SELEÇÃO E ESPECIFICAÇÃO DE UM SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR PARA SUPRIR A DEMANDA TÉRMICA DE UM AUDITÓRIO

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1 Eduardo Vinicius Storti SELEÇÃO E ESPECIFICAÇÃO DE UM SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR PARA SUPRIR A DEMANDA TÉRMICA DE UM AUDITÓRIO Centro Universitário Toledo Araçatuba 2015

2 Eduardo Vinicius Storti SELEÇÃO E ESPECIFICAÇÃO DE UM SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR PARA SUPRIR A DEMANDA TÉRMICA DE UM AUDITÓRIO Trabalho de Graduação apresentado à Faculdade Unitoledo, para cumprimento de requisito para obtenção do Grau de Engenheiro Mecânico, sob orientação do Prof. Lucas Mendes Scarpin. Centro Universitário Toledo Araçatuba 2015

3 Agradecimentos Antes de qualquer um, agradeço primeiramente a Deus, por ter me dado forças nas horas que precisei, confiei nele e a vitória chegou. Aos meus pais, Edson e Maria, ao meu irmão Luis Tiago e ao meu Tio Sérgio que me deram uma ótima formação, sempre me apoiaram e incentivaram os meus estudos cada um de sua forma, fazendo com que eu pudesse me esforçar e dar o melhor de mim. A minha namorada e futura esposa Gimely que nos momentos difíceis entendeu minha ausência sempre me apoiando e me fazendo acreditar que era possível. Aos meus pastores Waldir e Gisele que não se esqueceram de mim em suas orações e sempre me incentivaram. Ao meu orientador, Prof. Lucas Mendes Scarpin, pela paciência, dedicação, incentivo e sabedoria que muito me auxiliou para a conclusão deste trabalho. A todos os professores do corpo docente, que me ensinaram, incentivaram e ajudaram, contribuindo assim, para que eu pudesse crescer.

4 RESUMO O principal objetivo deste trabalho é calcular a carga térmica total necessária a ser retirada do ambiente de um auditório para que o mesmo esteja dentro da zona de conforto. O trabalho mostra todas as características influentes no aumento da carga térmica do local e como calculá-las, tais como, características específicas da construção, orientação geográfica da construção, quantidade de pessoas máxima e equipamentos instalados no local estudado. São mostrados todos os dados de entrada e como encontrá-los através de leituras, colhidas por meio de aparelhos no local, como bússola e termopar, e também através de tabelas encontradas através de estudos já feitos e que se encontram disponíveis em livros. A carga térmica total encontrada será usada em trabalhos futuros para o dimensionamento de um novo sistema de condicionamento de ar e assim comparado ao atual sistema já instalado no auditório da Instituição. Palavras-chave: Carga térmica, Conforto térmico, Sistema de condicionamento de ar.

5 ABSTRACT The main objective of this work is to calculate the total thermal load required to be removed from the environment of an auditorium for which the same is within a zone of comfort. The work shows all characteristics influence in the increase of the thermal load site and how to calculate them, such as the specific characteristics of the construction, geographical orientation of construction, maximum amount of people and equipment installed on site studied. Are shown all input data and how to find them through readings, harvested by means of appliances on site, as compass and thermocouple, and also through the tables found through studies already made and which are available in books. The total thermal load found will be used in future studies for sizing a new air conditioning system and thus compared to the current system already installed in the auditorium of the institution. Keywords: Thermal Load, Thermal comfort, The air conditioning system.

6 Sumário 1. INTRODUÇÃO OBJETIVO REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ESTUDO DE CASO EQUACIONAMENTO Condução térmica Convecção térmica Radiação térmica Resistência térmica Resistência térmica de condução Resistência térmica de convecção Resistência térmica de radiação Associação das resistências térmicas em série e em paralelo Coeficiente global de transferência de calor Carga devida à Insolação Transmissão de calor através de superfícies transparentes Transmissão de calor solar através de superfícies opacas Carga devido às pessoas Carga devido aos equipamentos Carga devido à infiltração Carga devido à ventilação Carga térmica total e o coeficiente de segurança RESULTADOS Áreas das paredes que trocam calor com outro meio Carga térmica devida à condução Resistências térmica da parede... 35

7 Resistências térmica do teto Coeficiente global de transmissão de calor da parede e do teto Carga térmica devido à insolação Carga térmica devido às pessoas Carga térmica devido aos equipamentos Carga térmica devido à infiltração Carga térmica devido à ventilação Carga térmica total CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 50

8 7 1. INTRODUÇÃO Carga térmica é o estudo que revela o quanto de calor sensível ou calor latente deve ser retirado de um ambiente fechado, para que assim haja o conforto térmico das pessoas presentes no recinto. Por isso, é extremamente importante saber o valor total da carga térmica para o dimensionamento de um equipamento de refrigeração ou climatização do ar. Para o dimensionamento dos sistemas de climatização, é de extrema importância levar em consideração os materiais utilizados na construção desses ambientes, orientação da edificação, estudo da ventilação e da insolação e ganhos e perdas térmicas, além disso, o corpo humano emite calor pelo fato de nosso metabolismo estar trabalhando, por isso a adaptação do corpo humano no ambiente refrigerado dificulta ainda mais no cálculo de conforto térmico. Para saber se uma pessoa está ou ficará em estado de conforto dentro de um ambiente condicionado, é necessário o cálculo da carga térmica dentro das limitações do recinto e o dimensionamento do equipamento de climatização de acordo com esse cálculo. Instalações de ar condicionado no Brasil, seguem regras da Norma Brasileira NBR (Instalações centrais de ar condicionado para conforto), que traz especificações técnicas sobre conceitos fundamentais na elaboração de projetos, garantias e aceitação, na prática de se instalar ar condicionado. Condicionar o ar em um local significa que, independente das características exteriores, deve-se submeter o ar interior a condições desejadas, referente ao objetivo buscado (CREDER, 2004). Na teoria, o funcionamento de um ar condicionado ideal pode ser representado por um ciclo de Carnot de refrigeração, onde o evaporador do ciclo permite a remoção de calor do meio a ser refrigerado. O calor sensível é a quantidade de energia térmica acrescentada ou retirada de um ambiente, em função do gradiente de temperatura entre o meio externo e o interno, com o objetivo de promover um conforto desejado. A transferência de calor pode ocorrer por meio dos mecanismos de condução, convecção e radiação. Calor latente é o responsável pela mudança de estado de uma substância, sem alterar sua temperatura. É o calor presente, por exemplo, enquanto a água evapora, mudando seu estado de líquido para vapor.

9 8 Sempre que houver um diferencial de temperatura entre um ou mais meios, consequentemente haverá transferência de calor e há três modos de o calor se transferir de um meio para outro: condução, convecção e radiação. Quando há um gradiente de temperatura em um meio estacionário, sólido ou fluido, usa-se o termo condução para se referir à transferência de calor que houver por esse meio. Em contraste à condução, a convecção é a forma de transferência de calor entre um fluido em movimento e uma superfície, enquanto estiverem a diferentes temperaturas. Outro modo de transferência de calor é a radiação térmica, onde todas as superfícies com temperatura não nula transmitem energia na forma de ondas eletromagnéticas, com isso, quando não há um meio interposto, existe transferência de calor líquida entre as superfícies com temperaturas diferentes (INCROPERA, 2014). Umidade relativa é a relação existente entre a umidade absoluta, que é a quantidade de vapor presente em uma mistura, e a umidade máxima absoluta, quando o ar estiver saturado de vapor, gerando assim um percentual de umidade no ar. A temperatura de bulbo seco é a temperatura do ar ambiente, enquanto que a temperatura de bulbo úmido é encontrado diretamente pela quantidade de umidade do ar. A psicometria é o ramo da ciência que se dedica à análise de propriedades físicas e termodinâmicas das misturas entre gases e vapor e suas aplicações práticas. Para auxiliar na obtenção de valores destas propriedades, existe uma ferramenta chamada carta psicométrica que funciona de maneira simples e com resultados precisos. Diante disso, a Figura 1 representa graficamente uma carta psicométrica.

10 Figura 1. Carta psicométrica Fonte: CREDER (2004). 9

11 10 2. OBJETIVO O presente trabalho tem por objetivo a seleção e especificação de um sistema de condicionamento de ar para suprir a demanda térmica de um auditório e, posteriormente, efetuar uma comparação com o sistema atual que se encontra em funcionamento, a fim de se propor melhorias, buscando uma redução no consumo de potência elétrica e, principalmente, proporcionar conforto térmico aos usuários.

12 11 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Existem diversas aplicações do cálculo da carga térmica, além de diversas metodologias para se calcular essa variável de modo satisfatório. Com isso, será apresentada uma breve revisão bibliográfica, apresentando diferentes trabalhos desenvolvidos na mesma linha de pesquisa. Rocha (2004) analisou e comparou os quesitos de conforto térmico entre dois edifícios habitacionais multipavimentados, respondendo em questões de projetos diferentes, a importância de alguns fatores como orientação geográfica do local e características geométricas do edifício. Tais resultados mostraram que é totalmente importante o projeto de construção ter a devida seleção dos materiais construtivos e implantação no terreno. Padilha (2010) realizou um estudo para suprir as deficiências de um sistema de ar condicionado do Salão de Atos da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, propondo um novo sistema do tipo split. No dimensionamento da potência necessária para os equipamentos desse novo sistema utilizou um software "EnergyPlus". Esse trabalho apresentou dados de entrada para ser introduzido nesse software, tais como a geometria do prédio, seus parâmetros construtivos, as cargas térmicas internas, horários de uso, condições climáticas da cidade onde o estudo foi feito e o modelo do sistema de ar condicionado proposto, chegando assim, em resultados que mostraram potências de resfriamento razoáveis e dentro do esperado, ainda que menores ao do sistema que estava instalado. Lopes (2013) desenvolveu um projeto de comparação entre métodos diferentes para o cálculo da carga térmica de um mesmo local com mesmas condições climáticas através de dois softwares diferentes: Energy Plus e HvacLoadExplorer v A comparação permitiu mostrar as diferenças nos cálculos e a complexidade de um software comparado ao outro.

13 12 4. ESTUDO DE CASO Com capacidade para cerca de 310 pessoas, o auditório Damásio Evangelista de Jesus, localizado no prédio I da Faculdade UNITOLEDO, situado na Rua Antônio Afonso de Toledo, 595, na cidade de Araçatuba - SP. Se trata do local onde se realizam as sessões solenes de colação de grau, palestras organizadas pelos cursos ou pela Instituição e outros eventos acadêmicos e culturais. O local possui um sistema de condicionamento de ar que foi instalado em sua última reforma. As dimensões do auditório são 25,85 m x 14,2 m x 3,4 m, o palco tem altura de 0,4 m, referenciado a partir do chão. O local conta com um sistema de iluminação que é composto por 102 lâmpadas fluorescentes, outras medidas são encontradas a partir da planta baixa, que segue apresentada pela Figura 2.

14 13 Figura 2. Planta baixa do auditório. Fonte: Próprio autor.

15 14 5. EQUACIONAMENTO Neste capítulo será apresentado todo o equacionamento empregado para a resolução deste trabalho. Diante disso, foram apresentados os principais mecanismos de transferência de calor e as cargas térmicas envolvidas, que são de suma importância para o projeto de um sistema de condicionamento de ar Condução térmica A condução de calor ocorre devido às interações entre as partículas de uma substância, podendo ser interpretado como a transferência de energia de partículas mais energéticas para as menos energéticas. Diante disso, temperaturas mais altas estão diretamente associadas às energias moleculares mais elevadas (INCROPERA, 2014). O fluxo de calor, apresentado pela Eq. (1), é proporcional ao gradiente de temperatura. Além disso, é possível observar o comportamento desse mecanismo de transferência de calor, ao longo de uma parede plana, através da Figura 3. (1) sendo, : fluxo de calor por condução na direção x [W/m²]; : condutividade térmica do material [W/(m.K)]; : gradiente de temperatura na direção x [K/m].

16 15 Figura 3. Transferência de calor unidimensional por condução. Fonte: Próprio autor Convecção térmica A convecção de calor corresponde à transferência de energia que ocorre no interior de um fluido, devido à combinação dos efeitos da condução e do escoamento global ou macroscópico do fluido (INCROPERA, 2014). O fluxo de calor, apresentado pela Eq. (2), é proporcional à diferença entre as temperaturas da superfície e ambiente. O comportamento desse mecanismo de transferência de calor pode ser visto através da Figura 4. (2) sendo, : fluxo de calor por convecção [W/m²]; : coeficiente de transferência de calor por convecção [W/(m².K)]; : temperatura superficial da parede [K]; : temperatura ambiente [K].

17 16 Figura 4. Transferência de calor por convecção. Fonte: Próprio autor Radiação térmica A radiação térmica se refere à energia emitida por toda matéria que se encontra em uma temperatura acima do zero absoluto. Essa energia é transportada através de ondas eletromagnéticas, de um corpo a outro (INCROPERA, 2014). Diferentemente dos demais mecanismos, a radiação ocorre mesmo sem a presença de um substrato entre os corpos que se interagem, ou seja, não há a necessidade de matéria entre ambos. A Eq. (3) apresenta uma metodologia para se quantificar o fluxo de calor por radiação e, seguindo a mesma linha, a Figura 5 representa esse mecanismo. (3) de calor : É conveniente aplicar a eq. (4) em casos onde se possui o coeficiente de transferência (4) sendo, : fluxo de calor por radiação [W/m²]; : emissividade superficial;

18 17 : constante de Stefan-Boltzmann [ W/(m².K 4 )]; : temperatura da vizinhança [K]; : temperatura da superfície [K]; : coeficiente de transferência de calor por radiação [W/(m².K)]. Figura 5. Transferência de calor por convecção. Fonte: Próprio autor Resistência térmica Há uma analogia entre difusões de calor e de carga elétrica, pois, da mesma forma que a resistência elétrica está associada à transferência de eletricidade, na transferência de calor, também há uma resistência térmica que é disposta semelhantemente ao do sistema elétrico (INCROPERA, 2014) Resistência térmica de condução Seguindo a analogia, a Figura 6 representa o mecanismo de transferência de calor por condução, abordado via teoria de resistência térmica. Com isso, a resistência térmica de condução unidimensional em uma parede plana é apresentada pela Eq. (5) e, portanto, a taxa de transferência de calor pode ser quantificada através da Eq. (6).

19 18 Figura 6. Resistência de condução. Fonte: Próprio autor. (5) sendo, : resistência térmica de condução [K/W]; : espessura do material [m]; : condutividade térmica do material [W/(m.K)]; : área da seção transversal do material normal ao fluxo de calor [m²]. Com isso, tem-se: (6) sendo, : taxa de transferência de calor por condução [W]; : diferença de temperatura entre os meios [K]; : resistência térmica de condução [K/W] Resistência térmica de convecção Seguindo a analogia, a Figura 7 representa o mecanismo de transferência de calor por convecção, abordado via teoria de resistência térmica. Com isso, a resistência térmica de convecção em uma parede plana é apresentada pela Eq. (7) e, portanto, a taxa de transferência de calor pode ser quantificada através da Eq. (8).

20 19 Figura 7. Resistência de convecção. Fonte: Próprio autor. (7) sendo, : resistência térmica de convecção [K/W]; : coeficiente de transferência de calor por convecção [W/(m².K)]; : área da seção transversal do material normal ao fluxo de calor [m²]. Diante disso, tem-se que: (8) sendo, : taxa de transferência de calor por convecção [W]; : diferença de temperatura entre os meios [K]; : resistência térmica de convecção [K/W] Resistência térmica de radiação Seguindo a analogia, a Figura 8 representa o mecanismo de transferência de calor por radiação, abordado via teoria de resistência térmica. Com isso, a resistência térmica de radiação em uma parede plana é apresentada pela Eq. (9) e, portanto, a taxa de transferência de calor pode ser quantificada através da Eq. (10).

21 20 Figura 8. Resistência de radiação. Fonte: Próprio autor. (9) sendo, : resistência térmica de radiação [K/W]; : coeficiente de transferência de calor por radiação [W/(m².K)]; : área da seção transversal do material normal ao fluxo de calor [m²]. Portanto, tem-se: (10) sendo, : taxa de transferência de calor por radiação [W]; : diferença de temperatura entre os meios [K]; : resistência térmica de radiação [K/W] Associação das resistências térmicas em série e em paralelo Uma parede composta, utiliza um sistema mais complexo da disposição das resistências. Tais paredes podem conter uma quantidade qualquer de resistências térmicas que estejam dispostas tanto em série quanto em paralelo. Com isso, há maneiras diferentes de se encontrar o valor total de resistência térmica de um sistema que possui uma composição em série e outro que possui uma composição em paralelo (INCROPERA, 2014).

22 Para se encontrar o valor total da somatória das resistências em série e em paralelo, respectivamente, tem-se apresentadas as Eqs. (11) e (12): 21 (11) (12) sendo, : resistência térmica total de um sistema de associações em série [K/W]; : resistência térmica total de um sistema de associações em paralelo [K/W]; : resistência térmica pontual que integra o somatório [K/W] Coeficiente global de transferência de calor O coeficiente global de transmissão de calor, é o mesmo que o inverso resistência térmica total que o sistema oferece à transferência de calor, conforme apresentado pela Eq. (13). (13) sendo, : coeficiente global de transmissão de calor [W/(m².K)]; : área da seção transversal do material normal ao fluxo de calor [m²]; : resistência total dos materiais no fluxo de calor [K/W]. Chegando assim a uma expressão global para o cômputo da transferência de calor, conforme segue apresentada pela Eq. (14):

23 (14) 22 sendo, : taxa de transferência de calor total [W]; : área da seção transversal normal ao fluxo de calor [m²]; : coeficiente global de transmissão de calor [W/(m².K)]; : diferença de temperatura entre os meios [K] Carga devida à Insolação A energia solar é a mais poderosa energia que o espaço superficial da Terra recebe do Universo. Esse tipo de energia é bastante influente no cálculo da carga térmica para dimensionamento do ar condicionado, e está presente na forma de convecção e radiação. A energia de radiação solar tem a capacidade de se introduzir em recintos através de absorção, em geral, quanto menos brilhante for a superfície refletora maior é a quantidade energética introduzida no ambiente interno de um local, tendo assim a quantidade de calor sensível que é transmitido. A temperatura em tetos e paredes pode ser alteradas devido alguns fatores: Coordenadas geográficas, tipo da construção, cor e rugosidade da superfície, inclinação dos raios solares (muda de acordo com a época do ano e da hora estudada) e a refletância da superfície (CREDER, 2004) Transmissão de calor através de superfícies transparentes Há uma diferença na transmissão de calor entre um meio opaco e um meio transparente. Embora se consiga estimar com certa precisão a quantidade de calor que é emitida pelo sol para a superfície, através da radiação e convecção, a quantidade que penetra nos recintos não é totalmente conhecida. Por isso, é possível obter estimativas satisfatórias com base em estudos já realizados. O potencial de energia radiante incidente em superfície transparente, oriunda do sol, pode ser dividida em três grupos: refletida (q 1 ); absorvida pelo vidro (q 2 );

24 23 atravessa o vidro, entrando assim no cálculo da carga térmica (q 3 ). Figura 9. Transmissão de calor solar através do vidro Fonte : CREDER (2004). como: O cálculo do calor que penetra ao recinto através de superfícies transparentes é dado (15) sendo, : taxa de calor que é penetrado ao recinto por meio de superfície transparente [kcal/h]; : área da janela [m²]; : fator solar [kcal/(h.m²)] Transmissão de calor solar através de superfícies opacas A transmissão de calor solar que penetra no interior de recintos através de paredes, lajes e telhados por condução e convecção são dados pela seguinte equação: (16)

25 24 sendo, : taxa de calor transferido para o meio interior [kcal/h]; : área da superfície [m²]; : coeficiente global de transmissão de calor [kcal/(h.m².ºc)]; : temperatura do meio exterior [ºC]; : temperatura do meio interior [ºC]; : acréscimo ao diferencial de temperatura[ºc] Carga devido às pessoas É fato que todo ser humano consegue emitir calor sensível e também calor latente, variando o nível de atividade que o corpo esteja realizando no momento. Se um indivíduo estiver submetido a um tipo de atividade física exigente, o corpo humano pode emitir até cinco vezes mais calor do que um indivíduo que esteja em repouso (CREDER, 2004). Com experimentos pode se verificar que quanto maior a temperatura na superfície do corpo humano, maior é a quantidade de calor latente emitido para o meio ambiente, e inversamente, quanto menor a temperatura na superfície do corpo humano, maior é a emissão de calor sensível ao ambiente (CREDER, 2004). Isso pode ser explicado pelo fato que o organismo possui um sistema termostático que atua juntamente com o metabolismo, mantendo assim a temperatura do corpo humano num nível constante, próximo de 37ºC. Por isso, se a temperatura exterior estiver acima da média normal do corpo humano, ou seja, acima de 37ºC, é eliminado vapor d'água pela respiração devido ao fato do calor ser introduzido do meio exterior para o corpo, consequentemente, gerando a transpiração e, nessa ocasião, o corpo emite apenas calor latente (CREDER, 2004). Por outro lado, quando meio exterior tem uma temperatura abaixo de 16,6ºC, a transferência de calor se dá ao sentido do corpo humano para o meio em que está, gerando assim somente calor sensível. Dentro dessa faixa de temperatura (16,6ºC e 37ºC), o corpo humano emite um calor total constante, que é calor latente e calor sensível (CREDER, 2004). Após encontrar os valores de calor sensível e latente liberados por pessoa, basta multiplicar pelo número de ocupantes no recinto, conforme as equações:

26 25 Para o calor sensível, tem-se a Eq. (17): (17) Por outro lado, para o calor latente, tem-se a Eq. (18), conforme: (18) sendo, : taxa de calor sensível adicionado a carga térmica devido às pessoas [kcal/h]; : taxa de calor latente adicionado a carga térmica devido às pessoas [kcal/h]; : taxa de calor sensível liberado por uma pessoa [kcal/h]; : taxa de calor latente liberado por uma pessoa [kcal/h]; : número de pessoas total no recinto Carga devido aos equipamentos Dentro desse item, podem ser citados vários componentes que, quando em operação, proporcionam um aumento da carga térmica do local, ou seja, dissipam calor para o meio, como eletrodomésticos, lâmpadas, motores, aparelhos eletroeletrônicos, dentre outros. No caso analisado, será considerada apenas influência da potência térmica dissipada pelo sistema de iluminação. Diante disso, há uma diferença quando a lâmpada estudada for fluorescente e quando for incandescente. Essa diferença deve ser contemplada pelo fato de que a lâmpada fluorescente precisa de um componente elétrico adicional para seu funcionamento, o qual é conhecido como reator, adicionando cerca de 20% de carga térmica (CREDER, 2004). Iluminação incandescente: (19)

27 26 Iluminação fluorescente: (20) sendo, : carga térmica devido à iluminação [kcal/h]; : potência total das lâmpadas [W]; : fator devido ao reator Carga devido à infiltração Conforme o ar se movimenta na parte externa do recinto, possibilita a penetração através das frestas de portas, janelas ou por outras pequenas aberturas. Com essa penetração, tem-se o aumento da carga térmica sensível ou latente. Esse acréscimo de calor pode ser quantificado, com certa precisão, através da seguinte expressão: (21) sendo, : taxa de calor sensível transferido [kcal/h]; : massa de ar transferido por hora [kg/h]; : calor específico do ar [kcal/(kg.ºc)]; temperatura externa [ºC]; : temperatura interna do recinto [ºC]. A troca de ar pode ser definida como renovar todo ar contido em um ambiente por hora, aumentando o ar do recinto com o ar exterior. Essa troca por hora é relacionada diretamente com a quantidade de paredes que há janelas ou portas que estejam para o meio exterior.

28 Com a troca de ar definida, basta calcular o volume total do recinto e multiplicar pela quantidade de trocas por hora, chegando a uma vazão ar em m³/h: 27 (22) sendo, : vazão de ar [m³/h]; : volume do recinto [m³]; : trocas de ar por hora no recinto [1/h]. Determinado a quantidade de vazão de ar, é necessário entender que em 1,0 kg de ar, o volume ocupado é de 0,833 m³ em condições normais e como o calor específico do ar, nas mesmas condições, é de 0,24 kcal/(kg.ºc), se tem o seguinte desenvolvimento para chegar em uma equação geral do calor sensível utilizando o ar, a qual segue: sendo, onde, tem-se que, (23) Com o calor sensível já calculado, basta quantifica a taxa de calor latente transferida, por meio da Eq. (26): (24)

29 28 sendo, : taxa de calor latente transferido [kcal/h]; : umidade específica do ar no interior [kg/kg]; : umidade específica do ar no exterior[kg/kg]; : densidade do ar [kg/m³]; vazão de ar [m³/h] Carga devido à ventilação No funcionamento do ciclo de refrigeração, o ar que está no ambiente refrigerado, retorna ao equipamento de refrigeração pelo ventilador que é dimensionado a vencer as perdas de cargas estáticas e dinâmicas oferecidas em todo o circuito do ar. Uma parte desse ar, que deveria retornar ao equipamento, é perdido devido a aberturas ou frestas em janelas e portas, precisando ser completada pelo ar externo, sem nenhum tipo de refrigeração, além do ar necessário para as pessoas que estiverem no local (CREDER, 2004). Para o cálculo do calor sensível e latente devido à ventilação, deve-se levar em consideração o dado tabelado, referente ao ambiente analisado, assim como o número total de pessoas que estarão dentro do recinto. A Eq. (25) apresenta uma metodologia direta para se quantificar essa carga térmica. (25) sendo, : vazão volumétrica de ar total [m³/h]; : número de pessoas total no recinto; : ar exterior que se mistura ao ar interior [m³/(h.pessoa)]. Após encontrar o valor da vazão mássica de ar total, basta utilizar novamente a Eq. (23) e a Eq. (24), que foram definidas para encontrar as respectivas cargas térmicas:

30 29 para a taxa de calor sensível: para a taxa de calor latente: Carga térmica total e o coeficiente de segurança Uma vez conhecidas as cargas térmicas devido à condução, insolação, pessoas, equipamentos, infiltração e ventilação, basta somar os valores de calor sensível e calor latente para cada item e, ao final do processo, somam-se ambas as parcelas. Para atender a possíveis eventos inesperados, é necessário acrescentar mais 10% de todo esse calor como uma medida de segurança, conforme apresentado pela Eq. (28). (26) sendo, : taxa de transferência de calor total para dimensionamento do equipamento condicionador de ar [kcal/h]; : taxa de calor sensível total [kcal/h]; : taxa de calor latente total [kcal/h].

31 30 6. RESULTADOS A partir de dados recolhidos através de aparelhos de medição ou orientação, consultas à bibliografia, analisando gráficos e tabelas, têm-se os dados de entrada para o cálculo da carga térmica. Com auxílio de uma bússola, foi encontrado a orientação geográfica, sendo disposto o auditório da seguinte forma, apresentado pela Figura 10. Figura 10. Orientação geográfica do auditório Fonte: Próprio autor. Para estudos mais precisos é determinado a temperatura do interior do auditório e da sua umidade relativa de acordo com tabelas de estudos anteriores, sendo assim os valores de respectivos são TBS = 25ºC e UR = 55%, conforme estipulado dentro da zona de conforto térmico pela Figura 11 e também a temperatura de bulbo seco e bulbo úmido no ambiente externo, respectivamente TBS = 35ºC e TBU = 26,5ºC conforme a média dos valores obtidos na Tabela 1, além disso, informações sobre materiais, especificações de potências e outras características importantes serão previamente estipulados.

32 31 Figura 11. Gráfico para conforto em ambientes internos. Fonte : CREDER (2004).

33 32 Para o meio exterior, as temperaturas colhidas no mês de outubro, um dos mais quentes do ano de 2015, do dia 1º de outubro ao dia 17 de outubro, seguem apresentadas na Tabela 1. Tabela 1. Temperaturas encontradas para cada dia do mês de Outubro de Dia Temperatura [ºC] 1º 36 2º 38 3º 29 4º 30 5º 34 6º 36 7º 38 8º 37 9º 38 10º 27 11º 31 12º 30 13º 34 14º 38 15º 39 16º 39 17º 41 Fonte: ACCUWEATHER (2015). Com esses valores, é possível alcançar uma média de temperatura durante esse período e, com isso, se tem um dado mais representativo, o qual será empregado nos cálculos a seguir. Além disso, vale ressaltar que no dia 25 de Outubro, foi medido a temperatura através de um termopar e, portanto, a temperatura encontrada foi de 35 ºC, mesma temperatura que a fonte utilizada divulgou, tornando viável sua utilização.

34 33 Figura 12. Medição da temperatura através de termopar. Fonte: Próprio autor Áreas das paredes que trocam calor com outro meio Neste item, serão apresentadas as metodologias para se quantificar as áreas das paredes, do teto, das portas e janelas. Área das paredes que trocam calor com ambiente interno ( ): Área das janelas que trocam calor com o meio externo ( ): Área total do teto ( ):

35 34 Área total das portas de acesso ( ): Área das paredes que trocam calor com ambiente externo ( ): 6.2. Carga térmica devida à condução Considerando que as paredes do auditório são compostas por: reboco externo, bloco de argila de uma vez e reboco interno. Em seguida, será considerado que o teto possui um sistema de isolamento térmico, feito por placas de isopor. A Tabela 2 apresenta a condutividade térmica desses materiais, assim como a espessura de cada um deles. O coeficiente de transferência de calor por convecção médio depende de inúmeros fatores, como certas características do fluido, velocidade e direção do vento, dentre outros. Diante disso, a Tabela 3 ilustra os valores variados de acordo com a velocidade do vento e é usado no cálculo da resistência térmica oferecida por convecção. Tabela 2. Condutividade térmica e espessura dos materiais. Material [kcal/h.m.ºc] [m] Reboco 0,0478 0,02 Bloco de argila de uma vez 0,8598 0,14 Isopor 0,026 0,02 Fonte: CREDER (2004).

36 35 Tabela 3. Tabela de coeficiente convectivo médio de acordo com a velocidade do ar Velocidade do ar [km/h] [kcal/h.m².ºc] Parado 7,13 a 7, , ,3 Fonte: CREDER (2004) Resistências térmica da parede Inicialmente, a Figura 13 ilustra a disposição dos componentes estruturais da parede, assim como o comportamento da temperatura ao longo da espessura. Em seguida, a Figura 14 apresenta a associação das resistências térmicas para a resolução do problema. Figura 13. Esboço do decréscimo de temperatura nas paredes. Fonte: Próprio autor. Figura 14. Associação em série das resistências térmicas da parede. Fonte: Próprio autor.

37 36 Conforme o esboço da Figura 14, é possível observar que as resistências térmicas estão associadas em série e, por consequência, é possível reescrever a Eq. (11), sem levar em consideração as áreas, visto que são as mesmas para todos os mecanismos de transferência de calor. Diante disso, tem-se equacionamento para a resistência térmica da parede, para o problema em questão: onde, : somatório das resistências térmicas da parede [(h.m².ºc)/kcal]; : coeficiente convectivo do ar no meio exterior [kcal/h.m².ºc]; : coeficiente convectivo do ar no meio interior [kcal/h.m².ºc]; : espessura do material (reboco) no meio externo da parede [m]; : espessura do material (reboco) no meio interno da parede [m]; : espessura do material (bloco de argila) da parede [m]; : condução térmica do reboco [kcal/(h.m.ºc)]; : condutividade térmica do bloco de argila [kcal/(h.m.ºc)]. Para o caso de estudo, tem-se o seguinte desenvolvimento: Resistências térmica do teto Neste caso, a Figura 15 ilustra a disposição dos componentes estruturais do teto, assim

38 como o comportamento da temperatura ao longo de sua espessura. Em seguida, a Figura 16 apresenta a associação das resistências térmicas para a resolução do problema. 37 Figura 15. Esboço do decréscimo de temperatura no teto. Fonte: Próprio autor. Figura 16. Associação em série das resistências térmicas do teto. Fonte: Próprio autor. Conforme o esboço da Figura 16, se tem equacionamento da resistência térmica no teto, como segue: onde, : somatória das resistências térmicas do teto [(h.m².ºc)/kcal]; : coeficiente convectivo do ar entre o telhado e laje [kcal/h.m².ºc]; : coeficiente convectivo do ar no meio interior [kcal/h.m².ºc];

39 38 : espessura do material (isopor) no teto [m]; : condutividade térmica do isopor [kcal/h.m.ºc] Coeficiente global de transmissão de calor da parede e do teto O coeficiente global de transferência de calor pode ser encontrado por meio da Eq. (13). Diante disso, é possível quantificar a carga térmica para as paredes e teto, seguindo: Coeficiente global de transferência de calor, conforme a Eq. (13): i) Paredes ii) Teto Carga térmica por condução total, conforme a Eq. (14): i) Taxa de transferência de calor por condução nas paredes externas:

40 39 ii) Taxa de transferência de calor por condução nas paredes internas: iii) Taxa de transferência de calor por condução nas janelas: O valor do coeficiente global de transmissão de calor U para as janelas, esse valor é tabelado de acordo com o tipo do vidro, conforme segue especificado através da Tabela 4. Tabela 4. Coeficiente global de transmissão de calor para janelas Janelas Janelas de vidros comuns 5,18 Fonte: CREDER (2004). U Com isso, iv) Taxa de transferência de calor por condução no teto: v) Taxa de transferência de calor total por condução:

41 Carga térmica devido à insolação Antes de adentrar aos cálculos, certas informações primárias devem ser alcançadas, como o coeficiente de transmissão de calor através de vidros (fator solar) e também o acréscimo do diferencial de temperatura que são encontrados de acordo com a orientação geográfica do prédio conciliada aos valores tabelados. No caso do auditório, será utilizada a tabela de coeficientes de transmissão de calor através de vidros para a latitude sul 22º 54', referente a cidade do Rio de Janeiro, devido ao fato de não haver outras informações para cidades mais próximas a que está sendo estudada. A época do ano foi definida no período de Outubro, um dos mais quentes do ano todo. A parcela que penetra no recinto é o que interessa para o cálculo da carga térmica. Na Tabela 5, são apresentados os valores de fator solar que foram coletados através de ensaios para essa parcela. Neste caso, é suposto que a janela não tem proteção alguma, no caso do auditório, as janelas são protegidas em sua superfície externa por uma camada de tinta da cor clara e com característica opaca, tendo assim um coeficiente de redução no fator solar de 50%. De acordo com a orientação geográfica, as paredes e janelas, nas quais ocorre transferência de calor do meio externo para o interno, estão dispostas uma para o Norte e a outra para o Sul. Com essas informações, é possível encontrar o fator solar para cada janela, em suas respectivas posições nas paredes.

42 Tabela 5. Tabela de Fator Solar Fonte: Adaptado de CREDER (2004). 41

43 42 i) Carga térmica devido à insolação nas janelas: ii) Com fator de correção, tem-se: O acréscimo ao diferencial de temperatura pode ser encontrado por meio da Tabela 6, conforme segue: Tabela 6. Acréscimo ao diferencial de temperatura - Cor Superfície Escura Média Clara ºF ºC ºF ºC ºF ºC Telhado ,6 15 8,3 Parede E ou O 30 16, ,1 10 5,5 Parede N 15 8,3 10 5,5 5 2,7 Parede S Fonte: CREDER (2004). Para esse caso, será utilizado a cor clara no telhado e nas paredes norte e sul, conforme análise do local estudado. Portanto, tem-se que: iii) Carga térmica devido à insolação nas paredes:

44 43 iv) Carga térmica devido à insolação total: 6.4. Carga térmica devido às pessoas. A Tabela 7 apresenta os valores de calor sensível, latente e total liberado por pessoas, de acordo com a temperatura em que estas se encontram. Tabela 7. Calor liberado por pessoa. Temperatura Pessoa sentada ou em movimento lento Ambiente Calor Sensível Calor Latente Calor Total ºC ºF kcal/h BTU/h kcal/h BTU/h kcal/h BTU/h 29 84,2 45, , ,4 50, , ,6 54, , ,8 58, , ,0 62, , ,2 66, , ,4 69, , ,6 72, , ,8 75, , Fonte: CREDER (2004). Como foi proposto, a temperatura interna do auditório pelo qual está dentro da zona de conforto é de 25ºC, com isso os valores de calor sensível e calor latente são determinados através dessa temperatura e também pelo tipo de atividade que a pessoa fará dentro do recinto, que para este caso, estarão sentados e as vezes em movimento lento. i) Calor sensível:

45 44 ii) Calor latente: 6.5. Carga térmica devido aos equipamentos Uma lâmpada fluorescente emite cerca de 40W e, como visto anteriormente, o auditório possui um total de 102 lâmpadas distribuídas por todo recinto. Diante disso, seguindo a metodologia apresentada no equacionamento, tem-se: 6.6. Carga térmica devido à infiltração Analisando o equacionamento da carga térmica devida à infiltração é importante determinar alguns parâmetros de entrada que estão dispostos na Tabela 8 e na Figura 17: Tabela 8. Trocas de ar por hora no interior do recinto. Janelas ou portas existentes Trocas por hora Nenhuma janela ou porta para o exterior 3/4 Janelas ou portas em 1 parede 1 Janelas ou portas em 2 paredes 1 1/2 Janelas ou portas em 3 paredes 2 Lojas 2 Fonte: CREDER (2004).

46 45 As umidades relativas são encontradas através da carta psicométrica, tendo informações como a temperatura de 25ºC e umidade relativa do ar de 55% no interior do recinto e estipulando uma temperatura de bulbo úmido TBU = 26,5ºC e uma temperatura de 35ºC para o meio exterior, chegando aos valores de = 0,0110 kg/kg e.= 0,0186 kg/kg aproximadamente. Figura 17. Valores encontrados através da carta psicométrica Fonte: Próprio autor. i) Volume do auditório: ii) Vazão mássica do auditório:

47 46 iii) Calor sensível devido à infiltração: iv) Calor latente devido à infiltração: 6.7. Carga térmica devido à ventilação A Tabela 6 apresenta os dados de ventilação, ou seja, a vazão de ar requisitada, em função do ambiente analisado e da quantidade de pessoas que estão presentes. Com isso, no valor apresentado para o ar exterior, está contido o calor sensível e também o calor latente, pelo fato de ser misturado ao ar de retorno antes de ter contato com o evaporador. i) Vazão de ar exterior que se mistura ao ar refrigerado: ii) Calor sensível devido à ventilação:

48 47 iii) Calor latente devido à ventilação: Os valores de e são os mesmos encontrados na Figura 17, já que os dados de entrada são os mesmos e, com isso, tem-se: Tabela 9. Ar exterior para a ventilação. Local m³/(h.pessoa) Preferível Mínima Apartamentos Bancos Barbearias Barbearias Cassinos - grill-room Escritório Geral Estúdios Lojas 48 8 Quartos (hospitais) Quartos (Hotéis) Residências Restaurantes Salas de Diretoria Teatos - Cinemas - Auditórios Salas de aula Salas de reunião Fonte: CREDER (2004).

49 Carga térmica total Com os dados encontrados anteriormente, deve-se somar as cargas de calor sensível e cargas de calor latente, montando assim a Tabela 10, posteriormente, é aplicado a aplicação do coeficiente de segurança de 10% para eventos inesperados que possam acontecer. Tabela 10. Carga térmica total no ambiente. Carga térmica Calor sensível [kcal/h] Calor latente [kcal/h] Condução 6874, Insolação 9006, Pessoas 19220, ,00 Equipamentos 4210, Infiltração 5301, ,36 Ventilação 11687, ,35 Total 56300, ,71 Fonte: Próprio autor. i) Calor total para dimensionamento do equipamento condicionador de ar: ii) Calor total em tonelada de refrigeração (TR)

50 49 7. CONCLUSÃO Esse trabalho mostra que o condicionamento do ar ambiente interno do auditório do Centro Universitário Toledo de Araçatuba, estando dentro da zona de conforto estipulada por estudos anteriores, precisa suprir uma demanda de calor total, que, conforme mostrado anteriormente, é introduzida ao ambiente interno através de diversos fatores, sendo eles, composição física dos materiais de construção, quantidade máxima de pessoas e seus esforços dentro do recinto, equipamentos e máquinas instaladas no ambiente interno, orientação geográfica do prédio e condições externas do meio ambiente em que o prédio se encontra. Com a quantidade final de calor encontrado que se deve retirar do recinto para que o mesmo se encontre dentro das condições climáticas desejadas, esse trabalho se mostra apto para ser usado em estudos futuros de dimensionamento de um sistema novo de condicionamento de ar do auditório da instituição, desde que não haja nenhuma alteração em suas características originais de projeto.

51 50 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ACCUWEATHER. Site meteorológico. Disponível em: < Acesso em: 25 nov p. CREDER, Hélio. Instalações de ar condicionado - 6ª Edição. Rio de Janeiro: LTC, INCROPERA, Frank P. et al. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa - 7ª Edição. Rio de Janeiro: LTC, p. LOPES, C. F. M. Análise comparativa de carga térmica entre dois métodos de cálculo para um auditório f. Trabalho de conclusão de curso (Graduação), Faculdade de Engenharia Mecânica, UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, PADILHA, G. R. Análise de cargas térmicas e dimensionamento de sistema de ar condicionado para o salão de atos da UFRGS f. Trabalho de conclusão de curso (Graduação), Faculdade de Engenharia Mecânica, UFRGS, Porto Alegre, RS, ROCHA, A. M. Avaliação das condições de conforto térmico ao calor em edificações habitacionais multipavimentadas na cidade de Ijuí - RS f. Trabalho de conclusão de curso (Graduação), Faculdade de Engenharia Civil, UNIJUÍ, Ijuí, RS, 2004.