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Relatório Final do Trabalho Final de Curso
Licenciatura em Engenharia Mecânica Ano Lectivo: 00/01 (Ramo: Termodinâmica Aplicada)
Aluno: Bruno Lima, N.º 44299 e-mail: [email protected] Supervisor: Prof. Artur Barreiros e-mail: [email protected] Co-Supervisor: Eng.º Luís Andrade e-mail: [email protected] Site do Projecto: http://tfcmmi.no.sapo.pt Data de Realização: 5 de Fevereiro de 2002
Projecto de um sistema de Ar Condicionado do Museu Marítimo e Regional de Ílhavo
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
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Agradecimentos: Em primeiro lugar ao Professor Artur Barreiros pelo seu apoio incondicional ao meu
trabalho e orientação que contribuirá certamente para o meu desempenho a nível
profissional.
Ao Engenheiro Luís Andrade por me ter apresentado este caso real de estudo, pelos
esclarecimentos técnicos e pela documentação que contribuíram de forma decisiva para
a estrutura deste Projecto.
Ao Doutor Rui Xavier que favoreceu de forma indelével ao alertar-me para as
condições específicas da conservação do espólio do Museu, enriquecimento assim o
meu Projecto e a minha cultura científica.
À minha família o meu profundo agradecimento pela orientação na minha vida
académica e pessoal.
A amabilidade da direcção do Museu em apadrinhar este Projecto é de assinalar e
saudar.
Por último gostava de agradecer aos meus colegas Márcio Nóbrega e Esaú Freire por
todo o seu apoio.
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Índice
1.- Sumário___________________________________________________________ 4
2.- Introdução_________________________________________________________ 4
3.- Descrição do caso de estudo___________________________________________ 5
3.1- Descrição do Edifício ____________________________________________ 5
3.2- Caracterização das condições operacionais _________________________ 6
3.3- Condições específicas ___________________________________________ 8
4.- Modelação dos processos de transferência de Energia______________________ 8
4.1- Conforto Térmico________________________________________________ 8
4.2- Avaliação das cargas térmicas ___________________________________ 12 4.2.1- Carga por insolação através das superfícies transparentes ______________________ 12 4.2.2- Carga por insolação através da envolvente exterior ____________________________ 15 4.2.3- Carga por condução através dos elementos interiores __________________________ 17 4.2.4- Carga resultante da Geração Interna de calor ________________________________ 17 4.2.5 – Carga térmica devido à renovação do ar ____________________________________ 19 4.2.6 – Carga térmica devido à infiltração de ar ____________________________________ 20
4.3- Dimensionamento dos equipamentos______________________________ 21
5.- Selecção dos componentes principais de instalação _______________________ 29
5.1- Análise dos sistemas existentes __________________________________ 30
5.2- Análise da solução instalada _____________________________________ 30
5.3- Análise de resultados ___________________________________________ 32
6.- Conclusões _______________________________________________________ 38
7.- Referências _______________________________________________________ 38
8.- Anexos___________________________________________________________ 40 e
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1.- Sumário Este trabalho consistiu no estudo do sistema de ar condicionado do Museu Marítimo e
Regional de Ílhavo. A análise baseou-se na utilização de metodologias apropriadas para
o dimensionamento dos componentes do sistema. O procedimento adoptado permitiu
identificar alguns inconvenientes da solução instalada relacionados com o controlo da
humidade. A nova solução visa responder aos problemas sentidos pelo Museu na
correcta preservação e conservação das peças expostas.
2.- Introdução O estudo do sistema de climatização instalado no Museu foi conduzido através de
metodologias apropriadas para o dimensionamento de sistemas de ar condicionado.
O principal objectivo da realização deste Trabalho consiste na aquisição de
conhecimentos teóricos e práticos na área de Projecto de sistemas de ar condicionado,
com vista ao futuro desempenho de funções neste sector. Para a concretização deste
objectivo, considerou-se importante a cooperação com uma empresa, a qual permitiu o
acesso a informação técnica específica e a utilização de um caso real de estudo.
Em função dos objectivos propostos, estabeleceu-se, numa primeira fase, como
prioritário a análise detalhada da solução existente, repetindo todos os cálculos
necessários para efectuar o seu dimensionamento. Posteriormente, através de contactos
com um Especialista na área de conservação de peças em Museus, foi identificada a
necessidade de um controlo rigoroso da humidade. Constatou-se, então, que a instalação
actual não respondia na sua totalidade às novas condições específicas desta aplicação. A
solução instalada foi dimensionada de acordo com restrições económicas impostas pela
direcção do Museu. Neste trabalho, estas restrições não são consideradas sendo,
consequentemente, proposta uma solução ideal com a capacidade de manter, em todos
os espaços, as condições ideias para a correcta conservação e preservação do espólio da
Instituição.
A nova configuração foi dimensionada utilizando a mesma metodologia que foi
adoptada para a análise da solução instalada. Na sua concepção, procurou-se minimizar
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as alterações ao Projecto inicial de modo a reduzir os custos de uma eventual
implementação. Deste modo, foi necessário verificar se os componentes da instalação se
adequavam às novas condições de Projecto. Concluiu-se que as principais modificações
são nas Unidades de Tratamento de Ar (UTA) e no Chiller – Bomba de calor. As
condutas de distribuição dos fluidos, os vasos de expansão e os reservatórios de inércia
não necessitam de alterações.
3.- Descrição do caso de estudo
Nesta secção é apresentada uma descrição do edifício, identificando, nomeadamente, a
sua volumetria e compartimentos. São também, caracterizadas as condições
operacionais adoptadas para o cálculo das cargas térmicas e as condições específicas de
projecto.
3.1- Descrição do Edifício
O edifício em estudo é composto por dois andares, R/C e 1ºAndar, cuja identificação
por zonas foi a seguinte:
?? Rés-do-chão:
Compartimento Designação Área1 [m2] Sala de Conferências Z01 150
Sala de Reuniões Z02 17 Átrio Z03 240
Sala da Faina Maior Z04 545 Sala da Ria Z05 407
Sala de Exposições Temporárias Z06 105 Casa de Banho Z07 48
Secretaria Z08 18 Arquivo Z09 14
Direcção Z010 14 Cafetaria Z011 38
Loja Z012 52 Sala da Reserva Z013 43
Escola de Artes Marítimas Z014 36 Oficina Z015 44
Recepção Z016 8 Átrio da sala de conferências Z017 17
1Área que foi contabilizada para calcular as cargas térmicas no respectivo compartimento, ou seja, é a área de pavimento
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?? 1º Andar:
Compartimento Designação Área1 [m2] Biblioteca Z11 153
Arquivo Z12 70 Sala de Amigos de S. M. Manuela Z13 14
Sala de Amigos do Museu de Ílhavo
Z14 14
Sala dos Mares Z15 453 Sala de tradução 1 Z16 5 Sala de tradução 2 Z17 5
Sala de Vídeo e Som Z18 12
Todos os compartimentos são climatizados excepto o arquivo do R/C, os corredores e as
pequenas salas de arrumação da Instituição porque as suas taxas de ocupação ou
finalidade não justificam tal investimento extra. As cargas térmicas da recepção (Z016)
e do átrio da sala de conferências (Z017) foram contabilizadas no dimensionamento da
Unidade de Tratamento de Ar (UTA) do átrio, pois esta unidade abrange a área destes
três recintos. Na zona Z07, casa de banho, não é feita a climatização do ar mas apenas
uma extracção para evitar odores no compartimento. Apresentamos no anexo D uma
descrição detalhada dos compartimentos.
3.2- Caracterização das condições operacionais
No cálculo das cargas térmicas foram consideradas duas situações extremas,
nomeadamente a de Verão e de Inverno, em que utilizamos alguns valores de referência.
As condições exteriores assumidas para este projecto foram obtidas de [1] recorrendo
para tal aos quadros 1.3, 1.4 e 1.8 considerando que a região de Ílhavo é uma zona
climática2 do tipo I2-V1:
Tabela 1: Condições exteriores de projecto
Condições exteriores de projecto Verão Inverno Temperatura [ºC] 28 0
Humidade especifica [gv/kgar] 10.129 3.055 Pressão de saturação do vapor de água [bar] 0.03782 0.00611
Humidade relativa [%] 42 80
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Para a escolha das condições interiores optamos pelos valores expostos na tabela que se
segue, atendendo não só ao bem-estar das pessoas presentes no recinto mas também às
condições preferenciais para a correcta preservação (manutenção/conservação) do
espólio do Museu3:
Tabela 2: Condições interiores de projecto
Condições interiores de projecto Verão Inverno Temperatura [ºC] 24 22
Pressão de saturação do vapor de água [bar] 0.02985 0.02645 Humidade relativa [%] 50 50
Humidade especifica [gv/kgar] 9.482 8.419
No dimensionamento dos equipamentos de AVAC4 é necessário não só ter em conta os
valores apresentados na tabela anterior, mas também alguns pormenores próprios do
edifício em estudo, dado que estes influenciam os valores das cargas térmicas,
salientando-se os seguintes:
?? A Instituição em estudo tem um horário de funcionamento das 9h às 19h o que
implica que a iluminação funcione durante um período de dez horas, impondo
assim uma determinada carga por iluminação nos recintos condicionados;
?? Existem quinze funcionários no museu que foram contabilizados nas cargas
térmicas dos respectivos compartimentos onde trabalham;
?? A sala de conferências tem uma capacidade para 180 pessoas o que provoca uma
carga térmica significativa quando o auditório estiver em funcionamento;
?? As pessoas entram no recinto pela porta do átrio o que permite uma infiltração,
suplementar à existente pelas janelas, de ar exterior no recinto;
?? As exposições guiadas pelo Museu são feitas em grupos de quinze pessoas, com
uma duração aproximada de quinze minutos, perfazendo um total de dezasseis
pessoas, incluindo o Monitor, em cada compartimento de exposição.
2 Informação retirada do quadro III.1 de [1]; 3 Consultamos para o efeito o Dr. Rui Xavier da Fundação Calouste Gulbenkian. 4 Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado;
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3.3- Condições específicas Pela análise da tabela precedente podemos observar que em condições de projecto a
humidade relativa é igual para as situações de Verão e Inverno, estes valores encontram-
se na gama de valores aceitáveis de conforto humano 5. Relativamente ao acervo do
Museu, que assenta principalmente em peças de madeira é necessário ter em conta a sua
elevada sensibilidade à humidade relativa. Por este facto torna-se importante ter um
controle rigoroso desta variável. Conforme se refere no anexo N a humidade relativa
tem influência na conservação do espólio do Museu, sendo os parâmetros desta variável
dependentes de um estudo das condições específicas de cada compartimento. Assim
será necessário conceber um sistema com a flexibilidade de resposta a qualquer
necessidade.
4.- Modelação dos processos de transferência de
Energia
Esta secção foi organizada em duas partes: uma que consiste em apresentar algumas
noções de conforto térmico e outra onde é apresentada a metodologia de cálculo das
cargas térmicas utilizada neste projecto, tendo em conta todos os pormenores
mencionados nas secções precedentes. No anexo H encontra-se uma aplicação da
metodologia exposta nesta secção e a respectiva análise da relevância de cada tipo de
carga térmica.
4.1- Conforto Térmico
A definição clara de conforto termo-higrométrico em edifícios não é facilmente
alcançável uma vez que depende de factores subjectivos, obtidos através de sensações
humanas que diferem de pessoa para pessoa. Correntemente considera-se que um
indivíduo está colocado em condições de conforto termo-higrométrico quando não
experimenta qualquer desagrado ou irritação de modo a distrai- lo das suas actividades
de momento. A condição básica para que tal se verifique é a de que o sistema termo-
regulador do organismo se encontre em equilíbrio com o ambiente envolvente, obtendo-
se então um estado de neutralidade térmica.
5 Para conforto das pessoas a humidade relativa deve assumir valores entre 35% e 85%, devendo-se contudo evitar exceder os 60% no Verão;
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Para um ser humano saudável o seu organismo funciona a um temperatura
aproximadamente constante de 36 ºC. A energia calorífica (metabolismo) produzida
pelos seus processos vitais – circulação, respiração, reacções provenientes da digestão,
etc. – e a actividade muscular, deverá ser dissipada na medida em que é produzida, de
forma a não haver acumulação ou défice que provocam um funcionamento anormal6.
Esta troca de calor com o meio envolvente efectua-se através das seguintes vias:
?? Condução: Através do contacto directo das partes do corpo com elementos
do contorno;
?? Convecção e radiação: Através da interacção da superfície do corpo com o
ar por convecção e com out ras superfícies por radiação;
?? Respiração e evaporação: Transpiração pelos poros da pele.
Este equilíbrio pode ser resumido pela seguinte equação:
Metabolismo 7 = Trocas por (Condução + Radiação + Evaporação)
Os factores dos quais depende o estado de neutralidade térmica são:
?? Parâmetros ambientais: Temperatura do ar, Temperatura radiante média,
Velocidade do ar e Humidade relativa do ar.
?? Parâmetros individuais: Nível de actividade e Tipo de vestuário.
É de salientar que as condições fisiológicas não são, por si só, suficientes para
caracterizarem a sensação térmica provocada pelo ambiente, admitindo-se ser ainda
necessário ter em conta factores de natureza psicológica e sociológica, tais como: sexo,
idade, estrato sócio-cultural, adaptação ecológica às regiões, etc.
Uma quantificação da neutralidade térmica proposta por Fanger (1972) foi a de assumir
que esta era controlada por aspectos fisiológicos quantificáveis, sendo então possível a
dedução duma equação geral de conforto. Utilizando para o efeito uma escala de sete
6 Nomeadamente ‘tremer de frio’ numa situação de défice ou transpirar numa situação de acumulação. 7 Pode-se consultar o quadro 1.1 de [1] para obtermos o nível de metabolismo;
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termos de –3 a +3, representando o zero a neutralidade térmica8. Fanger estabeleceu um
índice PMV (Predict Mean Vote) que permitia calcular, a partir das condições
ambientais, da actividade e do tipo de vestuário, o valor médio esperado do voto dos
indivíduos. Com base numa análise estatística dos resultados da observação
correlacionou o PMV com a percentagem previsível de pessoas insatisfeitas PPD
(Predicted Percentage of Dissatisfied) nas condições referidas. A relação existente entre
a Percentagem Previsível de Insatisfeitos PPD e Voto Médio Previsível PMV é a que se
representa na figura seguinte, retirada de [1]:
Figura 1: Relação de PPD com PMV
A norma ISO9 7730, publicada originalmente em 1984 e revista em 1994, recomenda
para espaços onde se verifique ocupação humana, que o valor de PPD seja inferior a 10
%, o que equivale a admitir valores de PMV compreendidos entre –0,5 e +0,5. Os
valores apresentados expressam as condições de conforto considerando que todo o
corpo troca calor com o meio ambiente na mesma proporção. Ora na prática tal situação
não ocorre pois a pessoa pode sentir aquecimento ou arrefecimento assimétrico do
corpo, como por exemplo o efeito provocado pela radiação excessiva de uma lâmpada
que aquece a cabeça ou o de um chão frio que arrefece os pés. Tendo em conta estes
efeitos estabeleceu-se na década de 80 um documento10 onde se estabelecia valores
limites das seguintes variáveis:
8 Recomenda-se a leitura de §1 de [1]; 9 ISO – International Standarts Organization; 10 Este documento – Regras de qualidade térmica para edifícios – foi realizado no quadro de actividades do Conselho Superior de Obras Públicas e Transportes (CSOPT).
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?? Temperatura do ar
A temperatura do ar no interior deverá estar compreendida entre os valores
limites de 18ºC e 26ºC, devendo a sua variação corresponder à variação
sazonal da temperatura do ar exterior. Admite-se que em períodos não muito
longos aqueles limites possam ser excedidos em 2ºC. A flutuação diária da
temperatura durante os períodos de ocupação não deve ser superior a ±2ºC e,
em períodos de Inverno, a diferença de temperatura para locais não
aquecidos no edifício, por exemplo corredores, vestíbulos, etc. – ou locais
onde o nível de actividade seja elevado - oficinas, ginásios, etc. - não deve
ser superior a 4ºC.
?? Humidade do ar
A humidade relativa do ar deve estar compreendida entre os valores 35% e
85%, devendo contudo evitar-se que em períodos de Verão exceda os 60%.
?? Radiação do contorno
A temperatura média de radiação deve apresentar valores próximos dos da
temperatura do ar. Quando tal não suceda, o efeito conjunto daquelas duas
acções deve ser de modo a simular uma sensação equivalente à suscitada
pela temperatura média do ar recomendada. A temperatura do pavimento não
deve exceder a temperatura do ar mais do que 6ºC.
?? Velocidade do ar
Os valores da temperatura do ar foram fixados admitindo que a velocidade
do ar é baixa (<0,2 m/s), o que, em geral, se verifica em edifícios em
“funcionamento livre” em período de Inverno. Em período de Verão essa
velocidade poderá ser superior a fim de satisfazer o valor limite da
neutralidade térmica, nomeadamente em locais de actividade mais intensa –
oficinas, ginásios, etc. - não devendo contudo na generalidade dos usos em
edifícios ultrapassar os 0,5 m/s.
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Actualmente existe uma maior atenção ao impacto provocado pelos sistemas de Ar
condicionado nas pessoas. No anexo G é feita uma breve introdução a alguns problemas
de saúde associados aos sistemas de climatização.
4.2- Avaliação das cargas térmicas
A determinação das cargas térmicas existentes no edifício é de uma importância fulcral
para o correcto dimensionamento dos componentes constituintes de um sistema de ar
condicionado. Relativamente à sua origem podem, essencialmente, ser identificados
cinco tipos de cargas térmicas, que passamos a descrever:
?? Transmissão da calor através dos elementos do revestimento exterior devido
ao diferencial de temperaturas existente entre o meio exterior e interior ou
entre compartimentos.
?? Transferência de energia solar através dos envidraçados ou a sua absorção
por um elemento opaco.
?? Renovação de ar através da insuflação de ar exterior no compartimento após
tratamento nas Unidades de Tratamento de Ar (UTA).
?? Perda ou ganho de calor devido à infiltração de ar exterior no recinto
condicionado.
?? Libertação de energia calorífica por pessoas e equipamentos presentes no
recinto.
As expressões utilizadas para a quantificação das cargas térmicas são apresentadas na
próxima secção. No anexo A apresentamos os resultados obtidos para cada
compartimento aplicando esta metodologia de cálculo.
4.2.1- Carga por insolação através das superfícies transparentes
Existem vários factores que condicionam a transmissão de calor através dos vidros
devido à insolação, tais como: tipo de envidraçado, constituição, área útil, orientação,
sombreamento devido à posição relativa do Sol e estação do ano. O calor que atravessa
um vidro em regime permanente é avaliado pela seguinte equação, retirada de [2]:
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? ?FGCIAeh
UtAIvQ ??
?
?
?
??
?
???
??? (1)
Sendo: A: Área do vidro [m2]
It : Irradiação da superfície exterior [W/m2]
? : Transmissividade do vidro
U : Coeficiente global de transmissão de calor [W/m2K]
? : Absorsividade do vidro
he : Coeficiente de transmissão de calor por convecção no plano exterior do
vidro [W/m2K]
FGCI : Factor de ganho de calor por insolação [W/m2]
Na expressão (1), o termo ???
????
? ???e
t hU
I é substituído pelo factor FGCI cujo valor se
encontra na Tabela 4-10 de [2], em função da latitude do local, orientação e mês do ano,
simplificando assim o cálculo da energia solar incidente sobre o envidraçado. No
entanto a expressão (1) não contabiliza o tipo de vidro e o sombreamento externo
existente11, pelo que terá de ser alterada. Utiliza-se então:
? ? ? ? CSFGCIAFGCIAQ solsolsombrasombraV ???? (2)
Sendo: A Sombra : Área do vidro sombreada [m2]
A Sol : Área do vidro ensolarada [m2]
(FGCI)12 Sombra : Factor de ganho de calor por insolação a Norte [W/m2]
(FGCI) Sol : Factor de ganho de calor por insolação [W/m2]
CS : Coeficiente de sombreamento
Os valores de CS utilizados nos vários tipos de vidro existentes no edifício foram
obtidos através da Tabela 4-11 de [2]. O cálculo é feito relacionando a altitude solar ? , o
11 Qualquer vidro vertical apresenta sombreamento, mesmo os que não têm protecções solares pois nestes uma determinada área só recebe radiação difusa. 12 (FGCI) sombra representa o valor do factor de ganho de calor máximo por insolação à Norte (caso hemisfério Norte), pelo que se a superfície transparente estiver orientada a Norte o ganho de calor por insolação = área total * coeficiente de sombreamento CS * (FGCImáx) sombra
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ângulo de azimute ? , e o ângulo de azimute da parede ?, de acordo com o esquema
apresentado na figura 2.
Figura 2: Determinação da área sombreada13
As variáveis representadas nesta figura têm o seguinte significado:
? : Ângulo entre o plano horizontal sobre a terra e o raio solar [º]
? : Ângulo entre dois planos verticais (em relação ao plano vertical), um normal
à parede e outro contendo o raio solar [º]
? : Ângulo entre o raio solar e o eixo dirigido a sul [º]
? : Ângulo que o plano vertical normal à parede faz com o sul [º]
D : Espessura das palas exteriores aos vidros ou janelas
Y : Altura da área ensolarada [m]
X : Largura da área ensolarada [m]
O cálculo resume-se à localização das superfícies transparentes existentes no edifício
(vidros, janelas e portas de vidro) que possuam protuberâncias ou beirais, e determinar
as suas dimensões (L e h), espessura das palas (d), assim como a orientação (? ), latitude
e mês do ano. Depois consulta-se a Tabela 4-13 de [2], donde se retiram os valores de ?
e ? . Tendo em consideração a figura 2 podemos deduzir as seguintes expressões:
13 Fig.4-5 de [2].
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dxtg ?? (3.a)
?cosd
a ? (3.b)
Com estas expressões calculamos os valores das áreas ensola rada e sombreada.
4.2.2- Carga por insolação através da envolvente exterior
Esta carga térmica pode ser dividida em duas componentes, ou seja, na carga térmica
imposta pelas paredes exteriores e pela cobertura, que passamos a apresentar nas
subsecções seguintes.
4.2.2.1- Carga por insolação através das paredes exteriores
A transmissão de calor através das paredes depende de inúmeros factores tais como:
área, materiais constituintes, direcção e intensidade do vento e estação do ano. O
processo de transmissão de calor pode ser ilustrado através da figura seguinte, retirada
de [2]:
Figura 3: Energia solar incidente sobre uma parede opaca
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Esta figura mostra que parte da energia que incide na parede é absorvida enquanto a
restante é reflectida. Da fracção de energia que é absorvida uma parte é re-irradiada e
transmitida por convecção para o meio exterior, a restante é trans ferida para o interior
ou absorvida temporariamente, aumentado assim a energia interna da parede14. Segundo
[2] a definição desta carga térmica pode ser modelada a partir das expressões:
? ?ieqtie
teteP TTAUT
hI
TAUQ ????
???
????
?
????
???
?? (4)
? ?DTCRAUQ teP ?? (5)
Sendo: A15: Área da parede
Ut : Coeficiente global de transmissão de calor da parede [W/m2k]
It: Irradiação da superfície exterior [W/m2]
? : Absorvitividade da parede
he: Coeficiente de transmissão de calor por convecção na superfície exterior da
parede [W/m2K]
Te: Temperatura exterior seca de projecto [ºC]
Ti: Temperatura interior seca de projecto [ºC]
Teq16: Temperatura equivalente [ºC]
DTCR17: Diferença de temperatura para a carga de arrefecimento [ºC]
Neste trabalho não se utilizou a expressão (4) uma vez que esta não contabiliza a
retenção parcial de energia na parede, que reduz o fluxo de calor. Utilizou-se, em
alternativa, a expressão (5) que tem em conta a capacidade térmica da parede e o calor
recebido por insolação, contabilizando assim os efeitos transientes da parede.
Os coeficientes globais de transmissão de calor foram determinados de acordo com a
informação disponível em [3] e são apresentados no anexo L.
14 Quanto maior for a inércia térmica da parede menos acentuada é a absorção de energia. No anexo I apresentamos o exemplo do cálculo da inércia térmica da biblioteca, baseado na metodologia proposta em [1]. Na folha de cálculo apresentamos o cálculo da inércia térmica do edifício. 15 O valor da área é obtido multiplicando o comprimento da parede pelo pé direito do andar correspondente, retirando a área das janelas e portas. 16 A temperatura equivalente é igual à temperatura externa somada a um valor que leva em conta o efeito da radiação solar incidente sobre a parede opaca.
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4.2.2.2- Carga por insolação através da cobertura
A carga térmica através da cobertura é reduzida porque existe uma protecção exterior
que impede a luz solar de incidir directamente no telhado e que permite a circulação
livre de ar exterior. Nesta situação o fluxo de calor existente deve-se, essencialmente, ao
diferencial de temperaturas entre o ar exterior e o ar interior:
TAUQCob ???
.. (6)
ie TTT ??? (7)
4.2.3- Carga por condução através dos elementos interiores
Este tipo de carga térmica exis te apenas nas paredes que estão na fronteira entre
compartimentos condicionados e não condicionados. A expressão para o seu cálculo é a
seguinte:
TAUQ tiP ?? ..? (8)
O diferencial de temperaturas foi definido assumindo que a temperatura existente nos
compartimentos não climatizados é igual à média aritmética entre a temperatura interior
de um espaço climatizado e a temperatura exterior.
4.2.4- Carga resultante da Geração Interna de calor
Este tipo de carga térmica assume um valor significativo no caso em estudo porque a
taxa de ocupação média é elevada e existem vários equipamentos presentes no edifício
durante o seu período de funcionamento.
4.2.4.1- Carga provocada pela ocupação humana
17 Obtido através da tabela 4-14 e 4-15 de [2].
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Cada pessoa presente no Museu liberta de um modo contínuo uma determinada
quantidade de calor, que depende da actividade desempenhada pela pessoa, temperatura
do ar envolvente, temperatura das superfícies circundantes, humidade do ar e velocidade
do ar. O calor libertado pelas pessoas divide-se em duas componentes, uma sensível e a
outra latente. O valor de cada componente foi contabilizado através das seguintes
expressões:
FCR )Q( N pessoas ??? ??sensívelQ (9)
? ? ? ?? ?pessoaspessoatlatente QQNQ ??? ??? (10)
Sendo: FCR : factor de carga de refrigeração para os ocupantes [m2]
(Qs)pessoa18 : Calor sensível libertado por pessoa [W]
(Qt)pessoa: Calor total libertado por pessoa [W]
N : Número de pessoas presentes no local
O factor FCR aplica-se à carga sensível uma vez que parte desta carga é absorvida pela
envolvente, mas não se aplica à carga latente porque esta é na sua totalidade absorvida
pelo ar.
4.2.4.2- Carga provocada pela iluminação
Esta carga térmica representa uma percentagem significativa da carga térmica imposta
pela geração interna de calor, pelo que a sua determinação deve ser a mais precisa
possível. O efeito da iluminação na carga térmica não é “sentido” imediatamente pelo
sistema de ar condicionado, uma vez que os elementos e as superfícies presentes no
compartimento absorvem a radiação emitida, aumentando assim a sua temperatura19.
Posteriormente esta energia é transferida por convecção para o ar circundante,
aumentando assim a temperatura ambiente do compartimento20. A expressão utilizada
no cálculo desta carga é a seguinte, retirada de [2]:
18 Estes valores são retirados da tabela 4-7 de [2] em função da tarefa desempenhada pela pessoa. 19 Este aumento de temperatura é mais significativo para elementos que apresentam uma inércia térmica baixa. 20 O efeito do aumento de temperatura persiste depois de desligarmos as lâmpadas devido à inércia térmica.
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FCRFFQ rI ???? ? lâmpadas) das nominal potência(? (11)
Sendo: F? : Factor de utilização das lâmpadas instaladas que são realmente utilizadas.
Fr : Factor do reactor das lâmpadas (=1,2 para lâmpadas fluorescentes).
FCR21 : Factor de carga térmica de refrigeração.
Assumimos para o caso em estudo que F? = 1, ou seja, que todas as lâmpadas
encontram-se ligadas maximizando assim o valor desta componente.
4.2.4.3- Carga provocada pelos equipamentos
O funcionamento de equipamentos dentro de recintos condicionados impõe uma
determinada carga térmica ao sistema de ar condicionado devido à libertação de calor
destes. Para o cálculo desta carga seguimos os valores estipulados pela ASHRAE22 para
os diferentes equipamentos existentes no Museu:
Tabela 3: Calor libertado por equipamento
Tipo de equipamento Calor libertado [W]
Sistema de projecção + Computador 1000
Televisão + Vídeo + Som 1000
Computador + Impressora 575
4.2.5 – Carga térmica devido à renovação do ar
Esta carga térmica é devida à renovação de ar necessária no compartimento de modo a
manter a qualidade do ar no recinto. Como o ar tem de ser introduzido no recinto em
condições distintas do exterior há assim que considerar outra carga térmica no sistema.
O valor desta carga divide-se em duas componentes, uma latente e outra sensível, sendo
a primeira resultante da existência de vapor no ar atmosférico e a segunda devida ao
diferencial de temperaturas. O valor do caudal mássico desta carga térmica foi obtido a
21 Obtido da tabela 4.6 de [2] onde se considerou a conexão X 22 ASHRAE: American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers, Inc
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 20
partir do quadro IV.2 de [1] em que é considerado o número de pessoas presentes na
sala e o tipo de actividade. Para o cálculo destas duas componentes utilizamos as
seguintes expressões:
???
??? ???? ipvaporiparepvaporeparsensível TCwCTCwCmQ )()(
..
(12)
)(..
iefgolatente wwhmQ ?? (13)
Sendo: .
m : caudal de ar novo
Te : Temperatura exterior do ar [ºC]
Ti : Temperatura interior do ar [ºC]
Cpar: Capacidade calorífica do ar a pressão constante [kJ/kgK]
Cpvapor: Capacidade calorífica do vapor de água a pressão constante [kJ/kgK]
we: Humidade específica exterior do ar [kgvapor/kgar]
wi: Humidade específica interior do ar [kgvapor/kgar]
hfgo: Entalpia de vaporização da água [J/kg]
Nas situações de Verão e Inverno a carga latente apresenta um valor negativo porque a
humidade específica exterior é inferior à interior. No cálculo das potências de
aquecimento e de arrefecimento utilizamos três cenários possíveis no Museu de modo a
optimizar o cálculo das potências dos equipamentos, em cada uma destas situações a
carga latente é abordada de modo diferente.
4.2.6 – Carga térmica devido à infiltração de ar
A metodologia de cálculo para esta carga térmica é idêntica à anterior, mas a sua origem
é diferente uma vez que provem da infiltração de ar frio na situação de Inverno no
compartimento ou na infiltração de ar quente na situação de Verão, através das janelas
ou portas exteriores. Para uma estimativa do valor do caudal volumétrico que entra na
zona em estudo recorremos à tabela 7.13 de [5]. O valor desta carga térmica é
desprezável em todos os compartimentos, exceptuando-se no Átrio por onde todas as
pessoas entram no Museu. Neste caso o caudal de ar infiltrado pela porta exterior
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 21
assume um valor significativo conduzindo consequentemente a uma carga térmica
assinalável.
Tal como na carga térmica devida ao ar novo a análise da componente latente é feita
conforme o cenário em consideração. Na folha de cálculo do Excel descrevemos as três
situações de referência e em cada uma delas contabilizamos ou não a carga latente.
4.3- Dimensionamento dos equipamentos
Nas subsecções seguintes são apresentadas as metodologias associadas ao cálculo das
potências relevantes na selecção de equipamentos. Serão também apresentados os
passos envolvidos no dimensionamento das redes de distribuição de fluidos.
4.3.1- Definição das condições de insuflação
As condições de insuflação e as potências envolvidas no tratamento do ar são obtidas
através de balanços integrais de massa e energia, assumindo regime estacionário. A
metodologia que a seguir se apresenta foi desenvolvida com base no esquema
apresentado na figura seguinte que representa uma zona a ser climatizada e uma unidade
de tratamento de ar. São ainda representados, nessa figura, os volumes de controle
utilizados para obter as equações de balanço:
S E
R3
1
ii ; T ?
2
SQ?
LQ?
MQ?
V1 V2
V3
Mm?
V4
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 22
Figura 4: Conjunto: recinto, unidade de tratamento de ar e condutas
As variáveis e os índices representados nesta figura têm o seguinte significado:
SQ?
- carga sensível do compartimento;
LQ?
- carga latente do compartimento;
MQ?
- carga latente e sensível a fornecer à máquina;
R – Ar recirculado que volta a ser injectado na sala;
E – Ar vindo do exterior;
S – Ar expelido para o exterior do edifício;
2 – Condições do ar de retorno da sala;
1 – Condições do ar de insuflação;
3 – Condições do ar após mistura do ar recirculado com o ar exterior;
V1 – Volume de controle aplicado ao compartimento;
V2 – Volume de controle aplicado à máquina;
V3 – Volume de controle aplicado ao ponto de mistura do caudal de ar novo
com o recirculado;
V4 – Volume de controle aplicado ao recinto e ao sistema de ar condicionado.
O procedimento utilizado para o cálculo das diversas potências caloríficas assenta nos
seguintes pressupostos:
?? O caudal de ar novo é imposto, pois é determinado com base no quadro
IV.2 de [1];
?? As propriedades no ponto i são idênticas às dos pontos 2, R e S;
?? O diferencial de temperaturas existente entre a temperatura de insuflação
(Ponto 1) e a temperatura no recinto é imposto;
?? Temperatura e humidade relativa interior são conhecidas;
?? Temperatura e humidade relativa exterior são conhecidas;
?? Carga sensível e latente no recinto são conhecidas;
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 23
Aplicando o balanço de massa ao ar seco no volume de controle V1 obtém-se a seguinte
relação:
21 aa mm??
?
Aplicando o balanço de massa ao vapor de água no volume de controle V1 e atendo ao
facto de que existe libertação de vapor no interior do compartimento devido à carga
latente, obtemos a seguinte expressão:
1
21
a
v
m
m?
?
?? ?? (14a)
Onde: fgo
Lv
hQ
m
??
?
(14b)
Aplicando agora um balanço de energia ao volume de controle V1 obtemos a seguinte
expressão:
12
1hhQQm LS
a???
???
(15)
Atendendo à definição de entalpia específica:
? ? fgopp hTwCChVa
???? ? (16)
Podemos constatar que a equação (14) tem duas incógnitas, w1 e ma1. No entanto, como
a explicitação destas variáveis é complexa, recorre-se a um processo iterativo, que se
descreve a seguir:
1. Arbitrar w1, por exemplo: w1=w2;
2. Calcular h2-h1 e ma1 através das expressões (15) e (16);
3. Calcular w1 a partir de (14);
4. Voltar ao ponto 2 se a diferença de w1 entre duas iterações sucessivas for
apreciável.
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 24
Uma vez definidas as condições de insuflação, aplicamos um balanço de massa ao vapor
de água no volume de controle V2:
)( 311 ?? ????
aM mm (17)
Esta variável permite-nos identificar se é necessário humidificar ( 0??
Mm ) ou
desumidificar ( 0??
Mm ). Aplicando agora um balanço de energia ao volume de controle
V2 obtemos a seguinte expressão:
0)( 131 ???????
MAQMMa Qhmhhm (18)
Atendendo agora à definição de entalpia podemos na fórmula anterior identificar os
termos da potência sensível e latente da máquina:
? ? ? ?? ?22111 TCCTCCmQ pvpapvpaaSENS ?? ??????
(19)
???? hmhmQ fgoaLAT
???
??? )( 311 (20)
Aplicando os balanços de massa e energia ao volume de controle V3 obtemos as
seguintes expressões:
E
a
aE
a
aR
m
m
m
m???
1
1
1
3 ?
?
?
?
?? (21)
E
a
aE
a
aR hm
mh
m
mh
1
2
1
3 ?
?
?
?
?? (22)
Com estas duas últimas equações é possível calcular as potências sensível e latente que
a máquina deverá fornecer. O procedimento apresentado foi definido e implementado
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 25
pelo Supervisor que disponibilizou um programa informático, designado por CTERM,
[8], para efectuar os cálculos. No anexo F apresentamos as listagens obtidas por este
programa.
4.3.2- Técnicas para controlar a humidade
As unidades de tratamento de ar e ventilo-convectores utilizados nesta instalação têm
que controlar a humidade relativa no interior do recinto. Numa primeira fase pensou-se
em propor a utilização de máquinas de controlo de humidade relativa apenas em
compartimentos que tivessem peças ou objectos susceptíveis de degradação,
beneficiando assim de uma instalação mais económica. Concluímos, no entanto, que
esta ideia era impraticável devido ao problema de migração de vapor de água entre
compartimentos, as assimetrias de concentrações provocam gradientes de massa entre
recintos.
Neste tipo de Projecto para que a haja controlo de humidade na máquina é necessária a
existência de uma bateria de aquecimento e uma bateria de arrefecimento, para que o ar
possa numa primeira fase ser arrefecido até uma determinada temperatura e ocorra a
condensação de algum vapor de água para de seguida ser reaquecido até a temperatura
de insuflação. A exigência de duas baterias para efectuar o controlo de humidade
implica que não possamos adoptar um sistema de dois tubos, pois nestes só produzimos
calor ou frio, mas nunca os dois em simultâneo. Apresentamos de seguida uma figura
onde representamos esquematicamente a evolução ideal do ar ao longo das duas
baterias:
Figura 5: Evolução do ar ao passar pela bateria de arrefecimento e reaquecimento.
3
1 4
AQUEQ?
ARREFQ?
WW hm?
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 26
Pela análise da figura precedente podemos deduzir as seguintes expressões para o
cálculo da potência de arrefecimento e aquecimento, respectivamente:
WWaARREF hmhhmQ???
??? )( 431 (23)
)( 411 hhmQ aAQUE ????
(24)
Através de um balanço de massa ao vapor de água no volume de controle V4 é ainda
possível verificar que o valor máximo da humidade específica interior depende do
caudal de ar novo. Assumindo que não existe condensação em nenhuma zona da
instalação, obtém-se:
fgoaE
Lei
hm
Qww ?
?
?? (25)
A partir desta expressão conclui-se que se we < wi o valor de wi pode ser limitado
superiormente (até we) aumentando-se maE. Num recinto com uma humidade específica
elevada podia-se pensar em adoptar uma solução que aumenta-se o caudal de ar novo,
beneficiando do facto da humidade específica exterior ser inferior à interior. Com este
tipo de solução baixava-se o valor da humidade específica interior, mas não se evitava a
variação da humidade específica ao longo do dia devido a variação da carga latente no
recinto. Adicionalmente numa situação de humidade específica exterior superior à
interior esta solução não podia ser utilizada. No Museu não podíamos adoptar uma
solução deste género porque as peças expostas são sens íveis às variações de humidade
do recinto.
Nesta Instituição existe uma grande área de envidraçados que numa situação de
temperatura exterior baixa, situação de Inverno, poderá conduzir a condensação de
vapor de água nos vidros contrariando o efeito da humidificação. Esta possibilidade foi
avaliada considerando o compartimento com a maior área de envidraçados, a sala da Ria
onde AEnv=23,25 m2. Considerando apenas as perdas de calor por condução e convecção
na seguinte expressão:
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 27
)( ei TTAUQ ?? (26)
Onde: ie hKhU
1111??? (27)
Recorrendo ao quadro 2.3 e 2.9 de [1] obtém-se: 1/he= 0,04 m2ºC/W, 1/hi= 0,12 m2ºC/W
e K= 3,4 W/m2ºC e, finalmente, U = 2,2 W/m2ºC.
Sabendo que na situação de Inverno Ti=22ºC e Te= 0ºC obtemos da expressão anterior
Q = 1126 W. Considerando agora o coeficiente de transmissão de calor entre a
superfície interior do vidro e o exterior, definido pela seguinte equação:
KhU e
111*
?? (28)
Sendo U* = 2,99 W/m2ºC, obtém-se a temperatura da superfície interior do vidro, TS, a
partir da expressão:
)(*eS TTAUQ ?? (29)
Para Q=1126 W obteve-se TS = 16,2 ºC. Utilizando uma tabela de vapor de água
saturado verificamos que a 16,2 ºC a pressão de vapor saturado é de 0,01842 bar o que
corresponde a humidade relativa interior de 72 %, logo para as condições de projecto
com uma humidade relativa de aproximadamente 50% não existe possibilidades de
condensação de vapor de água nos vidros.
4.3.4- Dimensionamento das redes de distribuição de fluidos
Para dimensionamento dos ventiladores e das bombas, nos sistemas de distribuição dos
fluidos, é necessário contabilizar as perdas de pressão estática que se designam,
também, por perdas de carga. O correcto dimensionamento é fulcral pois o consumo
energético, associado a estes componentes, representa uma percentagem significativa do
consumo energético total da instalação. As perdas de carga podem dividir-se em dois
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 28
tipos: perdas em Linha e perdas localizadas. As perdas em linha são contabilizadas a
partir de um factor de atrito, f, que se representa, geralmente, num diagrama designado
por diagrama de Moody. Neste trabalho utilizou-se a seguinte expressão, retirada de [7],
que permite implementar facilmente numa folha de cálculo as perdas de carga:
???
?
???
???
???
????
11,1
7,3/
Re69
ln7817,0D
fD
? (30)
Onde ReD é o número de Reynolds baseado no diâmetro D e ? a rugosidade da
superfície.
Relativamente às perdas de carga localizadas consideraram-se as perdas em contracções
e expansões, nos cotovelos, em ramificações e nas grelhas de insuflação.
Para dimensionar os diâmetros das condutas são geralmente utilizados dois métodos: o
método da perda de carga constante e o método da velocidade. O primeiro baseia-se,
essencialmente, em impor uma determinada perda de carga por unidade de comprimento
enquanto que o segundo se baseia na imposição da velocidade.
Relativamente às condutas do Museu estas foram dimensionadas através do método da
perda de carga constante, assumindo uma perda de carga de 1 Pa por metro de conduta.
No anexo J encontra-se os esquemas da cada UTA e respectivas condutas. No anexo K é
facultado um relatório técnico, elaborado pela Empresa Nónio Lda., sobre a UTA do
Átrio para a solução proposta.
Os valores obtidos para os caudais de insuflação de ar diferem ligeiramente dos da
solução inicial. Por esta razão foi feita uma verificação das velocidades obtidas em cada
troço com os novos valores de caudais. Constatamos que em todos os troços as
velocidades se enquadravam numa gama aceitável. Salienta-se que em edifícios
públicos velocidades de 5 a 8 m/s são aceitáveis nas condutas principais e velocidades
de 4 a 6 m/s nas ramificações.
Os valores dos caudais de água foram obtidos através de balanços de energia efectuados
a cada bateria, da figura 6, que conduziram às seguintes expressões:
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 29
AguaQuenteP
ArPArTotalAguaQuente
TC
TCmm
ÁguaQuente
Ar
?
??
??
(31)
AguaFriaP
ArPArTotalAguaFria
TC
TCmm
ÁguaFria
Ar
?
??
??
(32)
As temperaturas de referência, apresentadas na seguinte figura, foram indicadas pelo
fabricante do chiller/bomba de calor:
Figura 6: Esquema de uma Unidade de Tratamento de Ar (UTA)
5.- Selecção dos componentes principais de instalação
Presentemente existe uma grande diversidade de sistemas de climatização no mercado.
Faremos uma breve introdução acerca deste tema nesta secção. Incluímos também um
resumo sobre o sistema actual do Museu cujo relatório técnico, elaborado pela empresa
PEN Lda., poderá ser consultado no anexo E. Será feita uma análise aos resultados
obtidos pela metodologia de cálculo exposta anteriormente e para finalizar
apresentaremos uma nova configuração para o sistema de ar condicionado.
Ventilador de Extracção
Ventilador de Insuflação
3 4 1
Bateria de Arrefecimento
Bateria de Re-aquecimento
Água
TotalArm?
7ºC
12ºC
45ºC
40ºC
Água
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 30
5.1- Análise dos sistemas existentes Numa primeira abordagem podemos classificar os sistemas de climatização23 em duas
categorias: Sistemas Centrais e Sistemas locais. Os sistemas centrais são
caracterizados pela produção centralizada de calor/frio num compartimento. Os fluidos
são posteriormente distribuídos às unidades terminais através de uma rede de condutas,
que por vezes atinge um grau de complexidade elevado. Nos sistemas locais os
equipamentos presentes em cada recinto têm um funcionamento autónomo, baseando-se
apenas nas condições de insuflação exigidas por cada espaço climatizado. Esta
autonomia confere uma maior flexibilidade ao sistema.
Não existe uma aplicação específica para cada uma destas categorias, pois não existem
vantagens marcantes de um tipo face ao outro. Os sistemas centrais de ar condicionado
podem também ser classificados pelo fluido térmico utilizado, identificando-se, neste
caso, Sistemas tudo ar, Sistemas ar-água e Sistemas tudo água. Nos sistemas tudo ar
as necessidades de arrefecimento são todas fornecidas pelo sistema. Em relação às
necessidades de aquecimento poderão ser ou não providas por este sistema. Os sistemas
ar – água utilizam dois meios. O ar (normalmente designado por ar primário) e a água
(normalmente designada por água secundária) para executarem as trocas de calor e de
vapor de água. Necessitam de equipamentos centrais para a produção de calor/frio.
Podem executar a desumidificação do ar, mas não controlam rigorosamente o valor da
humidade relativa. Nos sistemas tudo água as unidades terminais não recebem ar
primário, adoptando-se outras soluções para a ventilação do recinto. Diferenciam-se dos
sistemas ar - água pelo facto de as unidades terminais removerem as cargas sensíveis e
latentes, nos períodos de arrefecimento (Verão). Esta configuração permite o controlo
da temperatura e da humidade relativa.
5.2- Análise da solução instalada
A solução de climatização que se encontra, actualmente, instalada assenta basicamente
na produção centralizada de calor/frio por um chiller – bomba de calor, num sistema ar -
água a 4 Tubos. Nos próximos parágrafos apresentaremos algumas generalidades sobre
os componentes desta instalação:
23 No §IV.5.3 de [6] é feita uma descrição pormenorizada sobre sistemas de climatização.
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 31
?? Chiller – Bomba de Calor
Na tabela que se segue identificamos as suas características específicas:
Tabela 4: características específicas do chiller – bomba de calor
Capacidade de arrefecimento [kW] 286
Capacidade de aquecimento [kW] 309
Regime de temperatura da água
refrigerada [ºC] 7/12
Regime de temperatura da água para
aquecimento [ºC] 45/50
Refrigerante24 R407C
Potência absorvida no chiller/bomba
de calor [kW] 103/92
Temperatura exterior de Verão [ºC] 35
Temperatura exterior de Inverno [ºC] 2
Marca de referência CLIMAVENETA
Modelo de referência WRAQ 1402/B
?? Unidades de Tratamento de Ar (UTA)
As unidades de tratamento de ar foram projectadas no sentido de satisfazer as
necessidades de aquecimento ou arrefecimento de cada compartimento,
independentemente das condições pretendidas nos outros recintos. As UTA´s instaladas
não estão preparadas para um controlo rigoroso da humidade, mas como existe a
possibilidade de alguma condensação na bateria de arrefecimento promovendo desta
forma alguma desumidificação limitando o valor máximo da humidade relativa. Todas
estas máquinas estão equipadas com um filtro25 do tipo G4 para retirar as poeiras, de
maior dimensão, existentes no ar tratado.
?? Condutas
24 No anexo C pode-se consultar informação pormenorizada sobre este fluido refrigerante; 25 Documentação sobre filtração no §18 de [5];
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 32
O material constituinte das condutas de ar foi feito a partir de bobinas ou chapas de aço
galvanizado. As de água foram construídas em ferro preto, série média, DIN 2440. Na
construção das condutas atendeu-se às normas SMACNA26. O material utilizado como
isolante térmico foi a manta de lãs de vidro ou rocha, aglomerada com resinas e coladas
a papel Kraft de alumínio com 25 mm ou 40 mm de espessura, condutibilidade térmica
inferior a 0,040 W/mK e densidade superior a 12 kg/m3.
?? Vaso de expansão
Este equipamento tem por objectivo absorver as variações de volume da água dos
circuitos, provocadas pelas variações de temperatura. O vaso de expansão é do tipo
fechado, com duas câmaras separadas por uma membrana elástica. Um dos
compartimentos é pré-carregado com azoto ou ar e o outro serve de depósito de água,
permanecendo ligado a um dos dois circuitos de água. Nesta instalação encontra-se
acoplado um vaso de expansão em cada um dos dois circuitos de água.
?? Reservatório de inércia
Os reservatórios de inércia têm por objectivo evitar os arranques consecutivos do chiller
– bomba de calor devido ao aumento das cargas térmicas nos recintos condicionados. O
arranque do funcionamento do chiller – bomba de calor dá-se no momento em que o
diferencial de temperaturas existente entre a temperatura de retorno e de ida da água
seja superior ou igual a 1,5ºC. Para contrariar este efeito, na situação de Verão, o
volume de água refrigerada, a 7ºC, existente no reservatório de inércia mistura-se com a
água de retorno sobreaquecida, atenuando o aumento de temperatura da água de retorno.
5.3- Análise de resultados
Nesta secção apresentam-se os resultados obtidos aplicando a metodologia de cálculo
exposta anteriormente para as cargas térmicas de todos os compartimentos. Será feita
uma análise à importância de cada tipo de carga térmica. Identificamos também os
compartimentos com as cargas térmicas mais significativas.
26 SMACNA - Sheet Metal and Air Conditioning Contractors National Association;
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 33
0,0
50,0
100,0
150,0P
otê
nci
a [k
W]
Potência das cargas térmicas na situação de Inverno - Verão
Inverno 0,0 30,4 18,4 6,0 0,0 0,0 0,0 11,6 83,2
Verão 126,2 28,2 3,3 1,1 11,2 67,2 18,6 2,1 15,3
VidrosP.
exterioresCobertura
P. interiores
Equip. Ilum. Pessoas Infiltração Ar Novo
Figura 7: Potência por tipo de carga térmica
Como podemos constatar na figura precedente na situação de Inverno a carga térmica
devido ao ar novo assume o maior valor. Isto deve-se ao facto de o diferencial de
temperaturas existente entre o ar exterior e interior ser elevado, cerca de 22ºC, no
Inverno. As cargas provocadas pela iluminação, equipamentos e ocupação humana não
são contabilizadas porque a potência de aquecimento das UTA´s é dimensionada para a
situação mais desfavorável, que é a de não haver geração interna de calor nos
compartimentos, maximizando assim o valor da potência.
Na situação de Verão os vidros apresentam a carga térmica mais significativa, o que era
espectável devido à existência de uma área de envidraçados elevada. As cargas devido à
Iluminação, pessoas e paredes exteriores assumem um valor razoável sendo as restantes
pouco significativas.
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 34
0,010,020,030,040,050,0
Pot
ênci
a [k
W]
Potência por compartimento no R/C
Inverno 5,2 0,8 14,8 4,3 10,4 6,1 1,0 0,2 0,3 0,6 1,2 0,8 3,1 0,2 0,3 0,0 0,0
Verão 16,3 11,5 41,8 30,3 24,9 16,4 5,6 3,7 3,0 3,3 12,6 6,6 4,5 3,0 2,9 0,4 0,9
Z01 Z02 Z03 Z04 Z05 Z06 Z07 Z08 Z09 Z010 Z011 Z012 Z013 Z014 Z015 Z016 Z017
Figura 8: Potência por compartimento no R/C
No rés-do-chão os compartimentos com as maiores cargas térmicas, como podemos
constatar pela figura precedente, são os das zonas Z03, Z04, Z05 e Z06, que
representam respectivamente o átrio, sala da Faina Maior, sala da Ria e sala das
exposições temporárias. Como são recintos espaçosos, com um volume de ar a ser
tratado significativo, e com taxas de ocupação humana elevadas, por serem
compartimentos de exposição ao público, impõem uma carga térmica elevada ao
sistema de ar condicionado.
0,0
10,0
20,0
30,0
Po
tên
cia
[kW
]
Potência por compartimento no 1ºAndar
Inverno 3,7 2,6 0,6 0,3 8,3 0,2 0,5 0,7
Verão 29,7 4,1 2,8 2,8 25,8 1,4 1,6 1,9
Z11 Z12 Z13 Z14 Z15 Z16 Z17 Z18
Figura 9: Potência por compartimento no 1ºAndar
Pela análise directa à figura 9 destacam-se os compartimentos Z11 e Z15, que
representam respectivamente a Biblioteca e a sala dos Mares. A explicação apresentada
no parágrafo anterior aplica-se igualmente a estes dois compartimentos. Os restantes
recintos apresentam cargas térmicas relativamente inferiores pois tratam-se de salas
pequenas, com pouca geração interna de calor e com áreas de envidraçados reduzidas.
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 35
5.4- A solução proposta
A solução proposta assenta na produção centralizada de calor/frio através de um chiller
– bomba de calor num sistema ar - água a 4 Tubos com um controlo rigoroso da
humidade relativa em todos os compartimentos. Nos próximos pontos será feita uma
descrição de cada componente da instalação:
?? Chiller – bomba de calor
A determinação da capacidade de arrefecimento desta unidade não resulta da simples
adição das potências de arrefecimento das Unidades de Tratamento de Ar, aplicando-se
o mesmo para a capacidade de aquecimento. A nível prático introduz-se um coeficiente
de diversidade, igual a 0,7 neste caso, ao somatório das potências. A justificação para a
utilização deste coeficiente assenta no facto de as cargas térmicas dos recintos variarem
ao longo do dia e esta evolução não ser a mesma de dia para dia em cada
compartimento. O chiller – Bomba de calor actualmente instalado no Museu tem
capacidade de resposta para as novas solicitações das Unidades de Tratamento de Ar,
mas sugere-se aqui o chiller – bomba de calor ideal para esta nova situação. No anexo
M disponibilizamos documentação técnica adicional:
Tabela 5: características específicas do novo chiller – bomba de calor
Capacidade de arrefecimento [kW] 261
Capacidade de aquecimento [kW] 292
Regime de temperatura da água
refrigerada [ºC] 7/12
Regime de temperatura da água para
aquecimento [ºC] 45/50
Refrigerante R407C
Potência absorvida pelos
compressores chiller/bomba de calor
[kW]
99/88
Potência total absorvida pelo
chiller/bomba de calor [kW] 106/93
Temperatura exterior de Verão [ºC] 35
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 36
Temperatura exterior de Inverno [ºC] 2
Número de compressores 2
Número de circuitos do compressor 2
Nível de pressão sonora [dB(A)] 82
Marca de referência CLIMAVENETA
Modelo de referência WRAQ 1202/B
Na figura que se segue apresentamos uma imagem do chiller – bomba de calor
proposto:
Figura 10: Chiller – bomba de calor proposto27
Na tabela seguinte apresentam-se as dimensões desta unidade:
Tabela 6: Dimensões do chiller – bomba de calor proposto
Comprimento [mm] Largura [mm] Altura [mm]
4110 2220 1990
?? Unidades de Tratamento de Ar
Todas as unidades foram projectadas para executarem um controlo rigoroso do valor da
humidade relativa e temperatura do respectivo recinto. O controlo da humidade relativa
é feito através de um “humidostato”, presente no recinto, que emite sinais ao sistema de
controladores. O controlo de temperatura é feito por um sensor de temperatura, presente
27 Figura retirada do catálogo da CLIMAVENETA
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 37
no recinto, que também emite sinais ao sistema de controladores. O dimensionamento
das Unidades de Tratamento de Ar foi realizado atendendo aos valores expostos na
tabela seguinte, onde cada sigla tem o seguinte significado:
PQSM – Potência calorífica sensível do recinto
PQLM – Potência calorífica latente do recinto
PQAR – Potência calorífica de arrefecimento a fornecer à UTA
PQAQ – Potência calorífica de aquecimento a fornecer à UTA
PEVI – Pressão estática do ventilador de insuflação
PEVE – Pressão estática do ventilador de extracção
Tabela 7: Características técnicas das UTA´s do Rés-do-Chão
Zona
da
UTA
Caudal
de ar
novo
[m3/h]
Caudal de
ar
recirculado
[m3/h]
PQSM
[kW]
PQLM
[kW]
PQAR
[kW]
PQAQ
[kW]
PQVM
[kW]
PEVI
[Pa]
PEAR
[Pa]
Z01 5500 50 43,703 9,702 42,497 8,529 25,060 197 132
Z02 300 3100 11,869 0,485 13,915 1,541 1,253 90 76
Z03 900 12000 42,997 6,148 58,069 52,401 4,177 269 105
Z04 500 8500 31,028 3,278 39,984 17,569 2,228 263 149
Z05 500 7000 25,666 3,278 34,014 35,157 2,228 153 97
Z06 600 4500 17,337 4,100 26,099 20,762 2,784 84 25
Z08 200 1000 3,907 0,401 4,968 0,643 0,696 134 30
Z010 100 1000 3,400 0,160 4,032 0,465 0,278 134 36
Z011 500 3500 13,280 0,861 16,032 1,854 2,228 187 30
Z012 200 2000 6,788 0,520 8,383 1,052 0,696 171 30
Z013 200 2000 4,683 1,025 6,913 9,400 0,696 76 25
Z014 300 600 3,413 0,539 4,580 0,605 1,392 55 18
Z015 200 1100 3,026 1,585 6,925 2,768 0,696 20 12
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
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Tabela 8: Características técnicas das UTA´s do 1ºAndar
Zona
da
UTA
Caudal
de ar
novo
[m3/h]
Caudal de ar
recirculado
[m3/h]
PQSM
[kW]
PQLM
[kW]
PQAR
[kW]
PQAQ
[kW]
PQVM
[kW]
PEVI
[Pa]
PEAR
[Pa]
Z11 300 9000 30,127 0,538 34,321 3,632 1,392 128 71
Z12 100 1500 4,190 0,174 4,937 0,565 0,278 10 24
Z13 100 800 2,926 0,108 3,413 0,375 0,278 146 42
Z14 100 800 2,884 0,108 3,366 0,370 0,278 138 36
Z15 500 7100 26,496 3,278 34,938 28,893 2,228 156 101
Z16 100 400 1,502 0,108 1,828 0,214 0,278 50 29
Z17 100 500 1,703 0,108 2,052 0,237 0,278 50 29
Z18 100 500 1,947 0,108 2,323 0,264 0,278 92 29
?? Outros acessórios
Relativamente aos restantes acessórios, nomeadamente as condutas, os vasos de
expansão e reservatórios de inércia, constatamos que as suas características se adaptam
aos novos parâmetros de funcionamento da instalação. Por esta razão não é necessária a
sua substituição.
6.- Conclusões
Neste trabalho foi analisado o sistema de ar condicionado do Museu Marítimo e
Regional de Ílhavo. A análise consistiu, numa primeira fase, na aplicação de
metodologias apropriadas para o dimensionamento de sistemas de ar condicionado.
Posteriormente, verificamos que a sensibilidade às variações de temperatura e humidade
relativa constitui um problema na conservação do espólio desta Instituição. Constatou-
se então que a solução instalada não respondia na sua totalidade a estas condições
específicas. Consequentemente, decidiu-se estudar e propor uma nova solução que se
adequa às novas necessidades.
Na tentativa de propor uma nova solução concluiu-se que um sistema de dois tubos não
podia ser aplicado a esta instalação porque o controlo da humidade relativa necessita de
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
N.º de Página: 39
uma bateria de arrefecimento e outra de reaquecimento na Unidade de Tratamento de Ar
(UTA). O que implica a produção simultânea de frio e calor e um sistema de quatro
tubos, dois tubos, um de ida e outro de retorno, para circular a água quente na bateria de
reaquecimento e os outros dois tubos para circular a água fria na bateria de
arrefecimento. Optou-se pela produção centralizada de calor e frio podendo assim
efectuar-se uma recuperação de calor no chiller – bomba de calor, uma vez que as
potências instaladas nas UTA´s atingem um valor significativo. A instalação de duas
caldeiras em paralelo com um regime de temperaturas de 70ºC / 90ºC e um chiller foi
inicialmente equacionada, mas sabendo que ao optarmos por esta via os custos
monetários associados a essa substituição eram elevados optamos pela simples
substituição de um chiller – bomba de calor por outro que se adequa melhor às novas
exigências da instalação.
7.- Referências
[1] – PIEDADE, A., RODRIGUES, A. e RORIZ, L. – Climatização em Edifícios,
Envolvente e Comportamento Térmico – Edições Orion, 1ª Edição, 2000
[2] – STOECKER, W.F.; JONES, J.W. – Refrigeração e Ar Condicionado – 1985,
McGraw Hill Brasil, Ltda
[3] – SANTOS, C. A. Pina; PAIVA, J. A. Vasconcelos – Coeficientes de Transmissão
Térmica de Elementos da Envolvente de Edifícios – Lisboa, Laboratório Nacional de
Engenharia Civil (LNEC), 1990
[4] – A.A.V.V. – La Madera – Editorial Blume S.A., 1986
[5] – JONES, W.P. – Engenharia de Ar Condicionado – Editora Campus, 2ªEdição,
1973
[6] – A.A.V.V. – Térmica dos Edifícios – Instituto Soldadura e Qualidade (ISQ), 1996
[7] – WHITE, F. – Fluid Mechanics – McGraw-Hill, 1998
[8] – BARREIROS, A.; “CTERM: Programa para determinação das condições de
insuflação e potências das máquinas, num sistema de condicionamento de ar”, 1999
[9] – PLENDERLEITH, H.S. – La Conservation des antiquites et des oeuvres d’art –
Éditions Eyrolles, 1996
[10] – MAYER, R. – Materiales y técnicas del arte – Editorial Blume, 1985
Relatório Final do Trabalho Final de Curso
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8.- Anexos
Anexo A: Tabelas referentes às cargas térmicas
Anexo B: Gráficos das cargas térmicas
Anexo C: Propriedades termodinâmicas do fluido refrigerante R407C
Anexo D: Breve descrição dos compartimentos do Museu
Anexo E: Relatório técnico da Empresa PEN, Lda.
Anexo F: Listagens do CTERM
Anexo G: Doenças provocadas por sistemas de Ar Condicionado
Anexo H: Exemplo de cálculo das cargas térmicas
Anexo I: Cálculo da inércia térmica da Biblioteca
Anexo J: Desenhos em AUTOCAD das UTA´s e respectivas condutas
Anexo K: Características técnicas da UTA do Átrio
Anexo L: Cálculo dos coeficientes de transmissão de calor da envolvente
Anexo M: Características técnicas do Chiller – Bomba de Calor
Anexo N: Controle de condições Ambiente: interiores