1 Carga Térmica – Exemplo de uma Instalação de Ar Condicionado Adaptado de “Instalações de Ar Condicionado”, Hélio Creder, Editora LTC. Seja o prédio a ser condicionado para a estação de verão, conforme descrito na figura a seguir. Trata-se de dois restaurantes industriais, atendendo diretoria, visitas e funcionários, anexos a uma copa onde são preparadas as refeições. Serão servidas 48 pessoas por vez, através de 12 atendentes. Requisitos: Temperatura e umidade segundo condições recomendadas (meio ambiente e conforto térmico) pela NBR 16401 para o verão. Dados: Edifício localizado em Taubaté, SP. Vento externo na ordem de 24 km/h (máximo), telhado escuro, paredes externas e internas em tom médio com pé direito de 3,0 m. Todas as janelas com 2 m de altura, empregando vidro comum de 3 mm, com cortina tipo rolô, clara. As janelas não devem estar abertas quando o ar condicionado entra em operação. O material das paredes internas e externas é tijolo (espessura 200 mm) com acabamento em argamassa. Laje de 2 polegadas de espessura, em concreto com areia + cascalho, acabamento em argamassa na superfície inferior, cobrindo todos os recintos. A iluminação consome 14 W/m 2 , empregando luminárias embutidas com lâmpadas fluorescentes. Os restaurantes abrem as 11h da manhã e encerram suas atividades as 21h. Ventilação atende os requisitos da NBR 16401.
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Carga Térmica – Exemplo de uma Instalação de Ar Condicionado · detalhado é denominado de método da troca de ar, apresentado na referência “Refrigeração e Ar Condicionado”,
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Carga Térmica – Exemplo de uma Instalação de Ar Condicionado Adaptado de “Instalações de Ar Condicionado”, Hélio Creder, Editora LTC. Seja o prédio a ser condicionado para a estação de verão, conforme descrito na figura a seguir. Trata-se de dois restaurantes industriais, atendendo diretoria, visitas e funcionários, anexos a uma copa onde são preparadas as refeições. Serão servidas 48 pessoas por vez, através de 12 atendentes. Requisitos: Temperatura e umidade segundo condições recomendadas (meio ambiente e conforto térmico) pela NBR 16401 para o verão. Dados: Edifício localizado em Taubaté, SP. Vento externo na ordem de 24 km/h (máximo), telhado escuro, paredes externas e internas em tom médio com pé direito de 3,0 m. Todas as janelas com 2 m de altura, empregando vidro comum de 3 mm, com cortina tipo rolô, clara. As janelas não devem estar abertas quando o ar condicionado entra em operação. O material das paredes internas e externas é tijolo (espessura 200 mm) com acabamento em argamassa. Laje de 2 polegadas de espessura, em concreto com areia + cascalho, acabamento em argamassa na superfície inferior, cobrindo todos os recintos. A iluminação consome 14 W/m2, empregando luminárias embutidas com lâmpadas fluorescentes. Os restaurantes abrem as 11h da manhã e encerram suas atividades as 21h. Ventilação atende os requisitos da NBR 16401.
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Resolução: 1ª Parte: Requisitos atendendo NBR 16401 (ver tabelas 1, 20 e 21).
Recintos: TBS média de 25C, UR média de 52,5%.
Meio ambiente (considerando capital de estado mais próxima, São Paulo): TBS = 31C, TBU = 24C. 2ª Parte: Estimativa dos coeficientes globais de transferência de calor (U). 2.1. Paredes Usando dados da Tabela 3 (ver ao final do exemplo):
Película de ar exterior (24 km/h) 1
ℎ=
1
34
Reboco 1
�=
1
2,78
Tijolo de argila, 20 cm (0,2 m) �
�=
0,2
0,72
Película de ar interno (ar parado) 1
ℎ=
1
8,28
� =1
34+
1
2,78+
0,2
0,72+
1
2,78+
1
8,28= 1,14739����/�
� =1
�= 0,872�/����
2.2. Paredes internas (divisórias) Usando dados da Tabela 3 (ver ao final do exemplo):
Película de ar interno (ar parado) 1
ℎ=
1
8,28
Reboco 1
�=
1
2,78
Tijolo de argila, 20 cm (0,2 m) �
�=
0,2
0,72
� =1
8,28+
1
2,78+
0,2
0,72+
1
2,78+
1
8,28= 1,239����/�
� =1
�= 0,807
�
����
2.3. Laje Usando dados da Tabela 3 (ver ao final do exemplo):
Película de ar parado 1
ℎ=
1
8,28
3
Reboco 1
�=
1
2,78
Concreto com areia e cascalho, 2 polegadas (50,8 mm) �
�=0,0508
1,72
� =1
8,28+0,0508
1,72+
1
2,78+
1
8,28= 0,631����/�
� =1
�= 1,585
�
����
3ª Parte: Carga Térmica por Insolação
O edifício está situado perto do Trópico de Capricórnio, latitude 2330’. O lado que mais recebe calor no verão é o lado Oeste, por volta das 16h. Ver Tabela 18, verão.
Tabela 18: Radiação solar global (W/m2) – planos verticais e horizontais. Latitude 2330’ Sul.
Existem janelas no lado Oeste (9,6 m x 2 m) e no lado Sul (4,7 m x 2,0 m). 3.1. Janelas no lado Oeste Máxima energia solar, verão, 16h:
��� = � × �� × �������
��� = (9,6 × 2) × 0,25 × 704 = 3379,2�
3.2. Janelas no lado Sul Máxima energia solar, verão, 16h:
��� = (4,7 × 2) × 0,25 × 195 = 458,25�
3.3. Paredes externas Uma parede comum tem a carga térmica estimada através da equação
� = � × � × (���� − ����) Entretanto, esta equação não considera se a parede recebe uma maior radiação, sua cor ou localização. Assim, para estimar com maior aproximação a carga térmica, esta equação é modificada através do emprego da variável DT:
A variável DT é um valor Tabelado, selecionável em função de vários fatores, tais como a diferença entre as temperaturas interna e externa, características operacionais ou físicas dos recintos adjacentes, cor do acabamento, etc. A Tabela 5 apresenta os valores de DT em função do tipo de parede, laje ou piso, enquanto que a Tabela 6 apresenta um valor a ser acrescentado à variável DT em função da cor da parede ou telhado, assim como da posição da parede em relação ao Sol. Mais detalhes sobre o uso das tabelas são apresentados junto às mesmas.
TBS externa = 31C, TBS interna = 25C. Gradiente temperatura externa e interna: 6C.
A Tabela 5 para DT emprega um gradiente de 9,4C como referência, de modo que todos os valores serão
diminuídos em 3,4C para acomodar um gradiente menor (6C). Deste modo, passa a ser DT = 6C para as paredes
externas e DT = 2,1C para as internas. Um acréscimo será feito em função da cor e posição da parede em relação ao Sol (Tabela 6). 3.3.1. Superfícies externas
Parede face Oeste ou face Leste, cor média: DT = 6C + 11,1C = 17,1C
Paredes divisórias Restaurantes versus Copa, circulação e casa de máquinas: DT = 5,5C – 3,4C = 2,1C
Laje sob telhado escuro: DT = 6C + 25C = 31C 4ª Parte: Carga Térmica por Infiltração A entrada de ar exterior no recinto adiciona carga térmica, tanto sensível como latente. Esta carga térmica pode ser estimada tendo em vista em quantas vezes o ar do recinto é renovado por hora, o que determinado com base no número de janelas e portas voltadas para o exterior que se abram com frequência, e dos fatores apresentados na Tabela 11. Sabendo-se o número de vezes que o ar da sala é renovado por hora (fator Q, obtido na Tabela 11), é empregada a equação abaixo para estimar o fluxo volumétrico de infiltração:
�̇��� = (� × ℎ) ×�
3600
Onde A é a área dos recintos (m2), h a altura do pé direito (m). A carga térmica sensível de infiltração:
�� = �̇��� × ��� × � × (���� − ����)
Onde ar é a massa específica do ar (1,2250 kg/m3 ao nível do mar), e c é o calor específico do ar, 1004,8 J/kgC. A carga térmica latente de infiltração:
�� = �̇��� × ��� × ℎ�� × (���� − ����)
Onde hlv é o calor latente de evaporação da água (2.264.705 J/kgC), e wext e wint são, respectivamente, a umidade absoluta do ar exterior e interior, em kg água / kg ar seco. A carga térmica total de infiltração é obtida com a soma das cargas térmicas sensível e latente. O método acima detalhado é denominado de método da troca de ar, apresentado na referência “Refrigeração e Ar Condicionado”, Wilbert Stoecker e Jerold Jones, McGraw Hill. Existem outros métodos para este tipo de estimativa, tais como o método das frestas, também apresentado na mesma obra.
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5ª Parte: Carga Térmica por Ventilação O ar insuflado em uma sala climatizada retorna ao aparelho condicionador de ar, mas não totalmente. Uma parte é perdida através de frestas ou aberturas de janelas e portas, precisando, portanto, ser reposta. Entretanto, existe também o ar que é trocado pelo próprio equipamento, tendo em vista que é necessária a renovação constante do ar respirado pelos ocupantes do recinto. A quantidade de ar a ser necessariamente reposta é estabelecida pela NBR 16401. A Tabela 22 traz os valores recomendados. O nível 3 de vazão é o mais recomendado, enquanto que o nível 1 estabelece o valor mínimo possível. Deve ser sempre usado o que consta no nível 3. Os valores abaixo são relacionados com restaurantes com densidade de 70 pessoas por 100 m2. O restaurante do projeto acomoda 60 pessoas em 98,8 m2, uma densidade bastante próxima, de modo que valores trazidos pela NBR podem ser usados sem adaptações.
Segundo a tabela, a vazão requerida por pessoa é de 5,7 litros/s, de modo que a vazão total necessária seria de 342 litros/s. Também segundo a tabela, a vazão recomendada por m2 é de 1,4 litros/s, e neste caso a vazão total necessária seria de 138,32 litros/s. Seleciona-se sempre o maior valor. Convertendo para unidades SI, tem-se 0,342 m3/s. Entretanto, é necessário descontar o valor do fluxo volumétrico de infiltração, ou este será contado duas vezes:
�̇ = �̇������ − �̇��� As equações para estimativa de carga térmica latente e sensível relativas à ventilação são idênticas as usadas para estimar as cargas térmicas de infiltração.
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Carga Térmica: Superfícies de alvenaria e janelas
Dimensões [m]
Área [m2]
U
[W/m2C]
DT
[C]
Calor Sensível [W]
Parede externa Leste 9,7 x 3 29,1
Janelas com vidro*, Leste 9,6 x 2 19,2 n/a n/a 3.379,2
Parede menos janela 9,9 0,872 17,1 147,620
Parede externa Sul 6 x 3 18
Janelas com vidro*, Sul 4,7 x 2 9,4 n/a n/a 458,25
Parede menos janela 8,6 0,872 6 44,995
Parede interna** 39,7 x 3 119,1 0,807 2,1 201,839
Vidros nas divisórias
Laje 9,7x7,25+4,75x6 98,83 1,585 31 4.856,012
Total 9.088
*Comprimento das janelas externas: 2 4,80 m face Leste, 4,70 m face Sul
**Comprimento das paredes internas: 9,70 m + 2 7,25 m + 6 m + 2 4,75 m = 39,7 m Carga Térmica – Pessoas
* Na Tabela 7 não se encontra valores diretamente relacionados com as atividades de garçons. Deste modo, é utilizado aqui os valores relativos à atividade “Trabalho leve, andando 4,8 km/h (máx.): fábrica”, para adulto do gênero masculino. ** Empregou-se valores relativos à atividade “Trabalho sedentário, sentado”, para agrupamentos de adultos mesclando gênero masculino e feminino. Carga Térmica – Iluminação
Observação: O FCR foi selecionado em função da hora de maior carga térmica por irradiação através das janelas, 16 h, pelos restaurantes funcionarem das 11h até 21h, e por usarem luminárias embutidas.
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Carga Térmica – Equipamentos
Recinto Número de
equipamentos Potência nominal
Área Pot/área Utilização FCR Calor
dissipado
[W] [m2] [W/m2] [W]
Restaurantes 0 0 98,825 0 0 1 0
Total 0
Carga Térmica – Infiltração Através do gráfico psicrométrico:
Interior do restaurante: TBS média de 25C, UR média de 52,5%.
Umidade absoluta wint = 0,0104 kg água / kg ar seco.
Meio ambiente (Tabela 20, São Paulo): TBS = 31C, TBU = 24C.
Umidade absoluta wext = 0,0159 kg água / kg ar seco. Não há janelas nem portas que se abram diretamente para a área exterior do prédio, portanto Q = 0,75 (Tabela 11).
Tabelas Tabela 1: Conforto Térmico: condições recomendadas para o verão – NBR 16401
Tabela 2: Condutância superficial de paredes (película), valores médios.
Condição Condutância superficial h
[W/m2C]
Ar parado 8,28 a 9,25
Ar a 12 km/h 22,7
Ar a 24 km/h 34
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Tabela 3 – Coeficientes de transmissão de calor dos materiais de construção. Adaptado de “Instalações de Ar Condicionado”, Hélio Creder, Editora LTC.
Material Condutibilidade k
[W/mC]
Condutância C
[W/m2C]
1. Acabamentos
Gesso ½ polegada (12,7 mm) - 12,77
Lambri (placa de pinus) 0,12 -
Lambri, pinus, placa ¾ polegada - 6,07
Fibra de madeira 0,20 -
Reboco em argamassa (20 mm) - 2,78
2. Alvenaria
Lã mineral (lã de vidro ou de rocha) 0,04
Verniculite 0,07
Concreto simples 0,72
Massa de cimento com agregados 0,24
Concreto com areia e pedra 1,72
Estuque 0,72
Tijolo comum de argila 0,72
Tijolo de concreto furado – 10 cm 0,20
Tijolo de concreto furado – 20 cm 0,13
Ladrilho ou cerâmica 0,13
Alvenaria em pedra 1,80
3. Isolamentos
Lã mineral (lã de vidro ou de rocha) 0,04
Fibra de madeira 0,04
Vidro celular 0,06
4. Argamassa
Nata de cimento com areia 0,72
Nata de gesso com areia 0,80
Agregado com verniculite 0,24
5. Cobertura
Placa de agregado de asfalto 0,93
Teto com 10 cm 0,43
6. Madeiras
Madeira de lei (cedro, canela, etc.) 0,16
Pinho 0,12
Tabela 4: Coeficientes de sombreamento. Adaptado de “Refrigeração e Ar Condicionado”, Wilbert Stoecker e Jerold Jones, McGraw Hill.
Tipo de vidro Espessura [mm] Sem cortina Persiana Persiana Cortina “rolô” Cortina “rolô”
Tom médio Tom claro Tom escuro Tom claro
Vidro simples
Tipo comum 3 1,00 0,64 0,55 0,59 0,25
Laminado 6 a 12 0,95 0,64 0,55 0,59 0,25
Absorvedor 6 0,70 0,57 0,53 0,40 0,30
Absorvedor 10 0,50 0,54 0,52 0,40 0,28
Folha dupla
Tipo comum 3 0,90 0,57 0,51 0,60 0,25
Laminado 6 0,83 0,57 0,51 0,60 0,25
Refletivo 6 0,20 a 0,40 0,20 a 0,33
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Tabela 5: Diferencial de temperatura DT para projetos, com base na diferença de 9,4C entre temperatura externa e recinto condicionado. Adaptado de “Instalações de Ar Condicionado”, Hélio Creder, Editora LTC.
DT [C]
Parede externa 9,4
Parede interna 5,5
Parede interna junto de cozinha, lavanderia ou aquecedores 13,8
Pisos entre recintos não condicionados 5,5
Pisos do térreo (diretamente sobre o solo) 0
Pisos sobre porão 0
Pisos sobre porão com cozinha, lavanderia ou aquecedores 19,4
Pisos sobre recintos ventilados 9,4
Pisos sobre recintos não ventilados 0
Pisos sobre recintos não condicionados 5,5
Pisos sobre recintos com cozinha, lavanderia ou aquecedores 11,1
Tetos ou lajes sob telhados com ou sem sótão 9,4
Importante:
Quando o gradiente de temperatura entre os ambientes externo e interno for diferente de 9,4C, todos os demais valores da Tabela 5 são corrigidos em função desta diferença. Por exemplo, no caso do gradiente entre a
temperatura externa e interna for de 11C (ou seja, 1,6C maior que 9,4C), então DT para parede externa terá o
valor de 11C, enquanto o DT para parede interna será de 7,1C (porque 1,6C + 5,5C = 7,1C). Isto vale para todos os fatores. Tabela 6: Acréscimo ao diferencial de temperatura DT da Tabela 5. Valores em graus Celsius (graus centígrados). Adaptado de “Instalações de Ar Condicionado”, Hélio Creder, Editora LTC.
Cor Escura Cor Média Cor Clara
Telhado 25,0 16,6 8,3
Parede Oeste 16,6 11,1 5,5
Parede Leste 16,6 11,1 5,5
Parede Norte 8,3 5,5 2,7
Parede Sul 0 0 0
Importante: No caso das paredes externas, um valor adicional é somado ao DT da Tabela 5 para considerar condições tais como a cor das paredes e sua posição em relação ao Sol. Por exemplo, no caso do gradiente entre a temperatura externa
e interna for de 11C (ou seja, 1,6C maior que 9,4C), então DT para parede externa terá o valor de 11C. Se a parede estiver voltada para a face Leste da residência, e pintada em cor clara, então um acréscimo de 5,5 será
somado ao valor de DT, elevando-o para 16,5C. Para mesma residência e cor, a parede voltada para a face Sul terá
DT igual a 11C, enquanto que a voltada para a face Norte terá DT igual a 13,7C.
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Tabela 7. Calor liberado por pessoas. Adaptado de “Ashrae 1997 HVAC Fundamentals Handbook”.
Atividade Adultos, masc.*
Adultos, masc. + fem. **
Fração de calor sensível
Fração de calor latente
[W] [W] [%] [%]
Sentado ao cinema ou teatro, dia. 115 95 68,4 31,6
Sentado ao cinema ou teatro, noite 115 105 66,7 33,3
Sentado, trabalho leve 130 115 60,9 39,1
Atividade moderada de escritório 140 130 57,7 42,3
Trabalho leve, andando: lojas, escritório 160 130 57,7 42,3
Trabalho sedentário, sentado 145 160 50,0 50,0
Trabalho leve sentado: fábrica 235 220 36,4 63,6
Dançando moderadamente 265 250 36,0 64,0
Trabalho leve, com máquinas: fábrica 295 295 37,3 62,7
Trabalho leve, andando 4,8 km/h (máx.): fábrica 295 295 37,3 62,7
Jogando boliche*** 440 425 40,0 60,0
Trabalho pesado: fábrica 440 425 40,0 60,0
Trabalho pesado com máquinas: fábrica 470 425 40,0 60,0
Trabalho pesado com elevação de carga: fábrica 470 470 39,4 60,6
Atividade atlética 585 525 40,0 60,0
* Calor liberado por uma mulher adulta, em média, é cerca de 85% do calor liberado por um homem adulto, em qualquer atividade, enquanto que crianças (independente do gênero) liberam 75%. ** Valores médios representando a carga individual do integrante de um agrupamento típico de pessoas, incluindo homens e mulheres adultos, assim como crianças. *** Valores relativos ao jogador em atividade. Demais pessoas devem ser consideradas sentadas (117 W) ou exercendo atividade leve, paradas ou andando (231 W). Observações:
1. Valores baseados em temperatura de 24C, TBS, para o recinto. Para temperaturas 27C, TBS, calor total permanece o mesmo, mas o percentual de calor latente é elevado em 20%, e o calor sensível é reduzido proporcionalmente. 2. Todos os valores arredondados para o 5 W mais próximo. Tabela 8: Espaço ocupado por pessoa. Caso não haja certeza sobre a taxa de ocupação de um recinto, podem ser usadas as sugestões abaixo. Fonte: “Refrigeração e Ar Condicionado”, Wilbert Stoecker e Jerold Jones, McGraw Hill.
Espaço Ocupação recomendada
Residência 2 a 6 ocupantes
Escritório 10 a 15 m2 por pessoa
Loja 3 a 5 m2 por pessoa
Escola 2,5 m2 por pessoa
Sala de conferência 1,0 m2 por pessoa
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Tabela 9: Fatores de carga térmica de refrigeração para iluminação. Fonte: “Refrigeração e Ar Condicionado”, Wilbert Stoecker e Jerold Jones, McGraw Hill.
Luminária embutida Luminária pendurada
Horas após acionamento das lâmpadas
10 horas de exposição
16 horas de exposição
10 horas de exposição
16 horas de exposição
0 0,080 0,190 0,010 0,050
1 0,621 0,720 0,761 0,786
2 0,658 0,749 0,807 0,840
3 0,693 0,775 0,845 0,871
4 0,725 0,799 0,875 0,893
5 0,754 0,820 0,898 0,911
6 0,779 0,839 0,916 0,925
7 0,802 0,856 0,929 0,937
8 0,822 0,871 0,940 0,947
9 0,838 0,885 0,949 0,956
10 0,852 0,898 0,957 0,964
11 0,321 0,909 0,224 0,971
12 0,290 0,920 0,183 0,978
13 0,261 0,930 0,150 0,984
14 0,235 0,940 0,123 0,990
15 0,211 0,950 0,103 0,990
16 0,190 0,960 0,087 0,990
17 0,171 0,400 0,075 0,240
18 0,154 0,360 0,065 0,200
Observação: no caso de lâmpadas fluorescentes, o calor emitido deve ser multiplicado pelo fator de reator Fr, no valor de 1,2.
Tabela 10: Taxas típicas de dissipação de calor pela iluminação. Fonte: NBR 16401-1:2008
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Tabela 11: Trocas de calor por hora nos recintos
Fator Q
Portas e janelas que se abrem com frequência Renovação do volume de ar do recinto, por hora
Nenhuma janela ou porta abre para o exterior 0,75
Janelas ou portas em 1 parede 1,0
Janelas ou portas em 2 paredes 1,5
Janelas ou portas em 3 ou 4 paredes 2,0
Lojas 2,0
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Tabelas de radiação solar global (adaptado de Gonçalves)
Tabela 12: Radiação solar global (W/m2) – planos verticais e horizontais. Latitude 0.
Tabela 13: Radiação solar global (W/m2) – planos verticais e horizontais. Latitude 4 Sul.