Carga Térmica Exemplo de uma Instalação de Ar Condicionado

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1 1 Carga Térmica Exemplo de uma Instalação de Ar Condicionado Adaptado de Instalações de Ar Condicionado, Hélio Creder, Editora LTC. Seja o prédio a ser condicionado para a estação de verão, conforme descrito na figura a seguir. Trata-se de dois restaurantes industriais, atendendo diretoria, visitas e funcionários, anexos a uma copa onde são preparadas as refeições. Serão servidas 48 pessoas por vez, através de 12 atendentes. Requisitos: Temperatura e umidade segundo condições recomendadas (meio ambiente e conforto térmico) pela NBR para o verão. Dados: Edifício localizado em Taubaté, SP. Vento externo na ordem de 24 km/h (máximo), telhado escuro, paredes externas e internas em tom médio com pé direito de 3,0 m. Todas as janelas com 2 m de altura, empregando vidro comum de 3 mm, com cortina tipo rolô, clara. As janelas não devem estar abertas quando o ar condicionado entra em operação. O material das paredes internas e externas é tijolo (espessura 200 mm) com acabamento em argamassa. Laje de 2 polegadas de espessura, em concreto com areia + cascalho, acabamento em argamassa na superfície inferior, cobrindo todos os recintos. A iluminação consome 14 W/m 2, empregando luminárias embutidas com lâmpadas fluorescentes. Os restaurantes abrem as 11h da manhã e encerram suas atividades as 21h. Ventilação atende os requisitos da NBR

2 2 Resolução: 1ª Parte: Requisitos atendendo NBR (ver tabelas 1, 20 e 21). Recintos: TBS média de 25 C, UR média de 52,5%. Meio ambiente (considerando capital de estado mais próxima, São Paulo): TBS = 31 C, TBU = 24 C. 2ª Parte: Estimativa dos coeficientes globais de transferência de calor (U) Paredes Usando dados da Tabela 3 (ver ao final do exemplo): Película de ar exterior (24 km/h) Reboco 1 h = = 1 2,78 Tijolo de argila, 20 cm (0,2 m) = 0,2 0,72 Película de ar interno (ar parado) 1 h = 1 8,28 = ,78 + 0,2 0, , ,28 = 1,14739 / = 1 = 0,872 / 2.2. Paredes internas (divisórias) Usando dados da Tabela 3 (ver ao final do exemplo): Película de ar interno (ar parado) Reboco 1 h = 1 8,28 1 = 1 2,78 Tijolo de argila, 20 cm (0,2 m) = 0,2 0,72 = 1 8, ,78 + 0,2 0, , ,28 = 1,239 / = 1 = 0, Laje Usando dados da Tabela 3 (ver ao final do exemplo): Película de ar parado 1 h = 1 8,28

3 3 Reboco 1 = 1 2,78 Concreto com areia e cascalho, 2 polegadas (50,8 mm) = 0,0508 1,72 = 1 8,28 + 0,0508 1, , ,28 = 0,631 / = 1 = 1,585 3ª Parte: Carga Térmica por Insolação O edifício está situado perto do Trópico de Capricórnio, latitude O lado que mais recebe calor no verão é o lado Oeste, por volta das 16h. Ver Tabela 18, verão. Tabela 18: Radiação solar global (W/m 2 ) planos verticais e horizontais. Latitude Sul. 06h 07h 08h 09h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h S SE L NE N NO O SO H Existem janelas no lado Oeste (9,6 m x 2 m) e no lado Sul (4,7 m x 2,0 m). Verão 3.1. Janelas no lado Oeste Máxima energia solar, verão, 16h: = = (9,6 2) 0, = 3379, Janelas no lado Sul Máxima energia solar, verão, 16h: = (4,7 2) 0, = 458, Paredes externas Uma parede comum tem a carga térmica estimada através da equação = ( ) Entretanto, esta equação não considera se a parede recebe uma maior radiação, sua cor ou localização. Assim, para estimar com maior aproximação a carga térmica, esta equação é modificada através do emprego da variável DT: =

4 4 A variável DT é um valor Tabelado, selecionável em função de vários fatores, tais como a diferença entre as temperaturas interna e externa, características operacionais ou físicas dos recintos adjacentes, cor do acabamento, etc. A Tabela 5 apresenta os valores de DT em função do tipo de parede, laje ou piso, enquanto que a Tabela 6 apresenta um valor a ser acrescentado à variável DT em função da cor da parede ou telhado, assim como da posição da parede em relação ao Sol. Mais detalhes sobre o uso das tabelas são apresentados junto às mesmas. TBS externa = 31 C, TBS interna = 25 C. Gradiente temperatura externa e interna: 6 C. A Tabela 5 para DT emprega um gradiente de 9,4 C como referência, de modo que todos os valores serão diminuídos em 3,4 C para acomodar um gradiente menor (6 C). Deste modo, passa a ser DT = 6 C para as paredes externas e DT = 2,1 C para as internas. Um acréscimo será feito em função da cor e posição da parede em relação ao Sol (Tabela 6) Superfícies externas Parede face Oeste ou face Leste, cor média: DT = 6 C + 11,1 C = 17,1 C Parede face Norte, cor média: DT = 6 C + 5,5 C = 11,5 C Parede face Sul, cor média: DT = 6 C + 0 C = 6 C Superfícies internas Paredes divisórias Restaurantes versus Copa, circulação e casa de máquinas: DT = 5,5 C 3,4 C = 2,1 C Laje sob telhado escuro: DT = 6 C + 25 C = 31 C 4ª Parte: Carga Térmica por Infiltração A entrada de ar exterior no recinto adiciona carga térmica, tanto sensível como latente. Esta carga térmica pode ser estimada tendo em vista em quantas vezes o ar do recinto é renovado por hora, o que determinado com base no número de janelas e portas voltadas para o exterior que se abram com frequência, e dos fatores apresentados na Tabela 11. Sabendo-se o número de vezes que o ar da sala é renovado por hora (fator Q, obtido na Tabela 11), é empregada a equação abaixo para estimar o fluxo volumétrico de infiltração: = ( h) 3600 Onde A é a área dos recintos (m 2 ), h a altura do pé direito (m). A carga térmica sensível de infiltração: = ( ) Onde ar é a massa específica do ar (1,2250 kg/m 3 ao nível do mar), e c é o calor específico do ar, 1004,8 J/kg C. A carga térmica latente de infiltração: = h ( ) Onde h lv é o calor latente de evaporação da água ( J/kg C), e w ext e w int são, respectivamente, a umidade absoluta do ar exterior e interior, em kg água / kg ar seco. A carga térmica total de infiltração é obtida com a soma das cargas térmicas sensível e latente. O método acima detalhado é denominado de método da troca de ar, apresentado na referência Refrigeração e Ar Condicionado, Wilbert Stoecker e Jerold Jones, McGraw Hill. Existem outros métodos para este tipo de estimativa, tais como o método das frestas, também apresentado na mesma obra.

5 5 5ª Parte: Carga Térmica por Ventilação O ar insuflado em uma sala climatizada retorna ao aparelho condicionador de ar, mas não totalmente. Uma parte é perdida através de frestas ou aberturas de janelas e portas, precisando, portanto, ser reposta. Entretanto, existe também o ar que é trocado pelo próprio equipamento, tendo em vista que é necessária a renovação constante do ar respirado pelos ocupantes do recinto. A quantidade de ar a ser necessariamente reposta é estabelecida pela NBR A Tabela 22 traz os valores recomendados. O nível 3 de vazão é o mais recomendado, enquanto que o nível 1 estabelece o valor mínimo possível. Deve ser sempre usado o que consta no nível 3. Os valores abaixo são relacionados com restaurantes com densidade de 70 pessoas por 100 m 2. O restaurante do projeto acomoda 60 pessoas em 98,8 m 2, uma densidade bastante próxima, de modo que valores trazidos pela NBR podem ser usados sem adaptações. Segundo a tabela, a vazão requerida por pessoa é de 5,7 litros/s, de modo que a vazão total necessária seria de 342 litros/s. Também segundo a tabela, a vazão recomendada por m 2 é de 1,4 litros/s, e neste caso a vazão total necessária seria de 138,32 litros/s. Seleciona-se sempre o maior valor. Convertendo para unidades SI, tem-se 0,342 m 3 /s. Entretanto, é necessário descontar o valor do fluxo volumétrico de infiltração, ou este será contado duas vezes: = As equações para estimativa de carga térmica latente e sensível relativas à ventilação são idênticas as usadas para estimar as cargas térmicas de infiltração.

6 6 Carga Térmica: Superfícies de alvenaria e janelas Dimensões [m] Área [m 2 ] U [W/m 2 C] DT [ C] Calor Sensível [W] Parede externa Leste 9,7 x 3 29,1 Janelas com vidro*, Leste 9,6 x 2 19,2 n/a n/a 3.379,2 Parede menos janela 9,9 0,872 17,1 147,620 Parede externa Sul 6 x 3 18 Janelas com vidro*, Sul 4,7 x 2 9,4 n/a n/a 458,25 Parede menos janela 8,6 0, ,995 Parede interna** 39,7 x 3 119,1 0,807 2,1 201,839 Vidros nas divisórias Laje 9,7x7,25+4,75x6 98,83 1, ,012 Total *Comprimento das janelas externas: 2 4,80 m face Leste, 4,70 m face Sul **Comprimento das paredes internas: 9,70 m + 2 7,25 m + 6 m + 2 4,75 m = 39,7 m Carga Térmica Pessoas Atividade Quant. Calor emitido Calor latente Calor sensível Calor emitido Calor latente Calor sensível [W] % % [W] [W] [W] Garçom * ,3 62, Pessoas sentadas, comendo ** ,0 50, Total * Na Tabela 7 não se encontra valores diretamente relacionados com as atividades de garçons. Deste modo, é utilizado aqui os valores relativos à atividade Trabalho leve, andando 4,8 km/h (máx.): fábrica, para adulto do gênero masculino. ** Empregou-se valores relativos à atividade Trabalho sedentário, sentado, para agrupamentos de adultos mesclando gênero masculino e feminino. Carga Térmica Iluminação Recinto Número de Potência Fator de Calor Área Pot/área Utilização FCR lâmpadas nominal reator dissipado [W] [m 2 ] [W/m 2 ] [W] Restaurantes n/a n/a 98, ,2 0, ,8 Total Observação: O FCR foi selecionado em função da hora de maior carga térmica por irradiação através das janelas, 16 h, pelos restaurantes funcionarem das 11h até 21h, e por usarem luminárias embutidas.

7 7 Carga Térmica Equipamentos Recinto Número de equipamentos Potência nominal Área Pot/área Utilização FCR Calor dissipado [W] [m 2 ] [W/m 2 ] [W] Restaurantes , Total 0 Carga Térmica Infiltração Através do gráfico psicrométrico: Interior do restaurante: TBS média de 25 C, UR média de 52,5%. Umidade absoluta w int = 0,0104 kg água / kg ar seco. Meio ambiente (Tabela 20, São Paulo): TBS = 31 C, TBU = 24 C. Umidade absoluta w ext = 0,0159 kg água / kg ar seco. Não há janelas nem portas que se abram diretamente para a área exterior do prédio, portanto Q = 0,75 (Tabela 11). = ( h) 3600 = 98, , = 0,0618 / Carga térmica sensível ar c text tint qs [m 3 /s] [kg/m 3 ] [J/kg C] [ C] [W] Restaurantes 0,0618 1, , ,2 Total 456 Carga térmica latente ar h lv w ext w int qs [m 3 /s] [kg/m 3 ] [J/kg] kg água / kg ar [W] Restaurantes 0,0618 1, , ,0 Total 943 Carga Térmica Ventilação = = 0,342 0,062 = 0,279 / Calor sensível ar c text tint qs [m 3 /s] [kg/m 3 ] [J/kg C] [ C] [W] Restaurantes 0,279 1, , ,5 Total Carga térmica latente ar h lv w ext w int qs [m 3 /s] [kg/m 3 ] [J/kg] kg água / kg ar [W] Restaurantes 0,279 1, , ,1 Total 4.257

8 8 Carga Térmica Total Carga Térmica [W] Superfícies de alvenaria e janelas Pessoas Iluminação Equipamentos 0 Infiltração - sensível 456 Infiltração - latente 943 Ventilação - sensível Ventilação - latente Total Carga Térmica = W ou BTU/h

9 9 Tabelas Tabela 1: Conforto Térmico: condições recomendadas para o verão NBR Tabela 2: Condutância superficial de paredes (película), valores médios. Condição Condutância superficial h [W/m 2 C] Ar parado 8,28 a 9,25 Ar a 12 km/h 22,7 Ar a 24 km/h 34

10 10 Tabela 3 Coeficientes de transmissão de calor dos materiais de construção. Adaptado de Instalações de Ar Condicionado, Hélio Creder, Editora LTC. Material Condutibilidade k Condutância C [W/m C] [W/m 2 C] 1. Acabamentos Gesso ½ polegada (12,7 mm) - 12,77 Lambri (placa de pinus) 0,12 - Lambri, pinus, placa ¾ polegada - 6,07 Fibra de madeira 0,20 - Reboco em argamassa (20 mm) - 2,78 2. Alvenaria Lã mineral (lã de vidro ou de rocha) 0,04 Verniculite 0,07 Concreto simples 0,72 Massa de cimento com agregados 0,24 Concreto com areia e pedra 1,72 Estuque 0,72 Tijolo comum de argila 0,72 Tijolo de concreto furado 10 cm 0,20 Tijolo de concreto furado 20 cm 0,13 Ladrilho ou cerâmica 0,13 Alvenaria em pedra 1,80 3. Isolamentos Lã mineral (lã de vidro ou de rocha) 0,04 Fibra de madeira 0,04 Vidro celular 0,06 4. Argamassa Nata de cimento com areia 0,72 Nata de gesso com areia 0,80 Agregado com verniculite 0,24 5. Cobertura Placa de agregado de asfalto 0,93 Teto com 10 cm 0,43 6. Madeiras Madeira de lei (cedro, canela, etc.) 0,16 Pinho 0,12 Tabela 4: Coeficientes de sombreamento. Adaptado de Refrigeração e Ar Condicionado, Wilbert Stoecker e Jerold Jones, McGraw Hill. Tipo de vidro Espessura [mm] Sem cortina Persiana Persiana Cortina rolô Cortina rolô Tom médio Tom claro Tom escuro Tom claro Vidro simples Tipo comum 3 1,00 0,64 0,55 0,59 0,25 Laminado 6 a 12 0,95 0,64 0,55 0,59 0,25 Absorvedor 6 0,70 0,57 0,53 0,40 0,30 Absorvedor 10 0,50 0,54 0,52 0,40 0,28 Folha dupla Tipo comum 3 0,90 0,57 0,51 0,60 0,25 Laminado 6 0,83 0,57 0,51 0,60 0,25 Refletivo 6 0,20 a 0,40 0,20 a 0,33

11 11 Tabela 5: Diferencial de temperatura DT para projetos, com base na diferença de 9,4 C entre temperatura externa e recinto condicionado. Adaptado de Instalações de Ar Condicionado, Hélio Creder, Editora LTC. DT [ C] Parede externa 9,4 Parede interna 5,5 Parede interna junto de cozinha, lavanderia ou aquecedores 13,8 Pisos entre recintos não condicionados 5,5 Pisos do térreo (diretamente sobre o solo) 0 Pisos sobre porão 0 Pisos sobre porão com cozinha, lavanderia ou aquecedores 19,4 Pisos sobre recintos ventilados 9,4 Pisos sobre recintos não ventilados 0 Pisos sobre recintos não condicionados 5,5 Pisos sobre recintos com cozinha, lavanderia ou aquecedores 11,1 Tetos ou lajes sob telhados com ou sem sótão 9,4 Importante: Quando o gradiente de temperatura entre os ambientes externo e interno for diferente de 9,4 C, todos os demais valores da Tabela 5 são corrigidos em função desta diferença. Por exemplo, no caso do gradiente entre a temperatura externa e interna for de 11 C (ou seja, 1,6 C maior que 9,4 C), então DT para parede externa terá o valor de 11 C, enquanto o DT para parede interna será de 7,1 C (porque 1,6 C + 5,5 C = 7,1 C). Isto vale para todos os fatores. Tabela 6: Acréscimo ao diferencial de temperatura DT da Tabela 5. Valores em graus Celsius (graus centígrados). Adaptado de Instalações de Ar Condicionado, Hélio Creder, Editora LTC. Cor Escura Cor Média Cor Clara Telhado 25,0 16,6 8,3 Parede Oeste 16,6 11,1 5,5 Parede Leste 16,6 11,1 5,5 Parede Norte 8,3 5,5 2,7 Parede Sul Importante: No caso das paredes externas, um valor adicional é somado ao DT da Tabela 5 para considerar condições tais como a cor das paredes e sua posição em relação ao Sol. Por exemplo, no caso do gradiente entre a temperatura externa e interna for de 11 C (ou seja, 1,6 C maior que 9,4 C), então DT para parede externa terá o valor de 11 C. Se a parede estiver voltada para a face Leste da residência, e pintada em cor clara, então um acréscimo de 5,5 será somado ao valor de DT, elevando-o para 16,5 C. Para mesma residência e cor, a parede voltada para a face Sul terá DT igual a 11 C, enquanto que a voltada para a face Norte terá DT igual a 13,7 C.

12 12 Tabela 7. Calor liberado por pessoas. Adaptado de Ashrae 1997 HVAC Fundamentals Handbook. Atividade Adultos, Adultos, Fração de Fração de masc.* masc. + fem. ** calor sensível calor latente [W] [W] [%] [%] Sentado ao cinema ou teatro, dia ,4 31,6 Sentado ao cinema ou teatro, noite ,7 33,3 Sentado, trabalho leve ,9 39,1 Atividade moderada de escritório ,7 42,3 Trabalho leve, andando: lojas, escritório ,7 42,3 Trabalho sedentário, sentado ,0 50,0 Trabalho leve sentado: fábrica ,4 63,6 Dançando moderadamente ,0 64,0 Trabalho leve, com máquinas: fábrica ,3 62,7 Trabalho leve, andando 4,8 km/h (máx.): fábrica ,3 62,7 Jogando boliche*** ,0 60,0 Trabalho pesado: fábrica ,0 60,0 Trabalho pesado com máquinas: fábrica ,0 60,0 Trabalho pesado com elevação de carga: fábrica ,4 60,6 Atividade atlética ,0 60,0 * Calor liberado por uma mulher adulta, em média, é cerca de 85% do calor liberado por um homem adulto, em qualquer atividade, enquanto que crianças (independente do gênero) liberam 75%. ** Valores médios representando a carga individual do integrante de um agrupamento típico de pessoas, incluindo homens e mulheres adultos, assim como crianças. *** Valores relativos ao jogador em atividade. Demais pessoas devem ser consideradas sentadas (117 W) ou exercendo atividade leve, paradas ou andando (231 W). Observações: 1. Valores baseados em temperatura de 24 C, TBS, para o recinto. Para temperaturas 27 C, TBS, calor total permanece o mesmo, mas o percentual de calor latente é elevado em 20%, e o calor sensível é reduzido proporcionalmente. 2. Todos os valores arredondados para o 5 W mais próximo. Tabela 8: Espaço ocupado por pessoa. Caso não haja certeza sobre a taxa de ocupação de um recinto, podem ser usadas as sugestões abaixo. Fonte: Refrigeração e Ar Condicionado, Wilbert Stoecker e Jerold Jones, McGraw Hill. Espaço Residência Escritório Loja Escola Sala de conferência Ocupação recomendada 2 a 6 ocupantes 10 a 15 m 2 por pessoa 3 a 5 m 2 por pessoa 2,5 m 2 por pessoa 1,0 m 2 por pessoa

13 13 Tabela 9: Fatores de carga térmica de refrigeração para iluminação. Fonte: Refrigeração e Ar Condicionado, Wilbert Stoecker e Jerold Jones, McGraw Hill. Luminária embutida Luminária pendurada Horas após acionamento das lâmpadas 10 horas de exposição 16 horas de exposição 10 horas de exposição 16 horas de exposição 0 0,080 0,190 0,010 0, ,621 0,720 0,761 0, ,658 0,749 0,807 0, ,693 0,775 0,845 0, ,725 0,799 0,875 0, ,754 0,820 0,898 0, ,779 0,839 0,916 0, ,802 0,856 0,929 0, ,822 0,871 0,940 0, ,838 0,885 0,949 0, ,852 0,898 0,957 0, ,321 0,909 0,224 0, ,290 0,920 0,183 0, ,261 0,930 0,150 0, ,235 0,940 0,123 0, ,211 0,950 0,103 0, ,190 0,960 0,087 0, ,171 0,400 0,075 0, ,154 0,360 0,065 0,200 Observação: no caso de lâmpadas fluorescentes, o calor emitido deve ser multiplicado pelo fator de reator Fr, no valor de 1,2. Tabela 10: Taxas típicas de dissipação de calor pela iluminação. Fonte: NBR :2008

14 14 Tabela 11: Trocas de calor por hora nos recintos Fator Q Portas e janelas que se abrem com frequência Renovação do volume de ar do recinto, por hora Nenhuma janela ou porta abre para o exterior 0,75 Janelas ou portas em 1 parede 1,0 Janelas ou portas em 2 paredes 1,5 Janelas ou portas em 3 ou 4 paredes 2,0 Lojas 2,0

15 15 Tabelas de radiação solar global (adaptado de Gonçalves) Tabela 12: Radiação solar global (W/m 2 ) planos verticais e horizontais. Latitude 0. 06h 07h 08h 09h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H Adaptado de Gonçalves Tabela 13: Radiação solar global (W/m 2 ) planos verticais e horizontais. Latitude 4 Sul. 06h 07h 08h 09h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H Adaptado de Gonçalves Verão Outono Primavera Inverno Verão Outono Primavera Inverno

16 16 Tabela 14: Radiação solar global (W/m 2 ) planos verticais e horizontais. Latitude 8 Sul. 06h 07h 08h 09h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H Adaptado de Gonçalves Tabela 15: Radiação solar global (W/m 2 ) planos verticais e horizontais. Latitude 13 Sul. 06h 07h 08h 09h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H Adaptado de Gonçalves Verão Outono Primavera Inverno Verão Outono Primavera Inverno

17 17 Tabela 16: Radiação solar global (W/m 2 ) planos verticais e horizontais. Latitude 17 Sul. 06h 07h 08h 09h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H Adaptado de Gonçalves Tabela 17: Radiação solar global (W/m 2 ) planos verticais e horizontais. Latitude 20 Sul. 06h 07h 08h 09h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H Verão Outono Primavera Inverno Verão Outono Primavera Inverno

18 18 Tabela 18: Radiação solar global (W/m 2 ) planos verticais e horizontais. Latitude Sul. 06h 07h 08h 09h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H Verão Outono Primavera Inverno Tabela 19: Radiação solar global (W/m 2 ) planos verticais e horizontais. Latitude 30 Sul. 06h 07h 08h 09h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H S SE L NE N NO O SO H Verão Outono Primavera Inverno

19 Tabela 20: Condições externas para verão. 19

20 Tabela 21: Condições externas para inverno. 20

21 Tabela 22: vazão eficaz mínima de ar exterior para ventilação. Fonte: NBR :

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