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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


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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


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


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


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;


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.


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


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?


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:


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


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:


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


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.


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];


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;


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.


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.


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


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


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


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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


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


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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

Documents

65182507-60projecto-avac