ENGENHARIA CIVIL
CONFORTO AMBIENTAL NAS
EDIFICAÇÕES
CARGA TÉRMICA
02
• Condicionamento de ar: Controlar simultaneamente a Temperatura,
umidade, velocidade do ar, pureza e distribuição do ar para atender
as necessidades HUMANAS em um ambiente.
• Em 1902, Willis Carrier inventou um processo mecânico para
condicionar o ar.
• Os primeiros aparelhos tinham como objetivo principal o aumento da
produtividade dos funcionários das indústrias em períodos mais quentes
do ano.
Ambiente + agradável ► funcionário mais produtivo.
AR CONDICIONADO - RESFRIAMENTO
03
Como é possível a remoção do Calor?
Usa-se as características físicas do fluído refrigerante para transportar o
calor do Ambiente Interno para o Ambiente Externo, tais como:
Pressão, Temperatura e Estado Físico.
O processo de produzir frio é o
processo de retirar calor.
AR CONDICIONADO - FUNCIONAMENTO
04
CICLO DE REFRIGERAÇÃO EM UM AR CONDICIONADO
1. O compressor comprime o gás frio, fazendo
com que ele se torne gás quente de alta
pressão.
2. Este gás quente corre através de um trocador
de calor para dissipar o calor e se condensa
para o estado líquido.
3. O líquido escoa através de uma válvula de
expansão e no processo ele vaporiza para se
tornar gás frio de baixa pressão .
4. Este gás frio corre através do trocador de
calor que permite que o gás absorva calor e
esfrie o ar de dentro do prédio.
Quando a máquina está ligada, numa
parte do circuito o gás refrigerante
encontra-se na fase líquida, e em outras
partes em fase gasosa;
AR CONDICIONADO - FUNCIONAMENTO
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Fonte: Lamberts et al. (1997)
Vantagens:
Facilidade de manutenção;
Compacto;
Menor custo;
Não ocupar espaços internos;
Não requerer instalação especial;
Capacidade de
Refrigeração:
7.000 a 30.000 BTU/h
– até 50 m2
Desvantagens:
Interferência na fachada;
Ruidoso (52 a 65dB, prejudica trabalho e repouso);
Distribuição do ar climatizado limitada;
Taxa de renovação de ar restrita ou nula;
Consumo de energia razoável.
AR CONDICIONADO – SISTEMAS – APARELHOS DE JANELA
6Fonte: Springer
AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT
7
Este equipamento de condicionamento de
ar é dividido em duas partes:
1 unidade condensadora e
1 unidade evaporadora com ventilador.
Capacidade de Refrigeração:
12000 a 60000 BTUs
AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT
8
Fonte: Springer
AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT
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AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT
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Informações técnicas:
Capacidade: 7.000, 9.000, 12.000,
18.000 e 22.000 Btu/h
Modelos F e Q/F 220V
Selo PROCEL *Modelos 7 e 9.000
BTU/h F e Q/F
Controle remoto com funções: Turbo,
Timer, Sleep e Swing
Até 4 modos de funcionamento:
refrigeração, aquecimento, ventilação e
desumidificação
Display digital na evaporadora
Minicondensadora 38K, compacta, leve
e inovadora
Filtro Eletrostático, que elimina odores,
poeira e poluentes no ar
AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT
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AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT
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AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT
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Unidade de maior capacidade, geralmente dutado;
Climatização de vários ambientes simultaneamente;
Desvantagens - um único termostato;
40000 a 180000 BTU/h - 11720 W;
AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MULTI SPLIT
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VANTAGENS:
• Boa distribuição de ar;
• Instalação rápida;
• Baixo consumo de energia;
• Vários níveis de filtragem
• Split – 3 a 50 TRs;
• Fonte de ruído (condensador) longe do ambiente a ser condicionado;
• Resfria, aquece, umidifica e desumidifica;
• Uso residencial e comercial.
DESVANTAGENS:
• Mão de obra especializada (checar se o instalador é autorizado do fabricante);
• Unidades externas aparentes;
• É necessário espaço para casa de máquinas ou estrutura p/ sustentação em telhado.
• Necessidade de limpeza dos dutos.
• Sistema autônomo de renovação de ar.
AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT
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AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT
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AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT
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Capacidade de 60.000 até 225.000 BTUs;
Condicionam em torno de 300 m2;
Unidade de maior capacidade, orientado para rede
de dutos;
Pode ser utilizado com grelha difusora diretamente
no ambiente;
Self com condensadora de ar incorporada: análogo
a um grande aparelho de janela;
Self com condensadora de ar remota: disposição
semelhante às minicentrais;
Self com condensação a água: requer uma linha
alimentadora de água;Fonte: Lamberts et al
(1997)
AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – SELFCONTAINED
AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – SELFCONTAINED
18
VANTAGENS
• Compacto;
• Baixo consumo de energia - econômico;
• Resfria, aquece, umidifica e desumidifica;
• Capacidade de – 5 a 30TRs;
• Pode ser instalado em uma casa de máquinas com rede de duto;
• Silencioso
• Uso comercial e industrial.
DESVANTAGENS
•É necessário espaço para casa de máquinas ou estrutura para sustentação em telhado.
• Necessidade de limpeza dos dutos.
• Sistema autônomo de renovação de ar.
AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – SELFCONTAINED
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AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – SELFCONTAINED
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AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – SELFCONTAINED
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Capacidade: 60.000 BTUs a 300.000 BTUs;
500 m2
Não ocupa área nobre do empreendimento;
Fácil instalação e fácil acesso para
manutenção;
Facilidade de conversão em campo de retorno
e descarga vertical para horizontal.
AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – ROOFTOP
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VANTAGENS
• Compacto;
• Baixo consumo de energia - econômico;
• Resfria, aquece, umidifica e desumidifica;
• Capacidade de – 15 a 25TRs;
• Instalado no telhado ou na parede do lado externo, não ocupa espaço interno;
• Silencioso
DESVANTAGENS
• Necessidade de limpeza dos dutos.
• Sistema autônomo de renovação de ar.
AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – ROOFTOP
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O aquecimento está associado ao emprego
de caldeiras associadas;
Chiller pode acumular água gelada à noite e
utilizá-la durante o dia;
Chiller e fain-coil são muito utilizados em
shopping centers.
Sistemas compostos por chiller estão
associados a uma rede de distribuição de
água gelada para unidades conhecidas por
fain-coil;
Fain-coil é análogo à unidade evaporadora;
AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – CHILLER E FAN-COIL
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VANTAGENS
• Capacidade de – 10 a 2500TRs;
• Menor consumo de energia em comparação com equipamento de expansão direta;
• Utilizados em shoppings, hipermercados, aeroportos, hotéis, etc.
• Menor custo de manutenção em comparação com equipamentos de expansão direta.
• Otimização do consumo devido ao fator diversidade.
DESVANTAGENS
• Mão de obra especializada;
• Necessita tratamento químico da água de refrigeração no caso de equipamentos com
condensação a água.
• Sistema autônomo de renovação de ar.
AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – CHILLER E FAN-COIL
25
Chiller Condensação a água
Indústrias
Shoppings
Supermercados
Hotéis
Edifícios comerciais
Capacidades:
20 a 225 TR
2.700.000 BTUs
4.500 m2
AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – CHILLER
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Capacidades:
4 a 12 TR
150000 BTUs
250 m2
Chiller Condensação a ar
Pequenos ambientesProcessos industriaisCom pequenos Fan-coils(dutados ou não dutados)
AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – CHILLER
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Sua solução depende de estudos técnicos, econômicos e especializados que
englobem:
1. Tipo e características do edifício (construtivas: materiais);
2. Divisão e destino dos compartimentos;
3. Uso do edifício levando-se em conta o seu tipo (função), tempo de uso, e
características operacionais;
4. Forma e plástica arquitetônicas;
5. Custo inicial;
6. Custo operacional (de consumo de energia e de manutenção);
7. Características especiais de propriedades (donos);
8. Localização geográfica, orientação das fachadas;
9. Disponibilidade e facilidades de aquisição de bens e equipamentos.
AR CONDICIONADO – PROJETO
28
1º passo: Cálculo da Carga Térmica
A Carga Térmica Total (CT) de cada compartimento será
calculada em Watts.
1 TR usada para designar a quantidade de Energia para produzir
(ou derreter) uma tonelada de gelo em 24 h.
Potência - unidades:
1 TR - 3024 Kcal/h = 3.517 W = 12000 BTU/h;
Converter o valor para BTUs e TR para pesquisa e escolha do sistema de
ar condicionado mais adequado ao caso em questão.
AR CONDICIONADO – PROJETO
29
2º passo: Escolha do sistema de ar condicionado.
Classificações no mercado quanto ao porte dos equipamentos:
• Aparelhos de janela - 7.000 a 30.000 BTU/h;
• Pequenas centrais minisplit – 7.500 a 60.000BTU/h;
• Centrais Multi-split – 40.000 a 180.000 BTU/h;
• Sistemas SelfContained – 60.000 até 225.000 BTUs;
• Sistemas Roof Top – 60.000 a 300.000 BTUs;
• Sistemas Chiller Fancoil – 120.000 a 30.000.000 BTUs;
AR CONDICIONADO – PROJETO
030
Os fabricantes de ar condicionado apresentam algumas metodologias de pré-dimensionamento de carga térmica.
Estimativa geral – 600 Btus h/m2
Estimativa por área: 16 m2/TR
Estimativa por pessoa: 10 pessoas/TR
Potência – unidades:
1 TR - 3024 Kcal/h = 3517 W = 12000 BTU/h;
TR - Tonelada de Refrigeração;
AR CONDICIONADO – CARGA TÉRMICA – FATORES E/OU FONTES
031
800 Btu/h por m² com alta insolação;
600 Btu/h por m² com baixa insolação;
Considerando 2 pessoas no
ambiente;
Adicionar 600 Btu/h a mais por
pessoa e/ou equipamento que irradie
calor;
Em ambientes amplos recomenda-se
2 ou mais condicionadores de ar;
Metragem Alta Baixa
ambiente Insolação Insolação
m² Btu/h Btu/h
6 7.500 7.500
9 7.500 7.500
12 7.500 10.500
15 9.000 12.300
20 12.300 18.000
25 15.000 21.000
30 18.000 30.000
40 30.000 2x 18.000
50 30.000 2x 21.000
AR CONDICIONADO – CARGA TÉRMICA – TABELA ORIENTATIVA
32
Para converter de: Para: Multiplique por:
W BTU/h 3,412
Kcal KJ 4,186
Kcal BTU 4
Kwh BTU 3,413
Kwh Kcal 860
TR BTU/h 12000
TR Kcal/h 3.024
CARGA TÉRMICA – UNIDADES DE MEDIDA
AR CONDICIONADO – CARGA TÉRMICA – TABELA ORIENTATIVA
033
CT = QFO + QA + QS + QO + QI + QE + QIA
QFO = CONDUÇÃO PELO FECHAMENTO OPACO
QA = CONDUÇÃO PELA ABERTURA
QS = GANHO SOLAR PELO VIDRO
QO = GANHO TÉRMICO DOS OCUPANTES
QI = GANHO TÉRMICO POR ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL
QE = GANHO DE CALOR POR EQUIPAMENTOS
QIA = GANHO DE CALOR POR INFILTRAÇÃO DE AR
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
034
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA //EXEMPLO//
035
QFO = qFO x AFO
Onde:
qFO = U.(α. I. Rse + ΔT) → [w/m²]
CONDUÇÃO PELO FECHAMENTO OPACO (QFO)
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
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37
38
39
QFO = qFO x AFO
Onde:
CONDUÇÃO PELO FECHAMENTO OPACO (QFO)
qFO = U.(α. I. Rse + ΔT) → [w/m²]qFO = 3,57.[0,3.715.0,04+(33-23)]
qFO = 66,33 W/m²
AFO = Área total da superfície opaca de m²
(descontando áreas de aberturas):
AFO = (5 x 2,70) – (5 x 1,10) = 8,00m²
Então o ganho de calor pelo fechamento opaco será:
QFO = qFO x AFO = 66,33 x 8,00
QFO = 530,64 W.Este é o valor do ganho térmico
pela parte opaca da parede
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
QA = qA x AA
Onde:
qA = U. ΔT → [w/m²]
CONDUÇÃO PELA ABERTURA (QA)
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
41
QA = qA x AA
Onde:
CONDUÇÃO PELA ABERTURA (QA)
Então o fluxo total de calor que atravessa a abertura por condução será:
QA = qA x AA = 57,9 x 5,50
QA = 318,45 W.
AA = Área total da Aberturas:
AA = 5 x 1,10 = 5,50 m²
qA = U x ΔT → [w/m²]qA = 5,79.(33-23)
qA = 57,9 W/m²
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
Valores de fator solar (Fs) para aberturas com diferentes superfícies separadoras.
42
GANHO SOLAR PELO VIDRO (QS)
GANHO SOLAR PELO VIDRO (QS)
43
QS = qS x AS
Onde:
Fazendo o cálculo para toda a área envidraçada da parede exterior tem-se:
QS = qS x AA = 622 x 5,50
QS = 3.421 W
A abertura contribui com 318,45 W de calor ganhos por condução e com 3.421 W de
calor ganhos diretamente do sol, totalizando 3.739,45 W.
AA = 5 x 1,10 = 5,50 m²
qS = FS x I → [w/m²]qS = 0,87 x 715
qS = 622 W/m²
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
GANHO DE CALOR DOS OCUPANTES (QO)
44
QO = qO x n
Onde:
qO = Calor liberado por pessoa segundo nível de atividade
n = número de ocupantes do ambiente.
Adotaram-se para a sala três ocupantes.
QO = 140 x 3 = 420 W.
Todo o ser humano libera calor sensível e calor latente que
variam com a temperatura e a atividade do indivíduo.
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
45
Segundo a ABNT NBR
16401/2008, Tab. C.1
(anexo C) tem-se:
GANHO DE CALOR DOS OCUPANTES (QO)
46
Segundo FROTA, A. B.;
SCHIFFER, S. R.
Manual de Conforto
Térmico. São Paulo:
Studio Nobel, 2000.
Anexo C, tem-se:
GANHO DE CALOR DOS OCUPANTES (QO)
47
Calor dissipado pelas luminárias. No caso das lâmpadas incandescentes é só
somar a carga total instalada de lâmpadas. Já para as lâmpadas fluorescentes
devem ser usadas as seguintes fórmulas:
QL = QL + Qr
QR = qr x zqr = perda de energia nos
reatores
z = número de reatores
QL = qL x xqL = potência das lâmpadas
X = número de lâmpadas
GANHO DE CALOR POR ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL (QL)
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
48
Esta sala é iluminada por doze lâmpadas fluorescentes de 40 W. Mas além do
calor dissipado pelas lâmpadas (QL), o calor perdido pelos reatores (QR).
Supondo reatores de partida rápida para cada duas lâmpadas, tem-se pela
tabela, que as perdas de calor serão da ordem de 23 W por reator.
QR = Perdas de Calor pelos reatores
QR = qr x z = 23 x 6 = 138 W.
O calor dissipado pelas Lâmpadas será:
QL = qL x x = 40 x 12 = 480 W.
O ganho de calor total por iluminação artificial será:
QL = QL + Qr = 138 + 480 = 618 W.
GANHO DE CALOR POR ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL (QL)
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
A parcela de calor devido aos equipamentos é realizada somando-se a potência
instalada.
A quantidade de calor ganha diretamente dos equipamentos instalados no
ambiente:
Nesse exemplo tem-se um computador:
QE = 130 W.
GANHO DE CALOR POR EQUIPAMENTOS (QE)
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
50
GANHO DE CALOR POR EQUIPAMENTOS (QE)
51
GANHO DE CALOR POR EQUIPAMENTOS (QE)
GANHO DE CALOR POR INFILTRAÇÃO DE AR (QIA)
52
É a parcela de calor trocado devido ao ar exterior que se introduz no ambiente através das
frestas, sendo uma parte calor sensível e outra latente.
CALOR SENSÍVEL
QSE = p.c.V. ΔT
c = 1.000 J/Kg.K (Calor específico do ar);
p = 1,2 kg/m³ (densidade do ar);
V = volume de ar que se introduz no ambiente em m³/h – infiltração estimada de 10% do
volume total de ar do ambiente a cada hora (0,1).
V = (infiltração x volume da sala)/3600 = (0,1 x 5,00 x 8,00 x 2,70)/3600 = 0,003 m³/s
ΔT = diferença de temperatura entre o exterior e interior.
QSE = 1,2 . 1.000 . 0,0225 . (33-23) = 270 W
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
Ar interno: ti=23°C, UR=65%
Entalpia 105 Kj/Kg de ar seco
Ar externo: te=33°C, UR=87,5%
Entalpia 53 Kj/Kg de ar seco
Δh = 105 – 53 = 52 Kj/Kg
GANHO DE CALOR POR INFILTRAÇÃO DE AR (QIA)
GANHO DE CALOR POR INFILTRAÇÃO DE AR (QIA)
Entalpia (H) é o calor trocado
a pressão constante.
CALOR LATENTE
QLA = Δh . V . p
Δh = 52 Kj/Kg = 52.000J/Kg de ar seco
V= 0,003 m³/s e
p = 1,2 Kg/m³
QLA = 52.000 X 0,003 X 1,2 = 187,2 W
QIA = QSE + QLA = 223,2 W
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
55
A CARGA TÉRMICA TOTAL do ambiente será:
CT = QFO + QA + QS +QO + QI + QE + QIA
CT = 530,64 + 318,45 + 3.421 + 420 + 618 + 130 + 223,2
CT = 5.661,29 W
5.661,29 x 3.412 = 19.316,32 BTU/h
Podemos empregar um aparelho de janela ou split de 24.000 BTUS/h
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
56
8%
54%
10%
9%
2%
21%
Contribuição de Calor
PAREDE EXTERNA
ABERTURA
OCUPANTES
ILUMINAÇÃOARTIFICIALEQUIPAMENTOS
INFILTRAÇÃO
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
57
EXERCÍCIO - CÁLCULO CARGA TÉRMICA DE UM AMBIENTE
Passo Fundo – 11 de fevereiro de 2015, às 16:00 hrs – fachada oeste
Uma sala de 6,00 x 4,00, com pé-direito de 3,00 e janela para oeste de 3,00 x 1,20,
com as seguintes características:
- 4 lâmpadas fluorescentes com reatores;
- 5 pessoas;
- 3 computadores;
- U(parede): 2,39 (m².K)/W – pintado de vermelho;
- U(vidro – reflexivo 3mm): 4,90 (m².K)/W
- Fator solar (vidro – reflexivo 3mm): 0,26
- Temperatura e umidade externa: 30º - 84%
- Temperatura e umidade interna: 24º - 75%
- Irradiação (fachada oeste): 706,9 W/m²
AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA