aula 7 carga+térmica

57
ENGENHARIA CIVIL CONFORTO AMBIENTAL NAS EDIFICAÇÕES CARGA TÉRMICA

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Page 1: Aula 7 Carga+Térmica

ENGENHARIA CIVIL

CONFORTO AMBIENTAL NAS

EDIFICAÇÕES

CARGA TÉRMICA

Page 2: Aula 7 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

Page 3: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 4: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 5: Aula 7 Carga+Térmica

5

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

Page 6: Aula 7 Carga+Térmica

6Fonte: Springer

AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT

Page 7: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 8: Aula 7 Carga+Térmica

8

Fonte: Springer

AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT

Page 9: Aula 7 Carga+Térmica

9

AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT

Page 10: Aula 7 Carga+Térmica

10

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

Page 11: Aula 7 Carga+Térmica

11

AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT

Page 12: Aula 7 Carga+Térmica

12

AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT

Page 13: Aula 7 Carga+Térmica

13

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

Page 14: Aula 7 Carga+Térmica

14

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

Page 15: Aula 7 Carga+Térmica

15

AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT

Page 16: Aula 7 Carga+Térmica

16

AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – MINI SPLIT

Page 17: Aula 7 Carga+Térmica

17

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

Page 18: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 19: Aula 7 Carga+Térmica

19

AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – SELFCONTAINED

Page 20: Aula 7 Carga+Térmica

20

AR CONDICIONADO – PEQUENAS CENTRAIS – SELFCONTAINED

Page 21: Aula 7 Carga+Térmica

21

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

Page 22: Aula 7 Carga+Térmica

22

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

Page 23: Aula 7 Carga+Térmica

23

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

Page 24: Aula 7 Carga+Térmica

24

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

Page 25: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 26: Aula 7 Carga+Térmica

26

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

Page 27: Aula 7 Carga+Térmica

27

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

Page 28: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 29: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 30: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 31: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 32: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 33: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 34: Aula 7 Carga+Térmica

034

AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA //EXEMPLO//

Page 35: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 36: Aula 7 Carga+Térmica

36

Page 37: Aula 7 Carga+Térmica

37

Page 38: Aula 7 Carga+Térmica

38

Page 39: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 40: Aula 7 Carga+Térmica

QA = qA x AA

Onde:

qA = U. ΔT → [w/m²]

CONDUÇÃO PELA ABERTURA (QA)

AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA

Page 41: Aula 7 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

Page 42: Aula 7 Carga+Térmica

Valores de fator solar (Fs) para aberturas com diferentes superfícies separadoras.

42

GANHO SOLAR PELO VIDRO (QS)

Page 43: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 44: Aula 7 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

Page 45: Aula 7 Carga+Térmica

45

Segundo a ABNT NBR

16401/2008, Tab. C.1

(anexo C) tem-se:

GANHO DE CALOR DOS OCUPANTES (QO)

Page 46: Aula 7 Carga+Térmica

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)

Page 47: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 48: Aula 7 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

Page 49: Aula 7 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

Page 50: Aula 7 Carga+Térmica

50

GANHO DE CALOR POR EQUIPAMENTOS (QE)

Page 51: Aula 7 Carga+Térmica

51

GANHO DE CALOR POR EQUIPAMENTOS (QE)

Page 52: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 53: Aula 7 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)

Page 54: Aula 7 Carga+Térmica

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

Page 55: Aula 7 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

Page 56: Aula 7 Carga+Térmica

56

8%

54%

10%

9%

2%

21%

Contribuição de Calor

PAREDE EXTERNA

ABERTURA

OCUPANTES

ILUMINAÇÃOARTIFICIALEQUIPAMENTOS

INFILTRAÇÃO

AR CONDICIONADO – CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA

Page 57: Aula 7 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