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Relatrio Final do TrabalhoFinal de Curso

Licenciatura em Engenharia Mecnica Ano Lectivo: 00/01

(Ramo: Termodinmica Aplicada)

Aluno: Bruno Lima, N. 44299 e-mail:[email protected]: Prof. Artur Barreiros e-mail: [email protected]: Eng. Lus Andrade e-mail:[email protected]

Site do Projecto: http://tfcmmi.no.sapo.ptData de Realizao: 5 de Fevereiro de 2002

Projecto de um sistema de Ar Condicionado doMuseu Martimo e Regional de lhavo


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Relatrio Final do Trabalho Final de Curso

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Agradec imentos :

Em primeiro lugar ao Professor Artur Barreiros pelo seu apoio incondicional ao meu

trabalho e orientao que contribuir certamente para o meu desempenho a nvel

profissional.

Ao Engenheiro Lus Andrade por me ter apresentado este caso real de estudo, pelos

esclarecimentos tcnicos e pela documentao que contriburam de forma decisiva para

a estrutura deste Projecto.

Ao Doutor Rui Xavier que favoreceu de forma indelvel ao alertar-me para as

condies especficas da conservao do esplio do Museu, enriquecimento assim omeu Projecto e a minha cultura cientfica.

minha famlia o meu profundo agradecimento pela orientao na minha vida

acadmica e pessoal.

A amabilidade da direco do Museu em apadrinhar este Projecto de assinalar e

saudar.

Por ltimo gostava de agradecer aos meus colegas Mrcio Nbrega e Esa Freire por

todo o seu apoio.


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ndice

1.- Sumrio___________________________________________________________ 4

2.- I ntroduo_________________________________________________________ 4

3.- Descr io do caso de estudo___________________________________________ 5

3.1- Descrio do Edifcio ____________________________________________ 5

3.2- Caracterizao das condies operacionais_________________________ 6

3.3- Condies especficas ___________________________________________ 8

4.- M odelao dos processos de transferncia de Energia______________________ 8

4.1- Conforto Trmico________________________________________________ 84.2- Avaliao das cargas trmicas ___________________________________ 12

4.2.1- Carga por insolao atravs das superfcies transparentes______________________ 12

4.2.2- Carga por insolao atravs da envolvente exterior____________________________ 15

4.2.3- Carga por conduo atravs dos elementos interiores __________________________ 17

4.2.4- Carga resultante da Gerao Interna de calor ________________________________ 17

4.2.5 Carga trmica devido renovao do ar____________________________________ 19

4.2.6 Carga trmica devido infiltrao de ar____________________________________ 20

4.3- Dimensionamento dos equipamentos______________________________ 21

5.- Seleco dos componentes pr incipai s de instalao_______________________ 29

5.1- Anlise dos sistemas existentes__________________________________ 30

5.2- Anlise da soluo instalada _____________________________________ 30

5.3- Anlise de resultados___________________________________________ 32

6.- Concluses _______________________________________________________ 38

7.- Referncias _______________________________________________________ 38

8.- Anexos___________________________________________________________ 40

e


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1.- SumrioEste trabalho consistiu no estudo do sistema de ar condicionado do Museu Martimo e

Regional de lhavo. A anlise baseou-se na utilizao de metodologias apropriadas para

o dimensionamento dos componentes do sistema. O procedimento adoptado permitiu

identificar alguns inconvenientes da soluo instalada relacionados com o controlo da

humidade. A nova soluo visa responder aos problemas sentidos pelo Museu na

correcta preservao e conservao das peas expostas.

2.- IntroduoO estudo do sistema de climatizao instalado no Museu foi conduzido atravs de

metodologias apropriadas para o dimensionamento de sistemas de ar condicionado.

O principal objectivo da realizao deste Trabalho consiste na aquisio de

conhecimentos tericos e prticos na rea de Projecto de sistemas de ar condicionado,

com vista ao futuro desempenho de funes neste sector. Para a concretizao deste

objectivo, considerou-se importante a cooperao com uma empresa, a qual permitiu o

acesso a informao tcnica especfica e a utilizao de um caso real de estudo.

Em funo dos objectivos propostos, estabeleceu-se, numa primeira fase, como

prioritrio a anlise detalhada da soluo existente, repetindo todos os clculos

necessrios para efectuar o seu dimensionamento. Posteriormente, atravs de contactos

com um Especialista na rea de conservao de peas em Museus, foi identificada a

necessidade de um controlo rigoroso da humidade. Constatou-se, ento, que a instalao

actual no respondia na sua totalidade s novas condies especficas desta aplicao. A

soluo instalada foi dimensionada de acordo com restries econmicas impostas peladireco do Museu. Neste trabalho, estas restries no so consideradas sendo,

consequentemente, proposta uma soluo ideal com a capacidade de manter, em todos

os espaos, as condies ideias para a correcta conservao e preservao do esplio da

Instituio.

A nova configurao foi dimensionada utilizando a mesma metodologia que foi

adoptada para a anlise da soluo instalada. Na sua concepo, procurou-se minimizar


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as alteraes ao Projecto inicial de modo a reduzir os custos de uma eventual

implementao. Deste modo, foi necessrio verificar se os componentes da instalao se

adequavam s novas condies de Projecto. Concluiu-se que as principais modificaes

so nas Unidades de Tratamento de Ar (UTA) e no Chiller Bomba de calor. As

condutas de distribuio dos fluidos, os vasos de expanso e os reservatrios de inrcia

no necessitam de alteraes.

3.- Descrio do caso de estudo

Nesta seco apresentada uma descrio do edifcio, identificando, nomeadamente, a

sua volumetria e compartimentos. So tambm, caracterizadas as condies

operacionais adoptadas para o clculo das cargas trmicas e as condies especficas de

projecto.

3.1- Descrio do Edifcio

O edifcio em estudo composto por dois andares, R/C e 1Andar, cuja identificao

por zonas foi a seguinte:

?? Rs-do-cho:

Compartimento Designao rea1

[m2

]Sala de Conferncias Z01 150Sala de Reunies Z02 17

trio Z03 240Sala da Faina Maior Z04 545

Sala da Ria Z05 407Sala de Exposies Temporrias Z06 105

Casa de Banho Z07 48Secretaria Z08 18Arquivo Z09 14

Direco Z01014

Cafetaria Z011 38Loja Z012 52

Sala da Reserva Z013 43Escola de Artes Martimas Z014 36

Oficina Z015 44Recepo Z016 8

trio da sala de conferncias Z017 17

1

rea que foi contabilizada para calcular as cargas trmicas no respectivo compartimento, ou seja, area de pavimento


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?? 1 Andar:

Compartimento Designao rea1 [m2]Biblioteca Z11 153Arquivo Z12 70

Sala de Amigos de S. M. Manuela Z13 14Sala de Amigos do Museu de

lhavoZ14 14

Sala dos Mares Z15 453Sala de traduo 1 Z16 5Sala de traduo 2 Z17 5

Sala de Vdeo e Som Z18 12

Todos os compartimentos so climatizados excepto o arquivo do R/C, os corredores e as

pequenas salas de arrumao da Instituio porque as suas taxas de ocupao oufinalidade no justificam tal investimento extra. As cargas trmicas da recepo (Z016)

e do trio da sala de conferncias (Z017) foram contabilizadas no dimensionamento da

Unidade de Tratamento de Ar (UTA) do trio, pois esta unidade abrange a rea destes

trs recintos. Na zona Z07, casa de banho, no feita a climatizao do ar mas apenas

uma extraco para evitar odores no compartimento. Apresentamos no anexo D uma

descrio detalhada dos compartimentos.

3.2- Caracterizao das condies operacionais

No clculo das cargas trmicas foram consideradas duas situaes extremas,

nomeadamente a de Vero e de Inverno, em que utilizamos alguns valores de referncia.

As condies exteriores assumidas para este projecto foram obtidas de [1] recorrendo

para tal aos quadros 1.3, 1.4 e 1.8 considerando que a regio de lhavo uma zona

climtica2 do tipo I2-V1:

Tabela 1: Condies exteriores de projecto

Condies exteriores de projecto Vero InvernoTemperatura [C] 28 0

Humidade especifica [gv/kgar] 10.129 3.055

Presso de saturao do vapor de gua [bar] 0.03782 0.00611

Humidade relativa [%] 42 80


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Para a escolha das condies interiores optamos pelos valores expostos na tabela que se

segue, atendendo no s ao bem-estar das pessoas presentes no recinto mas tambm s

condies preferenciais para a correcta preservao (manuteno/conservao) do

esplio do Museu3:

Tabela 2: Condies interiores de projecto

Condies interiores de projecto Vero InvernoTemperatura [C] 24 22

Presso de saturao do vapor de gua [bar] 0.02985 0.02645Humidade relativa [%] 50 50

Humidade especifica [gv/kgar] 9.482 8.419

No dimensionamento dos equipamentos de AVAC4 necessrio no s ter em conta os

valores apresentados na tabela anterior, mas tambm alguns pormenores prprios do

edifcio em estudo, dado que estes influenciam os valores das cargas trmicas,

salientando-se os seguintes:

?? A Instituio em estudo tem um horrio de funcionamento das 9h s 19h o que

implica que a iluminao funcione durante um perodo de dez horas, impondo

assim uma determinada carga por iluminao nos recintos condicionados;

?? Existem quinze funcionrios no museu que foram contabilizados nas cargas

trmicas dos respectivos compartimentos onde trabalham;

?? A sala de conferncias tem uma capacidade para 180 pessoas o que provoca uma

carga trmica significativa quando o auditrio estiver em funcionamento;

?? As pessoas entram no recinto pela porta do trio o que permite uma infiltrao,

suplementar existente pelas janelas, de ar exterior no recinto;

?? As exposies guiadas pelo Museu so feitas em grupos de quinze pessoas, com

uma durao aproximada de quinze minutos, perfazendo um total de dezasseis

pessoas, incluindo o Monitor, em cada compartimento de exposio.

2 Informao retirada do quadro III.1 de [1];3

Consultamos para o efeito o Dr. Rui Xavier da Fundao Calouste Gulbenkian.4 Aquecimento, Ventilao e Ar Condicionado;


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3.3- Condies especficas

Pela anlise da tabela precedente podemos observar que em condies de projecto a

humidade relativa igual para as situaes de Vero e Inverno, estes valores encontram-

se na gama de valores aceitveis de conforto humano5

. Relativamente ao acervo doMuseu, que assenta principalmente em peas de madeira necessrio ter em conta a sua

elevada sensibilidade humidade relativa. Por este facto torna-se importante ter um

controle rigoroso desta varivel. Conforme se refere no anexo N a humidade relativa

tem influncia na conservao do esplio do Museu, sendo os parmetros desta varivel

dependentes de um estudo das condies especficas de cada compartimento. Assim

ser necessrio conceber um sistema com a flexibilidade de resposta a qualquer

necessidade.

4.- Modelao dos processos de transferncia de

Energia

Esta seco foi organizada em duas partes: uma que consiste em apresentar algumas

noes de conforto trmico e outra onde apresentada a metodologia de clculo das

cargas trmicas utilizada neste projecto, tendo em conta todos os pormenores

mencionados nas seces precedentes. No anexo H encontra-se uma aplicao da

metodologia exposta nesta seco e a respectiva anlise da relevncia de cada tipo de

carga trmica.

4.1- Conforto Trmico

A definio clara de conforto termo-higromtrico em edifcios no facilmente

alcanvel uma vez que depende de factores subjectivos, obtidos atravs de sensaes

humanas que diferem de pessoa para pessoa. Correntemente considera-se que um

indivduo est colocado em condies de conforto termo-higromtrico quando no

experimenta qualquer desagrado ou irritao de modo a distrai-lo das suas actividades

de momento. A condio bsica para que tal se verifique a de que o sistema termo-

regulador do organismo se encontre em equilbrio com o ambiente envolvente, obtendo-

se ento um estado de neutralidade trmica.

5

Para conforto das pessoas a humidade relativa deve assumir valores entre 35% e 85%, devendo-secontudo evitar exceder os 60% no Vero;


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Para um ser humano saudvel o seu organismo funciona a um temperatura

aproximadamente constante de 36 C. A energia calorfica (metabolismo) produzida

pelos seus processos vitais circulao, respirao, reaces provenientes da digesto,

etc. e a actividade muscular, dever ser dissipada na medida em que produzida, de

forma a no haver acumulao ou dfice que provocam um funcionamento anormal6.

Esta troca de calor com o meio envolvente efectua-se atravs das seguintes vias:

?? Conduo: Atravs do contacto directo das partes do corpo com elementos

do contorno;

?? Conveco e radiao: Atravs da interaco da superfcie do corpo com o

ar por conveco e com outras superfcies por radiao;

?? Respirao e evaporao: Transpirao pelos poros da pele.

Este equilbrio pode ser resumido pela seguinte equao:

Metabolismo 7 = Trocas por (Conduo + Radiao + Evaporao)

Os factores dos quais depende o estado de neutr al idade trmi caso:

?? Parmetros ambientais: Temperatura do ar, Temperatura radiante mdia,

Velocidade do ar e Humidade relativa do ar.

?? Parmetros individuais: Nvel de actividade e Tipo de vesturio.

de salientar que as condies fisiolgicas no so, por si s, suficientes para

caracterizarem a sensao trmica provocada pelo ambiente, admitindo-se ser ainda

necessrio ter em conta factores de natureza psicolgica e sociolgica, tais como: sexo,

idade, estrato scio-cultural, adaptao ecolgica s regies, etc.

Uma quantificao da neutralidade trmica proposta por Fanger (1972) foi a de assumir

que esta era controlada por aspectos fisiolgicos quantificveis, sendo ento possvel a

deduo duma equao geral de conforto. Utilizando para o efeito uma escala de sete

6

Nomeadamente tremer de frio numa situao de dfice ou transpirar numa situao de acumulao.7 Pode-se consultar o quadro 1.1 de [1] para obtermos o nvel de metabolismo;


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termos de 3 a +3, representando o zero a neutralidade trmica8. Fanger estabeleceu um

ndice PMV (Predict Mean Vote) que permitia calcular, a partir das condies

ambientais, da actividade e do tipo de vesturio, o valor mdio esperado do voto dos

indivduos. Com base numa anlise estatstica dos resultados da observao

correlacionou o PMV com a percentagem previsvel de pessoas insatisfeitas PPD

(Predicted Percentage of Dissatisfied) nas condies referidas. A relao existente entre

a Percentagem Previsvel de Insatisfeitos PPD e Voto Mdio Previsvel PMV a que se

representa na figura seguinte, retirada de [1]:

Figura 1: Relao de PPD com PMV

A norma ISO9 7730, publicada originalmente em 1984 e revista em 1994, recomenda

para espaos onde se verifique ocupao 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 condies de conforto considerando que todo o

corpo troca calor com o meio ambiente na mesma proporo. Ora na prtica tal situao

no ocorre pois a pessoa pode sentir aquecimento ou arrefecimento assimtrico docorpo, como por exemplo o efeito provocado pela radiao excessiva de uma lmpada

que aquece a cabea ou o de um cho frio que arrefece os ps. Tendo em conta estes

efeitos estabeleceu-se na dcada de 80 um documento 10 onde se estabelecia valores

limites das seguintes variveis:

8 Recomenda-se a leitura de 1 de [1];9 ISO International Standarts Organization;10

Este documento Regras de qualidade trmica para edifcios foi realizado no quadro de actividadesdo Conselho Superior de Obras Pblicas e Transportes (CSOPT).


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?? Temperatura do ar

A temperatura do ar no interior dever estar compreendida entre os valores

limites de 18C e 26C, devendo a sua variao corresponder variao

sazonal da temperatura do ar exterior. Admite-se que em perodos no muito

longos aqueles limites possam ser excedidos em 2C. A flutuao diria da

temperatura durante os perodos de ocupao no deve ser superior a 2C e,

em perodos de Inverno, a diferena de temperatura para locais no

aquecidos no edifcio, por exemplo corredores, vestbulos, etc. ou locais

onde o nvel de actividade seja elevado - oficinas, ginsios, etc. - no deve

ser superior a 4C.

?? Humidade do ar

A humidade relativa do ar deve estar compreendida entre os valores 35% e

85%, devendo contudo evitar-se que em perodos de Vero exceda os 60%.

?? Radiao do contorno

A temperatura mdia de radiao deve apresentar valores prximos dos da

temperatura do ar. Quando tal no suceda, o efeito conjunto daquelas duas

aces deve ser de modo a simular uma sensao equivalente suscitada

pela temperatura mdia do ar recomendada. A temperatura do pavimento no

deve exceder a temperatura do ar mais do que 6C.

?? Velocidade do ar

Os valores da temperatura do ar foram fixados admitindo que a velocidade

do ar baixa (


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Actualmente existe uma maior ateno ao impacto provocado pelos sistemas de Ar

condicionado nas pessoas. No anexo G feita uma breve introduo a alguns problemas

de sade associados aos sistemas de climatizao.

4.2- Avaliao das cargas trmicas

A determinao das cargas trmicas existentes no edifcio de uma importncia fulcral

para o correcto dimensionamento dos componentes constituintes de um sistema de ar

condicionado. Relativamente sua origem podem, essencialmente, ser identificados

cinco tipos de cargas trmicas, que passamos a descrever:

?? Transmisso da calor atravs dos elementos do revestimento exterior devido

ao diferencial de temperaturas existente entre o meio exterior e interior ouentre compartimentos.

?? Transferncia de energia solar atravs dos envidraados ou a sua absoro

por um elemento opaco.

?? Renovao de ar atravs da insuflao de ar exterior no compartimento aps

tratamento nas Unidades de Tratamento de Ar (UTA).

?? Perda ou ganho de calor devido infiltrao de ar exterior no recinto

condicionado.

?? Libertao de energia calorfica por pessoas e equipamentos presentes no

recinto.

As expresses utilizadas para a quantificao das cargas trmicas so apresentadas na

prxima seco. No anexo A apresentamos os resultados obtidos para cada

compartimento aplicando esta metodologia de clculo.

4.2.1- Carga por insolao atravs das superfcies transparentes

Existem vrios factores que condicionam a transmisso de calor atravs dos vidros

devido insolao, tais como: tipo de envidraado, constituio, rea til, orientao,

sombreamento devido posio relativa do Sol e estao do ano. O calor que atravessa

um vidro em regime permanente avaliado pela seguinte equao, retirada de [2]:


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? ?FGCIAe

h

Ut

AIv

Q ??

?

?

?

?

?

?

?

???

?? (1)

Sendo: A: rea do vidro [m2]It: Irradiao da superfcie exterior [W/m

2]

? : Transmissividade do vidro

U : Coeficiente global de transmisso de calor [W/m2K]

? : Absorsividade do vidro

he : Coeficiente de transmisso de calor por conveco no plano exterior do

vidro [W/m2K]

FGCI: Factor de ganho de calor por insolao [W/m2]

Na expresso (1), o termo??

?

?

??

?

? ???

e

th

UI substitudo pelo factor FGCI cujo valor se

encontra na Tabela 4-10 de [2], em funo da latitude do local, orientao e ms do ano,

simplificando assim o clculo da energia solar incidente sobre o envidraado. No

entanto a expresso (1) no contabiliza o tipo de vidro e o sombreamento externo

existente

11

, pelo que ter de ser alterada. Utiliza-se ento:

? ? CSFGCIAFGCIAQ solsolsombrasombraV ???? (2)

Sendo: A Sombra: rea do vidro sombreada [m2]

A Sol: rea do vidro ensolarada [m2]

(FGCI)12Sombra: Factor de ganho de calor por insolao a Norte [W/m2]

(FGCI) Sol : Factor de ganho de calor por insolao [W/m

2

]CS : Coeficiente de sombreamento

Os valores de CS utilizados nos vrios tipos de vidro existentes no edifcio foram

obtidos atravs da Tabela 4-11de [2]. O clculo feito relacionando a altitude solar? , o

11 Qualquer vidro vertical apresenta sombreamento, mesmo os que no tm proteces solares pois nestesuma determinada rea s recebe radiao difusa.12 (FGCI) sombra representa o valor do factor de ganho de calor mximo por insolao Norte (caso

hemisfrio Norte), pelo que se a superfcie transparente estiver orientada a Norte o ganho de calor porinsolao = rea total * coeficiente de sombreamento CS * (FGCImx) sombra


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ngulo de azimute ? , e o ngulo de azimute da parede ?, de acordo com o esquema

apresentado na figura 2.

Figura 2: Determinao da rea sombreada13

As variveis representadas nesta figura tm o seguinte significado:

?: ngulo entre o plano horizontal sobre a terra e o raio solar[]

? : ngulo entre dois planos verticais (em relao ao plano vertical), um normal

parede e outro contendo o raio solar []

? : ngulo entre o raio solar e o eixo dirigido a sul []

? :ngulo que o plano vertical normal parede faz com o sul []

D : Espessura das palas exteriores aos vidros ou janelas

Y : Altura da rea ensolarada [m]

X : Largura da rea ensolarada [m]

O clculo resume-se localizao das superfcies transparentes existentes no edifcio

(vidros, janelas e portas de vidro) que possuam protuberncias ou beirais, e determinar

as suas dimenses (L e h), espessura das palas (d), assim como a orientao (? ), latitude

e ms do ano. Depois consulta-se a Tabela 4-13 de [2], donde se retiram os valores de ?

e? . Tendo em considerao a figura 2 podemos deduzir as seguintes expresses:

13 Fig.4-5 de [2].


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d

xtg ?? (3.a)

?cosda ? (3.b)

Com estas expresses calculamos os valores das reas ensolarada e sombreada.

4.2.2- Carga por insolao atravs da envolvente exterior

Esta carga trmica pode ser dividida em duas componentes, ou seja, na carga trmica

imposta pelas paredes exteriores e pela cobertura, que passamos a apresentar nas

subseces seguintes.

4.2.2.1- Carga por insolao atravs das paredes exteriores

A transmisso de calor atravs das paredes depende de inmeros factores tais como:

rea, materiais constituintes, direco e intensidade do vento e estao do ano. O

processo de transmisso de calor pode ser ilustrado atravs da figura seguinte, retiradade [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 absorvida enquanto a

restante reflectida. Da fraco de energia que absorvida uma parte re-irradiada e

transmitida por conveco para o meio exterior, a restante transferida para o interior

ou absorvida temporariamente, aumentado assim a energia interna da parede14. Segundo

[2] a definio desta carga trmica pode ser modelada a partir das expresses:

? ?ieqtie

teteP TTAUTh

ITAUQ ???

?

?

?

?

??

??

?

?

??

?

????

? (4)

?DTCRAUQ teP ?? (5)

Sendo: A15

: rea da paredeUt: Coeficiente global de transmisso de calor da parede [W/m

2k]

It: Irradiao da superfcie exterior [W/m2]

? : Absorvitividade da parede

he: Coeficiente de transmisso de calor por conveco na superfcie exterior da

parede [W/m2K]

Te: Temperatura exterior seca de projecto [C]

Ti: Temperatura interior seca de projecto [C]Teq

16: Temperatura equivalente [C]

DTCR17: Diferena de temperatura para a carga de arrefecimento [C]

Neste trabalho no se utilizou a expresso (4) uma vez que esta no contabiliza a

reteno parcial de energia na parede, que reduz o fluxo de calor. Utilizou-se, em

alternativa, a expresso (5) que tem em conta a capacidade trmica da parede e o calor

recebido por insolao, contabilizando assim os efeitos transientes da parede.

Os coeficientes globais de transmisso de calor foram determinados de acordo com a

informao disponvel em [3] e so apresentados no anexo L.

14 Quanto maior for a inrcia trmica da parede menos acentuada a absoro de energia. No anexo Iapresentamos o exemplo do clculo da inrcia trmica da biblioteca, baseado na metodologia proposta em[1]. Na folha de clculo apresentamos o clculo da inrcia trmica do edifcio.15 O valor da rea obtido multiplicando o comprimento da parede pelo p direito do andarcorrespondente, retirando a rea das janelas e portas.16 A temperatura equivalente igual temperatura externa somada a um valor que leva em conta o efeitoda radiao solar incidente sobre a parede opaca.


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4.2.2.2- Carga por insolao atravs da cobertura

A carga trmica atravs da cobertura reduzida porque existe uma proteco exterior

que impede a luz solar de incidir directamente no telhado e que permite a circulao

livre de ar exterior. Nesta situao 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 conduo atravs dos elementos interiores

Este tipo de carga trmica existe apenas nas paredes que esto na fronteira entre

compartimentos condicionados e no condicionados. A expresso para o seu clculo a

seguinte:

TAUQ tiP ?? ..? (8)

O diferencial de temperaturas foi definido assumindo que a temperatura existente nos

compartimentos no climatizados igual mdia aritmtica entre a temperatura interior

de um espao climatizado e a temperatura exterior.

4.2.4- Carga resultante da Gerao Interna de calor

Este tipo de carga trmica assume um valor significativo no caso em estudo porque ataxa de ocupao mdia elevada e existem vrios equipamentos presentes no edifcio

durante o seu perodo de funcionamento.

4.2.4.1- Carga provocada pela ocupao humana

17 Obtido atravs da tabela 4-14 e 4-15 de [2].


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Cada pessoa presente no Museu liberta de um modo contnuo uma determinada

quantidade de calor, que depende da actividade desempenhada pela pessoa, temperatura

do ar envolvente, temperatura das superfcies circundantes, humidade do ar e velocidade

do ar. O calor libertado pelas pessoas divide-se em duas componentes, uma sensvel e a

outra latente. O valor de cada componente foi contabilizado atravs das seguintes

expresses:

FCR)Q(N pessoas ??? ??sensvelQ (9)

pessoaspessoatlatente QQNQ??? ??? (10)

Sendo: FCR: factor de carga de refrigerao para os ocupantes [m2

](Qs)pessoa

18 : Calor sensvel libertado por pessoa [W]

(Qt)pessoa: Calor total libertado por pessoa [W]

N : Nmero de pessoas presentes no local

O factor FCR aplica-se carga sensvel uma vez que parte desta carga absorvida pela

envolvente, mas no se aplica carga latente porque esta na sua totalidade absorvida

pelo ar.

4.2.4.2- Carga provocada pela iluminao

Esta carga trmica representa uma percentagem significativa da carga trmica imposta

pela gerao interna de calor, pelo que a sua determinao deve ser a mais precisa

possvel. O efeito da iluminao na carga trmica no sentido imediatamente pelo

sistema de ar condicionado, uma vez que os elementos e as superfcies presentes no

compartimento absorvem a radiao emitida, aumentando assim a sua temperatura19.

Posteriormente esta energia transferida por conveco para o ar circundante,

aumentando assim a temperatura ambiente do compartimento20. A expresso utilizada

no clculo desta carga a seguinte, retirada de [2]:

18 Estes valores so retirados da tabela 4-7 de [2] em funo da tarefa desempenhada pela pessoa.19 Este aumento de temperatura mais significativo para elementos que apre sentam uma inrcia trmica

baixa.20

O efeito do aumento de temperatura persiste depois de desligarmos as lmpadas devido inrciatrmica.


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FCRFFQ rI ???? ?lmpadas)dasnominalpotncia(? (11)

Sendo: F? : Factor de utilizao das lmpadas instaladas que so realmente utilizadas.

Fr : Factor do reactor das lmpadas (=1,2 para lmpadas fluorescentes).FCR21: Factor de carga trmica de refrigerao.

Assumimos para o caso em estudo que F? = 1, ou seja, que todas as lmpadas

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 impe uma

determinada carga trmica ao sistema de ar condicionado devido libertao de calor

destes. Para o clculo 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 projeco + Computador 1000

Televiso + Vdeo + Som 1000

Computador + Impressora 575

4.2.5 Carga trmica devido renovao do ar

Esta carga trmica devida renovao de ar necessria no compartimento de modo amanter a qualidade do ar no recinto. Como o ar tem de ser introduzido no recinto em

condies distintas do exterior h assim que considerar outra carga trmica no sistema.

O valor desta carga divide-se em duas componentes, uma latente e outra sensvel, sendo

a primeira resultante da existncia de vapor no ar atmosfrico e a segunda devida ao

diferencial de temperaturas. O valor do caudal mssico desta carga trmica foi obtido a

21

Obtido da tabela 4.6 de [2] onde se considerou a conexo X22 ASHRAE: American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers, Inc


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N. de Pgina: 20

partir do quadro IV.2 de [1] em que considerado o nmero de pessoas presentes na

sala e o tipo de actividade. Para o clculo destas duas componentes utilizamos as

seguintes expresses:

??

???

? ???? ipvaporiparepvaporeparsensvel TCwCTCwCmQ )()(..

(12)

)(..

iefgolatente wwhmQ ?? (13)

Sendo:.

m : caudal de ar novo

Te : Temperatura exterior do ar [C]

Ti : Temperatura interior do ar [C]

Cpar: Capacidade calorfica do ar a presso constante [kJ/kgK]

Cpvapor: Capacidade calorfica do vapor de gua a presso constante [kJ/kgK]

we: Humidade especfica exterior do ar [kgvapor/kgar]

wi: Humidade especfica interior do ar [kgvapor/kgar]

hfgo: Entalpia de vaporizao da gua [J/kg]

Nas situaes de Vero e Inverno a carga latente apresenta um valor negativo porque a

humidade especfica exterior inferior interior. No clculo das potncias de

aquecimento e de arrefecimento utilizamos trs cenrios possveis no Museu de modo a

optimizar o clculo das potncias dos equipamentos, em cada uma destas situaes a

carga latente abordada de modo diferente.

4.2.6 Carga trmica devido infiltrao de ar

A metodologia de clculo para esta carga trmica idntica anterior, mas a sua origem diferente uma vez que provem da infiltrao de ar frio na situao de Inverno no

compartimento ou na infiltrao de ar quente na situao de Vero, atravs das janelas

ou portas exteriores. Para uma estimativa do valor do caudal volumtrico que entra na

zona em estudo recorremos tabela 7.13 de [5]. O valor desta carga trmica

desprezvel em todos os compartimentos, exceptuando-se no trio por onde todas as

pessoas entram no Museu. Neste caso o caudal de ar infiltrado pela porta exterior


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N. de Pgina: 21

assume um valor significativo conduzindo consequentemente a uma carga trmica

assinalvel.

Tal como na carga trmica devida ao ar novo a anlise da componente latente feita

conforme o cenrio em considerao. Na folha de clculo do Excel descrevemos as trs

situaes de referncia e em cada uma delas contabilizamos ou no a carga latente.

4.3- Dimensionamento dos equipamentos

Nas subseces seguintes so apresentadas as metodologias associadas ao clculo das

potncias relevantes na seleco de equipamentos. Sero tambm apresentados os

passos envolvidos no dimensionamento das redes de distribuio de fluidos.

4.3.1- Definio das condies de insuflao

As condies de insuflao e as potncias envolvidas no tratamento do ar so obtidas

atravs de balanos integrais de massa e energia, assumindo regime estacionrio. 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 unidadede tratamento de ar. So ainda representados, nessa figura, os volumes de controle

utilizados para obter as equaes de balano:

3

1

ii ;T ?

2

SQ?

LQ?

MQ?

V1 V2

V3

Mm?

V4


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N. de Pgina: 22

Figura 4: Conjunto: recinto, unidade de tratamento de ar e condutas

As variveis e os ndices representados nesta figura tm o seguinte significado:

SQ?

- carga sensvel do compartimento;

LQ?

- carga latente do compartimento;

MQ?

- carga latente e sensvel a fornecer mquina;

R Ar recirculado que volta a ser injectado na sala;

E Ar vindo do exterior;

S Ar expelido para o exterior do edifcio;2 Condies do ar de retorno da sala;

1 Condies do ar de insuflao;

3 Condies do ar aps mistura do ar recirculado com o ar exterior;

V1 Volume de controle aplicado ao compartimento;

V2 Volume de controle aplicado mquina;

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 clculo das diversas potncias calorficas assenta nos

seguintes pressupostos:

?? O caudal de ar novo imposto, pois determinado com base no quadro

IV.2 de [1];

?? As propriedades no ponto i so idnticas s dos pontos 2, R e S;

?? O diferencial de temperaturas existente entre a temperatura de insuflao

(Ponto 1) e a temperatura no recinto imposto;

?? Temperatura e humidade relativa interior so conhecidas;

?? Temperatura e humidade relativa exterior so conhecidas;

?? Carga sensvel e latente no recinto so conhecidas;


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N. de Pgina: 23

Aplicando o balano de massa ao ar seco no volume de controle V1 obtm-se a seguinte

relao:

21 aa mm??

?

Aplicando o balano de massa ao vapor de gua no volume de controle V1 e atendo ao

facto de que existe libertao de vapor no interior do compartimento devido carga

latente, obtemos a seguinte expresso:

1

21

a

v

m

m?

?

?? ?? (14a)

Onde:fgo

LvhQm

?

?

?

(14b)

Aplicando agora um balano de energia ao volume de controle V1 obtemos a seguinte

expresso:

12

1

hh

QQm LSa

?

??

??

?

(15)

Atendendo definio de entalpia especfica:

fgopp hTwCCh Va ???? ? (16)

Podemos constatar que a equao (14) tem duas incgnitas, w1 e ma1. No entanto, como

a explicitao destas variveis complexa, recorre-se a um processo iterativo, que se

descreve a seguir:

1. Arbitrarw1, por exemplo:w1=w2;

2. Calcular h2-h1 e ma1 atravs das expresses (15) e (16);

3. Calcularw1 a partir de (14);

4. Voltar ao ponto 2 se a diferena de w1 entre duas iteraes sucessivas for

aprecivel.


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Uma vez definidas as condies de insuflao, aplicamos um balano de massa ao vapor

de gua no volume de controle V2:

)( 311 ?? ????

aM mm (17)

Esta varivel permite-nos identificar se necessrio humidificar ( 0??

Mm ) ou

desumidificar ( 0??

Mm ). Aplicando agora um balano de energia ao volume de controle

V2 obtemos a seguinte expresso:

0)( 131 ???????

MAQMMa Qhmhhm (18)

Atendendo agora definio de entalpia podemos na frmula anterior identificar os

termos da potncia sensvel e latente da mquina:

22111TCCTCCmQ

pvpapvpaaSENS?? ????

??

(19)

???? hmhmQ fgoaLAT

???

??? )( 311 (20)

Aplicando os balanos de massa e energia ao volume de controle V3 obtemos as

seguintes expresses:

E

a

aE

a

aR

m

m

m

m???

1

1

1

3 ?

?

?

?

?? (21)

E

a

aE

a

aRh

m

mh

m

mh

1

2

1

3 ?

?

?

?

?? (22)

Com estas duas ltimas equaes possvel calcular as potncias sensvel e latente que

a mquina dever fornecer. O procedimento apresentado foi definido e implementado


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N. de Pgina: 25

pelo Supervisor que disponibilizou um programa informtico, designado por CTERM,

[8], para efectuar os clculos. No anexo F apresentamos as listagens obtidas por este

programa.

4.3.2- Tcnicas para controlar a humidade

As unidades de tratamento de ar e ventilo-convectores utilizados nesta instalao tm

que controlar a humidade relativa no interior do recinto. Numa primeira fase pensou-se

em propor a utilizao de mquinas de controlo de humidade relativa apenas em

compartimentos que tivessem peas ou objectos susceptveis de degradao,

beneficiando assim de uma instalao mais econmica. Conclumos, no entanto, que

esta ideia era impraticvel devido ao problema de migrao de vapor de gua entrecompartimentos, as assimetrias de concentraes provocam gradientes de massa entre

recintos.

Neste tipo de Projecto para que a haja controlo de humidade na mquina necessria a

existncia de uma bateria de aquecimento e uma bateria de arrefecimento, para que o ar

possa numa primeira fase ser arrefecido at uma determinada temperatura e ocorra a

condensao de algum vapor de gua para de seguida ser reaquecido at a temperaturade insuflao. A exigncia de duas baterias para efectuar o controlo de humidade

implica que no possamos adoptar um sistema de dois tubos, pois nestes s produzimos

calor ou frio, mas nunca os dois em simultneo. Apresentamos de seguida uma figura

onde representamos esquematicamente a evoluo ideal do ar ao longo das duas

baterias:

Figura 5: Evoluo do ar ao passar pela bateria de arrefecimento e reaquecimento.

3

14

AQUEQ?

ARREFQ?

WW hm?


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Pela anlise da figura precedente podemos deduzir as seguintes expresses para o

clculo da potncia de arrefecimento e aquecimento, respectivamente:

WWaARREF hmhhmQ???

??? )( 431 (23)

)( 411 hhmQ aAQUE ????

(24)

Atravs de um balano de massa ao vapor de gua no volume de controle V4 ainda

possvel verificar que o valor mximo da humidade especfica interior depende do

caudal de ar novo. Assumindo que no existe condensao em nenhuma zona da

instalao, obtm-se:

fgoaE

Lei

hm

Qww

?

?

?? (25)

A partir desta expresso conclui-se que se we < wi o valor de wipode ser limitado

superiormente (at we) aumentando-se maE. Num recinto com uma humidade especfica

elevada podia-se pensar em adoptar uma soluo que aumenta-se o caudal de ar novo,beneficiando do facto da humidade especfica exterior ser inferior interior. Com este

tipo de soluo baixava-se o valor da humidade especfica interior, mas no se evitava a

variao da humidade especfica ao longo do dia devido a variao da carga latente no

recinto. Adicionalmente numa situao de humidade especfica exterior superior

interior esta soluo no podia ser utilizada. No Museu no podamos adoptar uma

soluo deste gnero porque as peas expostas so sensveis s variaes de humidade

do recinto.

Nesta Instituio existe uma grande rea de envidraados que numa situao de

temperatura exterior baixa, situao de Inverno, poder conduzir a condensao de

vapor de gua nos vidros contrariando o efeito da humidificao. Esta possibilidade foi

avaliada considerando o compartimento com a maior rea de envidraados, a sala da Ria

onde AEnv=23,25 m2. Considerando apenas as perdas de calor por conduo e conveco

na seguinte expresso:


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N. de Pgina: 27

)( ei TTAUQ ?? (26)

Onde:

ie

hKhU

1111??? (27)

Recorrendo ao quadro 2.3 e 2.9 de [1] obtm-se: 1/he= 0,04 m2C/W, 1/hi= 0,12 m

2C/W

e K= 3,4 W/m2C e, finalmente, U = 2,2 W/m2C.

Sabendo que na situao de Inverno Ti=22C e Te= 0C obtemos da expresso anterior

Q = 1126 W. Considerando agora o coeficiente de transmisso de calor entre a

superfcie interior do vidro e o exterior, definido pela seguinte equao:

KhU e

111*

?? (28)

Sendo U* = 2,99 W/m2C, obtm-se a temperatura da superfcie interior do vidro, TS, a

partir da expresso:

)(* eS TTAUQ ?? (29)

Para Q=1126 W obteve-se TS = 16,2 C. Utilizando uma tabela de vapor de gua

saturado verificamos que a 16,2 C a presso de vapor saturado de 0,01842 bar o que

corresponde a humidade relativa interior de 72 %, logo para as condies de projecto

com uma humidade relativa de aproximadamente 50% no existe possibilidades de

condensao de vapor de gua nos vidros.

4.3.4- Dimensionamento das redes de distribuio de fluidos

Para dimensionamento dos ventiladores e das bombas, nos sistemas de distribuio dos

fluidos, necessrio contabilizar as perdas de presso esttica que se designam,

tambm, por perdas de carga. O correcto dimensionamento fulcral pois o consumo

energtico, associado a estes componentes, representa uma percentagem significativa do

consumo energtico total da instalao. As perdas de carga podem dividir-se em dois


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tipos: perdas em Linha e perdas localizadas. As perdas em linha so 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 expresso, retirada de [7],

que permite implementar facilmente numa folha de clculo as perdas de carga:

?

?

?

?

?

?

?

??

?

??

?

????

11,1

7,3

/

Re

69ln7817,0

Df

D

? (30)

Onde ReD o nmero de Reynolds baseado no dimetro D e a rugosidade da

superfcie.

Relativamente s perdas de carga localizadas consideraram-se as perdas em contraces

e expanses, nos cotovelos, em ramificaes e nas grelhas de insuflao.

Para dimensionar os dimetros das condutas so geralmente utilizados dois mtodos: o

mtodo da perda de carga constante e o mtodo 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 imposio da velocidade.

Relativamente s condutas do Museu estas foram dimensionadas atravs do mtodo 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

facultado um relatrio tcnico, elaborado pela Empresa Nnio Lda., sobre a UTA do

trio para a soluo proposta.

Os valores obtidos para os caudais de insuflao de ar diferem ligeiramente dos da

soluo inicial. Por esta razo foi feita uma verificao das velocidades obtidas em cada

troo com os novos valores de caudais. Constatamos que em todos os troos as

velocidades se enquadravam numa gama aceitvel. Salienta-se que em edifcios

pblicos velocidades de 5 a 8 m/s so aceitveis nas condutas principais e velocidades

de 4 a 6 m/s nas ramificaes.

Os valores dos caudais de gua foram obtidos atravs de balanos de energia efectuados

a cada bateria, da figura 6, que conduziram s seguintes expresses:


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AguaQ uenteP

ArPArTotalAguaQuente

TC

TCmm

gu aQue nte

Ar

?

??

??

(31)

AguaF riaP

ArPArTotalAguaFria

TC

TCmm

gua Fria

Ar

?

??

??

(32)

As temperaturas de referncia, 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.- Seleco dos componentes principais de instalao

Presentemente existe uma grande diversidade de sistemas de climatizao no mercado.Faremos uma breve introduo acerca deste tema nesta seco. Inclumos tambm um

resumo sobre o sistema actual do Museu cujo relatrio tcnico, elaborado pela empresa

PEN Lda., poder ser consultado no anexo E. Ser feita uma anlise aos resultados

obtidos pela metodologia de clculo exposta anteriormente e para finalizar

apresentaremos uma nova configurao para o sistema de ar condicionado.

Ventiladorde Extraco

Ventilador deInsuflao

3 4 1

Bateria de

Arrefecimento

Bateria de Re-

aquecimento

gua

TotalArm

?

7C

12C

45C

40C

gua


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5.1- Anlise dos sistemas existentes

Numa primeira abordagem podemos classificar os sistemas de climatizao23 em duas

categorias: Sistemas Centrais e Sistemas locais. Os sistemas centrais so

caracterizados pela produo centralizada de calor/frio num compartimento. Os fluidosso posteriormente distribudos s unidades terminais atravs de uma rede de condutas,

que por vezes atinge um grau de complexidade elevado. Nos sistemas locais os

equipamentos presentes em cada recinto tm um funcionamento autnomo, baseando-se

apenas nas condies de insuflao exigidas por cada espao climatizado. Esta

autonomia confere uma maior flexibilidade ao sistema.

No existe uma aplicao especfica para cada uma destas categorias, pois no existemvantagens marcantes de um tipo face ao outro. Os sistemas centrais de ar condicionado

podem tambm ser classificados pelo fluido trmico utilizado, identificando-se, neste

caso, Sistemas tudo ar, Sistemas ar-gua e Sistemas tudo gua. Nos sistemas tudo ar

as necessidades de arrefecimento so todas fornecidas pelo sistema. Em relao s

necessidades de aquecimento podero ser ou no providas por este sistema. Os sistemas

ar gua utilizam dois meios. O ar (normalmente designado por ar primrio) e a gua

(normalmente designada por gua secundria) para executarem as trocas de calor e de

vapor de gua. Necessitam de equipamentos centrais para a produo de calor/frio.

Podem executar a desumidificao do ar, mas no controlam rigorosamente o valor da

humidade relativa. Nos sistemas tudo gua as unidades terminais no recebem ar

primrio, adoptando-se outras solues para a ventilao do recinto. Diferenciam-se dos

sistemas ar - gua pelo facto de as unidades terminais removerem as cargas sensveis e

latentes, nos perodos de arrefecimento (Vero). Esta configurao permite o controlo

da temperatura e da humidade relativa.

5.2- Anlise da soluo instalada

A soluo de climatizao que se encontra, actualmente, instalada assenta basicamente

na produo centralizada de calor/frio por um chiller bomba de calor, num sistema ar -

gua a 4 Tubos. Nos prximos pargrafos apresentaremos algumas generalidades sobre

os componentes desta instalao:

23 No IV.5.3 de [6] feita uma descrio pormenorizada sobre sistemas de climatizao.


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?? Chiller Bomba de Calor

Na tabela que se segue identificamos as suas caractersticas especficas:

Tabela 4: caractersticas especficas do chiller bomba de calor

Capacidade de arrefecimento [kW] 286

Capacidade de aquecimento [kW] 309

Regime de temperatura da gua

refrigerada [C]7/12

Regime de temperatura da gua para

aquecimento [C]45/50

Refrigerante24 R407C

Potncia absorvida no chiller/bomba

de calor [kW]103/92

Temperatura exterior de Vero [C] 35

Temperatura exterior de Inverno [C] 2

Marca de referncia CLIMAVENETA

Modelo de referncia 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 condies pretendidas nos outros recintos. As UTAs instaladas

no esto preparadas para um controlo rigoroso da humidade, mas como existe a

possibilidade de alguma condensao na bateria de arrefecimento promovendo desta

forma alguma desumidificao limitando o valor mximo da humidade relativa. Todasestas mquinas esto equipadas com um filtro25 do tipo G4 para retirar as poeiras, de

maior dimenso, existentes no ar tratado.

?? Condutas

24

No anexo C pode-se consultar informao pormenorizada sobre este fluido refrigerante;25 Documentao sobre filtrao no 18 de [5];


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O material constituinte das condutas de ar foi feito a partir de bobinas ou chapas de ao

galvanizado. As de gua foram construdas em ferro preto, srie mdia, DIN 2440. Na

construo das condutas atendeu-se s normas SMACNA26. O material utilizado como

isolante trmico foi a manta de ls de vidro ou rocha, aglomerada com resinas e coladas

a papel Kraft de alumnio com 25 mm ou 40 mm de espessura, condutibilidade trmica

inferior a 0,040 W/mK e densidade superior a 12 kg/m3.

?? Vaso de expanso

Este equipamento tem por objectivo absorver as variaes de volume da gua dos

circuitos, provocadas pelas variaes de temperatura. O vaso de expanso do tipo

fechado, com duas cmaras separadas por uma membrana elstica. Um dos

compartimentos pr-carregado com azoto ou ar e o outro serve de depsito de gua,

permanecendo ligado a um dos dois circuitos de gua. Nesta instalao encontra-se

acoplado um vaso de expanso em cada um dos dois circuitos de gua.

?? Reservatrio de inrcia

Os reservatrios de inrcia tm por objectivo evitar os arranques consecutivos do chiller

bomba de calor devido ao aumento das cargas trmicas nos recintos condicionados. O

arranque do funcionamento do chiller bomba de calor d-se no momento em que o

diferencial de temperaturas existente entre a temperatura de retorno e de ida da gua

seja superior ou igual a 1,5C. Para contrariar este efeito, na situao de Vero, o

volume de gua refrigerada, a 7C, existente no reservatrio de inrcia mistura-se com a

gua de retorno sobreaquecida, atenuando o aumento de temperatura da gua de retorno.

5.3- Anlise de resultados

Nesta seco apresentam-se os resultados obtidos aplicando a metodologia de clculo

exposta anteriormente para as cargas trmicas de todos os compartimentos. Ser feita

uma anlise importncia de cada tipo de carga trmica. Identificamos tambm os

compartimentos com as cargas trmicas mais significativas.

26 SMACNA - Sheet Metal and Air Conditioning Contractors National Association;


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0,0

50,0

100,0

150,0

Potncia[kW]

Potncia das cargas trmicas na situao de Inverno - Vero

Inverno 0,0 30,4 18,4 6,0 0,0 0,0 0,0 11,6 83,2

Vero 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 Infiltrao Ar Novo

Figura 7: Potncia por tipo de carga trmica

Como podemos constatar na figura precedente na situao de Inverno a carga trmica

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 22C, no

Inverno. As cargas provocadas pela iluminao, equipamentos e ocupao humana no

so contabilizadas porque a potncia de aquecimento das UTAs dimensionada para asituao mais desfavorvel, que a de no haver gerao interna de calor nos

compartimentos, maximizando assim o valor da potncia.

Na situao de Vero os vidros apresentam a carga trmica mais significativa, o que era

espectvel devido existncia de uma rea de envidraados elevada. As cargas devido

Iluminao, pessoas e paredes exteriores assumem um valor razovel sendo as restantes

pouco significativas.


34/40


N. de Pgina: 34

0,010,020,0

30,040,050,0

Pot

ncia

[kW]

Potncia 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

Vero 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: Potncia por compartimento no R/C

No rs-do-cho os compartimentos com as maiores cargas trmicas, como podemos

constatar pela figura precedente, so os das zonas Z03, Z04, Z05 e Z06, querepresentam respectivamente o trio, sala da Faina Maior, sala da Ria e sala das

exposies temporrias. Como so recintos espaosos, com um volume de ar a ser

tratado significativo, e com taxas de ocupao humana elevadas, por serem

compartimentos de exposio ao pblico, impem uma carga trmica elevada ao

sistema de ar condicionado.

0,0

10,0

20,0

30,0

Potncia

[kW]

Potncia por compartimento no 1Andar

Inverno 3,7 2,6 0,6 0,3 8,3 0,2 0,5 0,7

Vero 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: Potncia por compartimento no 1Andar

Pela anlise directa figura 9 destacam-se os compartimentos Z11 e Z15, que

representam respectivamente a Biblioteca e a sala dos Mares. A explicao apresentada

no pargrafo anterior aplica-se igualmente a estes dois compartimentos. Os restantes

recintos apresentam cargas trmicas relativamente inferiores pois tratam-se de salas

pequenas, com pouca gerao interna de calor e com reas de envidraados reduzidas.


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5.4- A soluo proposta

A soluo proposta assenta na produo centralizada de calor/frio atravs de um chiller

bomba de calor num sistema ar - gua a 4 Tubos com um controlo rigoroso dahumidade relativa em todos os compartimentos. Nos prximos pontos ser feita uma

descrio de cada componente da instalao:

?? Chiller bomba de calor

A determinao da capacidade de arrefecimento desta unidade no resulta da simples

adio das potncias de arrefecimento das Unidades de Tratamento de Ar, aplicando-se

o mesmo para a capacidade de aquecimento. A nvel prtico introduz-se um coeficientede diversidade, igual a 0,7 neste caso, ao somatrio das potncias. A justificao para a

utilizao deste coeficiente assenta no facto de as cargas trmicas dos recintos variarem

ao longo do dia e esta evoluo no 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 solicitaes das Unidades de Tratamento de Ar,

mas sugere-se aqui o chiller bomba de calor ideal para esta nova situao. No anexo

M disponibilizamos documentao tcnica adicional:

Tabela 5: caractersticas especficas do novo chiller bomba de calor

Capacidade de arrefecimento [kW] 261

Capacidade de aquecimento [kW] 292

Regime de temperatura da gua

refrigerada [C]7/12

Regime de temperatura da gua para

aquecimento [C] 45/50

Refrigerante R407C

Potncia absorvida pelos

compressores chiller/bomba de calor

[kW]

99/88

Potncia total absorvida pelo

chiller/bomba de calor [kW]106/93

Temperatura exterior de Vero [C] 35


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Temperatura exterior de Inverno [C] 2

Nmero de compressores 2

Nmero de circuitos do compressor 2

Nvel de presso sonora [dB(A)] 82

Marca de referncia CLIMAVENETA

Modelo de referncia 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 dimenses desta unidade:

Tabela 6: Dimenses 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

feito atravs de um humidostato, presente no recinto, que emite sinais ao sistema de

controladores. O controlo de temperatura feito por um sensor de temperatura, presente

27 Figura retirada do catlogo da CLIMAVENETA


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no recinto, que tambm 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 Potncia calorfica sensvel do recinto

PQLM Potncia calorfica latente do recinto

PQAR Potncia calorfica de arrefecimento a fornecer UTA

PQAQ Potncia calorfica de aquecimento a fornecer UTA

PEVI Presso esttica do ventilador de insuflao

PEVE Presso esttica do ventilador de extraco

Tabela 7: Caractersticas tcnicas das UTAs do Rs-do-Cho

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

Z03900 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 30Z013 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


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Tabela 8: Caractersticas tcnicas das UTAs do 1Andar

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 acessrios

Relativamente aos restantes acessrios, nomeadamente as condutas, os vasos de

expanso e reservatrios de inrcia, constatamos que as suas caractersticas se adaptam

aos novos parmetros de funcionamento da instalao. Por esta razo no necessria a

sua substituio.

6.- Concluses

Neste trabalho foi analisado o sistema de ar condicionado do Museu Martimo e

Regional de lhavo. A anlise consistiu, numa primeira fase, na aplicao de

metodologias apropriadas para o dimensionamento de sistemas de ar condicionado.

Posteriormente, verificamos que a sensibilidade s variaes de temperatura e humidade

relativa constitui um problema na conservao do esplio desta Instituio. Constatou-

se ento que a soluo instalada no respondia na sua totalidade a estas condies

especficas. Consequentemente, decidiu-se estudar e propor uma nova soluo que se

adequa s novas necessidades.

Na tentativa de propor uma nova soluo concluiu-se que um sistema de dois tubos no

podia ser aplicado a esta instalao porque o controlo da humidade relativa necessita de


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uma bateria de arrefecimento e outra de reaquecimento na Unidade de Tratamento de Ar

(UTA). O que implica a produo simultnea de frio e calor e um sistema de quatro

tubos, dois tubos, um de ida e outro de retorno, para circular a gua quente na bateria de

reaquecimento e os outros dois tubos para circular a gua fria na bateria de

arrefecimento. Optou-se pela produo centralizada de calor e frio podendo assim

efectuar-se uma recuperao de calor no chiller bomba de calor, uma vez que as

potncias instaladas nas UTAs atingem um valor significativo. A instalao de duas

caldeiras em paralelo com um regime de temperaturas de 70C / 90C e um chiller foi

inicialmente equacionada, mas sabendo que ao optarmos por esta via os custos

monetrios associados a essa substituio eram elevados optamos pela simples

substituio de um chiller bomba de calor por outro que se adequa melhor s novas

exigncias da instalao.

7.- Referncias

[1] PIEDADE, A., RODRIGUES, A. e RORIZ, L. Climatizao em Edifcios,

Envolvente e Comportamento Trmico Edies Orion, 1 Edio, 2000

[2] STOECKER, W.F.; JONES, J.W. Refrigerao e Ar Condicionado 1985,

McGraw Hill Brasil, Ltda

[3] SANTOS, C. A. Pina; PAIVA, J. A. Vasconcelos Coeficientes de Transmisso

Trmica de Elementos da Envolvente de Edifcios Lisboa, Laboratrio 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, 2Edio,

1973

[6] A.A.V.V. Trmica dos Edifcios Instituto Soldadura e Qualidade (ISQ), 1996

[7] WHITE, F. Fluid Mechanics McGraw-Hill, 1998[8] BARREIROS, A.; CTERM: Programa para determinao das condies de

insuflao e potncias das mquinas, num sistema de condicionamento de ar, 1999

[9] PLENDERLEITH, H.S. La Conservation des antiquites et des oeuvres dart

ditions Eyrolles, 1996

[10] MAYER, R. Materiales y tcnicas del arte Editorial Blume, 1985


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8.- Anexos

Anexo A: Tabelas referentes s cargas trmicas

Anexo B:Grficos das cargas trmicas

Anexo C: Propriedades termodinmicas do fluido refrigerante R407C

Anexo D: Breve descrio dos compartimentos do Museu

Anexo E: Relatrio tcnico da Empresa PEN, Lda.

Anexo F: Listagens do CTERM

Anexo G: Doenas provocadas por sistemas de Ar Condicionado

Anexo H: Exemplo de clculo das cargas trmicas

Anexo I: Clculo da inrcia trmica da Biblioteca

Anexo J: Desenhos em AUTOCAD das UTAs e respectivas condutas

Anexo K: Caractersticas tcnicas da UTA do trio

Anexo L: Clculo dos coeficientes de transmisso de calor da envolvente

Anexo M: Caractersticas tcnicas do Chiller Bomba de Calor

Anexo N: Controle de condies Ambiente: interiores

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