IX - Carga Térmica

Climatização

IX - Carga Térmica

Vimos anteriormente que o condicionamento completo do ar compreende aquecimento, refrigeração, umidificação e desumidificação, circulação e filtragem do ar. A carga de condicionamento de ar é afetada por uma série de fatores complexos, tais como:

•

transmissão de calor;

•

irradiação solar;

  pessoas;

•

•

iluminação e equipamentos elétricos;

•

ventilação e infiltração do ar;

  mercadorias;

•

  diversos.

•

Carga térmica Dá-se o nome de carga térmica de uma instalação de ar condicionado a quantidade de calor que, por unidade de tempo, deverá ser fornecida (inverno) ou retirada (verão) do ar a ser introduzido nos ambientes beneficiados, a fim de que mantenha-se as condições pré fixadas de projeto, segundo as diferentes necessidades já estudadas de antemão. Para que o projeto e instalação do sistema de ar condicionado seja realmente condizente com as necessidades do mesmo, é primordial que sejam caracterizados inicialmente inicialmente os seguintes elementos: 1. carga térmica de aquecimento aquecimento (inverno); (inverno); 2. carga térmica de refrigeração (verão).

Carga Térmica

107

Climatização

Dividimos a carga térmica em duas partes: a primeira como sendo do ambiente, abrangendo todas as cargas que ocorrem dentro do mesmo e a segundo como sendo total, abrangendo a carga térmica do ambiente mais aquela gerado pelo ar externo. Calor sensível

É a quantidade de calor que se acrescenta ou se retira de um corpo e que pode ser medido por mudança de temperatura. Calor latente

É a quantidade de calor que se acrescenta ou se retira de um corpo e que causa sua mudança de estado. Fontes de calor externo

As fontes de calor mais consideráveis originam-se no meio exterior e atingem o ambiente condicionado devido aos seguintes fatores: •

•

•

ganho de calor devido ao ar externo; ganho de calor devido a penetração por condução através de janelas, paredes, divisões, tetos, telhados; insolação (radiação solar) através de janelas, janelas, clarabóias, clarabóias, paredes, paredes, portas portas externas externas e telhados.

Fontes de calor interno

As fontes de calor interno a ambientes condicionados são principalmente:   pessoas;   iluminação; motores elétricos; dissipação de calor por equipamentos; equipamentos ; cargas especiais.

•

•

•

•

•

O calor proveniente de pessoas em atividade ou não constitui-se em fontes de calor sensível e latente.

Cálculo de carga térmica – verão

As partes integrantes que serão analisadas, sob o ponto de vista de carga térmica são: 108

Carga Térmica

Climatização

Dividimos a carga térmica em duas partes: a primeira como sendo do ambiente, abrangendo todas as cargas que ocorrem dentro do mesmo e a segundo como sendo total, abrangendo a carga térmica do ambiente mais aquela gerado pelo ar externo. Calor sensível

É a quantidade de calor que se acrescenta ou se retira de um corpo e que pode ser medido por mudança de temperatura. Calor latente

É a quantidade de calor que se acrescenta ou se retira de um corpo e que causa sua mudança de estado. Fontes de calor externo

As fontes de calor mais consideráveis originam-se no meio exterior e atingem o ambiente condicionado devido aos seguintes fatores: •

•

•

ganho de calor devido ao ar externo; ganho de calor devido a penetração por condução através de janelas, paredes, divisões, tetos, telhados; insolação (radiação solar) através de janelas, janelas, clarabóias, clarabóias, paredes, paredes, portas portas externas externas e telhados.

Fontes de calor interno

As fontes de calor interno a ambientes condicionados são principalmente:   pessoas;   iluminação; motores elétricos; dissipação de calor por equipamentos; equipamentos ; cargas especiais.

•

•

•

•

•

O calor proveniente de pessoas em atividade ou não constitui-se em fontes de calor sensível e latente.

Cálculo de carga térmica – verão

As partes integrantes que serão analisadas, sob o ponto de vista de carga térmica são: 108

Carga Térmica

Climatização

1. carga devido devido a transmissão de paredes, paredes, pisos e tetos; 2. carga devido a insolação; 3. carga devido a pessoas; 4. carga devido a luzes, iluminação; 5. carga devido a motores elétricos; 6. carga devido a aparelhos e equipamentos equipamento s diversos; 7. carga devido a ventilação; 8. carga devido a infiltração.

Carga Térmica Exterior Transmissão de Calor - ao conjunto de fenômenos que caracterizam a tendência do desaparecimento desaparecimento diferencial de temperatura existente entre duas regiões do espaço, com temperaturas diferentes, denominamos transmissão de calor.

E1

E2

E1

T1

T2

T1

Fluxo Térmico

T1 > T2

E2

T2

T1 = T2

Figura 9.1 - Exemplo do fenômeno transferência de calor  A transmissão efetua-se de maneira distinta entre 3 formas designadas por condução, convecção e radiação, cada uma delas obedecendo à leis próprias, embora admitam em comum, as duas características seguintes: seguintes: 1. Necessidade de um diferencial de temperatura temperatur a entre duas regiões; 2. O fluxo térmico térmico verifica-se sempre no sentido de temperaturas decrescentes.

Fluxo de Calor A quantidade de calor trocada na unidade de tempo Q [Kcal/h], em qualquer um dos processos de transmissão de calor citados, recebe o nome de fluxo de calor. O fluxo de

Carga Térmica

109

Climatização

calor através de uma parede que separa dois espaços a temperaturas diferentes depende de 3 fatores: 1. a área da parede; 2. a diferença de temperatura temperatu ra de dois espaços; 3. as propriedades de condutividade de calor da parede. Quanto maior for a área da parede, maior será a quantidade de calor que ela produz. Uma parede de 200m 2 de área, conduzirá o dobro do calor de uma parede de 100m 2. No que diz respeito ao segundo fator, suponhamos que a diferença nas temperaturas dos dois espaços seja 25ºC. Uma certa quantidade de calor sensível passará através da parede. Se a diferença das temperaturas aumentar para 50ºC, o fluxo de calor será o dobro. Os princípios que se acabam de discutir não são válidos só para as paredes, mas também para janelas, telhados, e outras superfícies de edifícios. Estes princípios são resumidos do seguinte modo: O fluxo de calor através de qualquer superfície é diretamente proporcional a sua área. E ainda diretamente proporcional a diferença das temperaturas os espaços separados pela superfície. O terceiro fator é função do material da parede e da espessura. Serão usados os termos condução, convecção e coeficiente global de transferência de calor, ao discutir o fluxo de calor através de materiais de construção.

Condução

É do conhecimento conheciment o geral que a capacidade dos vários materiais para conduzir calor , difere consideravelmente. consideravelmente. Os melhores condutores de calor são os metais, os piores condutores (madeira, asbesto, gases, cortiça e feltro) são chamados de isolantes. A capacidade de uma substância para transmitir calor por condução é uma propriedade física do material específico. É chamada condutividade térmica (normalmente abreviado apenas por condutividade), o símbolo comum é K, a condutividade é a quantidade de calor em Kcal/h que flui através de uma peça de material homogêneo de um milímetro de espessura, com a área de um metro quadrado e quando a diferença de temperatura entre as faces é de um grau. Valores do K (condutibilidade térmica) para diversos materiais de construção podem ser vistos na tabela 9.1.

110

Carga Térmica

Climatização

O calor transferido por condução através de um material homogêneo pode-se calcular pela seguinte equação. Q = K A (t2 -t1) / e Onde:

Q = Fluxo de calor [Kcal/h]; A = Área [m 2]; K = Condutividade térmica [ Kcal mm/h m 2 º C]; e = espessura [mm]; (t2 -t1) = Gradiente Gradiente de temperatura temperatura entre duas duas superfícies superfícies à distância [º C].

Convecção

Neste mecanismo envolvendo movimento de partículas macroscópicas que não ocorria no fenômeno da condução, prevalecem as forças da corrente fluida estando a convecção intimamente ligada à mecânica dos fluidos. De acordo com as forças que originam as correntes fluidas a convecção pode ser de dois tipos: 1. Convecção natural: quando a velocidade do fluido é devida às forças de empuxo (criada pela diferença de densidade, originada por diferença de temperatura na massa fluida). Este empuxo é normalmente denominado de empuxo térmico. 2. Convecção forçada: Quando o movimento da corrente fluida é devido a dispositivos dispositivo s mecânicos como bombas, ventiladores, exautores, agitadores mecânicos, etc. estes forçam o deslocamento deslocamento do fluido. fluido.

Carga Térmica

111

Climatização

Tabela 9.1 - Condutibilidade Térmica de Materiais de Construção: 

W / m2°C

Material

Kcal / h m °C Kcal mm / h m 2 °C

Painéis para Construção Asbesto Cimento

0,574

0,495

495

Gesso de Paris

0,165

0,143

143

Forro

0,054

0,0471

47,1

Terra Seca

0,52

0,45

450

Materiais isolantes: Placas de Manta Fibras de lã Mineral

0,038

0,03344

33,44

Borracha Macia

0,012

0,010

10,00

Borracha Dura

0,013

0,011

11,00

Asfalto

0,062

0,053

53,00

Amianto

0,139

0,12

120,00

Feltro

0,070

0,0602

60,20

Fibra de Madeira

0,035

0,031

30,96

Cortiça

0,042

0,037

33,45

Fibra de Vidro

0,038

0,033

30,96

Lã de Rocha

0,048

0,042

42,00

Telhado

0,051

0,044

44,00

Lã Mineral

0,039

0,034

34,00

Lã de Vidro

0,039

0,034

34,00

Vermiculite

0,064

0,056

56,97

Materiais Isolantes: Materiais em Placa Gesso agregado de Areia

0,22

0,1892

189,20

Gesso agregado de Vermiculite

0,25

0,215

215,00

Placa de Cimento agregado de

0,718

0,619

619,00

0,28

0,240

240,00

Agregado leve em ripas metálicas

0,47

0,410

410,00

Concreto Geral

1,42

1,220

1220,00

Argamassa Cal

1,16

0,990

990,00

Argamassa de Cimento

0,72

0,620

619,00

0,24

0,210

210,53

Areia Agregado leve em ripas de madeira

Agregados leves: Cascalho expandido: Barro, Ardósia, Escória cinza, Pedra Pomes, Perlite, Vemiculite 112

Carga Térmica

Climatização

W / m2°C

Material Agregado de areia e cascalho ou

Kcal / h m °C Kcal mm / h m2 °C

1,723

1,486

1486

Estuque

0,72

0,62

620

Cimento Portland

0,29

0,25

250

Concreto com Escória

0,76

0,65

650

Concreto com Brita

1,37

1,18

1180

Agregado de Areia e Cascalho

0,905

0,780

780

Agregado de Cinza

0,582

0,502

502

Pedra Cal ou Areia

1,795

1,548

1548

Pedra

Tijolos: Tijolo de Barro Tijolo de Argila 1 furo (10 cm de

0,52

0,4472

447,2

0,69

0,5934

593,4

Tijolo Comum

0,72

0,62

619

Tijolo de Fase (liso)

1,29

1,11

1115

espessura) Tijolo de Argila 3 furos (30cm de espessura)

Tijolos: Tijolo de Bloco de Concreto Com 3 furos Ovais (20 cm de espessura)

1,0

0,86

860

1,1

0,946

946

0,6

0,516

516

0,57

0,576

576

Com 2 furos retangulares (20cm de espessura) Com 2 furos preenchidos (20 cm de espessura) Agregado com cinzas 3 furos (20 cm de espessura)

Tijolos: Tijolo Cerâmico (Baiano) Com 6 furos (10cm de espessura)

1,392

1,2

1200

Com 6 furos (15cm de espessura)

1,1368

0,98

980

Com 8 furos (15cm de espessura)

1,0788

0,93

930

Telhas Telhado Fibrocimento

0,406

0,35

350

Telha de Barro

0,72

0,62

620

0,509

0,439

439

0,612

0,528

528

Telha Oca de Barro, elemento de fundo Telha Oca 2 elementos de fundo

Carga Térmica

113

Climatização

W / m2°C

Material

Kcal / h m °C Kcal mm / h m2 °C

Material para Laterais Asbesto – cimento dobrado

0,16182

0,1395

139,5

Isolamento de Asfalto

0,0508

0,04381

43,81

Madeiras Madeira dura em geral

0,16

0,14

140

Madeira mole em geral

0,12

0,10

100

0,087

0,075

75

Madeira Compensada

0,115

0,0999

99,97

Fibra de madeira (tipo mole)

0,172

0,149

149

Fibra de madeira (tipo dura)

0,2006

0,173

173,36

0,06

0,05

50

0,03944

0,034

34

Madeira picotada / colada (Aglomerado)

Serragem Eucatex

Janela / vidro Vidro comum

0,78

0,68

680

Pires

1,4

1,2

1200

0,0560

0,0483

48,3

Vidro celular

Material de Acabamento Civil Mármore

2,80

2,41

2410

Granito

2,79

2,40

2400

Ladrilho Cerâmico (valor médio)

1,5

1,29

1290

Porcelana

1,03

0,89

890

Arenito

1,83

1,57

1570

206

179

179000

Ferro Fundido

33

28

28000

Aço

53

46

46000

Cobre

398

342

342000

Chumbo

16

14

1400

Zinco

114

97

9700

Níquel

92

79

79000

Estanho

64

55

55000

Metais Alumínio

Coeficientes de Película Ar interior

7 Kcal/h m2 º C

Ar Exterior (v = 6,7 m/s)

45 Kcal/h m2º C

114

Carga Térmica

Climatização

Lei de Newton

Durante investigações de calor em trânsito entre um fluido e uma superfície sólida, Peclet notou o aparecimento de uma resistência térmica superficial na película de fluido. Existindo a resistência aparecerá uma diferença de temperatura entre a massa de fluido em movimento e a superfície sólida. Este mecanismo é de grande importância tendo em vista a sua aplicação prática em trocadores de calor em geral.

Figura 9.2 -Transferência através de fluído e superfície sólida 

Película

É a tendência que as superfícies tem de reter por adsorção uma camada parada de moléculas de fluido em contato com ela. A adsorção é a fixação de moléculas de uma substância (o adsorvato) na superfície de outra substância (o adsorvente). Haverá, portanto transmissão de calor do fluido1 (maior temperatura) para o fluido 2 (menor temperatura) através da superfície de separação. O equacionamento do fenômeno foi feito por Newton através de estudos experimentais e o seu princípio hoje é aceito como lei tendo em vista sua verificação prática. Segundo Newton o calor trocado entre um fluido e uma superfície sólida é proporcional a área de troca de calor ao tempo, a diferença de temperatura na película de fluido e um coeficiente, que é a função das características físicas, é de movimento do fluido. (Coeficiente de Película). Lei de Newton para transmissão de calor por convecção

Q = h. A. ∆t

Carga Térmica

115

Climatização

Onde:

Q = Razão de transferência de Calor; h = Coeficiente de Convecção ou de Película; A = Área de troca de Calor; ∆t = Queda de temperatura na película do fluido; ∆t = t1 - t2 (para o fluido 1); ∆t = t3 - t4 (para o fluido 2).

Coeficiente Global de Transmissão de Calor (U)

Como foi demonstrado a transmissão de calor entre fluidos separados por uma superfície plana simples, pode ser calculada duas seguintes equações: Q=

Q=

t

∆

1 + e h1 . A

1

+ 1

1

k . A h2 . A

+

h1

e

+

k

A . ∆t

h1

+

e k

+

1 h2

1 h2

Onde:

Representa a soma de Resistências Térmicas por unidade de área. O inverso da Resistência Térmica por unidade de área é o Coeficiente Global de Transmissão de calor (U), para uma parede plana simples entre fluidos. U=

1 1 h1

+

e k

+

  Kcal  h. m2. º C

1

BTU  h. ft2. º F

W  m

h2

Ou seja:

Coeficiente Global de transmissão de Calor (U), para fluidos separados por uma superfície plana simples. (Parede). Desta forma a equação da transmissão de calor fica representada da seguinte forma: 116

Carga Térmica

Climatização

Q = U. A. ∆t Onde:

Q = Quantidade de Calor; ∆t = Diferencial de temperatura entre os fluidos (t 1 -t2); A = Área total de transmissão de calor; U = Coeficiente Global de transmissão de Calor; Exemplo

Uma parede de alvenaria é feita de blocos ocos de concretos de 200mm e de tijolos de 100mm. Os blocos são feitos de agregado de areia e cascalho. Entre os blocos e os tijolos existe argamassa de cimento com 13 mm de espessura. O acabamento interior da parede é de gesso (16mm de espessura) com agregado de vermiculite. Presuma-se que o vento é de 6,7 m/s. Qual é o valor de "U" para a parede? Solução

Ver na figura a seguir para o esboço desta parede. Prepare um quadro para resolver este problema e escreva nele cada item que ofereça resistência ao fluxo de calor. Os números dos itens no quadro eqüivalem aos indicados na parte inferior da figura 11. Quadro 9.1 – Cálculo da resistência total 

Item

Descrição

Resistência

01 02 03 04 05 06

Película do ar interior, 1/f, 1/7 Gesso, x/K 16/210 Bloco, 1/C, 1/4.39 Argamassa x/K 13/619 Tijolo, x/K 100/1115 Película do ar exterior, 1/f 1/45.24 Resistência Total

0,142857 0,076190 0,227790 0,021002 0,089686 0,022104 0,579629

Carga Térmica

117

Climatização

Figura 9.3 - Parede de alvenaria do exemplo  Quadro 9.2 – Itens da Figura 

Item

Descrição

A

Argamassa de cimento de 13 mm

B

Bloco de concreto de 200 mm

C

Gesso 16 mm

D

Tijolos de 100 mm

E

Fluxo de calor

O coeficiente total de transferência de calor é o inverso da resistência total. Assim, U = 1/R U = 1/ 0,579629 U = 1,725241 Kcal/h. m^2 º C que pode ser arredondado para 1,73 Kcal/h m^2 º C

Ganho de calor por transmissão No presente apenas se discutirão os ganhos de calor devido a condução através das diferentes superfícies de um edifício. O efeito dos raios do sol nestas superfícies será discutido posteriormente. Assim, por hora, os ganhos de calor através das paredes serão considerados como se elas se encontrassem sempre na sombra. Só a área líquida de uma parede é usada no cálculo do ganho de calor. As áreas de todas as janelas deverão ser subtraídas da área bruta, isto dará a área líquida. O ganho de calor através de janelas são indicado separadamente. As portas, quando poucas, são normalmente consideradas como parte da parede, erro normalmente 118

Carga Térmica

Climatização

desprezível. Suponhamos, no entanto, que temos um grande número de portas nestas paredes, neste caso o ganho de calor através das portas deverá ser calculado separadamente, neste caso ainda, só se deve usar a área líquida das paredes, janelas e portas. Exemplo

Calcular a carga térmica (verão) que penetra por condução em um ambiente com as seguintes características:

Figura 9.4 - Exemplo de ambiente 

Pé direito de forro a piso = 2,60m Pé direito de laje a piso = 2,80m Vidro comum com persianas Paredes comum média Temperatura interna = t1 = 24º C Temperatura externa = t2 = 32º C Forro Isolado com 1"de lã de vidro Piso não condicionado Localização: 20 andar de um edifício de 2 andares.

Carga Térmica

119

Climatização

Tabela 9.2 – Coeficientes globais de transmissão de calor 

Coeficiente

Valor

U piso

1,71 Kcal / h m2 º C

U forro isolado

1,02 Kcal / h m2 º C

U parede externa

1,61 Kcal / h m2 º C

U parede divisória

1,95 Kcal / h m2 º C

U vidro comum

5,37 Kcal / h m2 º C

Ganhos de calor por condução através das paredes externas. 1. Diferença de temperaturas, para o caso de estruturas que separam o meio condicionado do meio externo. ∆t

= t2 - t1

∆t

= 32 - 24

∆t

= 8º C

2. Cálculo da área líquida das paredes externas Atotal (paredes e vidros) = (10 + 7). 2,80 Atotal = 47,60 m2 Avidros (área só das janelas) = (2 . 1) + (3 . 2) Avidros = 8 m2 Aliquida (At - Av) = (47,60 - 8) Aliquida = 39,60 m2 3. U da parede externa = 1,61 Kcal / h m2 º C 4. Usando a equação Q = U . A . ∆t Qpe = 39,60 . 1,61 . 8 Qpe = 510,04 Kcal/h

120

Carga Térmica

Climatização

Ganho de calor por condução através dos vidros externos 1. Diferença de temperaturas ∆t

= t2 - t1

∆t

= 32 - 24

∆t

= 8º C

2. Avidros = 8 m2 3. U vidro comum = 5,37 Kcal / h m2 º C 4. Usando a equação Q = U . A . ∆t Qve = 8 . 5,37 . 8 Qve  = 343,68 Kcal/h

Parede em divisória com ambiente vizinho não condicionado: 1. Diferença de temperaturas para estruturas em divisórias com ambientes não condicionados. ∆t'

= t'2 - t1

t'2 = t2 - 3º C t'2 = 32 - 3 t'2 = 29º C ∆t

= 29 - 24

∆t

= 5º C

2. cálculo de área líquida da parede, quando não existem janelas: Aliquida = 10 . 2,6 Aliquida = 26m2 3. Uparede divisória = Uporta = 1,95 Kcal / h m2 º C 4. d) Usando a equação Q = U . A . ∆t Qpd' = 26 . 1.95 . 5 Qpd' = 253,5 Kcal / h Carga Térmica

121

Climatização

Parede em divisória com ambiente vizinho condicionado 1. Diferença de temperaturas para estruturas em divisórias com ambientes condicionados. ∆t"

= t"2 - t1

t"2 = Temperatura interna do ambiente vizinho ∆t

= 21 - 24

∆t

= -3º C

2. Cálculo de área líquida da parede, quando não existem janelas: Aliquida = 7 . 2,6 Aliquida = 18,2 m2 3. Uparede divisória = 1,95 Kcal / h m2 º C d) Usando a equação 5 Q = U . A . ∆t Qpd" = 18,2 . 1.95 . (-3) Qpd" = (-106,47) Kcal / h

Observação 1. Note que o fluxo de calor Qpd" se dá no sentido do ambiente condicionado em questão, ao ambiente vizinho que também é condicionado, porém a uma temperatura menor, Justificando portanto o sinal negativo do resultado. 2. Note também que se o ambiente vizinho fosse condicionado a mesma temperatura que o ambiente em questão, não haveria troca de calor, pois ∆t = 0, logo Q = 0.

Ganho de calor total através das paredes em divisórias Qpd = Qpd' +Qpd" Qpd = 253,5 + (-106,47) Qpd = 147,03 Kcal/h

122

Carga Térmica

Climatização

Ganho de calor por condução através do piso 1. Diferença de temperaturas para estruturas em divisórias com ambientes não condicionados. ∆t'

= 2t' - t1

t'2 = t2 - 3º C t'2 = 32 - 3 t'2 = 29º C ∆t

= 29 - 24

∆t

= 5º C

2. Cálculo de área do piso Apiso = 7 . 10 Apiso = 70m2 3. Upiso = 1,71 Kcal / h m2 º C 4. Usando a equação Q = U . A . ∆t Qpiso = 70 . 1,71 . 5 Qpiso = 598,5 Kcal / h

Observação Neste caso se o pavimento fosse o pavimento térreo o ∆t = 0 (piso sobre a terra), e portanto o fluxo de calor Q = 0.

Ganho de calor por condução através do teto 1. Diferença de temperaturas para estruturas que separam o ambiente condicionado do meio externo. ∆t

= t2 - t1

t'2 = 32 - 24 t'2 = 8º C 2. cálculo de área líquida da parede, quando não existem janelas:

Carga Térmica

123

Climatização

Ateto = 7 . 10 Ateto = 70m2 3. Uteto = 1,02 Kcal / h m2 º C 4. d) Usando a equação 5 Q = U . A . ∆t Qteto = 70 . 1,02 . 8 Qteto = 571,2 Kcal / h Quadro 9.3 - Ganho total de calor por transmissão 

Fonte

Valor

Qpe

210,04 Kcal / h

Qve

343,68 Kcal / h

Qpd

147,03 Kcal / h

Qpiso

598,50 Kcal / h

Qteto

571,20 Kcal / h

Qtotal

2170,45 Kcal / h

Tabela 9.4 - Condições externas para verão (°C)

Cidades

TBS

TBU

Temperatura máxima

Macapá (AP)

34

28,5

34,7

Manaus (AM)

35

29,0

36,9

Santarém (PA)

35

28,5

37,3

Belém (PA)

33

27,0

34,9

| - Região Norte

124

Carga Térmica

Climatização

Cidades

TBS

TBU

Temperatura máxima

João Pessoa (PB)

32

26

-

São Luis (MA)

33

28

33,9

Parnaíba (PI)

34

28

35,2

Teresina (PI)

38

28

40,3

Fortaleza (CE)

32

26

32,4

Natal (RN)

32

27

32,7

Recife (PE)

32

26

32,6

Petrolina (PE)

36

25,5

38,4

Maceió (AL)

33

27

35,0

Salvador (BA)

32

26

33,6

Aracaju (SE)

32

26

-

Brasília (DF)

32

23,5

34,8

Goiânia (GO)

33

26

37,3

Cuiabá (MT)

36

27

39,0

Campo Grande (MT)

34

25

37,0

Ponta – Porã (MT)

32

26

35,8

Curitiba (PR)

30

23,5

33,3

Londrina (PR)

31

23,5

34,0

Foz do Iguaçu (PR)

34

27

38,0

Florianópolis (SC)

32

26

36,0

Joinville (SC)

32

26

36,0

Blumenau (SC)

32

26

36,0

Porto Alegre (RS)

34

26

39,0

Santa Maria (RS)

35

25,5

40,0

Rio grande (RS)

30

24,5

-

Pelotas (RS)

32

25,5

-

Caxias do Sul (RS)

29

22,0

-

Uruguaiana (RS)

34

25,5

-

|| - Região Nordeste

|V – Região Centro – Oeste

V – Região Sul

Carga Térmica

125

Climatização

Tabela 9.5 - Condições externas para inverno (6) Cidades

TBS (°C)

Umidade relativa (%)

Aracaju (SE)

20

78

Belém (PA)

20

80

Belo Horizonte (MG)

10

75

Blumenau (SC)

10

80

Boa Vista (RR)

21

80

Brasília (DF)

13

65

Caxias do Sul (RS)

0

90

Cuiabá (MT)

15

75

Curitiba (PR)

5

80

Florianópolis (SC)

10

80

Fortaleza (CE)

21

80

Goiânia (GO)

10

65

João Pessoa (PB)

20

77

Joinville (SC)

10

80

Macapá (AP)

21

80

Maceió (AL)

20

78

Manaus (AM)

22

80

Natal (RN)

19

80

Pelotas (RS)

5

80

Porto Alegre (RS)

8

80

Porto Velho (RO)

15

80

Recife (PE)

20

78

Rio Branco (AC)

15

80

Rio Grande (RS)

7

90

Rio de Janeiro (RJ)

16

78

Salvador (BA)

20

80

Santa Maria (RS)

3

80

São Luiz (MA)

20

80

São Paulo (SP)

10

70

Teresina (PI)

20

75

Uruguaiana (RS)

7

80

Vitória (ES)

18

78-

126

Carga Térmica

Climatização

Tabela 9.6 - Condições Internas para verão  Recomendável Finalidade Local TBS (°C) UR (%)

Conforto

Lojas de Curto tempo de ocupação

Residências Hotéis Escritórios Escolas Bancos Barbearias Cabeleireiros Lojas Magazines Supermercados

Teatros Auditórios Ambientes Templos com grandes Cinemas cargas de Bares calor latente Lanchonetes e/ou sensível Restaurantes Bibliotecas Estúdios de TV Locais de Boates reuniões com Salões de Baile movimento Depósitos de livros, manuscritos, Ambientes de obras raras Arte Museus e galerias de artes Halls de Acesso elevadores

Máxima TBS (°C)

UR (%)

23 a 25

40 a 60

26,5

65

24 a 26

40 a 60

27

65

24 a 26

40 a 65

27

65

24 a26

40 a 65

27

65

21 a 23(c)

40 a 50(c)

 –

– 

21 a 23(c)

50 a 55(c)

 –

– 

 –

–

28

70

Tabela 9.6 - Condições Internas para verão 

TBS (ºC)

UR (%)

20 – 22

35 – 65

Ganho de Calor por Insolação Até aqui, nós discutimos transferência de calor sendo conduzida através de uma estrutura, onde tínhamos a estrutura separando um ambiente condicionado do meio exterior, de ambientes não condicionados; ou de ambientes vizinhos condicionados não condicionados. Neste estudo vimos que o calor flui para o ambiente em estudo Carga Térmica

127

Climatização

através do fenômeno da condução, onde precisamos de um elemento intermediário ligando os dois elementos a diferentes temperaturas, ou seja, se propagando através das moléculas das substâncias envolvidas. Agora estudaremos qual a influência que o calor radiante solar produz em um ambiente condicionado. Em primeiro lugar o que seria a carga térmica total devido a insolação de um dado ambiente? A carga térmica total devido a insolação seria o fluxo de calor radiante solar ganho pelo ambiente através de sua estrutura (paredes, vidros e teto).

Calor Solar

Os raios do sol passam através do espaço exterior e da atmosfera no seu caminho para a terra. Qualquer superfície em que toquem (solo, telhados, paredes) aquece. O calor radiante solar que atinge a superfície da Terra varia consideravelmente de hora para hora que dependendo do instante em que o sol nasce até ao instante que se põe, naturalmente dependendo portanto, do sentido de rotação da terra em relação ao sol. As nuvens, nebulosidade da atmosfera, o grau de pureza da atmosfera, sua transparência, e outros mil fatores originam grandes variações na quantidade de calor que atingem a face da Terra. Quanto as influências da atmosfera, define-se radiação direta e radiação difusa: A radiação direta é a parte da radiação inicial que incide diretamente na superfície da terra. É o feixe real de luz solar. Radiação difusa é a radiação devido a reflexão que se produz nas partículas de vapor de água, ozona, ou de poluição atmosférica. Ë a energia solar refletida pelas nuvens e poeira do ar.

Reflexão Solar

Quando a luz bate num espelho, superfície branca, ou qualquer outra superfície brilhante, uma grande porcentagem dela é refletida. De modo idêntico, se o calor radiante solar, atingir uma superfície de cor clara, uma grande porcentagem dela será refletida; só o restante será absolvido pela superfície. Quanto mais escura for a superfície maior será o calor radiante solar absorvido pela superfície. Assim as superfícies escuras terão sempre temperaturas superiores às superfícies brancas expostas a mesma luz solar. A cor da superfície exterior de uma parede e assim de grande importância na quantidade de calor radiante solar que será absorvido. As superfícies com cores claras refletem mais radiação solar do que as superfícies de 128

Carga Térmica

Climatização

cores escuras. Ao calcular os ganhos de calor solar através de estrutura, deve-se ter em conta a cor da superfície exterior. Outra consideração a fazer quanto a reflexão do calor radiante é de que as superfícies lisas refletem mais calor radiante solar do que as ásperas. Temperaturas superficiais

A energia radiante que atinge qualquer superfície eleva sua temperatura. Um telhado escuro pode atingir, por exemplo, a temperatura de 70º C durante o dia de verão. Contudo, a temperatura imediatamente acima do telhado pode ser apenas 32º C. A temperatura superficial de uma estrutura depende da limpeza da atmosfera, como já vimos, assim como, do ângulo com que os raios solares, recebe a intensidade total do sol. Por outro lado, quando estes raios incidem na superfície segundo um ângulo, a intensidade é muito menor. A Terra dá uma rotação a cada 24h, isto causa o dia e a noite. A Terra dá uma volta ao redor do Sol, isto causa as estações. Por causa destes movimentos, o ângulo segundo o qual os raios solares incidem numa superfície está sempre mudando. Isto significa que a temperatura superficial de uma estrutura ao Sol, varia ao longo do dia. A direção para qual está voltada uma estrutura vertical é importante na determinação do ângulo com que os raios solares incidem. A direção também determina as horas durante as quais a estrutura ficará exposta ao Sol. Uma parede com a direção Este à latitude de 30º sul, estará ao Sol a partir de 8 horas. A partir daí, a temperatura superficial da face exterior da estrutura aumentará regularmente até o meio dia. A partir do meio dia , a temperatura superficial diminuirá até um ponto próximo das 14 horas. À tarde estará na sombra. À mesma latitude , a luz solar só incidirá em uma superfície vertical orientada para o Oeste após o meio dia. A temperatura da superfície exterior de uma estrutura vertical Oeste, atingirá o máximo valor cerca das 16 horas. A partir desta hora resfriará de um modo regular. A temperatura de superfície exposta ao Sol é normalmente superior à temperatura do ar exterior. Assim, o calor circula da superfície para o ar através da película superficial exterior. Só uma parte do calor radiante que atinge a superfície passa para o interior da estrutura. Da porção de calor que começa a circular no interior da estrutura, só uma parte atingirá o ambiente condicionado. É necessário tempo para o calor penetrar numa estrutura vindo do Exterior e atingir a face interior. A maioria do calor radiante solar que primeiro incide numa estrutura apenas leva a temperatura da porção exterior da parede. Antes que o calor possa penetrar profundamente na parede a temperatura da superfície exterior desce novamente, devido ao Sol mudar de posição. A estrutura quente começa a fornecer calor ao ar Carga Térmica

129

Climatização

exterior. Apesar de tudo, há sempre certa porcentagem de calor que atinge a superfície interior e eleva sua temperatura. Esta parcela de calor obedece ao fenômeno de condução.

Orientação Geográfica

A orientação geográfica consiste em estabelecer-se o posicionamento correto das estruturas consideradas em função dos pontos cardeais. Portanto, para que possamos adotar um horário de cálculo é necessário orientar as paredes do recinto a condicionar. É muito importante que a posição Norte seja fornecida, pois em função dela orientaremos as paredes. A figura abaixo, representa a Rosa dos ventos e é um auxiliar importante ao processo da orientação das estruturas. A estrutura perpendicular, a determinada orientação, recebe o nome respectivo da mesma.

Figura 9.5 - Rosa dos ventos 

Horizonte Visual

Quando olhamos em redor, para nos orientarmos, vemos uma extensão enorme de terreno, se a nossa visão não for interceptada por quaisquer obstáculos. O círculo abrangido pelo nosso olhar e que é limitado pela linha em que a Terra parece acabar e tocar o céu designa-se por Horizonte Visual. O movimento aparente do Sol, permitiu aos homens a determinação de referências: pontos cuja posição é invariável em qualquer lugar da Terra. Com efeito, o Sol descreve todos os dias, aparentemente, um arco, cujas extremidades cortam a linha do Horizonte Visual em dois pontos. Esses pontos correspondem ao seu nascimento e ao seu ocaso. Se os imaginarmos unidos, obtemos uma linha que passa 130

Carga Térmica

Climatização

pelo lugar onde nos encontramos. Se imaginarmos, novamente, uma linha perpendicular a estas, com as mesmas características (cortando a Linha do Horizonte e passando pelo lugar onde estamos), obtemos quatro direções. A estes quatro pontos dá-se o nome de pontos cardeais.

Pontos Cardeais

O Norte é o ponto fundamental, na Rosa dos ventos das cartas marítimas antigas, o Norte era representado por uma flor-de-liz. Os quatro pontos cardeais são: •

•

•

•

Norte,

Setentrional, Boreal ou Ártico (N) Sul, Meridional, Austral, Antártico (S) Este, Leste, Oriente, Nascente ou Levante (E) Oeste, Ocidente, Poente, Ocaso (O ou W)

Os pontos da Rosa dos ventos costumam ser referidos em termos do ângulo que fazem com o Norte. O Este são 90 graus, o Sul 180 e o Oeste 270. O conhecimento dos pontos cardeais é a base elementar da orientação, mas como as direções que permitem definir ficam, por vezes, bastante afastadas das que desejamos determinar, criam-se outros pontos que representam direções intermédias daquelas. Estes pontos designam-se por Pontos Colaterais.

Pontos Colaterais

Os pontos colaterais situam-se na bissetriz dos ângulos formados pelos pontos cardeais. São eles: NE   SE SO NO

•

•

•

•

Nordeste Sudeste Sudoeste Noroeste

(45º ) (135º ) (225º ) (315º )

Carga Térmica

131

Climatização

Hora de Cálculo A escolha da Hora de Cálculo deverá ser feita de tal modo, possibilitando o cálculo para a pior condição, ou seja, para hora de insolação máxima ao local que está sendo calculado. Terão grandes influências as áreas de vidros existentes nas diversas paredes.

Roteiro para cálculo de ganho de calor por insolação Para a determinação do percentual do ganho de calor por insolação deverá o mesmo ser procedido da seguinte forma: 1. Determinar as orientações das estruturas; 2. Verificar o tipo de estrutura e o coeficiente de transmissão total relativos às mesmas; 3. Verificar se existem estruturas vizinhas que impeçam a insolação parcial ou total alguma estrutura dos ambientes considerados; 4. Calcular as áreas de paredes externas e vidros externos das estruturas consideradas; 5. Verificar áreas de teto sujeita a insolação; 6. Verificar se existe insolação devido a reflexão dos raios solares em vidros de prédios próximos, etc. 7. Verificar os valores de ∆t em função das variáveis relativas aos mesmos. (Tabelas); 8. Montagem da tabela básica; 9. cálculo de ganho de calor por insolação.

132

Carga Térmica

Climatização

Tabela 9.7 - Valores de ∆t para Superfícies Opacas Cores: Preto, Cinza-escuro 

Direção da Face Hora

SE

E

8

3.3

3.9

9

14.5

19.5

8.3

5

10

19.5

8.3

14.5

16.1

11

14.7

22.1

15.6

25.5

12

6.7

15

13.4

0.5

32.7

6.1

7.8

2.8

36.8

1.1

3.3

1.1

15

2.8

7.8

6.1

36.8

16

0.5

13.8

15

32.7

17

15.6

22.1

13.4

25.5

18

14.5

24.5

19.5

16.1

19

8.3

19.5

14.5

5

3.9

3.3

13 14

NE

N

NO

20

O

SO

Telhado

38.2

Tabela 9.8 - Valores de ∆t para Superfícies Opacas Cores: Cinza-Claro, Vermelho e  Marrom 

Direção da Face Hora

SE

E

8

0.5

1.1

9

7.8

9.4

3.9

1.7

10

10

14.5

8.3

9.4

11

7.6

12.8

8.9

15

12

2.8

8.9

7.4

20

2.9

3.9

22.1

13 14

NE

N

NO

O

SO

0.5

Telhado

23.5

15

3.9

2.8

16

7.4

8.9

2.8

20

17

8.9

12.8

7.4

15

18

8.3

14.5

10

9.4

19

3.9

9.4

7.8

1.7

1.1

0.5

20

Carga Térmica

22.1

133

Climatização

Tabela 9.9 - Valores de ∆t para Superfícies Opacas Cores: Alumínio e Branco 

Direção da Face Hora

SE

E

NE

N

NO

O

SO

Telhado

9

3.3

4.4

10

4.4

7.4

3.3

3.9

11

2.8

6.1

3.9

7.8

3.9

2.8

10.5

0.5

12.2

8

12 13 14

 

12.8

15

0.5

16

2.8

3.9

17

3.9

6.1

2.8

7.8

18

3.3

7.2

4.4

3.9

19

1.1

4.4

3.3

12.2 10.5

20 Tabela 9.10 - Valores de ∆t para Superfícies Transparentes - Condição: Sem Proteção  contra o sol / Sem Cortinas escuras 

Direção da Face Hora

SE

E

NE

6

24.2

26

11

2.2

7

62

74

39

25

8

70

96

58

65

9

50

86

60

98

10

22

58

48

3.9

124

11

1.1

20

16.8

8.9

136

5

10.6

5

13

8.9

26.8

20

1.1

136

14

3.9

48

58

22

124

15

60

86

50

98

16

58

96

70

65

17

39

74

62

25

18

11

26

24.2

2.2

12

134

N

Carga Térmica

NO

O

SO

Telhado

143

Climatização

Tabela 9.11 - Valores de ∆t para Superfícies Transparentes - Com cortinas claras / com  persianas internas 

Direção da Face Hora

SE

E

NE

N

NO

O

SO

Telhado

6

12.2

13.3

0.55

1.1

7

31

37

19.5

12.8

8

35

48.5

29.4

33

9

25.6

43

30

49

10

10.5

29.4

24

1.6

62

11

0.55

10

13.5

4.5

68

12

5

71

13

4.5

13.5

10

0.55

68

14

1.6

24

29.4

10.5

62

15

30

43

25.6

49

16

29.4

48.5

35

33

17

19.5

37

31

12.8

18

0.55

13.3

12.2

2

Tabela 9.12 - Valores de ∆t para Superfícies Transparentes - Condição: com Persianas  Externas 

Direção da Face Hora

SE

E

NE

6

7.3

7.8

3.3

7

18.3

22

11.7

8

21

29

17.8

9

15

25.6

17.8

10

6.7

17.8

14.4

1.1

6.1

7.8

2.8

1.6

3.3

1.6

13

2.8

7.8

6.1

14

1.1

14.4

17.8

6.7

15

17.8

25.6

17

16

17.8

29

21

17

11.7

22

18.3

18

3.3

7.8

7.3

11 12

N

Carga Térmica

NO

O

SO

135

Climatização

Exemplo

Calcular para o exemplo anterior o ganho de calor por insolação. Conforme item anterior temos o seguinte roteiro: 1. Determinar as direções das faces com o auxílio de uma Rosa dos ventos. Temos:

Figura 9.6 - Exemplo de cálculo  2. Verificar o tipo de estrutura e os respectivos coeficientes de transmissão total estruturas: paredes com média vidros comuns com proteção de persianas telhado com isolamento de 1"de lã de vidro Uparede externa

= 1,61 Kcal / h m2 º C

Uvidro comum

= 5,37 Kcal / h m2 º C

Utelhado

= 1,02 Kcal / h m2 º C

3. Verificar se existem estruturas vizinhas que impeçam a insolação parcial ou total de alguma estrutura dos ambientes considerados: não existem 4. Calcular as áreas das paredes externas, vidros externos: Estrutura SO - Parede + Vidro 136

= 7 x (2,80) = Carga Térmica

19,6 m2

Climatização

Estrutura SO - Vidro

=2 x 1 =

2 m2

Estrutura SO – Paredes

=19,6 - 2 =

17,6 m2

Estrutura SE - Parede + Vidro

=10 x (2,80) = 28 m2

Estrutura SE - Vidro

=3 x 2 =

6 m2

Estrutura SE - Paredes

= 19,6 - 2 =

22 m2

5. Verificar áreas de teto sujeitas a insolação: Ateto = 10 . 7 = 70 m2 6. Verificar se existe insolação devido a reflexão dos raios solares em vidros de prédios próximos, etc. : não existem 7. Verificar os valores de ∆t em função de suas respectivas variáveis: Na tabela 9.8 encontramos os valores de ∆t para superfícies opacas de cor média Na tabela 9.11 encontramos os valores de ∆t para superfícies transparentes com proteção de persianas. 8. Montagem da tabela básica:

Carga Térmica

137

Climatização

Tabela 9.13 - Tabela Básica 

Superfície

Parede

Vidros

Parede

Vidros

Telhado

Direção das faces

SE

SE

SO

SO

(-)

A [m2]

22

6

17.6

2

70

U [Kcal / h m 2 ºC]

1.61

5.37

1.61

5.37

1.02

A .U [Kcal / h ºC]

35.42

32.22

28.33

10.74

71.4

∆t

∆t

∆t

∆t

∆t

Q

Q

Q

Q

Q

7.8

25.6

1.7

276.28

824.83

121.38

10.00

10.5

9.4

354.20

338.31

671.16

7.60

0.55

15

269.19

17.72

1071.00

Horas Solares 9 10 11 12

2.80

20

99.18

1428.00

13

0.55

22.1

5.91

1577.94

10.5

23.5

112.77

1677.90

25.6

22.1

274.94

1577.94

2.8

35

20

79.32

375.90

1428.00

7.4

31

15.5

209.64

332.94

1106.70

10

12.2

9.4

283.30

31.03

671.16

14 15 16 17 18

T O T A I S 1222.49 1363.67 1357.91 1527.18 1583.85 1790.67 1852.88 1883.22 1649.22 1085.49

Determinação dos ganhos de calor por insolação Ganho total de calor por insolação Q = 1883,22 Kcal/h , sendo que às 16:00 se dará o ganho de calor máximo para o ambiente em estudo.

138

Carga Térmica

Climatização

Ganhos de calor devido a pessoas As perdas de calor do corpo humano variam de indivíduo para indivíduo, variam também com o grau de atividade. O corpo libera calor sensível e calor latente; devem ambos ser considerados no projeto do sistema de ar condicionado. Na tabela 9.15 selecionam-se valores de calor sensível e calor latente, para vários tipos de atividade física, note que ao descer a primeira coluna da tabela 9.15, o grau de atividade aumenta. Observe agora as colunas de calor sensível e calor latente. O calor sensível aumenta uma pequena quantidade, mas o calor latente sobe sensivelmente. Desconhecendo-se o número exato de pessoas que eventualmente possam ocupar o recinto condicionado deve-se utilizar da tabela abaixo: Tabela 10.14 - Valores para ocupação de recintos 

M2 / Pessoa

Local Dormitórios

10

Salas residênciais

8

Salões de Hotel

6

Escritórios Privados

8

Escritórios em geral

8

Bancos - Recintos privados

7

Bancos-recintos públicos

4

Lojas de pouco público

5

Lojas de muito público

3

Restaurantes

2

Boites

1

Auditórios - Conferências

1.5

Teatros Cinemas

0.75

Carga Térmica

139

Climatização

Tabela 9.15 - Calor liberado por pessoas  TBS Local

(1)

28º

(2)

27º

26º

24º

21º

S

L

S

L

S

L

S

L

S

L

88

44

44

49

39

53

35

58

30

65

23

113 100

45

55

48

52

54

46

60

40

68

32

113

45

68

50

63

54

59

61

52

71

42

126

45

81

50

76

55

71

64

62

73

53

Bancos

139

Restaurante (b)

126 139

48

91

55

84

61

78

71

68

81

58

202 189

48

141

55

134

62

127

74

115

92

97

227 214

55

159

62

152

69

145

82

132

101

113

252 252

68

184

75

176

83

169

96

156

116

136

378 365

113

252

117

248

122

243

132

233

152

213

Teatro, escola primária Escola secundária

98

Escrit. Hotéis, aptos,

120

universidades Supermercados, varejistas, lojas Farmácias drogarias

Fábrica, trabalho leve Salão de baile

139 139

Fábrica, trabalho moderadamente pesado Boliches, Fábricas, Ginásios (c) (1) Metabolismo Homem Adulto (2) Metabolismo médio (a) S = Calor Sensível

L = Calor Latente

1. O Metabolismo Médio corresponde a um grupo composto de adultos e crianças de ambos o sexos, nas proporções normais. Estes valores foram obtidos com base nas seguintes hipóteses:

•

Metabolismo da Mulher Adulta = Metabolismo do Homem Adulto . 0,85

•

Metabolismo da Criança = Metabolismo do Homem Adulto . 0,75

140

Carga Térmica

Climatização

2. estes valores compreendem 4 Kcal/h (50% de calor sensível e 50% de calor latente) por ocupante, para levar em conta o calor desprendido pelos pratos. 3. Boliche: admitindo uma pessoa jogando por pista e os outros sentados (100 Kcal) ou de pé (139 kcal/h). O ganho de calor Sensível devido a pessoas pode ser obtido pela equação:

QS = n . CS

Onde : Qs = ganho de calor Sensível [Kcal/h] n = número de pessoas CS = calor sensível liberado por pessoa [Kcal/h] O ganho de calor latente devido a pessoas pode ser obtido pela equação:

QL = n . CL

Onde : QL = ganho de calor Latente [Kcal/h] n = número de pessoas CL = calor Latente liberado por pessoa [Kcal/h] Exemplo Um salão de baile, tem uma assistência total de 1200 pessoas. Destas, 900 estão na pista de dança e 300 estão sentadas. Calcular os calores sensível e latente total adicionados a sala. 1. Das condições internas recomendadas para o verão obtém-se que a temperatura ideal para o salão de festas está na faixa 24º C a 26º C. Tome 24º C. 2. da tabela 9.15 de calor sensível e latente, obtém-se a temperatura:

Carga Térmica

141

Climatização

Sentada com atividade moderada

CS = 71 Kcal / h

(restaurante) Dançando com moderação

CL = 68 Kcal / h CS = 82 Kcal / h

(salão de baile)

CL = 132 Kcal/h

300 pessoas estão sentadas, portanto: Qs = 300 . 71

Qs = 21300 Kcal / h

Ql = 300 . 44

Ql = 13200 Kcal / h

900 pessoas estão dançando, portanto: Qs = 900 . 82

Qs = 73800 Kcal / h

Ql = 900 . 132

Ql = 118800 Kcal / h

Totais Qs total = 21300 + 7380

Qs total = 95100 Kcal / h

Ql total = 13200 + 118800

Ql total = 132000 Kcal / h

Ganho de calor devido a Iluminação A dissipação de calor liberado pelos aparelhos de iluminação elétrica é uma carga sensível considerável e que deve ser computada. Nos casos em que não se tenham os valores corretos de iluminação elétrica, deve-se assumir valores, segundo o estabelecido na tabela a seguir:

142

Carga Térmica

Climatização

Tabela 9.16 - Iluminação  W/m2

Local

Dormitório

10

Salas Residenciais

20

Salões de Hotel

30

Escritórios

40

Bancos

40

Lojas

60

Salas de desenhos

60

Restaurantes

20

Boates

10

Auditórios - Conferências

20

Teatros Auditórios

10

Para iluminações indiretas, com lâmpadas incandescentes, os números da tabela devem ser multiplicados por 2. Para iluminação com lâmpadas fluorescentes os números relativos à lâmpadas fluorescentes devem ser divididos por 3, segundo os valores da tabela. O ganho de calor devido a iluminação do ambiente é dada pela equação:

Qil = 0,860 . Wt

Onde: (para lâmpadas incandescentes)

Qil = carga de iluminação [Kcal/h] 0,860 = fator de conversão Wt = Potência Total [W] Para lâmpadas fluorescentes deverá ser acrescido 25% a mais, devido a carga de reatores, à saber:

Qil = 0,860 . Wt

Carga Térmica

143

Climatização

Exemplo Determinar a carga térmica total à iluminação de uma recepção de hotel com as seguintes luminárias:

•

5 candelabros com 108 lâmpadas incandescentes de 10W cada;

•

iluminação incandescente para uma área de 20 m2, iluminação indireta para pinturas a óleo;

•

iluminação fluorescente para uma área de 30m2, para escritório da gerência.

Solução 1. 5 candelabros com 108 lâmpadas incandescentes de 10W cada; Qil = 5. 108. 10. 0.86 Qil = 4644 Kcal /h 2. iluminação incandescente indireta para uma área de 20 m 2; a) da tabela de iluminação ideal, obtém-se Salões de hotel - 30W/m 2 b) Correção para iluminação indireta - dobro 30. 2 = 60W/m2 c) Total de potência de iluminação a ser gerada: 60. 2 = 120W d) Qil = 1200. 0,86 Qil = 1032 Kcal/h 3. iluminação fluorescente para escritório com 30 m2:

•

da tabela de iluminação ideal, obtém-se: -

•

Correção para iluminação indireta - 1/3 -

•

Escritório - 40W/m2 1/3 = 13,33 W/m2

Total de potência de iluminação a ser gerada: -

144

13,33 = 400 W Carga Térmica

Climatização

-

Qil = 400. 0,86. 1,25

-

Qil = 430 Kcal/h

Calor total transmitido.   Qil total = 4644 + 1032 + 430

•

  Qil total = 6106 Kcal/h

•

Ganho de calor devido à motores elétricos

Os motores elétricos fornecem calor sensível quando estão em funcionamento e esse calor deve ser removido pelo equipamento de resfriamento, quer o motor esteja na sala condicionada, quer na corrente de ar. Tomaremos como exemplo, um motor acoplado ao ventilador de insuflamento. Assuma-se que o motor é de 5 Kw e se encontra fora da câmara do ventilador. A potência fornecida ao ventilador constitui energia adicionada à corrente de ar. O calor equivalente é 5Kw. Ao equipamento de resfriamento não interessa de onde venha os 5 Kw, ele terá que efetuar o mesmo trabalho de resfriamento que o ganho de calor seja da sala ou do ventilador de insuflamento. Certamente que os motores não tem uma eficiência de 100%. Assim, para que o motor forneça 5Kw a sua alimentação terá que ser superior a 5 Kw. Assume-se que a eficiência de um motor de 5Kw é de 80%. Assim a alimentação do motor é 6.25 Kw (5,0 / 6,25). Evidentemente que esta energia chega ao motor na forma de eletricidade. Será contudo, eventualmente toda convertida em calor. Geralmente o equivalente em calor da energia elétrica de alimentação é considerado como parte da carga da sala. Quando o motor faz parte do ambiente condicionado sabe-se previamente sua potência, porém, quando faz parte do equipamento torna-se difícil computar sua potência , uma vez que os ganhos de calor do ambiente e que vão determinar as potências do equipamento frigorífico e dos motores dos mesmos. Dessa forma, a alternativa que resta é estimar sua potência e posteriormente, quando a potência frigorífica estiver definida, verificar os valores estipulados e corrigi-los se necessário. Como estimativa assume-se que cada 100m2 condicionados exigem 1 HP para potência frigorífica. O ganho de calor devido a motores elétricos pode ser obtido pela equação:

Carga Térmica

145

Climatização

Qm

=

P . Fc E

Onde: Qm = ganho do Motor [kcal / h]; P = potência do motor elétrico[W],[HP],[CV]; E = eficiência do motor elétrico; Fc = fator de Conversão de unidades. 1Watt = 0,86 Kcal/h 1HP

= 1,044 CV

1HP

= 641,2 Kcal /h

Ganho de calor devido a equipamentos e aparelhos diversos Esse ganho de calor depende da função e aplicação típica do recinto a ser condicionado, pois, estas determinarão o tipo, quantidade e potência dos equipamentos existentes. Sua composição pode ser obtida através da somatória de calor de equipamento relacionados na tabela 15. O ganho de calor de equipamentos não indicados na tabela, pode ser estimado a partir das características indicadas em sua chapa de identificação e através da equação. Deve-se ressaltar no entanto, que em alguns casos o calor liberado compõe-se de percentual latente. Suponhamos, por exemplo, que um aquecedor elétrico aqueça um líquido no recipiente aberto ou num recipiente ventilado para sala. Neste caso, uma parte do ganho de calor é convertida em calor latente. Isto pode ser estimado como cerca de 50% de calor sensível e 50% de calor latente. O ganho de calor devido a equipamentos e aparelhos diversos, pode ser obtido pela equação:

Qe = Pe . 0,86

146

Carga Térmica

Climatização

Onde: Qe

= ganho de calor [ Kcal / h]

Pe

= potência dos equipamentos em watts

0,86

= fator de conversão de watts para Kcal /h

Tabela 9.17 - Calor liberado por fontes diversas 

Kcal/h

Equipamentos Diversos

Sensível

Latente

Total

Aparelhos elétricos - por Kw

860

0

860

Forno elétrico - serviço de cozinha por Kw

690

170

860

Torradeiras e aparelhos de grelhar por Kw

770

90

860

Mesa Quente - por Kw

690

170

860

Cafeteiras – por litro

100

50

150

GLP 50% butano + 50% propano por m 3 /h

5540

700

6240

GLP (50%/50%) por Kg

9800

1200

11000

Bico de Bunsen - tamanho grande

835

215

1050

10500

10500

21000

Por m2 de superfície Superior

2130

1120

3250

Cafeteira – por litro

150

50

200

1125

2625

3750

7

7

14

Equipamentos elétricos

Equipamentos a Gás

Fogão a gás-serviço de rest. por m2 de superfície de mesa

Banho Maria

Equipamentos a Vapor Banho Maria por m2 de boca

Alimentos Por pessoa (restaurante)

Motores Elétricos Potência Placa

Eficiência aproximada

Até 1/4 CV

Por CV

60

1050

0

1050

1/2 a 1 CV

Por CV

70

900

0

900

1 1/2 CV a 5 CV

Por CV

80

800

0

800

7 1/2 CV a 20 CV

Por CV

85

150

0

750

Acima de 20 CV

Por CV

88

725

0

725

Carga Térmica

147

Climatização

Carga térmica do ambiente a ser condicionado (Verão) Deve-se somar as cargas térmicas sensíveis geradas no ambiente e depois as latentes para a fim de determinar o fator de calor sensível, a temperatura de insuflamento e a vazão de insuflamento. Abaixo o resumo: Tabela 9.18 – Resumo do Cálculo de Carga Térmica do Ambiente 

Descrição

Sensível

Latente

Transmissão

X

Insolação

X

Pessoas

X

Iluminação

X

Motores

X

Equipamentos Diversos

X

X*

CS

CL

Soma Parcial

X

* Alguns equipamentos geram carga latente através da vaporização de água, tais como: banho-maria, cafeteiras, etc.

Fator de Calor Sensível (FCS) O fator de calor sensível representa a relação entre as cargas sensíveis e latentes. Será utilizado no diagrama psicrométrico para determinar a temperatura de insuflamento.

FCS =

CS___ CS + CL

Ambientes com carga latente baixa trabalham com o FCS de 1,0 até 0,7 . Em alguns casos os diagramas psicrométricos trabalham com o multiplicador de calor sensível:

MCS = CS + CL CL

148

Carga Térmica

Climatização

Condições do Ar da saída do equipamento Teoricamente o projetista de um sistema de ar condicionado, pode selecionar a condição do fornecimento de ar, para qualquer combinação de temperaturas de bulbo seco e úmido, que se interceptam na linha de porcentagem de calor sensível. Na prática, contudo, a combinação das temperaturas de bulbo seco e úmido selecionada para o fornecimento de ar deve ser possível de obter com o equipamento usado para resfriar o ar. O ar é normalmente fornecido à sala condicionada, nas mesmas condições que deixa o equipamento de resfriamento. O equipamento de condicionamento selecionado deve ser assim, capaz de reduzir as temperaturas de bulbo seco e úmido do ar fornecido até um ponto que se situe na linha de porcentagem do calor sensível para a sala em questão. O ar pode ser resfriado através de muitas combinações diferentes de temperatura de bulbo seco e úmido, dependendo da combinação exata do projeto do equipamento de resfriamento. Contudo os pontos que representam as temperaturas de bulbo seco e úmido finais do ar ao deixar o equipamento de resfriamento deverá ser na linha de calor sensível ou debaixo dela. Os equipamentos dos tipos normalmente usados tem tendência a fornecer ar com altas umidades. Assim, por conveniência de cálculo, o ar ao deixar o equipamento de resfriamento é normalmente considerado como tendo uma porcentagem de saturação 90% apesar de se obterem umidades relativas superiores e inferiores.

Determinação da temperatura de saída do equipamento Ao projetar qualquer sistema de ar condicionado as temperaturas de bulbo seco e úmido requeridas ao ar insuflado devem ser sempre selecionadas primeiro e a partir delas calculado o volume de ar necessário para absorver a carga sensível e latente existente no ambiente e deixá-lo nas condições ideais de estudo. A temperatura de saída do equipamento de ar condicionado é conseguida através do seguinte processo, ilustrado na figura a seguir:

Carga Térmica

149

Climatização

Figura 9.7 - Temperatura de saída do equipamento 

Determinação da vazão de ar a ser insuflado 1. Localiza-se no diagrama psicrométrico o ponto que determina as condições internas do ambiente em estudo (ponto A); 2. Calcula-se o fator de calor sensível e localiza-se este ponto na escala correspondente (ponto B); 3. Une-se ponto B ao ponto de referência (PR) para utilização da escala do fator de calor sensível (reta PRB); 4. Traça-se uma paralela unindo o ponto a (condições Internas) ao ponto C determinado pela intersecção desta reta com a curva de saturação (90% UR) normalmente considerada como a porcentagem de umidade oferecida pelo equipamento de resfriamento (reta AC); 5. Através do ponto C obtém-se o valor de TBS2 na escala de temperatura de bulbo seco; 6. TBS2 é a temperatura na saída do equipamento frigorífico.

150

Carga Térmica

Climatização

Determinação da vazão de ar a ser insuflado

Vai =

CS

1

0,24 . (TBS1 - TBS2) ve

Onde: Vai

= vazão de ar insuflado [m3 /h];

CS

= calor sensível a ser absorvido [Kcal/h];

0,24

= constante prática;

TBS1 = temperatura de bulbo seco interna do ambiente [º C]; TBS2 = temperatura de bulbo seco na saída do equipamento frigorífico [º C].

Determinação da vazão de ar externo Origina-se esta parcela de carga térmica pelo fato do ar exterior em determinadas condições de temperatura e umidade passar para as condições do recinto condicionado. Este ar exterior e que vai substituir o ar que por infiltração escapa do recinto condicionado por frestas existentes nas janelas, portas, portas giratórias ou vai e vem e exaustores. O valor do volume de ar que escapa do recinto através de portas normalmente fechadas eqüivale a uma troca, por hora do volume total do recinto condicionado. O valor do volume para portas de vai e vem depende da medida e tipo dessas portas como também da freqüência de abertura das mesmas como pode-se ver na tabela a seguir extraída da NB-10 da ABNT.

Carga Térmica

151

Climatização

Tabela 9.19 - Fluxo de Ar externo pelas portas 

Pelas Portas (Normalmente Fechadas) m3 / h . pessoa

Local

Porta Giratória (1.80m)

Porta de vai-e-vem (0.90m)

Bancos

11

14

Barbearias

(-)

9

Drogarias e farmácias

10

12

Escritórios de Corretagem

9

9

Escritórios Privados

(-)

4

Escritórios em Geral

(-)

7

Lojas em Geral

12

14

Restaurantes

3

4

Lanchonetes

7

9

Pelas Portas (Normalmente Abertas) Porta de 90cm

1350 m3 /h

Porta de 180cm

2000 m3 /h

Tabela 9.20 - valores para perdas de ar por frestas de janelas e portas 

Pelas Frestas Tipo de Abertura

Observação

m3/h (por metro de frestas) (*)

Janelas  - Comum

3

 - Basculante

3

 - Guilhotina com caixilho de madeira  - Guilhotina com caixilho metálico Portas

Mal ajustada

6.5

Bem ajustada

2

Sem vedação

4.5

Com vedação

1.8

Mal ajustada

13

Bem ajustada

6.5

(*) largura da fresta considerada de 4.5 mm

152

Carga Térmica

Climatização

Tabela 9.21 - Ar exterior para renovação 

Local

m3 / h por pessoa

Concentração de

Recomendável Mínimo

Fumantes

Bancos

17

13

Ocasional

Barbearias

25

17

Considerável

Salões de beleza

17

13

Ocasional

Bares

68

42

(-)

Cassinos-Grill-Room

45

35

(-)

Escritórios Públicos

25

17

Alguns

Privados

42

25

Nenhum

Privados

51

42

Considerável

Outros Ambientes Estúdios

35

25

Nenhum

Lojas

17

13

Ocasional

Salas de hotéis

51

42

Grande

Residências

35

17

Alguns

Restaurantes

25

20

Considerável

Salas de diretores

85

50

Muito Grande

Teatros-Cinemas-Auditórios

13

8

Nenhum

Teatros-Cinemas-Auditórios

25

17

Alguns

Salas de aula

50

40

Nenhum

Salas de reuniões

85

50

Muito grande

Aplicações Gerais Por pessoa (Não fumando)

13

8

(-)

Por pessoa (fumando)

68

42

(-)

Para o cálculo de vazão correspondente do ar exterior deve-se proceder a avaliação dos seguintes valores: 1. determinar a quantidade de ar que, por motivo de ventilação deve ser introduzida no recinto condicionado; 2. determinar a quantidade de ar que escapa por portas normalmente fechadas; 3. determinar ao ar que escapa por eventuais portas de vai e vem; 4. determinar o ar que escapa por eventuais exaustores.

Carga Térmica

153

Climatização

Uma vez obtidos estes valores, adotaremos para quantidade de ar exterior o maior

valor obtido entre a necessidade de ar para renovação do ambiente com a necessidade de ar para a reposição devido as perdas. O ar exterior é admitido pelo climatizador de ar o qual deverá remover seu calor total (sensível + latente) antes de enviá-lo para o ambiente. Na tabela 11 mostramos os valores para perdas de ar por frestas de janelas e portas. Na tabela 12 mostramos os valores de quantidades de ar exterior para renovação extraídos da NB-10 da ABNT.

Condições de entrada do ar na serpentina Devemos determinar a temperatura de entrada do ar na serpentina do condicionador considerando as proporções entre as massas de ar de retorno e de ar externo.

Figura 9.8 - Esquema da caixa de mistura de ar 

Chama-se caixa de mistura de ar o local onde encontram-se as massas de ar de retorno e de ar externo. Esta caixa de mistura pode ser uma junção entre ramais de dutos ou mesmo a própria casa de máquinas do equipamento condicionador de ar. Através do esquema podemos perceber que:

VAI = VAE + VR

Onde: VAI = Vazão de insuflamento VAE = Vazão de ar externo VR = Vazão de retorno

154

Carga Térmica

Climatização

Devemos calcular a entalpia da mistura das massas de ar que será igual a entalpia de entrada do ar na serpentina do equipamento através da fórmula:

hec = hae * VAE + hr * VR VAI

Onde: hec = Entalpia de Entrada no Condicionador hae = Entalpia de Ar Externo VAE = Vazão de Ar Externo hr = Entalpia de Retorno VR = Vazão de Retorno VAI = Vazão de Insuflamento

Carga Térmica Total de Verão Devemos calcular a carga térmica total de verão através da fórmula:

CT = VAI

.

(hec – hi) ve

Onde: CT = Carga Térmica Total de Verão VAI = Vazão de Insuflamento hec = Entalpia de Entrada no Condicionador hi = Entalpia de Insuflamento ve = Volume Específico do Ambiente Condicionado

Carga térmica de aquecimento Denomina-se carga térmica de aquecimento a quantidade de calor necessária a um ambiente durante o inverno, para compensar perdas de calor devido a diferença de

Carga Térmica

155

Climatização

temperaturas entre o ar externo e o ar interno. Estas perdas manifestam-se em escape de calor do espaço condicionado.

Cálculo da resistência de aquecimento O cálculo da potência necessária para a reposição de calor ao ambiente no período do inverno, é dada em watts e é conseguida através da fórmula:

Raq = ∑Qdesf - ∑Qfav  

0,86

Onde: Raq = Potência para aquecimento [w]; ∑Qdesf = Somatória das cargas térmicas consideradas desfavoráveis para a

manutenção do ambiente em temperatura ideal de inverno. [Kcal/h]; ∑Qfav = Somatória das cargas térmicas consideradas favoráveis para a manutenção

do ambiente em temperatura ideal de inverno. [Kcal/h]; 0,86 = fator de conversão de Kcal - watts.

Cargas favoráveis As cargas consideradas como favoráveis para a manutenção do ambiente em temperatura ideal de inverno são: 1. Carga térmica devido a iluminação (sensível); 2. Carga térmica devido a motores (sensível); 3. Carga térmica devido a equipamentos (sensível); 4. Carga térmica devido a pessoas (sensível).

•

Cargas desfavoráveis

As cargas consideradas como desfavoráveis para a manutenção do ambiente em temperatura ideal de inverno são: 1. Condução - O processo de perda de calor durante o período de inverno é idêntico ao processo de ganhos de calor no verão, ou seja, por condução através das 156

Carga Térmica

Climatização

paredes, pisos, vidros e tetos. A perda de calor por condução é afetada pelos materiais de construção e pela diferença entre as temperaturas do ar externo e interno. O fator "U" é novamente usado para determinar a quantidade de calor que se perde através dos materiais. 2. Ar Externo (renovação de ar do ambiente) - Uma outra fonte de calor a considerar é o calor necessário para aumentar a temperatura do ar externo usado para renovação do ar do ambiente.

Potência de Umidificação e Potência de Reaquecimento Umidificação Como já vimos em itens anteriores, a quantidade de umidade existente no ar é um dos fatores importantes para obtenção do conforto humano, além da temperatura, pureza e velocidade do ar.

Resistência de Umidificação Um dos meios mais utilizados em instalações de ar condicionado para umidificação do ar do ambiente, são as resistências elétricas de imersão. Estas resistências, normalmente estão localizadas na saída de ar dos condicionadores do ar aos ambientes.

Cálculo da Resistência de Umidificação O cálculo da potência da resistência elétrica de imersão é necessária para umidificação do ar na situação de inverno. Pode ser obtida pela equação:

Ru = VAE . 0,65 . (Wi - We) 0,86

Onde: Ru = potência da resistência de umidificação [W] VAE = Vazão de ar externo [m3 /h] Wi = Umidade específica ou absoluta do ar interior [g/Kg] We = Umidade específica ou absoluta do ar exterior (inverno) [g/Kg] 0,86 = fator de conversão Kcal /h para watt Os valores de umidade específica ou absoluta são obtidos no diagrama psicrométrico. Carga Térmica

157

Climatização

Potência das Resistências de Reaquecimento ou Desumidificação O cálculo das resistências de desumidificação ou reaquecimento se torna necessário, no verão, devido aos seguintes fatores: 1. incidências de chuvas ocasionais de verão tornando o ar excessivamente úmido; 2. ocasional desaparecimento do sol, acarretando a baixa da carga térmica a ser retirada, prevista para o ambiente; 3. Ocasional não utilização dos eventuais equipamentos existentes no ambiente, acarretando a diminuição da carga térmica a ser retirada, prevista para o ambiente. Com base nestes fatores o cálculo da resistência de desumidificação ou reaquecimento será:

Rd = Qisol + %Qeq + %Qpes 0,86

Onde: Rd = potência da resistência de desumidificação; Qisol = carga térmica devido a insolação [W]; %Qeq = 50% da carga térmica devido a equipamentos; %Qpes = 50% da carga térmica sensível devido a pessoas.

158

Carga Térmica

Climatização

Tabela 9.22 - Recomendações para aplicações de filtros de ar 

Classe

Eficiência

de filtro

(%)

Características

Aplicações Principais

Boa eficiência contra insetos e

Condicionadores tipo janela

relativa contra poeira grossa. G0

30 - 59

Eficiência reduzida contra pólen de plantas e quase nula contra poeira atmosférica. Boa eficiência contra poeira

G1

60 - 74

Condicionadores tipo compacto

grossa e relativa contra pólen de (self contained) plantas. Eficiência reduzida contra poeira atmosférica.

G2

75 - 84

Alta eficiência contra poeira

Condicionadores de sistemas

grossa. Boa eficiência contra

centrais

pólen de plantas e relativa contra a fração grossa (75µ) da poeira atmosférica Boa eficiência contra fração

G3

F1

85 - acima grossa (>75µ) da poeira

40 - 69

Condicionadores de sistemas centrais pré filtragem para filtros

atmosférica

finos.

Eficiência satisfatória contra a

Condicionadores de sistemas

fração final (de 1 a 5µ) de poeira

centrais c para exigências altas.

atmosférica . Pouca eficiência

Pré filtragem para filtros finos F3

contra fumaças de óleos e tabaco

F2

70 - 89

Boa eficiência contra a fração

Condicionadores de sistemas

fina (de 1 a 5µ) da poeira

centrais c para exigências altas.

atmosférica. Alguma eficiência

Pré filtragem para filtros absolutos

contra fumaça de óleos e tabaco.

F3

Alta eficiência contra a fração

Pré filtro para filtros absolutos.

fina (de 1 a 5µ) da poeira

Precisa de pré filtragem por sua

atmosférica. Eficiência

vez.

90 - acima satisfatória contra fumaças de óleo e tabaco. Razoavelmente eficiente contra bactérias e fungos microscópicos.

Carga Térmica

159