ANÁLISE DO CONFORTO TÉRMICO DE UM AMBIENTE CONDICIONADO COM DIFERENTES SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE AR ATRAVÉS DE SIMULAÇÃO CFD

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1 ANÁLISE DO CONFORTO TÉRMICO DE UM AMBIENTE CONDICIONADO COM DIFERENTES SISTEMAS DE DISTRIBUIÇÃO DE AR ATRAVÉS DE SIMULAÇÃO CFD Helton Figueira Rossi (1), Álvaro Messias Bigonha Tibiriçá (2), Guilherme Caixeta Ferreira (3), Antônio Cleber Gonçalves Tibiriçá (4), Júlio César Costa Campos (5) (1,2,4) Universidade Federal de Viçosa Departamento de Engenharia de Produção e Mecânica, (3) Universidade Federal de Viçosa Departamento de Arquitetura e Urbanismo, Avenida Peter Henry Rolfs, s/n, Campus Universitário, Viçosa - MG, Brasil {(1) helton.rossi, (2) alvaro.tibirica, (3) guilherme.caixeta, (4) tibirica, (5) Resumo As técnicas de modelagem e simulação CFD (Computational Fluid Dynamics) têm sido utilizadas por diversos autores para análise de ambientes condicionados. Elas permitem visualizar a distribuição espacial de grandezas de um escoamento como temperatura, velocidade e pressão, o que as tornam interessantes para análise do conforto térmico em ambientes condicionados. É muito comum que nestes ambientes sejam encontradas zonas de desconforto próximas ao jato de ar frio insuflado pelo sistema de condicionamento de ar. Neste contexto, este trabalho buscou entender como diferentes sistemas de distribuição de ar afetam a distribuição de temperatura e velocidade do ar no caso de um ambiente do tipo escritório. Três sistemas de distribuição de ar foram analisados, variando de um sistema com uma abertura de insuflamento a um sistema com quatro aberturas de insuflamento. A capacidade de refrigeração e a vazão total de ar foram mantidas constantes para todos os sistemas analisados. Os resultados mostraram que mesmo mantendo as mesmas condições de contorno e capacidade frigorífica total, os sistemas apresentaram diferenças na distribuição temperatura e velocidade no ambiente. O aumento da quantidade de aberturas de insuflamento, com consequente redução da largura das mesmas (visando manter a mesma área total), reduziu o alcance (horizontal) dos jatos de ar insuflados mudando desta forma a localização das zonas de conforto/desconforto no ambiente. Palavras-chave: CFD, HVAC, Conforto Térmico. Abstract The techniques of CFD (Computational Fluid Dynamics) modeling and simulation have been used to analyze air conditioned environments. They allow visualizing the spatial distribution of flow quantities such as temperature, velocity and pressure, which makes them interesting for thermal comfort analysis. Commonly, near to air jet areas exist discomfort zones due to the cold air conditioner blast. In this context, this study aimed to understand how different air distribution systems affect the distribution of temperature and air velocity. An office-type environment was studied. Three air distribution systems were analyzed, ranging from a system with an insufflation opening to a system with four insufflation openings. The total cooling capacity and air flow were kept constant for all systems analyzed. The results showed that while maintaining the same boundary conditions and total cooling capacity, the systems show differences in velocity and temperature distribution in the environment. The increased amount of air supply openings, with consequent reduction of the openings width (to maintain the same total area), reduced reach (horizontal) of the air jets, thus changing the location of areas of comfort/discomfort. Keywords: CFD, HVAC, Thermal Comfort. 2169

2 1. INTRODUÇÃO Ambientes com sistemas de ar condicionado representam uma parcela significativa dos ambientes construídos atualmente. O que antes era sinônimo de privilégio, hoje é visto como uma forma de proporcionar maior satisfação aos ocupantes, influenciando positivamente na produtividade em escritórios, laboratórios e salas de aula (FANGER, 2001). No entanto, alguns sistemas não são capazes de proporcionar tais benefícios, seja pela baixa qualidade do ar interno ou mesmo pela não uniformidade na sua distribuição. Neste contexto, técnicas CFD (Computational Fluid Dynamics) contribuem para análise da distribuição espacial de grandezas que influenciam no conforto térmico humano, tais como temperatura e velocidade do ar. Inúmeros trabalhos fazem uso de CFD para avaliar a qualidade do ar e o conforto térmico em diversos ambientes como salas de aula (KARIMIPANAH et al., 2007), estações de trem (LI et al., 2009) e escritórios (STAMOU et al., 2006). O presente trabalho utilizará técnicas de modelagem e simulação CFD para analisar as diferenças em sistemas de distribuição de ar com uma, duas e quatro aberturas de insuflamento. 2. OBJETIVO Avaliar, através das distribuições de temperatura e velocidade do ar em um ambiente tipo escritório, o conforto térmico para três tipos de sistemas de insuflamento. 3. METODOLOGIA 3.1. Modelo CFD O modelo utilizado foi baseado em um ambiente do tipo escritório. Suas dimensões são: 5,20 m (comprimento) x 4,40 m (largura) x 2,80 m (altura). Trata-se de um modelo simplificado, uma vez que portas e janelas não foram incluídas. As únicas aberturas do modelo foram as áreas de insuflamento e exaustão de ar. Para este estudo foram propostas três configurações distintas para a localização das aberturas de insuflamento e exaustão de ar. Em todos os casos, a área total das aberturas foi a mesma tanto para o insuflamento quanto para a exaustão. A Fig. 1 apresenta os três sistemas. Figura 1 Sistemas de distribuição de ar. Aberturas de insuflamento preenchidas em preto. As áreas preenchidas em preto são as aberturas de insuflamento, enquanto que as aberturas de exaustão não estão preenchidas. Em todos os casos a malha foi gerada com elementos hexagonais de dimensão básica de 0,20 m. A malha foi uniforme e não apresentou distorções. 2170

3 O software Ansys CFX foi usado para modelagem e simulação CFD do ambiente estudado. As equações básicas utilizadas foram as de conservação de massa, de momento e de energia. Foi adotado o modelo de turbulência k-ε. Efeitos de empuxo foram considerados através da hipótese de Boussinesq. Modelos de radiação e de carga térmica devido as pessoas e equipamentos não foram incluídos Condições de Contorno As condições de contorno e iniciais foram escolhidas de maneira a garantir um equilíbrio entre carga térmica do ambiente e a capacidade de refrigeração do jato de ar insuflado nos momentos iniciais. As condições de contorno foram as mesmas para todos os sistemas. A Tab. 1 apresenta as condições de contorno de fronteira. Tabela 1 Condições de contorno de fronteira para os modelos. Temperatura, velocidade e pressão estática consideradas uniformes ao longo das áreas. Insuflamento de ar Exaustão de ar Paredes Teto Piso Velocidade (m/s) Pressão estática (Pa) 15,00 0,16 0,79 0,00 0,16 53,76 22,88 22,88 A temperatura inicial do ar na sala foi admitida como uniforme com valor de 25 C. O escoamento de ar proveniente das aberturas de insuflamento foi modelado como tridimensional, turbulento, incompressível e em regime transiente. A direção do jato de ar foi sempre perpendicular (normal) às aberturas. As simulações ocorreram em regime transiente. O intervalo de tempo de simulação foi de 350 segundos. Este intervalo de tempo foi estabelecido por ser o necessário para que a temperatura do ambiente diminua até se estabilizar Índices de Conforto Térmico Dois índices de conforto foram utilizados para avaliar a distribuição do nível de conforto térmico no ambiente: o PMV (Predicted Mean Vote) e a TECA (Temperatura Efetiva de Corrente de Ar Effective Draft Temperature). O PMV é um índice de conforto térmico que expressa a sensação que a maioria das pessoas reportaria numa dada situação. Sua escala vai de -3 (frio) até 3 (quente), onde o valor 0 é neutro. Entre os fatores relacionados para cálculo do PMV estão a atividade metabólica, a vestimenta, a temperatura do ar e a velocidade do ar (ASHRAE, 2001). Neste trabalho, para o cálculo do PMV foi adotado resistência térmica da vestimenta de 0,75 clo e a atividade metabólica típica de ambientes do tipo escritório. A umidade relativa do ar foi considerada constante (50%), e a temperatura média radiante igual à temperatura do ar. O PMV médio foi calculado para o ambiente e para um plano a 1 m do piso. A porcentagem de pessoas insatisfeitas, o PPD (Predicted Percent of Dissatisfied), também foi calculada. 2171

4 A TECA (T D ) combina os efeitos de temperatura e movimentação de ar na zona de ocupação em um ambiente condicionado. A falta de condições de uniformidade espacial ou a flutuação das condições também produzem desconforto (ASHRAE, 2001). Este índice pode ser calculado por meio da Eq. 1 (ASHRAE, 2001; LI et al., 2009). [Eq. 1] Nessa equação, T i e V i são a temperatura e a velocidade do ar no ponto i, respectivamente. T ave é a temperatura média do ambiente. Para que não haja desconforto pela distribuição desuniforme do ar, T D deve estar na faixa entre -1,7 C e +1,1 C e V i abaixo de 0,35 m/s (LI et al., 2009). 4. RESULTADOS A Fig. 2 apresenta a distribuição da TECA em um plano horizontal situado a 1 m do piso e paralelo ao mesmo. A Fig. 3 mostra a distribuição da TECA em um plano vertical que corta a primeira abertura de insuflamento (da esquerda para direita ver Fig. 2) na posição média. As zonas em azul escuro representam zonas desconfortáveis frias. Já as em vermelho escuro, desconfortáveis quentes. Figura 2 Distribuição da TECA em um plano horizontal situado a 1 m do piso. Figura 3 Distribuição da TECA em um plano vertical que corta a primeira abertura de insuflamento (da esquerda para direita olhar figura acima) na posição média. A Tab. 2 apresenta os valores de temperatura do ar, PMV e PPD para os valores médios na sala e no plano horizontal. 2172

5 Tabela 2 Valores de temperatura, PMV e PPD para os valores médios na sala e no plano analisado. S1 S2 S3 Média no Plano 21,57-0,25 6,30 21,38-0,52 10,66 21,32-0,51 10,44 Média na Sala 21,85-0,25 6,30 21,61-0,27 6,51 21,48-0,52 10,66 Os valores médios e a distribuição média dos índices de conforto na sala e no plano não tiveram grandes alterações comparando os três sistemas simulados. No entanto, foi possível notar que a diminuição da largura das aberturas de insuflamento mudou a trajetória do jato de ar. Quanto maior a largura da abertura, maior foi o alcance (horizontal) do jato de ar. O que fez com que as zonas de desconforto frias, no plano analisado e detectadas através da distribuição da TECA, se aproximassem da parede onde estão as aberturas de insuflamento de acordo com a diminuição da largura das aberturas como pode ser visto nas Fig. 2 e Fig. 3. Foi observado ainda que a temperatura média do ambiente diminuiu com o aumento da quantidade de aberturas de insuflamento (ou diminuição da largura das mesmas). Essa diferença deveu-se à diminuição do alcance do jato com a diminuição da largura da abertura. Quanto maior o alcance, menor é o percurso do jato de ar até as aberturas de exaustão, o que faz com que o jato de ar se misture mais com ar ambiente e troque mais calor antes de ser eliminado nas aberturas de exaustão. 5. CONCLUSÕES Os três casos simulados apresentam as mesmas condições de contorno (velocidade, vazão e temperatura) nas aberturas de insuflamento. Foram variadas a posição, a largura e a quantidade de aberturas de insuflamento. Os três sistemas de condicionamento de ar tinham a mesma capacidade frigorífica. A variação na quantidade de aberturas de insuflamento fez com que a largura das mesmas fosse reduzida para manter a mesma área total de insuflamento e as mesmas condições de contorno para os casos estudados. A diminuição da largura das aberturas de insuflamento diminuiu o alcance do jato de ar, alterando o posicionamento das zonas de conforto e de desconforto. Enfatiza-se assim que a geometria das aberturas de insuflamento possui influência direta na trajetória do jato de ar, na distribuição de temperatura e no conforto térmico no ambiente. REFERÊNCIAS ASHRAE. ASHRAE Handbook Fundamentals. Atlanta, FANGER, P. O. Human requirementes in future air-conditioned environments. International Journal of Refrigeration. v. 24, p , KARIMIPANAH, T. et al. Investigation of air quality, comfort parameters and effectiveness for two floor-level air supply systems in classrooms. Building and Environment. v. 42, p , LI, Q. et al. CFD study of the thermal environment in an air-conditioned train station building. Building and Environment. v. 44, p , STAMOU, A. et al. Verification of a CFD model for indoor airflow and heat transfer. Building and Environment. v. 41, p , AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPEMIG, à FUNARBE e ao CNPq pelo apoio financeiro ao grupo de pesquisa. 2173

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