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Radiação – Extensões – Aprofundamento de caráter técnico sobre alguns itens abordados

Capítulo IV – Extensões – Aprofundamento de caráter técnico sobre alguns itens abordados

Extensões:


Capítulo VPlanilha comparativa entre os diversos sistemas e links importantes


 

EXTENSÃO 1 – Equação que rege o metabolismo humano  ⇑ topo

Equação do balanço térmico

O equilíbrio térmico do organismo é descrito pela equação: M +- C +- H +- R – E = zero

  • M = calor gerado pelo metabolismo
  • C = calor trocado por condução
  • H = calor trocado por convecção
  • R = calor trocado por radiação
  • E = calor perdido por evaporação

M = Metabolismo: O organismo libera calor na taxa de 20 a 500 kcal/hora

C = Condução: É o calor transferido entre o corpo e os objetos (vestimentas) através do contato físico direto. Normalmente é pequeno devido à baixa condutibilidade das vestimentas.

H = Convecção: É a troca de calor entre o corpo e os fluidos que o envolvem. Pode ser grande, dependendo da velocidade do ar em volta do corpo.

R = Radiação: É a troca de calor entre o corpo e os outros corpos materiais através de emissões radioativas.

E = Evaporação: É a perda de calor que acontece na mudança de fase da água pro vapor.

A evaporação depende da umidade do ar, uma vez que esta indica a quantidade de vapor que o ar pode receber. Depende também da velocidade do vento. Quanto mais seco o ar, mais fácil a evaporação. O movimento do ar auxilia a evaporação pois tira a camada saturada das proximidades da pele.

Limites do corpo humano

O corpo humano resiste atingir a temperaturas próximas de 39 ºC durante curtos períodos de tempos.

A partir de 41 ºC o mecanismo regulador entra em colapso, assim como os tecidos e principalmente o cérebro.

Aos 42 ºC sobrevém a morte.”

Perdas de energia pelo corpo humano:

  • Submetido a teto radiante

Radiação 50%
Convecção/Condensação  30%
Umidade 20%

  • Submetido a sistema convencional

Radiação 35%
Convecção/Condensação 40%
Umidade 25%

EXTENSÃO 2 –  Energia contida na molécula de ar = ENTALPIA = h   ⇑ topo

h= 1,006 t + w (2501 + 1,805 t)

h= kilojoule/kg#

t= °C temperatura seca

w= grama H2O / kg de ar seco umidade absoluta

Como se nota quanto maior for a temperatura seca e/ou a umidade absoluta  introduzida maior será a energia contida na molécula.

EXTENSÃO 3 – Energia produzida por unidade de tempo  ⇑ topo

Produção contínua de energia e ensaio sobre carga térmica interna.

A transmissão de calor (remoção ou introdução de energia)  ocorre em função da unidade de tempo.

Sistema Internacional   watt = joule /s
Sistema Inglês   btu/h
Sistema Métrico   kcal/kg
Uma tonelada de refrigeração   TR
1TR  =  3516 watt  =  12000 btu/h  =  3024  kcal/h

Ensaio de Carga Térmica Interna  gerada em um ambiente de escritório.

Taxas de cargas sensíveis

Iluminação                                     20 w/m²

computador + monitor      135 w/pç

Impressora      (md)                      215 w/pç

Pessoa                                              75 w/p

Alimento  quente                           11w/prato

Taxas  de carga latentes

Pessoa                                              55 w/p

Alimento  quente                             4 w/prato

Considerando uma estação de trabalho a cada 7 m² e uma impressora a cada 5 estações de trabalho.

Carga interna latente                      55 w/pessoa

Carga interna sensível (constante)  56 a 60 w/m²

Carga de insolação (variável) através de vidros e paredes

Depende do ganho solar pelo vidro e tipo de parede :

Em edifícios convencionais a soma pode variar de 20 a 40 w/m² de piso

Estimativa de calor sensível interno para escritórios modernos com baixa carga de iluminação e vidros com baixo ganho solar :   70 a 90 w/m² (de carpete).

Para calor latente interno = número de pessoas x 55 w

Considerou-se somente as cargas internas pois são as que servem para determinar os componentes de distribuição de ar (dutos, bocas, unidades de tratamento de ar).

Para a  obtenção da carga total (determinação da Central de Produção de Frio)  deverá  ser acrescida a carga  de ar externo .

EXTENSÃO 4 – Transmissão de calor por condução: contato físico entre corpos.  ⇑ topo

Em qualquer corpo cada átomo é capaz de vibrar em torno de sua posição.

A energia térmica é dada pela intensidade de vibração destas moléculas e quanto maior a vibração mais energia (mais quente )  o corpo tem.

Quando dois corpos com energias diferentes entram em contato físico há a transferência de calor do mais quente para o mais frio.

A equação que expressa esse fenômeno é:

calor = U x A x Δtm

U  –   coeficiente global de transmissão de calor – depende do material, espessura, cor, coeficiente de condutividade térmica  e movimentação do ar circundante.  É expresso por w/m²K

A – área de contato em m²

Δ t m  diferença de temperatura  em °C  (Δ°C=ΔK)

EXTENSÃO 5 – Transmissão de calor por convecção: movimentação de fluidos  ⇑ topo

Este é o fenômeno predominante nos sistemas convencionais de ar condicionado

O ar quente e úmido de um ambiente circula através de um trocador de calor onde ele perde a umidade e esfria, retornando para a sala.

Para o cálculo da vazão de ar deve-se considerar duas equações :

 
Equação “a” Para remover calor sensível
calor calor em watt =   m x Cp x Δt
m   vazão mássica kg/s
Cp calor específico do ar   1000 j/kg °C
Δt   °C
Equação “b” Para remover calor latente do ambiente
calor em watt =   m x Cl x Δ w
m vazão mássica   kg/s
Cl  calor latente de vaporização   2500 j/kg w
Δw diferença de umidade absoluta   grama de água/ kg de ar seco
Quando se deseja remover o calor sensível a equação “a” é usada
Quando se deseja remover a umidade a equação  “b”  é usada

EXTENSÃO 6 – Condensação do vapor de água contido na molécula do ar  ⇑ topo

Como ocorre a condensação do vapor de água da molécula de ar?

Processo de secagem do ar é a condensação do vapor de água da  molécula de ar atmosférico.

Uma molécula de ar, que contém uma certa quantidade de água em forma de vapor, ocupa um determinado volume.

A quantidade de água dessa molécula ocupa uma parte desse volume.

Essa quantidade de água é a umidade absoluta.

O percentual do volume ocupado pelo vapor de água é a umidade relativa.

(Na verdade a umidade relativa é a relação entre a pressão de vapor da molécula com a pressão de vapor da mesma molécula no estado de saturação).

Ao se resfriar uma molécula de ar ela vai “encolhendo”, a umidade absoluta permanece a mesma  porém o espaço ocupado pela mesma quantidade de água é maior, então a  umidade relativa aumenta.

Por exemplo, se uma molécula contém 2 gramas de vapor de água (umidade absoluta) e essas duas gramas ocuparem 40 % do volume total, essa molécula tem 40 % de umidade relativa ou melhor, falta 60% para atingir a condição saturada.

Resfriando-se essa molécula as duas gramas vão ocupando cada vez mais volume até preenchê-lo completamente (100% ou estado saturado).

Ao se rebaixar mais ainda a temperatura a molécula vai para uma outra condição de pressão de vapor e a água não tendo mais volume para ocupar “escapa ” dessa molécula, ou seja, condensa.

É essa água que estava contida no ar da sala, produto da evaporação das pessoas ou de outras fontes latentes.

Quando essa molécula encosta no trocador de calor da unidade de tratamento de ar, cuja água gelada está circulando a 5°C ou 6°C (ou está circulando gás refrigerante a baixa temperatura), há a condensação do vapor de água, que por sua vez, cai na bandeja de recolhimento do equipamento, ou fica no “pinga-pinga” do aparelho de janela.

Ou seja, o processo de secagem do ar ocorre concomitantemente com o resfriamento.

O ar, frio e seco, volta ao ambiente, se aquece e se umidifica novamente roubando energia sensível e latente do ambiente.

EXTENSÃO 7 – Transmissão de calor por Radiação  ⇑ topo

Calor =  σ  x ε x A x (T⁴q-T⁴f )  x   fs
σ       constante de Stefan Boltzmann = 5,669 w/m² k⁴
ε        capacidade de emitir energia radiante = fe
corpo negro = 1    outros   0< ε < 1
A        área em m²
T  temperatura absoluta em °K
f fator de emissividade
fs   fator de superfície ou de forma

Para superfícies quentes (1)  pequenas em comparação a frias (2)  envolvidas por esta última, como um corpo que irradia calor para o ambiente tem-se S1=fs=1   e  fe = ε, considerando-se t quente = 35°C e t fria = 16°C, com ε = 0,85 tem-se uma transmissão de calor por radiação de 97 w/m².

EXTENSÃO 8 – Eficiência e custo de implantação de um Projeto de Radiação  ⇑ topo

Como dissemos anteriormente um bom projeto com um custo de implantação altamente palatável  é obtido com:

– a melhor eficiência dos componentes radiantes

– a obtenção da menor vazão de ar possível (dentro das normas recomendadas para o tipo de uso do ambiente)

– o maior grupamento das unidades de tratamento de ar.

– menor implantação de cargas elétricas

– otimização dos espaços ocupados.

Eficiência dos elementos radiantes

É fornecido pelo índice resultado da  equação

tsala   –   te + ts  =  T
                    2

onde te é a temperatura de entrada da água gelada e ts é a temperatura de saída da água

Índices abaixo de 8 indicam baixa eficiência e acima de 8 ou 9  boa e ótima eficiência refletindo menores  custos de implantação.

Considerar que quanto mais baixas as temperaturas da água do dispositivo radiante maior será sua eficiência.

Recomenda-se que a área do teto com radiação NUNCA  deva ser menor do que 50% da área total do  forro.

A radiação deve ser responsável pela remoção de 65 a 80% do calor sensível.

Na Europa, onde foi desenvolvida a aplicação deste sistema na década de 1980, trabalham com ajuste de temperatura das salas em 26 ou 27° (por economia de energia e talvez por questões de biotipo,  eles vem do “frio” e querem o “quente”).

O índice calculado, com temperaturas de 15 e 17°C de água resulta em 10, indicando um bom rendimento .

Com essas temperaturas de ambiente e de água há de se considerar também o risco baixo de condensação e a otimização do uso do “free-cooling” durante boa parte do ano.

Aqui no Brasil, se aplicarmos ajuste da sala em 24° com as mesmas temperaturas de água teremos índice 8 o que praticamente inviabiliza a implantação pelo alto custo provocado pela grande quantidade de dispositivos radiantes .

Este fato nos obrigou a tropicalizar a solução no ano de 1999 para viabilizar o primeiro projeto (Torre Pedroso-Instituto Tomie Ohtake), mesmo em detrimento de um pequeno aumento da energia despendida.

Com água a 14 e 16°, sala a 24° obtêm-se um índice de 9 o que indica uma ótima eficiência.

A menor vazão de ar é obtida através da equação b) da Extensão  5. Esta vazão de ar é bem inferior à vazão obtida pela equação “a” pois o calor latente de um ambiente comum é bem inferior que o calor sensível.

Danceterias, boates, cinemas, podem constituir exceções.

Nos “cases” demonstrados adiante, faremos um breve resumo do projeto com os  benefícios.

EXTENSÃO 9 – Temperatura de Orvalho  ⇑ topo

To =  (H/100) ⅛ [ 112 +(0,9 t) ] + 0,1 t – 112

T e  t em °C e H umidade relativa

Uma sala no nível do mar, mantida a 24°C com 50% de U.R. apresenta Temperatura de Orvalho de 13°C.
A temperatura de orvalho varia também em função da altitude do local.
Pode-se notar, porém, pela equação acima que, para uma dada altitude a T.O. depende da temperatura seca e da umidade.

EXTENSÃO 10 – Benefícios principais de um sistema Radiante  ⇑ topo

Consideremos um edifício de escritórios com 20 pavimentos e 1000 m² por pavimento.

Uma estação de trabalho a cada 7 m² e uma impressora a cada 5 estações de trabalho.

Adotaremos 80 w/m² de calor sensível interno e 55 w/pessoa de calor latente  conforme Extensão 3.

Para o sistema radiante o ideal será a remoção de 75 % da carga sensível por radiação.

ENERGIA ELÉTRICA
ITENS Sistema Convencional
(Chiller, F&C, VAV)
Sistema Radiante
(Chiller, F&C menores, Painéis Radiantes)
Calor sensível
1 600 000 watt
1.600.000 watt Água retira 75 % por radiação =
1.200.000 watt
Ar  retira 25 % por convecção =
400.000 watt
Δ t   °C 24-11 = 13 °C 15 – 13  = 2° C 24 – 11 = 13°C
Vazão m³/s 110 m³/s 143,4 m³/s 27,6 m³/s
Δ p    Pa 600 150.000 700 (com duto ret.)
Potencia consumida
Kw= m³/s x Pa
            Ƞ
88 Kw 28,7 Kw 25,8 Kw
TOTAL Kw 88 Kw 54,5 Kw

Benefícios:   38 % de redução de potência elétrica  além de inserção de retorno do ar por dutos, que permitem limpeza.

OTIMIZAÇÃO DE ESPAÇOS OCUPADOS

Vamos selecionar o duto principal de cada pavimento com velocidade de 8 m/s tanto para o sistema convencional quanto para o radiante.

Sistema convencional → 110 m³/s/ 20 pav = 5,5 /8 m/s = 0,687 m² o que reflete um duto de 1000 x 700, ocupando, isolado termicamente, um vão de entre forro de  800 mm.

Sistema de radiação → 27,6 m³/s /20 = 1,38/ 8 m/s = 0,172 m² o que reflete um duto de 900 x200, ocupando, isolado, um vão de entre forro de 300 mm.

 

COTAS PARCIAIS (em mm)
ITENS CONVENCIONAL RADIAÇÃO
Laje 300 300
Piso falso 200 200
Pé direito 2700 2700
Vão do forro 800 300
Total 20 pav. 80 000 70 000

Como se nota o sistema com radiação permite, na mesma cota em altura, 22 pavimentos com pé direito mais nobre de 2800 mm contribuindo para a diminuição da vacância.

Deverá ser consultada a legislação sobre área construída  versus área do terreno.


 

CUSTOS DE IMPLANTAÇÃO

SISTEMAS RADIANTES X SISTEMAS CONVENCIONAIS

Para o mesmo sistema radiante pode haver variação de custo dependendo do objetivo desejado.

Para obter-se a menor cota do vão do entre forro será necessária a mínima vazão de ar possível e isto pode refletir na quantidade das placas ativas que podem ocupar até 80 % da área do forro.

O contrário, também verdadeiro, significa um menor custo para o mesmo sistema, pois maior com maior vazão de ar pode-se necessitar de menor quantidade de placas radiantes (até um limite mínimo de 50% da área).

Outro fator importante a se considerar é a possibilidade de grupamento dos equipamentos mecânicos .
Nos cases Torre Pedroso, Torre Faria Lima, Ed. Sede da Petrobras, onde houve drástica redução de fan&coils (automação, hidráulica, quadros elétricos)  os custos obtidos foram iguais aos dos projetos convencionais.

De qualquer forma, três itens devem SEMPRE  ser levados em conta:

Sistemas Mecânico, Hidráulico e Elétrico

Sistemas de Automação

Material do forro.

Sobre este último item (material do forro) deve-se considerar que, numa escala evolutiva de custos tem-se:

  1. GESSO
  2. FIBRO MINERAL DE BAIXA ABSORÇÃO ACÚSTICA
  3. METÁLICO DE AÇO PINTADO
  4. FIBRO MINERAL DE ALTA ABSORÇÃO ACÚSTICA
  5. METÁLICO DE ALUMÍNIO

EXTENSÃO 11 – Equação do número de Reynolds  ⇑ topo

Ɍ = v x Φi / √

v –  velocidade em m/s

Φi – diâmetro interno em metros

√ – viscosidade cinemática da água a 10 °C =

1,3  m²/s
_______
10⁶

Com velocidades baixas a água desloca-se em “lâminas ” onde só atuam forças de viscosidade provocando troca de calor (por condução)  de maneira inexpressiva, predominando o regime laminar.

Com  o aumento da velocidade da água  obtém-se maior troca de calor por condução entre água, cobre, perfil de alumínio e placa de forro. É formada  assim a superfície radiante nas placas ou nas aletas das vigas radiantes.

Número de Reynolds acima de 2000 indica regime transitório e turbulento, onde há troca de calor eficiente para formar o fenômeno da Radiação.

Capítulo V Planilha comparativa entre os diversos sistemas e links importantes.  ⇑ topo

 Planilha comparativa entre os diversos sistemas de grande porte
 maiores que 10 pavimentos, lajes de 600 m²
Gerenciamento Item VRF INS PISO VAV TETO RAD
CONFORTO/SAÚDE temp seca(°C)  = 24±1 100% com ar 100% com ar 100%  com ar 100% com radiação
umidade (%UR) = 50 ±10 40 a 70 % 50 a 70% mantem 40 a 60% mantem 45 a 50%
filtragem  do ar sofrível/max MERV 2 sofrível (1) atende max merv 20 atende max merv 20
ruido baixo alto na baixa rotação baixo imperceptível
canal excl. de ar (ABNT) atende não atende difícil  atendimento atende facilmente
detecção, alarme e exaustão- eventual vazam.  de gás nocivo impossível, pois tubos percorrem todos os amb. condicionados possível, tubos confinados só na Casa de Máq. possível, tubos confinados só na C.M. possível, tubos confinados só na C.M..
ar da face limpa p/suja atende ANVISA. não atende norma atende ANVISA atende ANVISA
ENERGIA ELÉTRICA carga elétrica alta alta media baixa
uso do” frio” (ef volante) só casos especificos existe existe existe
Kw/TR(ASHRAE 2005 0,63) água 1,16 / ar 1,26 1,31 0,9 a 1 0,8/0,66 (2)
MUDANÇAS DE
LAY OUT
novas salas difícil,severas limitações muito fácil, com reaproveitamento total de componentes trabalhosa, eventuais descartes de equipamentos fácil, com reaproveitamento total de componentes
mobiliário sem restrições não permite móveis com fundo faceando o piso sem restrições sem restrições
OPERAÇÃO DA  AUTOMAÇÃO comunicação avaliar protocolo protocolo aberto protocolo aberto protocolo aberto
pelo usuário fácil, controle remoto só com tecnico treinado só com tecnico treinado só com tec. treinado
MANUTENÇÃO equip. girantes suscetiveis a danos um a cada 15 m² um a cada 5 m² um a cada 300 m² um a cada 200  m²
prot. esp. para eq. padrão necessita  não necessita não necessita não necessita
área afetada por quebra na prod de frio pequena: só ar. servida op. defic. em todas as areas. op. defic. em todas as areas. op. defic. em todas as áreas
dist de frio pequena: só ar. servida só o pavimento só o pavto só o pavimento
em outras utilidades não há interface compromete o pavto não há interface não há interface
INVESTIMENTO custo peças de reposição alto, grande qtdd motores e compressores alto, grande qtdd de vent e motores baixo, poucos componentes e motores de grande porte baixo, poucos componentes e motores de grande porte
vida útil do sistema 15 anos 25 anos 25 anos 25 anos
custo implantação 30% superior ao base 20% superior ao base base de  referencia 0 a10% sup. ao base
APLICAÇÃO E LIMITAÇÕES VRF – cond. a ar bom para edificios até 8 andares//bom para salas com lay out sem futuras alterações.
VRF – cond. a água bom para  qualquer edificio//bom para salas com lay out sem futuras alterações (lay out imutável) //exige proteções especiais para o eq de produção de frio (condensadores) : suporta pequena pressão da coluna d’água – para maiores pressões  deve-se usar Trocador de calor de placa e novas bombas; deve-se eliminar possibilidade de sujeira no trocador tornando proibitivo o uso de Torre de Arrefecimento.
insuflamento  pelo piso não há limitações
teto radiante desaconselhado para prédios muito pequenos, residencias, boates, cinemas, danceterias
LEGENDA DAS CORES  ATENÇÃO
MAIOR BENEFÍCIO
Notas
(1)  ar trafega por região poluida após qualquer tipo de filtragem.
(2)  obtem-se com o uso do DOAS e rodas entalpicas e dissecantes processos com 100% ar ext. com 0,66 Kw/TR

Capítulo VI – Cases no Brasil com indicação da participação do autor deste trabalho  em cada caso.  ⇑ topo


 

LINKS  ⇑ topo

Links ASHRAE/GREEN BUILDING  sobre Radiação, sobre sistemas TODO-AR  e ano de iníco da disseminação do Conceito nos EEU.U.

http://doas-radiant.psu.edu/panels.html

Sistema de ar condicionado por “ Displacement flow is strongly discouraged.”
Sistema de Painéis Radiantes – o melhor sistema.

http://doas-radiant.psu.edu/leed.html

Painéis Radiantes e seu grande potencial para pontuação – Green Building.

http://doas.psu.edu/doas.html

Sistemas de ar condicionado TODO-AR  (VAV, Expansão Direta, Insuflamento pelo Piso e outros podem apresentar dificuldades para a correta injeção de AR NOVO (ar externo, não viciado) e separação de cargas térmicas secas das cargas úmidas onde poderá haver problemas de proliferação de microorganismos e recontaminação de funcionários .

http://doas-radiant.psu.edu/

Enfatiza problemas nos sistemas TODO – AR.
Indica que o sistema mais favorável para solucionar problemas é o de PAINÉIS RADIANTES.
Cita também que estes começaram a se expandir nos EU  no final de 2007.  ⇑ topo

Autor: Eng° Alexandre Alberico
FEI – 1975
CEBETEC – Sistemas Planejados-1989

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