CONDICIONAMENTO DE AR E SUA EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA

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1 LUCIENE PAVANELLO GONÇALVES CONDICIONAMENTO DE AR E SUA EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Anhembi Morumbi no âmbito do Curso de Engenharia Civil com ênfase Ambiental. SÃO PAULO 2005

2 LUCIENE PAVANELLO GONÇALVES CONDICIONAMENTO DE AR E SUA EVOLUÇÃO TECNOLÓGICA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Universidade Anhembi Morumbi no âmbito do Curso de Engenharia Civil com ênfase Ambiental. Orientador: Prof. Dr. José Rodolfo Scarati Martins SÃO PAULO 2005

3 iii RESUMO O conceito da máquina base do ar condicionado pouco evoluiu desde a invenção, compreendendo compressor, condensador e evaporador. Com a crescente preocupação com o meio ambiente, faz-se necessário o desenvolvimento de técnicas menos agressivas e mais econômicas, para que haja otimização tanto de recursos naturais como financeiros. Visando deslumbrar as evoluções tecnológicas do sistema de condicionamento de ar, desde seus conceitos fundamentais (mecanismo de transferência de calor, convecção, evaporação e radiação) até sua eficiência energética e sistêmica, juntamente com seu progresso técnico. A constatação através de comparação de dois sistemas de condicionamento de ar, entre o sistema convencional e o sistema Forro (Teto) Radiante, mostrou que mesmo adotando soluções alternativas, a minimização dos impactos e redução de recursos naturais e financeiros foram obtidos com êxito. Palavras Chave: Ar Condicionado; Evolução Tecnológica

4 iv ABSTRACT The concept of the conditional air machine was a little evolved since the invention, including compressing, condensing and evaporator. With an increasing concern about the environment, the development of less aggressive and more economic techniques becomes necessary, so that it has to optimise natural resources and financial. Aiming to regard the technological evolutions of conditioning air system, since it's basic concepts (mechanism of heat transference, convection, evaporation and radiation) until it's energy and efficiency, combined with its technical progress. The evidence through comparison of two conditioning air systems, the conventional system and the Lining (Ceiling) Radiating system, showed that even adopting alternative solutions, the decrease in impacts and reduction of natural and financial resources had been successfully achieved. Key Worlds: technological evolutions; conditioning air systems

5 v LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 5.1: Transmissão por condução Bryant (2001) Figura 5.2: Transmissão por convecção Bryant (2001)...30 Figura 5.3: Transmissão por radiação Bryant (2001) Figura 5.4: Ciclo de refrigeração por compressão de vapor Bryant (2001) Figura 5.5: Princípio geral (sistema de refrigeração por absorção) Bryant (2001). 34 Figura 5.6: Comparação entre os ciclos Bryant (2001) Figura 5.7: Processo de Compressão X Expansão de Gás Alberico (2003) Figura 5.8: Diagrama de aparelho de janela Bryant (2001)...39 Figura 5.9: Diagrama esquemático de um split Bryant (2001)...40 Figura 5.10: Sistema de Expansão Direta - tipo Self Contained Alberico (2003)...42 Figura 5.11: Central de Água Gelada Alberico (2003)...43 Figura 5.12: Termoacumulação Alberico (2003) Figura 5.13: Fluxograma de Água Gelada Bryant (2001)...48 Figura 5.14: Compressor Alternativo Bryant (2001) Figura 5.15: Compressor parafuso Bryant (2001) Figura 5.16: Compressor de palheta de duas palhetas Bryant (2001) Figura 5.17: Compressor scroll Bryant (2001)...53 Figura 5.18: Resfriador de líquido com compressor centrífugo Bryant (2001) Figura 5.19: Esquema de condensadores Bryant (2001) Figura 5.20: Tipos de evaporadores Bryant (2001) Figura 5.21: Dispositivos de expansão Bryant (2001) Figura 5.22: Consumo final de energia elétrica por setor Bryant (2001) Figura 5.23: Taxas de consumo elétrico no ano de 1988 Bryant (2001) Figura 5.24: Taxas de consumo elétrico (expansão direta) Bryant (2001) Figura 5.25: Desempenho de diversos compressores Bryant (2001)...67 Figura 5.26: Operação de um Tanque de Termoacumulação Bryant (2001) Figura 6.1: Consumo de energia para diferentes sistema de ar - Alberico (2005) Figura 6.2: Componentes do sistema - Alberico (2005) Figura 6.3: Instalação do Sistema Forro (Teto) Radiante - Alberico (2005) Figura 6.4: Estratégias de controle - Alberico (2005)....85

6 vi Figura 6.5: Sistemas de controle - Alberico (2005) Figura 6.6: Central Produtora de Frio - Alberico (2005) Figura 6.7: Representação das salas - Alberico (2005) Figura 6.8: Comparativo dos sistemas - Alberico (2005)...89 Figura 6.9: Reaproveitamento da água de desumidificação - Alberico (2005) Figura 6.10: Elevação do pé direito - Alberico (2005) Figura 6.11: Áreas destinadas à Casa de Máquinas - Alberico (2005) Figura 6.12: Instalação dos fancoil s sobre forro rebaixado - Alberico (2005)....95

7 vii LISTA DE TABELAS Tabela 1.1: Distribuição das variáveis referentes ao desconforto ambiental...15 Tabela 1.2: Cronologia da Idade Moderna Tabela 1.3: Cronologia da refrigeração mecanizada...18 Tabela 1.4: Cronologia do início do ar condicionado...18 Tabela 1.5: Desenvolvimento dos Equipamentos de Refrigeração Tabela 5.1: Possibilidades de aplicação dos diversos compressores Tabela 5.2: Determinação do protocolo de Montreal...50 Tabela 5.3: Comparativo de aplicação dos diversos compressores...54 Tabela 5.4: Possibilidades de aplicação dos diversos compressores Tabela 5.5: Condições internas de conforto para residências e escritórios Tabela 5.6: Sintomas de ocupantes de Edifícios Doentes...73 Tabela 5.7: Problemas correlacionados a Síndrome dos Edifícios Doentes Tabela 6.1: Benefícios Anuais...96 Tabela 6.2: Benefícios Imediatos....97

8 viii LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas CFC Clorofluorcarbonetos HCFC Hidroclorofluorcarbono HFC Hidro-flúor-carbono KW / TR Relação do consumo de energia com a produção de frio. Btu/hora Potência é medida pela unidade inglesa British Thermal Unit.

9 ix SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Conforto Térmico História e Objetivo da Indústria de Refrigeração Cronologia Início da Termodinâmica Antigüidade Idade Moderna Início da refrigeração mecanizada Início do ar condicionado Desenvolvimentos dos Equipamentos Histórico dos Refrigerantes O condicionamento de Ar OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivo Específico METODOLOGIA DO TRABALHO JUSTIFICATIVA CONDICIONAMENTO DO AR Conceitos Básicos Calor Conservação de Energia Estados da Matéria Temperatura Direção e Regime de Transmissão de Calor...28

10 x 5.2 Métodos de Transmissão de Calor Condução Convecção Radiação Sistemas de Refrigeração: Compressão de Vapor x Absorção Sistema de Compressão de Vapor Sistema de Absorção Unidades Condicionadoras de Ar Tipos de Condicionadores de Ar Expansão Direta Individual Split As vantagens da utilização de Splits em ambientes pequenos Package Expansão Indireta - (Água Gelada) Termoacumulação Sistemas de Grande Porte Calor sensível e calor latente Fluido refrigerante Componentes do Sistema de refrigeração por Compressão à vapor Carga Térmica Ganhos de calor através do Envelope Ganhos por insolação nos vidros Ganhos por transmissão em paredes externas e tetos Ganhos diversos por transmissão de calor Fator de diversificação Eficiência Energética A energia no país...62

11 xi Impactos da Energia sobre o meio ambiente Eficiência Energética e Progresso Técnico Principais Consumidores de energia O consumo de energia nos sistemas de ar condicionado O Consumo de Energia nos Sistemas de Expansão Direta O Consumo de energia nos Sistemas de Expansão Indireta Alternativas para a Racionalização do Consumo de Energia Termoacumulação de Água Gelada Central de Água Gelada com Unidades de Absorção Qualidade do Ar Interior ESTUDO DE CASO Descrição da obra referente ao Estudo de Caso Sistema de Forro (Teto) Radiante Diferentes aspectos do Forro (Teto) Radiante Sistema de Controle Descrição dos conceitos utilizados e pontos relevantes entre os sistemas Sistema Convencional Sistema de Forro (teto) Radiante Comparativo sistêmico Reflexos Práticos Outras soluções por Radiação Air Chilled Ceiling Vigas Radiantes Vantagens do Sistema Teto (Forro) Radiante na obra estudada Aproveitamento da água de desumidificação dos Fancoils Elevação do Pé Direito do Edifício Redução na Altura Total do Edifício Consumo de energia do sistema....94

12 xii Área disponibilizada em área útil Redução do número de detectores de fumaça no Edifício Apresentação dos benefícios em Reais CONCLUSÕES...98 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...100

13 13 1 INTRODUÇÃO Atualmente, especialmente nas grandes cidades, não é possível imaginar as atividades do dia-a-dia sem ar condicionado. Em escritórios, janelas abertas deixarão entrar a poluição ambientais, e a poluição sonora, entre outras, elas por si só são criadoras de qualidade do ar inadequado. Quando se pensa em condicionar um ambiente, geralmente leva-se em consideração uma melhoria ou controle de um processo industrial ou a manutenção do conforto humano. Em um sistema industrial, as condições a serem mantidas são estabelecidas pela natureza do processo, do material ou dos equipamentos a se condicionar. Em um sistema para conforto, entretanto, as condições são determinadas pelos requisitos do corpo humano. Para realizar estas funções básicas o sistema de condicionamento de ar deve ter condições de controlar, no local condicionado, as propriedades e parâmetros relacionados ao ar, tais como temperatura, umidade, nível de ruído e qualidade do ar interior. Em função da variedade de parâmetros ambientais que devem ser satisfeitos, necessita-se de equipamentos condicionadores de diversos tipos e capacidades. Se uma potência imprópria for utilizada as condições ambientais podem não ser satisfeitas, durante algumas horas do dia. Além disso, caso seja escolhido um tipo errado de equipamento corre-se o risco de nunca se conseguir os valores de projeto. O fator economia também deve ser considerado, pois a seleção de um tipo errado e/ou potência imprópria do equipamento causará um consumo de energia e/ou água excessivo além de avaliar incorretamente o custo de aquisição. O bom dimensionamento é primordial para a redução do consumo de energia / água, para cálculo da carga térmica, para a especificação correta dos equipamentos, para cálculo correto da rede de distribuição de ar aumentando a eficiência do sistema.

14 Conforto Térmico O homem é um motor térmico, seu calor provém da queima dos alimentos nas células, entretanto, para manutenção do equilíbrio homeotérmico ele tem que jogar fora continuamente o calor, que é chamado de metabolismo, afirma Alberico (2003). Além do calor libera-se também umidade através da sudorese e da respiração. O conforto térmico é quando o organismo não sente dificuldade para eliminar o calor nestas condições o indivíduo não sente o meio e suas variáveis. As condições climáticas geralmente não interferem na temperatura limite interna do corpo humano que permanece constante, pois o homem é um ser homeotérmico e sua temperatura interna varia de 33º a 41º C. As alterações só irão ocorrer quando a temperatura do ambiente ultrapassa limites nos quais o organismo não consegue mais equilibrar a temperatura, quer seja baixa ou a alta temperatura. Quanto maior a atividade física, maior será o calor gerado por metabolismo. Por esse motivo, deve-se ter a preocupação de saber a função da arquitetura do ambiente a fim de prever o nível de atividade que será realizada em seu interior, para proporcionar a sensação de conforto às pessoas. Desta maneira pode-se verificar que a observação do conforto térmico dos ocupantes é de fundamental importância no projeto, e de forma a proporcionar aumento de produtividade das pessoas que ocupam o ambiente. Devido às diferenças de cada indivíduo, tais como a característica metabólica, a área superficial do corpo, quantidade de tecido adiposos (gordura), volume sangüíneo, além de outros tipos de variáveis tais como: vestimenta, tipo de atividade do indivíduo e outras, torna-se possível satisfazer toda a população de um local, em relação as condições térmicas ideais. Trabalhos apresentados por vários pesquisadores, relatam quantitativamente apresentados na Tabela 1.1.

15 15 Tabela 1.1: Distribuição das variáveis referentes ao desconforto ambiental. Variável Nível de observação Temperatura 15,8 % Nível de iluminação 11,0% Tabaco 9,80 % Ruído 8,70% Perturbações de ruído 8,50% Refração de luz 7,90% Odores 7,50% Umidade 7,10% Poeira 6,70% Sombra 5,10% Fonte: Alberico, Parece não haver nenhuma regra rígida que nos indique quais as melhores condições atmosféricas para o conforto de toda as pessoas, segundo Alberico (2003). O cliente que entra numa loja com ar condicionado vindo do calor forte da rua tem um bem-vindo sentido de alívio. O empregado ativo que tenha estado na loja durante várias horas poderá estar um pouco quente demais para sentir um conforto perfeito. As pessoas que dançam na pista de um restaurante sentem um certo calor enquanto os clientes sentados nas mesas estão confortáveis ou até com um pouco de frio. O conforto de um indivíduo é afetado por muitas variáveis. Saúde, idade, atividade, roupas, sexo, alimentação e aclimatação influem na determinação das melhores condições de conforto para uma pessoa especifica. O melhor que se pode fazer é selecionar essas condições sob as quais a maioria dos ocupantes de uma sala se sintam confortáveis. 1.2 História e Objetivo da Indústria de Refrigeração A primeira patente de uma máquina de refrigeração mecânica, segundo Alberico

16 16 (2003), foi inglesa e data de Seu princípio é semelhante ao dos sistemas de refrigeração mecânica atuais, e no seu texto de apresentação lê-se: um fluido volátil é usado para o propósito de produzir resfriamento ou congelamento de fluidos e ao mesmo tempo, condensar constantemente o fluido volátil repetindo a operação continuamente, sem perdas. Na segunda metade do século XIX, os equipamentos de refrigeração mecânica utilizados eram volumosos, dispendiosos e não muito eficientes. Estes equipamentos eram também de natureza tal que requeriam a assistência permanente de um mecânico ou um engenheiro de operação. Isso limitava o uso da refrigeração a poucas aplicações de maior porte, tais como fábricas de gelo, indústrias de empacotamento de carne, grandes depósitos de armazenamento, etc. A partir de 1900, com a eletricidade chegando as residências e o desenvolvimento do motor elétrico, a refrigeração foi se tornando cada vez mais popular em todo o mundo e, no decorrer de apenas algumas décadas, tornou-se a indústria gigantesca e de rápida expansão que é atualmente. Este progresso explosivo esteve associado a outro fator: o desenvolvimento de processos seriados de fabricação industrial, que tornou possível produzir a custos competitivos, equipamentos cada vez mais eficientes. O aparecimento do motor elétrico e, posteriormente (na década de 30), o desenvolvimento de refrigerantes seguros, tornaram possível diminuir o tamanho das unidades de refrigeração, além de eliminar o risco de toxidade e/ ou explosão dos antigos refrigerantes. Estes fatores conduziram a larga expansão do uso de sistemas de refrigeração, atualmente tão usadas em aplicações tais como refrigeradores e congeladores domésticos, pequenos aparelhos de ar condicionado, instalações comerciais e industriais. 1.3 Cronologia Início da Termodinâmica Alberico (2003), estudou a cronologia da termodinâmica desde a antigüidade, e

17 17 demonstrou a sua evolução, conforme segue Antigüidade Fogo utilizado como proteção, iluminação e preparação dos alimentos. Romanos utilizado na ventilação e aquecimento por painéis aquecidos Idade Moderna A Tabela 1.2 demonstra a evolução da cronologia ao longo da idade moderna. Tabela 1.2: Cronologia da Idade Moderna. Ano Acontecimento 1659 Robert Boyle Lei dos gases perfeitos Século XV Leonardo da Vinci - inventou o ventilador Século XVIII As soluções aquosas já eram conhecidas 1748 William Cullen e Joseph Black descobriram o calor latente 1770 James Watt Primeiro sistema de aquecimento a vapor 1775 William Cullen Fabricou gelo de forma artificial por vácuo 1785 Benjamim Franklin norma de construção, instalação e operação de locais para queima de combustível sólido 1800 Johns Dalton A pressão total é o resultado da soma das pressões parciais Fonte: Alberico, Início da refrigeração mecanizada A Tabela 1.3 demonstra o início da refrigeração mecanizada.

18 18 Tabela 1.3: Cronologia da refrigeração mecanizada. Ano Acontecimento 1851 John Gorrie máquina de refrigeração para a produção de gelo a partir de um ciclo aberto de ar 1851 Ferdinand Carré primeira unidade de absorção com amônia para a fabricação de gelo 1853 Alexandre Twinning - produziu 800 kg de gelo por dia em uma bomba de duplo efeito com Éter Sulfúrico como refrigerante 1872 David Boyle desenvolveu uma máquina por ciclo de compressão e amônia como refrigerante 1880 A refrigeração era usada na conservação de alimentos e controlar a fermentação da cerveja e do vinho 1880 O resfriamento do ar era feito por cestas cheias de gelo Fonte: Alberico, Início do ar condicionado A Tabela 1.4 demonstra o início do ar condicionado. Tabela 1.4: Cronologia do início do ar condicionado. Ano Acontecimento 1902 Willis Carrier Desenvolveu as fórmulas para a seleção e aplicação de ventiladores usados em caldeiras 1902 Willis Carrier O primeiro projeto de aquecimento, refrigeração, desumidificação e umidificação de uma gráfica Willis Carrier A construção de lavadores de ar para a partir do controle ponto de orvalho refrigerar e umidificar Willis Carrier apresentava: temperatura de bulbo seco, ponto de orvalho, e temperatura de bulbo úmido, calor latente e sensível. Fonte: Alberico, 2003.

19 Desenvolvimentos dos Equipamentos A Tabela 1.5 demonstra o desenvolvimento dos equipamentos de refrigeração. Tabela 1.5: Desenvolvimento dos Equipamentos de Refrigeração. Ano Acontecimento 1920 General Eletric O primeiro refrigerador doméstico fabricado com sucesso. Usava como refrigerante o dióxido de enxofre Willis Carrier desenvolve o refrigerador de água com compressor centrífugo 1926 Sistema de aquecimento por circulação natural da água 1927 Sistema de aquecimento por circulação forçada da água 1929 A Frigidaire desenvolveu o primeiro equipamento de ar condicionado compacto 1930 Thomas Midgley desenvolvimento das unidades de absorção com brometo de lítio 1931 Servel Desenvolvimento das unidades de absorção com brometo de lítio 1931 Willis Carrier Desenvolveu o sistema de ar condicionado para vagões ferroviários por ejetor de vapor 1935 Walter Jones Introduziu os tubos aletados em trocadores casco e tubos Fonte: Alberico, Histórico dos Refrigerantes Os refrigerantes são substituídos ao longo do tempo em função de estabilidade, compatibilidade com outros materiais, relação KW / TR e toxidade. As definições das unidades de medidas a seguir pode ser encontradas em diversas publicações, uma destas (Arcoweb, 2005) define que KW / TR é a relação consumo

20 20 de energia e produção de frio. Btu / h significa unidade térmica britânica por hora. É a unidade mais utilizada no Brasil para se definir a capacidade térmica de um equipamento BTU/h = 1 TR. Watt (W) é potência desenvolvida quando se realiza contínua e uniformemente um trabalho igual a 1 joule em cada segundo. O quilograma força metro por segundo (kgf m/s) não é muito usado, mas define o cavalo vapor (cv), ou seja, 1 cv = 75 kgf m/s. Assim 1 cv = 735,55 W. O cavalo vapor é usado para indicar potência de motores mas deveria ser evitado. Melhor usar watt e seus múltiplos. O inglês horse power (HP) eqüivale a 745,7 W. Outro desvio ocorre na especificação de potência térmica para equipamentos de refrigeração e carga térmica. São comuns o Btu por hora (Btu/h = 0,293 W) e a tonelada de refrigeração (TR = Btu/h). Esta última eqüivale à potência térmica necessária para fundir uma tonelada de gelo em 24 horas (mas atenção: a tonelada se refere à tonelada curta de lá, equivalente a 2000 libras). Século XIX até 1930 Uso de refrigerantes inorgânicos: - R amônia NH3 em uso até hoje em dia - R 764 dióxido de enxofre SO2 - R 30 cloreto de metila De 1930 a 1991 uso dos refrigerantes halogenados CFC e HCFC: - R 11 CFC Triclorofluormetano CCl3F - R 12 CFC - Diclorodifluormetano CCl2F2 - R 22 HCFC Monoclorodifluormetano CHClF2 - R 115 CFC Monocloropentafluoretano CClF2CF3 - R 502 mistura azeotrópica 48,8% R ,2% R-115 De 1996 em diante transição dos HCFC e uso dos HFC: - HCFC Hidro-cloro-fluor-carbono - R 22 Monoclorodifluormetano CHClF2 uso até R 123 Diclorotrifluoretano CHCl2CF3 uso até HFC Hidro-fluor-carbono - R 32 Difluormetano CH2F2 - R 125 Pentaflouretano CHF2CF3 - R 134a Tetrafluoretano CH2FCF3

21 21 - R 407c mistura de 23% R % R % R-134 a - Inorgânicos - R 117 Amônia NH3 - R 600 a Isobutano Dimetilpropano CH(CH3) 3 De 1930 a 1980 controles eletromecânicos e pneumáticos: - É necessário acompanhamento humano - É necessário ajustes freqüentes - É difícil identificar as panes, quando, onde e como ocorreu - A partir de 1980: - controles eletrônicos e micro-processados - Auto-gerênciamento evitando a parada da unidade - Registro das panes com detalhes com detalhes - Monitoração remota 1.4 O condicionamento de Ar Como o nome sugere, o condicionamento de ar diz respeito ao tratamento do ar ambiental, controlando não só sua temperatura, mas também sua umidade, pureza e movimentação, relata Bryant (2001). As aplicações de condicionamento de ar são basicamente de dois tipos: industrial e de conforto humano, de acordo com seu principal objetivo. As instalações típicas de condicionamento de ar de conforto encontram-se em residências, escolas, escritórios, igrejas, hotéis, supermercados, edifícios, ônibus, etc. Nestes casos, em geral, dispensa-se o controle rígido da umidade relativa do ar, que tornaria o sistema mais caro e de custo operacional mais elevado, sem, entretanto comprometer o conforto, visto que o ser humano é relativamente tolerante as variações de umidade relativa, afirma Bryant (2001). É importante ressaltar que, embora, a umidade não seja especificamente controlada, o sistema de

22 22 condicionamento de ar é projetado visando manter uma faixa de operação que é a de maior aceitação da maioria dos usuários (ao redor de 50% de umidade relativa).

23 23 2 OBJETIVOS A seguir são descritos os principais objetivos a que este trabalho se propõem. 2.1 Objetivo Geral Este trabalho tem por objetivo geral relatar o funcionamento básico do sistema de condicionamento de ar, como ele surgiu e o porque da dependência do mesmo nos dias atuais. Enfocando no texto, os impactos ambientais causados pelo sistema. 2.2 Objetivo Específico Este trabalho tem por objetivo específico analisar a necessidade da utilização do condicionamento do ar em diversas áreas, mostrar alguns impactos causados pelos sistemas de condicionamento e como reduzi-los de maneira a ajudar o meio ambiente. Detalhando e comparando dois sistemas diferentes de condicionamento de ar. Apresentando uma proposta com uma evolução tecnológica, no qual se consegue mostrar uma economia monetária, soluções técnicas viáveis e um conceito menos impactante no meio ambiente, em relação ao sistema convencional.

24 24 3 METODOLOGIA DO TRABALHO O presente trabalho tem por finalidade a exploração de conceitos teóricos relacionados com a termodinâmica no sistema de condicionamento do ar, desde seu surgimento até nos dias atuais. Fez-se a coleta criteriosa das bibliografias que deram base ao estudo, aplicando rigorosamente seus conceitos, normas e procedimentos que regem a Associação Brasileira de Norma Técnica ABNT. Após esta etapa, deu-se o início ao desenvolvimento do trabalho.

25 25 4 JUSTIFICATIVA Cada vez mais, a preocupação com o meio ambiente, faz-se presente nas nossas vidas e deveria ser uma constante nas soluções técnicas para a concepção dos projetos de engenharia. Quando se fala em meio ambiente, existem vários enfoques para medir a agressividade gerada perante à ele. Uma forma pouco discutida são os insumos empregados na fase de construção, mas sobretudo, aqueles consumidos durante à fase de utilização dos empreendimentos. Desta forma, para os prédios comerciais, objeto desse estudo, o sistema de condicionamento de ar é o principal consumidor individual, em edifícios de grande porte, de energia elétrica, correspondendo sozinho à algo em torno de 40% do consumo mensal de energia elétrica, bem como é também o maior consumidor de água, utilizada essa, nas torres de evaporação/resfriamento. Entretanto, as alternativas analisadas em um sistema de condicionamento de ar, possibilita que o edifício utilize de forma mais eficiente os recursos naturais, e consequentemente gere uma otimização no sistema, que levará a um projeto mais eficaz, buscando ser mais econômico e ecologicamente correto.

26 26 5 CONDICIONAMENTO DO AR A premissa do condicionamento do ar é considerar que só condicionam espaços fechados, segundo Alberico (2003), e é o controle simultâneo da Pureza, Umidade, Temperatura e Movimentação do Ar. Como fazer o controle da: - Pureza: Recirculando o ar contido no ambiente por Sistemas de Filtragem - Movimentação do Ar: Selecionando corretamente os equipamentos, dutos e dispositivos por onde circula o ar em função de limites de velocidade evitando ruído, sensação de arraste e sensação de ar parado. - Temperatura e Umidade: Estas variáveis se manifestam na forma de calor. - Temperatura: Calor Sensível sol, lâmpadas, computadores, pessoas (parcial). - Umidade: Calor Latente evaporação das pessoas, banho maria, café quente. 5.1 Conceitos Básicos Entende-se pelo condicionamento do ar transmissão de calor (de fora para dentro ou de dentro para fora dos ambientes fechados), afirma Alberico (2003) Calor Segundo Alberico (2003), calor é uma forma de energia. Isto se mostra evidente pelo fato de que o calor pode ser convertido em qualquer outra das formas de energia e que outras formas de energia podem ser convertidas em calor. Termodinamicamente, o calor é definido como energia em trânsito de um corpo para outro como resultado de uma diferença de temperatura entre dois corpos. Toda outra transmissão de energia ocorre como trabalho.

27 Conservação de Energia Sempre que um objetivo forneça ou perca calor, outro objeto receberá o calor perdido. Não existe o fenômeno do calor deixar e desaparecer de um objetivo material, afirma Alberico (2003) em seu texto. Quando uma barra de ferro quente resfria ao ar, o ar à sua volta torna-se mais quente. Quando ar é resfriado por água fria circulando em um tubo, o calor perdido pelo ar reaparece na água de resfriamento com um aumento correspondente na temperatura da água. Desta forma, percebe-se que o calor não pode ser criado nem destruído. O calor nunca de perde. Sem exceção, o calor apenas pode se transferir de um objetivo para outro. Quando o ar é resfriado, uma certa quantidade de calor é transferida do ar para qualquer outra substancia a uma temperatura inferior Estados da Matéria A matéria pode existir em três diferentes fases ou estados de agregação: sólido, liquido ou gasoso (vapor). Por exemplo, a água é um líquido, porém esta substância pode existir como gelo, que é um sólido, ou como vapor, que é um estado gasoso. Muitos materiais sob condições de pressão e temperatura apropriadas podem existir em qualquer e todas as formas físicas da matéria, segundo Alberico (2003). Demonstrar-se-à que a quantidade de energia apresentada pelas moléculas de material, determina não somente a temperatura do material, determina não somente a temperatura do material como também qual dos três estados físicos apresentará em um momento particular. Em outras palavras, a dição ou remoção de calor pode produzir uma mudança no estado físico do material, como também uma mudança de sua temperatura. É evidente que o calor pode produzir uma mudança no estado físico de um material, devido ao fato de que muitos matérias como os metais, fundem quando submetidos

28 28 a forte aquecimento. Ainda segundo Alberico (2003), os fenômenos da fusão do gelo e da água fervente, são conhecidos por todos nós. Cada uma dessas mudanças de estado físico produz-se pela adição de calor Temperatura A temperatura é uma propriedade da matéria, continua Alberico (2003) e é uma medida do nível da intensidade calorífica de pressão térmica de um corpo. Uma elevada temperatura indica um alto nível de pressão térmica, e diz-se que o corpo está quente. Da mesma forma, uma baixa temperatura indica um baixo nível de pressão térmica e diz-se que o corpo está frio. Foi já determinado que a temperatura é uma função da energia cinética interna e, como tal, é um índice da velocidade média molecular Direção e Regime de Transmissão de Calor O calor passará de um corpo para outro quando e somente quando exista uma diferença de temperatura entre ambos os corpos, relata Bryant (2001). Quando um corpo está em equilíbrio térmico (i.e., à mesma temperatura) com o ambiente circulante, não haverá transferência de energia calorífica entre o corpo e o ambiente circudante. A transmissão de calor realiza-se sempre da região de maior temperatura para a região de menor temperatura (do corpo mais quente para o corpo mais frio) e nunca na direção oposta. Posto que o calor é energia e, consequentemente, não é destruído ou consumido em qualquer processo, a energia em forma de calor que deixa um corpo deverá passar e ser absorvida por outro corpo cuja temperatura seja menor que a do corpo que está cedendo a energia. A taxa ou regime de transmissão de calor é sempre proporcional à diferença de temperatura que causa a transmissão.

29 Métodos de Transmissão de Calor Segundo Bryant (2001), a transmissão do calor ocorre de três formas: por condução, por convecção e por radiação Condução A transmissão de calor por condução ocorre quando a energia se transmite por contato direto entre as moléculas de um corpo ou mais, em perfeito contato térmico. Em qualquer caso, as moléculas aquecidas comunicam sua energia às outras que se encontram imediatamente adjacentes, conforme Figura 5.1. A transmissão de energia por condução, é similar as bolas de mesa de bilhar, onde toda ou parte da energia de movimento de uma bola, é transmitida no momento do impacto às outras bolas. Contato entre Corpo Quente e Corpo Frio Figura 5.1: Transmissão por condução Bryant (2001) Convecção A transmissão por convecção ocorre quando há fluxo de calor de um lugar para outro devido a correntes que se estabelecem no interior de um fluido, conforme

30 30 Figura 5.2. Estas correntes são conhecidas como corrente de convecção resultantes da modificação da densidade produzida pela expansão da porção aquecida do fluido. Movimentação de Gases a diferentes temperaturas. No caso o Fluido é Ar. Figura 5.2: Transmissão por convecção Bryant (2001) Radiação A transmissão de calor por radiação apresenta-se na forma de um movimento de onda similar às ondas de luz, onde a energia é transmitida de um corpo para outro sem necessidade de intervenção da matéria, conforme Figura 5.3. A energia calorífica transmitida por movimento ondulatório denomina-se de energia radiante. Propagação de Ondas eletromagnéticas em Linha Reta (do corpo quente para o corpo frio) Figura 5.3: Transmissão por radiação Bryant (2001).

31 Sistemas de Refrigeração: Compressão de Vapor x Absorção Para entender apropriadamente o ciclo de refrigeração, é necessária a compreensão de cada processo no ciclo, segundo Bryant (2001), e sua influência no mesmo. Qualquer mudança em qualquer um dos processos do ciclo, provocará mudanças em todos os demais processos. Apresentam-se a seguir as etapas dos ciclos de refrigeração Sistema de Compressão de Vapor O sistema de refrigeração por compressão de vapor é o mais utilizado dos sistemas de refrigeração, afirma Bryant (2001). É constituido basicamente por um compressor, um condensador, um dispositivo de expansão e um evaporador, todos interligados, através dos quais circula um fluido de trabalho, conforme demosntrado na Figura 5.4. CONDENSADOR Processo 2-3 VÁLVULA DE EXPANSÃO COMPRESSOR Processo 3-4 Processo 4-1 EVAPORADOR Processo 1-2 Figura 5.4: Ciclo de refrigeração por compressão de vapor Bryant (2001).

32 32 O fluido de trabalho é um material que se transforma facilmente de gás para líquido e vice-versa, sob um grande intervalo de pressão e temperatura. A definição de fluido de trabalho pode ser encontrada em diversas publicações, uma delas (Arcoweb, 2005) define que o fluido de trabalho se move através do ar condicionado em três componentes principais, o compressor, o condensador, e o evaporador em um ciclo contínuo. Por serem dotados de propriedades termodinâmicas que os tornam adequados à utilização em sistemas de refrigeração, tais fluidos são frequentemente denominados de fluidos refrigerantes. O processo 1-2 corresponde à compressão do fluido de trabalho. Em um processo ideal de compressão, não existe troca de calor com o meio (compressão adiabática), nem irreversibilidades (atrito viscoso, atrito entre as partes sólidas móveis, etc.), e o fluido descreve um processo que segue uma linha de entropia específica constante. No compressor, o refrigerante sofre um aumento de temperatura e pressão através da linha de descarga, sendo lançado no condensador. No condensador, processo 2-3, o fluido refrigerante entra superaquecido e sai no estado de líquido saturado ou subresfriado. O calor latente de condensação do refrigerante é transferido através das paredes do condensador para um meio externo, podendo o fluido que recebe o calor rejeitado ser ar (sistemas de refrigeração com condensação a ar) ou água (sistemas de refrigeração com condensação a água). Em certos casos, o refrigerante líquido é armazenado no fundo do condensador, o qual passa a funcionar também como receptor, enquanto que em outros casos existe um tanque em separado para armazenar o refrigerante. No processo 3-4 é feita a expansão do fluido (processo de diminuição de pressão). O refrigerante escoa através da linha de líquido, atravessa um filtro e passa pelo dispositivo de expansão. Estando o refrigerante líquido à montante do dispositivo (usualmente uma válvula) geralmente na condição de saturação (ou ligeiramente subresfriado), a perda de pressão causa a evaporação de parte da massa líquida, de modo a ajustar seu volume específico às novas condições de pressão e

33 33 temperatura. A evaporação de parte da massa líquida tem como única fonte de energia para a mudança de fase o calor proveniente do próprio fluxo, havendo então uma transferência adiabática (e isentálpica) na mistura bifásica (líquido e vapor). Ao entrar no evaporador (processo 4-1), o fluido refrigerante retira calor do meio refrigerado e se evapora, podendo estar levemente superaquecido à saída do equipamento (como segurança, para evitar a entrada de líquido no compressor). O meio resfriado pode ser ar (caso, por exemplo, de câmaras de refrigeração, condicionadores de ar domésticos, etc.) ou líquido (no caso de chillers, realiza-se o resfriamento intermediário do líquido, o qual será utilizado como meio de resfriamento final). A sucção do compressor extrai o vapor proveniente do evaporador através da linha de sucção (geralmente isolada termicamente), completando o ciclo Sistema de Absorção Nos sistemas de refrigeração por absorção, ocorre a transferência de calor da região de baixa temperatura para a região de alta temperatura através de processos de absorção e dessorção do fluido refrigerante na fase vapor e de uma solução líquida (que é normalmente uma mistura binária composta pelo refrigerante, água ou amônia, e uma outra substância, por exemplo, um sal como o brometo de lítio). Durante o processo de absorção há transferência de calor para o meio ambiente e durante o processo de dessorção há fornecimento de calor para o ciclo (no gerador) a partir de uma fonte de calor a alta temperatura, segundo Bryant (2001). Os processos que compõem um ciclo de absorção estão indicados na Figura 5.5.

34 34 GERADOR CONDENSADOR ÁGUA DE CONDENSAÇÃO CALOR ABSORVEDOR EVAPORADOR ÁGUA GELADA BOMBA DE SOLUÇÃO Figura 5.5: Princípio geral (sistema de refrigeração por absorção) Bryant (2001). Estes processos são caracterizados por trocas de calor (vaporização e condensação) e por trocas simultâneas de calor e massa (dessorção e absorção). São eles: vaporização do refrigerante no evaporador; absorção do refrigerante pela solução no absorvedor; separação (dessorção) do refrigerante no gerador; condensação do refrigerante no condensador; redução de pressão entre as pressões do condensador e evaporador; bombeamento da solução entre o absorvedor e gerador. Na Figura 5.6, o lado direito representa o ciclo de compressão e o lado esquerdo o ciclo de absorção, sendo que o evaporador e o condensador são comuns para os dois ciclos. Ciclo de Absorção Ciclo de Compressão Q ge Q cd Gerador Condensador Válvula de Expansão Válvula de Expansão W Compressor W b Absorvedor Evaporador Bomba de solução Q ab Q ev Figura 5.6: Comparação entre os ciclos Bryant (2001).

35 35 Entretanto, a função executada pelo compressor no ciclo de compressão, isto é, o aumento dos níveis de pressão e temperatura do estado de saída do evaporador até o estado de entrada no condensador, é realizada no ciclo de absorção pelo conjunto absorvedor-gerador, que são os equipamentos onde ocorrem os processos de separação e mistura dos componentes da mistura binária empregada no sistema. Estes processos são desencadeados pelas transferências de calor existentes no gerador e absorvedor. Durante o processo de absorção há transferência de calor para o meio ambiente e durante o processo de dessorção há fornecimento de calor para o ciclo (no gerador) a partir de uma fonte de calor a alta temperatura. O ciclo de absorção é composto pelos processos descritos a seguir, sendo dois deles caracterizados por trocas de calor (vaporização e condensação) e dois outros caracterizados por trocas simultâneas de calor e massa (dessorção e absorção). São eles: vaporização do refrigerante no evaporador; absorção do refrigerante pela solução no absorvedor; separação (dessorção) do refrigerante no gerador; condensação do refrigerante no condensador; redução de pressão entre as pressões do condensador e evaporador; bombeamento da solução entre o absorvedor e gerador. 5.4 Unidades Condicionadoras de Ar O condicionador de ar é um aparelho que tem como objetivo tratar do ar de um ambiente, proporcionando condições de temperatura e umidade ideais para o ser humano, segundo Alberico (2003). Projetado para proporcionar conforto térmico a um ambiente fechado e para ser instalado em janelas, paredes, casas de máquinas, etc., compõe-se de um sistema de refrigeração e desumidificação com circulação e filtragem do ar, podendo, ainda, Incluir renovação do ar e aquecimento.

36 36 Todo ambiente que tem seu ar controlado, com temperaturas de acordo com as temperaturas de conforto térmico percebidas pelo corpo humano, proporcionando conforto ao usuário, gerando maior produtividade, saúde e principalmente bem-estar. As unidades condicionadoras de ar podem ser de expansão direta ou expansão indireta. Expansão direta é um sistema onde o fluido refrigerante troca calor diretamente com o ar insuflado no ambiente. Expansão indireta é um sistema onde um fluido intermediário realiza a troca térmica entre o fluido refrigerante e o ar tratado. Como exemplo de condicionadores de ar de expansão direta, pode-se citar os aparelhos de janela, os splits 1, as unidades tipo package e os rooftops. No caso de expansão indireta, utilizam-se unidades resfriadoras de líquidos e condicionadores de ar tipo fancoil. O ar introduzido num espaço condicionado deverá ser distribuído de tal modo que, dentro da zona ocupada (nível de 1,80 metros acima do assoalho), não haja bruscas variações de temperatura e que a quantidade de ar seja fornecida às diferentes seções do ambiente, sem correntezas de ar. Uma correnteza de ar pode-se definir, como uma corrente de ar sensível, afirma Alberico (2003). As correntezas de ar são reprováveis, segundo Alberico (2003). Deverá, contudo, existir uma movimentação de ar pois se não houver, os ocupantes sentir-se-ão desconfortáveis. O calor e a umidade devem ser retirados do corpo à medida que são liberados ou então cada ocupante será envolvido por uma camada parada de ar quente e úmido. O tipo de ocupação, a disposição física da sala, o nível aceitável de ruído e o grau de atividade dos ocupantes influencia a velocidade permissível do ar num espaço condicionado. Geralmente uma velocidade de 0,08 a 0,13 m/s a 0,33 m/s constitui uma correnteza de ar para a maioria das pessoas. Para resfriar um espaço com ar condicionado, o ar insuflado é normalmente introduzido na sala entre 6 e 17 graus abaixo da temperatura do ar requerida para a 1 Condicionador de Ar, descrito no item

37 37 sala e uma velocidade consideravelmente superior a 0,08 m/s. Suponhamos que a sala é para ser mantida a 26º C e o insuflamento de ar condicionado se processa a 15ºC e 2,5 m/s. Um bom sistema de distribuição de ar para esta deverá fazer o seguinte: - Misturar ar da sala com ar frio insuflado de modo a que ao atingir a zona ocupada, a corrente de ar esteja suficientemente quente para não incomodar. - Reduzir a velocidade do ar antes de atingir a zona ocupada para evitar correntezas desagradáveis. - Produzir uma movimentação de ar uniforme na totalidade da zona ocupada. - Manter o ruído do ar nas bocas de insuflamento e nas grelhas de retorno abaixo do nível incômodo. 5.5 Tipos de Condicionadores de Ar Os tipos de condicionadores de ar podem ser de Expansão Direta ou Indireta, todos apresentam um sistema de Transmissão de calor em comum, como se verá adiante, afirma Alberico (2003) Expansão Direta Estes apresentam o sistema comum a todos e o processo de Compressão x Expansão de Gás associados ao fenômeno exotérmico e endotérmico. A Figura5.7 apresenta o processo de Compressão x Expansão de Gás.

38 38 Reservatório (endotérmico) e se Compressor Figura 5.7: Processo de Compressão X Expansão de Gás Alberico (2003). A transmissão de calor deve-se ao calor do ambiente que foi removido através do fluido, que ao mudar de estado, expulsa o calor para o exterior Individual O condicionador de ar individual incorpora a unidade evaporadora e a unidade condensadora em único gabinete. A unidade evaporadora é aquela em há a sucção do ar quente do ambiente e a devolução do ar refrigerado no caso do modo de resfriamento. A unidade condensadora, onde se localiza o compressor, é responsável pela eliminação do ar quente para fora da residência (para o meio externo), conforme Figura 5.8.

39 39 Figura 5.8: Diagrama de aparelho de janela Bryant (2001). A versão a frio, é adequada àqueles que vivem em cidades com altas temperaturas mas com um inverno ameno. Ela permite ventilar ou refrigerar o ambiente. A versão quente/frio é ideal para pessoas que além de desejar um bom ar refrigerado também necessitam de aquecimento nos períodos de frio. Esta versão possibilita ventilar, refrigerar e também aquecer o ambiente, segundo Bryant (2001) Split O split é um conceito em equipamento de condicionamento de ar, extremamente versátil, projetado para condicionar pequenos, médios e grandes ambientes com grande eficiência e baixo consumo de energia. A principal característica desse sistema é a instalação das partes ruidosas do equipamento em áreas externas, deixando apenas a unidade evaporadora no interior dos ambientes, instalada no forro ou em paredes. Segundo Bryant (2001), outras vantagens estão na possibilidade de controle individual e nos compressores de alta eficiência. O condicionador de ar split interliga a unidade evaporadora e a unidade condensadora através da linha frigorígena (utilização de tubos de cobre). A unidade evaporadora realiza a sucção do ar quente do ambiente e a devolução do ar refrigerado no caso do modo de resfriamento, é a unidade interna, aquela que fica no interior da sala.

40 40 A unidade condensadora, aquela instalada fora do seu ambiente interno, succiona o ar externo e devolve mais quente. A unidade condensadora, por possuir o compressor em seu interior, ao ser instalado fora, levará o ruído para longe. Assim, o split é ideal para aqueles que desejam um condicionador de ar silencioso. A Figura 5.9, mostra o diagrama esquemático de um split. Figura 5.9: Diagrama esquemático de um split Bryant (2001) As vantagens da utilização de Splits em ambientes pequenos Com capacidades variando entre Btu/h a Btu/h, os aparelhos split possuem controle remoto total de funcionamento e temperatura. A instalação é simples, desde que observadas as exigências técnicas do equipamento, afirma Bryant (2001). Além disso, permite muitas opções na escolha de seu posicionamento, uma vez que suas unidades são independentes. A evaporadora é instalada no próprio ambiente e a condensadora (unidade mais ruidosa) na parte externa, possibilitando um funcionamento silencioso dentro do ambiente que está sendo climatizado. A unidade externa (condensadora) se interliga à unidade interna (evaporadora), continua Bryant (2001), através de tubulações de cobre, onde circula um tipo de gás,

41 41 conhecido como gás refrigerante, o qual promove o ciclo de refrigeração ou aquecimento. Na função de refrigeração, a evaporadora produz água, sendo necessária a colocação de ponto de drenagem. Na função de aquecimento, a água é produzida pela condensadora. A linha split traz muitas vantagens para os projetos, flexibilizando a escolha da localização da unidade evaporadora, permitindo um aproveitamento melhor dos espaços. O ideal é que a opção por utilizar split seja considerada na fase de projeto, pois pode-se prever soluções mais eficientes para a saída de dreno e tubulação de gás. Como exemplo das novas soluções possíveis com o split, podemos citar os projetos de edifícios residenciais, que, atualmente, têm cômodos com dimensões reduzidas e com previsão de colocação de aparelhos condicionadores de ar embaixo da esquadria, o que limita muito a organização do espaço interno. Com a previsão para split, é possível uma alternativa versátil para a instalação da unidade interna em outra posição, permanecendo a condensadora no local destinado ao aparelho de parede, permitindo assim maior liberdade para a decoração e otimização do espaço. Muitas vezes, a escolha do aparelho terá como um dos fatores determinantes o local possível para sua instalação. Portanto, uma criteriosa análise inicial do projeto será fundamental para a correta determinação do local destinado à instalação do condicionador de ar Package Os condicionadores de ar tipo Package têm como característica básica a operação de todos os componentes do ciclo de refrigeração dentro de um único gabinete, segundo Bryant (2001). Como exemplos, tem-se as unidades condicionadoras de ar tipo Self Contained (ar ou água) e unidades tipo Rooftop. Self Contained são aqueles condicionadores de ar compactos ou divididos que encerram em seus gabinetes todos os componentes necessários para efetuar o tratamento do ar, tais

42 42 como: filtragem, refrigeração, umidificação, aquecimento, desumidificação, movimentação do ar. Possuem ainda sistemas de comando, controles e segurança. Praticamente são condicionadores que para operar necessitam somente esperas de força (energia elétrica) e de drenagem. Suas potências normalmente situam-se na faixa de 3TR a 30TR, podendo tanto ser instalados com insuflamento com Plenum ou como condicionadores Centrais, geralmente distribuindo o ar tratado através de redes de dutos. Os Rooftops são também enquadrados nesta categoria, continua Bryant (2001), a grande maioria das unidades Self Contained são construídos com sistemas de refrigeração por compressão e expansão de fluido refrigerante, conforme figura 5.10, e consomem grandes quantidades de energia elétrica. Existem, porém, unidades de médio e grande porte cujo método de captação de calor é a absorção, com brometo de lítio, que consomem gás natural, e a parcela de energia elétrica é ínfima. Figura 5.10: Sistema de Expansão Direta - tipo Self Contained Alberico (2003).

43 43 As unidades tipo Package são de expansão direta e são usualmente encontradas em instalações de médio porte. O ponto em comum com os sistemas de expansão direta que é a central de produção de frio. Estas unidades tem larga aplicação onde o horário de ponta é definido com longa duração durante o dia (na Califórnia, onde há aplicação de Rooftops em Shopping Centers, são 8 horas por dia. Aqui no Brasil são de 3 horas) Expansão Indireta - (Água Gelada) Nos sistemas de expansão indireta faz-se necessária a instalação de uma Central de água Gelada, afirma Alberico (2003), conforme mostra a Figura 5.11, com resfriadores de líquidos que são responsáveis pelo fornecimento de água gelada para as unidade condicionadoras de ar tipo fancoil presentes em cada ambiente a ser condicionado. Cada ambiente condicionado possuirá, de acordo com sua área, um ou mais sensores de temperatura que transmitem um sinal elétrico para o atuador da válvula instalada na tubulação de retorno da unidade condicionadora de ar. Figura 5.11: Central de Água Gelada Alberico (2003).

44 44 Os sistemas de expansão indireta são geralmente encontrados em instalações de grande porte, tais como shoppings, prédios comerciais e residenciais. Este sistema geralmente é o mais energicamente eficiente. Sua produção de frio é separada da distribuição de frio, interligada por linha de Água Gelada. São caracterizados pelo uso de FANCOILS (pequeno porte, no Brasil diz-se Fancoletes) ou AIR HANDLING UNITS (grande porte). O Fancoil, é o componente do sistema provido de serpentina e ventilador, continua Alberico (2003), o ventilador força o ar a passar através da serpentina, momento em que acontece o processo de refrigeração do ar. Da serpentina, o ar é encaminhado aos ambientes através das redes de dutos, sendo difundido através de difusores e grelhas Termoacumulação É um sub-sistemas que pode ser agregado à Central de Produção de Frio objetivando benefícios nos gastos operacionais. Pode ser a Água ou a Gelo constituídos por grandes tanques de armazenamento de gelo ou água que funcionam como garrafa térmica. No Brasil temos a seguinte política tarifária, para consumidores não-residenciais, relata Alberico (2003): - Energia Elétrica: Horário de Ponta 17:30 as 20:30 tarifas de demanda e consumo mais caras. - Água: Tarifa de valor constante ao longo do dia é cobrado valor de água e de esgoto. - Funcionamento da Termoacumulação: A Figura 5.12, demonstra como a termoacumulação funciona.

45 45 Figura 5.12: Termoacumulação Alberico (2003). A finalidade do sistema de acúmulo de frio é permitir o desligamento do maior número de consumidores elétricos no horário mais caro, sem que o benefício seja interrompido. Segundo Alberico (2003), isto é possível e esta demonstrado na Tabela 5.1 tomando como exemplo um shopping cujo funcionamento vai das 10:00 as 24:00 horas. Tabela 5.1: Possibilidades de aplicação dos diversos compressores. 24:00 10:00 h 10:00 17:30 h 17:30 20:30 h 20:30 24:00 h Torre Operando Operando Parada Operando Bomba de Operando Operando Parada Operando condensação Resfriador Operando produzindo gelo Operando Sol. Normal (B) Parado (D) Operando Sol. Normal (B) Bomba primária Operando Operando Operando Operando Válvula X Port. 1 fechado 2 e 3 Modulando (C) Port. 1 fechado 2 e Modulando (C) abertos 3 abertos Válvula Y Port. 3 fechado 1 e 2 abertos 1 e 3 abertos 2 fechada 2 fechada 1 e 3 aberta 1 e 3 abertas e 2 fechadas Tanque de gelo Carregando Descarregando Descarregando Descarregando Trocador de calor Sem carga Com carga Com carga Com carga Bomba secundária Parada Operando Operando Operando Fan Coil Parada Operando Operando Operando (A) Tem um duplo Set Point e quando produz gelo descarrega solução de etileno glicol a 5ºC (B) Set Point para +5ºC (C) Acionada por sensor de Temp. na linha de água gelada (D) Permite fluxo de solução Fonte: Alberico, 2003.

46 Sistemas de Grande Porte Os resfriadores de líquido são habitualmente utilizados em instalações de grande capacidade, segundo Bryant (2001), onde diversas vantagens podem ser obtidas, tais como a redução de custos e facilidade de operação, o custo operacional KW / TR (KW / TR é a relação consumo de energia e produção de frio) mais baixo, baixo espectro e emissão sonora, controle eletrônico, compressores múltiplos (boa eficiência energética em carga parcial). Uma central de água gelada com resfriadores de líquidos é responsável pelo fornecimento de água gelada para as unidades condicionadoras de ar tipo fancoil presentes em cada ambiente a ser condicionado. Cada ambiente condicionado possuirá, de acordo com sua área, um ou mais sensores de temperatura que transmitem um sinal elétrico para o atuador da válvula de duas vias (anel hidráulico primário e secundário) ou válvulas de três vias (anel hidráulico primário), que é instalada na tubulação de retorno da unidade condicionadora de ar. De acordo com a carga térmica requerida em um determinado horário, a unidade condicionadora de ar precisará de quantidade variável de água gelada para combater a carga térmica, continua Bryant (2001), necessitando assim da válvula para controlar o fluxo de água gelada que circula pela serpentina e conseqüente modulação da carga térmica. Com todos os fancoils operando desta forma, concluí-se que a vazão de água gelada será proporcional a intensidade de carga térmica. Contudo, sabe-se também que os resfriadores de líquidos necessitam de vazão constante no evaporador, para que tenham um funcionamento perfeito. Sendo assim, os sistemas podem operar com um (circuito primário) ou dois circuitos hidráulicos (circuito primário e secundário) no sistema de água gelada, o circuito primário de água gelada geralmente encontra-se nos limites de central de água gelada, tendo como característica uma vazão constante de para cada unidade

47 47 resfriadora de líquido e a presença de uma bomba de água gelada denominada primária, intertravada eletricamente com cada unidade, assegurando assim não somente a vazão constante requerida, mas também a operacionalidade do sistema, uma vez que a quantidade de unidades em funcionamento varia de acordo com a carga térmica existente no horário em estudo. Este sistema é em geral utilizado em instalações de pequeno porte. Para cálculo da vazão máxima do circuito secundário é considerada a carga térmica máxima. O circuito possuirá uma bomba de água gelada denominada secundária, capaz de atender a essas condições, operando com um variador de freqüência, responsável pelo controle de vazão da mesma. Na medida em que a carga térmica requerida pelo ambiente varia, ocorre, por parte da válvula de duas vias, a regulagem da vazão de água gelada na unidade condicionadora de ar (o atuador envia sinal para que a válvula que abre ou feche), fazendo com que a pressão na tubulação do sistema aumente ou diminua. Um sensor de pressão localizado na descarga da bomba de água gelada secundária verifica a pressão no sistema, fazendo com que o variador de freqüência altere a rotação da bomba, regulando a vazão no circuito secundário de água gelada. Para questões de segurança e manutenção, relata Bryant (2001), cada circuito (primário e secundário) usualmente terá uma bomba reserva com as mesmas características das demais. Um fato a ser ressaltado é o funcionamento em conjunto desses dois circuitos, que possuirá uma tubulação de by-pass interligando a sucção das bombas primárias à sucção das bombas secundárias. Como o circuito de água gelada primário exige vazão constante e o circuito secundário varia sua vazão, esta tubulação de by-pass funcionará como meio de equilíbrio no sistema. A Figura 5.13 ilustra o processo.

48 48 Bombas de Água Gelada Primária Unidade Resfriadora de Líquido Unidade Resfriadora de Líquido Circuito Primário de Água Gelada Circuito Secundário de Água Gelada By-pass Circuito Primário de Água Gelada Circuito Secundário de Água Gelada Bombas de Água Gelada Secundária Fancoil Figura 5.13: Fluxograma de Água Gelada Bryant (2001). A implantação do bombeamento em anéis primário e secundário pode beneficiar-se da redução de vazão de água no anel secundário (que varia de acordo com a carga térmica), reduzindo, deste modo, o consumo de energia elétrica. 5.6 Calor sensível e calor latente O calor transferido para ou desde uma substância pode produzir uma mudança na fase de substância ou uma mudança na temperatura da mesma. O calor absorvido ou cedido por um material causa ou acompanha uma mudança na temperatura deste, o calor transmitido é denominado de calor sensível, enquanto que a energia que causa ou acompanha uma mudança de fase é conhecida como calor latente. Ao avançarem na escala de temperaturas, muitos materiais sofrerão duas mudanças no seu estado de agregação. Primeiramente eles passam do estado sólido para o

49 49 estado líquido, e depois, ao aumentar ainda mais a temperatura do líquido acima de um ponto a partir do qual não pode existir nesta condição, mudará este para o estado de vapor. Quando a mudança ocorre entre as fases de sólida e líquido em qualquer direção, o calor latente que intervém é denominado de calor de fusão. Quando a mudança ocorre entre as fases de líquido e vapor, qualquer que seja a direção da mudança, o calor latente envolvido nesta é denominado de calor latente de vaporização. Suponhamos que se pretende aquecer água em uma chaleira aberta colocada sobre uma chama de gás. À medida que se aplica o calor, a temperatura da água sobe. Um termômetro na água indicará uma elevação regular da temperatura até a água começar a ferver. Neste ponto a temperatura parará de subir e permanecerá estacionária enquanto a água estiver fervendo. Levantando a chama não se alterará a leitura da temperatura; continuará estacionária. A água ferverá mais depressa, mas não ficará mais quente. 5.7 Fluido refrigerante Quando o refrigerante circula através do sistema, atua como agente transportador de energia térmica para um corpo ou substância passando um certo número de transformações de estado e/ou condição, sendo cada uma delas chamada de processo. O refrigerante começa em algum estado ou condição inicial, passa por uma série de processos numa dada seqüência, e volta à condição inicial. Esta série de processos é chamada de ciclo, relata Bryant (2001). Existe uma grande diversidade de fluidos de trabalho (refrigerantes) utilizados nos sistemas frigoríficos baseados na compressão de vapor. A amônia e o dióxido de enxofre foram importantes no início da implantação das máquinas frigoríficas, mas essas duas substâncias são tóxicas e, portanto, perigosas. Atualmente, os refrigerantes mais utilizados são genericamente conhecidos como clorofluorcabonos ou CFC s, sendo quimicamente estáveis a temperatura ambiente. Esta estabilidade

50 50 é necessária para que a substância seja um fluido de trabalho adequado, mas pode provocar efeitos devastadores no meio ambiente se o gás escapar para a atmosfera. Ainda segundo Bryant (2001), devido a estabilidade, o gás gasta muitos anos difundindo-se na atmosfera até atingir o ponto onde a molécula é dissociada, liberando o cloro, que por sua vez destrói a camada de ozônio presente na estratosfera. Por esse motivo é de importância fundamental que ocorra todo um processo de transformação na indústria de refrigeração, de modo a eliminar completamente a utilização dos refrigerantes nocivos ao meio ambiente e implantar um substituto adequado, conforme estabelecido no Protocolo de Montreal (ver Tabela 5.2). Tabela 5.2: Determinação do protocolo de Montreal. Datas estipuladas para eliminação (plase-out) dos CFC s e HCFC s Países Desenvolvidos Países Subdesenvolvidos CHC s 01/01/ /01/2006 HCFC s 01/01/ /01/2040 Fonte: Bryant, O ciclo típico de absorção utiliza a água como refrigerante e brometo de lítio (LiBr) como absorvente. O uso de água com ponto de fusão de 0ºC, como refrigerante, limita a temperatura que pode ser transmitida pelo absorvedor em uma temperatura maior que 0ºC. Quando temperaturas inferiores são requeridas, o mesmo ciclo de absorção pode ser usado, mas com amônia como refrigerante e água como absorvente. 5.8 Componentes do Sistema de refrigeração por Compressão à vapor A seguir, serão apresentados alguns dos principais componentes encontrados em um sistema de refrigeração à vapor: - Compressores - Evaporadores

51 51 - Condensadores - Dispositivos de expansão Estes são os componentes básicos de um ciclo de refrigeração por compressão à vapor, o mais utilizado hoje em dia, afirma Bryant (2001). Para cada um deles, serão apresentados os tipos construtivos mais comuns e suas aplicações, bem como comparações entre estes tipos serão realizadas enfocando aspectos técnicos e operacionais. O compressor é o componente mecanicamente mais complexo de um sistema de refrigeração por compressão a vapor. Ele tem a função de fornecer um diferencial de pressão, de forma que o fluido refrigerante possa evaporar a uma temperatura inferior a temperatura de condensação, e assim conseguir o objetivo do ciclo de refrigeração, que é retirar calor de uma fonte fria e rejeitar este calor para uma fonte quente. Assim, para se obter este diferencial de pressão é necessário fornecer trabalho ao compressor, na forma de trabalho de eixo (em compressores abertos) ou energia elétrica (em compressores herméticos e semi-herméticos). Os compressores podem ser divididos em quatro categorias principais: alternativo, parafuso, de palheta e centrifugo. Cada um deles tem características únicas e, portanto, usos específicos. A seguir, serão apresentadas algumas dessas características: - Compressores alternativos: Este tipo de compressor é o mais comumente utilizado, segundo Bryant (2001), e esta demonstrado na Figura Basicamente, consiste de um pistão que se desloca em movimento alternativo no inferior de um cilindro, e neste movimento comprime o fluido refrigerante. Este tipo pode ser dividido em três categorias: aberto, semi-hermético e hermético. Para o compressor aberto, temos o eixo de acionamento externo ao compressor. Já no semi-hermético, a carcaça aloja tanto o compressor como o motor elétrico. Nesta configuração, é possível realizar o resfriamento do enrolamento do motor e ainda remover o cabeçote para se ter acesso às válvulas e pistões. Os compressores herméticos são parecidos com os semi-herméticos porém não permitem o acesso às válvulas e pistões.

52 52 Figura 5.14: Compressor Alternativo Bryant (2001). - Compressores parafusos: O refrigerante entra pela parte superior de uma extremidade do compressor e sai pela parte inferior da outra extremidade, explica Bryant (2001). A Figura 5.15 mostra um esquema de compressor do tipo compressores parafusos. Na região de aspiração do compressor produz-se vácuo que induz a entrada do vapor refrigerante, preenchendo toda a cavidade. À medida que o rotor gira, o vapor circula pela carcaça encontrando-se com o rotor fêmea que promove a diminuição da cavidade e comprime o vapor. Quando atinge-se o ponto da válvula de descarga, o vapor é expelido e o ciclo recomeça. Figura 5.15: Compressor parafuso Bryant (2001). - Compressor de palhetas: O compressor de palhetas pode ser subdividido em duas categorias: palhetas simples e de palhetas múltiplas. A Figura 5.16, demonstra um compressor palheta de duas palhetas. No compressor de palheta simples a linha de centro do eixo do acionamento coincide com o do cilindro e também a compressão do vapor refrigerante.

53 53 À medida que o eixo gira, o volume ocupado pelo refrigerante vai sendo reduzido, comprimindo assim o fluido. Figura 5.16: Compressor de palheta de duas palhetas Bryant (2001). - Compressor Scroll: Ainda segundo Bryant (2001), o mesmo princípio dos compressores de palhetas se aplica aos compressores scroll, demonstrado na Figura 5.17, que no entanto, possuem dois espirais em rotação, fazendo com que o fluido refrigerante seja comprimido tanto radialmente como axialmente. Figura 5.17: Compressor scroll Bryant (2001). - Compressores centrífugos: Bryant (2001), relata que o funcionamento deste compressor é semelhante ao de uma bomba centrífuga. A Figura 5.18 demonstra um resfriador de líquidos com uso de um compressor centífugo. O vapor entra pela abertura central do rotor e, por ação de forças centrífugas, desloca-se para a periferia. Isto imprime uma alta velocidade ao vapor que quando dirige-se do

54 54 rotor para as pás do difusor, transforma parte de sua energia cinética em pressão. Figura 5.18: Resfriador de líquido com compressor centrífugo Bryant (2001). Como cada compressor tem características diferentes, a sua aplicação também é diferenciada. A Tabela 5.3, apresenta uma comparação entre diversos compressores, suas aplicações e faixas de potência mais comuns. Cabe ressaltar que os atuais avanços no setor de compressores, as faixas e aplicações podem variar bastante. Tabela 5.3: Comparativo de aplicação dos diversos compressores. Tipo de compressor Faixa de potência Aplicações mais comuns Alternativos Até 300 KW Circuitos com pequena capacidade, refrigeração e condicionamento de ar doméstico Parafusos 300 a 500 KW Sistemas frigoríficos Palhetas Até 300 KW Refrigeração e condicionamento de ar doméstico Centrífugo 500 KW Grandes instalações de condicionamento de ar Fonte: Bryant, Condensadores e Evaporadores: Estes dois equipamentos podem ser reagrupados em únicas categoria que seria a de trocadores de calor. Nestes trocadores ocorrem as trocas de calor entre o fluido refrigerante e as fontes quente (condensador) e fria (evaporador). Segundo Bryant (2001), os nomes condensador e evaporador vêm dos processos de mudança de fase, pelos quais o fluido refrigerante passa (condensação e evaporação).

55 55 - Condensadores: Os condensadores são trocadores de calor que têm como finalidade liqüefazer o gás proveniente do compressor. Bryant afirma que podem ser resfriados a ar (convecção natural ou forçada), a água ou evaporativos. Os condensadores a ar possuem menor eficiência, quando comparados com os condensadores a água e os evaporativos (mais eficientes). A Figura 5.19 mostra o esquema de condensadores; (A) resfriados a ar com convecção forçada e (B) resfriado a água. A B Figura 5.19: Esquema de condensadores Bryant (2001). - Evaporadores: O evaporador é o componente do sistema de refrigeração onde o refrigerante é convertido de líquido para vapor pelo processo de evaporação, afirma Bryant (2001). Podem ser de tubo liso, de superfície de placa ou de tubos aletados. Os tipos de evaporadores mostrados na Figura 5.20, são (A) evaporador de superfície de placas, (B) evaporador de tubo liso e (C) evaporador de tubos aletados. A B C Figura 5.20: Tipos de evaporadores Bryant (2001). - Dispositivos de expansão: Estes equipamentos tem por função promover a redução da pressão do fluido refrigerante, usualmente, no estado líquido. Dessa

56 56 forma, ele age no sentido contrário ao do compressor e o ponto de equilíbrio entre ambos determina a vazão que atravessa o ciclo de refrigeração. Estes dispositivos podem ser subdivididos nas seguintes categorias: tubos capilares (A), válvulas de expansão termóstatica (B), válvulas de expansão de pressão constante, válvulas de bóia e tubos de orifício. Cada um desses tem propriedades e funcionamento bem específicos. Os dispositivos mais usados, relata Bryant (2001), esta demonstrado na forma de desenho na Figura A B Figura 5.21: Dispositivos de expansão Bryant (2001). A escolha do dispositivo de expansão com capacidade maior ou menor que o do sistema prejudicará a operação do mesmo. Entre esses problemas, prejudicando a sua operação. Por outro lado, pode-se ter uma deficiência na alimentação do evaporador, resultando em uma diminuição da capacidade do sistema. Na Tabela 5.4 são apresentados os diversos tipos de dispositivos de expansão e alguns exemplos de suas aplicações. Tabela 5.4: Possibilidades de aplicação dos diversos compressores. Tipos de Dispositivos Aplicação Tubos capilares Geladeiras, freezers e condicionadores de ar domésticos Válvulas de pressão constante Instalações com capacidade não maiores que 300 KW Válvulas de expansão termostáticas Sistemas de refrigeração de grande porte e de condicionamento de ar automotivo Tubos de orifício Sistemas de condicionamneto de ar e bombas de calor Fonte: Bryant, 2001.

57 Carga Térmica O cálculo de carga térmica dos ambientes a serem condicionados é a primeira etapa no dimensionamento de um sistema de ar condicionado, afirma Bryant (2001) e podemos conceituar carga térmica como sendo O fluxo de calor que deve ser continuamente transferido de/ou para um ambiente, por um equipamento, de modo a atender as condições de conforto ou de processo. Para que este fluxo de calor seja transferido, é necessário que haja um meio de transferência deste calor por um processo físico (condução, convecção ou radiação), devendo existir, portanto, um gradiente de temperatura. Análise de uma carga de ar condicionado fica simplificada se for dividida de acordo com os grupos das fontes de calor envolvidas na mesma. Portanto, tem-se os seguintes grupos: - Ganhos Externos: tetos, paredes, vidros e pisos. - Ganhos Internos: pessoas, luzes, equipamentos. É de fundamental importância para o cálculo de carga térmica, relata Bryant (2001) o conhecimento das condições externas (latitude, orientação em relação a linha norte-sul, influência de outras construções, etc.), condições internas (condicionamento de ar para conforto ou processo, natureza construtiva dos ambientes, etc.) bem como a operação da instalação (pessoas, iluminação, equipamentos). De modo a definir-se o comportamento da carga térmica requerida pelos ambientes a serem condicionados ao longo de todo um ano devem ser utilizados dados relativos aos diferentes meses do ano, afirma Bryant (2001), para as condições de projeto normalmente especificadas no cálculo das cargas térmicas de resfriamento. Outro fator importante é o posicionamento das fachadas dos ambientes condicionados em relação a linha norte sul.

58 58 As temperaturas internas de conforto devem ser utilizadas de acordo com o estabelecido na NB 10 - Instalações Centrais de Ar Condicionado para Conforto ABNT, (1978), conforme apresentado na Tabela 5.5 a seguir: Tabela 5.5: Condições internas de conforto para residências e escritórios. Temp. de Bulbo Seco (º C) Umidade Relativa (%) Verão 23 a a 60 Inverno 20 a a 65 Fonte: Bryant, Ganhos de calor através do Envelope O ganho de calor é transmitido através dos efeitos de condução, convecção e radiação, relata Bryant (2001). E são transmitidos ao ambiente através do envelope, e esse fenômeno são devidos aos efeitos de condução, convecção e radiação, sendo basicamente conhecidos pela equação fundamental de transmissão de calor: Q= U. A. T Onde: Q = quantidade de calor transmitida por hora (btu /h); U = coeficiente global de transmissão de calor (btu/h ft 2 ºF); A = área da superfície separadora (ft 2 ) T = diferença de temperatura (ºF) Ganhos por insolação nos vidros Os ganhos por insolação nos vidros são, na maioria das vezes, os responsáveis pela maior parcela de carga térmica no ambiente, no caso de termos grandes áreas de

59 59 vidro. O ganho solar acontece por radiação direta, continua Bryant (2001), quando os raios solares incidem diretamente sob o vidro; e por radiação difusa, onde ocorre a reflexão sobre partículas de poeira, vapor, ozônio, fumaça, etc. (com o vidro em sobra). A quantidade de calor devido a radiação solar nos vidros é conhecida pela equação a seguir: Q = A. I. f Onde: Q = quantidade de calor transmitida por hora (btu /h); A = área da superfície de vidro (ft2); I = radiação solar (btu/ h ft2) f = fator de correção Ganhos por transmissão em paredes externas e tetos Para cálculos dos ganhos por transmissão em paredes externas e tetos, considerase os efeitos da condução, convecção e radiação incidente sobre as superfícies, como também sua variação devido ao ângulo de incidência, tipo de construção, cor e acabamento e refletividade. Também foi considerado o fluxo de calor associado a inércia térmica (atraso de tempo). Q = U. A. T equiv Onde: T equiv = diferença de temperatura equivalente (ºF).

60 60 Todas as vezes que as paredes estão situadas de tal modo que recebem uma quantidade excessiva de calor por radiação, ou do sol ou de algum outro corpo quente, a temperatura da superfície exterior da parede em geral, afirma Bryant (2001) será consideravelmente maior do que a temperatura do ar ambiente. Um exemplo familiar deste fenômeno é a excessiva temperatura da superfície de um automóvel estacionado ao sol. Uma vez que qualquer aumento na superfície externa poderá aumentar o diferencial através da parede, o diferencial de temperatura através de paredes ensolaradas deve ser corrigido para compensar o efeito do sol Ganhos diversos por transmissão de calor Para cálculos dos ganhos por transmissão de calor foi considerada a equação abaixo: Q = U. A. T proj Onde: T proj = temperatura externa temperatura interna (ºF) - Vidros: - Externos T proj - Internos T proj - Paredes internas ou divisórias adjacentes: - Ambientes não condicionados T proj 5ºF - Ambientes condicionados T proj - zero - Cozinhas ou salas de caldeiras T proj a 25ºF

61 61 - Pisos adjacentes a: - Sobre solo T proj zero - Ambientes não condicionados - T proj zero - Ambientes condicionados T proj - 5ºF - Cozinhas ou salas de caldeiras T proj a 25ºF - Ambientes externos (pilotis, subsolos, et) - T proj - Tetos internos (forros) adjacentes a: - Ambientes não condicionados T proj 5ºF - Ambientes condicionados T proj - zero - Cozinhas ou salas de caldeiras T proj a 25ºF - Ganhos de calor diversos: Para estimativa dos ganhos de calor através dos vazamentos nos dutos de insuflamento (calor sensível e latente) e dos ganhos de calor pelos motores de ventiladores, podem ser considerados respectivamente 10% a 5 % do calor da sala, segundo Bryant (2001) Fator de diversificação O fator de diversificação leva em consideração as lâmpadas previstas desligadas ou queimadas, os equipamentos desligados e as pessoas não presentes no global do supermercado durante o horário de operação. O valor de diversificação será aplicado somente na central geradora de frio, não sendo aplicado nas cargas térmicas de cada ambiente, continua Bryant (2001). E a capacidade térmica de uma máquina de refrigeração é definida como sendo o fluxo de calor que ela é capaz de remover de um fluido (seja este ar, água ou outro refrigerante).

62 Eficiência Energética Qualquer atividade em uma sociedade moderna só é possível com o uso intensivo de uma ou mais formas de energia. Dentre as diversas formas de energia, as que interessam são eletricidade: a elétrica, a gasolina, o álcool, óleo diesel, gás natural, etc A energia no país Há mais de duas décadas, quando ocorreu a primeira crise mundial do petróleo, várias nações se mobilizaram no objeto de combater o desperdício de energia elétrica. Desde então o Brasil praticamente dobrou sua população e muito pouco foi efetivamente realizado, afirma Bryant (2001), visto que não foi consolidada uma nova política energética com bases duradouras, seja no aspecto dos insumos energéticos, seja no aspecto da conservação destes insumos. Entretanto, já existem algumas modificações em alguns aspectos da organização nacional que envolve os insumos energéticos mais importantes, porém ainda distante da realização de políticas efetivas e duradouras para garantir o equilíbrio de oferta e demanda Impactos da Energia sobre o meio ambiente A energia está na origem de uma parte importante dos impactos das atividades humanas sobre o meio ambiente. As relações entre energia e meio ambiente se constituem, certamente, em um fator de preocupação maior, relata Bryant (2001). A problemática energia-clima não se acomoda às fronteiras políticas. Os riscos ecológicos obrigam os governos a traçarem soluções conjuntas, visto que as causas são de âmbito planetário.

63 Eficiência Energética e Progresso Técnico O aumento da eficiência energética e a conseqüente redução do ritmo de crescimento do consumo de energia permitem à humanidade ganhar tempo podendo decidir amanhã perante uma gama mais ampla de tecnologias (desenvolvimento de energias novas e renováveis, de um programa nuclear mais seguro, de tecnologias de redução das emissões de CO 2, etc.) em presença de uma melhor informação sobre os riscos climáticos reais. Além disso, muito provavelmente a redução da intensidade energética da economia é hoje a maneira mais eficaz de lutar contra a poluição, de preservar o meio ambiente terrestre e de evitar a destruição do patrimônio natural. Verificam-se hoje em todo o mundo um grande interesse e expressivos incentivos a projetos de eficientização energética, devido ao elevado potencial de redução no consumo de energia elétrica possível de ser obtido com o combate ao desperdício de energia associado à sua má utilização Principais Consumidores de energia Pode-se dizer que a energia é um bem essencial e é utilizado em todos os setores ou áreas da sociedade, segundo Bryant (2001). Em certos setores produtivos, a energia representa não somente um insumo essencial, mas também constitui-se como um dos elementos de maior peso na estrutura de custos. As indústrias siderúrgicas de alumínio e ferro ligas, chamadas energo-intensivas, enquadram-se nessa situação. Nos demais setores industriais a energia elétrica é predominantemente consumida nos motores, utilizados para a movimentação mecânica de diversos tipos. No setor de comércio e serviços, a energia é utilizada principalmente para a iluminação e condicionamento de ar, e em menor escala, para o transporte vertical nos elevadores e par ao funcionamento dos equipamentos elétricos em geral, com o

64 64 computador ocupando crescentemente esse segmento. Na Figura 5.22, é apresentado graficamente os dados do consumo de energia elétrica no Brasil, com a participação de cada setor no consumo global, onde percebe-se claramente o papel dos setores industrial, residencial e comercial, com cerca de 85% do total. 22% Residencial 11% Comercial 51% Industrial 9% Pública 3% Agropec. 3% Energ. 1% Transporte Figura 5.22: Consumo final de energia elétrica por setor Bryant (2001). No segmento comercial, os sistemas de iluminação e de condicionamento de ar são os principais sistemas consumidores de energia, representando cerca de 80% do consumo total desse segmentos das edificações. Conforme apontado no cálculo de carga térmica, as características funcionais, operacionais, arquitetônicas, do clima local, de tempo de uso e de equipamentos instalados, geram diferenças significativas no montante e no modo comum a energia elétrica é consumida. Podemos observar uma grande variação na intensidade e eficiência energética dos edifícios, em decorrência das diferenças nas variáveis citadas acima. Como medida dessa relação à determinada área. De forma geral, podemos afirmar que os edifícios eficientes apresentam esse índice na faixa de 10 à 20 W/m 2 e os menos eficientes com índice acima de 50 W/m 2.

65 O consumo de energia nos sistemas de ar condicionado Os sistemas de condicionamento de ar são responsáveis por cerca de 15% do consumo global de energia, sendo que no setor comercial/serviços essa participação chega a 35%. Em regiões de elevada temperatura, associado a edificações com grandes fachadas envidraçadas e alta carga térmica, o ar condicionado pode representar valores superiores a 50% do consumo total do edifício. Conforme apontado no gráfico da Figura 5.23, por Bryant (2001), para o ano de 1998, existe uma grande diversidade de tecnologias para condicionamento de ar, com diferentes graus de eficiência energética/térmica, diferentes patamares de investimento inicial e possibilidades de integração a sistemas de controle e gerenciamento inteligente da edificação. Mostrando assim as taxas de consumo elétrico para diferentes sistemas de ar condicionado. kw/tr 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Self à Ar Split System Aparelho de Janela Self à Água Chiller + Fancoil Central Chiller + Fancoil Baby Centrífuga + Fancoil Central Figura 5.23: Taxas de consumo elétrico no ano de 1988 Bryant (2001). O gráfico aponta, que os sistema que utilizam Água Gelada apresentam menor consumo elétrico em relação aos aparelhos de janela, self à ar e splits.

66 O Consumo de Energia nos Sistemas de Expansão Direta Os equipamentos de expansão direta têm obtido um grande desenvolvimento nos últimos anos devidos, principalmente com a utilização de compressores rotativos e scroll, que apresentam maior eficiência energética. O gráfico da Figura 5.24, apresenta a relação consumo de energia e produção de frio KW/TR, para os diversos equipamentos de expansão direta, medidos no sistemas utilizados por Bryant (2001). Pode-se observar a grande diferença de consumo elétrico, quando os valores são comparados com os apresentados no gráfico anterior. 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Rac Hi-wall Under Ceiling Rooftop M aster Split Figura 5.24: Taxas de consumo elétrico (expansão direta) Bryant (2001) O Consumo de energia nos Sistemas de Expansão Indireta Uma maior preocupação com o desempenho energético dos sistemas de ar condicionado ocorre em instalações de médio e grande porte, onde geralmente são utilizados sistemas de expansão indireta (unidades resfriadoras de líquido). Desta forma, alguns inerentes ao tipo de compressores a serem utilizados ou a alternativas de uso racional da energia elétrica e térmica devem ser considerados.

67 67 Para o sistema de ar condicionado com resfriador de líquido a taxa de consumo elétrico global varia de acordo com a utilização de diferentes compressores. Contudo, isto não implica que o valor de carga elétrica seja obtida pela multiplicação da taxa de consumo elétrico pela carga térmica requerida no horário, uma vez que, pelo próprio sistema de modulação de carga dos resfriador de líquido, fica claro que ocorrerá uma mudança na taxa de consumo quando o resfriador de líquido operar em carga parcial. O gráfico da Figura 5.25, Bryant (2001), mostra a diferença de diversos tipos de compressores quando operando em carga parcial. kwe/tr 1,8 1,5 1,2 0,9 0,6 0, PERCENTUAL DE CARGA RECÍPROCO PARAFUSO CENTRÍFUGO Figura 5.25: Desempenho de diversos compressores Bryant (2001). Conforme apontado no gráfico, quando utilizado maior percentual de carga o compressor recíproco é mais eficiente do que os demais, ao contrário do compressor centrífugo que sua maior eficiência se dá no percentual de carga menor, aumentando seu desempenho conforme aumenta o percentual de carga Alternativas para a Racionalização do Consumo de Energia É de fundamental importância o estudo de alternativas para o consumo de energia,

68 68 bem como sua racionalização, o uso de termoacumulação de água gelada e a opção do sistema de absorção, são algumas alternativas citadas neste estudo Termoacumulação de Água Gelada Normalmente o pico da carga térmica de ar condicionado coincide com o pico de demanda elétrica das concessionária, quando se inicia o horário de ponta, com tarifas de demanda e consumo mais caras. È neste período, portanto, que os equipamentos de maior consumo devem ser desligados, sem, contudo, prejudicar o conforto térmico. Para a implantação da alternativa de uso de termoacumulação com tanque de água gelada, é necessária a utilização de uma área para a locação do tanque de água gelada. Este tanque armazenará um grande volume de água que será resfriada a baixa temperatura durante a noite, de forma a armazenar água gelada suficiente para suprir o sistema de ar condicionado do empreendimento durante o horário de ponta (com este sistema é favorável adoção da Tarifa Horosazonal Verde, perante o órgão fornecedor de energia elétrica), no qual a tarifa energética cobrada é muito maior que a fora da ponta, havendo redução no consumo de energia durante este período. Afirma Bryant (2001), que a acumulação térmica se água gelada é mais simples e de menor custo do que a termoacumulação em gelo (por não comprometer o rendimento das unidades resfriadoras com a fabricação de gelo, e evitar a adaptação dos resfriadores de líquidos para esta operação). Este sistema opera carregando, água é circulada entre tanque e os resfriador de líquidos. No horário de ponta vários equipamentos são desligados e a água passa a circular entre os condicionadores de ar e o tanque. Desta forma, na medida em que se promove o desligamento de grandes consumidores de energia (como compressores, bombas de água gelada primárias e de água de condensação, torres de resfriamento), no horário de maior tarifa energética, a conta de energia fica reduzida.

69 69 Apesar de ser uma opção econômica e estratégica, continua Bryant (2001), a utilização da termoacumulação não apresenta redução de consumo de energia ou demanda fora de ponta, de forma que o consumo de energia pode ser maior, mas o custo energético mensal é menor, uma vez que o consumo energético do resfriador de líquido foi transferido do horário de ponta (mais caro) para o horário de tarifa mais baixa. Para melhor entendimento do comportamento do tanque de água gelada junto ao funcionamento da central de água gelada, a Figura 5.26 exemplifica o acompanhamento do perfil térmico hipotético pelas curvas de carga do Tanque de Termoacumulação e da Central de Água Gelada. TR Hora Perfil de Carga Térmica Central de Água Gelada Tanque de Termoacumulação Figura 5.26: Operação de um Tanque de Termoacumulação Bryant (2001). Com o objetivo de reduzir a capacidade térmica instalada em resfriador de líquidos, pode se utilizar a termoacumulação por um período maior que o horário de ponta, com o intuito de também diminuir a demanda elétrica instalada. O sistema de bombeamento em primário-secundário, funciona de forma análoga a um sistema em dois anéis hidráulicos, afirma Bryant (2001). O anel primário alimenta as unidades resfriadoras e o tanque, em loop fechado. As bombas chamadas secundárias se interligam ao sistema primário, distribuindo vazão de acordo com o consumo das unidades condicionadoras de ar.

70 Central de Água Gelada com Unidades de Absorção A utilização das unidades de absorção apresenta uma solução alternativa sob o ponto de vista de custo energético e operacional. Para sua implantação é necessária a implementação de algumas alterações no que concerne a filosofia atual do sistema de geração de água gelada. Os processos de conversão de energia em um sistema com unidades de absorção provocam a transferência de calor da região a ser refrigerada para o meio ambiente às custas da transferência de parte do calor fornecido ao ciclo (no gerador da unidade de absorção). O calor de vaporização que foi adicionado ao refrigerante no gerador e o calor removido na condensação do vapor d água é rejeitado através de uma torre de resfriamento. No evaporador o refrigerante a baixa temperatura é pulverizado sobre o trocador de calor de água gelada. A pressão do refrigerante é mantida baixa (cerca de 0,01 atm), ocasionado a vaporização do mesmo, tirando o calor requerido para a vaporização da água gelada a baixa pressão. O absorvedor é usado para manter uma baixa pressão de vapor e conter o absorvente. Nele o refrigerante é absorvido pela solução concentrada de absorvente, que tem alta afinidade química com refrigerante. Há também uma bomba de solução responsável pela transferência da solução diluída do absorvedor para o gerador, de forma a dar continuidade ao processo. As máquinas de absorção podem ser de fogo direto (com gás natural) ou de fogo indireto, onde são utilizados calor recuperado de outro processo ou máquina de ciclo térmico para alimentar a mesma. Os benefícios dos sistemas de absorção têm se mantido constante e são: - os sistemas de absorção necessitam menos eletricidade do que os sistemas convencionais de refrigeração por compressão; - as máquinas de absorção possuem pouquíssimo ruído e são livres de vibração;

71 71 - as máquinas de absorção não afetam a camada de ozônio e causam menos impactos do que muitos outros sistemas; - os sistemas de absorção são economicamente atraentes, pois o combustível custa menos do que a eletricidade. Desta forma, o consumo de energia elétrica é reduzido durante todo o dia, e não apenas no horário de ponta, como no caso da aplicação de termoacumulação. Desta forma, a implementação da modificação proposta torna-se uma solução interessante e de bom aspecto estratégico, pois diminui a dependência de fornecimento de energia elétrica. O sistema de absorção tem essencialmente como insumo energético o gás natural utilizado para queima (fonte de calor no gerador) é um insumo energético mais barato que a eletricidade. Assim como qualquer outro tipo de equipamento que possui a finalidade de refrigerar, algumas máquinas de absorção necessitam de alguma forma de rejeição de calor, afirma Bryant (2001). Normalmente utilizam-se torres de resfriamento. Como regra geral, as máquinas de absorção rejeitam 1,5 à 2 vezes mais calor do que o sistema de compressão de vapor. Sendo assim, se uma máquina de absorção está substituindo um sistema de compressão a vapor existente, a mesma terá capacidade para rejeitar todo o calor do sistema de absorção. O aumento de rejeição do calor requerido de uma máquina de absorção também afeta a quantidade da água de tratamento e das cargas auxiliares (bombas e ventiladores) Qualidade do Ar Interior A poluição do ar em ambientes internos tornou-se um assunto de interesse público no Brasil. Atualmente existem várias normas de ar condicionado em revisão ou sendo elaboradas, em vários órgãos ou entidades, com o intuito básico de readequar os padrões existentes a nova realidade da qualidade do ar de interiores,

72 72 porém alguns setores da sociedade ainda não despertaram para a sua responsabilidade perante a sociedade e seu público usuário. É necessário que tenha-se em mente que um ser humano inala aproximadamente litros de ar por dia que e na vida moderna dos grandes centros urbanos o homem passa próximo de 80% de seu tempo em ambientes condicionados (hotéis, cinemas, avião, shopping center, escritórios, metrô e etc.), sendo o trato destas instalações fundamental para garantia da qualidade de vida, como também para garantir uma maior expectativa de vida, uma vez que os problemas gerados pela qualidade do ar em ambientes fechados têm efeito acumulativo, segundo Bryant (2001). O objetivo do condicionamento do ar é usualmente para provir conforto térmico e uma boa qualidade do ar para os ocupantes do espaço. Em muitos casos este objetivo não é alcançado. Reclamações de má qualidade do ar tem sido documentadas em numerosos estudos. Os sistemas de ar condicionado, se corretamente projetados, instalados e com manutenção adequada, não pioram a qualidade do ar interior, continua Bryant (2001), mas ajudam em muito a melhorá-la, criando temperaturas, umidade e velocidades de ar de conforto. Seus sistemas de filtragem, e reposição de ar exterior, eliminam partículas internas geradas nos próprios ambientes, além das trazidas pelo próprio homem nas roupas, sapatos, materiais, etc., também diluindo cheiros e odores liberados pelo próprio homem ou pelos sistemas, máquinas e materiais usados nos escritórios (liberado por móveis, carpetes, etc.). Além do conforto e da saúde ocupacional, as distorções de controle das variáveis básicas trazem o desconforto térmico, causando danos à propriedade (perda de produtos e equipamentos), comenta Bryant (2001). No contexto do desequilíbrio ambiental vários quadros clínicos se instalam entre os ocupantes.

73 73 De forma a estudar as reclamações de ocupantes de determinados edifícios, constatou-se de que pessoas que freqüentam certos edifícios apresentam os sintomas apresentados na Tabela 5.6: Tabela 5.6: Sintomas de ocupantes de Edifícios Doentes. Reclamações % de Edifícios Irritação dos Olhos 81 Garganta seca 71 Dores de Cabeça 67 Fadiga 53 Congestão Sinusite 51 Falta de ar 33 Fonte: Bryant, Criou-se então a definição de Síndrome de Edifício Doente, quando mais de 20% dos ocupantes apresentam os sintomas acima relacionados, relata Bryant (2001). Geralmente os sintomas desaparecem quando evita-se a exposição dos susceptíveis aos poluentes sem qualquer alteração das demais variáveis causais. Somente a diluição dos componentes danosos e a eliminação de fontes internas (se possível) não conseguem resolver todos os problemas relacionados à qualidade do ar interior. Os fatores que provocam problemas correlacionados a Síndrome dos Edifícios Doentes podem ser agrupados em sete itens, da forma descrita abaixo por Bryant (2001): - Insuficiência de ar exterior: Conforme estabelecido por norma, a taxa de renovação do ar adequada de ambientes climatizados será, no mínimo, de 27 m 3 /hora/pessoa, exceto no caso específico de ambientes como lojas, centros comerciais, bancos e outros, onde a taxa de ocupação de pessoas por m 2 é crítica. Nestes casos a Taxa de Renovação do Ar mínima será de 17 m 3 /hora/pessoa, não sendo admitido em qualquer situação que os ambientes possuam uma concentração de CO 2.

74 74 - Má distribuição de ar: Além de não permitir que a correta taxa de renovação atinja aos pontos necessários, a má distribuição do ar pode formar bolsões quentes e frios no meio ambiente. Um caso típico é o curto circuito, freqüentemente observado entre insuflamento e exaustão. Um outro fator desencadeador, muito observado nas instalações de escritórios é a prática comum de se dividir ambientes que foram dimensionadas para ser vão livre, introduzindo divisórias para formação de pequenas salas, prejudicando a distribuição do ar, não planejada para este fim. - Controle deficiente de temperatura: A colocação de termostato de controle em lugar errado pode ser uma causa de reclamações dos usuários. Um exemplo é a utilização de termostato no retorno da casa de máquinas e nos ambientes que possuem grandes diferenças de carga térmica. - Projeto inadequado: Ao executar um projeto de ar condicionado o projetista, muitas vezes se preocupa com as vazões de ar externo, mas não observa de modo criterioso o local de captação do ar, o que pode estar inserindo uma nova fonte de poluentes para o sistema. A observação do local de captação de ar é tão importante quanto a correta determinação da vazão necessária, devendo ser evitados os pátios de torres de resfriamento, shafts de exaustão de sanitários, estacionamentos e garagens, docas de carga e descarga, shafts escuros e empoeirados, grelhas de piso junto a calçadas e ruas, telhados com acúmulo de água. - Modificações inadequadas após construção: São mais freqüentes do que se pode imaginar. De novo, a introdução de divisórias em espaços projetados para serem vãos livres é um caso típico. Como também a mudança das taxas de ocupação e/ou ainda iluminação sem análise da carga térmica. - Falta de manutenção apropriada: Irá permitir o acúmulo de material particulado, que além de acumular fatores físicos de agressão, tais como fibras e substâncias protéicas é um substrato para incubação de fungos e bactérias, desbalanceando as redes de insuflamento, promovendo saturação dos filtros de ar, o surgimento de biofilme em bandejas e serpentinas, conduzindo, subseqüentemente, a um

75 75 aumento das fontes poluentes e promovendo a deterioração precoce da instalação. - Falta de compreensão do funcionamento do sistema: A não compreensão de funcionamento do sistema, dos mecanismos de instalação, manutenção (perpetuação) e difusão (transmissão) das fontes poluentes, tanto de origem biológicas, como químicas e físicas, podem induzir o mantenedor à atitudes desastrosas, colocando em perigo toda sua performance e impacto direto na qualidade do ar ambiental interior e na população usuária. - Procedimentos Básicos para qualidade de Ambientes Interiores: No sentido de evitar um desequilíbrio no comportamento de qualidade de ambientes interiores e o conseqüente comprometimento do ar ambiental, vários são os procedimentos preventivos e corretivos de manutenção que devem ser adotados, destacando-se entre eles os descritos por Bryant (2001): - Correções, adequações e higienizações de filtros. Muitas vezes há a necessidade premete de utilização de filtros antimicrobianos, com o objetivo de redução dos níveis de bioaerodispersão. - Higienização adequada o sistema de tratabilidade contínua de bandeja de condensado. - Higienização adequada de difusores. - Cuidados criteriosos com a manutenção de casa de máquinas, principalmente se esta estiver funcionando como um caixa de mistura (plenum de mistura). Para tanto se deve observar características dos forros, pinturas, drenos, esgotos, escotilhas de retorno do ar além da própria higienização desta. - Cuidados criteriosos com a manutenção das condições dos dutos. - Cuidados criteriosos com a manutenção das condições do retorno (quer seja dutado, quer seja plenum). - Adequações das questões pós-ocupacionais. Evitando-se instalações de fontes poluentes com características terciárias. - Adequação de equipamentos que possam atuar como fontes poluentes de origem química, com características terciárias. - Adequação dos programas de higienização de superfícies fixa nos ambientes interiores.

76 76 A Tabela 5.7 aponta de forma reduzida os fatores que provocam problemas correlacionados a Síndrome dos Edifícios Doentes. Tabela 5.7: Problemas correlacionados a Síndrome dos Edifícios Doentes. Problemas apontados Insuficiência de ar exterior Má distribuição de ar Controle deficiente de temperatura Projeto inadequado Modificações inadequadas após construção Falta de manutenção apropriada Falta de compressão do funcionamento do sistema Fonte: Bryant, 2001.

77 77 6 ESTUDO DE CASO Mostrando que mesmo adotando soluções alternativas para minimização dos impactos o sistema de ar convencional necessita de um estudo, com adoção de novas premissas que influenciam até no sistema construtivo do edifício. O estudo de caso aborda um sistema Convencional, comparado ao sistema de Forro (teto) Radiante, e os aspectos positivos e negativos de suas implantações. Sendo seu objetivo prático, a constatação de procedimentos técnicos bem como a comparação de dois sistemas de condicionamento de ar, no que se refere a qualidade, menor impacto causado ao meio ambiente, prazo, benefícios e custos. 6.1 Descrição da obra referente ao Estudo de Caso Trata-se de um edifício comercial que está sendo construído pela construtora Gafisa S.A. em conjunto com a São Carlos Empreendimentos e o Banco Modal S.A., a obra teve início em Novembro de 2004, e hoje está em fase de término das fundações. O Edifício tem como objetivo ser o mais moderno do Brasil nos próximos anos, bem como um dos mais altos da cidade de São Paulo, com 160 metros de altura (praticamente o dobro da altura do Unibanco localizado ao lado), 32 pavimentos tipo compostos por grandes lajes de aproximadamente m2 de lamina cada (1.800 m2 de área útil), cobertura, ático, heliponto, térreo elevado a 4 metros distanciandose do movimento da marginal com ampla esplanada verde, 5 níveis de garagem com vagas. Localizado dentro do terreno do Shopping Eldorado, integrado a este por uma passarela coberta dotada de escada rolante e elevador, podendo o usuário usufruir todos os serviços disponíveis no mix da lojas do Shopping, proporcionando economia de tempo e segurança nos deslocamentos para almoço e serviços dos executivos e funcionários das empresas instaladas na torre cuja população deve ser de aproximadamente 8 mil pessoas.

78 78 O Empreendimento conta com uma localização privilegiada em um dos pontos de maior visualização de São Paulo, estando em uma das áreas mais valorizadas da cidade com alto fluxo de veículos, mas fora do trecho problemático em relação ao trânsito da Marginal Pinheiros localizado entre as pontes do Morumbi e Cidade Jardim. Fortalecendo a imagem, sua volumetria é constituída de uma torre única de grandes dimensões, pele de vidro com vidros de alta eficiência de proteção solar, mas mantendo grande transparência, vidros brancos que aumentam o edifício e contrastam com o local e a cidade. Todos os projetistas buscaram os conceitos e tendências mais modernas propiciando que as características técnicas e especificações irem de encontro com as expectativas atuais das empresas; concebendo o projeto de forma que ele seja perfeitamente adaptável a novas tecnologias e as suas evoluções, reservando shafts, espaço de entre-forro e de entre-piso, tornando-o apto a receber atualizações constantes. Como concepção estrutural, foi adotada o uso de lajes maciça protendidas e capitéis sobre os pilares de modo a possibilitar vários arranjos de distribuição de dutos de ar condicionado, redes de chuveiros automáticos (sprinklers), e elétrica o que possibilitará total versatilidade para concepção dos lay-outs internos e futuras alterações; suportando 500 kgf/m2 de sobrecarga nas lajes. Em função de sua altura final desde as fundações até o heliponto ser de 160 metros o edifício foi submetido a ensaios em Túnel de Vento na Universidade Federal do Rio Grande do Sul, um dos três centros mais avançados e especializados no mundo; garantido total segurança contra patologias para ventos de até 136 km/h. O suprimento de energia em media tensão com dois ramais subterrâneos de 34kv; com carga total instalada de Kva e demanda total de Kva; com dois sistemas de alimentação de energia alternativa; o primeiro com capacidade para toda a demanda da edificação (Central Própria de Energia) com Kva e um segundo para as cargas emergências (Life Safety) com 550 Kva; com duas centrais

79 79 de transformação e distribuição e 2 linhas verticais de distribuição proporcionaram uma confiabilidade de 99,999% pára cargas especiais; e com uso dos geradores à diesel, as empresas terão garantia e qualidade de energia sete dias por semana, vinte e quatro horas por dia, inclusive para o ar condicionado, propiciando ainda redução de custo nos horários de ponta. O sistema hidráulico contará com filtros de alta vazão na entrada e reserva total de de litros divididos em 2 subsistemas, um por gravidade e outro pressurizado. O empreendimento teve em seu desenvolvimento uma grande preocupação com os recursos naturais e está em sintonia com as preocupações dos Edifícios Verdes ( Green Building ); destacando-se entre estas o sistema de tratamento de água servida e do lençol freático para abastecerem as torres de resfriamento das máquinas de ar condicionado e a irrigação dos jardins; além do uso racionalizado da energia elétrica e do sistema de ar condicionado. O sistema de ar condicionado possui uma demanda de TR, e é constituído por equipamentos de água gelada de ultima geração, fancoil s nos andares, contando ainda com os loby s e circulações dos elevadores nas garagens refrigerados. Concebido para garantir a qualidade interna do ar pela renovação, filtragem, distribuição e conforto pelo controle interligado a central de automação, monitorando temperatura, unidade e velocidade do ar através de VAV s localizadas uma a cada 75 m/2, além da garantia de um ruído interno máximo de 45 db(a). Aliado a isto, a preocupação com a redução de insumos de funcionamento torna o mais moderno a ser instalado com sistemas que permitem a adoção de rotações e vazões variáveis de todos os equipamentos, o uso de recuperação de calor por roda térmica na cobertura e em junto com a eficiência dos vidro, permite economias de até 50% em relação aos sistemas tradicionais. Apesar da altura do edifício e de suas dimensões; foi projetado para ter uma central única de geração totalmente automatizada, reduzindo os custos de operação.

80 80 Contando também com espaços disponíveis para locação de equipamentos de geração individuais, inclusive com instalação de torres de arrefecimento exclusivas. Obra em estudo: Eldorado Business Tower Local da obra: Av. Nações Unidas, Pinheiros Responsável pela Obra e entrevistado: Luis Fernando Ciniello Bueno Consultoria de Ar Condicionado: Oswaldo Bueno Engenharia e Representações e Alexandre Alberico Ltda. Área Construída: ,00 m2 Área Condicionada: m2 6.2 Sistema de Forro (Teto) Radiante São placas metálicas, com mantas absorvedoras de som na parte interna, industrialmente adequadas à retirada de calor do ambiente através da circulação de água resfriada em tubos de cobre também internos às placas. Como tem a radiação como principal fenômeno de remoção do calor, o sistema é mais eficiente do que os sistemas convencionais de Ar Condicionado, que retira o calor pela convecção. Reflexo direto dessa maior eficiência de troca térmica em sistemas aplicados em ambientes de escritório, pode-se notar com: - Redução, na proporção de 3:1 na vazão de ar insuflado possibilitando dutos mais baixos no entre-forro. Isto significa uma maior altura livre (pé direito) no salão. Se considerarmos um ganho de 25cm a cada entre laje, isto significa um pavimento a cada dez. - Redução, na mesma proporção, dos equipamentos de tratamento de ar, na sua potência Elétrica instalada e consequentemente o menor consumo de energia elétrica. Tem-se obtido resultados da ordem de 45 a 50% de redução na parte de distribuição de frio, com relação a sistemas convencionais. - A menor vazão de ar com que se trabalha permite : Menor custo para adequação de sistema eficiente de Filtragem com conseqüente eliminação de transmissão de moléstias através de vírus e bactérias.adicionalmente, pode-se projetar

81 81 instalações com 100% de Ar Novo, filtrado, e se expurgar totalmente o ar usado (quente, úmido e eventualmente contaminado velocidades de ar bem menores nos dutos eliminando-se ruídos indesejáveis). - As placas radiantes absorvem de 60 a 70% do calor sensível (lâmpadas, equipamentos, presença de sol e parcial das pessoas). Isto significa que o AR insuflado só tem a função de Higienizar e não de Resfriar. Conseqüência disto é, a de que não há jatos de ar que em alguns sistemas convencionais são ruidosos e incômodos. - O Plenum formado pelo entre-forro não é utilizado para Retorno de ar (como nos sistemas convencionais). O Retorno de ar é dutado e, se houver Filtragem de ar adequada, não há acumulo de poeiras nos dutos. - O Sistema Hidráulico é totalmente selado, com seu próprio Tanque para expansão pressurizado (e portanto não depende do Tanque de expansão aberto), da linha de água gelada da Central de produção de frio (CAG). Com isto, a manutenção é praticamente inexistente. - Apresenta a mesma flexibilidade de zoneamento interno do que um sistema com Caixas de Volume Variável: Válvulas automáticas comandadas por sensores de temperatura ambiente são instaladas no circuito de água do forro, criando assim, a possibilidade de zonear áreas do salão, que podem ser mantidas à temperaturas diferentes, a critério de cada usuário. - Apresenta, também, segurança total contra o fenômeno da condensação de umidade nas placas, pois sensores adequadamente instalados, mantém a temperatura da água sempre acima da temperatura de orvalho do Ambiente Diferentes aspectos do Forro (Teto) Radiante Os forros (Teto) Radiante tem características distintas no que tange à design, consumo de energia, produtividade e condições de trabalho: Quanto ao design tem-se que: - O sistema de insuflamento de ar condicionado é invisível e integrado ao forro, são utilizados pequenos difusores integrados ao forro. O ar de retorno é

82 82 canalizado por dutos, que permitem a limpeza, evitando sujeira no entre forro, que prejudica a qualidade do ar e consequentemente a saúde. - Já em Sistemas Convencionais é comum se ter o retorno de ar pelo plenum do entre forro. Com o desligamento diário do Sistema, a poeira, composta também por vírus em suspensão, cai, em processo de decantação, parte no forro, parte no ambiente. Sabe-se que é extremamente caro limpar a sujeira do entre forro. - É possível qualquer dimensão de painel, cor e perfuração. Quanto ao Consumo de Energia tem-se que: - O sistema convencional precisa de 3 a 4 vezes mais vazão de ar que o Sistema de Forro (Teto) Radiante, implicando em maior número de máquinas. - Estudos comprovam que o ser humano percebe 1 C a menos em sistemas por radiação. Isto faz com que os usuários ajustem os sensores para 25 C, pois a sensação térmica é igual a 24 C. - Maior Temperatura Real => menor consumo de energia. O gráfico da Figura 6.1, mostra o consumo de energia para diferentes sistema de ar. Kwh Sistemas Carga de Instalada Ar Condicionado em KW Sistema Convencional AHU +VAV Sistema de insuflamento pelo piso Sistema de Teto Radiante (Água) Figura 6.1: Consumo de energia para diferentes sistema de ar - Alberico (2005). O gráfico aponta que o sistema de Forro (Teto) Radiante usa um menor consumo de energia em relação aos sistemas de condicionamento convencional e insuflamento pelo piso.

83 83 Os sistemas de Forro (Teto) Radiante são mais eficientes, pois a capacidade de absorção de calor pela água é 4 vezes superior ao do ar: - Cp água : 1Kcal / Kg C - Cp ar : 0,24 Kcal / Kg C Quanto a Produtividade e Condições de Trabalho: - O Projeto Teto Radiante prevê, assim como nas instalações industriais, o controle da umidade. - A maior parte das pessoas atinge a melhor performance da mente na faixa de 23 a 25 C, e 40 a 50% de umidade relativa, isto é facilmente obtido. - As pessoas produzem 20% mais em um ambiente à 25 C com 50% de umidade do que a 29 C com 50% de umidade o com o Teto Radiante. Dentre as vantagens do sistema Forro (Teto) Radiante, um alto conforto nas áreas de trabalho soluciona problemas de passagens e interferências no entre forro, o consumo de energia é reduzido, proporciona maior área útil por edifício. Os componentes do sistema são: placas metálicas nos padrões de mercado, dimensão padrão de 1250 x 625 mm ou outras a critério do usuário. A Figura 6.2, mostra os componentes citados. Figura 6.2: Componentes do sistema - Alberico (2005). A instalação é simples, rápida e de fácil adequação dos lay-outs, pois usa-se mangueiras de engate rápido. Valorizando o ambiente com um forro metálico

84 84 visualmente limpo, sem necessidade de recortes para a colocação de difusores de ar. A Figura 6.3, mostra a instalação do Sistema Forro (Teto) Radiante. Figura 6.3: Instalação do Sistema Forro (Teto) Radiante - Alberico (2005). No que tange a flexibilidade com outros sistemas: - As soluções para centrais produtoras de frio são as mesmas utilizadas para os Sistemas Convencionais. - O ar pode ser introduzido no ambiente através do piso, das paredes ou do forro. - Difusores podem ser instalados com o Teto Radiante, se desejado Sistema de Controle Na Figura 6.4, fica demonstrado dois tipos de estratégias, os controles de temperatura (Item 1) e condensação (Item 2).

85 85 Item 1 Item 2 Figura 6.4: Estratégias de controle - Alberico (2005). Referente ao Item 1, Controle da Vazão de água; as tubulações e válvulas são de bitolas pequenas (1 a 2 ). Isto torna as implementações de novas zonas extremamente fáceis e baratas, em caso de readequações de lay-outs, ao contrário de readequações com caixas de volume de ar variável, onde, ao se criar novas salas, perde-se a caixa VAV instalada. Referente ao Item 2, Controle da Temperatura da água; quando retira-se de dentro de uma geladeira uma garrafa de água, onde a temperatura da água está a 5 C, e coloca-se a mesma sobre uma mesa de escritório, onde a temperatura do ambiente está a 24 C, certamente a garrafa de água suará. Se, de algum modo, conseguir elevar a temperatura da água para 14 ou 15 C ela, apesar de estar abaixo da temperatura da sala ( 24 C), não suará. Isto é o que a automação faz, garantindo o controle total sobre o fenômeno da condensação. Modulação da vazão, temperatura variável e vazão de água no Forro (Teto) Radiante controlada por válvula (VAV s), demostrada na Figura 6.5.

86 86 Figura 6.5: Sistemas de controle - Alberico (2005). 6.3 Descrição dos conceitos utilizados e pontos relevantes entre os sistemas Neste item, abordaremos a descrição dos conceitos e os pontos relevantes entre o sistema Convencional e sistema Forro (Teto) Radiante Sistema Convencional O Sistema Convencional de condicionamento de ar de ambientes é inteiramente conceituado pelo fenômeno da CONVECÇÃO para transmitir o calor de um local para outro: o veículo principal (e único) que serve de transporte de calor é o ar. Desta forma, a vazão de ar a ser insuflada num ambiente é definida a partir das diversas grandezas das fontes de calor a serem combatidas. Quanto maiores as fontes de calor, maiores as vazões de ar necessárias. Consequentemente: - Maiores são os dutos que canalizam o ar. - Maiores são as áreas ocupadas pelos equipamentos.