistema.

De uma forma geral, para sistemas de conforto, so aceitveis temperaturas de bulbo seco entre

23 e 26C, e umidades relativas (UR) entre 45 e 65%, sem controle.

Estas condies so vlidas para velocidades do ar de 0,20 (difuso de ar por mistura) ou 0,25 m/s (fluxo de deslocamento), pessoas com metabolismo entre 1,0 e 1,2 met, e roupa tpica da estao (vero 0,5 clo).

DR

temperatura mxima s 15:00 hs

temperatura mnima = BS DR



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Em casos especiais, devem ser observadas as premissas definidas para o projeto.

A Resoluo 9 da ANVISA igualmente define como condies internas para conforto em geral,

temperaturas de bulbo seco entre 23 e 26C, e umidades relativas entre 40 e 65%.

A NBR 16401:2008 define as condies internas em termos de temperatura operativa e umidade relativa, conforme indicado na pgina 21, assim como classes de filtragem recomendadas para cada tipo de aplicao (atividade), de acordo com a Norma Europia EN779.

Estimando-se a temperatura radiante mdia do ambiente, a temperatura de bulbo seco a ser adotada no clculo da carga de resfriamento pode ser calculada conforme indicado na pgina 20.

A NBR 7256:2005 apresenta condies internas de temperatura, umidade, valores de taxas de ar de recirculao e renovao, assim como classes de filtragem conforme EN-779, para estabelecimentos assistenciais de sade.

Fontes internas e horrios de operao (schedules):

Na falta de dados mais precisos, devero ser consideradas as indicaes da NBR 16401:

ocupao

calor dissipado por pessoas iluminao

outras cargas sensveis e latentes para motores eltricos, equipamentos de escritrios, comerciais, de laboratrios e mdicos.



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Devero ainda ser considerados os horrios de operao (schedules) do sistema de condicionamento de ar (usualmente 8, 10, 12, 14, 16 horas, ou initerrupto), assim como os schedules de ocupao, de iluminao, e das demais cargas internas.

Outras consideraes:

tipo de sistema ganho de calor no ventilador ganho de calor nos dutos de distribuio de ar ganho de calor do fluxo de ar de retorno (dutado ou no)

O ganho de calor do fluxo de ar de retorno que passa pelo teto rebaixado de uma construo, pode incluir parte da dissipao trmica das luminrias, da carga do telhado propriamente dita, assim como parte dos ganhos de calor das paredes, divisrias, e, eventualmente, janelas localizadas acima do forro.

Estes ganhos podem ser definidos em termos de percentuais do respectivo ganho de calor total, e devem ser analisados e considerados no estudo do processo psicromtrico do ciclo do ar condicionado.

Clculo da Carga de Resfriamento

O mtodo a seguir apresentado, denominado CLTD/CLF (Cooling Load Temperature Differential/Cooling Load Factors) da ASHRAE, do tipo one-step, ou seja, efetuado para uma determinada hora do dia (hora de pico) de um determinado ms. Este mtodo aplicvel para clculos manuais, j que os mtodos hora a hora, por envolver inmeros clculos simultneos e de relativa complexidade, so computacionais.



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Data e hora de clculo Nem sempre simples a determinao da hora de pico, considerando-se que uma zona trmica pode possuir diversas superfcies externas, com orientaes distintas. O dia e o ms so usualmente definidos pelos picos de carga solar atravs das superfcies translcidas e telhados. O efeito da radiao solar sobre as aberturas translcidas o mais pronunciado e imediato. Diversas horas e meses podem ser analisados para determinao da hora de clculo da carga trmica de pico.

Ambientes totalmente internos geralmente apresentam a carga de pico s 15:00 horas, por ser esta hora considerada a de pico de temperatura externa sombra. Devem ser analisadas ainda bruscas variaes dos schedules de operao das cargas internas.

Superfcies Translcidas

O termo refere-se ao estudo de qualquer abertura no envelope de uma construo, constituida de materiais no opacos, incluindo suas molduras, e diversos dispositivos de sombreamento internos e externos.

O material mais usual da superfcie translcida, considerado como padro para efeito de estudos o vidro comum, com espessura em torno de 3,2 mm (1/8). Os diversos outros tipos de vidros, acrlicos e policarbonatos so estudados em relao a este padro.

Os valores dos coeficientes globais de transmisso de calor U, e dos ganhos de calor por radiao solar e por conduo, para vrios tipos de superfcies translcidas, so objeto de estudos parte, devido alta complexidade das cargas de radiao (ASHRAE Fundamentals 1997 Chap. 29 Fenestration).

O estudo da radiao solar parte do fluxo de calor incidente em uma superfcie perpendicular aos raios do Sol, considerado na distncia mdia entre o Sol e a Terra, e aceito como 1.367 W/m2. Como a rbita da Terra ligeiramente elptica, este valor varia em torno de 1.413 a 1.332 W/m2.



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A partir destes valores, e considerando-se a real posio da superfcie a ser estudada, tanto em termos de localizao sobre o globo terreste (latitude e longitude), quanto sua orientao em relao ao Sol (orientao da superfcie), e ainda a posio em relao ao piso (superfcie vertical, horizontal ou inclinada), determina-se o fluxo de radiao incidente sobre esta superfcie. Nestes clculos, as latitudes do Hemisfrio Sul so consideradas negativas.

Obviamente este valor est em constante mutao, sendo usual se tabelar sua variao hora a hora em um determinado dia do ms, ms a ms ao longo do ano, e para determinadas latitudes.

A posio do Sol em uma determinada hora do dia, definida pela altitude solar , considerada a partir do plano horizontal, e pelo azimute solar , a partir da orientao Sul.

Outro ngulo importante o azimute da fachada da construo, , definido como sendo o ngulo formado pela normal fachada em relao ao Sul.



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ENGENHARIA

Angulos Solares

E

S

N

O

normal fachada



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Sombreamento Externo

A forma mais eficiente de se reduzir a radiao solar, interceptar a radiao direta, antes desta alcanar a abertura translcida. Uma abertura translcida totalmente sombreada pode ter seu ganho de calor reduzido em at 80%. Preferencialmente, nas estruturas de sombreamento externo, o ar deve se mover livremente, para arrastar o calor absorvido pela estrutura, por meio de conveco natural.

Projees Horizontais e Verticais o comprimento da sombra vertical Sh, devido projeo horizontal da marquise (overhang) Ph, assim como o comprimento da sombra horizontal Sw, devido projeo vertical do brise (fin) Pv, so calculados atravs dos ngulo de sombra horizontal e/ou vertical (ver Figura na pgina seguinte).

A rea em sombra deve ser debitada da rea de vidro insolada.

Nos clculos dos valores de Ph ou Pw, pode ser includo o recuo da superfcie translcida em relao fachada da construo (reveal).

O sombreamento externo requer clculo hora-a-hora. Um mtodo usual consiste em se calcular as cargas de refriamento hora a hora, sem sombreamento externo, e reduzir destes resultados os valores devido s reas sombreadas, considerando-se estas como orientadas para o Sul (sombra). As cargas de resfriamento por conduo/conveco (diferena entre temperaturas externa e interna) so consideradas, independentes do sombreamento.

reveal

rea de sombra varivel devido a marquise



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Figura 1:

Rh = altura da marquise janela (overhang height) Ph = extenso da marquise (overhang extension) Sh = extenso vertical da sombra

Figura 2:

Rw = distncia do brise janela (fin separation) Pv = extenso do brise (fin extension) Sw = extenso da sombra

Rh Sh

Ph

CORTE

Rw

Pv

Sw

PLANTA



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Sombreamento Interno

A maioria das aberturas envidraadas possui algum tipo de sombreamento interno, seja com a finalidade de reduzir a carga de radiao solar diretamente sobre os ocupantes, assim como por simples esttica.

Os tipos mais usuais so as cortinas e as venezianas internas.

A eficincia destes dispositivos depende de sua propriedade em refletir a radiao de volta para o exterior, antes que seja convertida em calor no interior do espao condicionado. Assim, as caractersticas construtivas e a colorao so fatores preponderantes na definio de sua eficincia.

Entretanto, devido sua baixa massividade, todo o calor absorvido convertido quase que instantaneamente em carga de resfriamento, geralmente adiantando a hora da carga de pico.

Carga de Resfriamento devido a Superfcies Translcidas

Uma superfcie translcida posicionada na fachada externa de uma construo absorve dois ganhos de calor distintos: 1) ganho de calor devido s radiaes direta e indireta ou difusa (direta refletida a partir de outras superfcies externas); 2) ganho de calor por conduo/conveco devido diferena entre as temperaturas externa e interna.

Estes ganhos de calor sensvel so instantneos, e no so imediatamente convertidos em carga de resfriamento, devido ao efeito de armazenamento trmico da construo. Assim, para fins de clculo da carga de resfriamento, outras consideraes devem ser levadas em conta. Entretanto, para entendimento do comportamento trmico das superfcies translcidas, estes ganhos instantneos devem ser estudados.



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A equao bsica do ganho total de calor instantneo atravs de uma abertura translcida pode ser expressa por:

ganho instantneo = U A (te ta) + A SC SHGF sendo: U = coeficiente total de transmisso de calor, W/m2.C

A = rea da superfcie translcida, m2

te = temperatura externa na hora considerada, C

ta = temperatura interna do ambiente a condicionar, C

SC = coeficiente de sombra, adimensional SHGF = fator de ganho de calor solar do vidro padro, W/m2

A primeira parcela da equao refere-se ao ganho por conduo/conveco devido diferena entre as temperaturas externa e interna, e a segunda, radiao solar direta, incluida a componente da radiao difusa.

Geralmente, devido s reduzidas espessuras das superfcies translcidas, o fator U depende principalmente dos coeficientes de filme externo e interno, e do tipo de esquadria de fixao.

Nem toda a radiao incidente sobre uma superfcie translcida transmitida para o interior da construo. Parte desta radiao refletida de volta para o ambiente externo, e parte absorvida pela superfcie translcida, sendo transmitida por conveco e conduo para os ambientes externo e interno. Os percentuais transmitidos, refletidos e absorvidos pela superfcie translcida, so funo do ngulo de incidncia, e das caractersticas construtivas da superfcie (material, espessura, cor), sendo determinantes para avaliao de sua eficincia trmica, em termos de reduo da carga de resfriamento.



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Fluxos de calor atravs de superfcies translcidas.

RI = RT + RR + RA

RI = radiao incidente sobre a superfcie RT = radiao transmitida para o ambiente RR = radiao refletida para o exterior RA = radiao absorvida pela superfcie

Em termos percentuais, %RT + %RR + %RA = 1

Ganho de calor para o ambiente = RT + RA (parte)

Define-se Coeficiente de Ganho de Calor Solar SHGC, como sendo a razo entre o ganho de calor total devido radiao admitido por uma superfcie translcida para um ambiente, e o fluxo de calor por radiao incidente nesta superfcie. Trata-se de um coeficiente adimensional, que representa a soma da radiao transmitida para o ambiente, mais a parte da radiao absorvida pela superfcie translcida e que passa para o ambiente por conduo/conveco, dividida pela radiao total incidente.

RA RI

RR RT

te ta

fluxo de calor por conduo e conveco

radiao transmitida



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Assim, o ganho de calor por radiao que passa instantaneamente para o ambiente, atravs de uma superfcie translcida, por unidade de rea, pode ser expressa por:

ganho de calor instantneo por radiao = GC = RI SHGC

Para o vidro padro, o valor do SHGC 0,87.

J o Coeficiente de Sombra SC, definido como sendo a razo entre o valor do SHGC da superfcie translcida em avaliao, e o SHGC do vidro padro (0,87). Portanto, para o vidro padro, o SC 1,00. Na avaliao do SC, deve estar incluido o dispositivo de sombreamento interno.

Define-se Fator de Ganho de Calor Solar SHGF, como sendo o ganho de calor por radiao do vidro padro, para determinada latitude, ms, e orientao da superfcie, ou seja, trata-se da radiao incidente (RI) para uma condio especfica.

Difere do SHGC por ser um valor de fluxo de calor por unidade de rea (W/m2, kcal/h.m2 ou Btu/h.ft2) especfico para o vidro padro.

Para cargas de resfriamento de construes que possuam superfcies translcidas distintas do vidro padro sem proteo, o ganho por unidade de rea pode ser avaliado como:

GC = ganho de calor por radiao da superfcie translcida = SC SHGF em W/m2 SC = coeficiente de sombra especfico do tipo de superfcie translcida, adimensional

Para a latitude 24 S, os valores mximos de SHGF esto tabelados (ver TABELAS), em funo da orientao da superfcie do vidro padro e do ms considerado.



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Nas estimativas de carga de resfriamento, h necessidade de se converter os ganhos de calor sensvel em carga de resfriamento, devido ao armazenamento tr

apo carga term

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