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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE – FURG
ESCOLA DE ENGENHARIA
ENGENHARIA MECÂNICA
PROJETO DE CLIMATIZAÇÃO
AUDITÓRIO PROPLAD - FURG
LIANE BRANCO CHAVES
VAGNER GOMES SOARES
RIO GRANDE
2010
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande - FURG, como requisito à obtenção do título de Engenheiro(a) Mecânico (a).
LIANE BRANCO CHAVES
VAGNER GOMES SOARES
PROJETO DE CLIMATIZAÇÃO
AUDITÓRIO PROPLAD – FURG
Orientador: Prof. Dr. Cláudio Rodrigues Olinto
Rio Grande
2010
Este trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado à obtenção do título de Engenheiro (a) Mecânico (a) e aprovado em sua forma final pelo curso de Engenharia Mecânica, da Universidade Federal do Rio Grande – FURG.
LIANE BRANCO CHAVES
VAGNER GOMES SOARES
PROJETO DE CLIMATIZAÇÃO
AUDITÓRIO PROPLAD - FURG
Rio Grande, 20 de dezembro de 2010.
__________________________________________
Orientador Prof. Dr. Cláudio Rodrigues Olinto
Universidade Federal do Rio Grande
__________________________________________
Prof. Esp. Fernando Ramos Torres
Universidade Federal do Rio Grande
__________________________________________
Prof. MSc. Oberdan Carrasco Nogueira
Universidade Federal do Rio Grande
Dedicatória
Dedicamos este trabalho aos nossos
pais que sempre nos guiaram pelos
melhores caminhos da vida.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos à todos que de alguma forma contribuíram com a execução
deste trabalho. Ao nosso orientador Prof.Dr. Cláudio Rodrigues Olinto e à equipe da
PROPLAD pela paciência e confiança. A equipe da empresa São Carlos Thermical
Systems pela disponibilização de material técnico e sugestões. E aos mestres que
disponibilizaram conhecimento e boa vontade.
Liane Branco Chaves
Vagner Gomes Soares
RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo completo para implantação de um sistema de
climatização para o Auditório da PROPLAD, na Universidade Federal do Rio
Grande. Fazem parte do estudo os cálculos e avaliações das cargas térmicas
envolvidas, o sistema de distribuição de ar e a seleção dos equipamentos. Constam
neste trabalho toda a elaboração de um Projeto Legal, composto de Memorial
Descritivo e Plantas para que possa servir de Projeto Básico na elaboração de
processo licitatório e posteriormente execução do sistema proposto.
Palavras-chave: Climatização, Ar Condiconado.
ABSTRACT
This paper presents a complete study to implement a HVAC system for the
Auditorium PROPLAD at the Federal University of Rio Grande. They are part of the
study calculations and evaluations of the thermal loads involved, the air distribution
system and selection of equipment. Contained in this work the preparation of a Legal
Project, composed of Memorial Description and drawing that can serve as a basic
project in preparing the bid process and subsequent implementation of the proposed
system.
Keywords: HVAC, Air cond.
8
LISTA DE ILUSTRAÇÃOES
Foto 01 – Vista do Auditório da porta principal ..................................................................... 15
Foto 02 – Palco visto do corredor direito .............................................................................. 15
Foto 03 – Parede vista do corredor direito ........................................................................... 16
Foto 04 – Auditório visto do palco ........................................................................................ 16
Foto 05 – Retorno do sist. de climatização antigo ................................................................ 16
Foto 06 – Detalhe do retorno ............................................................................................... 16
Foto 07 – Portas Venezianadas da entrada principal ........................................................... 17
Foto 08 – Casa de Máquinas ............................................................................................... 17
Foto 09 – “Morador” da Casa de Máquinas .......................................................................... 17
Foto 10 – Vista externa do Auditório .................................................................................... 18
Foto 11 – Vista externa do prédio e casa de máquinas ........................................................ 18
Foto 12– Passagem dos dutos ............................................................................................ 18
Foto 13 – Abertura na Alvenaria .......................................................................................... 18
Foto 14- Saída dos dutos da Casa de Máquinas ................................................................. 19
Foto 15 – Interior da Casa de Máquinas .............................................................................. 19
Fig.1 - Esquema básico de expansão indireta...................................................................... 24
Fig. 2 - Expansão indireta - sistema básico. pg24 ................................................................ 24
Fig.3 - Chiller Condensação a ar ......................................................................................... 25
Fig.4 - Chiller Condensação à água ..................................................................................... 25
Fig.5 – Fancolete Dutável e Aparente ................................................................................. 25
Fig.6– Torres de Resfriamento ........................................................................................... 25
Fig.7 – Módulos: trocador de calor, condensadora e ventilação de um MultiSplit ................. 26
Fig.8 – Self Contained ......................................................................................................... 27
Fig.9 – Split ......................................................................................................................... 27
Fig. 10 – Ilustração do tijolo para cálculo da condução ........................................................ 33
Fig. 11 – Ilustração 2 do tijolo para cálculo da condução ..................................................... 38
Fig.12– Distribuição dos difusores no auditório .................................................................... 51
Fig.13– Distribuição de ar .................................................................................................... 53
9
LISTA DE GRÁFICOS E TABELAS
Graf.1 – Resultados obtidos no Pró-ar Condicionado ........................................................................ 20
Graf. 2 – Resultados obtidos no ACTERM .......................................................................................... 21
Graf.3 - Resultados obtidos no Cálculo da Carga Térmica ................................................................. 47
Graf.4 - Resultados obtidos no Cálculo da Carga Térmica ................................................................. 48
Graf.5 - Resultados obtidos no Cálculo da Carga Térmica ................................................................. 48
Tab.1 – Comparativo dos resultados obtidos ..................................................................................... 22
Tab.2 – Comparativo dos custos de implantação .............................................................................. 25
Tab.3 - Variáveis e nomenclaturas adotadas ..................................................................................... 34
Tab.4 – Resultados obtidos para paredes .......................................................................................... 37
Tab.5 – Resultados obtidos para paredes externas ........................................................................... 37
Tab.6 – Propriedades do vidro ........................................................................................................... 40
Tab.7 – Propriedades do teto ............................................................................................................. 42
Tab.8 – Condições de cálculo segundo NBR 16401 e ANVISA ............................................................ 42
Tab.9 – Comparativo dos resultados obtidos em simulação para utilização de um equipamento ... 49
10
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................................ 11
2. O AMBIENTE EM ESTUDO ............................................................................................................. 12
3. METODOLOGIA DE PROJETO UTILIZADA ....................................................................................... 14
4. CONCEPÇÃO INICIAL DAS INSTALAÇÕES ....................................................................................... 15
5. DEFINIÇÕES DAS INSTALAÇÕES ..................................................................................................... 20
5.1 CÁLCULO PRELIMINAR DE CARGA TÉRMICA ............................................................................... 20
5.2 OS SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO ................................................................................................ 23
6. IDENTIFICAÇÃO E SOLUÇÃO DE INTERFASES ................................................................................ 30
6.1. AS DIRETRIZES GERADAS ............................................................................................................ 30
6.2. CÁLCULO DA CARGA TÉRMICA ................................................................................................... 31
6.2.1 RESULTADOS OBTIDOS ......................................................................................................... 47
6.3. LÓGICA DE FUNCIONAMENTO ................................................................................................... 48
6.4. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO E AR ................................................................................................ 49
7. PROJETO DE DETALHAMENTO ...................................................................................................... 54
8. PROJETO LEGAL ............................................................................................................................. 55
9. DETALHAMENTO DE OBRA E DESENHOS CONFORME CONSTRUÍDO (“AS BUILT”) ...................... 56
10. CONCLUSÃO .............................................................................................................................. 57
11. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................ 58
12. ANEXOS ..................................................................................................................................... 60
SUGESTÃO DE PLANO DE MANUTENÇÃO OPERAÇÃO E CONTROLE
PREVISÃO ORÇAMENTÁRIA
CATÁLOGOS
11
1. INTRODUÇÃO
O presente trabalho é parte integrante da disciplina de Projeto de Graduação
em Engenharia Mecânica, consiste no projeto de um sistema de climatização para o
Auditório da PROPLAD, localizado no Campus Carreiros da Universidade Federal do
Rio Grande.
A realização deste projeto tem como objetivo a aquisição de conhecimentos
em projetos de sistemas de climatização utilizando os vários conhecimentos
adquiridos durante o curso de Engenharia Mecânica e a colaboração na elaboração
de um Memorial Descritivo que poderá ser utilizado pela Instituição em um futuro
Edital, permitindo assim a concretização do sistema de climatização concebido no
presente projeto.
O fato de um projeto acadêmico ser utilizado em um processo real, não só
para objetivos acadêmicos, traz motivação e cautela na sua elaboração.
Os autores do presente projeto acreditam que a formação de um profissional
não deve dar-se apenas nas atividades acadêmicas cercadas de idealizações e
excessivas teorias. No entanto, sabemos o quanto é difícil aos envolvidos nas
atividades pertinentes a graduação oportunizarem atividades onde é possível
aplicarmos na prática toda a base teórica demonstrada em sala de aula. Mas,
reiteramos aos mestres que incentivem a produção, a invenção de seus alunos ao
longo de toda a trajetória da graduação e que façam dos projetos de graduação
ferramentas aplicáveis na resolução dos reais problemas de uma sociedade.
Sendo a FURG uma Universidade Pública, é dever de todos que dela
usufruem de algum modo reverter o conhecimento por ela proporcionado através da
elaboração de projetos aplicáveis e não tão somente com o intuito da obtenção de
um título.
12
2. O AMBIENTE EM ESTUDO
O ambiente escolhido para estudo foi o Auditório da PROPLAD, localizado na
FURG - Campus Carreiro, em Rio Grande / RS. Trata-se de um ambiente com
aproximadamente 240 m² e ocupação de 150 pessoas.
A PROPLAD, Pró- Reitoria de Planejamento e Desenvolvimento é a divisão
da FURG responsável pelo planejamento e fiscalização da obras executadas na
Universidade. Seu auditório era tido como referência na realização de eventos, no
entanto por se tratar de uma construção antiga (mais de 20 anos), este já
apresentava algumas avarias e por isso precisava de reformas. Com a inauguração
do complexo CIDEC-SUL, que disponibiliza uma estrutura composta por uma série
de salas para eventos, o fechamento para reformas do auditório da PROPLAD foi
finalmente possível.
Cabe salientar a importância que este auditório ainda desempenha nesta
instituição. Sendo o CIDEC um complexo composto por um grande auditório para
comportar um grande público e salas menores, sem características de auditório,
cabe ao Auditório da Proplad suprir a necessidade da realização de eventos para um
público menor com a devida formalidade.
Buscando a revitalização e modernização deste espaço serão executadas
uma série de obras estruturais e arquitetônicas. Dentre as melhorias previstas para
este ambiente está a instalação de um novo sistema de climatização para conforto
do público.
Originalmente, havia sido projetado um sistema de climatização para atender
todo o complexo da PROPLAN (atual PROPLAD), incluindo o auditório. O sistema
foi projetado para utilizar quatro equipamentos, tipo Self incorporado com
distribuição de ar por rede de dutos. No entanto, o sistema instalado divergiu do
projetado, uma vez que foram instalados apenas três equipamentos dos quatro
previstos, o que contribuiu para a ineficiência deste sistema.
Devido ao mau funcionamento do sistema descrito, ao longo dos anos, foram
instalados equipamentos condicionadores de ar do tipo split nas salas do complexo,
sendo que, em algumas destas foram retirados os dutos de distribuição de ar
atendidos pelo antigo sistema.
13
Visto isso, o sistema encontra-se hoje inoperante. Sendo o auditório um
ambiente que não deve ser atendido por um sistema de climatização do tipo split,
devido a sua ocupação e a necessidade de renovação de ar imposta por norma, um
novo projeto para climatização deste ambiente torna-se necessário.
14
3. METODOLOGIA DE PROJETO UTILIZADA
Segundo as recomendações contidas na NBR 16401, parte 1, de 2008, a
elaboração de um projeto deve ocorrer em etapas sucessivas, dividindo-se o
processo de desenvolvimento das atividades técnicas, permitindo assim uma
concepção consistente e integrada as demais necessidades e exigências do
ambiente.
A metodologia utilizada para execução deste trabalho segue as etapas e
recomendações contidas nesta norma, conforme segue:
• Concepção inicial da instalação;
• Definição das instalações;
• Identificação e soluções de interfases;
• Projeto de detalhamento;
• Projeto legal;
• Detalhamento de obra e desenhos “conforme construído”.
Para uma melhor explanação e compreensão as etapas serão abordadas a
seguir.
15
4. CONCEPÇÃO INICIAL DAS INSTALAÇÕES
Esta etapa visa a coleta de informações sobre as condições locais que
possam ter influência na concepção das instalações, tais como condições das
edificações, terreno e infra-estrutura disponível.
Além destas informações são obtidos também nesta etapa os requisitos
necessários as instalações como os parâmetros requeridos pelo tipo de ambiente,
tais como temperatura, filtragem (tratamento do ar) e umidade requerida. Em geral,
estes dados são obtidos em conjunto com os responsáveis pelo empreendimento e
validados com normas específicas aplicáveis ao tipo de instalação.
Para a realização desta etapa foi feita uma visitação ao local e coletadas
imagens (fotos) das condições encontradas além da aquisição das plantas
arquitetônicas do local fornecidas pela equipe de arquitetura responsável pelo
empreendimento. Abaixo, seguem algumas das fotos do local.
Foto 01 – Vista do Auditório da porta principal. Foto 02 – Palco visto do corredor direito.
A foto 01 foi tirada da porta principal de acesso ao auditório. Como podemos
observar o ambiente está servindo como depósito de materiais. Devido as reformas
que estão sendo realizadas em diversos setores do prédio, o ambiente não tem sido
utilizado como auditório, mas sim como depósito.
A foto 02 foi tirada do corredor da direita. Nesta foto podemos perceber a
distribuição das cadeiras, fixas em estruturas no piso, a arquitetura do teto com
diferentes alturas e a utilização de madeira nas paredes do palco e no teto. Também
é possível observar, no teto, a existência de grelhas. Estas grelhas pertencem ao
antigo sistema de climatização.
16
Foto 03 – Parede vista do corredor direito. Foto 04 – Auditório visto do palco.
A foto 03 foi tirada do corredor da direita. Nesta foto podemos perceber a
distribuição das janelas com a utilização de cortinas duplas (combinadas claras e
escuras).
A foto 04 foi tirada do palco. Através desta foto é possível perceber, além da
distribuição das cadeiras, em duas alas, o posicionamento da casa de som e a
utilização de cortiça nas paredes onde se localizam a porta de entrada do auditório e
a casa de som.
Foto 05 – Retorno do sist. de climatização antigo. Foto 06 – Detalhe do retorno.
As fotos 05 e 06 mostram o sistema de retorno de ar utilizado pelo sistema de
climatização antigo. Basicamente, trata-se de uma grelha em madeira, utilizada
como plenum, o qual o ar era conduzido até a sala de máquinas. Esta passagem de
ar foi desativada e fechada, pois eram freqüentes a entrada de animais no recinto
por esta passagem.
17
Foto 07 – Portas Venezianadas da entrada principal.
A foto 07 mostra as portas venezianadas, em madeira, utilizadas na porta de
acesso principal. Esta porta também é parte integrante do sistema de retorno de ar
utilizado pelo sistema de climatização antigo.
Foto 08 – Casa de Máquinas. Foto 09 – “Morador” da Casa de Máquinas.
A foto 08 mostra a Casa de máquinas, vista da sala de central telefônica do
prédio. Na foto 09 podemos observar a presença de animais na sala de máquinas.
Segundo informação dos funcionários o gatinho é de estimação e reside na sala de
máquinas desativada.
18
Foto 10 – Vista externa do Auditório. Foto 11 – Vista externa do prédio e casa de máquinas.
As fotos 10 e 11 foram tiradas do pátio. Através delas constatamos o tipo de
construção do prédio que utiliza tijolos furados à vista (sem reboco externo), a
distribuição, dimensões e tipo de janelas utilizadas (vidro simples em caixilho de
madeira), a existência de uma porta de acesso, a qual não era percebida no interior
do prédio.
A foto 11, além de mostrar a distribuição das janelas no lado esquerdo,
mostra a casa de máquinas e a estrutura utilizada para passagem dos dutos que
interliga a casa de máquinas ao auditório.
Foto 12– Passagem dos dutos. Foto 13 – Abertura na alvenaria.
As fotos 12 e 13 mostram os detalhes da passagem do duto da casa de
máquinas ao auditório. Nota-se as precárias condições da estrutura.
19
Foto 14- Saída dos dutos da Casa de Máquinas. Foto 15 – Interior da Casa de Máquinas.
As fotos 14 e 15 foram tiradas do interior da casa de máquinas. Segundo
relatos, o antigo sistema de climatização foi projetado para funcionar com quatro
equipamentos do tipo self incorporado. No entanto só foram instalados três
equipamentos, comprometendo assim o funcionamento do sistema. Hoje, na casa
de máquinas, encontramos os três equipamentos, interligados a rede de dutos.
Todos os equipamentos encontram-se em condições precárias, não viabilizando
assim sua reforma e reutilização.
Coletadas as informações e conhecidas as condições requeridas no
ambiente, é possível passarmos para a próxima etapa de execução do projeto.
20
5. DEFINIÇÕES DAS INSTALAÇÕES
Nesta etapa são reunidas todas as informações adquiridas na etapa anterior e
realizado um anteprojeto.
O anteprojeto inclui os cálculos preliminares de carga térmica e a definição
preliminar do tipo de equipamento a ser utilizado, bem como as características
necessárias para implantação destes, tais como: dimensões de casa de máquinas,
viabilização de infra-estruturas (alimentação de energia elétrica, pontos de dreno,
...).
5.1 CÁLCULO PRELIMINAR DE CARGA TÉRMICA
Para a realização do levantamento de carga térmica utilizada no anteprojeto
foram utilizados softwares comerciais: Pró-ar Condicionado, da Multiplus Softwares
Técnicos e o ACTERM – Análise Térmica de Edificações, desenvolvido pelo Prof.
Paulo Otto Beyer (Curso de Especialização em Climatização e Refrigeração –
PROMEC-UFRGS).
O programa Pró-ar Condicionado é um software que funciona integrado ao
Auto-Cad. A partir do desenho da planta baixa são inseridas, através de uma barra
de ferramentas específica do programa, todas as características construtivas das
paredes, vidros, teto e orientação solar, além dos índices de iluminação, ocupação e
demais cargas internas ao ambiente. Informados todos os parâmetros é realizado o
cálculo da carga térmica “automaticamente”, gerando o seguinte resultado.
Graf.1 – Resultados obtidos no Pró-ar Condicionado.
21
O programa ACTERM é um software específico para o cálculo de carga
térmica, assim como o programa anterior, todas as características do ambiente em
estudo são inseridas, no entanto, por se tratar de um programa independente,
também é preciso informar as áreas de parede, teto, vidros e piso.
Os resultados obtidos para o ambiente em estudo seguem abaixo:
Graf. 2 – Resultados obtidos no ACTERM.
22
Como podemos observar existem diferenças nos resultados obtidos nos dois
programas. Isso se deve ao fato de ambos os programas se utilizarem de uma
biblioteca interna própria, onde consta uma listagem de materiais através da qual o
usuário deverá selecionar o mais similar a sua situação. Estas bibliotecas são fixas,
em ambos os programas, e divergem seus conteúdos, impedindo a realização do
cálculo com os mesmos valores.
Além disso, a metodologia de cálculo utilizada pelo software Pró-ar
Condicionado não é divulgada pelo seu fabricante. Diferentemente do software
ACTERM que informa a metodologia utilizada no cálculo como sendo o método
recomendado pela ASHRAE.
Outra diferença que podemos visualizar refere-se a apresentação dos
resultados obtidos. Enquanto o software Pró-ar Condicionado informa apenas uma
variação da carga térmica ao longo do dia, sem informar o período de ocorrência
(mês do ano), o software ACTERM subdivide os resultados em três partes. Para
obter a pior condição o usuário primeiramente deve gerar um gráfico onde são
informadas as cargas térmicas ao longo dos meses de verão, onde o usuário poderá
verificar qual o mês com a maior carga térmica. A partir daí o usuário deve gerar um
segundo gráfico informando o mês em que deseja verificar a variação da carga
térmica, com isso o sistema irá informar a variação da carga ao longo das horas de
um dia típico do mês selecionado, verificando assim a hora do dia que oferece a pior
carga térmica, se desejar o usuário pode ainda gerar um terceiro gráfico informando
o mês e hora do dia desejado, assim o software gera um gráfico onde é possível
observar, além da carga total, a contribuição de cada uma da parcelas da carga
térmica do ambiente.
O método de apresentação dos resultados utilizado pelo ACTERM, apesar de
mais trabalhoso, é interessante, pois permite ao usuário verificar a situação no
período desejado, e não apenas no período de pior carga térmica.
Abaixo segue um quadro resumo com os comparativos dos resultados obtidos
nos programas utilizados no anteprojeto.
Carga Térmica Total
TR W Kcal/h Pró-Ar Condicionado 24.75 86991.30 74798.96 ACTERM 19.07 67032.00 57637.07 Diferença 23%
Tab.1 – Comparativo dos resultados obtidos.
23
5.2 OS SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
A principal função de um sistema de climatização é garantir, dentro de um
determinado espaço, as condições de conforto, ou as condições necessárias para
conservação de produtos, ou para o funcionamento de um determinado processo de
fabricação, bem como uma boa qualidade do ar no seu interior. Para tal, é
necessário que a instalação seja provida de equipamentos com a capacidade de
remover e/ou fornecer calor, bem como manter os índices de renovação de ar,
conforme as necessidades e normas aplicáveis a este espaço.
Os sistemas de climatização podem ser divididos em dois grandes grupos, os
denominados sistemas de expansão direta e os sistemas de expansão indireta.
Os sistemas de climatização de expansão direta são aqueles em que o ar, o
qual se deseja climatizar, entra em contato direto com o sistema de refrigeração, ou
seja, passa pela serpentina do evaporador. Como exemplos destes sistemas temos
os equipamentos denominados splits, multi-splits e os equipamentos selfs remotos e
incorporados.
Os sistemas de climatização de expansão indireta são aqueles em que é
utilizado um circuito secundário para climatização do ar. São popularmente
conhecidos como sistemas de água gelada. Basicamente, tem-se uma central de
refrigeração responsável pelo fornecimento de água gelada, a qual é distribuída por
um sistema de bombeamento para as serpentinas de equipamentos trocadores de
calor, onde entram em contato com o ar que se deseja climatizar. São equipamentos
integrantes do sistema de expansão indireta: resfriadores de líquido, também
conhecidos como chillers, intercambiadores de calor, também conhecidos como
fancoils, bombas de circulação e tanque de expansão (reservatório de água).
Cabe salientar que, dependendo das potências instaladas, podem existir
variações dos elementos constituintes do sistema de expansão indireta, com a
inserção de outros equipamentos tais como torre de resfriamento e subdivisões de
circuitos.
Nas figuras abaixo são mostrados os esquemas de funcionamento dos
sistemas de expansão indireta.
Fig.1 - Esquema básico de expansão indireta.
(Fonte: Tuma Engenharia
Conhecidos os princípios de funcionamento dos dois tipos de sistemas
partiremos para um comparativo entre
concepção do sistema a ser utilizado.
5.2.1 SISTEMAS DE EXPANSÃO DIRETA
Os sistemas de expansão indireta são aplicados a grandes empreendi
de elevada carga térmica,
flutuantes o que implicaria na flutuação sign
exemplos de aplicabilidade deste sistema temos os shopping centers e os prédios
públicos. Nestes casos é muito comum a implantação de uma central de água
gelada a qual distribui, para vários equipamentos, dutáveis ou não, c
necessidade da demanda. Em outras palavras, este sistema permite flexibilidade de
utilização o que confere um caráter de
No entanto, os custos de implantação deste sistema
necessitam de uma infra
expansão direta. Sendo assim, sua utilização só é justificada após a análise de
todos os parâmetros aqui comentados.
o de expansão indireta. Fig. 2 - Expansão indireta
(Fonte: Tuma Engenharia) (Fonte: Dorgam (
Conhecidos os princípios de funcionamento dos dois tipos de sistemas
partiremos para um comparativo entre eles para que possamos definir qual a
concepção do sistema a ser utilizado.
EMAS DE EXPANSÃO DIRETA versus SISTEMAS DE EXPANSÃO
Os sistemas de expansão indireta são aplicados a grandes empreendi
de elevada carga térmica, elevadas demandas de ocupação e/ou demandas muito
o que implicaria na flutuação significativa de carga térmica
exemplos de aplicabilidade deste sistema temos os shopping centers e os prédios
públicos. Nestes casos é muito comum a implantação de uma central de água
gelada a qual distribui, para vários equipamentos, dutáveis ou não, c
necessidade da demanda. Em outras palavras, este sistema permite flexibilidade de
utilização o que confere um caráter de maior eficiência energética.
No entanto, os custos de implantação deste sistema
necessitam de uma infra-estrutura mais elaborada se comparada com os de
expansão direta. Sendo assim, sua utilização só é justificada após a análise de
todos os parâmetros aqui comentados.
24
Expansão indireta - sistema básico.
Fonte: Dorgam (1993))
Conhecidos os princípios de funcionamento dos dois tipos de sistemas
para que possamos definir qual a
SISTEMAS DE EXPANSÃO INDIRETA
Os sistemas de expansão indireta são aplicados a grandes empreendimentos
elevadas demandas de ocupação e/ou demandas muito
ificativa de carga térmica. Como
exemplos de aplicabilidade deste sistema temos os shopping centers e os prédios
públicos. Nestes casos é muito comum a implantação de uma central de água
gelada a qual distribui, para vários equipamentos, dutáveis ou não, conforme a
necessidade da demanda. Em outras palavras, este sistema permite flexibilidade de
eficiência energética.
No entanto, os custos de implantação deste sistema são elevados e
ura mais elaborada se comparada com os de
expansão direta. Sendo assim, sua utilização só é justificada após a análise de
25
A seguir são mostrados alguns dos equipamentos que compõem uma central
térmica (sistema de expansão indireta).
Fig.3 - Chiller Condensação a ar Fig.4 - Chiller Condensação à àgua Modelo disponível: 70 a 125 TR Modelo disponível: 25 a 491 TR
Fonte: TRANE Fonte: YORK/SABROE
Fig.5 – Fancolete Dutável e Aparente Fig.6– Torres de Resfriamento Fonte: Carrier Fonte: Alpina
Os sistemas de expansão direta são mais versáteis em suas aplicações.
Fazem parte deste grupo os sistemas individuais conhecidos como splits, os multi
splits, os selfs contained e os condicionadores de ar de janela, disponíveis em uma
ampla faixa de capacidade (de 0,5 TR à 22,5 TR), dutáveis ou aparentes.
Certamente os equipamentos splits são os mais “populares” deste grupo. Os
splits são condicionares de ar do tipo dividido, ou seja, são constituídos de uma
unidade evaporadora, a qual é instalada no ambiente, e uma unidade condensadora,
em geral instalada ao ar livre, as unidades são interligadas por tubulações
frigorígenas. Estes equipamentos são a evolução dos condicionadores de ar de
janela. Graças a sua construção dividida estes equipamentos propiciam um menor
nível de ruído no ambiente, se comparado com o sistema antigo, uma vez que o
26
compressor e o ventilador do condensador são integrantes da unidade instalada
externa ao ambiente.
Os equipamentos de expansão indireta podem ser instalados nos casos onde
não são justificados a implantação de uma central de água gelada. Em geral,
instalações que requerem independência de funcionamento, como um prédio com
salas comerciais, auditórios, por exemplo, e outros ambientes de uso esporádico ou
com baixa demanda justificam a utilização deste sistema.
No entanto, deve-se atentar ao uso indiscriminado dos equipamentos do tipo
splits individuais, principalmente em ambientes com grandes ocupações. Segundo
norma da ABNT e Portaria da ANVISA, deve-se garantir índices mínimos de
renovação de ar (27m³/h por pessoa) os quais não são possíveis com a utilização
dos equipamentos splits. Sendo assim, nos casos onde a climatização dos
ambientes é feita com a utilização deste tipo de condicionador deverá ser implantado
um sistema integrado de renovação de ar, constituído de caixa de ventilação e
filtragem, conforme recomendações contidas nas normas vigentes.
Buscando apresentar dados concretos que possam ser utilizados na
comparação dos custos de implantação dos sistemas de expansão direta e indireta,
contatamos uma empresa especializada no assunto. As informações, gentilmente
cedidas, dos custos estimados de implantação por TR (tonelada de refrigeração,
capacidade dos equipamentos), dos sistemas abordados encontram-se na tabela a
seguir:
Sistema de Climatização Custo de Implantação/TR
Expansão Direta R$ 2.600,00 /TR
Expansão Indireta R$ 3.800,00 /TR
Tab.2 – Comparativo dos custos de implantação (Fonte: SC Thermical Systems)
A seguir são mostrados alguns dos equipamentos de expansão direta
comercializados:
Fig.7 – Módulos: trocador de calor, condensadora e ventilação de um MultiSplit. Fonte: Carrier
27
Fig.8 – Self Contained Fig.9 – Split
Fonte: Carrier Fonte: Gree
Sendo assim, com base em todas as informações expostas, consideramos a
viabilidade técnica de implantarmos como sistema de climatização do Auditório
Proplad, o sistema de Expansão Direta.
Cabe salientar que, embora o sistema anteriormente instalado seja também
de expansão direta, foram executadas as análises de viabilidade técnica e perfil e
demanda, não ocorrendo assim a manipulação dos critérios.
5.2.2 SPLIT versus MULTI SPLIT versus SELF CONTAINED
Definido o tipo de sistema que será utilizado, partiremos para definição do tipo
de equipamento a ser utilizado.
Analisando a ordem de grandeza da capacidade requerida pelos
equipamentos para suprir a carga térmica, consideramos inviável a utilização de
splits com sistema integrado de renovação de ar. Uma vez que nossa demanda
energética é da ordem e 20 TRs e as capacidades máximas comercializadas deste
tipo de equipamento ser de 5 TR, seriam necessários um número mínimo de quatro
equipamentos mais um gabinete de ventilação, com filtragem, insuflando direto no
ambiente, o que resultaria em um aumento de carga térmica. Outro ponto importante
diz respeito aos índices de ruído, o qual, certamente, a aplicação deste tipo de
instalação em um auditório causaria desconforto.
Sendo assim, ficamos com duas soluções viáveis de equipamentos para o
sistema de climatização do Auditório, os equipamentos condicionadores de ar
conhecidos como Multi-Splits e os Selfs Contained.
28
Os equipamentos do tipo Self são subdivididos em Divididos (ou Remotos) e
Incorporados. Os equipamentos utilizados na instalação existente são do tipo Self
Incorporado, popularmente conhecidos como “Rabo Quente”. Estes equipamentos
são de fácil instalação uma vez que todos os componentes do sistema de
refrigeração estão dispostos em uma única peça, totalmente já montada em fábrica.
O inconveniente deste tipo de equipamento é a necessidade de aberturas
consideráveis na alvenaria da casa de máquinas para propiciar o fluxo de ar para
condensação. Visto as condições das instalações existentes e as condições
inseridas consideramos não adequada a instalação deste tipo de máquina, tanto
pela manutenção mais delicada que estes equipamentos necessitam, como pelas
grandes aberturas na alvenaria a qual propicia a entrada de animais.
Já os equipamentos Multi-Splits e Selfs Divididos são do tipo modular,
compostos por três componentes distintos, um módulo serpentina, denominado
trocador (evaporador), uma módulo caixa de ventilação e uma módulo condensador.
Os módulos serpentina e ventilador possibilitam a montagem em diferentes posições
e são, em geral, instalados no interior de uma casa de máquinas, enquanto o
módulo condensador é instalado externamente. As interligações entre os módulos
trocadores interno e externo (evaporador e condensador) é feito por tubulações de
cobre isoladas termicamente, as quais circulam fluido frigorígeno.
Os módulos condensadores são oferecidos com diferentes tipos de
ventilador, dependendo do fabricante, em geral, existe a possibilidade de escolha de
condensadores que utilizem ventilador do tipo axial ou centrífugo. Normalmente, a
escolha do tipo de ventilador da unidade condensadora é definida pelo local onde
esta será instalada.
Como podemos observar, segundo o que foi exposto anteriormente, os
equipamentos se assemelham, no entanto há diferenças construtivas significativas
entre as duas máquinas. A principal diferença entre elas é o posicionamento do
compressor. Enquanto os equipamentos Splits (convencionais) e Multi-Splits a
localização do compressor é na unidade condensadora (externa), nos equipamentos
do tipo Self Contained Dividido o compressor está montado junto ao módulo
trocador. Podemos dizer que a construção dos equipamentos do tipo Self é mais
robusta se comparadas ao do tipo Multi-Split.
29
Visto isso, consideramos, pelo tipo de instalação, operação e controle, os
equipamentos do tipo Self Contained os mais adequados ao sistema de climatização
proposto ao Auditório da PROPLAD.
5.2.3 CONCEPÇÃO DO SISTEMA DE CLIMATIZAÇÃO PROPOSTO
Estamos propondo para o sistema de climatização do auditório da PROPLAD
a instalação de equipamentos do tipo Self Contained Dividido, condensação à ar. O
sistema utilizará as instalações antigas da casa de máquinas, devendo ser apenas
desocupada e reformada. Devem ser fechadas as aberturas na alvenaria que eram
utilizadas para condensação.
A casa de máquinas deverá dispor de alimentação elétrica, segundo as
especificações do fabricante do equipamento, as quais serão expostas no
detalhamento do projeto.
30
6. IDENTIFICAÇÃO E SOLUÇÃO DE INTERFASES
Esta etapa se constitui como evolução das definições das instalações, sendo
destinada à concepção das características técnicas, ainda não completas, mas já
com as soluções de interferência acordadas.
Incluem-se nesta etapa a consolidação dos cálculos de carga térmica e a
concepção do sistema de distribuição de ar no ambiente. Aqui são definidos os
traçados da rede de dutos e o posicionamento dos dispositivos de insuflamento e
retorno (difusores e grelhas).
Durante a elaboração deste projeto foram feitos uma série de
questionamentos à equipe responsável pelo empreendimento. As principais dúvidas
foram sobre a reforma prevista para o prédio e quais as suas influências no sistema
de climatização proposto, seja na sua concepção ou no seu funcionamento. As
respostas a estas perguntas geraram algumas diretrizes que foram atendidas pelo
sistema proposto. Estas diretrizes serão expostas detalhadamente nesta fase do
projeto.
6.1. AS DIRETRIZES GERADAS
1. Tendo em vista o tipo de utilização e ocupação do ambiente não ser muito
constante, ou seja, apresenta grandes variações de público, achamos
conveniente a utilização de um sistema que possibilite uma flexibilidade de
funcionamento conforme a demanda. Sendo assim, ficou acertado que seriam
utilizados dois equipamentos com funcionamento independente, os quais
poderiam funcionar em paralelo, em plena carga, utilizando os 100% da
potência total instalada, ou individualmente, atendendo assim a 50% da
potência total instalada.
2. O sistema de climatização proposto não possuirá aquecimento. Uma vez que,
devido ao tipo e capacidade dos equipamentos indicados não contarem com
sistema de aquecimento integrado do tipo ciclo reverso, estes equipamentos
possuem sistema de aquecimento por baterias de resistência elétrica
31
aletadas. Deveriam, portanto, serem revistas e analisadas todas as
demandas e dimensionamentos da rede elétrica do prédio.
3. As reformas previstas para o prédio serão de revitalização da estrutura,
principalmente do telhado, e arquitetônicas com a modernização do espaço.
Fazem parte das modificações a troca de materiais do forro, revestimento
interno das paredes, entre outros. Está prevista a instalação de cobertura
isolante térmica de espessura ainda não definida entre telhado e forro, o que
otimizaria o sistema proposto com a redução, mesmo que pequena, do calor
proveniente do telhado. Não haverá nenhuma modificação de lay-out no
ambiente que afetem as suas cargas térmicas.
4. A casa de máquinas será mantida nas suas dimensões originais, cabendo
somente a reforma para revitalização e adequação ao novo sistema proposto.
5. As questões relativas à acústica serão tratadas no âmbito arquitetônico. Não
serão tratados neste projeto questões referentes à qualidade acústica. No
entanto, o sistema de climatização proposto atenderá as normas e
recomendações de velocidade para distribuição de ar e índices de emissão
sonora dos equipamentos compatíveis ao tipo de ambiente.
6. A climatização da sala de som não será individual. Esta sala será atendida
pelo mesmo sistema que atende ao auditório. Não existem cargas
significativas que justifiquem a utilização de um sistema individual.
7. As cargas relativas a equipamentos e iluminação não serão alteradas após a
reforma.
6.2. CÁLCULO DA CARGA TÉRMICA
Como este projeto tem por objetivo não apenas o calculo das trocas térmicas
envolvidas no processo de climatização de um auditório, mas também a
especificação dos equipamentos de modo a produzir um projeto que possa ser
efetivamente construído de maneira funcional, os cálculos utilizados na seleção dos
32
equipamentos foram realizados com base nos procedimentos recomendados pela
associação brasileira de normas técnicas, na NBR 16401 “Instalação de ar-
condicionado – Sistemas centrais e unitários”, NBR 15220 “Desempenho térmico de
edificações”, bem como a resolução da ANVISA número 176 de outubro de 2000
“Padrões Referenciais de Qualidade do Ar Interior em ambientes climatizados
artificialmente de uso público e coletivo”.
Para auxiliar os cálculos necessários a este estudo foi utilizado o software
Engineering Equation Solver, fabricado pela F-Chart, que dispõe de uma ampla
biblioteca de funções com as propriedades de diversos fluidos, entre eles a água e o
ar-úmido, o que simplifica o cálculo psicométrico além de permitir, com alterações
simples no código interpretado pelo software, simular rapidamente o comportamento
do sistema em diversas condições.
Para uma melhor compreensão dos cálculos foram criados códigos separados,
ficando a determinação das propriedades de cada elemento que constitui as paredes
e o teto do auditório em códigos individuais, e um código que utiliza-se dos dados
resultantes dos outros para determinar a carga total.
A determinação das propriedades dos elementos constituintes das paredes e
do teto foi realizada utilizado o procedimento mostrado na parte 2 da NBR 15220,
como esta mesma norma dispõe na parte 3 das propriedades pré-calculadas dos
elementos mais comumente usados na construção civil, foi desenvolvido
inicialmente um código para determinação do caso pré-calculado pela norma mais
similar a situação encontrada no auditório, afim de conseguir assim repetir os dados
da norma, validando o cálculo.
Como o auditório em estudo se trata de uma construção já existente a
visualização da estrutura interna dos tijolos não é possível, no entanto por serem
mais comuns e apresentarem uma menor resistência térmica (caracterizando assim
a pior situação), os cálculos foram feitos utilizando-se tijolos de furos quadrados.
Conforme demonstrado nas figuras abaixo, o caso escolhido para esta
validação foi uma parede de tijolos com furos quadrados, assentados em sua maior
dimensão, com emboço de argamassa de 25mm em ambas as faces e 10mm de
argamassa entre tijolos, como a norma informa apenas as dimensões externas do
tijolo foram arbitrados valores para as paredes internas.
33
Fig. 10 – Ilustração do tijolo para cálculo da condução.
34
Para realização dos cálculos a seção F é calculada juntamente com a seção A
já que ambas são constituídas puramente de argamassa.
A nomenclatura adotada para as variáveis segue a nomenclatura estabelecida
pela norma, sendo:
Símbolo Variável Unidade
A Área m2
R Resistência térmica de um componente (m2.K)/W
U Transmitância térmica de um componente W/(m2.K)
CT Capacidade térmica de um componente kJ/(m2.K)
Φ Atraso térmico de um componente horas
FSo Fator solar de elementos opacos -
c Calor específico kJ/(kg.K)
λ Condutividade térmica do material W/(m.K)
ρ Densidade de massa aparente do material kg/m3
ε Emissividade hemisférica total -
Α Absortância à radiação solar -
Τ Transmitância à radiação solar. -
Tab.3 - Variáveis e nomenclaturas adotadas.
Com base nestas informações foi desenvolvido o seguinte código.
"Dados dos tijolos tirados da tabela B3 da norma NBR 15220"
"Dimensões Externas"
"Dimensões Internas (arbitradas)"
ρt
= 1600 [Kg/m3]
λt
= 0.9 [W/(m*K)]
ct
= 0.92 [KJ/(Kg*K)]
L t = 140 [mm]
C t = 190 [mm]
H t = 90 [mm]
35
"Dados do reboco considerados iguais aos da argamassa comum"
"Somente argamassa (Seções A e F)"
"argamassa+tijolo+argamassa (Seção B)"
"argamassa+tijolo+ar+tijolo+ar+tijolo+ar+tijolo+argamassa (Seção C)"
e t,l,par,ext = 12.5 [mm]
e t,l,par,int = 5 [mm]
e t,h,par,ext = 10 [mm]
e t,h,par,int = 10 [mm]
Har = 30 [mm]
Lar = 35 [mm]
Rar = 0.16 [(m2*K)/W]
ρr
= 2000 [Kg/m3]
λr
= 1.15 [W/(m*K)]
cr
= 1 [KJ/(Kg*K)]
H r = 10 [mm]
L r,ext = 25 [mm]
L r,int = 25 [mm]
C r = 10 [mm]
A1 = H r · ( C t + C r ) · 1.0 x 10 –6 · m2
mm2
R1 = ( L r,ext + L t + L r,int ) ·
0.001 · m
mm
λr
A2 = e t,h,par,ext · Ct · 1.0 x 10 –6 · m2
mm2
R2 = ( L r,ext + L r,int ) ·
0.001 · m
mm
λr + L t ·
0.001 · m
mm
λt
36
"argamassa+tijolo+argamassa (Seção D)"
"Total da parece"
"Total"
"Transmitância"
"Capacidade Térmica"
A3 = Har · Ct · 1.0 x 10 –6 · m2
mm2
R3 = ( L r,ext + L r,int ) ·
0.001 · m
mm
λr + 2 · et, l,par,ext ·
0.001 · m
mm
λt + 3 · Rar + 2 · e t,l,par,int ·
0.001 · m
mm
λt
A4 = e t,h,par,int · Ct · 1.0 x 10 –6 · m2
mm2
R4 = ( L r,ext + L r,int ) ·
0.001 · m
mm
λr + L t ·
0.001 · m
mm
λt
R t = A1 + 2 · A2 + 2 · A3 + A4
A1
R1 + 2 ·
A2
R2 + 2 ·
A3
R3 +
A4
R4
R se = 0.04 [(m2*K)/W]
R si = 0.13 [(m2*K)/W]
RTot = Rse + R t + Rsi
U = 1
RTot
C1 = ( L r,ext + L t + L r,int ) · 0.001 · m
mm · c
r · ρ
r
C2 = ( L r,ext + L r,int ) · 0.001 · m
mm · c
r · ρ
r + L t · 0.001 ·
m
mm · c
t · ρ
t
C3 = ( L r,ext + L r,int ) · 0.001 · m
mm · c
r · ρ
r + ( 2 · e t,l,par,ext + 2 · e t,l,par,int) · 0.001 ·
m
mm · c
t · ρ
t
C4 = ( L r,ext + L r,int ) · 0.001 · m
mm · c
r · ρ
r + L t · 0.001 ·
m
mm · c
t · ρ
t
CTot = A1 + 2 · A2 + 2 · A3 + A4
A1
C1 + 2 ·
A2
C2 + 2 ·
A3
C3 +
A4
C4
37
"Atraso térmico para elementos heterogêneos”
"B2 não é considerado por ser negativo"
Com este código foram obtidos os seguintes valores:
Propriedades da parede
U
[W/(m2.K)]
CT
[kJ/(m2.K)]
Φ
[horas]
Calculado 2.07 192.7 4.853
Norma 2.02 192 4.5
Diferença 0.05 0.7 0.353
Diferença % 2% 0% 8%
Tab.4 – Resultados obtidos para paredes.
Como podemos observar os valores encontrados não são exatamente iguais
aos pré-calculados na norma, existindo uma diferença máxima de 8%, isso se deve
ao fato de termos arbitrado os valores das paredes internas ao tijolo, no entanto os
valores encontrados são bem próximos aos da norma, encontrado uma diferença
aceitável e validando assim o código.
Logo após foi realizada uma pequena alteração no código obtendo-se assim a
situação encontrada no auditório, conforme mostrado na figura abaixo.
CTse = e t,l,par,ext · 0.001 · m
mm · c
t · ρ
t
B0 = CTot – CTse
B1 = 0.226 · B0
R t
RSupExt = L r,ext ·
0.001 · m
mm
λr
B2 = 0.205 · λr
· ρr
· cr
R t · RSupExt –
R t – RSupExt
10
φ = 1.382 · Rt · B1( 1 / 2 )
38
Fig. 11 – Ilustração 2 do tijolo para cálculo da condução.
Para esta nova situação a única modificação realizada no cálculo das
propriedades é a espessura da argamassa externa (que nesta nova situação é zero),
mantendo-se a mesma divisão de seções da situação anterior.
Além disso também foram incluídas linhas para determinação do fator solar.
"Fator Solar"
"Sendo tijolo aparente absortância(α)=0.8"
Com esta alteração feita obtivemos os seguintes resultados:
Propriedades da parede sem o reboco externo
U
[W/(m2.K)]
CT
[kJ/(m2.K)]
Φ
[horas]
FS0
[%]
Calculado 2.201 135.8 3.796 7.043
Tab.5 – Resultados obtidos para paredes externas.
Com as propriedades da parede de tijolos conhecida, o procedimento adotado
para determinação das propriedades dos vidros e do teto é bem similar, conforme
observado nos códigos abaixo:
L r,ext = 0 [mm]
FS0 = 4 · U · α
α = 0.8
39
Vidros
"Dados do vidro tirados da tabela B3 da norma NBR 15220"
"Dimensões Externas"
"Total"
"Transmitância"
"Capacidade Térmica"
"Atraso térmico para elementos homogêneos”
"Fator Solar"
ρv
= 2500 [Kg/m3]
λv
= 1 [W/(m*K)]
cv
= 0.84 [KJ/(Kg*K)]
L = 4 [mm] · 0.001 · m
mm
C = 0.9 [m]
H = 1 [m]
A = H · C
R t = L
λv
R se = 0.04 [(m2*K)/W]
R si = 0.13 [(m2*K)/W]
RTot = Rse + R t + Rsi
U = 1
RTot
CTot = L · cv
· ρv
φ = 0.7284 · ( Rt · CTot ) ( 1 / 2 )
40
"Sendo a vidro incolor absortância(α)=0.25"
Transmitância (τ) retirada do Incropera 5ª Ed. Apêndice A Tabela A12
Como vimos no código acima, existe uma simplificação no calculo devido ao
fato do vidro ser um elemento homogêneo, também existe uma modificação na
determinação do fator solar, como parte da radiação solar consegue passar
diretamente pelos vidros é preciso adicionar um termo referente a transmitância.
Propriedades do vidro
U
[W/(m2.K)]
CT
[kJ/(m2.K)]
Φ
[horas]
FS0
[%]
Calculado 5.747 8.4 0.1335 0.8475
Tab.6 – Propriedades do vidro.
TETO
"Fibro-cimento (telhado)"
"Gesso (forro)"
FS0 = U · α · Rse + τ
α = 0.25
τ = 0.79
ρt
= 1700 [Kg/m3]
λt
= 0.65 [W/(m*K)]
ct
= 0.84 [KJ/(Kg*K)]
et
= 1 [mm] · 0.001 · m
mm
ρf
= 1000 [Kg/m3]
λf
= 0.35 [W/(m*K)]
cf
= 84 [KJ/(Kg*K)]
ef
= 20 [mm] · 0.001 · m
mm
41
"Poliestireno"
"Condições da câmara de ar"
"Como não existem aberturas para ventilação a câmera de ar é pouco ventilada"
"Verão"
"Resistência Térmica"
"Tabela B1 da norma NBR 15220 com H>50 mm e alta emissividade"
"Total"
"Transmitância"
"Inverno"
"Resistência Térmica"
"Tabela B1"
ρp
= 35 [Kg/m3]
λp
= 0.04 [W/(m*K)]
cp
= 1.42 [KJ/(Kg*K)]
ep
= 10 [mm] · 0.001 · m
mm
Rarv = 0.21 [(m2*K)/W]
R tv = e
t
λt + Rarv +
ep
λp +
ef
λf
R sev = 0.04
R siv = 0.17
RTotv = R sev + R tv + Rsiv
Uv = 1
RTotv
Rari = 0.14 [(m2*K)/W]
R ti = R tv
42
"Câmara pouco ventilada"
"Total"
"Transmitância"
"Capacidade Térmica"
"Atraso Térmico para elementos heterogêneos”
"B2 não é considerado por ser negativo"
"Fator Solar"
Apesar do cálculo das resistências de cada elemento, da capacidade térmica e
do atraso térmico ser bem similar ao utilizado nos outros programas, é possível
Rsei = 0.04
Rsii = 0.1
RToti = Rsei + R ti + R sii
Ui = 1
RToti
CT = et
· ct
· ρt
+ 0 + ep
· cp
· ρp
+ ef
· cf
· ρf
CTse = et
· ct
· ρt
B0 = CT – CTse
B1 = 0.226 · B0
R tv
RSupExt = e
t
λt
B2 = 0.205 · λt
· ρt
· ct
R tv · RSupExt –
R tv – RSupExt
10
φ = 1.382 · R tv · B1( 1 / 2 )
FS0 = 4 · Uv · α
α = 0.8
43
observar diferenças significativas neste ultimo código demonstrado. Estas diferenças
existem devido a variação da resistência térmica superficial e da resistência térmica
do ar existente entre os fluxos ascendente e descendente, conforme indicado na
norma, sendo assim de acordo com o fluxo de calor que atravessa o teto existe uma
variação significativa na resistência, existindo assim uma resistência térmica para o
“verão” (quando a temperatura externa é superior a interna) e outra resistência
térmica para o “inverno” (quando a temperatura externa é inferior a interna).
Outra consideração importante no calculo das propriedades do telhado é a
existência (na grande maioria dos casos) de uma camada de ar entre o telhado e o
forro, esta parcela de ar tem uma resistência significativa, devido ao formato
triangular, a norma recomenda que seja utilizado para o cálculo uma câmara de ar
uniforme de altura igual a metade da altura total da câmara existente.
Propriedades do teto
U
[W/(m2.K)]
CT
[kJ/(m2.K)]
Φ
[horas]
FS0
[%]
Verão 1.372 1682 19.4 4.391
Inverno 1.518 1682 19.4 4.391
Tab.7 – Propriedades do teto.
Por se tratar de um projeto apenas de resfriamento será utilizado no cálculo
apenas as propriedades de verão.
Carga Total
Com estas propriedades determinadas foi então elaborado o código para
determinação da carga térmica total.
Para isto foram utilizadas as condições indicadas na norma NBR 16401,
conforme indicadas abaixo:
Temperaturas Externas [°C]
(Valores para Porto Alegre)
> 31.8 2%
> 33.2 1%
> 34.8 0.01%
Temperatura Interna [°C]
(Temperatura de conforto)
Min (NBR 16401) 21.5
Min (ANVISA) 23
Max 25.5
Tab.8 – Condições de cálculo segundo NBR 16401 e ANVISA.
44
"Pessoas"
"Lotação do auditório"
"Valor da norma NBR 16401/2008 para pessoas sentadas com atividade leve (valor ajustado)"
"1TR = 12000BTU/h" "1W = 3.414135 BTU/h" "3514.8 W = 1TR" "1TR = 3.5148 KW"
"QTotal_Pessoas/3.5148" "AR Exterior" "dados da norma NBR 16401/2008 para Porto Alegre" "T>31.8=2%" "T>33.2=1% " "T>34.8=0.01% "
"NBR 16401-2/2008 pg 7" "23 ºC --> ANVISA"
"ANVISA http://www.anvisa.gov.br/legis/resol/176_00re.htm"
Function TempCtK (TempC)
TempCtK := ConvertTemp ( C , K , TempC )
End TempCtK
Function TempKtC (TempK)
TempKtC := ConvertTemp ( K , C , TempK )
End TempKtC
Function PressAtmtBar (PressAtm)
PressAtmtBar := PressAtm · 1.01325 · bar
atm
End PressAtmtBar
NPessoas = 150
QLibPessoa = 115 [W]
QLatPessoa = 45 [W]
QTotalPessoas = NPessoas · QLibPessoa · 0,001 · KW
W
QTRPessoas = QTotalPessoas · 0.284511 · TR
KW
T∞e = 34.8 [°C]
T∞i = 23 [°C]
Patm = 1 [atm]
U relativ a = 0.95
VazaoPessoa = 27 [m3/h]
Vazaoarexterior = VazaoPessoa · NPessoas
45
"cal sensível cal latente"
"O ventilador puxa o ar a temperatura externa"
"Iluminação" "segundo NBR 16401/2008 para auditórios com platéia 10W/m^2"
"Paredes" "Externas"
harent = h ( 'AirH2O' , T =TempCtK ( T∞e) , P = PressAtmtBar ( Patm ) , R =U relativ a )
wext2 = ω ( 'AirH2O' , T =TempCtK ( T∞e) , P = PressAtmtBar ( Patm ) , R =U relativ a )
TBU,ext = TempKtC ( WB ( 'AirH2O' , T =TempCtK ( T∞e) , P = PressAtmtBar ( Patm ) , R =U relativ a ) )
harsai = h ( 'AirH2O' , T =TempCtK ( T∞i ) , P = PressAtmtBar ( Patm ) , R =0.5 )
w int2 = ω ( 'AirH2O' , T =TempCtK ( T∞i ) , P = PressAtmtBar ( Patm ) , R =0.5 )
TBU,int = TempKtC ( WB ( 'AirH2O' , T =TempCtK ( T∞i ) , P = PressAtmtBar ( Patm ) , R =0.5 ) )
∆ W = wext2 – w int2
m agua = ∆W · mar1
haguaent = h ( 'Water' , T =TempCtK ( T∞e) , P = PressAtmtBar ( Patm ) )
haguasai = h ( 'Water' , T =TempCtK ( T∞i ) , P = PressAtmtBar ( Patm ) )
Qagua = m agua · ( haguaent – haguasai ) · 1 · KW
Kj/s
m ar1 = ρ ( 'AirH2O' , T =TempCtK ( T∞e) , P = PressAtmtBar ( Patm ) , w =U relativ a ) · Vazaoarexterior · 0.000277778 · m3/s
m3/h
Qar = ( harent – harsai ) · mar1 · 1 · KW
Kj/s
QTRar = Qar · 0.284511 · TR
KW
APiso = 230.82 [m2]
Q iluminação = APiso · 10 [w/m2] · 0.001 · KW
W
QTR iluminação = Q iluminação · 0.284511 · TR
KW
AExterna = ( 14 + 7.6 + 7.6 + 17.7 ) · 2.95
AJanelas = 0.9 · 1 · 30
APorta,Externa = 2 · 1.95
AParedes,Externas = AExterna – AJanelas – APorta,Externa
46
"Ver outro programa"
"Internas"
"Retirado diretamente da norma por ter reboco dos dois lados"
"Vidros" "Ver outro programa"
"Teto" "Ver outro programa"
"Total"
Uext = 2.201 [W/(m2*K)]
FS0,paredes = 7.043
100
QParedes,ext = ( ( 1 + FS0,paredes ) · Uext · AParedes,Externas · ( TempCtK ( T∞e) – TempCtK ( T∞i ) ) ) · 0.001 · KW
W
QTRParedes,ext = QParedes,ext · 0.284511 · TR
KW
AParedes,Internas = ( 3.32 + 3.5 + 3.58 ) · 2.95
U int = 1.92 [W/(m2*K)]
QParedes,int = U int · AParedes,Internas · ( TempCtK ( T∞e) – TempCtK ( T∞i ) ) · 0.001 · KW
W
QTRParedes,int = QParedes,int · 0.284511 · TR
KW
QTRParedes = QTRParedes,int + QTRParedes,ext
U v idros = 5.747 [W/(m2*K)]
FS0,v idros = 0.8475
100
QVidros = ( ( 1 + FS0,v idros ) · Uv idros · AJanelas · ( TempCtK ( T∞e) – TempCtK ( T∞i ) ) ) · 0.001 · KW
W
QTRVidros = QVidros · 0.284511 · TR
KW
Uv = 1.372 [W/(m2*K)]
U teto = 1.372 [W/(m2*K)]
FS0,teto = 4.391
100
QTeto = ( ( 1 + FS0,teto ) · U teto · APiso · ( TempCtK ( T∞e) – TempCtK ( T∞i ) ) ) · 0.001 · KW
W
QTRTeto = QTeto · 0.284511 · TR
KW
QTRTot = QTRar + QTRPessoas + QTR iluminação + QTRParedes + QTRVidros + QTRTeto
47
6.2.1 RESULTADOS OBTIDOS
Graf.3 - Resultados obtidos no Cálculo da Carga Térmica .
Q%ar = QTRar
QTRTot · 100
Q%pessoas = QTRPessoas
QTRTot · 100
Q%iluminação = QTR iluminação
QTRTot · 100
Q%paredes = QTRParedes
QTRTot · 100
Q%v idros = QTRVidros
QTRTot · 100
Q%teto = QTRTeto
QTRTot · 100
QLatente = Qagua · 0.284511 · TR
KW + QLatPessoa · NPessoas · 0.000284511 ·
TR
W
QSensiv el = QTRTot – QLatente
QKcalTot = QTRTot · 3022.18 · Kcal/h
TR
0,53 0,66 1,05 1,11
4,91
11,25
19,49
Distribuição das Cargas Térmicas (TR)
Vidros Iluminação Paredes Teto Pessoas Ar de renovação Total
48
Graf.4 - Resultados obtidos no Cálculo da Carga Térmica
Graf. 5 – Resultados obtidos no Cálculo da Carga Térmica.
6.3. LÓGICA DE FUNCIONAMENTO
Conforme já explicitado anteriormente, o sistema de climatização contará com
dois equipamentos de igual capacidade os quais poderão operar simultaneamente
ou individualmente.
2,695 3,3695,375 5,694
25,180
57,687
Distribuição das Cargas Térmicas (%)
Vidros Iluminação Paredes Teto Pessoas Ar de renovação
2,09
17,39
19,49
Distribuição das Cargas Térmicas (TR)
Latente Sensível Total
49
Com o intuito de que as máquinas sejam postas em funcionamento de forma
alternada, garantindo assim que não haja um desgaste superior de um dos
equipamentos o que levaria a uma manutenção diferenciada, optou-se pela
utilização de um controlador de supervisão de funcionamento. Este controlador tem
por objetivo principal fazer o revezamento dos equipamentos quando estes são
utilizados individualmente e controlar os parâmetros de funcionamento dos
equipamentos sejam utilizados individualmente ou concomitantemente.
O controlador possui recurso de operação manual ou automática. Nos casos
de falha de um equipamento o controlador fará a indicação de falha e poderá, se
assim for desejado, acionar o outro equipamento.
Maiores informações e especificações técnicas foram abordadas no Memorial
Descritivo.
Abaixo segue uma tabela com os valores simulados para diferentes situações
de temperaturas internas e ocupação, para uma temperatura externa fixada em
35°C. Conforme podemos constatar com a utilização d e apenas um equipamento,
capacidade 10 TRs, é possível atingirmos a condição de conforto térmico, segundo
parâmetros da ANVISA e norma NBR16401, para uma ocupação de até 50 pessoas.
Ti (°C) Te (°C) Ocupação Carga (TR)
23.0 35 15 9.580
23.0 35 20 9.744
23.0 35 25 9.907
24.0 35 35 9.831
24.0 35 40 9.995
24.5 35 45 9.955
25.0 35 50 9.913
Tab.9 – Comparativo dos resultados obtidos em simulação para utilização de um equipamento.
6.4. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO E AR
A partir da escolha do tipo de equipamento, por se tratar de uma máquina
standard (com suas características definidas pelo fabricante entre elas a vazão e a
pressão estática disponível pelo ventilador), os cálculos dimensionais do sistema de
dutos foi feito utilizando-se os dados do equipamento. Cada um, dos dois
equipamentos, possui uma vazão informada pelo fabricante de 6800m³/h e uma
50
pressão estática disponível de 7mmCA a 22mmCA, no entanto como verificamos
que nem todos os equipamentos existentes no mercado permitem esta
disponibilidade de pressão, optamos por realizar o dimensionamento com uma
pressão estática disponível de 20mmCA, por ser a mais comumente observada, não
limitando assim a solução escolhida a um único fabricante (Carrier).
A metodologia utilizada para este dimensionamento foi o método da
recuperação de pressão estática. Este método consiste basicamente de um balanço
de energia utilizando-se a equação de Bernoulli:
��
�+
���
2+ � =
��
�+
���
2+ � + ∆�
Sendo: �
� �
�
� → as parcelas de energia estática.
���
�� �
���
�� → as parcelas de energia dinâmica.
� � � → as parcelas de energia de posição.
∆� → a perda de carga ao longo do trecho.
Considerando-se duas secções em um escoamento, conforme mostrado na
figura e na equação acima, a energia no ponto 1 será igual a energia no ponto 2
mais uma parcela de perda de carga.
É importante distribuir a vazão fornecida pelo equipamento por todo o
auditório, dividindo assim a vazão em “bocas de insuflamento”, essa divisão faz com
que o dimensionamento dos dutos se torne iterativo, já que para obtermos igual
vazão em todas as “bocas de insuflamento” é preciso termos igual perda de carga, e
esta depende da velocidade e das áreas dos dutos.
Devido a complexidade deste cálculo, para nos auxiliar no dimensionamento
foi utilizada uma planilha de cálculo fornecida pelo Prof. Fernando Torres na
disciplina de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos. Esta planilha destina-se ao
balanceamento de vazões e funciona informando-se a pressão estática do
ventilador, as vazões desejadas em cada boca e as perdas de carga nos trechos, e
1 2
51
nos fornece os diâmetros de cada secção dos dutos e as velocidades em cada
trecho.
Um dos critérios utilizados no dimensionamento dos dutos é a velocidade na
saída de ar nas “bocas de insuflamento” do auditório, já que um deslocamento de ar
em grande velocidade pode causar desconforto e ruído, para evitar isso foram
utilizadas as velocidades recomendadas por Macintyre (1990).
Visto isso, foram realizados vários testes utilizando-se a planilha a fim de
encontrarmos uma solução viável, compatibilizando as velocidades encontradas com
as estabelecidas e mantendo um tamanho de duto coerente, para isso foi necessário
introduzir ao sistema uma perda de carga referente a regulagem dos registros dos
difusores de ar (“bocas de insuflamento”).
Fig.12– Distribuição dos difusores no auditório
Como podemos identificar no traçado dos dutos, na figura acima, existem
duas redes de dutos. A distribuição foi realizada desta forma para viabilizar a
utilização das duas máquinas separadamente. Como mencionado anteriormente, a
perda de carga nos dutos depende da velocidade de escoamento nos mesmos,
sendo assim, se fossemos utilizar apenas uma rede de dutos comum as máquinas,
52
esta rede, quando em operação apenas um dos equipamentos, não garantiria os
mesmos parâmetros de funcionamento (vazão, pressão, velocidade) necessários a
cada uma das bocas, necessitando assim, uma nova regulagem e balanceamento
do sistema.
No entanto, para proporcionar a distribuição de ar, quando apenas um
equipamento estiver em funcionamento, será utilizado um sistema de dutos de
retorno cruzado. Ou seja, quando o ramal de insuflamento do lado direito estiver
operante o retorno será dado pela rede de dutos do lado oposto (esquerdo), e vice-
versa. Garantindo assim um fluxo de ar por todo o ambiente.
Além disso, a distribuição do fluxo de ar por todo o ambiente também será
garantida pelo sistema de automação que faz o revezamento dos equipamentos.
A construção dos dutos será retangular em chapa de aço galvanizado, nas
bitolas recomendadas pela norma SMACNA. Visto isso, torna-se necessária a
conversão dos diâmetros obtidos na planilha de cálculo dos dutos por dimensão
equivalente determinada com o auxílio de tabelas da ASHRAE.
Quanto aos dispositivos de insuflamento foram escolhidos os do tipo difusor
quatro vias, quadrados, com registro de regulagem de vazão. Optou-se pela
utilização destes dispositivos, pois possibilitam uma área de abrangência maior, uma
vez que o jato de ar é distribuído nas quatro direções, e por questões de estética,
uma vez que sua instalação é propicia ao tipo de forro de gesso pretendido.
Já ao que se refere aos dispositivos de retorno optou-se por utilizar grelhas de
simples deflexão, retangulares, com registro de regulagem de vazão. Estes
dispositivos são os mais indicados as faixas de velocidade recomendadas para
retorno de ar e, além disso, são de menor custo.
Os resultados obtidos no dimensionamento podem ser observados no
desenho abaixo:
Fig.13– Distribuição de ar.
53
54
7. PROJETO DE DETALHAMENTO
Esta etapa visa a reunião de todas as informações e concepções dos
sistemas adotados com o objetivo de consolidar o projeto.
Nesta fase é elaborado um documento, denominado Memorial Descritivo,
contendo todas as informações e especificações técnicas necessárias e suficientes
à execução de um processo licitatório e à execução dos serviços. Trata-se de um
projeto básico que contem os dados suficientes para garantir a correta compreensão
dos conceitos adotados no projeto e a caracterização das instalações, envolvendo:
distribuição de ar, disposição das tubulações frigorígenas, especificações dos
equipamentos, tensões de alimentação, lógica de funcionamento e demais
características necessárias à tomada de preços, aquisição, execução e operação
das instalações propostas.
O Memorial Descritivo elaborado encontra-se como anexo a este documento
(projeto) para facilitar o manuseio e a sua utilização pela equipe da PROPLAD na
elaboração de processo licitatório.
55
8. PROJETO LEGAL
“Esta etapa deverá ser executada sempre que requerida. Destina-se a
representação, na formatação exigida, das informações técnicas necessárias à
análise e aprovação, pelas unidades competentes com base nas exigências
legais.”(ABNT16401).
Sendo assim, caso seja considerado necessária a execução desta etapa,
caberá a equipe responsável pelo empreendimento e a Universidade, perante aos
órgãos que julgarem competentes, tomarem as medidas necessárias para
adequação do projeto.
No entanto, nos disponibilizamos a prestar todo e qualquer tipo de
esclarecimento para elaboração e adequação da documentação de projeto
necessária a esta fase.
56
9. DETALHAMENTO DE OBRA E DESENHOS CONFORME CONSTRUÍDO (“AS BUILT”)
Depois de finalizado e formalizado a documentação de projeto, Memorial
Descritivo, este deverá ser analisado, validado e endossado pela empresa
instaladora proponente.
No caso de alguma alteração necessária no projeto, seja por:
• Características dimensionais ou construtivas dos equipamentos
efetivamente utilizados;
• Detalhes construtivos e padrões de fabricação;
• Modificações e/ou interferências não previstas tais como reformas,
construções e modificações de lay-out;
Caberá a empresa executora, informar, justificar e documentar em Memorial
Descritivo todas as alterações de projeto bem como fornecer, ao final da obra, os
desenhos das instalações, conforme construído. A esta fase denominamos
popularmente de “As Built”.
57
10. CONCLUSÃO
A execução deste projeto nos possibilitou uma vivência prática da aplicação
de uma metologia de projeto aplicada a uma área não muito abordada durante o
curso de Graduação em Engenharia Mecânica. Na elaboração deste trabalho foi
possível utilizarmos uma série de conhecimentos e ferramentas adquiridas durante o
curso, entre elas podemos citar o programa EES, utilizados na execução de
trabalhos na cadeira de Refrigeração e as planilhas de balanceamento e
dimensionamento do sistema de distribuição de ar, elaboradas para execução de
trabalho da disciplina de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos.
No entanto, foi necessária a busca de mais informações e conhecimentos
específicos aplicados a elaboração deste projeto. Literaturas como a norma NBR
15220 e 16401, ASHRAE e SMACNA foram cruciais para determinação dos
parâmetros e metologias adotadas neste projeto. Além disso, consultamos e
analisamos uma série de projetos executados por empresas especializadas na área
de climatização para que pudéssemos adequar um trabalho acadêmico à um
trabalho profissional, pronto para utilização como projeto básico para posterior
execução.
Visto isso, concluímos que, além do aprendizado obtido durante a elaboração
deste projeto, este trabalho será de utilidade a Universidade e trará benefícios a
seus usuários. Desta forma, consideramos alcançados os objetivos acadêmicos e de
compromisso e gratidão à esta Instituição de Ensino.
58
11. BIBLIOGRAFIA
INCROPERA, Frank P. e David P. DeWitt; “Fundamentos de Transferência de Calor e Massa”, 5º ed. Editora LTC. ABNT, Norma 15220, “Desempenho térmico de edificações, Parte 1: Definições, símbolos e Unidades”, Setembro de 2003.
ABNT, Norma 15220, “Desempenho térmico de edificações,Parte 2: Métodos de cálculo da transmitância térmica, da capacidade térmica, do atraso térmico e do fator solar de elementos e componentes de edificações”, Setembro de 2003. ABNT, Norma 15220, “Desempenho térmico de edificações, Parte 3: Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social”, Setembro de 2003. ABNT, Norma 16401, “Instalações de ar- condicionado – Sistemas Centrais e Unitários; Parte 1: Projetos das instalações”, Setembro de 2008.
ABNT, Norma 16401, “Instalações de ar- condicionado – Sistemas Centrais e Unitários; Parte 2: Parâmetros de conforto térmico”, Setembro de 2008.
ABNT, Norma 16401, “Instalações de ar- condicionado – Sistemas Centrais e Unitários; Parte 3: Qualidade do ar interior”, Setembro de 2008.
ASHRAE, Refrigeration Handbook, 1998. ANVISA, Portaria nº 3.523/GM, de 28 de agosto de 1998 MACINTYRE, Archibald Joseph. Ventilação Industrial e Controle da Poluição. 2ª Edição. LTC.
ALVES, Arone João Pimenta e Alexandre Baltoré; “Análise Computacional da demanda Energética de climatização de edifísio”, VII Congresso Ibero Americano de Aire Acondicionado, Calefacción y Refrigeración, Argentina, 2005.
MENDES, Gonçalo F.; “Climatização de um Edifício de Escritórios com Zona Comercial”, Projeto de Termodinâmica Aplicada, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Portugal, 2001.
KARASHIMA, Thiago M.; “Avaliação de Diferentes Ferramentas para Cálculo de Carga Térmica e sua Aplicação na Análise Energética de Edifícios”, Projeto de Graduação em Eng. Mecânica, Universidade de Brasília, 2006.
59
BARBOSA, Rogério M.; “Simulação de Sistemas de Climatização Combinada a Simulação Higrotérmica de Edificações”, Tese de Mestrado em Eng. Mecânica, Pontifícia Universidade Católica do Paraná, 2006. TALAIA, Mário A.R; Helena Simões; “Ambiente Térmico Interior - Avaliação de Conforto/ Desconforto; Caso de Estudo”, Universidade de Aveiro, Aveiro, Portugal, 2008.
INATOMI, Thais A. H.; “Análise da Eficiência Energética do Sistema de Condicionamento de Ar com Distribuição pelo Piso em Ambiente de Escritório, na Cidade de São Paulo, Utilizando o Modelo Computacional EnergiPlus”, Tese de Mestrado em Eng. Civil, Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, 2008.
Tutorial EES.
Tutorial CTVER
Sites para consultas de catálogos técnicos e comerciais:
www.springer.com.br
www.trox.com.br
www.isover.com.br
www.agst.com.br
60
12. ANEXOS
MEMORIAL DESCRITIVO
SUGESTÃO DE PLANO DE MANUTENÇÃO OPERAÇÃO E CONTROLE
PREVISÃO ORÇAMENTÁRIA
CATÁLOGOS