avaliação técnico-económica de sistemas de...
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Departamento
de Engenharia Electrotécnica
Avaliação Técnico-Económica de
Sistemas de AVAC
Trabalho de Projecto apresentado para a obtenção do grau de Mestre
em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia
Autor
Luís Filipe Batista Marques
Orientador
Doutor Fernando Ferreira
Instituto Superior de Engenharia de Coimbra
Coimbra, Dezembro, 2011
i
Dedicatória
À minha esposa Laura Isabel,
e ao meu filho Bruno Filipe
iii
Agradecimentos
Desde o início do mestrado, contei com o apoio de várias pessoas. Sem o seu contributo,
a elaboração deste trabalho não teria sido possível.
Ao Professor Doutor Fernando José Teixeira Estêvão Ferreira, orientador deste trabalho
de projecto, agradeço o apoio, a partilha do saber e as valiosas contribuições para o trabalho.
Acima de tudo, agradeço por me ter acompanhado nesta jornada e ter estimulado o meu
interesse pelo conhecimento.
Ao Engenheiro João Esteves, sócio-gerente da VISMEC, que prescindiu de algum do seu
precioso tempo para responder às minhas questões, o meu muito obrigado.
Um agradecimento especial ao Engenheiro Paulo Sousa, da DAIKIN-Portugal, pelo
enorme interesse e disposição em colaborar sempre que solicitada a sua ajuda. A sua longa
experiência foi particularmente útil na elaboração deste trabalho.
Sou muito grato ao Engenheiro Nuno Miguel Afonso Nobre, Engenheiro Técnico da
FINILUZ, por me ter disponibilizado equipamento de iluminação para a realização de testes e
ensaios.
Aos colegas de curso, em particular ao José Lemos, José Gomes, Joaquim Jesus e
Eduardo Gordo, exemplo de solidariedade.
Não posso deixar de agradecer à minha esposa e ao meu filho pelo apoio, pela paciência,
pela compreensão e dedicação ao longo deste trabalho.
O meu profundo e sincero agradecimento a todas as pessoas que contribuíram para a
realização deste Relatório de Projecto.
v
Resumo
Os sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado, também conhecidos como
sistemas de AVAC, devem garantir condições de conforto. Estas condições serão encontradas
compensando a energia libertada pelos ocupantes, equipamentos e aparelhos de iluminação e
a consideração dos ganhos ou perdas das envolventes, que alteram as temperaturas dos
espaços interiores.
O objectivo principal deste trabalho visa comparar e optimizar dois sistemas de AVAC
mais comummente utilizados (sistema Chiller/Bomba de calor e sistema VRV a dois tubos),
para um edifício com uma área de 2250 m2, destinado ao apoio à 3ª idade e infantário.
Para garantir a maximização destes dois sistemas é necessário o cálculo das cargas
térmicas de acordo com o perfil de utilização, ou seja, a ocupação dos espaços ao longo de
cada hora do dia.
Dada a enorme variedade de equipamentos AVAC no mercado, no presente caso de
estudo, faz-se uma análise técnico-económica comparativa das tecnologias comerciais mais
relevantes, na qual se abordam diversos aspectos-chave, nomeadamente, o conforto térmico
interior e os requisitos de qualidade do ar e os critérios de selecção e dimensionamento do
equipamento, incluindo o tempo de vida útil, custo e retorno do investimento.
Uma visão geral sobre a legislação Portuguesa e regras associadas à concepção e
implementação dos sistemas de AVAC também são apresentadas.
Palavras-chave: Eficiência Energética, Equipamento AVAC, Selecção de Equipamento
AVAC, Dimensionamento de Equipamento AVAC.
vii
Abstract
The heating, ventilation and air conditioning systems, also known as HVAC systems,
must ensure comfort conditions. These conditions will be achieved by compensating the
energy released by the occupants, equipment and lighting and addressing the gains and losses
of surrounding, factors responsible for altering the temperature of the interior spaces.
The main purpose of this study is to compare and optimize the two most commonly used
HVAC systems (Chiller/Heat pump and VRV two pipes), for a building with an area of 2250
m2, aimed for the support of the 3rd age people and kindergarten.
To ensure maximization of these two systems it is necessary to calculate the thermal
loads in accordance with the usage profile, i.e., the occupation of spaces throughout each hour
of the day.
Given the huge variety of HVAC equipment in the market, for a particular case study, a
comparative technical and economic analysis of the most relevant commercial technologies is
offered, in which the key aspects are addressed, namely, the indoor thermal comfort and air
quality requirements, as well as the equipment selection and sizing criteria, including the
lifespan, cost and payback time.
An overview on the main Portuguese legislation and rules associated with the
implementation of HVAC systems is also presented.
Keywords: Energy efficiency, HVAC Equipment, HVAC Equipment Selection, HVAC
Equipment Sizing.
ix
Índice
Agradecimentos iii
Resumo v
Abstract vii
Índice ix
Lista de Figuras xi
Lista de Tabelas xiii
Nomenclatura xv
1 Introdução 1
1.1 Considerações Iniciais 1
1.2 Decreto-Lei 78/2006 (SCE) 2
1.3 Decreto-Lei 79/2006 (RSECE) 2
1.4 Decreto-Lei 80/2006 (RCCTE) 4
2 Cargas Térmicas 7
2.1 Ganhos Solares 7
2.1.1 Radiação Solar 7
2.1.2 Movimento da Terra à Volta do Sol 9
2.1.3 Declinação Solar 10
2.2 Conforto Térmico 11
2.3 Ganhos Internos 12
2.3.1 Calor Libertado pela Actividade Metabólica dos Ocupantes 14
2.3.2 Iluminação 16
2.3.3 Equipamentos 26
2.4 Ganhos Externos 31
2.4.1 Transmissão de Calor 31
3 Eficiência Energética 47
3.1 Ciclo de Carnot 47
3.2 Etiquetagem Energética 49
3.3 Eficiência dos Processos de Ventilação 49
x
4 Equipamentos de AVAC 53
4.1 Métodos de expansão 55
4.2 Bomba de Calor 56
4.3 VRV e Unidades Interiores 59
4.3.1 VRV (Volume de Refrigerante Variável) 59
4.4 Chiller e Ventilo-Convectores 61
4.4.1 Chiller 61
4.4.2 Ventilo-Convector 62
5 Caso de Estudo 65
5.1 Metodologia Utilizada 66
5.1.1 Temperaturas Médias 68
5.1.2 Caudais Individuais 70
5.1.3 Iluminação 70
5.1.4 Actividade Metabólica 70
5.1.5 Equipamentos 71
5.1.6 Envolvente 71
5.1.7 Potência de Aquecimento 74
5.1.8 Potência de Arrefecimento 75
5.1.9 Potências de Cálculo 76
5.1.10 Cálculo dos Custos 83
5.1.11 Tempo de Retorno do Investimento 84
6 Conclusão 89
Referências 93
Anexos 95
Anexo I – Compressor Scrool 95
Anexo II – Sistema VRV a Três Tubos 97
xi
Lista de Figuras
Figura 1 - Radiação solar . .......................................................................................................... 8
Figura 2 - Valores da média diária para o mês de Janeiro em Coimbra . ................................... 8
Figura 3 - Energia solar diária ao longo dos meses do ano . ...................................................... 9
Figura 4 - Plano elíptico . ........................................................................................................... 9
Figura 5 - Declinação solar . ..................................................................................................... 10
Figura 6 - Zonas de conforto para as estações de Verão e Inverno .. ....................................... 11
Figura 7 - Rendimento (lm/W) de vários tipos de lâmpadas de 230 V, 50 Hz ........................ 18
Figura 8 - Espectro electromagnético . ..................................................................................... 19
Figura 9 - Combinação das três cores primárias ...................................................................... 21
Figura 10 - Lâmpada Fluorescente compacta . ......................................................................... 22
Figura 11 - Armadura LED . .................................................................................................... 22
Figura 12 - Luxímetro utilizado para medir a iluminância. ...................................................... 22
Figura 13 - Imagem termográfica da armadura LED. .............................................................. 23
Figura 14 - Imagem termográfica da lâmpada fluorescente compacta. .................................... 23
Figura 15 - Espectro harmónico da armadura de LED. ............................................................ 24
Figura 16 - Espectro harmónico da lâmpada fluorescente compacta. ...................................... 25
Figura 17 - Imagem termográfica de uma aparelhagem de som. ............................................. 26
Figura 18 - Imagem termográfica de um Split de ar condicionado. ......................................... 27
Figura 19 - Imagem termográfica de um disco rígido externo. ................................................ 27
Figura 20 - Imagem termográfica de um conjunto de lâmpadas de halogéneo. ....................... 27
Figura 21 - Imagem termográfica de uma lâmpada incandescente (tipo foco). ....................... 28
Figura 22 - Imagem termográfica de um plafond com lâmpadas incandescentes. ................... 28
Figura 23 - Imagem termográfica de máquina de café de cápsulas. ......................................... 28
Figura 24 - Imagem termográfica de uma Box e de um Modem. ............................................. 29
Figura 25 - Imagem termográfica de uma televisão LCD. ....................................................... 29
Figura 26 - Balanço de energia. ................................................................................................ 32
Figura 27 - Transferência de calor .. ......................................................................................... 33
Figura 28 - Condutibilidade térmica de várias camadas........................................................... 34
Figura 29 - Ligação da fachada com pavimento sobre locais não aquecidos . ......................... 38
Figura 30 - Zonas climáticas em Portugal Continental: a) Inverno; b) Verão . ....................... 39
Figura 31 - Pala horizontal e pala vertical . .............................................................................. 42
Figura 32 - Factor de sombreamento do horizonte . ................................................................. 43
Figura 33 - Ciclo de compressão a vapor de Carnot . .............................................................. 47
Figura 34 - Exemplo de um sistema com eficiência de ventilação de 60% .. .......................... 52
Figura 35 - Exemplo de um sistema com eficiência de ventilação de 80% . ........................... 52
Figura 36 - Método de expansão directa . ................................................................................ 56
Figura 37 - Método de expansão indirecta . ............................................................................. 56
Figura 38 - Circuito frigorífico . ............................................................................................... 57
Figura 39 - Unidades de bombas de calor vendidas entre 2005 à 2009 em 9 países europeus. 58
Figura 40 - Total de vendas por produto em 2008 em 9 países europeus . .............................. 58
Figura 41 - Sistema VRV a dois tubos . ................................................................................... 59
Figura 42 - Sistema VRV a três tubos . .................................................................................... 60
Figura 43 - Taxa média de crescimento anual de 2007 a 2012 .. ............................................. 61
xii
Figura 44 - Chiller com arrefecimento a ar . ............................................................................ 62
Figura 45 - Ventilo-Convector para tecto falso . ..................................................................... 62
Figura 46 - Edifício de apoio à 3ª idade e infantário. .............................................................. 65
Figura 47 - Esquema metodológico. ........................................................................................ 67
Figura 48 - Temperaturas médias ao longo de um dia, para o mês de Janeiro . ...................... 68
Figura 49 - Temperaturas médias ao longo de um dia, para mês de Julho . ............................ 69
Figura 50 - Temperaturas médias diário ao longo do ano . ...................................................... 69
Figura 51 - Pontes térmicas lineares: a) Pavimento em contacto com o solo; b) Laje entre dois espaços interiores; c) Desvão não ventilado. ........................................................................... 73
Figura 52 - Potência de aquecimento necessária ao longo de um dia. ..................................... 75
Figura 53 - Potência de arrefecimento necessária ao longo de um dia. ................................... 76
Figura 54 - Cálculo da humidade relativa de 50 %, 25 °C bolbo seco. ................................... 77
Figura 55 - COP, VRV (RXYQ 10) em modo de aquecimento .. ........................................... 78
Figura 56 - EER, VRV (RXYQ 12) em modo de arrefecimento .. .......................................... 78
Figura 57 - Potência absorvida, VRV em modo de arrefecimento (RXYQ 8) .. ..................... 79
Figura 58 - Potência absorvida, VRV em modo de aquecimento (RXYQ 8) .. ....................... 79
Figura 59 - Potência absorvida, Chiller em modo de arrefecimento (EWYQ 80) . ................. 80
Figura 60 - Potência absorvida, Chiller em modo de aquecimento (EWYQ 80) . ................... 80
Figura 61 - Potência activa absorvida em modo de aquecimento ao longo de um dia. ........... 81
Figura 62 - Potência activa absorvida em modo de arrefecimento ao longo de um dia. ......... 81
Figura 63 - Energia activa consumida durante um dia representativo da estação de aquecimento. ............................................................................................................................ 82
Figura 64 - Energia activa consumida durante um dia representativo da estação de arrefecimento. .......................................................................................................................... 82
Figura 65 - Custos anuais de energia em BTE e MT. .............................................................. 83
Figura 66 - Custos dos sistemas e custos anuais em MT. ........................................................ 86
Figura 67 - Custos dos sistemas e custos anuais em BTE. ...................................................... 87
xiii
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Valores da declinação solar no 21º dia de cada mês. .............................................. 11
Tabela 2 - Caudais mínimos de ar novo . ................................................................................. 13
Tabela 3 - Consumo de oxigénio para diferentes níveis de actividade . .................................. 15
Tabela 4 - Classificação da taxa metabólica de várias actividades . ........................................ 15
Tabela 5 - Lâmpada incandescente Philips .............................................................................. 17
Tabela 6 - Lâmpada fluorescente compacta Philips .. ............................................................. 17
Tabela 7 - Preços de lâmpadas incandescentes e fluorescentes . .............................................. 17
Tabela 8 - Custos associados às lâmpadas incandescentes e fluorescentes. ............................. 17
Tabela 9 - Calor radiante e calor convectivo .. ........................................................................ 18
Tabela 10 - Factores de tolerância . .......................................................................................... 20
Tabela 11 - Principais características de algumas lâmpadas de LED comerciais .. ................. 20
Tabela 12 - Valores de distorção da armadura LED. ............................................................... 24
Tabela 13 - Valores das grandezas da armadura LED.............................................................. 24
Tabela 14 - Valores de distorção da lâmpada fluorescente compacta. ..................................... 25
Tabela 15 - Valores das grandezas da lâmpada fluorescente compacta. .................................. 25
Tabela 16 - Ganhos internos de alguns equipamentos . ........................................................... 26
Tabela 17 - Rendimentos e ganho em calor (equivalente às perdas) para motores de indução trifásicos tetrapolares de 50 Hz, considerando um factor de carga unitário (Pu = Pn) .. ........... 31
Tabela 18 - Valores típicos de ganhos internos .. ..................................................................... 31
Tabela 19 - Valores do coeficiente � . ...................................................................................... 36
Tabela 20 - Valores de perdas de condução através das envolventes . .................................... 37
Tabela 21 - Valores de ψ . ........................................................................................................ 38
Tabela 22 - Dados climáticos de referência ............................................................................. 40
Tabela 23 - Energia solar média mensal incidente numa superfície vertical orientada a Sul na estação de aquecimento ........................................................................................................... 40
Tabela 24 - Factor de orientação X . ......................................................................................... 41
Tabela 25 - Valores do factor de sombreamento por elementos horizontais (Fo) .. ................ 42
Tabela 26 - Valores do factor de sombreamento por elementos verticais (Ff) .. ...................... 42
Tabela 27 - Valores do factor de sombreamento do horizonte (Fh) . ....................................... 43
Tabela 28 - Fracção de área envidraçada para diferentes tipos de caixilharia . ....................... 43
Tabela 29 - Factor solar, g⊥, para alguns tipos de vidro . ........................................................ 44
Tabela 30 - Valores médios da temperatura do ar exterior e da intensidade da radiação solar para a estação convencional de arrefecimento (Junho a Setembro) . ....................................... 44
Tabela 31 - Valores do factor de sombreamento dos elementos horizontais, Fo, no Verão .. .. 45
Tabela 32 - Valores do factor de sombreamento dos elementos verticais, Ff , no Verão . ...... 45
Tabela 33 - Valores do factor de correcção da selectividade angular dos envidraçados, Fw .. 45
Tabela 34 - Valores do factor de vãos com protecção solar activada a 100% e vidro incolor corrente (g⊥ ′) . ......................................................................................................................... 45
Tabela 35 - Classificação em função do EER e do COP . ........................................................ 49
Tabela 36 - Concentrações máximas de referência de poluentes no interior de edifícios em Portugal . ................................................................................................................................... 50
Tabela 37 - Temperaturas médias de Janeiro .. ........................................................................ 68
Tabela 38 - Temperaturas médias de Julho . ........................................................................... 68
Tabela 39 - Calor libertado pela iluminação. ........................................................................... 70
xiv
Tabela 40 - Valores de densidades . ......................................................................................... 71
Tabela 41 - Cálculo do coeficiente de transmissão térmica da parede exterior. ...................... 71
Tabela 42 - Cálculo do coeficiente de transmissão térmica da laje de tecto. ........................... 72
Tabela 43 - Cálculo do coeficiente de transmissão térmica da parede interior. ....................... 72
Tabela 44 - Valores de ψ, pavimento em contacto com o solo. ............................................... 73
Tabela 45 - Valores de ψ, ponte térmica de laje entre dois espaços interiores. ....................... 74
Tabela 46 - Valores de ψ para a ponte térmica do desvão não ventilado. ............................... 74
Tabela 47 - Factores para cálculo de potência de aquecimento. .............................................. 74
Tabela 48 - Factores para cálculo de potência de arrefecimento. ........................................... 75
Tabela 49 - Potências de aquecimento e arrefecimento de projecto. ....................................... 76
Tabela 50 - Potências instaladas dos sistemas. ........................................................................ 76
Tabela 51 - Custos anuais de energia para as diferentes soluções analizadas. ........................ 83
Tabela 52 - Custos de aquisição, manutenção e energéticos para as soluções analisadas. ...... 84
Tabela 53 - Período de retorno em anos. ................................................................................. 85
xv
Nomenclatura
Símbolo Grandeza Unidade A Área m2
l Comprimento m m Massa kg θ Temperatura oC
U, Ψ Coeficiente de transmissão térmica W.m-2.ºC-1
⩒ ou dV/dt Caudal volumétrico m3·s-1
ρ Densidade de massa kg·m-3
v Velocidade m·s-1
E Energia J P Potência W t Tempo s Q Carga térmica W R Resistência térmica m2·ºC·W-1
λ Condutividade térmica W·m-1·ºC-1
d Espessura m η Rendimento S Potência aparente VA Q Potência reactiva VAr Hz Frequência ciclo·s-1
Siglas Designação ADENE Agência para a Energia ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers
BTE Baixa Tensão Especial BTN Baixa Tensão Normal CNTP Condições Normais de Temperatura e Pressão COP Coefficient of Performance
DGEG Direcção Geral de Energia e Geologia EER Energy Efficiency Ratio
HP Horse Power
ITE Informação Técnica de Edifícios LED Light Emitting Diode
LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil MT Média Tensão RCCTE Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios RGB Red, Green, Blue
RSECE Regulamento dos Sistemas Energéticos e de Climatização dos Edifícios SCE Sistema de Certificação Energética e Qualidade do Ar Interior de Edifícios VRV Volume de Refrigerante Variável
1
1 Introdução
1.1 Considerações Iniciais
Na última década, houve uma crescente procura de sistemas de climatização em Portugal,
desde os mais simples e de pequena dimensão no sector residencial e serviços, aos sistemas
mais complexos de grandes dimensões, sobretudo em edifícios do sector terciário. Desta
evolução resultou um aumento significativo dos consumos de energia. No âmbito do
Protocolo de Quioto1, Portugal assumiu responsabilidades quanto ao controlo das emissões de
gases com efeito de estufa.
Em geral os sistemas de climatização devem ser eficientes e tirar partido das economias
de escala, quer a nível individual quer a nível de grupos de edifícios.
Na elaboração do presente trabalho teve-se em conta os seguintes aspectos:
- As temperaturas médias para a época de Inverno e de Verão, referentes à estação de
aquecimento e de arrefecimento, na zona de implantação do edifício, sendo um edifício com
orientação principal virada a sul.
- A carga interna proveniente da actividade dos ocupantes, da iluminação e dos
equipamentos; a carga externa proveniente das envolventes opacas (paredes, pavimentos, lajes
e coberturas) e dos vãos envidraçados (janelas).
- As cargas térmicas do edifício variam consoante a ocupação ao longo do dia dos
espaços. Caso a carga se encontre acima da temperatura de conforto, torna-se necessário
removê-la através do sistema de climatização, ou adicionar calor, caso se encontre abaixo da
temperatura de conforto.
- A potência térmica de aquecimento e de arrefecimento necessária é fornecida através de
sistemas de climatização. Os sistemas de climatização em estudo neste trabalho são
actualmente os mais utilizados: Sistema VRV a dois tubos, e Sistema Chiller/Bomba de calor.
Estes sistemas não permitem o aquecimento e o arrefecimento em simultâneo.
1O Protocolo de Quioto expira em 2012. Em 2009, a United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) organizou a Cimeira de Copenhaga com o objectivo de dar continuidade às medidas de protecção ambiental.
2
- O dimensionamento das unidades exteriores em função da potência instalada
(somatório das potências das unidades interiores), e a procura de optimização das unidades
exteriores em função das necessidades reais das potências térmicas necessárias.
- O preço de aquisição dos equipamentos, o custo de energia, e a manutenção ao longo da
vida útil dos mesmos, são factores determinantes para uma escolha adequada.
A necessidade de imposição de restrições de diversos tipos faz com que, a nível nacional
e a nível comunitário, tenha vindo a ser promulgado nas últimas décadas um conjunto de
regulamentos, directivas e normas que limitam as soluções possíveis às tecnicamente
aceitáveis. Os regulamentos e as normas que têm vindo a ser elaborados no domínio da
energia nos edifícios visam principalmente o consumo de energia e a poluição associada a
esse consumo. Nas secções seguintes focam-se as principais disposições técnicas legais que
actuam no domínio da climatização dos edifícios, ao nível da legislação.
1.2 Decreto-Lei 78/2006 (SCE)
Este Decreto cria o Sistema Nacional de Certificação Energética e da qualidade do ar
interior dos edifícios (SCE), no âmbito da implementação a nível nacional da Directiva
Comunitária 2009/91/CE relativa ao desempenho energético dos edifícios. A supervisão do
SCE fica a cargo da Direcção Geral de Energia e Geologia (DGEG) e do Instituto do
Ambiente, respectivamente para questões energéticas e para qualidade do ar. A gestão do SCE
está a cargo da Agência para a energia (ADENE).
1.3 Decreto-Lei 79/2006 (RSECE)
Este Decreto-Lei impõe um novo Regulamento dos Sistemas Energéticos de
Climatização em Edifícios (RSECE), revogando o Decreto-Lei nº 118/98. O alcance
legislativo do novo regulamento é muito mais vasto do que o anterior pois estabelece:
- As condições a observar no projecto de novos sistemas de climatização;
- Os limites máximos de consumo de energia para todo o edifício e os limites de potência
aplicáveis aos sistemas de climatização a instalar;
- As condições de manutenção dos sistemas de climatização;
- As condições de monitorização e de auditoria dos edifícios em termos de consumos de
energia e da qualidade do ar interior;
3
- As habilitações dos técnicos responsáveis pelo projecto, instalação e manutenção dos
sistemas de climatização, em termos da eficiência energética e da qualidade do ar interior.
Os requisitos impostos pelo regulamento situam-se ao nível do conforto térmico, da
qualidade do ar interior e do consumo energético. Em relação ao conforto térmico, os
requisitos são fixados no RCCTE, no qual se especifica, por exemplo, que a velocidade do ar
interior não deve exceder os 0,2 m/s. Com respeito à qualidade do ar interior, os requisitos
mínimos são a renovação de ar, um máximo de concentração de algumas substâncias
poluentes, e a imposição de dotar os edifícios de meios naturais, mecânicos ou híbridos que
garantam as taxas de renovação de ar impostas. Ao nível do consumo energético, os requisitos
são ao nível da envolvente, dos cálculos de potência e consumo com base em padrões
nominais de utilização, da limitação do consumo energético total e da potência instalada nos
sistemas de climatização, e ainda a obrigatoriedade, em grandes edifícios, do uso de sistema
de climatização centralizado e que utilize fontes renováveis e instalação de sistemas de
cogeração, excepto se o estudo técnico-económico demonstrar a sua inviabilidade. O
regulamento impõe os seguintes requisitos regulamentares:
-A potência eléctrica para aquecimento por efeito de Joule não pode exceder 5 % da
potência térmica de aquecimento até ao limite de 25 kW, a menos que seja demonstrada a sua
inviabilidade económica;
-As unidades individuais de climatização em edifícios de serviços licenciados
posteriormente à entrada em vigor do Decreto-Lei nº 118/98 só serem permitidas nos espaços
que apresentem cargas térmicas ou condições interiores especiais em relação à generalidade
do edifício, excepto se houver dificuldades técnicas ou impedimentos fortes de outra natureza
devidamente justificados;
-A obrigatoriedade da recuperação de energia no ar de rejeição, na estação de
aquecimento, com uma eficiência mínima de 50 %, ou recuperação de calor equivalente, se a
potência térmica de rejeição em condições de projecto for superior a 80 kW, a menos que seja
demonstrada a sua inviabilidade económica;
-Em sistemas do tipo “tudo ar”, o critério para a obrigatoriedade de instalação de
dispositivos que permitam o arrefecimento gratuito (free-cooling), é baseado no somatório
dos caudais de ar insuflado por todas as Unidades de Tratamentos de Ar (UTA), e caso seja
obrigatório, deverá ser aplicado a todas unidades, independentemente do caudal individual ser
inferior a 10000 m3/h.
4
-A obrigatoriedade dos equipamentos dos sistemas de climatização com potência
eléctrica instalada superior a 12 kW, ou potência térmica máxima em combustíveis fósseis
superior a 100 kW, ter de dispor de contador de energia;
-A eficiência dos motores de bombas e ventiladores ter a classificação mínima EEF2
(equivalente à nova classe IE1).
De referir que o regulamento especifica que:
-Nos novos sistemas de climatização é obrigatório o recurso a fontes renováveis;
-Caso exista um sistema de rede urbana de distribuição de calor e de frio, no local ou nas
suas proximidades, é obrigatória a sua ligação a essa rede do sistema de climatização, excepto
se o sistema de climatização utilizar fontes renováveis ou se demonstrar a sua não viabilidade
económica;
-Para os grandes edifícios de serviços, na fase de projecto, o estudo da viabilidade de um
sistema económico de cogeração tem que ser efectuado, sendo obrigatória a sua instalação,
excepto se for demonstrado que não é economicamente viável.
1.4 Decreto-Lei 80/2006 (RCCTE)
Este Decreto-Lei impõe um novo Regulamento das Características de Comportamento
Térmico dos Edifícios (RCCTE), revogando o Decreto-Lei 40/90, transpondo parcialmente
para a ordem jurídica nacional a Directiva 2002/91/CE, do Parlamento Europeu e do
Conselho relativa ao desempenho energético dos edifícios. Para além das restrições impostas
pela directiva, o regulamento impõe ainda um conjunto adicional de restrições no que respeita
à qualidade térmica dos edifícios. Embora referindo que estabelece as regras a observar no
projecto dos edifícios de habitação e dos edifícios de serviços sem sistemas de climatização
centralizados, através da leitura do RSECE, verifica-se que também tem que ser aplicado a
um conjunto de edifícios de serviços com sistemas de climatização de qualquer tipo. O
regulamento aplica-se também às ampliações de edifícios existentes e às grandes intervenções
de remodelação.
O regulamento impõe limites máximos dos coeficientes de transmissão térmica da
envolvente opaca e dos factores solares dos vãos envidraçados horizontais e verticais com
área total superior a 5 % da área útil do pavimento do espaço que servem, excepto os
orientados entre noroeste e nordeste.
Simultaneamente, impõe limitações às necessidades anuais de consumo energético do
edifício. Impõe também, em edifícios em que a exposição solar seja adequada, é obrigatório o
5
recurso a sistemas solares térmicos para produção de águas quentes sanitárias, na base de 1 m2
de colector por ocupante convencional previsto, podendo esse valor ser reduzido de forma a
não ultrapassar 50 % da área de cobertura total disponível. Considera-se que existe exposição
solar adequada sempre que a cobertura, em terraço ou inclinada no quadrante sul, não seja
sombreada por obstáculos significativos entre o período que compreende duas horas depois de
o nascer do sol e duas horas antes do acaso, ou utilizar outras formas renováveis de energia
que captem a energia equivalente à dos colectores solares.
Desta forma, deve ser considerada como aplicação generalizada a verificação das
necessidades nominais anuais de energia útil para aquecimento Nic, das necessidades nominais
anuais de arrefecimento Nvc, das necessidades anuais de energia para produção de águas
quentes sanitárias Nac, e das necessidades globais de energia primária Ntc, dado o regulamento
impor limites máximos para estes indicadores. O cálculo das necessidades nominais é
efectuado através de métodos normalizados de cálculo impostos pelo regulamento e tem em
atenção a contribuição devida às energias renováveis.
6
7
2 Cargas Térmicas
2.1 Ganhos Solares
O Sol é considerado um fornecedor de energia de enorme importância, sendo ele
imprescindível à vida na terra. A maior parte de energia provém do Sol, de um modo directo
ou indirecto. A energia transmitida pelo Sol é interceptada pela Terra no seu percurso sob a
forma de radiação solar. A energia proveniente do Sol faz-se sentir na forma de calor,
conhecida como energia térmica solar.
2.1.1 Radiação Solar
O espectro da radiação electromagnética emitida pelo Sol segue a distribuição do
espectro de emissão de um corpo negro a cerca de 6000 K.
A energia da radiação solar que incide ortogonalmente no topo da atmosfera terrestre, em
todos os comprimentos de onda, durante um segundo é cerca de 1367 J/m2. Ou seja, uma
potência de 1367 J·m-2·s-1, equivalente a 1367 W·m-2. Este valor é designado de constante
solar e a sua medição faz-se através de satélites colocados acima da atmosfera.
A radiação solar, após atravessar a atmosfera, atinge a superfície terrestre em três formas
de radiação, conforme se mostra na Figura 1, nomeadamente:
- Radiação directa – atinge directamente a superfície;
- Radiação difusa – desviada em diferentes direcções pelos componentes da atmosfera;
- Radiação reflectida – reflectida pelo solo (albedo) e objectos circundantes.
A restante radiação solar é absorvida ou reflectida para fora da atmosfera pelos elementos
atmosféricos.
8
Figura 1 - Radiação solar [1].
Na Figura 2 mostram-se os valores de irradiação para céu limpo, valores médios da
irradiação difusa e irradiação global para o mês de Janeiro, na cidade de Coimbra.
Figura 2 – Valores da média diária para o mês de Janeiro em Coimbra [2].
Na Figura 3 apresentam-se os valores da energia irradiada no plano horizontal ao longo
dos meses do ano para a cidade de Coimbra.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Irra
diaç
ão (
W/m
2)
Horas
Irradiacão Global CéulimpoIrradiação Global
Irradiação difusa
9
Figura 3 – Energia solar diária ao longo dos meses do ano [2].
2.1.2 Movimento da Terra à Volta do Sol
O movimento da terra em torno do sol segue uma trajectória elíptica, e este movimento
dá origem às estações do ano, conforme se mostra na Figura 4.
Figura 4 - Plano elíptico [1].
Na Figura 4 também está representado o eixo polar, cuja inclinação é sempre constante e
igual a 23,5º. Para além da rotação da Terra no plano elíptico, existe também uma rotação em
torno do eixo polar. Esta rotação provoca as alterações da incidência solar. Do mesmo modo
este eixo é responsável pelas diferenças que se verificam nas estações do ano.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov DezEne
rgia
Irr
adia
da n
o pl
ano
hori
zont
al (
kWh/
m2/
dia)
Meses
10
2.1.3 Declinação Solar
A declinação solar é o ângulo formado entre o plano equatorial e a linha que une o Sol ao
centro da Terra. Este ângulo altera de dia para dia, ao longo de todo o ano, conforme se
mostra na Figura 5.
Figura 5 – Declinação solar [1].
Quando o Sol incide directamente sobre o Equador, a declinação solar é 0º, que equivale
aos equinócios de Março e Setembro. No solstício de verão a declinação solar é de 23,5º que
corresponde ao solstício de Junho. O solstício de inverno é de -23,5º, referente ao solstício de
Dezembro. Todos os outros valores da declinação solar se encontram entre os trópicos de
Câncer e Capricórnio. Para determinar valores da declinação solar no nésimo dia de cada mês,
δs aplicou-se a equação (1) [3].
�� � 23,45 sin�360 �284 � ��/365�� (1)
Por exemplo, para o 21º dia de Janeiro em que n=21, logo
�� � 23,45 sin�360 �284 � 21�/365�� �� � 23,45 sin�360 �305�/365�� �� � 23,45 sin�300,8219�� �� � �20,138�
ou seja, tem-se uma declinação solar de -20,138º.
11
Na Tabela 1 mostra-se a declinação solar para o 21º dia de todos os meses do ano.
Tabela 1 – Valores da declinação solar no 21º dia de cada mês.
Mês Declinação Mês Declinação Janeiro -20,1º Julho +20,4º Fevereiro -11,2º Agosto +11,8º Março 0,4º Setembro 0,2º Abril +11,6º Outubro -11,8º Maio +20,1º Novembro -20,4º Junho +23,5º Dezembro -23,5º
A Tabela 1 confirma os valores dos ângulos de maior e menor amplitude para os
solstícios de Junho e Dezembro, e ângulos de valor ≈ 0º para os equinócios de Março e
Setembro.
2.2 Conforto Térmico
O conforto térmico e sensação térmica dependem de vários factores, nomeadamente
temperatura, velocidade do ar, vestuário e humidade. A temperatura altera-se em função dos
ganhos internos e dos ganhos externos, explicados mais à frente.
Os níveis de humidade altos evitam que a pele se refresque, provocando sensações de
desconforto. Na Figura 6, estão representadas as zonas de conforto para o Verão e para o
Inverno, onde se verifica que a temperatura de conforto para o Verão se situa entre os 23 e os
27 °C, e para o Inverno entre os 20 e os 24 °C, para ambas com uma humidade relativa entre
os 30 e os 70 %.
Figura 6 – Zonas de conforto para as estações de Verão e Inverno [4].
12
2.3 Ganhos Internos
A escolha dum sistema de climatização deve ter em conta a variação da carga térmica ao
longo do dia, e do ano, do respectivo espaço. Conhecidos os ganhos internos, os ganhos pela
envolvente (incluindo os ganhos solares) e os ganhos devidos à ventilação, consegue-se
calcular a carga térmica total do espaço, equivalente ao seu somatório.
Os sistemas de aquecimento não são a única fonte de calor existente numa habitação. O
calor é também fornecido pelos ocupantes, pelos processos decorrentes da ocupação, pelos
equipamentos e ainda pela radiação solar incidente.
Parte dos ganhos internos são perdidos para o exterior, mas uma parte é mantida no
interior como “calor gratuito” e pode ser considerado, dependendo da sua localização, período
de ocorrência e magnitude, como cargas internas a ser removidas (no caso de provocarem
sobreaquecimentos) ou como dispensando parte das necessidades de aquecimento dos
espaços.
Em edifícios residenciais e do sector terciário, os ganhos internos de calor podem ser
agrupados da seguinte forma:
- Calor (metabólico) fornecido pelos ocupantes;
- Iluminação;
- Equipamentos eléctricos.
De forma a manter temperatura constante de um compartimento, é necessário transferir
ou remover calor para o espaço que permita neutralizar a carga térmica total. Para isso devem
usar-se sistemas de climatização. Os sistemas de climatização mais comuns são os
convectivos, que actuam através do aquecimento, arrefecimento, humidificação e
desumidificação do ar nos espaços.
Deste modo para se manter a temperatura ambiente num compartimento com uma
determinada carga térmica, é necessário introduzir uma energia de insuflação, dada pela
equação (2):
� � ⩒ · ρ · #$ · �θ& � θ'�, (2)
onde:
Qs: ganho de calor sensível por insuflação (W);
⩒: caudal de ar introduzido (m3/s);
ρ : densidade do ar (1,2 kg/m3);
cp: calor específico do ar (1 kJ/kg·ºC);
13
θa: temperatura do ar de insuflação (°C);
θi: temperatura do ar de retorno (°C).
Esta expressão é válida para a climatização, quer pelo aquecimento/arrefecimento, quer
pela ventilação, tendo em conta as temperaturas normalmente envolvidas nestes processos.
O caudal insuflado pode ser transformado no número de recirculações por hora uma vez
conhecido o volume do espaço a tratar. O conhecimento do número de renovações ou
recirculações por hora do espaço dá indicação sobre a intensidade de movimentação do ar no
espaço, factor importante na escolha do tipo de terminal de insuflação. Nos projectos dos
novos edifícios dotados de sistemas de climatização com ventilação mecânica abrangidos pelo
presente RSECE devem ser garantidos os caudais mínimos de ar novo que constam da Tabela
2.
Tabela 2 - Caudais mínimos de ar novo [5].
ANEXO VI Caudais Mínimos de Ar Novo
Tipo de actividade Caudais mínimos de ar novo
(m3/(h·ocupante)) (m3/(h·m2)) Residencial Sala de estar e quartos 30
Comercial
Salas de espera Lojas de comércio Áreas de armazenamento Vestiários Supermercados
30
30
5 5 10 5
Serviço de refeições
Salas de refeições Cafetarias Bares, salas de cocktail Sala de preparação de refeições
35 35 35 30
35 35
Empreendimentos turísticos Quartos/suites Corredores/átrios
30 5
Entretenimento
Corredores/átrios Auditório Zona de palco, estúdios Café/foyer Piscinas Ginásio
30 30 35
35
5
35 10
Serviços
Gabinetes Salas de conferências Salas de assembleia Salas de desenho Consultórios médicos Salas de recepção Salas de computador Elevadores
35 35 30 30 35 30 30
5 20 20
15
15
Escolas
Salas de aula Laboratórios Auditórios Bibliotecas Bares
30 35 30 30 35
Hospitais Quartos Áreas de recuperação Áreas de terapia
45 30 30
14
2.3.1 Calor Libertado pela Actividade Metabólica dos Ocupantes
Na escolha de condições ideais de conforto e saúde, o trabalho realizado numa
determinada actividade deve ser tido em conta, porque a taxa metabólica vai aumentando com
a intensidade do esforço realizado. A taxa metabólica varia dependendo da actividade da
pessoa, da idade, do sexo, e das condições ambientais em que a actividade está a ser
executada.
A unidade utilizada para exprimir a taxa metabólica é o MET, definida como taxa
metabólica de uma pessoa relaxada sentada em que 1 MET equivale a 58,1 W/m2 ou seja 50
kCal/h·m2. Um homem saudável pode atingir uma taxa máxima de 12 MET com uma idade
de 20 anos, mas tende a perder progressivamente 7 MET até a idade de 70 anos. A taxa
máxima para uma mulher é 30 % inferior à do homem.
Os cálculos têm por base um adulto de estrutura média com uma área corporal de 1,8 m2,
exercendo uma actividade de forma contínua [4].
Uma das formas mais usuais de medir a superfície do corpo foi proposta por Dubois
(1916), pela equação (3):
() � 0,202 · *�,+,- · .�,/,- , (3)
onde:
AD : área de superfície de um corpo nu (m2);
m : massa (kg);
l : altura (m).
Um indivíduo com 1,73 m de altura, e um peso de 70 kg, tem uma superfície corporal de
1,8 m2.
Quando se pretende que as taxas metabólicas sejam determinadas com maior precisão,
são necessárias medições fisiológicas às pessoas. A taxa metabólica produzida pelo corpo
humano é medida pela taxa de consumo de oxigénio respirado e pela produção de dióxido de
carbono. Uma equação para determinar a taxa metabólica é dada por Nishi (1981) [4]:
0 = ,1·2�,,3·456789�,//:·4;<=>
, (4)
onde:
M : taxa metabólica (W/m2);
15
Qresp: quociente respiratório (adimensional);
Qo2: taxa volumétrica de oxigénio consumido nas CNTP (ml/s).
O valor exacto do quociente respiratório depende da actividade da pessoa. Pode ser
determinado medindo o dióxido de carbono e o oxigénio por fluxos de ar respiratório, ou pode
ser estimado com alguma precisão em laboratório. Uma boa estimativa para o adulto é de 0,83
para uma actividade leve e sedentária, aumentando de forma proporcional até à unidade, para
uma actividade de grande esforço [4].
Na Tabela 3 apresentam-se os valores de oxigénio consumido consoante o nível de
actividade.
Tabela 3 - Consumo de oxigénio para diferentes níveis de actividade [4].
Nível de actividade Batimento cardíaco (bpm) Oxigénio consumido (ml/s)
Trabalho leve < 90 < 8 Trabalho moderado 90 a 110 8 a 16 Trabalho pesado 110 a 130 16 a 24 Trabalho muito pesado 130 a 150 24 a 32 Trabalho muito intensivo 150 a 170 > 32
Se um indivíduo executar um trabalho moderado, utilizando a equação (4) obtém-se:
0 = ,1·��,,3·�,?39�,//�·1,1,? = 135W/m,.
Na Tabela 4 apresentam-se os valores das taxas metabólicas para algumas actividades.
Tabela 4 - Classificação da taxa metabólica de várias actividades [4].
Tipo de actividade W/m2 MET
Dormindo 40 0,7
De pé, relaxado 70 1,2
Caminhando em superfície plana
3,2 km/h (0,9 m/s) 115 2,0
4,3 km/h (1,2 m/s) 150 2,6
6,4 km/h (1,8 m/s) 220 3,8
Actividades de escritório
Lendo sentado 55 1,0
Escrevendo 60 1,0
Conduzindo o automóvel 60 a 115 1 a 2
Cozinhando 95 a 115 1,6 a 2,0
Tarefas domésticas 115 a 200 2,0 a 3,4
Dançando 140 a 255 2,4 a 4,4
Jogando ténis 210 a 270 3,6 a 4,0
Praticando luta livre 410 a 505 7,0 a 8,7
16
Refira-se que estes valores são relativos ao calor sensível (que provoca a alteração de
temperatura), e se admite que o calor latente (que não implica um aumento de temperatura
mas de humidade específica) é removido pela circulação de ar. Contudo sempre que o calor
latente seja significativo (e neste caso é comum um reforço da ventilação por meios
mecânicos ou inclusivamente desumidificação) deve considerar-se o calor latente como uma
carga térmica adicional a remover-se do espaço.
2.3.2 Iluminação A iluminação é uma das principais cargas térmicas num edifício. A carga térmica
provocada pela iluminação eléctrica tem de ser contabilizada no cálculo da potência térmica.
A necessidade de se satisfazer os níveis de iluminação nos edifícios obriga à utilização de
iluminação artificial, o que leva a um consumo de energia eléctrica. Nos dias de hoje, a
utilização da iluminação fluorescente tem-se afirmado no mercado e, de uma forma gradual,
tem substituído as lâmpadas de incandescência. Os níveis de iluminação são baseados na
Norma Europeia EN 12464-1, onde são referidos os níveis de iluminação adequados aos
espaços. A medição dos níveis de iluminação é efectuada através de um aparelho de medida
designado de luxímetro. Os níveis de iluminação exigidos não dependem somente da potência
eléctrica da fonte, mas também do difusor, da área das superfícies dentro da sala, da sua cor e
propriedades de reflexão. Daí que seja difícil estabelecer uma relação directa entre a potência
eléctrica e o nível de iluminação obtido.
As lâmpadas fluorescentes apresentam um rendimento luminoso superior às lâmpadas
incandescentes. As Tabelas 5 e 6 apresentam características de lâmpadas incandescentes e
lâmpadas fluorescentes compactas para o mesmo fluxo luminoso, sendo que as lâmpadas
fluorescentes têm um consumo cerca de 5 vezes inferior.
A lâmpada fluorescente compacta possui o balastro electrónico integrado, o que permite
a substituição directa da lâmpada incandescente. A lâmpada fluorescente compacta apresenta
um preço mais elevado do que a lâmpada incandescente, e uma vida útil muito superior. O
retorno do investimento vai depender da utilização, ou seja, quanto maior o tempo de
utilização, mais rápida é a rentabilização do investimento.
Na Tabela 8, compara-se uma lâmpada incandescente de 25 W com uma lâmpada
fluorescente compacta de 5 W, para um funcionamento de 3 horas por dia ao longo do ano.
Ao fim do primeiro ano adicionou-se mais uma lâmpada incandescente devido à vida útil da
mesma ser de 1000 horas, justificando a diferença de 3,58 €. O custo da energia teve como
17
base o preço da tarifa simples de um contrato de baixa tensão normal (BTN), actualmente de
0,1326 €/kWh.
Tabela 5 - Lâmpada incandescente Philips [6].
Lâmpada incandescente
Casquilho Fluxo
luminoso (lm)
Rendimento (lm/W)
IRC (%)
Classificação energética
Vida útil (h)
Stan 25 W E27 220 9 100 E 1000 Stan 40 W E27 430 10 100 E 1000
Tabela 6 - Lâmpada fluorescente compacta Philips [6].
Lâmpada fluor. Compacta
Casquilho Fluxo luminoso
(lm) Rendimento
(lm/W) IRC (%)
Classificação energética
Vida útil (h)
Genie ES 5W E27 230 46 >80 A 8000 Genie ES 8W E27 420 53 >80 A 8000
Tabela 7 - Preços de lâmpadas incandescentes e fluorescentes [6].
Lâmpadas incandescentes
Preço (€)
Lâmpadas fluorescentes
Preço (€)
25 W 0,56€ 5 W 4,7 € 40 W 0,56€ 8 W 5,1 €
Tabela 8 - Custos associados às lâmpadas incandescentes e fluorescentes.
Lâmpada incandescente
(25 W) Lâmpada Fluorescente
Compacta (5 W) Diferença
Preço unitário (€) 0,56 4,7 3,58 Energia (kWh/mês) 2,25 0,45 1,8 Custo da energia (€) 0,2984 0,0597 0,2387
Utilizando a equação (5) obtém-se o período de retorno (simples) do investimento
adicional, PRS, na melhor tecnologia, que para o exemplo apresentado na Tabela 8 é de PRS
= 3,58/0,2387 = 15 meses.
BCD = EF�GH=IJKJHLMNOHF$MLçM (5)
Nas lâmpadas incandescentes admite-se que uma parte da potência eléctrica fornecida a a
lâmpada é convertida em ganhos de calor internos. A transferência de energia numa lâmpada
para o ambiente realiza-se por radiação e convecção, entre a superfície quente da lâmpada e o
ar, e por radiação, para diferentes comprimentos de onda, onde se inclui o comprimento de
onda visível, responsável pela iluminação do espaço.
18
A energia calorífica da lâmpada é imediatamente enviada para o ambiente, logo é uma
carga térmica instantânea. Quanto à energia irradiada, esta primeiro é absorvida e reflectida
pelas superfícies do espaço, e só mais tarde, após a elevação da temperatura das superfícies
acima da temperatura do ar, é devolvida ao ar por convecção das paredes para o ar. Na Tabela
9 apresentam-se os valores de calor por radiação e por convecção para vários tipos de
lâmpadas.
Tabela 9 - Calor radiante e calor convectivo [7].
Ganhos de calor Calor radiante (%) Calor convectivo (%) Lâmpadas fluorescentes não ventiladas 67 33 Lâmpadas fluorescentes ventiladas 59 41 Lâmpada incandescente 80 20
A lâmpada incandescente, de utilização normal nas habitações apresenta um rendimento
na ordem de 12,4 lm/W para uma lâmpada de 60 W. Na Figura 7 apresentam-se rendimentos
para vários tipos de lâmpadas.
Figura 7 – Rendimento (lm/W) de vários tipos de lâmpadas de 230 V, 50 Hz [8].
Devido a importância da iluminação existem duas regiões do espectro electromagnético
(Figura 8) de enorme importância: a região visível e a região infravermelha. A região visível
encontra-se no espectro electromagnético com comprimentos de onda entre os 380 e 740 nm
que produz a sensação visual. A radiação infravermelha com comprimentos de onda dos 740
nm a 1mm, que é sentida em forma de calor.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Ren
dim
ento
(lm
/W)
Lâmpada Incandescente Tungsténio (15 - 1000 W)
Lâmpada Incandescente Halogéneo (25 - 250 W)
Lâmpada Fluorescente Compacta (3 - 25 W)
Lâmpada Fluorescente Tubular (14 - 80 W)
Lâmpada LED (1 - 8 W)
19
Figura 8 – Espectro electromagnético [9].
No caso das armaduras de iluminação serem ventiladas, o ar é enviado directamente para
o exterior, o calor por efeito de convecção libertado para o espaço pode ser reduzido ou
mesmo eliminado antes de constituir um ganho de calor no espaço. De igual modo, se as
armaduras estiverem num local elevado de onde se extrai o ar aquecido, apenas a componente
radiante terá de ser considerada como ganho de calor.
É hábito assumir que nas múltiplas reflexões a energia radiante acaba por ser absorvida
na sua totalidade pelas superfícies do espaço, e reenviada para o ar ambiente. Porém, desde
que a lâmpada se ligue até que constitua uma carga efectiva no ar do espaço pode decorrer um
tempo variável. O ganho de calor proveniente da iluminação pode ser calculado através da
equação (6):
QN = R · SFN · S�M , (6)
onde:
Qel : ganho de calor (W);
W : potência total da iluminação (W);
Ful : factor de utilização da iluminação;
Fsa : factor de tolerância da iluminação.
A potência total da iluminação é obtida a partir de todas as lâmpadas instaladas.
O factor de utilização da iluminação é a relação entre a potência em utilização e a
potência instalada.
O factor de tolerância para vários tipos de luminárias fluorescentes encontram-se na
Tabela 10:
20
Tabela 10 - Factores de tolerância [7].
Descrição Balastro Potência
por Lâmp. (W)
Lâmp/ Armad.
Potência das lâmp.
(W)
Potência da armadura
(W)
Factor de tolerância
Lâmpada fluorescente compacta Quad.(2) 26W Ferromagnético 26 2 52 66 1,27 Twin(2) 40W Ferromagnético 40 2 80 85 1,06 Quad.(2) 26W Electrónico 26 2 52 50 0,96 Armadura fluorescente 1200, T8 Ferromagnético 32 1 32 35 1,09 1200, T8 Ferromagnético 32 2 64 71 1,11 1200, T8 Electrónico 32 1 32 32 1,00 1200, T8 Electrónico 32 2 64 60 0,94
No apuramento da potência térmica total devida à iluminação eléctrica deve averiguar-se
com o maior rigor possível o número efectivo de lâmpadas susceptíveis de funcionarem em
simultâneo, pois um cálculo simplista que englobe o número de lâmpadas é muitas vezes
irrealista e conduz ao sobredimensionamento inútil e indesejável dos sistemas de
climatização. Convém ter presente, quando se projecta, que o calor emitido, no momento em
que as lâmpadas são acesas não é sentido de imediato como carga térmica no sistema de
climatização.
Os LEDs (Light Emitting Diode; Diodo Emissor de Luz, em português) são dispositivos
semicondutores que convertem electricidade directamente em luz. Os LEDs apresentam
melhor efeito visual (variedade de cores), o desenvolvimento de novas tecnologias de fabrico
e aparecimento de novos materiais, baixa o consumo de energia e aumenta a sua durabilidade.
Os LEDs têm vindo a ser produzidos com custos cada vez menores, proporcionando uma
gama cada vez maior de aplicações, com sinalização e iluminação de ambientes em geral, em
substituição de lâmpadas incandescentes e de descarga [8].
Na Tabela 11, apresentam-se as principais características de lâmpadas de LED comerciais.
Tabela 11 – Principais características de algumas lâmpadas de LED comerciais [10].
Potência 7 W 11 W 4 W/7 W 3 W Vida útil (horas) 25000 45000 45000 22000 Temperatura da cor Branco quente,
Branco frio Branco quente, Branco frio
Branco quente, Branco frio
Branco quente, Branco frio
Casquilho E27 E27 GU5.3 GU10 Tensão 230 V 230 V 12 V 230 V Substitui 50 W
Incandescência 75 W Incandescência
20 W/35 W Halogéneo
35 W Halogéneo
Preço 22,1 € 57,2 € 14,6 € 14,2 €
21
Um importante benefício da lâmpada de LED é a redução das emissões de CO2, uma
grande ajuda contra as alterações climáticas. Quanto menos energia se consome, menores são
as emissões de CO2 para a atmosfera. Além disso, a tecnologia LED não contém mercúrio,
nem chumbo, evitando a utilização de substâncias perigosas.
Actualmente existem duas maneiras de criar luz branca com a tecnologia LED. Um dos
métodos combina múltiplos comprimentos de onda de vários LEDs, combinando as três cores
primárias (vermelho, verde e azul) conforme mostra a Figura 9, sendo possível ajustar a uma
cor específica, de forma a criar um determinado ambiente.
Figura 9 – Combinação das três cores primárias [11].
O segundo método utiliza um LED azul nitreto de gálio-índio (GaInN) com um
revestimento de fósforo para criar a luz branca. Este é o método mais comum e o denominado
"LED branco" [12].
Com vista à comparação entre dois tipos de luminárias comerciais equivalentes da
Philips, uma lâmpada fluorescente compacta 2x26 W (Figura 10) e uma armadura LED 31 W
(Figura 11) com a tecnologia do segundo método descrito anteriormente, para um mesmo
nível de iluminação de 200 lux, realizaram-se alguns ensaios experimentais. Em primeiro
lugar, verifica-se que a armadura LED tem uma resposta rápida quando ligada à rede
eléctrica, enquanto que a resposta da lâmpada fluorescente compacta, demora em cerca de 6
minutos e 18 segundos até atingir um nível de iluminação estável.
A armadura com lâmpada fluorescente compacta é inadequada para aplicação em
determinados locais, como por exemplo locais de passagem como corredores activados por
sensores de movimento, onde se exige uma resposta rápida.
Utilizando um luxímetro (Figura 12), mediu-se a iluminância em ambas as lâmpadas
tendo-se obtido um resultado muito similar (215 lux para a lâmpada LED e 208 lux para a
lâmpada fluorescente compacta).
22
Nas Figuras 13 e 14 apresentam-se as fotografias termográficas da armadura LED e de
uma armadura fluorescente compacta. A armadura LED tem uma temperatura elevada, apenas
na parte central onde se encontra o fósforo. Nas restantes partes apresenta uma temperatura
mais baixa que a luminária fluorescente compacta.
Figura 10 – Lâmpada Fluorescente compacta (Fonte: Philips).
Figura 11 – Armadura LED (Fonte: Philips).
Figura 12 – Luxímetro utilizado para medir a iluminância.
23
Figura 13 - Imagem termográfica da armadura LED.
Figura 14 - Imagem termográfica da lâmpada fluorescente compacta.
As Figuras 15 e 16 referem-se ao espectro harmónico da armadura de LED, e ao espectro
harmónico da lâmpada fluorescente compacta, respectivamente.
Nas Tabelas 12 e 14 são apresentados os valores de distorção harmónica da corrente da
armadura LED, e da lâmpada fluorescente compacta. As Tabelas 13 e 15 referem-se aos
valores medidos na lâmpada LED, e na lâmpada fluorescente compacta. A armadura
fluorescente compacta produz uma distorção harmónica total de corrente semelhante à
armadura de LED. Porém, o 3º harmónico de corrente apresenta uma amplitude mais elevada
na lâmpada fluorescente compacta, contribuindo para o aumento de corrente no condutor
neutro. Note-se que o valor eficaz da corrente absorvida pela lâmpada fluorescente compacta
é superior à do LED.
24
Figura 15 – Componentes harmónicas da corrente absorvida pela armadura LED.
Tabela 12 - Valores das componentes harmónicas da corrente absorvida pela armadura LED.
Lâmpada LED - Latina LED 31W – PHILIPS
Harmónico Frequência Amplitude
Desfasamento (%) mA
1 50 Hz 100 149,4 0º
3 150 Hz 3 4,5 -149
5 250 Hz 7,1 10,65 154
7 350 Hz 4,3 6,45 101
9 450 Hz 2,6 3,9 115
11 550 Hz 1,1 1,65 110
13 650 Hz 0,4 0,6 66
15 750 Hz 0,4 0,6 114
17 850 Hz 0,1 0,15 137
19 950 Hz 0,2 0,3 1
21 1050 Hz 0,3 0,45 -83
23 1150 Hz 0,5 0,75 -121
25 1250 Hz 0,4 0,6 -144
27 1350 Hz 0,7 1,05 177
29 1450 Hz 0,4 0,6 130
Tabela 13 - Valores medidos na armadura LED.
Grandezas Tensão (v) Corrente (A) S (A) P (W) Q (Var) FP THDi (%)2 Iluminância (Lux)
Valores 240 0,150 36 35,3 8 0,98 9,6 215
2 Total Harmonic Distortion – Distorção Harmónica Total
25
Figura 16 - Componentes harmónicas da corrente absorvida pela lâmpada fluorescente compacta.
Tabela 14 - Valores das componentes harmónicas da corrente absorvida pela lâmpada fluorescente compacta.
Lâmpada Fluorescente Compacta - 2x26 W - PHILIPS
Harmónico Frequência Amplitude
Desfasamento (%) mA
1 50 Hz 100 195,22 0º
3 150 Hz 7,6 14,90 157
5 250 Hz 4,8 9,41 146
7 350 Hz 2,9 5,68 114
9 450 Hz 1,8 3,53 130
11 550 Hz 0,9 1,76 117
13 650 Hz 0,5 0,98 91
15 750 Hz 0,2 0,39 94
17 850 Hz 0,1 0,20 146
19 950 Hz 0,1 0,20 149
21 1050 Hz 0,1 0,20 -175
23 1150 Hz 0,1 0,20 -135
25 1250 Hz 0,1 0,20 170
27 1350 Hz 0,1 0,20 -110
29 1450 Hz 0,1 0,20 118
Tabela 15 - Valores medidos na lâmpada fluorescente compacta.
Grandezas Tensão (v) Corrente (A) S (A) P (W) Q (Var) FP THDi (%) Iluminância (Lux)
Valores 239 0,196 46,7 46 8 0,99 9,7 208
26
2.3.3 Equipamentos
Dependendo do tipo de equipamentos, uma parte da energia consumida pode ser
considerada como ganho de calor interno. Uma vez que o consumo varia com o tipo de
equipamento, é difícil obter valores representativos. Mesmo quando existem valores para os
equipamentos domésticos e industriais, estes evoluem no sentido de minimização do consumo
de energia e da melhoraria da classificação energética. Na Tabela 16 apresenta-se uma lista
indicativa dos ganhos internos de alguns equipamentos.
Tabela 16 - Ganhos internos de alguns equipamentos [7].
Equipamento Ganho de calor (W) Inactivo (W) Impressora (escritório residencial) 130 10 Frigorífico 320 - Computador (Pentium) 55 20 Fotocopiadora 400 20 Monitor (400 a 460 mm) 70 - Microondas doméstico (30l) 600-1400 -
Da Figura 17 à Figura 25 são apresentadas fotografias termográficas de alguns
equipamentos de forma a evidenciar a libertação de calor dos mesmos, representando uma
fonte de calor interna.
Figura 17 - Imagem termográfica de uma aparelhagem de som.
27
Figura 18 - Imagem termográfica de um Split de ar condicionado.
Figura 19 - Imagem termográfica de um disco rígido externo.
Figura 20 - Imagem termográfica de um conjunto de lâmpadas de halogéneo.
28
Figura 21 - Imagem termográfica de uma lâmpada incandescente (tipo foco).
Figura 22 - Imagem termográfica de um plafond com lâmpadas incandescentes.
Figura 23 - Imagem termográfica de máquina de café de cápsulas.
29
Figura 24 - Imagem termográfica de uma Box e de um Modem.
Figura 25 - Imagem termográfica de uma televisão LCD.
No que respeita aos equipamentos dos edifícios, muitos deles possuem motores. Tal
como a iluminação artificial, consomem energia eléctrica, e portanto também dissipam
energia por efeito de Joule. Para estimativa dos ganhos internos devidos a estes motores deve
ter-se em conta:
- a regularidade com que operam, de forma a identificar os períodos em que existem
contribuições simultâneas de equipamentos para os ganhos internos de um mesmo espaço;
- a eficiência do motor.
Uma parte da potência eléctrica de um motor acaba por se dissipar em calor. O ganho de
calor instantâneo (equivalente às perdas) associado aos motores eléctricos dentro de um
espaço pode ser calculado, pela equação (7) [7]:
30
QT = U1V− 1W · BL · SXY, (7)
onde:
Qem: ganho de calor3 (W);
Pn: potência nominal do motor (W);
η: rendimento do motor (adimensional);
FLM: carga do motor (adimensional).
A carga é a fracção da potência nominal aplicada. No caso de um motor de 1,5 kW com
uma carga de 50 %, obtém-se o seguinte ganho de calor:
QT = U 1�,//,− 1W · 1500 · 0,5 = 221,25W,
A Tabela 17 indica valores de ganho de calor para motores tetrapolares de diferentes
classes de rendimento.
O rendimento dos motores eléctricos, η, é dado pela equação (8), onde Pu é a potência útil
(transmitida pelo veio) e Pa é potência activa absorvida.
η = O[O\
(8)
De uma forma geral, o rendimento aumenta com o aumento da potência do motor.
Refira-se que a dissipação térmica devida aos equipamentos, apesar de importante no
dimensionamento de sistemas de climatização, é muitas vezes esquecida. Por exemplo,
quando se procede à remodelação de um espaço de escritórios, e se criam novos locais para
mais equipamento de escritório (servidores para a rede informática, fotocopiadoras, etc.) há
que relembrar que estes novos equipamentos dissipam calor adicional. As dissipações a
considerar para os equipamentos electrónicos devem ser obtidas dos fabricantes.
Dada a dificuldade em identificar todas as fontes de ganhos internos num edifício, com
base na experiência corrente, é costume relacionar esses ganhos com a área útil de pavimento,
obtendo-se valores típicos como os que se mostram na Tabela 18, em função da classificação
do edifício quanto ao nível de ganhos.
3 Assume-se que todas as perdas do motor se convertem em calor.
31
Tabela 17 – Rendimentos e ganho em calor (equivalente às perdas) para motores de indução trifásicos tetrapolares de 50 Hz, considerando um factor de carga unitário (Pu = Pn) [13].
Pn (kW) Classe IE1 Classe IE2 Classe IE3
η (%) Qem (W) η (%) Qem (W) η (%) Qem (W)
0,75 72,1 290,22 81,1 174,78 84 142,86
1,5 77,2 443,01 83,9 287,84 86,3 238,12
4 83,1 813,48 87,3 581,90 89,2 484,30
5,5 84,7 993,51 88,2 735,83 90 611,11
7,5 86,0 1220,93 89,1 917,51 90,8 759,91
11 87,6 1557,08 90,1 1208,66 91,7 995,64
15 88,7 1910,94 90,9 1501,65 92,3 1251,35
Tabela 18 - Valores típicos de ganhos internos [14].
Nível de Ganhos Equipamentos (W/m2) Baixo 5 Médio 10 Alto 20
2.4 Ganhos Externos
O RCCTE (Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios)
veio estabelecer requisitos de qualidade para os novos edifícios de habitação e de pequenos
serviços sem sistemas de climatização, nomeadamente ao nível das características da
envolvente (paredes, vãos envidraçados, pavimentos e coberturas), limitando as perdas
térmicas e controlando os ganhos solares excessivos. Os métodos de cálculo para a
verificação regulamentar dos edifícios aponta para a estimação de valores nominais de
consumo, quer para a estação de arrefecimento quer para a estação de aquecimento, para
dadas condições de referência de ambiente interior. O regulamento impõe limites aos
consumos energéticos da habitação para climatização e produção de águas quentes, num claro
incentivo à utilização de sistemas eficientes e de fontes energéticas com menor impacto em
termos de consumo de energia primária. A legislação determina também a obrigatoriedade da
instalação de colectores solares e valoriza a utilização de outras fontes de energia renovável
na determinação do desempenho energético do edifício.
2.4.1 Transmissão de Calor
As necessidades nominais de aquecimento e arrefecimento para um edifício, de modo a
garantir o conforto térmico, é de uma temperatura de 20 ºC para a estação de Outono/Inverno,
32
e de 25 oC com 50 % de humidade relativa, para a estação de Primavera/Verão. Na Figura 26,
entende-se que se as perdas de calor forem superiores aos ganhos, a temperatura do ar interior
vai baixar. Para isso não acontecer é necessário um equipamento auxiliar, para equilibrar a
diferença entre as perdas e os ganhos à mesma taxa de variação que ocorrem. O mesmo
acontece caso se os ganhos forem maiores que as perdas. É necessária uma energia auxiliar de
forma a minimizar os ganhos.
Figura 26 - Balanço de energia.
Para se proceder ao estudo do comportamento térmico de uma edificação é necessário
estudar o processo de transmissão de calor, bem como as propriedades térmicas dos materiais
envolvidos nos processos de troca de calor.
Transmissão de Calor por Condução 2.4.1.1
Trata-se da transmissão de calor molécula a molécula, existindo a necessidade de um
meio material, ocorrendo sempre do ponto de maior potencial energético (maior temperatura)
para o de menor potencial (menor temperatura).
A quantidade de calor que flui através de um elemento opaco varia em função do
material que o constitui, da sua espessura e do diferencial de temperatura. A grandeza física
que caracteriza um material com melhor ou pior condutividade de calor denomina-se por
condutividade térmica (λ). A Figura 27 ilustra o processo de transmissão de calor por
condução.
33
Figura 27 – Transferência de calor [15].
As transferências de calor por condução através das envolventes durante toda a estação
de aquecimento Qt (W), isto é, pelas paredes, pelos vãos envidraçados, pela cobertura e pelo
pavimento, devidas à diferença de temperatura entre o interior e o exterior do edifício,
resultam da soma de quatro parcelas, dada pela equação (9):
Qt = Qext + Qlna + Qpe + Qpt , (9)
em que:
Qext : transferência de calor pelas zonas correntes das paredes, envidraçados, coberturas e
pavimentos em contacto com o exterior;
Qlna : transferência de calor pelas zonas correntes das paredes, envidraçados e
pavimentos em contacto com locais não aquecidos;
Qpe : transferência de calor pelos pavimentos e paredes em contacto com o solo;
Qpt : transferência de calor pelas pontes térmicas lineares existentes no edifício.
2.4.1.1.1 Transmissão de Calor pela Envolvente Opaca
Nos elementos em contacto com o exterior, tais como paredes ou pontes térmicas planas,
coberturas e pavimentos exteriores, os ganhos de calor Qext (W), são calculados pela equação
(10):
Qext = U ·A · (θi – θatm) , (10) em que:
U : coeficiente de transmissão térmica do elemento da envolvente (W/m2·ºC); A : área do elemento da envolvente medida pelo interior (m2);
θi : temperatura do ar no interior do edifício (°C); θatm : temperatura do ar exterior (°C).
34
O coeficiente de transmissão térmica, U (W/(m2·ºC)), de elementos constituídos por
várias camadas de materiais, em camadas de espessuras constantes, é calculado pela equação
(11):
] = 1^7_9Σ`^`9^76
, (11)
onde:
Rj : Resistência térmica da camada j (m2·ºC/W);
Rsi: Resistência superficial interior (m2·ºC/W);
Rse: Resistência superficial exterior (m2· °C/W).
Para camadas de material homogéneo, a resistência térmica Rj é calculada pela equação
(12):
Ca =I`b`
, (12)
em que:
dj : espessura do material (m);
λj: condutividade térmica do material (W/(m·°C)).
Para camadas não homogéneas (alvenarias, lajes aligeiradas, espaços de ar, etc.) os
valores correspondentes às resistências térmicas podem ser directamente retirados de tabelas
publicadas no ITE 50 do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC).
λ
1
λ
2
λ
n
d1 d2 dn
θatm θi
Figura 28 - Condutibilidade térmica de várias camadas.
35
2.4.1.1.2 Elementos em Contacto Com Locais Não Aquecidos
As transferências de calor pelas zonas correntes das paredes, envidraçados e pavimentos
que separam um espaço aquecido de um local não aquecido, Qlna (W), por exemplo,
armazéns, arrecadações, garagens, corredores ou escadas de acesso dentro do mesmo edifício,
sótãos não habitados (acessíveis ou não), etc., são calculadas, para cada um desses elementos,
pela equação (13):
Qlna = U·A·(θi – θlna) , (13) em que:
θlna : temperatura do ar do local não aquecido (°C).
A temperatura do ar do local não aquecido θlna assume um valor intermédio entre a
temperatura atmosférica exterior e a temperatura da zona aquecida. A temperatura do ar do
local não aquecido, θlna (°C), calcula-se através da equação (14):
θlna = θatm + (1-τ) · (θi – θatm), (14)
e o valor de τ é dado pela equação (15):
τ = defdghidefdijk ,
(15)
em que:
θi: temperatura interior de referência (°C);
θatm: temperatura ambiente exterior (°C).
Dada a dificuldade em conhecer com precisão o valor de θlna sem fixação de alguns
parâmetros de difícil previsão dependentes do uso concreto e real de cada espaço, admite-se
que τ pode tomar os valores convencionais indicados na Tabela 19 para várias situações
comuns de espaços não aquecidos.
As perdas térmicas através de elementos em contacto com espaços não úteis constituem
uma fracção do valor que teriam se esses elementos fizessem fronteira com o exterior. O
coeficiente τ que traduz esse decréscimo de perdas, toma valores convencionais em função da
natureza do espaço não útil, das suas condições de ventilação, e da relação entre as áreas da
envolvente interior e exterior.
36
Tabela 19 - Valores do coeficiente l [16].
Tipo de espaço não útil Ai/Au
De 0 a 1 De 1 a 10 Maior que 10 1.Circulação comum: 1.1Sem abertura directa para o exterior
0,6 0,3 0
1.2 Com abertura permanente para o exterior (por ex. ventilação ou desenfumagem)
a) Área de aberturas permanentes/volume total < 0,05 m2/m3
0,8 0,5 0,1
b) Área de aberturas permanentes/volume total > 0,05 m2/m3
0,9 0,7 0,3
2. Espaços comerciais 0,8 0,6 0,2 3. Edifícios adjacentes 0,6 0,6 0,6 4. Armazéns 0,95 0,7 0,3 5. Garagens 5.1 Privada 0,8 0,5 0,3 5.2 Colectiva 0,9 0,7 0,4 5.3 Pública 0,95 0,8 0,5 6. Varandas, marquises e similares 0,8 0,6 0,2 7. Coberturas sobre desvão não habitado (acessível ou não) 7.1 Desvão não ventilado 0,8 0,6 0,4 7.2 Desvão fracamente ventilado 0,9 0,7 0,5 7.3 Desvão fortemente ventilado 1,0
2.4.1.1.3 Transferência de Calor por Pavimentos e Paredes em Contacto com o Solo
As transferências unitárias de calor (por grau Celsius de diferença de temperatura
entre o ambiente interior e exterior) através das pontes térmicas, Lpt (W/°C), são calculadas
pela seguinte equação (16):
Lpt = Ψj · Bj ,
(16)
onde:
Ψ : é o coeficiente de transmissão térmica linear (W/(m·ºC));
B : é o perímetro do pavimento ou o desenvolvimento da parede, medido pelo interior
(m).
O coeficiente de transmissão térmica linear Ψ traduz a taxa de transferência de calor por
metro linear para uma diferente temperatura entre o ambiente interior e exterior. Os
coeficientes Ψ das pontes térmicas lineares mais representativos encontram-se tabelados no
RCCTE para diferentes possibilidades de localização do isolamento térmico. A transferência
de calor pelas pontes térmicas lineares, Qpt (W), é dada pela equação (17).
37
Qpt =Lpt · (θi – θatm),
(17)
Relativamente ao tipo de transferência de calor referente aos parâmetros L a considerar
numa fracção autónoma, o RCCTE descrimina as categorias que se indicam na Tabela 20 para
cálculo das necessidades de aquecimento.
Tabela 20 – Valores de perdas de condução através das envolventes [16].
Tipo Símbolo L (W.ºC-1)
Per
das
por
cond
ução
atr
avés
da
envo
lven
te
Perdas pelas zonas correntes de paredes, envidraçados, coberturas e pavimentos em contacto com o exterior.
Qext Lext=ƩU·A
Perdas pelas zonas correntes de paredes, envidraçados e pavimentos em contacto com locais não aquecidos.
Qlna Llna=ƩU·A·τ
Perdas de calor pelos pavimentos e paredes em contacto com o solo.
Qpe Lpe=Ʃψpe ·B
Perdas de calor pelas pontes térmicas lineares existentes. Qpt Lpt=Ʃψpt ·B
Ponte térmica linear é toda a parte de um edifício onde não é possível admitir a hipótese
de uniformidade de resistência térmica, que é a abordagem de cálculo convencionalmente
utilizada para zonas correntes dos elementos de construção. As pontes térmicas de fluxo de
calor perdem o paralelismo e tomam direcção bidimensional ou tridimensional, de duas a três
coordenadas no espaço. Os factores que estão na origem de pontes térmicas são:
- transição entre materiais de diferentes condutibilidades térmicas;
- alterações de espessura do elemento;
- diferença entre áreas internas e externas, como ocorre no encontro de paredes (cunhais),
entre paredes e tectos e entre paredes e pavimentos.
No RCCTE encontram-se figuras com várias configurações tipo, de onde se podem
retirar os valores de Ψ. Considerando a Figura 29 como exemplo, e assumindo que:
- o isolamento é efectuado pelo exterior;
- espessura em da parede com 0,25 m;
- cobertura de 0,10 m abaixo da laje
e tendo em conta os valores apresentados na Tabela 21, tem-se um coeficiente de
transmissão térmica de 0,55.
38
Figura 29 – Ligação da fachada com pavimento sobre locais não aquecidos [16].
em que:
em: espessura da parede (m);
ep: espessura do pavimento (m);
d : cobertura de isolamento abaixo da laje (m).
Tabela 21 - Valores de ψ [16].
em (m) 0,15 0,20 0,25 >0,35
0< d < 0,30 0,45 0,50 0,55 0,60
- Ganhos Resultantes do Aproveitamento da Energia Solar 2.4.1.2
O cálculo para os ganhos solares para as estações de Inverno e de Verão são efectuados
de forma diferente, devido ao movimento do Sol variar ao longo do ano de acordo com a
secção 2.1.2. Estes ganhos tomam vários valores consoante a zona do país. O país é dividido
em três zonas climáticas de Inverno designadas por I1 I2 e I3 e em três zonas climáticas de
Verão, estas designadas por V1 V2 e V3 (Figura 30).
39
a) b)
Figura 30 - Zonas climáticas em Portugal Continental: a) Inverno; b) Verão [16].
Os ganhos solares na estação de Inverno são favoráveis, ou seja, contribuem com energia
gratuita de aquecimento. Na estação de Verão os ganhos solares através dos vãos
envidraçados são desfavoráveis contribuindo para um aumento da necessidade de
arrefecimento. Uma das formas de evitar estes ganhos solares no Verão, é recorrer à utilização
de estores, portadas, palas nas janelas ou persianas do lado exterior e a utilização de cortinas
do lado interior.
A Tabela 22 demonstra a distribuição de alguns concelhos de Portugal Continental
segundo as zonas climáticas e correspondentes dados climáticos de referência.
40
Tabela 22 - Dados climáticos de referência [16].
Concelho Zona Climática de Inverno
Número de graus dias,
GD4
(º C·dias)
Duração da estação de
aquecimento (meses)
Zona Climática de Verão
Temperatura externa de Projecto
(°C)
Amplitude térmica
(°C)
Coimbra I1 1460 6 V2 33 13 Viseu I2 1940 7,3 V2 33 14 Sernancelhe I3 2600 7 V2 33 14 Beja I1 1290 5,7 V3 36 17
2.4.1.2.1 Ganhos Resultantes na Estação de Inverno
Os ganhos solares através dos vãos envidraçados na estação de Inverno, é calculado
através da equação (18):
� = m�FN · ∑ opa · ∑ (�LaL q · 0a , (18)
em que:
Gsul : é o valor médio mensal da energia solar média incidente numa superfície vertical
orientada a Sul de área unitária durante a estação de aquecimento (kWh/m2·mês);
Xj : é o factor de orientação para diferentes exposições (Tabela 22);
Asnj : é a área efectiva colectora da radiação solar da superfície n que tem orientação j;
j : é o índice que corresponde a cada uma das orientações;
n : é o índice que corresponde a cada uma das superfícies com a orientação j;
M : é a duração da estação de aquecimento, em meses.
O valor da energia solar média Gsul, expressa numa base mensal, que na estação de
Inverno incide sobre uma superfície vertical a Sul, e que é função da zona climática de
Inverno onde está implantada a construção, pode retirar-se da Tabela 23.
Tabela 23 – Energia solar média mensal incidente numa superfície vertical orientada a Sul na estação de aquecimento [16].
Zona de Inverno Energia solar, Gsul (kWh/(m2·mês)) I1 – Continente 108 I2 – Continente 93 I3 – Continente 90
4 “Graus dias de aquecimento (base 20 °C) ” é um número que caracteriza a severidade de um clima durante a estação aquecimento e que é igual ao somatório das diferenças positivas registadas entre uma dada temperatura de 20 °C e a temperatura do ar exterior durante a estação de aquecimento.
41
Se a superfície tiver outra orientação que não a Sul, então o valor de energia tem de ser
multiplicado por um factor de orientação, X, para obter o valor de energia correspondente à
direcção considerada, conforme nos mostra a Tabela 24.
Tabela 24 – Factor de orientação X [16].
X Octante N
Octantes NE e NW
Octantes E e W
Octantes SE e SW
Octante S Horizontal
0,27 0,33 0,56 0,84 1 0,89
Para efeito de aquecimento dos vãos envidraçados, interessa considerar a área realmente
sujeita a radiação solar. A área efectiva colectora das superfícies verticais para cada uma das
orientações. O valor da área efectiva As deve ser calculado por cada vão, ou por características
de vãos com características idênticas de incidência de radiação solar. A área efectiva As (m2) é
dada pela equação (19):
(� = ( · S� · Sr · Ss · tu , (19)
em que:
A : área total do vão envidraçado, isto, é, área da janela, incluindo o caixilho (m2);
Fs : factor de obstrução;
Fg : factor de correcção devido à variação das propriedades do vidro com o ângulo de
incidência da radiação solar;
g⊥ : factor solar do vão envidraçado para radiação incidente na perpendicular ao
envidraçado e que tem em conta eventuais dispositivos de protecção solar.
Para apuramento do ganho solar do vão envidraçado é necessário considerar vários
factores, tais como:
- Factor de sombreamento devido a pala horizontal (Fo);
- Factor de sombreamento devido a pala vertical (Ff);
- Factor de sombreamento do horizonte (Fh).
O factor de obstrução, Fs, é dado pela equação (20):
S� = Sv · SH · Sw. (20)
42
Os elementos de obstrução do edifício apresentam-se sob formas de palas fixas
horizontais e verticais (Figura 31). Os valores do ângulo das palas são medidos a partir do
ponto médio do vão envidraçado.
Figura 31 - Pala horizontal e pala vertical [14].
A Tabela 25 apresenta valores de Fo para o Continente e Açores, para a estação de
Inverno.
Tabela 25 - Valores do factor de sombreamento por elementos horizontais (Fo) [16].
Ângulo β N NE/NW E/W SE/SW S 0º 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 30º 1,00 0,94 0,84 0,76 0,73 45º 1,00 0,90 0,74 0,63 0,59 60º 1,00 0,85 0,64 0,49 0,44
A Tabela 26 apresenta valores Ff para a estação de Inverno, considerando uma pala
vertical de acordo a Figura 31.
Tabela 26 - Valores do factor de sombreamento por elementos verticais (Ff) [16].
Ângulo ρ N NE E SE S SW W NW 0º 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
30º 1,00 1,00 1,00 0,97 0,93 0,91 0,87 0,89 45º 1,00 1,00 1,00 0,95 0,88 0,86 0,80 0,84 60º 1,00 1,00 1,00 0,91 0,83 0,79 0,72 0,80
Para além das obstruções criadas pelos elementos do próprio edifício, é necessário
considerar as obstruções exteriores ao edifício, como vegetação e outros edifícios.
43
O factor de sombreamento associado a estes elementos designa-se por factor de
sombreamento do horizonte, Fh, e, os valores obtêm-se a partir da Tabela 27 com base no
ângulo de horizonte, α. O ângulo de horizonte é definido como o ângulo entre o plano
horizontal e a recta que passa pelo centro do envidraçado e pelo ponto mais alto da maior
obstrução existente entre dois planos verticais que fazem 60º para cada um dos lados da
normal ao envidraçado, conforme Figura 32. Na existência de clarabóias no topo do edifício
não são considerados os octantes, mas apenas o factor horizontal da Tabela 27.
Figura 32 - Factor de sombreamento do horizonte [16].
Tabela 27 - Valores do factor de sombreamento do horizonte (Fh) [16].
Ângulo de horizonte, α Horizontal N NE/NW E/W SE/SW S 0º 1 1 1 1 1 1 10º 0,99 1 0,96 0,94 0,96 0,97 20º 0,95 1 0,96 0,84 0,88 0,90 30º 0,82 1 0,85 0,71 0,62 0,67 40º 0,67 1 0,81 0,61 0,52 0,50 50º 0,62 1 0,80 0,58 0,48 0,45
A fracção envidraçada, Fg, traduz a redução da transmissão da energia solar associada à
existência da caixilharia, sendo dada pela relação entre a área envidraçada e a área total do
vão envidraçado. Na Tabela 28 apresentam-se valores típicos de caixilharia de utilização mais
corrente.
Tabela 28 - Fracção de área envidraçada para diferentes tipos de caixilharia [16].
Tipo de caixilharia Fg
Caixilho sem quadrícula Caixilho com quadrícula Janelas de alumínio ou aço 0,70 0,60 Janelas de madeira ou PVC 0,65 0,57 Fachadas – Cortina de alumínio ou aço 0,90 -
α
44
O factor de correcção da selectividade angular dos vãos envidraçados, Fw, traduz a
redução dos ganhos solares causada pela variação das propriedades do vidro com o ângulo de
incidência da radiação solar directa. O factor, Fw, toma o valor de 0,9 para os vidros correntes
simples e duplos. Para outro tipo de envidraçado, deve-se utilizar valores fornecido pelo
fabricante com base na EN 410 [16].
O factor solar do tipo de vidro g⊥ é obtido pelo factor solar numa direcção perpendicular
ao vidro, consoante a sua constituição. A Tabela 29 apresenta valores do factor solar para
alguns tipos de vidro.
Tabela 29 - Factor solar, g⊥, para alguns tipos de vidro [16].
Tipo de Vidro Factor solar Simples Incolor 4 mm 0,88
5 mm 0,87 Duplo Incolor (4 a 8) mm + 4 mm 0,78
(4 a 8) mm + 5 mm 0,75
2.4.1.2.2 Ganhos Resultantes na Estação de Verão
Os ganhos solares pelos vãos envidraçados para a estação de Verão, são calculados
através da equação (21):
� = ∑ oxya · ∑ (�LaL qa , (21)
onde:
Irj : é a energia solar incidente nos vãos envidraçados por orientação j.
Os valores da intensidade de radiação para a estação convencional de arrefecimento,
encontram-se na Tabela 30.
Tabela 30 - Valores médios da temperatura do ar exterior e da intensidade da radiação solar para a estação convencional de arrefecimento (Junho a Setembro) [16].
Zona θatm N NE E SE S SW W NW Horizontal
V1N 19 200 300 420 430 380 430 420 300 730 V1S 21 200 310 420 430 380 440 430 320 760 V2N 19 200 320 450 470 420 470 450 320 790 V2S 23 200 340 470 460 380 460 470 340 820 V3N 22 200 320 460 460 400 460 450 320 800 V3S 23 210 330 460 460 400 470 460 330 820
45
Devido a relações angulares distintas entre o Inverno e o Verão, o factor do horizonte Fh
assume o valor 1 no cálculo do factor de obstrução obtido pela equação (20), e as variáveis Fo
(Tabela 31), Ff (Tabela 32) e Fw (Tabela 33) assumem novos valores.
Tabela 31 - Valores do factor de sombreamento dos elementos horizontais, Fo, no Verão [16].
Ângulo β N NE/NW E/W SE/SW S 0º 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 30º 0,98 0,86 0,75 0,68 0,63 45º 0,97 0,78 0,64 0,57 0,55 60º 0,94 0,70 0,55 0,50 0,52
Tabela 32 - Valores do factor de sombreamento dos elementos verticais, Ff , no Verão [16].
Ângulo ρ N NE E SE S SW W NW 0º 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00
30º 1,00 0,86 0,95 0,96 0,91 0,91 0,96 1,00 45º 1,00 0,78 0,93 0,95 0,87 0,85 0,96 1,00 60º 1,00 0,69 0,88 0,93 0,84 0,77 0,95 1,00
Tabela 33 - Valores do factor de correcção da selectividade angular dos envidraçados, Fw [16].
Tipo de vidro N NE/NW E/W SE/SW S Vidro simples 0,85 0,90 0,90 0,90 0,80 Vidro duplo 0,80 0,85 0,85 0,85 0,75
O factor solar do envidraçado deve ter em conta os dispositivos de sombreamentos
móveis activados a 70%, ou seja, o factor solar do vão envidraçado é igual à soma de 30% do
factor solar do vidro mais 70% do factor solar do vão envidraçado com a protecção solar
móvel actuada, indicando-se alguns valores na Tabela 34.
Tabela 34 - Valores do factor de vãos com protecção solar activada a 100% e vidro incolor corrente (g⊥ ′) [16].
Tipo de protecção Vidro simples
Cor da protecção Vidro duplo
Cor da protecção Clara Média Escura Clara Média Escura
Protecção exterior Réguas metálicas 0,07 0,10 0,13 0,04 0,07 0,09 Protecção interior Estores de lâminas 0,45 0,56 0,65 0,47 0,59 0,69 Cortinas opacas 0,33 0,44 0,54 0,37 0,46 0,55 Cortinas Transparentes 0,38 0,46 0,56 0,38 0,47 0,56
46
47
3 Eficiência Energética
3.1 Ciclo de Carnot
Os ciclos termodinâmicos, podem ser projectadas em qualquer plano de coordenadas. A
escolha de um diagrama deve-se à facilidade com que determinados processos podem ser
visualizados e estudados. O diagrama T-s (temperatura-entropia) é utilizado no estudo de
ciclos em geral, como o ciclo frigorífico e o ciclo de turbina a gás.
O ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico T-s, evolução da temperatura e entropia
constante. O ciclo de Carnot é totalmente reversível, é um modelo perfeito para um ciclo de
refrigeração operando entre dois pontos fixos de temperatura.
A Figura 33 apresenta o ciclo de Carnot que relaciona temperatura-entropia. O calor é
retirado a temperatura constante TR da região a ser arrefecida. O calor é rejeitado a
temperatura ambiente To. O ciclo é completado por uma expansão isentrópica (3→4) e uma
compressão isentrópica (1→2).
Figura 33 - Ciclo de compressão a vapor de Carnot [17].
48
A transferência de energia é dada por:
Q0=T0 (S2-S3),
(21)
QR = TR (S1-S4) = TR (S2-S3), (22) O trabalho é dado por:
Wnet = Q0 – QR . (23)
A performance do ciclo de refrigeração é usualmente descrita como Coefficient of
Performance (COP). Para um sistema mecânico de compressão de vapor, a energia fornecida
é geralmente sob a forma de trabalho onde podemos incluir o trabalho do compressor.
Assim, temos:
z{B = B|}ê�#��}éy*�#�B|}ê�#�����|y����,
onde o beneficio de um processo de refrigeração é a remoção do calor do espaço.
z{B�Qw�Jr = ^RLQG
= ��H − �
Qr : Calor retirado da zona fria (kJ);
Tr: Temperatura da zona fria (ºK);
To: Temperatura da zona quente (ºK).
(24)
Para uma bomba de calor, o benefício é o calor adicionado ao espaço, ou seja Qo. A
relação do calor fornecido ao espaço e o trabalho do compressor dá-nos o COPheatpump , de
acordo com a equação (25).
z{BvQMG$FT$ = 4;��6�
= �;�;f��
,
(25)
também calculado através da equação (26),
49
z{BvQMG$FT$ = �;�;f��
= ��;f���9���;f��
= ���;f��
+ 1 = z{B�Qw�Jr + 1. (26)
As equações anteriores apresentam notações Norte Americanas como COPrefri e
COPheatpump , ao nível Europeu é designado por EER e COP, respectivamente.
3.2 Etiquetagem Energética
A finalidade da classificação europeia em função da eficiência energética (denominada
EUROVENT) é simplificar a selecção das melhores unidades para cada tipo de Chiller. A
determinação do EER e do COP são efectuadas com o Chiller a trabalhar à plena carga [19].
A classificação é realizada com base numa letra de A a G, conforme a Tabela 35, em que
a letra A corresponde a um equipamento mais eficiente, e a letra G a um equipamento menos
eficiente. Os equipamentos de classe G, não podem ser comercializados na União Europeia.
Tabela 35 - Classificação em função do EER e do COP [18].
EER Classificação
Ar Refrigerado
Água Refrigerada
COP Classificação
Ar Refrigerado
Água Refrigerada
A >3,1 >5,05 A >3,2 >4,45 B 2,9>3,1 4,65>5,05 B 3,0>3,2 4,15>4,45 C 2,7>2,9 4,25>4,65 C 2,8>3,0 3,85>4,15 D 2,5>2,7 3,85>4,25 D 2,6>2,8 3,55>3,85 E 2,3>2,5 3,45>3,85 E 2,4>2,6 3,25>3,55 F 2,1>2,3 3,05>3,45 F 2,2>2,4 2,95>3,25 G <2,1 <3,05 G <2,2 <2,95
3.3 Eficiência dos Processos de Ventilação
A densidade de ocupação e de equipamentos e materiais sintéticos estão na origem de
elevada taxa de geração de poluentes no interior do edifício. Por esta razão, a qualidade do ar
interior é, na generalidade dos casos, significativamente inferior à qualidade do ar no exterior.
Uma má qualidade de ar interior pode originar efeitos imediatos tais como odores
desagradáveis, efeitos a curto prazo como irritações e infecções ao nível das vias respiratórias
da pele e dos olhos.
Em Portugal, as concentrações máximas de referência de poluentes no interior dos
edifícios são fixadas por lei. O RSECE, estabelece os valores limites para seis tipos de
poluentes (Tabela 36).
50
Tabela 36 – Concentrações máximas de referência de poluentes no interior de edifícios em Portugal [5].
Parâmetros Concentração máxima permitida (mg/m3)
Partículas suspensas no ar (PM10) 0,15
Dióxido de carbono (CO2) 1800
Monóxido de carbono (CO) 12,5
Ozono (O3) 0,2
Formaldeído (CH2O) 0,1
Compostos Orgânicos Voláteis totais 0,6
O vapor de água é um constituinte do ar, sendo variável a sua proporção. No que diz
respeito ao ar interior, a quantidade de vapor de água pode influenciar a actividade dos
ocupantes. Baixos valores de humidade relativa podem provocar sensações de secura,
enquanto um valor alto de humidade relativa pode originar desconforto (inibe a transpiração
da pele).
A principal fonte de dióxido de carbono no ar interior é devido ao metabolismo dos
ocupantes; outras fontes comuns são os aparelhos de combustão como fogões, esquentadores
e lareiras.
Composto Orgânico Volátil, (COV), são compostos orgânicos que contem carbono,
facilmente vaporizados em condições de temperatura e pressão ambiente. Os COVs têm um
grande impacto sobre a saúde em função da sua toxicidade e efeito cancerígeno. As principais
fontes de COV no interior dos edifícios são:
- tintas, vernizes, colas, solventes;
- alcatifas, papel de parede;
- mobiliário;
- produtos de limpeza;
- produtos de higiene pessoal e cosméticos.
No caso da presença de quaisquer destes materiais num dado espaço, o sistema de
climatização ou de ventilação deve estar previsto para assegurar uma taxa de renovação do ar
efectiva em 50 % superior à especificada no anexo VI do RSECE.
A ventilação tem um papel fundamental na reposição e manutenção da concentração
adequada de oxigénio para a respiração dos seres humanos. A ventilação, por outro lado,
assume uma função determinante ao permitir assegurar as adequadas condições higrotérmicas
e a boa qualidade do ar interior dos edifícios pela remoção de substâncias poluentes. Uma
forma eficaz para a remoção de poluentes é recorrer a ventilação.
51
A eficiência de ventilação define-se como a razão entre o caudal de ar novo que
efectivamente chega a zona ocupada de um dado espaço e o caudal de ar novo insuflado no
mesmo.
Nos casos de estratégia de circulação do ar por mistura há sempre algum ar insuflado que
é extraído sem que passe na proximidade dos ocupantes. Os valores para a eficiência de
ventilação de 60, 70, 80, 90 e 100 são descritos da seguinte forma:
- 60 %: nos casos em que a insuflação e a extracção sejam ambas feitas pelo tecto (Figura
34), ou junto deste e próximas entre si (situações em que o jacto de insuflação atinge o local
por onde é feita a extracção) e sem medidas especificas para reduzir o risco de curto-circuito
do ar entre elas;
- 70 %: nos casos que se enquadrem numa situação intermédia entre as descritas para
utilização dos valores de eficiência de 60 % e 80 %, por exemplo, quando apenas ocorre
curto-circuito relativamente a uma parte dos difusores;
- 80 %: nos espaços com boa estratégia de distribuição do ar insuflado, incluindo
situações com insuflação e extracção (ambas) no tecto ou junto deste (Figura 35), desde que
exista cumulativamente:
- Minimização de risco de curto-circuito, através da maximização da distância
insuflação-extracção, ou de estratégias que optimizem o percurso efectivo do
jacto de ar de insuflação na zona ocupada;
- Difusores de alta indução5, bem distribuídos;
- Extracção em “zonas mortas” do campo de escoamento;
- 90 %: situações em que a insuflação se faz numa junto ao pavimento e a extracção junto
ao tecto sem hipótese de curto circuito, ou outro tipo de insuflação em que a mistura é
excelente e se aproxima da eficiência de sistemas do tipo por deslocamento (“displacement”);
Nos casos de estratégia de circulação de ar por deslocamento, deve ser sempre
considerada uma eficiência de ventilação de 100 %, visto que a entrada é feita ao nível do
pavimento, na zona ocupada, mais frio que a temperatura da sala, a baixa velocidade. Ao
entrar em contacto com as fontes poluentes, aquece e sobe para formar uma camada
estratificada acima da zona ocupada. O ar poluído é extraído a partir da zona estratificada,
junto ao tecto. Na zona ocupada, o ar respirado pelos ocupantes está limpo e a temperatura
bastante uniforme, sendo por isso aceite uma eficiência de ventilação perto dos 100 % [19]. 5 Estes difusores são apelidos de rotacionais ou de alta indução tendo em conta o efeito de rotação que o ar por eles insuflado provoca no ar-ambiente.
52
Figura 34 - Exemplo de um sistema com eficiência de ventilação de 60% [20].
Figura 35 - Exemplo de um sistema com eficiência de ventilação de 80% [20].
53
4 Equipamentos de AVAC
O termo AVAC, vulgarmente utilizado na designação dos sistemas de climatização,
refere-se aos sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado.
Uma instalação de ar condicionado deve ser capaz de manter ao longo de todo o ano, a
temperatura desejada e um nível de humidade relativa aceitável. Deve também assegurar uma
pureza do ambiente adequada e simultaneamente manter a velocidade do ar nas zonas
ocupadas dentro dos limites requeridos para proporcionar condições de conforto aos
ocupantes.
O controlo da pureza e o movimento do ar não apresentam normalmente problemas, visto
que é suficiente estabelecer adequadamente o caudal de ar exterior que deve ser introduzido, o
tipo de filtros que deverão ser adequados e estudar o sistema de distribuição de ar no
ambiente.
Nos casos dos sistemas em que o caudal de ar insuflado no ambiente seja variável é, sem
dúvida, necessário prestar especial atenção porque em determinadas alturas, nomeadamente
sob condições de carga reduzida, a distribuição do ar na zona ocupada pode ser deficiente
devido à velocidade do ar em contacto com os ocupantes poder ser muito baixa, a diluição dos
contaminantes tornar-se insuficiente e, eventualmente o ruído variável pode tornar-se
incomodativo.
A manutenção da humidade relativa dentro dos limites aceitáveis pode ser conseguida
duma forma adequada desde que os efeitos da carga sensível e da carga latente sejam
controlados separadamente. Quando o processo de remoção da carga sensível e da carga
latente, é feito em simultâneo, como é exemplo o processo que ocorre numa bateria de
arrefecimento, surgem dificuldades no controlo da humidade relativa porque o funcionamento
da bateria é comandado normalmente pelo termóstato.
Um problema importante que também se coloca nas instalações de ar condicionado, é
conseguir manter as temperaturas dos diferentes ambientes dentro dos limites definidos no
projecto, problema que é especialmente complexo nos edifícios em que existam
simultaneamente determinadas zonas que necessitam de ser aquecidas e outras zonas que
necessitam de ser arrefecidas. Estas necessidades surgem devido às cargas térmicas de
aquecimento e de arrefecimento muitas das vezes evoluírem no tempo de forma diferente em
54
cada uma das zonas do edifício devido à influência da temperatura exterior, da radiação solar,
da ocupação e de outras causas. É neste âmbito que é importante estudar as características e
limitações dos diferentes tipos de sistemas de climatização.
Os sistemas de climatização podem ser classificados segundo o tipo de fluidos que se
emprega nos equipamentos terminais existentes nos ambientes condicionados para anular o
efeito das cargas térmicas latentes e sensíveis desses mesmos ambientes.
Deste modo, podem então ser definidos os seguintes sistemas de climatização:
- Sistemas Tudo Ar;
- Sistemas Tudo Água;
- Sistemas Água – Ar.
Os sistemas tudo ar consistem numa técnica de climatização em que a remoção da carga
térmica de diferentes zonas dum edifício é efectuada apenas pela distribuição de ar tratado nos
equipamentos dos sistemas individuais ou nos sistemas centralizados.
Nos locais técnicos centralizados existem normalmente unidades produtoras de água
quente (Chiller/ Bomba de calor e caldeiras) que asseguram a produção primária de frio e de
calor, utilizando fluidos refrigerantes e água, necessários nos equipamentos de tratamento de
ar (UTA). O ar depois de tratado é distribuído até aos locais condicionados onde, ao ser
insuflado no ambiente pelos dispositivos terminais, deve “varrer” adequadamente a zona
ocupada para que o efeito de carga térmica em jogo seja realmente anulado de uma forma
correcta. Na prática existem poucos sistemas verdadeiramente tudo ar.
Os sistemas tudo água consistem numa técnica de climatização em que se distribui pelos
equipamentos terminais existentes em cada ambiente unicamente água fria ou água quente em
função das necessidades de arrefecimento ou de aquecimento. Estes sistemas apresentam a
vantagem de necessitarem dum espaço reduzido para o circuito de tubagem de distribuição de
água aos diferentes locais.
As unidades terminais mais utilizadas para anular o efeito das cargas térmicas de
aquecimento e arrefecimento são os ventilo-convectores.
Nestes sistemas tudo água não existe um circuito de distribuição de ar novo pelos
espaços.
Nos sistemas água - ar, o condicionamento dos ambientes dos diferentes locais é feito
utilizando em simultâneo a distribuição de água e de ar.
O ar que se introduz mecanicamente nos locais é designado por ar primário e é
constituído normalmente apenas por ar novo que foi tratado centralmente numa unidade de
tratamento de ar.
55
A função principal deste ar primário consiste em assegurar as necessidades mínimas de
ventilação e o controlo da humidade relativa dos diferentes locais.
Uma outra classificação possível é relativa ao tipo de instalação do equipamento. Neste
âmbito, aparece a seguinte divisão quanto à localização dos equipamentos de produção de
calor e de frio inerentes aos sistemas:
- Sistemas individuais;
- Sistemas centralizados.
Nos sistemas individuais, os equipamentos de produção de calor ou de frio são
compactos, utilizam o sistema de expansão directa de um fluido refrigerante, servem apenas
um local e estão localizados próximos dos ambientes que climatizam.
Nos sistemas centralizados, os equipamentos de produção de frio e de calor estão
situados em local técnico distinto dos locais a climatizar. Estes sistemas podem servir vários
locais através da distribuição do fluido de transferência de energia (ar, água ou fluido
refrigerante) pelos equipamentos terminais em contacto directo com o ambiente dos locais
condicionados.
Existem inúmeros tipos de sistemas AVAC e formas de serem utilizados para controlar
as condições ambientais no interior dos edifícios. Em cada aplicação, o projectista deve pois
considerar as características de cada tipo de sistema e decidir qual a melhor solução a
escolher.
4.1 Métodos de expansão
Os métodos de expansão são classificados em dois tipos: (a) Directa; (b) Indirecta.
No método de expansão directa (Figura 36), a troca de calor é efectuada directamente
entre o ar ambiente e o fluido refrigerante, como é o caso dos sistemas multi-split de ar
condicionado e sistemas VRV.
56
Figura 36 - Método de expansão directa [21].
No método de expansão indirecta (Figura 37), a troca de calor com o ar ambiente é feita
indirectamente, ou seja, é feita por meio de outro refrigerante, como por exemplo, a água. O
sistema Chiller associado aos ventilo-convectores utiliza este tipo de expansão.
Figura 37 - Método de expansão indirecta [21].
4.2 Bomba de Calor
A bomba de calor funciona com base no circuito frigorífico (Figura 38). A bomba de
calor extrai energia térmica do ar ambiente exterior transferindo-o para o interior através de
um fluido frigorigéneo, esta transferência é efectuada através do compressor. O sistema
Fluxo de ar Circuito refrigerante
Ar Ambiente
Fluxo de água Fluxo de ar Ciclo de refrigeração
Unidade Ventilo-convector
Unidade de arrefecimento de água
57
possui dois permutadores de calor, um designado por evaporador (absorve calor) e o outro por
condensador (liberta calor).
Figura 38 - Circuito frigorífico [22].
Um circuito frigorífico é composto por 4 fases:
Fase 1 – O compressor comprime o refrigerante do sistema e é o núcleo duma unidade de
ar condicionado. Antes de passar pelo compressor, o refrigerante é um gás com baixa pressão.
Devido ao compressor, o gás ganha pressão, aquece e flui em direcção ao condensador.
Fase 2 – Ao chegar ao condensador o gás com alta temperatura e pressão liberta o calor
para o ar exterior e transforma-se num líquido arrefecido.
Fase 3 – O líquido que mantem uma pressão alta, passa por uma válvula de expansão,
que reduz a pressão do refrigerante. Assim, a temperatura desce e fica abaixo do espaço
refrigerado. Daqui resulta um líquido refrigerante de baixa pressão.
Fase 4 – O líquido refrigerante de baixa pressão flui até ao evaporador, onde o calor do ar
interior da divisão através dum processo de evaporação, torna-se mais uma vez num gás de
baixa pressão. O gás flui mais uma vez em direcção ao compressor e o ciclo recomeça.
Sem dúvida que a bomba de calor é uma tecnologia que em parte utiliza mais energia
térmica do ambiente que a energia eléctrica utilizada no seu funcionamento. Baseado nas
estatísticas da European Heat Pump Association (EHPA), um total de 2129929 unidades de
calor foram vendidas entre 2005 a 2009 na Europa EU-9 (Figura 39), e em 2008 um total de
1000 milhões de euros (Figura 40). Por isso a bomba de calor pode ser um importante meio
1- Compressor 2- Condensador 3- Válvula de expansão 4- Evaporador
58
para alcançar o objectivo europeu de realização dos três vinte em 2020, isto é, a redução de
20% nas emissões de gases efeitos de estufa, a contribuição de 20% das energias renováveis
no share do consumo final e o aumento de 20% de eficiência energética [23]. Convém, no
entanto, referir a necessidade de incentivar a substituição da tecnologia não eficiente existente
nas instalações já construídas. Para atingir esta meta a União Europeia tem-se esforçado para
criar tecnologias mais eficientes de iluminação, refrigeração e aquecimento de ambientes. A
rotulagem é uma forma de incentivar um consumo mais responsável do ponto de vista
ambiental.
Figura 39 - Unidades de bombas de calor vendidas entre 2005 à 2009 em 9 países europeus [24].
Figura 40 – Total de vendas por produto em 2008 em 9 países europeus [25].
59
4.3 VRV e Unidades Interiores
4.3.1 VRV (Volume de Refrigerante Variável)
O sistema VRV (volume6 de refrigerante variável), também conhecido como VRF (do
inglês: Variable Refrigerent Flow), é um sistema de expansão directa onde o fluxo do gás
refrigerante é variável. A unidade exterior é constituída por um permutador de calor e por um
compressor scrool (Anexo I) de velocidade variável, controlado por um variador electrónico
de velocidade ou inverter. Funciona como um sistema multi-split (Figura 41), com uma
unidade externa ligada a múltiplas unidades interiores, podendo chegar às 64 unidades
interiores.
As unidades interiores são ligadas à unidade exterior por uma conduta frigorífica,
composta por dois ou três tubos.
Figura 41 - Sistema VRV a dois tubos [26].
Conhecendo a potência necessária, a unidade exterior pode ser constituída por dois ou
mais elementos agrupados.
6 VRV termo geralmente utilizado por representantes das marcas de climatização em Portugal. Porém, o que varia é o fluxo e não o volume.
60
O maior inconveniente dos sistemas VRV é a possibilidade de ocorrer uma fuga do
fluido frigorigéneo no interior do edifício, pelo que deverá haver algum cuidado na execução
do projecto para evitar possíveis intoxicações dos ocupantes.
Os sistemas VRV mais sofisticados permitem o aquecimento e o arrefecimento em
simultâneo, exigindo mais um tubo, sendo denominado por sistemas VRV a três tubos (Figura
42). Estes sistemas permitem o controlo individual de cada local, com temperaturas precisas.
São sistemas reversíveis do modo de aquecimento ao modo de arrefecimento através de uma
válvula de quatro vias que inverte o sentido do ciclo frigorífico. O aquecimento de algumas
zonas e o arrefecimento de outras pode ser realizado através deste sistema. Um sistema VRV
a três tubos é vantajoso em edifícios em que os compartimentos se encontrem em fachadas
opostas, em que simultaneamente seja necessário efectuar o aquecimento e o arrefecimento,
como por exemplo, devido a diferentes cargas internas (ocupantes, equipamentos, iluminação)
e/ou ganhos solares.
Figura 42 - Sistema VRV a três tubos [27].
Em unidades hoteleiras de luxo onde a clientela é diversificada, é necessário assegurar
condições de absoluto conforto, sendo que estas podem variar consoante o cliente. A melhor
forma de responder a estas exigências passa pela aplicação de um sistema VRV a três tubos
(Anexo II).
De acordo com a análise da Building Services Research and Information Association
(BSRIA), a procura de equipamentos tecnologicamente avançados tem aumentado as vendas
dos equipamentos de climatização. O destaque vai para os sistemas VRVs, o segmento que
apresenta melhores resultados previstos com uma taxa de crescimento anual cerca de 9 %
entre 2007 a 2012 (Figura 43).
61
Figura 43 - Taxa média de crescimento anual de 2007 a 2012 [25].
4.4 Chiller e Ventilo-Convectores
4.4.1 Chiller
Os equipamentos para produção de frio são muitas vezes designados pelo termo inglês
‘Chiller’ (Figura 44). Estes equipamentos efectuam o arrefecimento do fluido térmico, através
da água ou do ar, pelo que se designam por Unidade Produtora de Água Refrigerada e
Unidade de Arrefecimento de Ar, respectivamente. A forma como é obtido o arrefecimento do
ar ou da água baseia-se num ciclo frigorífico que pode ser de compressão de vapor ou de
absorção7. Qualquer um destes dois ciclos trabalha num princípio comum - para retirar ou
fornecer calor a um fluido é necessário pô-lo em contacto com outro fluido a uma temperatura
mais baixa ou mais elevada. Utilizando um fluido num circuito fechado, ele terá que receber o
calor do fluido (ar ou água) que se pretende arrefecer a uma temperatura mais baixa e depois
lançá-lo para o exterior.
7 No ciclo de absorção, o compressor é substituído por um absorvedor que dissolve o refrigerante num líquido adequado, uma bomba que faz subir a pressão do líquido e por um gerador que, com adição de calor, afasta o vapor refrigerante do líquido a alta pressão. As combinações mais comuns são a de amónia como refrigerante e água como absorvente ou a de água como refrigerante e brometo de lítio como absorvente.
62
Figura 44 - Chiller com arrefecimento a ar [28].
4.4.2 Ventilo-Convector
Os ventilo-convectores (Figura 45) têm várias capacidades, entre os 3 e os 13 kW, e estas
unidades de conduta podem ser aplicados em tectos falsos. O caudal de ar varia entre os 500 e
os 1350 m³/h com uma pressão estática entre os 50 a 60 Pa.
Figura 45 - Ventilo-Convector para tecto falso [28].
63
A unidade de base tem 2 tubos, com um filtro de fibra acrílica, equipada com válvulas de
2 ou 3 vias. Pode ainda ser adicionado à unidade-base um aquecimento adicional de 4 tubos.
Existe uma larga variedade de escolha na selecção de unidades que possam ser
combinadas para cumprir determinados requisitos de volume sonoro e de níveis de capacidade
recorrendo a permutadores de calor de 3, 4 ou 6 fiadas, e a ventiladores centrífugos de hélices
frontais simples, duplos ou triplos. Do mesmo modo, a possibilidade de escolha de 3
velocidades no ventilador, permite aos utilizadores seleccionar a velocidade mais adequada.
Tipicamente, a níveis de ruído acústico é muito baixo, em parte, devido ao de apoios
vibratórios (potência sonora inferior a 36 dBA).
Podem ser controladas individualmente até quatro unidades ventilo-convectores através
da interface e de um controlo remoto, oferecendo uma selecção automática da velocidade do
ventilador dependente da diferença entre a temperatura de referência e real dos espaços.
Os permutadores de calor são construídos com tubos de cobre e alhetas de alumínio, por
ligação hidráulica e um filtro de ar lateral. A condensação gerada pelo permutador de calor e
pela válvula reguladora é recolhida por um tabuleiro de condensados colocado, no centro para
não interferir com o espaço necessário à instalação.
Todos os ventilo-convectores de 2 e 4 tubos foram criados para complementar a gama de
Chiller a água.
64
65
5 Caso de Estudo
O presente caso de estudo visa comparar dois sistemas de climatização diferentes para
um edifício em construção (Figura 46) destinado ao apoio da terceira idade e infantário, com
uma área de 2250 m2, no concelho de Sernancelhe.
Figura 46 – Edifício de apoio à 3ª idade e infantário.
Para efectuar a comparação, foram considerados dois sistemas, um sistema VRV a dois
tubos e um sistema Chiller/ Bomba de calor, ambos da marca Daikin.
Os dois sistemas considerados são constituídos da seguinte forma:
- Sistema VRV com as respectivas unidades interiores
- Sistema Chiller a produzir frio ou calor, sendo o aquecimento ou o arrefecimento dos
locais efectuado por ventilo-convectores.
Para os dois sistemas foi determinado o consumo anual, tendo em conta o perfil de
utilização e a influência das cargas internas e externas ao longo das horas do dia e dos meses
do ano.
66
Para comparação dos dois sistemas consideraram-se quatro soluções distintas, sendo que
a solução 1 e 3 refere-se ao dimensionamento normalmente utilizado, e a solução 2 e 4 refere-
-se à optimização da solução 1 e 3, conforme descrito a seguir:
Solução 1 – Chiller, de acordo com a potência total instalada;
Solução 2 – Chiller, utilizado de forma optimizada alimentando duas zonas distintas de
acordo com o perfil de utilização;
Solução 3 – VRV, de acordo a potência total instalada;
Solução 4 – VRV, ajustado ao pedido de potência.
5.1 Metodologia Utilizada
Elaborou-se um esquema (Figura 47) com a metodologia utilizada de uma forma
detalhada para uma melhor análise e compreensão deste caso de estudo, devido à enorme
quantidade de cálculos necessários a efectuar, de forma a determinar os equipamentos mais
adequados e eficientes para o edifício.
67
Determinar a temperatura média para a estação de aquecimento e arrefecimento
Definir o perfil de utilização do Edifício
Caudais mínimos de ar novo de acordo com o anexo VI do Decreto-Lei 79/2006
Cálculo das cargas internas do Edifício
Cálculo das potências de aquecimento e arrefecimento
Perdas e ganhos pelas paredes em contacto com o exterior
Iluminação
Actividade metabólica
Equipamentos
Cálculo dos ganhos e das perdas planas
Identificação da envolvente do Edifício
Perdas e ganhos pela laje em contacto com o exterior
Perdas e ganhos de um local aquecido para um local não aquecido
Cálculo dos ganhos e das perdas lineares
Perdas térmicas lineares através do pavimento
Perdas e ganhos pelos compartimentos contíguos da mesma habitação
Perdas de ligação entre a parede da fachada e cobertura
Cálculos do retorno do investimento
Figura 47 – Esquema metodológico.
68
5.1.1 Temperaturas Médias
Com o objectivo de determinar as potências de climatização de forma precisa, foi
necessário recorrer a base de dados do Solterm [29], onde se calculou as temperaturas médias
em cada hora ao longo do mês, que se apresentam na Tabela 37 e Figura 48 para o mês de
Janeiro, e Tabela 38 e Figura 49 para o mês de Julho, conseguindo obter temperaturas médias
a cada hora do dia.
Tabela 37 - Temperaturas médias de Janeiro [29].
Figura 48 - Temperaturas médias ao longo de um dia, para o mês de Janeiro8 [29].
Tabela 38 - Temperaturas médias de Julho [29].
8 Média da temperatura em cada hora de todos os dias do mês de Janeiro.
0
2
4
6
8
10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tem
pera
tura
(o C
)
Hora
Janeiro
Temperaturas médias de Janeiro Hora 00:00 1.00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 °C 4,6 4,4 4,1 3,9 3,7 3,5 3,3 3,1 3,3 4 5,2 6,8 Hora 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 °C 8,2 9,4 10,1 10,2 9,7 8,8 7,8 7 6,3 5,7 5,3 4,9
Temperaturas médias de Julho Hora 00:00 1.00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 °C 17,4 16,8 16,1 15,5 14,9 14,9 15,3 16,6 18,4 20,6 22,9 25,2 Hora 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 °C 27,2 28,8 29,7 29,9 29,4 28,2 26,5 24,3 22,1 20,5 19,2 18,2
69
Figura 49 - Temperaturas médias ao longo de um dia, para mês de Julho9 [29].
A Figura 50 apresenta temperaturas médias ao longo do ano para a zona de Sernancelhe,
que confirma os gráficos apresentados.
Figura 50 - Temperaturas médias diário ao longo do ano [2].
9 Média da temperatura em cada hora de todos os dias do mês de Julho.
0
5
10
15
20
25
30
35
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tem
pera
tura
(o C
)
Hora
Julho
0
5
10
15
20
25
Jane
iro
Fev
erei
ro
Mar
ço
Abr
il
Mai
o
Junh
o
Julh
o
Ago
sto
Set
embr
o
Out
ubro
Nov
embr
o
Dez
embr
o
Tem
pera
tura
(ºC
)
70
5.1.2 Caudais Individuais
A atribuição dos caudais individuais estão de acordo com o Anexo VI do Decreto-Lei
79/2006, como já foi referido na secção 2.3, Tabela 2. Em determinadas actividades são
apresentadas dois valores de caudal de ar novo, um por ocupante e outro por m2, de forma a
cumprir as taxas de ar novo, é considerado o valor mais restritivo, que conduz à situação mais
desfavorável, isto é, o maior valor de caudal de ar novo. Uma boa distribuição das grelhas de
ventilação nos compartimentos de forma a minimizar os curtos circuitos de ar, factor de
eficiência de ventilação considerado é de 0,8, referido na secção 3.3.
5.1.3 Iluminação
A iluminação é uma fonte de calor com algum peso significativo, sendo favorável na
estação de aquecimento porque minimiza a potência de aquecimento. O contrário não
acontece na estação de arrefecimento, necessitando de uma maior potência de arrefecimento
para remover os ganhos de calor devidos à iluminação. No cálculo de ganhos de calor
provocados pela iluminação definida em projecto, teve-se em conta o tipo de luminárias, e o
tempo de funcionamento para cada compartimento do edifício para o mês de Janeiro e para o
mês de Julho. A Tabela 39 apresenta valores de calor libertado de dois compartimentos do
edifício.
Tabela 39 – Calor libertado pela iluminação.
Compartimento Armaduras de iluminação instaladas Potência total (W) Calor libertado (W)
Quarto duplo 2 Downlights com duas lâmpadas de18 W, e uma
régua fluorescente de encastrar de 35 W. 2·(2·18)+35= 107 35,3
Sala de estar 6 Downlights com duas lâmpadas de 26 W. 6·(2·26)=312 103
5.1.4 Actividade Metabólica
Os ganhos de calor devido a actividade metabólica dos ocupantes foram seleccionados
com base na Tabela 4, secção 2.3.1.
71
5.1.5 Equipamentos
No cálculo do calor libertado pelos equipamentos, atribui-se uma densidade de 3 W/m2
sendo este edifício do considerado como Hotel de 3 ou menos estrelas (Tabela 40).
Tabela 40 - Valores de densidades [5].
Perfis variáveis de acordo com os valores das tabelas Densidades Ocupação quartos 10 m2/Ocupante Ocupação nas restantes áreas 10 m2/Ocupante Iluminação - - - - - - - - Equipamento 3 W/m2
5.1.6 Envolvente
Transmissão de Calor Através de Superfícies Planas 5.1.6.1
Para o cálculo da transmissão de calor através das envolventes tais como paredes
exteriores, lajes e paredes interiores, é necessário calcular as respectivas áreas e os
coeficientes de transmissão térmica como já foi referido anteriormente na secção 2.4.1.
Na Tabela 41 apresentam-se os elementos constituintes da parede exterior, a espessura a
condutividade térmica de cada elemento constituinte, e coeficiente de transmissão térmica da
parede. Alguns valores de condutividade térmica e resistência térmica foram retirados do ITE
50 do LNEC.
Tabela 41 - Cálculo do coeficiente de transmissão térmica da parede exterior.
Par
ede
exte
rior
Camada constituinte e
(m) λ
(W/(m·oC)) R
(m2·oC/W) U
(W/ (m2·oC))
Reboco 0,02 1,3 0,02
0,48
Tijolo 15 0,15 0,385 0,39
EPS(15kg/m3) 0,04 0,042 1,0
CX ar não ventilada 0,04 -- --
Tijolo 20 0,20 0,385 0,52
Reboco 0,02 1,3 0,0154
Total 0,47 -- 1,94
Rse (Local não aquecido) -- -- 0,04 Rsi -- -- 0,13
Na Tabela 42 apresentam-se os elementos constituintes da laje de tecto em contacto com
o exterior. Alguns dos valores foram retirados do ITE 11 do LNEC.
72
Tabela 42 - Cálculo do coeficiente de transmissão térmica da laje de tecto. L
aje
de t
ecto
em
con
tact
o co
m o
ext
erio
r
Camada constituinte e
(m) λ
(W/(m·C)) R
(m2·oC/W) U
(W/(m2·oC))
Reboco 0,02 1,3 0,02
0,38
Pavimento Simples <30 0,3 1,25 0,24
Betão Armado 0,05 2,3 0,02
Tela (membrana flexível) 0,05 0,23 0,22
XPS (esp>2,5) 0,06 0,037 1,62
Tela 0,05 0,23 0,22
Brita, Seixo 0,12 2 0,06
Total 0,65 -- 2,40
Descendente -- -- 0,17
Ascendente -- -- 0,10
A Tabela 43 apresenta os elementos constituintes da parede interior do edifício, em que o
valor de coeficiente de transmissão térmica, U, é de 2,4 W/(m2·ºC)).
Tabela 43 - Cálculo do coeficiente de transmissão térmica da parede interior.
Par
ede
Inte
rior
Camada constituinte e
(m) λ
(W/(m·C)) R
(m2·oC/W) U
(W/(m2·oC))
Reboco 0,02 1,3 0,02
2,4
Tijolo furado de 15 0,15 0,385 0,39
Reboco 0,02 1,3 0,02
Total 0,19 -- 0,43
Para o cálculo de transferências de calor através das paredes que separam um local
aquecido de um local não aquecido, Qlna, para além do coeficiente de transmissão térmica da
parede interior, é necessário o cálculo de τ, utilizando a equação (15), tem-se:
� = ,�f1�,�f3 = 0,6.
Com o valor de τ encontrada, determina-se a transferência de calor através da equação
(13).
Transmissões Térmicas Lineares 5.1.6.2
Para o cálculo das transferências de calor por metro linear é necessário identificar o tipo
de construção do edifício. Nas Figuras 51 a) b) c) apresentam o tipo de construção, onde se
mostram os coeficientes de transmissão térmicas lineares. A Figura 51 a) identifica um
73
pavimento que se encontra em contacto com o solo, e isolante na caixa-de-ar com paredes
duplas, a Figura 51 b) apresenta pontes térmicas entre dois espaços interiores e paredes duplas
com isolamento e caixa-de-ar, a Figura 51 c) apresenta a ponte térmica dum espaço interior
para um desvão não ventilado.
Figura 51 - Pontes térmicas lineares: a) Pavimento em contacto com o solo; b) Laje entre dois espaços interiores; c) Desvão não ventilado.
Na Tabela 44 apresentam-se valores de coeficiente de transmissão térmica linear, Ψ, em
função da diferença de nível, Z, entre a face superior do pavimento e a cota do terreno
exterior, e da espessura do pavimento. Para o presente edifício com nível superior a 0,4 m e
uma espessura de laje superior a 0,15 m tem-se um coeficiente de transmissão térmica de 0,6.
Tabela 44 - Valores de ψ, pavimento em contacto com o solo.
Z (m) ep (m)
0,15 0,20 > 0,25 0 a 0,40 0,45 0,50 0,60 > 0,40 0,60 0,70 0,80
Na Tabela 45 apresentam-se valores de Ψ, para paredes duplas com isolante na caixa-de-
ar em função da espessura do pavimento e da espessura da parede. Com base no presente
edifício ser constituído por um pavimento com espessura de 0,4 m, e uma parede de 0,35m
tem-se um coeficiente de transmissão térmica de 0,3.
a) b) c)
74
Tabela 45 - Valores de ψ, ponte térmica de laje entre dois espaços interiores.
em (m) ep (m)
0,15 0,20 0,25 >0,35 > 0,30 0,15 0,20 0,25 0,30
A Tabela 46 apresenta valores de Ψ, para ligação da fachada com cobertura inclinada,
com isolamento repartido na caixa-de-ar e isolamento pelo exterior da cobertura, em função
da espessura da laje. A laje construída no edifício possui uma espessura de 0,35 m, o que dá
um coeficiente de transmissão térmica linear de 0,75.
Tabela 46 – Valores de ψ para a ponte térmica do desvão não ventilado.
ep (m) 0,15 0,20 0,25 >0,35 ψ 0,50 0,60 0,70 0,75
5.1.7 Potência de Aquecimento
Para o cálculo da potência de aquecimento para a estação de Inverno, aplicaram-se os
factores de cálculo da Tabela 47, considerando 20 °C como temperatura de referência de
conforto para a estação de aquecimento. O cálculo teve em conta as cargas térmicas
favoráveis, sendo estas ganhos de calor gratuitos, e as cargas térmicas desfavoráveis. É
necessária a compensação destas perdas, a cada hora. Ou seja:
Tabela 47 - Factores para cálculo de potência de aquecimento.
Potência de base � ⩒ · ρ · #� · �θ& � θ�� Carga térmica por insuflação
Transmissão de calor térmico desfavorável.
Qp.ext = U·A· (θi – θatm) Paredes exteriores Qlaje = U·A·(θi – θatm) Laje
� � m�FN ·��pa�(�LaL
� .0a
Janela
Qlna= U·A·(θi – θlna) Parede de local não aquecido Qpt =Lpt· (θi – θatm) Fachada com pavimento térreo Qpt =Lpt· (θi – θatm) Fachada com cobertura
Transmissão de calor térmico favorável.
P=Pilum.· 0,33 Iluminação De acordo com a actividade da Tabela 3 Metabolismo 3 W/m2 Equipamento
A Figura 52 apresenta as potências necessárias para aquecimento do edifício num dia
típico da estação de inverno.
75
Figura 52 - Potência de aquecimento necessária ao longo de um dia.
5.1.8 Potência de Arrefecimento
Para o cálculo da potência de arrefecimento para a estação de Verão, aplicaram-se os
factores da Tabela 48, considerando 25 °C como temperatura de referência para esta estação,
e 50 % de humidade relativa. Nesta situação existem apenas cargas térmicas desfavoráveis,
exigindo que estas sejam removidas.
Tabela 48 - Factores para cálculo de potência de arrefecimento.
Potência de base � ⩒·ρ · #� · �θ� � θ�� Carga térmica por insuflação Transmissão de calor térmico desfavorável.
Qp.ext =U·A· (θi – θatm) Paredes exteriores Qlaje = U·A·(θi – θatm) Laje
� ���xya ·�(�LaL
�a
Janela
Qlna= U·A· (θi – θlna) Parede de local não aquecido Qpt =Lpt·(θi – θatm) Fachada com pavimento térreo Qpt =Lpt·(θi – θatm) Fachada com cobertura P=Pilum.·0,33 Iluminação
De acordo com a actividade da Tabela 3
Metabolismo
3 W/m2 Equipamento
A Figura 53 apresenta as potências necessárias para arrefecimento do edifício num dia
típico da estação de verão.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Pot
ênci
a
(kW
)
Hora
76
Figura 53 - Potência de arrefecimento necessária ao longo de um dia.
5.1.9 Potências de Cálculo
Na Tabela 49, apresentam-se as potências máximas de aquecimento e de arrefecimento
nas horas de maior consumo do edifício.
Tabela 49 – Potências de aquecimento e arrefecimento de projecto.
Potência de aquecimento Potência de arrefecimento 73 kW 47 kW
A potência total instalada é o somatório dos equipamentos de cada compartimento de
acordo com as necessidades de aquecimento ou arrefecimento. Na Tabela 50 verifica-se que a
potência instalada referente ao sistema VRV, é ligeiramente superior ao sistema Chiller
devido às unidades interiores terem uma potência ligeiramente superior aos ventilo-
convectores.
Tabela 50 – Potências instaladas dos sistemas.
Sistema Potência instalada (kW)
Arrefecimento Aquecimento VRV 168,2 190,8
Chiller/B.C 142,6 188,1
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Pot
ênci
a (
kW)
Hora
77
No consumo energético é necessário ter em atenção os rendimentos das máquinas em
função da carga, das temperaturas exteriores e das temperaturas interiores de referência, para
as estações de Inverno e de Verão. Utilizou-se uma aplicação da Daikin10 para o cálculo da
temperatura de bolbo húmido, devido às fichas técnicas dos equipamentos para a estação de
arrefecimento se referirem à temperatura de bolbo húmido.
Na Figura 54 apresentam-se os resultados da temperatura do bolbo húmido, com a
introdução dos dados da temperatura seca de 25 °C e 51,4 % de humidade relativa.
Figura 54 - Cálculo da humidade relativa de 50 %, 25 °C bolbo seco.
Para uma melhor visualização sobre as eficiências e as potências consumidas em função
das variáveis mencionadas das máquinas VRV, apresentam-se as Figuras 55, 56, 57 e 58,
elaboradas em MATLAB.
10 Psychrometrics Moist air.
78
Figura 55 - COP, VRV (RXYQ 10) em modo de aquecimento (Fonte: Daikin Portugal).
Figura 56 - EER, VRV (RXYQ 12) em modo de arrefecimento (Fonte: Daikin Portugal).
5055
6065
7075
8085
9095
100
-20
-15
-10
-5
0
5
10
152
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
X: 90
Y: -9.8
Z: 2.716
Carga %Temperatura exterior ºC
CO
P
5055
6065
7075
8085
9095
100
10
15
20
25
30
35
40
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
Carga %
X: 100
Y: 39
Z: 3.171Temperatura exterior ºC
EE
R
79
Figura 57 - Potência absorvida, VRV em modo de arrefecimento (RXYQ 8) (Fonte: Daikin Portugal).
Figura 58 - Potência absorvida, VRV em modo de aquecimento (RXYQ 8) (Fonte: Daikin Portugal).
Na utilização do Chiller no modo de arrefecimento, o diferencial térmico entre a ida e o
retorno pode variar entre 3 e 8 °C. Normalmente utiliza-se o valor de 5 °C. O mais comum e
usado na maior parte dos casos, e de acordo com os testes da Eurovent, é 7 °C na saída, com
diferencial de 5 °C, ou seja, 12 °C no retorno, mas podem usar-se outras temperaturas. É de
5055
6065
7075
8085
9095
100
10
15
20
25
30
35
40
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
Carga %
X: 60
Y: 25
Z: 1.84
Temperatura exterior ºC
Pow
er
Input
(kW
)
50
60
70
80
90
100
-20-15-10-5
051015
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
Carga %
X: 70
Y: -16.7
Z: 6.76
Temperatura exterior ºC
Po
we
r In
pu
t (k
W)
80
referir que abaixo de 4 °C na ida, deve adicionar-se anticongelante à água. Na situação de
aquecimento o diferencial térmico é 45 °C na ida e 40 °C no retorno [18]. As Figuras 59 e 60
apresentam as potências absorvidas em função da temperatura ambiente e da temperatura à
saída do evaporador, em modo de arrefecimento e de aquecimento, respectivamente.
Figura 59 - Potência absorvida, Chiller em modo de arrefecimento (EWYQ 80) (Fonte: Daikin Portugal).
Figura 60 - Potência absorvida, Chiller em modo de aquecimento (EWYQ 80) (Fonte: Daikin Portugal).
As Figuras 61 e 62 apresentam as potências activas absorvidas a cada hora, na estação de
aquecimento e arrefecimento, para cada solução. As Figuras 63 e 64 apresentam a energia
consumida ao longo do dia de cada estação.
20
25
30
35
40
-10
-5
0
5
10
15
20
10
20
30
40
Temperatura ambiente (ºC)
X: 25
Y: 7
Z: 22.3
Temperatura à saída do evaporador (LWE)
Potê
ncia
absorv
ida (
kW
)
-50
510
1520
25
2530
3540
455020
25
30
35
Temperatura ambiente (ºC)Temperatura à saída do evaporador (ºC)
Potê
ncia
absorv
ida (
kW
)
81
Figura 61 - Potência activa absorvida em modo de aquecimento ao longo de um dia.
Figura 62 - Potência activa absorvida em modo de arrefecimento ao longo de um dia.
4,0
9,0
14,0
19,0
24,0
29,0
34,0
39,0
44,0
49,0
00:0
0
01:0
0
02:0
0
03:0
0
04:0
0
05:0
0
06:0
0
07:0
0
08:0
0
09:0
0
10:0
0
11:0
0
12:0
0
13:0
0
14:0
0
15:0
0
16:0
0
17:0
0
18:0
0
19:0
0
20:0
0
21:0
0
22:0
0
23:0
0
Pot
ênci
a A
ctiv
a (k
W)
Solução 1 - Chiller
Solução 2 - Chiller
Solucão 3 - VRV
Solução 4 - VRV
4
9
14
19
24
29
34
39
44
49
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:0
0
11:0
0
12:0
0
13:0
0
14:0
0
15:0
0
16:0
0
17:0
0
18:0
0
19:0
0
20:0
0
21:0
0
22:0
0
23:0
0
Pot
ênci
a A
ctiv
a (k
W)
Solução 1 - ChillerSolução 2 - ChillerSolução 3 - VRVSolução 4 - VRV
82
Figura 63 - Energia activa consumida durante um dia representativo da estação de aquecimento.
Figura 64 - Energia activa consumida durante um dia representativo da estação de arrefecimento.
0
100
200
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0
Ene
rgia
(kW
h)
Solução 1 - Chiller
Solução 2 - Chiller
Solução 3 - VRV
Solução 4 - VRV
0
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0
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0
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0
20:0
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0
22:0
0
23:0
0
Ene
rgia
(kW
h)
Solução 1 - Chiller
Solução 2 - Chiller
Solução 3 - VRV
Solução 4 - VRV
83
5.1.10 Cálculo dos Custos
Os custos de energia dependem do tipo de contrato. Para uma análise mais rigorosa e
realista, os custos de energia foram calculados para dois tipos de contractos, um contrato em
baixa tensão especial (BTE), e um contrato em média tensão (MT), ambos em ciclo semanal e
tarifas longas utilizações. A elaboração dos cálculos é efectuada para as quatro soluções em
estudo (Tabela 51).
Tabela 51 – Custos anuais de energia para as diferentes soluções analizadas.
Sistema / Solução
Tarifa Aquecimento Arrefecimento
Custo da Energia (€)
Valor percentual (%)
Custo da Energia (€)
Valor percentual (%)
Solução 1 BTE 30758,09 € 100% 15153,38 € 100%
MT 20229,52 € 65,8% 10866,34 € 71,7%
Solução 2 BTE 22510,17 € 73,2% 8616,05 € 56,9%
MT 14732,99 € 47,9% 6380,22 € 42,1%
Solução 3 BTE 19640,64 € 63,9% 6838,21 € 45,1%
MT 13214,54 € 42,9% 5012,92 € 33,1%
Solução 4 BTE 17876,82 € 58,1% 5908,36 € 39,0%
MT 11984,17 € 38,9% 4342,57 € 28,7%
Na Figura 65 mostram-se os custos anuais de cada solução de acordo com os dois tipos
de contrato Baixa Tensão Especial e Média Tensão.
Figura 65 - Custos anuais de energia em BTE e MT.
0 €
5.000 €
10.000 €
15.000 €
20.000 €
25.000 €
30.000 €
35.000 €
40.000 €
45.000 €
50.000 €
Solução 1 Solução 2 Solução 3 Solução 4
BTE
MT
84
Pela análise das tabelas anteriores verifica-se que não é vantajoso elaborar um contrato
em BTE. Para elaboração do contrato em MT é necessário a compra de um posto de
transformação. O investimento de um posto de transformação do tipo aéreo de 160 kVA é de
cerca de 12.000 €. Acaba por justificar em qualquer uma das situações anteriores, elaborar um
contrato em MT.
Na Tabela 52 apresentam-se os custos de aquisição dos equipamentos que foram
fornecidos pelo representante da marca, e os custos de manutenção facultados pelo instalador,
de acordo com a legislação em vigor, obriga ao controlo periódico de detecção de fugas [30],
não incluem custos de instalação.
Os custos de manutenção do Chiller/Bomba de Calor são o dobro do sistema VRV. A
manutenção do sistema Chiller/Bomba de Calor obriga a duas visitas anuais devido à carga do
gás do compressor ultrapassar os 30 kg, enquanto no sistema VRV a carga varia entre 6 a 12
kg consoante a potência do VRV.
Tabela 52 - Custos de aquisição, manutenção e energéticos para as soluções analisadas.
Solução Custos
Solução 1
Aquisição 48.240,00 € Manutenção anual 960,00 €/ano
Consumo de energia BTE 45911,47 €/ano MT 31095,86 €/ano
Solução 2
Aquisição 33.236,30 € Manutenção anual 480,00 €/ano
Consumo de energia BTE 31126,22 €/ano MT 21113,21 €/ano
Solução 3
Aquisição 91597,50 € Manutenção anual 240,00 €/ano
Consumo de energia BTE 26478,85 €/ano MT 18227,46 €/ano
Solução 4
Aquisição 88.533,80 € Manutenção anual 240,00 €/ano
Consumo de energia BTE 23785,18 €/ano MT 16326,74 €/ano
5.1.11 Tempo de Retorno do Investimento
A viabilidade económica das medidas de eficiência energética é calculada através do
parâmetro «período de retorno simples» (PRS) [5], definida pela equação (29):
BCD = E\O�
,
(29)
85
em que:
Ca : custo adicional de investimento, calculado pela diferença entre o custo inicial da
solução base, isto é, sem a alternativa de maior eficiência energética, e o da solução mais
eficiente, estimada aquando da construção do sistema, com base na melhor informação
técnica e orçamental;
P1 : poupança anual resultante da aplicação da alternativa mais eficiente, estimada com
base em simulações anuais, detalhadas ou simplificadas do funcionamento do edifício e seus
sistemas energéticos, conforme aplicável em função da tipologia e área útil do edifício, da
situação base e da situação com a solução mais eficiente.
Esta metodologia avalia a situação de custos de energia constantes e iguais aos do
momento do investimento e não considera quaisquer custos financeiros nem efeitos da
inflação, dada a incerteza inerente à previsão de quaisquer dos parâmetros financeiros
necessários à sua consideração numa outra metodologia, porventura mais precisa, mas
também necessariamente mais complexa.
Quando várias soluções energeticamente mais eficientes possam ser analisadas em
sucessão, conforme vários graus de aumento de eficiência possam ser aplicados, deve-se
aplicar o modelo de modo a identificar um eventual ponto em que o PRS mude de valor
menor para valor maior do que o critério regulamentarmente imposto para obrigatoriedade de
implementação da medida mais eficiente.
O período de retorno simples da Tabela 53 compara o valor adicional de um sistema de
VRV em relação ao sistema Chiller/Bomba de Calor, e a poupança energética do sistema de
VRV em relação ao sistema Chiller/Bomba de Calor.
Tabela 53 - Período de retorno em anos.
Período de retorno (Anos)
MT BTE
Solução 1 versus solução 3 3,3 2,2
Solução 1 versus solução 4 2,7 1,8
Solução 2 versus solução 4 11,4 7,5
Em regra, as depreciações e amortizações são calculadas pelo método das quotas
constantes, tendo presente o período de vida útil máximo e mínimo do bem, tendo em conta o
sector em que é utilizado e ainda as condições da sua utilização.
86
A vida útil dos equipamentos de ar condicionado foi considerada em função da tabela de
amortizações, em que a amortização para estes equipamentos é de 12,5 % [31], o que equivale
a 8 anos (1/0,125 anos).
Para períodos de retorno superiores a 8 anos, é necessário uma boa ponderação do
investimento, por partes das pessoas colectivas, não podendo amortizar nos anos seguintes.
As Figuras 66 e 67 apresentam os custos totais de cada solução, sendo estes custos
constituídos por: custo do sistema adicionado do custo de manutenção e do consumo
energético ao longo dos anos, em Média Tensão e Baixa Tensão Especial.
Figura 66 - Custos dos sistemas e custos anuais em MT.
0 €
50.000 €
100.000 €
150.000 €
200.000 €
250.000 €
300.000 €
350.000 €
400.000 €
450.000 €
500.000 €
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Anos
Solução 1 - Chiller
Solução 2 - Chiller
Solução 3 - VRV
Solução 4 - VRV
MT
87
Figura 67 - Custos dos sistemas e custos anuais em BTE.
Verifica-se que em ambas figuras a solução 2 apresenta os custos mais baixos devido a
aquisição inicial do material. Na realização de um contrato em MT os custos igualam-se ao
fim de 11,4 anos. Enquanto no contrato em BTE os custos da solução 2 e da solução 4
igualam-se ao fim de 7,5 anos antes do fim da vida útil do equipamento. A vida útil do
equipamento pode ser prolongada devido a um boa manutenção. A solução 2 no contrato de
MT é mais vantajosa para o perfil de utilização do edifício, se houver alteração ao perfil, vai
existir zonas de desconforto.
0 €
50.000 €
100.000 €
150.000 €
200.000 €
250.000 €
300.000 €
350.000 €
400.000 €
450.000 €
500.000 €
550.000 €
600.000 €
650.000 €
700.000 €
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Solução 1 - Chiller
Solução 2 - Chiller
Solução 3 - VRV
Solução 4 - VRV
BTE
88
89
6 Conclusão
O conforto térmico é uma exigência cada vez maior do ser humano, sendo, em parte,
garantido através de sistemas de climatização ou AVAC. Devido à sua relevância em termos
de investimento inicial e de custos de funcionamento (consumo energético), é muito
importante que os sistemas de AVAC sejam bem seleccionados e dimensionados. De uma
forma geral, os equipamentos sobredimensionados conduzem a um maior investimento e
operam com rendimentos inferiores, sendo desejável evitar, sempre que possível, tais
soluções.
Em particular, demonstrou-se que quando se pretende decidir entre um sistema VRV ou
Chiller/Bomba de Calor, é necessário efectuar-se um rigoroso dimensionamento e uma
minuciosa análise de todos os aspectos técnicos e económicos por forma a garantir a selecção
da melhor solução em termos de relação custo-benefício. Neste processo, é necessário o
conhecimento de todas as especificidades do sistema que se pretende instalar e do edifício
onde este será instalado, sendo necessário conhecer a sua zona geográfica, orientação,
elementos constituintes da construção, actividades realizadas no seu interior, bem como os
encargos de operação e manutenção dos equipamentos AVAC, e os respectivos custos
energéticos. De facto, há necessidade de conhecer os factores que influenciam as potências
necessárias para aquecimento e arrefecimento, que dependem das cargas internas e externas.
As cargas internas dependem da transmissão de calor pelas envolventes, vãos envidraçados,
tendo um peso significativo no cálculo das potências de climatização. As cargas internas são
devidas, por exemplo, ao calor libertado por ocupantes, equipamentos eléctricos e iluminação,
e devem ser calculadas de acordo com o perfil de utilização que depende do número de
ocupantes, da hora e do local. Só com o cálculo destes factores e o perfil de utilização é que se
pode ter a noção real das necessidades de aquecimento e arrefecimento totais do edifício, que
constituem um dado essencial na selecção das tecnologias de climatização mais adequadas.
Em geral, é necessário ter em atenção três factores determinantes nos equipamentos:
rendimento, preço e vida útil. Assim, no processo de selecção e dimensionamento, devem-se
ponderar os custos de aquisição dos equipamentos e da energia consumida ao longo da vida
útil.
90
Na prática, é quase sempre possível apresentar situações em que um dado sistema de
AVAC é economicamente mais viável, sem prejuízo do cumprimento dos requisitos de
conforto térmico dos edifícios.
Conforme se mostrou no caso de estudo analisado, a escolha de um sistema de
climatização para um determinado edifício, não é efectuada de forma linear. Nos dias de hoje
é prática comum orçamentar as unidades exteriores de acordo com a potência total instalada,
sem ter em conta os custos de operação e os custos relativos ao consumo de energia. Na maior
parte das situações, tem-se optado por equipamentos mais baratos mas menos eficientes e, na
maioria dos casos, sobredimensionados. De facto, com base na prática comummente
utilizadas no dimensionamento deste tipo de equipamentos, é muito frequente resultarem
sobredimensionamentos.
Na escolha de uma ou outra tecnologia, é necessário ter em conta a sua vida útil e o
tempo de retorno do investimento adicional na mais eficiente (logo, em princípio, mais cara),
não podendo ser tomada uma decisão sem conhecimento prévio da potência eléctrica da
instalação e da tarifa a ser contratada, que influenciará os custos de energia ao longo da vida
útil. Por exemplo, o custo inicial de um sistema Chiller é inferior ao de um sistema VRV, mas
este último é mais eficiente, tendo por isso um menor custo de funcionamento.
Uma das principais conclusões é que a optimização de ambos os sistemas considerados
neste caso de estudo conduz a uma redução significativa do consumo energético e do custo
inicial. Porém, no caso de optimizar o Chiller, é necessário manter o perfil de utilização e,
caso este se altere, alteram também as condições de climatização, sendo necessário realizar
adaptações que implicam custos, o que constitui uma desvantagem desta solução. Devido à
sua flexibilidade em termos de funcionamento, o sistema VRV adapta-se facilmente a
alterações no perfil de utilização, sem necessidade de alterar o sistema. A optimização do
sistema VRV importa um menor custo de energia do que o sistema VRV por optimizar,
garantindo as mesmas condições de conforto.
Refira-se que o custo de aquisição do sistema VRV optimizado em relação ao Chiller é
superior em 45,5 % e em relação ao sistema Chiller optimizado é superior em 62,4 %.
Porém, o custo de energia de um contrato em BTE para o sistema VRV optimizado, em
relação ao Chiller é inferior em 48,2 %, e em relação ao Chiller optimizado é inferior em 23,6
%.
Para um contrato em MT, o custo de energia para o sistema VRV optimizado em relação
ao Chiller é inferior em 47,5 %, e em relação ao Chiller optimizado é inferior em 22,7 %.
91
Embora o tempo de amortização considerado seja tipicamente de 8 anos, através de uma
boa manutenção, o tempo de vida útil pode ser prolongado por mais 3,5 anos, tornando-se o
sistema VRV mais económico do ponto de vista do custo de ciclo de vida para o contrato em
MT.
Apesar do custo de aquisição do VRV optimizado ser superior ao Chiller e à optimização
do mesmo, tendo em conta a vida útil do equipamento, a optimização do sistema VRV é a
solução técnico-económica mais adequada para o edifício, pois garante um menor consumo de
energia, e melhores condições de conforto em caso de alteração do perfil de utilização.
92
93
Referências
[1] Concurso Padre Himalaya, Guia da Energia Solar, página web, www.cienciaviva.pt/rede/energia /himalaya2005/home/guia2.pdf, 2010.
[2] Solar Irradiation Data, página web, http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/radmonth.php? 2010.
[3] Ashrae Handbook, Fundamentals, Fenestration, American Society for Heating, refrigerating, and Air-conditioning Engineers, Atlanta, 2001.
[4] Ashrae Handbook, Fundamentals, Thermal Comfort, American Society for Heating, Refrigerating, and Air-conditioning Engineers, Atlanta, 2001.
[5] Decreto-Lei nº 79/2006 de 4 de Abril, Aprova o Regulamento dos Sistemas energéticos de Climatização em Edifícios.
[6] Catálogo Philips, Tabela de Preços de Lâmpadas e Equipamentos, pág. 50, 54, 144,148, Maio de 2011.
[7] Ashrae Handbook, Fundamentals, Nonresidential Cooling and Heating Load Calculation Procedures, American Society for Heating, Refrigerating, and Air-conditioning Engineers, Atlanta, 2001.
[8] Manual Técnico de Gestão de Energia, Iluminação - Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade de Coimbra.
[9] Donald L. Paiva, Introduction to Spectroscopy, Brooks/Cole, 2009.
[10] Catálogo Philips, Tabela de Preços de Lâmpadas e Equipamentos, pág. 32, Abril de 2010.
[11] Gilsée Ivan Regis Filho, Dr. e Colaboradores, Ergonomia Aplicada à Odontologia, Elementos e Conceitos Básicos de Organização dos Equipamentos Odontológicos, Editora Maio, 2004.
[12] Philips sense and simplicity, página web, http://www.philipslumileds.com/technology /quality- white-light, 2010.
[13] IEC 60034 for induction motors, 30/2008.
[14] António Moret Rodrigues, António Canha da Piedade, Ana Marta Braga, Térmica de Edifícios, Ganhos Internos, Edições Orion, Março de 2009.
[15] Processos de Transmissão de Calor, página web, http://wiki.sj.ifsc.edu.br/wiki/images/c/c6/ Transmissao_de_Calor_em_Edificacoes.pdf, 2010.
[16] Decreto-Lei nº 80/2006 de 4 de Abril, Aprova o Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios.
[17] Ashrae Handbook, Fundamentals, Thermodynamics and Refrigeration Cycles, American Society for Heating, Refrigerating, and Air-conditioning Engineers, Atlanta, 2001.
[18] Eurovent Certification, Liquid Chilling Packages and Heat Pumps, página web, http://www.eurovent-certification.com/en/ Certification Programmes/, 2010.
[19] ADENE, Agência para a Energia, página web, http:// www.adene.pt/pt-pt/form/ RCCTE/PRRSECE_QAI_20052011.pdf, 2011.
[20] Formação de Peritos Qualificados do SCE – Módulo de Certificação RCESE – Certificação Energética e Ar Interior de Edifício, 2008.
94
[21] Daikin, Classification of air conditioners, Service Manual, Air Conditioning and Refrigeration Equipment.
[22] Daikin, página web, http://www.daikin.pt/faq/items/refrigerant-cycle.jsp, 2010.
[23] Parlamento Europeu, Relatório 26 de Setembro de 2008, página web, http://www.europarl. europa.eu / sides, 2011.
[24] European Heat Pump Association, página web, http://www.ehpa.org/fileadmin/red/Heat _Pump_Statistics /2010_EHPA_Outlook_executive_summary.pdf, 2011.
[25] Building Services Research and Information Association, página web, http://www.bsria.co.uk/ news/global-air-conditioning-sales-reach-us70-billion-in-2008, 2011.
[26] Daikin, VRV Catalogue, página 35. [27] Catalogue Daikin, Systèmes VRV, Chauffage Climatisation Récuperation d’ Énergie Ventilation,
Avril 2010.
[28] Daikin, Industrial Catalogue, páginas 31, 129, (2010).
[29] INETI , Solterm, Software de análise e pré-dimensionamento de sistemas solares térmicos e fotovoltaicos.
[30] Controlo periódico de detecção de fugas, nº 2 do art.º 3.º do Regulamento CE – 842/2006.
[31] Decreto Regulamentar 25/2009 de 14 de Setembro de 2009 – Tabela 2, Grupo III.
95
Anexos
Anexo I – Compressor Scrool
96
97
Anexo II – Sistema VRV a Três Tubos
DefiniçaodeumsistemaVRF
Um sistema de ar condicionado VRV (Volume de refrigerante variável, Figura 1) utiliza
uma unidade interior (evaporador em arrefecimento, condensador em aquecimento) para cada
local. Estas unidades são alimentadas directamente pelo fluido frigorigéneo. A carga é
detectada por estas unidades, válvulas de expansão electrónica que injectam a quantidade
correcta de fluido refrigerante para atender às necessidades. Permite evitar arranques bruscos
dos motores (ligar e desligar o compressor), de modo a reduzir o consumo de electricidade.
As unidades de interiores estão ligadas à unidade exterior por uma conduta frigorífica
composta por dois ou três tubos. As canalizações frigoríficas podem ter várias dezenas de
metros de comprimento, e diferenças de altura significativa de até 15 andares de altura. Em
princípio, pode-se conectar cada unidade exterior a múltiplas unidades interiores até 16 ou 32
de acordo com alguns fabricantes.
A climatização do ar utilizando um sistema VRV é cada vez mais escolhido devido a
poupança de energia oferecida por este sistema. As canalizações de ar e de água da
climatização tradicional podem ser evitadas, os tubos de refrigeração são de pequeno diâmetro
e os de fornecimento de ar será limitado ao ar novo. Além disso, estes sistemas permitem o
controlo individual de cada local fornecendo temperaturas precisas.
Estes sistemas são reversíveis do modo de arrefecimento para o modo de aquecimento
através de uma válvula de quatro vias, que inverte o sentido do refrigerante. O aquecimento
de certas zonas o e arrefecimento de outras pode ser realizado por este sistema. Neste caso,
pode-se dizer que o calor ou o frio são transferidos no edifício ao invés de serem evacuados.
98
Figura 1 – Sistema VRV a três tubos, esquema principal.
Os inconvenientes de um sistema VRF são principalmente a complexidade do controlo, a
perda de carga resultante do comprimento da tubagem e por consequente a possibilidade de
perda de calor se os tubos não estão bem isolados.
Componentes de um sistema VRV Unidade Interior
Cada unidade interior é composta de um permutador de calor, uma válvula de expansão e
um ventilador. Além disso, existe válvulas de duas ou três vias que são utilizadas a mudança
de um modo para outro, bem como o controlo do ciclo.
Unidade exterior
A unidade exterior é composta por um compressor do tipo scrool (o mais eficaz à
velocidade variável) com um conversor de frequência, uma válvula de quatro vias, um
permutador de calor e de um ventilador.
Compressor de Velocidade Variável
Este sistema utiliza compressores com a capacidade de modular a sua velocidade
(variação de frequência, 15 Hz a 115 Hz), ou seja, sua capacidade e portanto o fluxo de
99
refrigerante, e assim permitir adaptar-se instantaneamente potência em função das
necessidades térmicas.
Quando a velocidade de rotação de um compressor convencional aumenta, o fluxo
aumenta assim como a potência frigorífica, por conseguinte o consumo de energia aumenta.
Este não é o caso dos compressores de velocidade variável, devido a evolução tecnológica na
sua construção e, especialmente no circuito de lubrificação. Especificamente, os compressores
de velocidade fixa são construídos para trabalhar com uma vazão de lubrificante definida
apenas para a velocidade nominal. No caso dos compressores de velocidade variável, e
particularmente do tipo Scrool, a bomba de óleo depende da velocidade de rotação e as
selagens estáticas e dinâmicas são mais eficazes.
O Controlo do Sistema
O controlo de um sistema de velocidade variável consiste em encontrar a optimização do
funcionamento, o objectivo é obter um COP máximo, mantendo as condições de conforto. A
válvula que actua como reguladora necessita de se adaptar a variação do fluxo refrigerante
devido à variação da velocidade.
O fluxo de ar no interior pode ser variado para optimizar o sistema. Infinitas
combinações entre a velocidade do compressor, o sobreaquecimento, o fluxo de ar interior e
padrões de conforto, mas apenas uma dá um COP máximo para dadas condições climáticas.
Na prática, o fluxo de ar dentro do sistema é fixo no sistema VRV. Normalmente, existem
duas velocidades do ventilador interior a escolha do utilizador.
Considerando um sistema VRV a climatizar um local, logo que a carga (temperatura
ambiente) aumenta, a temperatura a saída do evaporador também aumenta. A válvula de
expansão electrónica aumenta a abertura e a pressão no evaporador também aumenta. O
controlo do sistema permite ao compressor aumentar sua velocidade de rotação e portanto o
fluxo, que resulta num abaixamento da pressão de evaporação e o equilíbrio ciclo.
Assim, tem-se uma pressão de evaporação mantida em um setpoint e o funcionamento do
sistema é estável. Da mesma forma, para a unidade exterior a pressão deve ser mantida estável
no permutador de calor exterior, quaisquer que sejam as temperaturas exteriores. Por isso,
existe no sistema ventiladores que podem variar a sua velocidade de acordo com diferentes
condições.
É de notar que os valores de pressão podem ser ajustados de acordo com uma margem
predefinida pelo fabricante.
100
Figura 2 – Exemplo do controlo da frequência do compressor
Neste exemplo (Figura 2, Daikin), o setpoint da temperatura de evaporação é de 7,5 ° C.
Se a carga média das instalações é muito importante, a temperatura de evaporação é superior à
temperatura definida. Por exemplo 10 ° C, a frequência do compressor aumenta até atingir o
valor definido. Portanto, as unidades interiores param, a carga térmica do sistema diminui e
assim a pressão de evaporação diminui. A uma temperatura de cerca de 5 ° C, a frequência
diminui novamente para atingir o seu alvo.
Modos de Operação
Os modos principais de operação são:
1 - "só arrefecimento": Todas as unidades interiores estão em modo de arrefecimento
(Figura 3).
2 - "aquecimento apenas": Todas as unidades interiores em modo de aquecimento (Figura 4).
3 - "arrefecimento prioritário": O arrefecimento é o modo principal no funcionamento
simultâneo de arrefecimento e aquecimento (Figura 5).
4 - "aquecimento prioritário": " O aquecimento é o modo principal no funcionamento
simultâneo de arrefecimento e aquecimento (Figura 6).
5- O modo ou o número de unidades interiores funcionando em arrefecimento é igual ao
números de unidades a funcionar em aquecimento (Figura 7).
101
Figura 3 – Sistema VRV a três tubos em modo de arrefecimento.
Figura 4 - Sistema VRV a três tubos em modo de aquecimento.
Figura 5 - Sistema VRV a três tubos, necessidade de arrefecimento é maior que a necessidade de
aquecimento.
102
Figura 6 - Sistema VRV a três tubos, necessidade de aquecimento é maior que a necessidade de
arrefecimento.
Figura 7 - Sistema VRV a três tubos, necessidade de aquecimento é igual a necessidade de
arrefecimento.