A partir de 1998 passou a se dedicar ao segmento de telecom, tendo sido Gerente de Operação e 1

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1 Infra-estrutura de Sistemas de Ar Condicionado em Sites de Telecom Este tutorial apresenta a descrição de conceitos de Infra-estrutura de Sistemas de Ar Condicionado em Sites de Telecom. (Versão revista do tutorial original publicado em 17/01/2005). Augusto José Maluf Engenheiro Eletrônico (Mauá 1980), tendo atuado nas áreas de pesquisa e desenvolvimento de sistemas de automação predial, pesquisa e desenvolvimento de periféricos, engenharia de produtos, e implantação e operação de redes de Telecomunicações: Celulares, Fibra Óptica e Rádio. Ocupou posições de coordenação e gerência em empresas como Itautec, Intelis, Banco Safra e Pegasus Telecom. Atualmente trabalha na Telemar como consultor em sistemas de apoio à operação. Vergílio Antonio Martins Engenheiro de Eletrônica e Teleco, formado em 1983, FACENS-Sorocaba, tendo atuado nas áreas de Implantação e Gerenciamento de Projetos de Redes Ópticas, Sistemas Celulares e Sistemas de Automação e Controle. Mestre em engenharia pela Faculdade de Engenharia Naval - POLI-USP, com ênfase em Gerenciamento de Projetos. Especialista em Gestão de Projetos pela CEGP Fundação Carlos Alberto Vanzolini. MBA em Gestão Empresarial , pela EPGE-RJ da FGV. Doutorando, com ingresso em 2007, pela Faculdade de Engenharia Naval - POLI-USP. A partir de 1998 passou a se dedicar ao segmento de telecom, tendo sido Gerente de Operação e 1

2 Manutenção da Pegasus Telecom e Gerente de Planejamento e Controle de Projetos da BMT-Bechtel Método Telecom. Atualmente atua como diretor da Teleco em serviços de operações de outsourcing estratégico. Atua também em sua empresa a Kuai Tema Engenharia, criada em 2001, que tem por finalidade a prestação de serviços de gerenciamento de projetos. vmartins@teleco.com.br Categoria: Infraestrutura para Telecomunicações Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 20 minutos Publicado em: 15/12/2008 2

3 Sistemas de Ar Condicinado: O que é uma Infra-estrutura de Sistema de Ar Condicionado? A eficiência e confiabilidade de sistemas de infra-estrutura de telecom são elementos fundamentais para a operação das redes de telecom. Os custos de down-time (indisponibilidade de serviços), mesmo que de custa duração, podem representar uma perda potencial de produtividade, receitas e no limite extremo, a perda do cliente. Assim, um pequeno site, num ponto remoto da rede pode representar uma influência enorme na disponibilidade de um serviço. Para o atendimento de um serviço de telecom, na maioria das vezes, não é possível realizar por apenas um ponto da rede, um site, mas sim por recursos de infra-estrutura que estão distribuídos por diversos sites de telecom. Devido aos apertados tempos de implantação dos serviços, as prestadoras de serviço de telecom recorrem ao compartilhamento e locação de infra-estrutura com outras operadoras de telecom (concorrentes e parceiras de soluções ao mesmo tempo), o que exige dessas empresas que suas infra-estruturas atendam aos requisitos mínimos de qualidade determinados pelo mercado. Dentre os sistemas de facilidades da infra-estrutura de um site de telecom, o Sistema de Ar Condicionado tem por finalidade o controle da temperatura e umidade do ambiente, dentro de limites impostos para o funcionamento dos equipamentos eletro-eletrônicos e baterias do site. Ele tem por objetivo manter a temperatura e umidade do ambiente dos equipamentos em regime constante de 24 horas por dia, considerando as variações térmicas e de umidade no ambiente interno e externo ao site. Este tutorial traz alguns aspectos importantes quanto ao cuidado com o controle ambiental em que os equipamentos estão instalados. Devido às necessidades de crescimento das redes, à pressa nas implantações e desconhecimento técnico, é muito comum encontrarmos instalações de equipamentos de telecom com infra-estrutura inadequada de ar condicionado, o que acaba comprometendo a vida útil dos equipamentos e reduzindo a disponibilidade dos 3

4 serviços associados a esses sites. O problema mais comum é a utilização de equipamentos especificados para controle de temperatura em ambientes de conforto para as pessoas, sendo utilizados indevidamente para uso em salas de equipamentos. Atribui-se sua utilização pelo baixo custo de instalação e operação, mas que pode trazer a curto e médio prazo, impactos para a operação, representando graves prejuízos à operadora. 4

5 Princípio de Funcionamento do Sistema Um sistema de ar condicionado pode ser representado pelo diagrama apresentado na figura a seguir. O princípio de funcionamento básico é o mesmo que o de outros sistemas existentes, para diferentes aplicações de condicionamento ambiental. Seus aspectos construtivos mudam na mediada dos requisitos ambientais a que se destinam. São três os fatores importantes para o controle de um sistema de ar condicionado, que influenciam na qualidade do ar: temperatura, umidade e ventilação. O sistema adequado deve ser eficiente no controle desses três fatores. Seguindo o diagrama da figura, o ar flui a partir da esquerda, sendo sugado pelo ventilador de saída. Os filtros de entrada e de saída ajudam na limpeza do ar ambiente, e evitando o acumulo de partículas dentro do sistema. O primeiro retira a poeira grossa, por meio de um material fibroso, geralmente lã de vidro, na forma de tela que é substituída quando suja. A seguir, o filtro de saída, de segundo estágio, que é geralmente do tipo eletrostático, remove as partículas mais finas, como as de fumaça de cigarro. Nesse filtro usa-se alta-voltagem para carregar eletricamente as partículas de poeira, que então são atraídas para uma grelha de chapas carregadas com polaridade oposta. Dependendo da região e estação do ano em que o sistema estiver instalado existe um pré-aquecedor na entrada, responsável por um estágio de pré-elevação de temperatura. 5

6 Caso a unidade de controle perceber a necessidade de resfriamento do ar, é acionado o refrigerador, que consiste de um módulo de lâminas finas e paralelas envolvendo a serpentina do fluido refrigerante, que abaixa a temperatura determinada pelo ajuste do termostato. O estágio de aquecimento tem a finalidade de elevar a temperatura ao nível desejado para a sala de equipamentos. O refrigerador nos sistemas de ar-condicionado, quando em funcionamento, acaba abaixando a umidade do ambiente, como pode ser observado pelo gráfico da figura a seguir que apresenta o comportamento do gradiente de temperatura entre o ambiente interno e externo, no sistema de ar condicionado. A umidade desejada é produzida pela injeção, no ar, de vapor ou de finíssimas gotículas de água, por um vaporizador. Isso também é controlado por um sensor, situado dentro do ambiente. No caso de umidade excessiva, o método usual é fazer com que o ar seja esfriado e depois reaquecido, se necessário, no estágio de controle de temperatura, para que a umidade se condense nos tubos de refrigeração. Os componentes até aqui descritos ficam normalmente dentro do ambiente em que a temperatura é controlada, ou seja, o ambiente interno. O módulo composto pelo condensador e refrigerador, que fazem parte daquilo que os fabricantes chama de circuito de refrigeração, ficam normalmente instalados na parte externa, ou em contato com o ambiente externo. Os componentes até aqui descritos ficam normalmente dentro do ambiente em que a temperatura é controlada, ou seja, o ambiente interno. O módulo composto pelo condensador e refrigerador, que fazem 6

7 parte daquilo que os fabricantes chama de circuito de refrigeração, ficam normalmente instalados na parte externa, ou em contato com o ambiente externo. O fluido refrigerante, utilizado era o CFC (Cloro Flúor Carbono), que afeta a camada de ozônio. Esse, ou outros fluidos derivados dessas substâncias, tem a propriedade de ter baixo ponto de ebulição sob pressão atmosférica e manter-se dentro de tubulações por longo tempo, sem perder suas características. Esse é o princípio de funcionamento dos sistemas considerados pequenos e confinados num só equipamento. No caso de grandes sistemas, o princípio é semelhante ao descrito, tendo como diferença essencial que o fluido refrigerante utilizado é a água. O ar resfriado é então circulado por intermédio de dutos até os pontos de consumo ao longo da edificação. No mais, são várias variações que atendam às necessidades dos projetos e refinamentos no sentido de aumentar a eficiência do sistema, na busca de menor consumo de energia elétrica utilizada para alimentar esses sistemas. Conceito de Ar Condicionado de Precisão Os sistemas de ar condicionado de precisão são projetados exatamente para atender ao propósito de manter a qualidade do ar no ambiente controlado dentro de rigorosas especificações. Diferentemente dos chamados condicionadores de ar, destinados ao uso doméstico e de escritórios, que são projetados para dar conforto às pessoas, em uso intermitente (raramente funcionam em regime de 24 horas), mantendo a temperatura e a umidade dentro de limites aceitáveis, considerando certa variação no fluxo de pessoas. Os sistemas de ar condicionado de precisão projetado para uso em infra-estrutura, em que o uso é constante, requerem precisão no controle da temperatura, umidade e alta capacidade de resfriamento por área (m²), como é o caso da aplicação em salas de equipamentos de telecom. É importante compreender que os organismos vivos e os materiais dissipam energia de formas diferentes, a que se denomina: calor sensível e calor latente. 7

8 Calor Sensível: é o calor gerado por: máquinas, iluminação, insolação externa e parte do calor gerado por pessoas no recinto. O calor sensível é o responsável pelo aumento da temperatura no ambiente a ser climatizado. Calor Latente: é o calor dissipado pela transpiração do corpo humano. O calor latente é responsável pelo aumento da umidade relativa do ar no ambiente climatizado. A capacidade de um condicionador é selecionada a partir do calor total. CALOR TOTAL = CALOR SENSÍVEL + CALOR LATENTE Os sistemas de ar do tipo conforto têm o foco na capacidade de controlar a temperatura e umidade em ambientes em que as pessoas estejam trabalhando, ou seja, tratar com o calor latente gerado no ambiente. Já o calor sensível dos equipamentos deve ser tratado por sistemas com a habilidade de retirar o calor dos pontos de maior temperatura nos racks onde estão instalados os equipamentos. Admite-se apenas um certo número de pessoas circulando nesses ambientes, apenas nos casos de rotinas de manutenção. Comparando os dois tipos de ambientes: escritório e sala de equipamentos. No primeiro, a taxa de sensibilidade de calor é de algo em torno de 0,6. Isto significa que 60% do sistema de resfriamento destina-se a abaixar a temperatura do ambiente e 40% para retirar a umidade. No segundo caso, 90% para temperatura e apenas 10% para o controle da umidade. A densidade de calor em ambientes de sala de equipamentos é mais elevada se comparada com as salas de escritórios. Um sistema com capacidade de uma tonelada de resfriamento (12 mil BTU/hora ou 3413 watts-hora) é requerido para uma sala de 300 m². Isto que dizer algo em torno de 15 watts-hora/m². Esta mesma capacidade é necessária para uma sala de equipamentos com 100 m², o que representa uma densidade de 75 watts-hora/m². Apenas os sistemas de precisão são capazes de movimentar uma massa de ar nas salas de equipamentos (tipicamente de 25 m³ /min.), permitindo a retirada do calor dos diversos focos de calor espalhados na sala. 8

9 Classificação dos Sistemas de Ar Condicionado Sistemas em Containeres ou Shelters: Em infra-estrutura de redes de telecom do tipo wireless é muito comum a utilização desse tipo de sistema, seja em áreas urbanas como rurais. Em tamanhos mais comuns os sistemas de ar condicionado devem fornecer uma capacidade de resfriamento de 70 KBTU, em média. As soluções dos fabricantes para esses casos são tipicamente: Wall Mount (outdoor): instalados nas paredes laterais, pelo lado de fora dos containeres, numa configuração comum de redundância 1+1. Floor Mount (indoor): semelhantes aos anteriores, onde as unidades instaladas no piso, dentro dos containeres. Split: tem essa denominação pelo fato do sistema estar "dividido" em duas partes. O evaporador (refrigerador) fica indoor e o condensador fica oudoor. Sistemas em Cabines Externas: Este tipo de infra-estrutura de site atende para aplicações em topos de prédio, dentro de shoping-centers, ou mesmo pequenas estações urbanas e rurais. Nesses casos os sistemas de ar condicionado devem fornecer uma capacidade de resfriamento em torno de 15 KBTU. Para essas aplicações o espaço é um fator crítico, portanto, os sistemas de ar condicionado devem ter aspectos 9

10 construtivos compactos, acoplados à cabine. Sistemas em Centrais de Telecom: Infra-estruturas prediais, onde existem espaços específicos para equipamentos separados de ambientes do tipo escritório, os sistemas de ar condicionado devem atender as particularidades já mencionadas dos tipos de calor a serem dissipados. Sistemas de ar condicionado típicos para essas aplicações são de grande porte. Nesses casos é comum a utilização de sistemas do tipo chillers, com torres de resfriamento, que atendem a demandas de resfriamento na ordem de 300 a 4000 KBTU. Dependendo das dimensões e demanda de resfriamento das salas, é possível a utilização de sistemas do tipo indoor ou split utilizando configurações conjuntas de diversas máquinas, com redundâncias N+1. Um fator importante em grandes ambientes, como as salas de equipamentos, é o projeto de dutos que distribua de forma mais eficiente o ar resfriado para os pontos de consumo. Soluções comuns para esses casos é a utilização dos espaços inferiores dos pisos elevados para insuflar o ar frio, e a captação do ar quente por dutos elevados sob a sala de equipamentos. Unidade de Controle do Sistema de Ar Condicionado Os sistemas de infra-estrutura do site de telecom, tal qual o de ar condicionado, necessitam de intervenções de operação local e remota. A Unidade de Controle do sistema é responsável pelo controle, monitoração e operação do sistema, fornecendo sinalizações de status desses componentes em indicações locais (painéis de sinalização) ou remetendo ao sistema de gerenciamento central da rede. A Unidade de Controle atua nos equipamentos de ar condicionado de forma a manter os parâmetros de temperatura e umidade dentro dos valores ajustados pela operação, e fornecer alarmes de falha nos equipamentos de ar condicionado em situações anormais de temperatura e umidade. A Unidade de Controle realiza ainda a operação dos equipamentos de ar condicionado com as seguintes funcionalidades: Operação de reforço de carga automática das máquinas; Bloqueio em caso de falha, com ativação da 2ª unidade (em configurações redundantes); Desligamento do ar condicionado no caso de incêndio; Ajuste de set points de operação; Envio de alarmes. 10

11 Abaixo estão alguns valore típicos de ajuste (set points ) de controle dos condicionadores de ar: Item Descrição Valor 1 ALARME DE TEMPERATURA ALTA 34 C 2 ALARME DE TEMPERATURA BAIXA 16 C 3 ALARME DE UMIDADE ALTA 90 % 4 ALARME DE UMIDADE BAIXA 15 % 5 ATIVAÇÃO DA RESISTÊNCIA POR TEMPERATURA BAIXA 20 C 6 DESLIGAMENTO DA RESISTÊNCIA POR TEMPERATURA ALTA 22 C 7 TEMPERATURA PARA ATIVAÇÃO DO COMPRESSOR 24 C 8 TEMPERATURA PARA DESLIGAMENTO DO COMPRESSOR 22 C 9 TEMPERATURA PARA ATIVAÇÃO DA MÁQUINA RESERVA 27 C 10 TEMPERATURA PARA DESLIGAMENTO DA MÁQUINA RESERVA 24 C 11 TEMPO DE ALTERNAÇÃO ENTRE MÁQUINAS (RODÍZIO) 72 h 12 HABILITA CONTROLE ENTÁLPICO? (SIM / NÃO) SIM 13 HABILITA DAMPER? (SIM / NÃO) SIM 14 TEMPERATURA MÁXIMA PARA HABILITAR CONTROLE ENTÁLPICO 15 UMIDADE MÁXIMA PARA ABERTURA DE DAMPER / INSUFLADOR 18 C 60 % Os parâmetros acima poderão ser alterados, devido às características climáticas da localidade do site, e em função de características arquitetônicas. Alarmes e Sinalizadores : As sinalizações e comandos mais comuns presentes tanto nos painéis locais quanto disponíveis nas interfaces de gerenciamento dos sistemas de ar condicionado são: Alta temperatura; Rodízio das máquinas (quando em configurações de redundância); Avaria geral na máquina; Falta de energia de alimentação de Corrente Alternada - CA; Falta de energia de Corrente Contínua - CC: 24 ou 48 VCC; Alarme de excesso de umidade; Alarme de resumo geral, contemplando todos os anteriores, através de contato seco 5A/220VCA, para monitoração remota do sistema; Alarme de obstrução de filtros de ar (alarme com 50% de obstrução). O sistema de gerenciamento realiza o registro de eventos, armazenando na sua memória os eventos 11

12 operacionais para que este tenha um histórico da operação do sistema (ao menos uma semana, com data e horário associados aos eventos). A temperatura e umidade são monitoradas através de entradas analógicas e estes valores são indicados localmente em display de interface homem/máquina (IHM). Essas grandezas são sinalizadas remotamente em alarmes do tipo: temperatura alta e umidade alta, através de contatos secos. Modos de Operação do Sistema: Controle externo através do sistema de automação predial do site ou pela Unidade de Controle específica do sistema; Rodízio de máquinas, usando como parâmetro horas trabalhadas dos equipamentos; Habilitação do equipamento reserva em caso de falha do equipamento principal. Acionamento do damper de ar externo pelo módulo de controle de entalpia ou pelo sistema de ventilação de emergência, alimentado através de inversor CC/CA (220 V, bifásico, 60 Hz) em caso de ausência do fornecimento de energia comercial (concessionária). O sistema de ventilação de eergência permite que, no caso de falta de energia, os ventiladores dos evaporadores das duas máquinas de ar não sejam desligados, havendo, assim, a circulação do ar interno à sala ou container, que irá reduzir os gradientes de temperatura até a recuperação do sistema. Ocorrendo falha na unidade de controle, o controle do sistema pode ser assumido pelo modo manual de operação através de chave atuada localmente pelo operador. O sistema deve possibilitar, portanto, operação em manual, com atuação das máquinas através de termostatos. A transferência do modo automático para manual (termostato) será efetuada localmente através de chave. Esta chave transfere para os termostatos as saídas do controlador, que comandam as máquinas de ar condicionado. Nas instalações integradas com os demais sistemas de infra-estrutura do site, deve haver uma interface com o Sistema de Detecção e Combate de Incêndio de forma que quando o sistema de combate de incêndio for ativado, os condicionadores de ar sejam automaticamente desativados. Critérios Gerais para a Implantação do Sistema: O dimensionamento dos cabos alimentadores, aterramento e dispositivos de proteção dos condicionadores de ar deverão obedecer às prescrições da norma NBR-5410/1997; Os condicionadores de ar deverão ser identificados interna e externamente através de plaquetas, conforme projeto; A ativação dos condicionadores de ar ( start up ) deverá ser executada somente pelo fabricante ou empresa instaladora credenciada por este, cujo relatório de partida das máquinas deverá ser fornecido e mantido no as built do site; O sistema de dreno das máquinas de ar condicionado com tubulação pintada na cor verde direcionada para o ralo mais próximo, não deverá haver, acúmulo de água de condensação. 12

13 Sistemas de Ar Condicionado: Considerações Finais Os sistemas de telecom devem operar 24 horas por dias, nos 365 dias do ano. Este requisito representa um aspecto muito importante para o dimensionamento correto do sistema de ar condicionado, que afeta diretamente a vida útil dos equipamentos, o que representa custos na operação e manutenção. Um sistema de ar condicionado adequado deve representar algo como 3 a 5 % do investimento num site de telecom. Dados de eficiência de consumo de energia indicam que os sistemas de precisão podem representar ganhos significativos em termos de economia de energia, se comparados com a utilização de sistemas de conforto, quando aplicados em salas de equipamentos de telecom. Referências Normas ASHRAE - American Society of Heating, Refrigerating, Air Conditioning Engineers. Norma NBR-5410/ Norma Brasileira de Instalações Elétricas de Baixa Tensão. 13

14 Sistemas de Ar Condicionado: Teste seu Entendimento 1. Em relação aos conceitos de sistemas de ar condicionado, qual das alternativas está incorreta? O módulo composto pelo condensador e refrigerador, que fazem parte daquilo que os fabricantes chama de circuito de refrigeração, ficam normalmente instalados na parte interna do site. São três os fatores importantes para o controle de um sistema de ar condicionado, que influenciam na qualidade do ar: temperatura, umidade e ventilação. Os fluidos a base de HFC não interferem com o ozônio, mas contribuem para o efeito estufa. 2. De acordo com texto, qual das afirmativas está correta? O calor latente é dissipado através de máquinas, iluminação, insolação externa e parte do calor gerado por pessoas no recinto. O calor sensível é o responsável pelo aumento da temperatura no ambiente a ser climatizado. O calor latente é responsável pelo aumento da umidade relativa do ar no ambiente climatizado. Em salas de equipamentos a taxa de sensibilidade de calor é de algo em torno de 0,6. 3. Qual das afirmativas está correta? Um BTU, por definição, é a quantidade de energia (calor) requerida para elevar 1 Kg de água em 1 C. 1 watt-hora = 3,41 BTUs. 1 watt-hora = 3,60 joules. 14