Sistemas com Percurso Simples • Sistema com Volume de Ar Constante Unizona Sistemas com Percurso Duplo

Docente Responsável: Flávio Chaves Escola Superior de Tecnologia de Abrantes

2009-2010

INSTALAÇÕES DE CLIMATIZAÇÃO E REFRIGERAÇÃO 1ª PARTE DOCENTE RESPONSÁVEL: ENG. FLÁVIO CHAVES ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA DE ABRANTES ANO LECTIVO: 2009-2010

MESTRADO EM MANUTENÇÃO TÉCNICA DE EDIFÍCIOS

INSTITUTO POLITÉCNICO DE TOMAR

INSTALAÇÕES DE CLIMATIZAÇÃO E REFRIGERAÇÃO ii

ÍNDICE

CAPÍTULO 4 ............................................................................................................ 194

1. SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO DE EDIFÍCIOS ........................................ 1941.1 CLIMATIZAÇÃO ........................................................................................................... 194

1.2 SISTEMAS ...................................................................................................................... 197

1.3 ESCOLHA DO SISTEMA .............................................................................................. 201

1.4 PROJECTO ...................................................................................................................... 206

1.5 Sistemas de AVAC .......................................................................................................... 208

1.5.1 Sistemas Tudo Ar ......................................................................................................... 210

1.5.2 Sistemas Tudo Água .................................................................................................... 227

1.5.3 Sistemas Água-Ar ........................................................................................................ 235

1.5.4 Sistemas com Expansão Directa dum Fluído Refrigerante .......................................... 239

1.6 Estimativa do número de pessoas por recinto .................................................................. 241


INSTALAÇÕES DE CLIMATIZAÇÃO E REFRIGERAÇÃO iii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1: Esquema do princípio dos sistemas de climatização. .................................................... 194Figura 1.2: Sistema centralizado de aquecimento (2 tubos) de retorno invertido e com circuito secundário. ....................................................................................................................................... 195Figura 1.3: Sistema de aquecimento (de 2 tubos) apenas com circuito primério. ........................... 196Figura 1.4: Sistema centralizado de aquecimento (de 2 tubos) com mistura entre o circuito primário e secundário. ..................................................................................................................................... 196Figura 1.5: Exemplo de um sistema frigorífico do tipo seco (A) e um sistema frigorífico do tipo inundado (B). ................................................................................................................................... 197Figura 1.6: Sistema de climatização com circuito primário (encontra-se representado o sistema vulgarmente conhecido por split). .................................................................................................... 197Figura 1.7: Sistema VRV de 3 tubos com recuperação de energia. ................................................. 198Figura 1.8: As unidades individuais enviam ou retiram calor ao fluido (água) que circula num sistema que percorre todo o edifício. Existe assim um circuito que serve a totalidade do edifício (circuito de água) e simultaneamente um conjunto de unidades individuais. .................................. 198Figura 1.9: Exemplo de um sistema multisplit com uma unidade exterior servindo três unidades interiores. .......................................................................................................................................... 199Figura 1.10: Sistema VAC com possibilidade de aquecimento e arrefecimento do ar e re-aquecimento terminal ....................................................................................................................... 200Figura 1.11: Sistema VAV com possibilidade de aquecimento e arrefecimento do ar e controlo do caudal do ar no local a climatizar. .................................................................................................... 200Figura 1.12: Sistema VAV com pleno retorno. O caudal a fornecer à sala é regulado pela temperatura existente e em função da carga térmica a retirar. ......................................................... 200Figura 1.13: Sistema ar-água. O ar tratado assegura a taxa de renovação necessária enquanto que a água assegura a remoção da carga térmica interior. ......................................................................... 201Figura 1.14: Sistema de dupla conduta. As correctas condições de insuflação, nas diferentes salas, são obtidas através da mistura controlada do ar quente e de ar frio. ................................................ 202Figura 1.15: UTA para aquecimento e arrefecimento do ar utilizando um sistema de expansão directa e recuperação do calor do condensador. .............................................................................. 203Figura 1.16: Exemplo de um sistema de cogeração utilizando uma fornalha como gerador de vapor, uma turbina de contra-pressão e subtiragem de vapor para fins de aquecimento. ........................... 204Figura 1.17: Exemplo de um sistema de cogeração que utiliza um módulo de produção de energia eléctrica de turbina a gás e aproveitamento dos gases de escape para aquecimento. ...................... 205Figura 1.18: Exemplo de um sistema de trigeração utilizando um motor diesel e com aproveitamento dos gases de escape e do sistema de arrefecimento do motor para produzir aquecimento. O calor é utilizado directamente para aquecimento de água e para o funcionamento de um sistema frigorífico de absorção. ................................................................................................. 206Figura 1.19: Esquema de uma instalação com percurso simples-unizona-volume de ar constante . 213Figura 1.20: Evoluções do ar num sistema com percurso simples-unizona-volume de ar constante.

.......................................................................................................................................................... 214Figura 1.21: Esquema de uma instalação cem percurso simples-volume de ar constante com reaquecimento terminal. ..................................................................................................................... 215Figura 1.22: Evoluções do ar num sistema com percurso simples-volume de ar constante e com reaquecimento terminal (Situação de Verão). .................................................................................. 216Figura 1.23: Evolução do caudal de ar numa unidade terminal VAV em função das necessidades de arrefecimento. .................................................................................................................................... 217Figura 1.24: Esquema de uma instalação com percurso simples-volume de ar Variável sem reaquecimento terminal. ................................................................................................................... 218Figura 1.25: Evoluções do ar num sistema com percurso simples-volume de ar variável sem reaquecimento terminal. ................................................................................................................... 219


INSTALAÇÕES DE CLIMATIZAÇÃO E REFRIGERAÇÃO iv

Figura 1.26: Evoluções do caudal de ar e da potência de reaquecimento numa unidade terminal VAV com reaquecimento em função das necessidades de arrefecimento e de aquecimento. ......... 221Figura 1.27: Esquema de uma instalação com percurso simples-volume de ar variável com reaquecimento terminal. ................................................................................................................... 221Figura 1.28: Evoluções do ar num sistema com percurso simples-volume de ar variável com reaquecimento terminal. ..................................................................................................................... 222Figura 1.29: Funcionamento das caixas de mistura dos sistemas dupla conduta com caudal constante. .......................................................................................................................................... 223Figura 1.30: Esquema de uma instalação com percurso duplo-volume de ar constante (Dupla Conduta). .......................................................................................................................................... 224Figura 1.31: Evoluções do ar num sistema com percurso duplo-volume de ar constante. .............. 224Figura 1.32: Esquema de uma instalação com percurso duplo-volume de ar constante (Multizona).

.......................................................................................................................................................... 225Figura 1.33: Funcionamento das caixas de mistura nos sistemas dupla conduta com ..................... 226Figura 1.34: Esquema da montagem dum ventilo-convector. ......................................................... 228Figura 1.35: a) - Circuito simples com retorno directo. ................................................................... 228Figura 1.36: b) – Associação de vários circuitos com retorno directo. ............................................ 229Figura 1.37: c) - Circuito simples com retorno invertido ................................................................ 229Figura 1.38: Associação de vários circuitos com retorno invertido. ................................................ 229Figura 1.39: Controlo da temperatura ambiente através de ventilo-convectores com sistema a dois tubos. ................................................................................................................................................ 230Figura 1.40: a)- Sistema a dois tubos apenas com arrefecimento com água gelada ........................ 231Figura 1.41: b) Sistema a dois tubos com arrefecimento e aquecimento usando bomaba de calor. 231Figura 1.42: c) Sistema a dois tubos apenas com chiller e caldeira. ................................................ 231Figura 1.43: Controlo da temperatura ambiente através de ventilo-convectores com sistema a três tubos. ................................................................................................................................................ 232Figura 1.44: Sistema tudo água a três tubos. ...................................................................................... 233Figura 1.45: Controlo da temperatura ambiente através de ventilo-convectores com sistema a quatro tubos. ................................................................................................................................................ 234Figura 1.46: Sistema tudo água a quatro tubos. ................................................................................. 234Figura 1.47: Introdução directa do ar primário em unidades terminais. .......................................... 235Figura 1.48: Instalação dum sistema Ar-Água com unidades de indução a quatro tubos. .............. 237Figura 1.49: Instalação dum sistema Ar-Água com ventilo-convectores a quatro tubos. ............... 238Figura 1.50: Bomba de calor reversível, .......................................................................................... 239


INSTALAÇÕES DE CLIMATIZAÇÃO E REFRIGERAÇÃO v

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1.1: Sistemas Tudo Ar mais usuais. ..................................................................................... 212Tabela 1.2: Estimativa do número de pessoas por recinto. .............................................................. 241


INSTALAÇÕES DE CLIMATIZAÇÃO E REFRIGERAÇÃO 194

CAPÍTULO 4

1. SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO DE EDIFÍCIOS

É importante termos a noção que existem várias soluções que podem ser aplicadas para

climatizar um espaço ou um conjunto de espaços.

Alguns factores que influenciam a solução a adoptar são:

Qualidade do ar a obter;

Potência de instalação;

Consumo energético;

Poluição ambiental;

Custos de exploração;

Segurança dos trabalhadores e utilizadores.

1.1 CLIMATIZAÇÃO

No Verão a energia libertada pelas actividades das pessoas, equipamentos (motores, fornos,

etc.) e aparelhos de iluminação aumentam a temperatura do ar no interior de um espaço físico,

pelo que ao fim de algum tempo poderia tornar-se muito incómodo trabalhar nesse local. De

forma análoga no Inverno, as perdas de calor através da envolvente podem significar um

abaixamento da temperatura interior, tornando desconfortável o exercício de determinada

actividade por parte dos ocupantes.

De forma a minimizar estes efeitos desagradáveis tenta-se que as cargas térmicas sejam

dissipadas pelo fluido de acondicionamento térmico utilizado.

Figura 1.1: Esquema do princípio dos sistemas de climatização.



A forma como é feito o aquecimento ou arrefecimento do fluido pode variar. O aquecimento

ou arrefecimento pode ser efectuado no interior da habitação ou no exterior e depois

transportado para essa habitação.

O fluido a utilizar pode ser um refrigerante, água, soluções aquosas (água glicolada,

salmouras) ar e gases.

Exemplos de aquecimento ou arrefecimento directamente no local são obtidos através de

aparelhos portáteis:

Termo-ventiladores;

Radiadores eléctricos;

Aparelhos portáteis de arrefecimento evaporativo.

Nos sistemas centrais o fluido é aquecido ou arrefecido num local exterior àquele que se quer

climatizar.

Caso o aquecimento ou arrefecimento do fluido que provoca a climatização do espaço seja

feito por troca de calor num permutador com um outro fluido que sofreu um aquecimento ou

arrefecimento (equipamento principal) obtemos um sistema com circuito secundário: onde

circula o fluido térmico que remove/fornece calor ao espaço a climatizar (vd. figura 5.2).

Figura 1.2: Sistema centralizado de aquecimento (2 tubos) de retorno invertido e com circuito secundário.

O circuito primário, onde se efectua o aquecimento ou arrefecimento inicial, também possui

um fluido térmico que pode ou não ser diferente do utilizado na climatização directa do local.

No caso de existir apenas um circuito onde o fluido é aquecido ou arrefecido (seguindo para

os locais a climatizar) trata-se de um sistema com circuito primário (vd. figura 1.3).



Figura 1.3: Sistema de aquecimento (de 2 tubos) apenas com circuito primério.

Em alguns casos, quando o fluido térmico utilizado é água em ambos os circuitos, existe a

mistura entre o circuito primário e secundário (vd. figura 1.4).

Figura 1.4: Sistema centralizado de aquecimento (de 2 tubos) com mistura entre o circuito primário e

secundário.

Num sistema de climatização, o aquecimento é obtido através de caldeiras, sistema de bomba

de calor (por ciclo de compressão de vapor ou ciclo de absorção), energia solar térmica,

cogeração, enquanto que o arrefecimento é obtido por um sistema frigorífico de compressão

de vapor, de absorção ou de ciclo de ar (isto não significa que sejam as únicas formas de

obtenção de calor e frio, mas que a sua aplicação não ocorre nos sistemas usuais de

climatização).

Na figura 1.5 encontra-se representado um sistema de produção de frio. Para uma mesma

aplicação, pode ter-se um sistema de um andar de compressão do tipo inundado ou do tipo

seco. Neste último caso podem utilizar-se compressores alternativos ou de parafuso (que serão

abordados na segunda parte da disciplina).



Figura 1.5: Exemplo de um sistema frigorífico do tipo seco (A) e um sistema frigorífico do tipo inundado

(B).

Existe, portanto, um enorme conjunto de opções possíveis para efectuar a climatização dos

edifícios, sendo que alguns pormenores deverão ser tidos em consideração: consumo

energético necessário a que se junta a operação do sistema e manutenção, concepção do

sistema, equipamentos escolhidos, etc.

1.2 SISTEMAS

Os sistemas existentes podem ser divididos em centralizados e individuais, tendo em conta a

área a climatizar e o local onde se produz inicialmente o calor ou o frio.

Um sistema centralizado tem por objectivo servir a totalidade (ou a maior parte) do edifício,

pelo que o circuito primário encontra-se perfeitamente localizado na chamada zona técnica e

cujo acesso é restrito ao pessoal técnico. A climatização dos locais pode ser feita por um

fluido diferente ou não do que circula no circuito primário.

Um sistema individual é na realidade um aparelho ou um conjunto de aparelhos diferentes que

servem de forma individual cada espaço do edifício.

Figura 1.6: Sistema de climatização com circuito primário (encontra-se representado o sistema

vulgarmente conhecido por split).



Começa-se a aceitar um terceiro grupo específico designado por sistemas modulares. Estão

neste caso, os sistemas de volume de refrigerante variável (VRV). Apenas existe um circuito:

o refrigerante (primário) vai até aos locais a climatizar (vd. figura 5.7).

Figura 1.7: Sistema VRV de 3 tubos com recuperação de energia.

Estes sistemas não podem ser directamente classificados como centralizados pois é um

sistema que serve um conjunto de zonas de um edifício e que pode ser facilmente ampliado.

Um sistema VRV climatiza normalmente entre 4 a 15 zonas distintas, sendo constituído por

uma unidade exterior e 4 a 15 unidades interiores. Por vezes também são designados por

sistemas semi-centralizados.

Figura 1.8: As unidades individuais enviam ou retiram calor ao fluido (água) que circula num sistema que

percorre todo o edifício. Existe assim um circuito que serve a totalidade do edifício (circuito de água) e

simultaneamente um conjunto de unidades individuais.



Dependendo do fabricante, um modelo multisplit fornece energia entre 2 a 4 espaços (em

casos especiais podem-se atingir 6 espaços).

Figura 1.9: Exemplo de um sistema multisplit com uma unidade exterior servindo três unidades

interiores.

A classificação dos sistemas não pode ser considerada apenas como uma forma pedagógica ou

de sistematização. Face ao actual RSECE, o facto de um determinado sistema pertencer a um

ou outro grande grupo tem implicações. O regulamento impõe restrições ao uso de sistemas

individuais e considera apenas a existência de dois grupos: Sistemas unitários e Sistemas

centralizados. Não existem recomendações para todos os casos apresentados mas, para fins de

aplicação do regulamento dos sistemas de climatização, será natural considerar-se um sistema

VRV como associado aos sistemas do tipo centralizado, enquanto que um sistema multisplit

deverá ser considerado como sistema unitário.

Os sistemas também podem ser classificados quanto ao fluido térmico utilizado (refrigerante

secundário). Esta classificação é utilizada em sistemas centralizados.

Os sistemas podem ser:

Tudo-ar – onde o frio ou calor é transportado para o local a climatizar através do ar,

previamente arrefecido ou aquecido numa Unidade de Tratamento de Ar, UTA.

Existem dois tipos de sistemas:

o Volume de Ar Constante (VAC);

o Volume de Ar Variável (VAV);

No primeiro caso, o caudal de ar a fornecer é constante e o sistema permite alterar as

condições de fornecimento de forma a garantir a remoção da carga térmica existente.

O sistema VAC, embora simples, tem vindo a cair em desuso devido principalmente

aos elevados consumos de ventilação. O sistema VAV, que na sua forma mais simples

tem o problema de um fornecimento de ar deficiente quando a carga térmica a retirar é



pequena, também apresenta problemas de equilíbrio em locais com carga térmica

bastante variável. No entanto, passou a ter uma maior aceitação quando passou a ser

utilizado na sua concepção um pleno de retorno, eliminando este tipo de problemas.

Existe ainda um outro sistema alternativo designado por sistemas de Volume e

Temperatura Variável (VTV). Possuem o pleno retorno ou um by-pass ao retorno,

permitindo a variação da temperatura do caudal principal. Precisam de um sistema de

gestão para controlar o seu funcionamento.

Figura 1.10: Sistema VAC com possibilidade

de aquecimento e arrefecimento do ar e re-

aquecimento terminal

Figura 1.11: Sistema VAV com possibilidade de

aquecimento e arrefecimento do ar e controlo do caudal

do ar no local a climatizar.

Figura 1.12: Sistema VAV com pleno retorno. O caudal a fornecer à sala é regulado pela temperatura

existente e em função da carga térmica a retirar.

O sistema VAC pode conduzir a consumos energéticos elevados. Nos sistemas Tudo-

Ar, o retorno à UTA pode ser feito por uma conduta própria ou recorrendo a zonas

comuns do edifício. Consoante o sistema utilizado pode ou não haver admissão de ar

novo, proveniente do exterior.

Tudo-água – o frio ou o calor é levado ao local a climatizar, respectivamente por, água

refrigerada ou água quente.



Ar-água – existem diferentes tipos, devido à forma como se encontra dividido a

remoção da carga térmica através da água e do ar. A solução mais vezes utilizada

consiste em remover a carga térmica do interior do local através do circuito de água

eliminando ou fornecendo simultaneamente a energia térmica ao ar exterior no sentido

de se atingir o equilíbrio térmico novamente no interior do local. Esta solução costuma

designar-se por utilização de Ar-Neutro.

Figura 1.13: Sistema ar-água. O ar tratado assegura a taxa de renovação necessária enquanto que a água

assegura a remoção da carga térmica interior.

As instalações, tendo em conta a forma como o fluido térmico está em contacto com o meio a

arrefecer e com o exterior, podem ser classificadas como:

Sistema directo;

Sistema indirecto;

Sistema de perda total (por exemplo: azoto líquido).

O sistema directo consiste num sistema sem circuitos secundários onde o evaporador está em

contacto com o meio a arrefecer (sistema tudo-refrigerante). O sistema indirecto consiste num

sistema com circuito secundário que vai servir para o arrefecimento do local (sistema

centralizado tudo-ar). No sistema de perda total, o arrefecimento é efectuado à custa da perda

do fluido para a atmosfera (não tem aplicação em edifícios).

1.3 ESCOLHA DO SISTEMA

Um dos problemas que ocorre num sistema de ar condicionado é a necessidade de garantir a

renovação do ar e a remoção de diferentes cargas térmicas interiores.

No caso de sistemas individuais, o problema não existe, já que cada aparelho funciona de

forma independente. Nos sistemas multisplit e nos sistemas VRV com ou sem recuperação de



calor, o problema é à partida resolvido visto que cada unidade terminal pode remover ou

ceder quantidades de calor distintas (regulação individual).

Nos sistemas Tudo-água, a solução do problema passa pela regulação individual das baterias

(dos ventiloconvectores). Nos sistemas Tudo-ar existem diferentes possibilidades que

permitem resolver o problema. Uma das soluções é a do reaquecimento terminal recorrendo a

sistemas VAC. Esta solução simples é energicamente insuficiente quando o reaquecimento

terminal é realizado por resistência eléctrica (o que levou a serem impostas restrições

regulamentares à sua aplicação). Uma solução energeticamente eficiente é a dos sistemas de

dupla conduta, como se representa na figura 1.14. No entanto, este sistema raramente é

utilizado, pois necessita de um volume de condutas superior à de qualquer outro sistema e os

custos associados à sua aplicação também são muito superiores.

Figura 1.14: Sistema de dupla conduta. As correctas condições de insuflação, nas diferentes salas, são

obtidas através da mistura controlada do ar quente e de ar frio.

As soluções nos casos de sistemas de VAV passam pela limitação do caudal de insuflação e

pela utilização de reaquecimento terminal, de uma forma semelhante à utilizada nos sistemas

VAC ou através da inclusão de pleno retorno. Ambas as soluções evitam que o caudal

fornecido tenda para zero à medida que a carga térmica se reduz e se eliminam os problemas

de equilíbrio do sistema de condutas. No entanto, a primeira solução é energeticamente

deficiente quando comparada com a segunda, pelo que para reduzir esta deficiência costuma-

se adoptar o controlo da temperatura do caudal principal.

Para além dos problemas inerentes à remoção das cargas térmicas nos diferentes locais de um

edifício, e ao transporte do fluido térmico aos locais a climatizar, é necessário atender à forma

como é produzido o calor e o frio. Este problema põe-se ao nível do circuito primário e

depende do equipamento escolhido.



Se optarmos por utilizar uma caldeira para realizar o aquecimento as necessidades de calor

variam ao longo do ano, pelo que a potência necessária também irá variar.

Quando uma caldeira utiliza um determinado combustível falamos em funcionamento em

carga parcial mas que se traduz numa perda de eficiência.

Caso optemos por utilizar uma caldeira eléctrica, o maior problema reside no custo do

consumo energético e a sua forma de aproveitamento, o que muitas vezes não acontece da

forma mais apropriada.

Quando recorremos a um sistema de bomba de calor, com um sistema de compressão de

vapor ou de absorção, o calor recebido no evaporador pode ser retirado ao exterior ou servir

para produzir frio útil.

No caso de utilizarmos um sistema frigorífico, de compressão de vapor ou de absorção, para

efectuar o arrefecimento, o calor cedido pelo condensador pode ser enviado para o exterior ou

servir para produzir aquecimento útil.

Figura 1.15: UTA para aquecimento e arrefecimento do ar utilizando um sistema de expansão directa e

recuperação do calor do condensador.

Quando recorremos a um de trigeração (cogeração + sistema frigorífico de absorção) (ver

figura 1.18) a relação entre a electricidade e o calor produzidos pelo sistema de cogeração não

estará sempre na proporção correcta das necessidades de electricidade e das necessidades de

calor para o aquecimento, para o funcionamento do sistema de absorção e até de calor de

processo. Assim sendo, pode existir um excesso de electricidade face às necessidades de calor

necessárias, pelo que neste caso é necessário o recurso a sistemas de acumulação ou sistemas

de apoio de produção de calor.



Existem diversas soluções para a produção combinada de calor e electricidade (cogeração).

As mais usuais são:

Produção de vapor e utilização de turbina a vapor acoplada a gerador de electricidade.

Utilizam o ciclo de Rankine, correspondente a uma evolução p-s-p-s, ou seja, que as

evoluções num ciclo teórico simples terão lugar sucessivamente a pressão constante

(fase de aquecimento), entropia constante (fase de expansão), pressão constante (fase

de arrefecimento), entropia constante (fase de bombagem/elevação da pressão). O

vapor produzido no gerador é utilizado para o accionamento da turbina e para vapor de

processo, ou seja, como fonte de calor para fins de aquecimento e, no caso da

trigeração como fonte de calor para a máquina frigorífica de absorção.

Figura 1.16: Exemplo de um sistema de cogeração utilizando uma fornalha como gerador de vapor, uma

turbina de contra-pressão e subtiragem de vapor para fins de aquecimento.

Neste caso, a alta pressão é determinada pelo barrilete da fornalha. O aquecimento da água

com passagem a vapor e sobreaquecimento do vapor corresponde à evolução teórica a pressão

constante. A expansão da turbina a vapor constante corresponde à evolução teórica a entropia

constante. A energia produzida pela expansão dos gases na turbina é transmitida ao veio

acoplado ao gerador eléctrico. O arrefecimento do vapor no condensador, com passagem do

fluido ao estado líquido, corresponde à evolução teórica de arrefecimento a pressão constante.

A evolução na bomba, com elevação da pressão da água, corresponde à evolução teórica a

entropia constante. O vapor utilizado no aquecimento é obtido numa subtiragem à turbina. Os

condensados resultantes da utilização deste vapor são misturados com o caudal de água

proveniente do condensador.

Produção de gás quente e utilização de turbina a gás acoplada a gerador de

electricidade. Utilizam o ciclo de Joule, correspondente a uma evolução s-p-s-p, ou

seja, as evoluções num ciclo teórico simples ocorrem da seguinte forma: entropia

constante (fase de compressão), pressão constante (fase de aquecimento), entropia



constante (fase de expansão), pressão constante (fase de arrefecimento). O gás

comprimido e aquecido é utilizado para o accionamento da turbina e como fonte de

calor para o aquecimento e, no caso da trigeração, como fonte de calor para a máquina

frigorífica de absorção.

Figura 1.17: Exemplo de um sistema de cogeração que utiliza um módulo de produção de energia eléctrica

de turbina a gás e aproveitamento dos gases de escape para aquecimento.

A alta pressão é determinada pela taxa de compressão dos compressores, enquanto que a

baixa pressão corresponde à pressão atmosférica. A evolução de compressão corresponde à

evolução teórica da entropia constante. A queima de combustível nas câmaras de combustão

corresponde à evolução teórica de aquecimento a pressão constante. Na análise

termodinâmica deste ciclo considera-se que os gases de combustão têm propriedades

termodinâmicas idênticas às do ar (hipótese aceitável pelo excesso de ar na combustão). A

expansão na turbina a gás corresponde à evolução teórica a entropia constante. A energia

produzida pela expansão dos gases na turbina é transmitida ao veio acoplado ao gerador

eléctrico. Os gases, antes de serem enviados para a atmosfera, são arrefecidos, aquecendo um

fluido (por exemplo: água). O restante arrefecimento ocorre na atmosfera, no exterior da

instalação (os gases de exaustão são lançados na atmosfera e o ar fresco é comprimido pelo

compressor). Esta evolução corresponde a um arrefecimento a pressão constante.

Produção de gás quente e accionamento directo do gerador de electricidade através de

um motor de combustão interna. Normalmente, recorre-se a um motor de explosão ou

a um motor diesel.



Figura 1.18: Exemplo de um sistema de trigeração utilizando um motor diesel e com aproveitamento dos

gases de escape e do sistema de arrefecimento do motor para produzir aquecimento. O calor é utilizado

directamente para aquecimento de água e para o funcionamento de um sistema frigorífico de absorção.

Neste caso, a alta pressão é determinada pela taxa de compressão do motor, enquanto que a

baixa pressão corresponde à pressão de admissão do ar no motor. As evoluções do ciclo

termodinâmico ocorrem no interior do motor. A energia produzida pelo ciclo é transmitida ao

veio acoplado ao gerador eléctrico. O calor utilizado no aquecimento e no funcionamento do

sistema frigorífico de absorção é obtido no aproveitamento da temperatura dos gases de

escape e do sistema de arrefecimento do motor.

1.4 PROJECTO

O projecto duma instalação dum sistema de condicionamento de ar dum edifício grande, é

uma tarefa extremamente complexa, que poderá levar meses e até mesmo anos, e envolver

várias pessoas na sua execução. Por outro lado, o projecto duma residência privada é muito

mais simples, e envolve apenas uma ou duas pessoas. Na construção dum edifício com

complexidade significativa, o projecto do sistema das instalações AVAC deve ser da

responsabilidade do engenheiro mecânico enquanto que o projecto da parte da electricidade,

estrutura, saneamento e outras especialidades são da responsabilidade dos respectivos

engenheiros consultores. Cada uma destas contribuições deve ser realizada com um espirito

de cooperação entre os arquitectos e os engenheiros responsáveis pelas diferentes

especialidades. A coordenação destas tarefas é difícil, mas é bastante importante para garantir

o sucesso na execução do edifício e o seu bom desempenho no futuro.



Após a fase de projecto surge a fase de lançamento da execução da obra a concurso na qual

são apresentadas e analisadas as diferentes propostas de execução da obra A responsabilidade

da execução da obra é do empreiteiro geral que apresentou a melhor proposta. Este ajusta com

o dono da obra a sua realização e em muitas das vezes delega a execução de algumas

especialidades, tais como as instalações eléctricas e as instalações mecânicas, em sub-

empreiteiros da respectiva especialidade. A empresa responsável pela sub-empreitada das

instalações AVAC deve fornecer todo o equipamento e material de AVAC a instalar pelo seu

corpo de pessoal técnico qualificado e realizar no fim da instalação os testes e os ajustes

necessários de iodo o sistema AVAC.

Depois, já durante a fase de exploração do edifício, a condução e a manutenção do sistema

AVAC devem ser norteadas de modo a manter as condições de conforto ambiental dentro do

edifício, minimizar os consumos de energia e garantir que o sistema esteja sempre em

condições de bom funcionamento.

Ultimamente, as preocupações e os esforços com vista à conservação da energia e à redução

dos custos têm revolucionado o projecto e a operação das instalações de AVAC. Este

contributo deve-se à utilização dos computadores. Ao nível do projecto é possível pois

conceber sistemas com maior rigor em tempo reduzido, reduzir o risco de

sobredimensionamento exagerado dos sistemas e simular o seu funcionamento com vista a

avaliar o seu desempenho e os consumos energéticos envolvidos. A utilização de sistemas de

gestão técnica centralizada durante a fase de exploração do sistema permite controlar o

funcionamento da instalação duma forma mais eficiente, obter uma minimização dos

consumos de energia e reduzir os custos com os trabalhos de manutenção.

O investimento do cliente em sistemas AVAC tem como objectivo principal garantir

ambientes adequados ao fim em causa (conforto, processos específicos). Consegue-se com

estes sistemas:

• Reduzir a fadiga e as falhas dos empregados;

• Aumentar as vendas de bens ou serviços;

• Aumentar a rentabilidade;

• Valorizar a propriedade mesmo antes da fase de conclusão da obra.



Por outro lado, o projectista do sistema AVAC com base no conhecimento das cargas

térmicas deve propor soluções que consigam:

• Assegurar a manutenção das condições ambientais pretendidas;

• Enquadrar-se de forma satisfatória no espaço disponível;

• Proporcionar uma boa combinação entre o custo inicial, custo de exploração e

qualidade do serviço prestado.

Mais uma vez se realça o facto de que na escolha do sistema de condicionamento de ar deve

haver um bom entendimento entre as diferentes partes envolvidas. O projectista tem então

como tarefas principais a seu cargo:

• Definir qual o melhor sistema a adoptar para o edifício;

• Calcular as cargas térmicas de aquecimento e de arrefecimento;

• Dimensionar as tubagens e condutas;

• Seleccionar o tipo e a dimensão do equipamento;

• Definir a localização dos diversos componentes de equipamento a instalar no edifício.

Esta informação é apresentada nos desenhos do sistema e nas especificações técnicas para

posterior utilização nas fases de concurso e de instalação do equipamento de ar condicionado.

1.5 SISTEMAS DE AVAC

O termo AVAC, vulgarmente utilizado na designação dos sistemas de climatização, refere-se

aos sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado. Uma instalação de ar

condicionado deve ser capaz de manter ao longo de todo o ano e em todos os ambientes

condicionados, a temperatura desejada e humidade relativa aceitável. Deve também assegurar

uma pureza do ambiente adequada e simultaneamente manter a velocidade do ar nas zonas

ocupadas dentro dos limites requeridos para proporcionar condições de conforto aos

ocupantes. O controlo da pureza e o movimento do ar não apresenta normalmente problemas,

visto que é suficiente estabelecer adequadamente o caudal de ar exterior que deve ser

introduzido, o tipo de filtros que deverão ser adoptados e estudar o sistema de distribuição de

ar no ambiente.



Nos casos dos sistemas em que o caudal de ar insuflado no ambiente seja variável é, sem

dúvida, necessário prestar especial atenção porque em determinadas alturas, nomeadamente

sob condições de carga reduzida, a distribuição do ar na zona ocupada pode ser deficiente

devido à velocidade do ar em contacto com os ocupantes poder ser muito baixa, a diluição dos

contaminantes tomar-se insuficiente e, eventualmente o ruído variável pode tomar-se

incomodativo.

A manutenção da humidade relativa dentro dos limites aceitáveis pode ser conseguida duma

forma adequada desde que os efeitos da carga sensível e da carga latente sejam controlados

separadamente. Quando o processo de remoção da carga sensível e da carga latente, é feito em

simultâneo, como é exemplo o processo que ocorre numa bateria de arrefecimento, surgem

dificuldades no controlo da humidade relativa porque o funcionamento da bateria é

comandado normalmente pelo termóstato.

Um problema importante que também se coloca nas instalações de ar condicionado, é o de

conseguir manter as temperaturas dos diferentes ambientes dentro dos limites definidos no

projecto, problema que é especialmente complexo nos edifícios em que existam

simultaneamente determinadas zonas que necessitam de ser aquecidas e outras zonas que

necessitam de ser arrefecidas. Estas necessidades surgem do facto de que as cargas térmicas

de aquecimento e de arrefecimento muitas das vezes evoluírem no tempo de forma diferente

em cada uma das zonas do edifício devido à influência da temperatura exterior, radiação solar,

ocupação e outras causas.

É neste âmbito que é importante estudar as características e limitações dos diferentes tipos de

sistemas de condicionamento de ar, para saber até que ponto é que um determinado sistema é

adequado ou não, para um determinado caso particular de condicionamento de ar.

Os sistemas de condicionamento de ar adoptados na prática, podem ser classificados segundo

o tipo de fluido ou fluidos que se empregam nos equipamentos terminais existentes nos

ambientes condicionados para anular o efeito das cargas térmicas latentes e sensíveis desses

mesmos ambientes.

Deste modo podem então ser definidos os seguintes quatro grupos de sistemas de

condicionamento de ar:

• Sistemas Tudo Ar;

• Sistemas Tudo Água;

• Sistemas Água-Ar;



• Sistemas com Expansão Directa dum Fluido Refrigerante (split)

Uma outra classificação possível é relativamente ao tipo de instalação do equipamento. Neste

âmbito aparece então a seguinte divisão quanto à localização dos equipamentos de produção

de calor e de frio inerentes aos sistemas:

• Sistemas individuais;

• Sistemas centralizados;

• Sistemas semi-centralizados.

Nos sistemas individuais

, os equipamentos de produção de calor ou de frio são compactos,

fabricados em série, utilizam o sistema de expansão directa de um fluido refrigerante, servem

apenas um local e estão localizados próximos dos ambientes que condicionam.

Nos sistemas centralizados

, os equipamentos de produção de frio e de calor estão situados em

local técnico distinto dos locais condicionados. Estes sistemas podem servir vários locais

através da distribuição do fluido de transferência de energia (ar, água ou fluido refrigerante)

pelos equipamentos terminais em contacto directo com o ambiente dos locais condicionados.

Existem inúmeros tipos de sistemas AVAC e formas de serem utilizados para controlar as

condições ambientais no interior dos edifícios. Em cada aplicação, o projectista deve pois

considerar as características de cada tipo de sistema e decidir qual a melhor solução a

escolher.

1.5.1 SISTEMAS TUDO AR

Os sistemas tudo ar consistem numa técnica de climatização em que a remoção da carga

térmica das diferentes zonas dum edifício é efectuada apenas pela distribuição de ar que foi

tratado nos equipamentos dos sistemas individuais ou nos sistemas centralizados.

Nos locais técnicos centralizados existem normalmente unidades produtoras de água gelada e

de água quente ("Chillers/Bomba de calor" e Caldeiras) que asseguram a produção primária

de frio e de calor, utilizando fluidos refrigerantes e água, necessária nos equipamentos de



tratamento de ar (U.T.A.'s). O ar depois de tratado é distribuído até aos locais condicionados

onde, ao ser insuflado no ambiente pelos dispositivos terminais (grelhas ou difusores) deve

"varrer" adequadamente a zona ocupada para que o efeito da carga térmica em jogo seja

realmente anulado duma forma correcta. Na prática existem poucos sistemas verdadeiramente

do tipo tudo-ar.

Nesta classe dos sistemas tudo ar é possível ainda definir os seguintes grupos relativamente ao

modo como é feita a distribuição de ar:

• Sistemas com percurso simples;

• Sistemas com percurso duplo.

Nos sistemas com percurso simples

, a distribuição do ar frio ou quente é feito apenas por uma

conduta até ao local a climatizar e as baterias principais, de aquecimento e de arrefecimento,

existentes na unidade de tratamento de ar (UTA) estão montadas em série. A temperatura do

escoamento de ar que chega a cada um dos locais é idêntica em todos.

Nos sistemas com percurso duplo

, o aquecimento e o arrefecimento do ar processa-se em

simultâneo, respectivamente, nas baterias de aquecimento e de arrefecimento montadas em

paralelo.

Dentro destes dois grupos de sistemas existem sistemas com características particulares bem

diferentes, tais como poderem servir uma ou mais que uma zona, permitirem tirar partido da

variação de caudal de ar e possuírem reaquecimento terminal ou não. Na Tabela 5.1,

apresentam-se então os Sistemas Tudo Ar mais comuns.

De seguida faz-se uma análise detalhada sobre alguns destes sistemas.



Tabela 1.1: Sistemas Tudo Ar mais usuais.

Sistemas com Percurso Simples Sistemas com Percurso Duplo

• Sistema com Volume de Ar Constante Unizona

ou Zona Simples

• Sistema com Volume de Ar Constante

com Reaquecimento Terminal

• Sistema com Voíume de Ar Variável

• Sistema com Volume de Ar Variável

com Reaquecimento

• Sistema com Volume de Ar Constante

• Sistema com Volume de Ar Constante e

com Reaquecimento Terminal

• Sistema com Volume de Ar Variável -Sistema

Multizona

Sistema com Percurso Simples-Unizona-Volume de Ar Constante

Este tipo de sistema Tudo Ar é o mais simples e aplica-se só a uma zona térmica como por

exemplo um local de grande dimensão. Poderá também servir satisfatoriamente um

conjunto

de salas distintas desde que não haja uma diferença significativa na evolução temporal das

cargas térmicas de cada uma dessas salas.

Caso a zona térmica a climatizar englobe várias salas, o ar tratado na unidade de tratamento

de ar é distribuído a todas essas salas nas mesmas condições de temperatura e humidade.



A Figura 1.19 representa o esquema da instalação deste sistema A representação das

evoluções do ar é feita no diagrama psicrométrico da Figura 1.20. A troca de calor sensível

nas condutas de distribuição de ar não foi considerada.

Este sistema é caracterizado por um caudal de ar de insuflação sempre constante durante todo

o ano quer na estação de arrefecimento quer na estação de aquecimento. Com os sistemas a

volume de ar constante consegue-se obter uma distribuição do ar na zona térmica sempre

constante e independente do regime de funcionamento do sistema. Um dos inconvenientes

deste sistema é o elevado consumo de energia associado ao funcionamento dos ventiladores

durante os períodos de funcionamento a carga parcial reduzida.

Figura 1.19: Esquema de uma instalação com percurso simples-unizona-volume de ar constante



Humidade Relativa [%]

Temperatura de bolbo seco [°C]

Figura 1.20: Evoluções do ar num sistema com percurso simples-unizona-volume de ar constante.

Nos sistemas em que é feita a recirculação de parte do ar extraído da zona térmica para que

depois a mistura obtida com o ar novo seja devidamente tratada e distribuída pela zona

térmica condicionada. A recirculação é feita por questões de economia de energia, contudo

existem alturas em que o estado do ar exterior está em melhores condições do que o ar

recirculado relativamente ao estado do ar que se pretende na insuflação. Deste modo, os

registos de ar novo, de recirculação e de rejeição devem ser comandados de forma a tirar

partido das condições favoráveis do estado do ar exterior. Quando o ar do retorno estiver em

melhore condições para proporcionar poupança de energia não deve ser utilizado na totalidade

porque deve ser garantido na insuflação um caudal mínimo de ar novo para assegurar a

qualidade do ar interior. Por outro lado, existem aplicações específicas como são exemplo os

blocos operatórios dos hospitais em que não é permitido efectuar recirculação de ar.

O controlo das condições ambientais, temperatura e humidade relativa, é feito através de

termóstatos e de humidostatos. Os sensores da temperatura e de humidade poderão estar

localizados num ponto estratégico do ambiente ou então na conduta de retorno. Para garantir

que a temperatura e a humidade relativa sejam controladas é necessário no Inverno proceder a

um aquecimento sensível seguido dum processo de humidificação. No Verão, o controlo do



processo de arrefecimento e de desumidificação verificado na bateria de arrefecimento deve

ser bem articulado com o processo de reaquecimento para garantir o controlo das condições

ambientais.

A vantagem deste tipo de sistema consiste na sua simplicidade

, e não requer um espaço

disponível menor que os sistemas com percurso duplo. A desvantagem que apresenta reside

no facto de não haver diferenciação no controlo da temperatura dos diferentes espaços, o que

limita a sua aplicação.

Sistema com Percurso Simples-Volume de Ar Constante com Reaquecimento Terminal

Quando o edifício a climatizar é composto por um conjunto de salas com cargas térmicas

distintas é possível controlar a temperatura de cada uma das salas com o sistema anterior

complementado com baterias de reaquecimento terminal junto de cada uma das salas

As

. O

reaquecimento terminal pode ser feito com água quente, vapor ou mesmo até electricidade e é

controlado pelo termóstato de cada zona.

Figura 1.21 e Figura 1.22 referem-se a este sistema Tudo Ar com reaquecimento terminal.

As trocas de calor sensível existentes nas condutas de distribuição de ar não foram

consideradas nesta representação.

Figura 1.21: Esquema de uma instalação cem percurso simples-volume de ar constante com reaquecimento

terminal.

A-Recirculação B-Filtro C-Bateria de Pré-Aquecimento (opcional)

D-Humidificador E-Bateria de Arrefecimento F-Bateria de Aquecimento

G-Ventilador de Insuflação H-Baterias de Reaquecimento Terminal I-Ventilador de Extracção



Figura 1.22: Evoluções do ar num sistema com percurso simples-volume de ar constante e com

reaquecimento terminal (Situação de Verão).

O facto dos ganhos de calor latente em cada uma das salas ser distinto e o conteúdo de

humidade do ar de insuflação ser comum a todas as salas conduz a que a humidade relativa

nos diferentes espaços apresente valores distintos nas diferentes salas. Caso se pretenda com

este tipo de sistema também controlar a humidade relativa em cada uma das salas deve ser

adicionado ao sistema um leque de humidificadores terminais cujo desempenho é controlado

pelos respectivos humidostatos.

O funcionamento da bateria de arrefecimento central deve ser controlado de modo a que o ar

que sai da unidade de tratamento de ar central apresente um conteúdo de humidade mínimo

que permita controlar a humidade relativa da sala mais crítica.

No Inverno, tira-se partido do estado do ar exterior para controlar a temperatura do ar à saída

da U.T.A. através do processo simples de mistura de ar novo com ar de retorno dispensando a

utilização da bateria de arrefecimento. Por sua vez no Verão o controlo da temperatura é feita

sobre o funcionamento da bateria de arrefecimento.



A vantagem deste sistema reside no facto de permitir um excelente controlo da temperatura e

da humidade relativa da zona condicionada e exigir menos espaço disponível para o traçado

de condutas uma vez que é do tipo de percurso simples.

O inconveniente deste sistema está no funcionamento durante o período de arrefecimento em

que se tem que fornecer energia ao sistema para arrefecer e desumidificar o ar na bateria e

depois voltar a fornecer energia para o reaquecimento terminal.

Sistema com Percurso Simples-Volume de Ar Variável sem Reaquecimento Terminal

Este tipo de sistema simples de Volume de Ar Variável VAV é aplicado, geralmente a vários

locais dum edifício com necessidades de arrefecimento durante todo o ano

Figura 5.23

. Neste sistema, o

ar é tratado na UTA e depois distribuído a temperatura constante pela conduta de distribuição.

Em cada ramificação é instalada uma unidade terminal de volume de ar variável que tem por

função fazer variar o caudal de insuflação em função da carga térmica de modo a controlar a

temperatura de cada local conforme se mostra na .

Figura 1.23: Evolução do caudal de ar numa unidade terminal VAV em função das necessidades de

arrefecimento.

Os dispositivos terminais de insuflação a utilizar numa instalação com sistemas VAV devem

ser difusores que proporcionem um forte efeito de indução para garantir uma boa mistura do

ar insuflado com o ar da sala, mesmo quando o caudal de ar seja baixo.

A vantagem principal deste sistema consiste na economia de energia alcançada com a redução

do consumo energético envolvido na movimentação do ar devido ao facto de se distribuir

apenas a quantidade de ar necessária em cada instante para obter as condições interiores.

Deste modo, o caudal de ar que circula na UTA é também variável e normalmente é



significativamente inferior ao somatório do caudal máximo distribuído em cada local.

Todavia, quando a carga térmica assume valores baixos pode acontecer que a distribuição de

ar no ambiente seja deficiente e a ventilação não esteja garantida devido ao caudal insuflado

ser baixo.

Figura 1.24: Esquema de uma instalação com percurso simples-volume de ar Variável sem reaquecimento

terminal.

Nos períodos em que a temperatura exterior é superior à temperatura interior, tipicamente no

Verão, processa-se o arrefecimento e eventual desumidificação, na bateria de arrefecimento

de modo que a temperatura de insuflação seja sempre constante.

Nos restantes períodos, tipicamente no Inverno e nas estações intermédias, a temperatura de

insuflação é controlada através da mistura, mediante actuação nos registos de ar novo e de

recirculação.

O campo de aplicação deste tipo de sistema de Volume de Ar Variável está pois limitado a

espaços interiores dos edifícios caracterizados por necessidades de arrefecimento durante todo

o ano e pouco variáveis.



Figura 1.25: Evoluções do ar num sistema com percurso simples-volume de ar variável sem

reaquecimento terminal.

Para satisfazer as necessidades de aquecimento de alguns locais do edifício, tipicamente os

locais em contacto com a envolvente exterior, poderão ser utilizados outros sistemas

complementares ao sistema VAV simples, tais como o aquecimento com os sistema a água

quente, sistemas de expansão directa ou até sistemas de insuflação de ar quente com caudal

constante. As Figura 1.24 e Figura 1.25 referem-se a este sistema simples VAV.

A bateria de aquecimento representada no esquema da Figura 1.24 é opcional e caso seja

instalada poderá ser utilizada no Inverno para proporcionar uma temperatura do ar de

distribuição variável em função da evolução da temperatura exterior. Para além desta bateria

também poderá ser acrescentado um dispositivo de humidificação que terá por função elevar

o conteúdo de humidade do ar novo ou da mistura deste com o ar de recirculação.

Para além do controlo da temperatura dos diferentes locais e do estado do ar de distribuição à

saída da UTA deve existir também um controlo da pressão estática na conduta de

distribuição. Este controlo poderá ser conseguido através da regulação automática dum

registo instalado a jusante do ventilador ou então fazendo variar a velocidade de rotação do



ventilador. Este controlo garante uma pressão estática constante a montante de cada unidade

terminal VAV e impede que a restricção ao escoamento imposta pela acção do controlo

termoestático de algumas zonas não interfira no funcionamento das restantes unidades

terminais.

Sistema com Percurso Simples-Volume de Ar Variável com Reaquecimento Terminal

Os sistemas de VAV com reaquecimento terminal instalado junto das unidades terminais de

variação de caudal permitem satisfazer as necessidades de aquecimento e de arrefecimento

dum local e admitem uma maior variação da carga térmica relativamente à versão anterior.

Com este sistema, para além da variação do caudal de insuflação também é possível variar a

temperatura de insuflação.

A unidade de tratamento de ar tem por função manter um valor constante da temperatura do

ar de alimentação de todas as unidades terminais de variação de caudal em função das carga

térmicas máximas do conjunto de todo o edifício. O reaquecimento é feito numa bateria a

água quente, a vapor ou utilizando energia eléctrica. Este processo de aquecimento sensível é

controlado pelo mesmo termóstato de ambiente que também controla a variação de caudal do

ar de insuflação.

No Verão, quando a carga térmica dum local é máxima, o caudal de ar de insuflação assume o

valor máximo e a temperatura o valor mínimo. Quando a carga térmica diminui, o termóstato

faz com que o caudal de ar insuflado diminua proporcionalmente enquanto que a temperatura

de insuflação permanece constante, até que o caudal atinge o valor mínimo. A partir desta

situação se as necessidades de arrefecimento do local continuarem a baixar, o caudal de ar

mantém-se no valor mínimo, a bateria de reaquecimento entra em funcionamento e eleva

progressivamente a temperatura de insuflação.

No Inverno, quando exista um local com necessidades de aquecimento, local tipicamente

situado na periferia do edifício, o caudal deve manter-se no mínimo e o funcionamento da

bateria de reaquecimento é controlado pelo termóstato do ambiente do local em questão. Este

funcionamento das unidades terminais com reaquecimento está caracterizado na Figura 5.26.

Em termos gerais, para que seja garantido um bom funcionamento do sistema, o caudal

mínimo regulado nestas unidades VAV não deve ser inferior a 40 % do seu caudal máximo.



Figura 1.26: Evoluções do caudal de ar e da potência de reaquecimento numa unidade terminal VAV com

reaquecimento em função das necessidades de arrefecimento e de aquecimento.

Figura 1.27: Esquema de uma instalação com percurso simples-volume de ar variável com reaquecimento

terminal.



Figura 1.28: Evoluções do ar num sistema com percurso simples-volume de ar variável com reaquecimento

terminal.

Sistemas com Percurso Duplo-Volume de Ar Constante (Dupla Conduta)

Os sistemas de percurso duplo são constituídos por duas condutas de distribuição ar,

transportando uma ar quente e a outra ar frio, desde a unidade de tratamento de ar até às

caixas de mistura situadas junto de cada local. Na unidade de tratamento de ar, as baterias de

aquecimento e de arrefecimento estão dispostas em paralelo. Na caixa de mistura associada a

cada zona. Mediante a informação do respectivo termóstato, é feita a mistura de ar quente e

com ar frio para obter a temperatura do ar de insuflação correcta.

O sistema é dito de volume de ar constante porque o caudal de insuflação em cada local é

sempre constante embora as percentagens de ar quente e ar frio variem.

Para definir qual o caudal de ar a insuflar em cada zona deve-se primeiro calcular o caudal de

insuflação nas situações extremas de arrefecimento e de aquecimento. Deste modo,

conhecendo as temperaturas do ar na conduta de ar quente e na conduta de ar frio, a

temperatura interior de cada zona e as componentes sensíveis da carga térmica de

aquecimento e de arrefecimento nas condições extremas de projecto é possível calcular os



caudais de ar, que deveriam ser utilizados perante estas duas solicitações extremas. Como os

valores dos caudais não são necessariamente iguais e o sistema é do tipo volume de ar

constante deve-se então adoptar o maior dos valores calculados para o caudal de insuflação.

Na Figura 1.29 apresentam-se as três situações possíveis do funcionamento da caixa de

mistura. Na primeira situação, os caudais de insuflação nas condições extremas de projecto de

arrefecimento e de aquecimento não resultam da mistura e são constituídos respectivamente

por ar frio e por ar quente. Na segunda situação constata-se que as necessidades máximas de

aquecimento são suprimidas por uma mistura de ar quente com ar frio. Na terceira situação

sucede precisamente o contrário.

Figura 1.29: Funcionamento das caixas de mistura dos sistemas dupla conduta com caudal constante.

Na Figura 1.30 representa-se o esquema da instalação dum sistema deste tipo, usualmente

designada por Dupla Conduta Figura 1.31, aplicado a duas zonas. A ilustra o funcionamento

desta instalação para uma situação particular em que é necessário arrefecer a sala A e aquecer

a sala B em simultâneo.

A principal vantagem deste sistema consiste na possibilidade de satisfazer simultaneamente

as necessidades de arrefecimento e de aquecimento das diferentes zonas dum edifício com

controlo individual da temperatura.

Este sistema exige um espaço considerável para as condutas, é um sistema relativamente caro,

não é eficiente do ponto de vista da utilização racional de energia e apresenta alguns

problemas no controlo da humidade.



Figura 1.30: Esquema de uma instalação com percurso duplo-volume de ar constante (Dupla Conduta).

Figura 1.31: Evoluções do ar num sistema com percurso duplo-volume de ar constante.



Sistemas com Percurso Duplo-Multizona

O funcionamento dos sistemas Multizona é idêntico ao dos sistemas anteriores de Dupla

Conduta. Em ambos, o escoamento de ar insuflado em cada zona resulta da mistura de

escoamentos de ar quente e de ar frio produzidos na unidade de tratamento de ar. A diferença

principal reside na localização onde é feita essa mistura. No sistema de Dupla Conduta as

caixas de mistura estão localizadas junto de cada zona, enquanto no sistema Multizona o

processo de mistura de todas as zonas está centralizado na unidade de tratamento de ar. A

acção dos registos do processo de mistura é comandada pelo controlador de temperatura

associado ao termóstato cada zona O esquema deste sistema está representado na Figura 1.32.

Figura 1.32: Esquema de uma instalação com percurso duplo-volume de ar constante (Multizona).

Relativamente ao sistema anterior constata-se que o seu custo não é tão elevado desde que o

número de zonas não seja elevado e desde que o percurso das condutas não seja demasiado

longo. Poderá em alguns casos exigir menor espaço para a passagem das condutas uma vez

que da unidade de tratamento de ar parte apenas uma conduta para cada zona.

Este sistema apresenta pois, em termos gerais, os inconvenientes de estar limitado a um

número de zonas reduzido e de dimensão também reduzida e de exigir um espaço

considerável perto da unidade de tratamento de ar onde é feita a mistura para as diferentes

zonas. Neste sistema poderão surgir também os problemas do controlo da humidade das

diferentes zonas.



Sistemas com Percurso Duplo-Volume de Ar Variável

Os sistemas com Percurso Duplo e com Volume de Ar variável são idênticos ao sistema

convencional de Dupla Conduta referido anteriormente com diferença de o caudal de ar

misturado nas caixa de mistura de cada zona poder ser variável em função das necessidades

de arrefecimento ou de aquecimento.

Na Figura 1.33 ilustram-se dois exemplos possíveis do funcionamento da caixa de mistura.

Figura 1.33: Funcionamento das caixas de mistura nos sistemas dupla conduta com

caudal de ar variável



1.5.2 SISTEMAS TUDO ÁGUA

Os sistemas tudo-água consistem numa técnica de climatização em que se distribui pelos

equipamentos terminais existentes em cada ambiente unicamente água fria ou água quente em

função das necessidades de arrefecimento ou de aquecimento. Estes sistemas apresentam a

vantagem de necessitarem dum espaço reduzido para o circuito da tubagem de distribuição de

água aos diferentes locais.

O processo de produção da água quente e da água fria é assegurado respectivamente pelas

unidades produtoras de água quente UPAQ (Caldeira, Bomba de Calor) e de água fria ou

gelada UPAG ("Chiller") normalmente localizadas num espaço técnico centralizado.

As unidades terminais instaladas em cada um dos locais mais utilizadas para anular o efeito

das cargas térmicas de aquecimento e de arrefecimento são os ventilo-convectores. Contudo,

existem outros sistemas a água que também conseguem fazer as funções de arrefecimento e

de aquecimento ou apenas uma destas. Como exemplos podem ser citados os sistemas de

pavimentos aquecidos e/ou arrefecidos, tectos arrefecidos, radiadores e convectores.

Nestes sistemas tudo água não existe um circuito de distribuição de ar novo pelos espaços. O

processo de renovação do ar em cada espaço é assegurado duma forma natural através das

infiltrações de aberturas das janelas ou de entradas de ar junto das unidades terminais.

Os ventilo-convectores não são mais que pequenas unidades de tratamento de ar instaladas

nos próprios locais que condicionam.

São constituídos basicamente por um ventilador e respectivo motor, filtro e uma ou duas

baterias. As montagens mais usuais são do tipo bancada e de tecto. Os ventilo-convectores de

tecto são montados na horizontal enquanto que os de bancada são montados na vertical,

apoiados no chão junto da parede e normalmente sob as janela.



a) b)

Figura 1.34: Esquema da montagem dum ventilo-convector.

a)-Vertical b)Horizontal

Neste equipamento o ar é filtrado, arrefecido ou aquecido e distribuído no ambiente.

Juntamente com o arrefecimento poderá também processar-se a desumidificação. Os

processos de arrefecimento e de aquecimento podem ser realizados numa só bateria ou em

duas baterias separadas utilizando água.

Em alguns casos, o aquecimento pode também ser assegurado por uma bateria de resistências

eléctricas. A circulação da água quente ou fria nos sistemas a ventilo-convectores é feita em

circuito fechado em que o retomo é directo ou invertido conforme se mostra nas figuras 1.35,

1.36 e 1.37.

A vantagem dos sistemas com retorno invertido reside no facto dos circuitos hidráulicos

através de cada unidade terminal ficarem normalmente muito mais próximos duma situação

de equilíbrio entre si do que nos sistemas com retorno directo. O equilíbrio dos diferentes

ramais é feito através de válvulas de equilíbrio estático instaladas em cada um dos ramais ou

através de válvulas de equilíbrio dinâmico instaladas normalmente apenas nos ramais das

unidades terminais.

Figura 1.35: a) - Circuito simples com retorno directo.



Figura 1.36: b) – Associação de vários circuitos com retorno directo.

Figura 1.37: c) - Circuito simples com retorno invertido

Figura 1.38: Associação de vários circuitos com retorno invertido.

Neste tipo de sistemas com distribuição de água quente e fria é também usual classificá-los

como circuitos de dois, três ou quatro tubos relativamente ao tipo da configuração da

alimentação e do retorno da água quente e fria nos ventilo-convectores.



Sistemas de distribuição de água a dois tubos

Neste tipo de instalação todos os ventilo-convectores são alimentados na estação de

arrefecimento e na estação de aquecimento respectivamente por água fria e por água quente.

O sistema é dito a dois tubos porque em condições de funcionamento apenas se processa a ida

e o retomo de água quente ou de água fria consoante as necessidades sejam de aquecimento

ou de arrefecimento.

Os ventilo-convectores deste sistemas têm uma bateria comum onde passa a água quente ou a

água fria e em que o controlo da temperatura ambiente é feito através da variação do caudal

que passa na bateria Esta variação de caudal pode ser assegurada por válvulas modulantes de

duas vias ou três vias como se ilustra nas figuras 1.39 a) e b).

a) b)

Figura 1.39: Controlo da temperatura ambiente através de ventilo-convectores com sistema a dois tubos.

a)Válvula de duas vias b) Válvula de três vias

Relativamente à configuração global destes sistemas, nomeadamente no que diz respeito à

interligação do circuito primário, onde se processa produção de água quente e fria, com o

circuito secundário da distribuição, apresentam-se algumas das soluções possíveis nas figuras

1.40, 1.41 e 1.42.

A instalação da distribuição de água a dois tubos com as funções de aquecimento e de

arrefecimento está limitada aos casos em que todos os locais necessitam só de frio ou só de

calor. Em algumas aplicações e principalmente durante as estações intermédias constata-se

que este sistema de distribuição de água a dois tubos mostra-se inadequado por não conseguir

suprimir em simultâneo as cargas térmicas de arrefecimento de alguns locais e as cargas

térmicas de aquecimento de outros ou não serem toleráveis as variações de temperatura

verificadas nos locais onde não se remova a carga térmica em causa.



Neste tipo de instalação é necessário efectuar as operações de comutação de funcionamento

do modo de aquecimento para o modo de arrefecimento e vice-versa.

Figura 1.40: a)- Sistema a dois tubos apenas com arrefecimento com água gelada

Figura 1.41: b) Sistema a dois tubos com arrefecimento e aquecimento usando bomaba de calor.

Figura 1.42: c) Sistema a dois tubos apenas com chiller e caldeira.



Sistemas de distribuição de água a três tubos

Neste tipo de instalação, a bateria de cada um dos ventilo-convectores pode ser alimentada

em qualquer instante por água quente ou por água fria, satisfazendo deste modo as

necessidades de aquecimento ou de arrefecimento dum determinado local independentemente

do tipo de necessidades dos outros locais.

O sistema é dito ser a três tubos porque o circuito apresenta duas idas, água quente e água

fria, e um único retorno comum à água quente e água fria.

A modulação do caudal é assegurada por válvulas modulantes de duas vias ou de três vias.

Nas figuras 1.43 a) e b) estão ilustradas estas duas situações.

a) b) Figura 1.43: Controlo da temperatura ambiente através de ventilo-convectores com sistema a três tubos.

a) Válvula de duas vias b) Válvula de três vias

A válvula não misturadora de três vias representada na figura 1.43 b) é responsável pela

selecção do modo de funcionamento da bateria, aquecimento ou arrefecimento, e pela

modulação do caudal de água que atravessa a bateria em função das necessidades detectadas

pelo termóstato ambiente.

No caso da figura 1.43 b) uma das válvulas encontra-se sempre fechada enquanto a outra

realiza a modulação do caudal em função da carga térmica do local.

A Figura 1.44 ilustra um esquema simplificado duma instalação dum sistema a três tubos.



Figura 1.44: Sistema tudo água a três tubos.

Este sistema de distribuição de água em circuito a três tubos não é muito atractivo do ponto

de vista da utilização racional de energia porque o envio da mistura dos retornos das

diferentes unidades terminais, umas funcionando em aquecimento e outras em arrefecimento,

nas mesmas condições de temperatura quer para o "chiller" (UPAG) quer para a caldeira ou

outro dispositivo de aquecimento (UPAQ) traduz-se numa perda de eficiência energética do

sistema na sua globalidade

Sistemas de distribuição de água a quatro tubos

As instalações com circuito de distribuição de água a quatro tubos permitem também

satisfazer as necessidades simultâneas de aquecimento e de arrefecimento em diferentes

locais. Os ventilo-convectores são alimentados por uma tubagem de água quente e por uma

tubagem de água fria e podem ter uma ou duas baterias.

A selecção e a modulação do caudal de água quente ou de água fria que deve passar no

ventilo-convector são feitas, de acordo com o sinal detectado pelo termóstato ambiente, por

válvulas modulantes de duas ou três vias. Nas figuras 1.45 a) e b) estão ilustradas duas destas

situações.



a) b) Figura 1.45: Controlo da temperatura ambiente através de ventilo-convectores com sistema a quatro

tubos.

a) Válvula de duas vias b) Válvula de três vias

A Figura 1.46 mostra um esquema simplificado duma instalação típica dum sistema a quatro

tubos. A diferença principal relativamente ao sistema anterior reside no facto dos retornos dos

ventilo-convectores funcionando em arrefecimento nunca se misturarem com os retornos dos

ventilo-convectores operando em aquecimento, mesmo quando estes tenham apenas uma

bateria comum para as duas funções.

Os sistemas a quatro tubos embora apresentem um custo inicial mais elevado permite

melhorar a eficiência energética do sistema e consequentemente reduzir os custos de

exploração relativamente aos sistemas a três tubos.

Figura 1.46: Sistema tudo água a quatro tubos.



1.5.3 SISTEMAS ÁGUA-AR

Nestes sistemas, o condicionamento dos ambientes dos diferentes locais é feito utilizando em

simultâneo a distribuição de água e de ar.

O ar que se introduz mecanicamente nos locais é designado por ar primário e é constituído

normalmente apenas por ar novo que foi tratado centralmente numa unidade de tratamento de

ar novo UTAN.

A função principal deste ar primário consiste em assegurar as necessidades mínimas de

ventilação e o controlo da humidade relativa dos diferentes locais. A parcela da carga térmica

que este escoamento de ar consegue anular depende pois das condições definidas para a

insuflação.

Estes sistemas são ditos Ar-Água porque além de ser insuflado ar primário é também utilizada

água nas unidades terminais instaladas em cada um dos locais. O caudal de água quente ou

fria que circula nas baterias destas unidades terminais pode ser regulado por válvulas

termostáticas em função do sinal detectado por cada termóstato de ambiente. As unidades

terminais mais usuais são os ventilo-convectores, painéis radiantes ou unidades de indução. O

circuito de distribuição da água quente e fria pode ser efectuado a dois, três ou quatro tubos.

O ar primário que alimenta cada um dos locais pode entrar directamente no ambiente, através

de grelhas ou difusores, ou então ser canalizado directamente para as unidades terminais onde

se mistura com o ar recirculado, para depois ser então introduzido no ambiente.

a) b) Figura 1.47: Introdução directa do ar primário em unidades terminais.



a)-Unidade de indução b)Ventilo-convector.

Na figura 1.47 a) mostra-se uma configuração típica das unidades de indução. O ar primário

entra primeiro num "plenum", isolado acusticamente, para depois ser injectado através de

várias tubeiras na câmara de distribuição de modo a que, o efeito de indução obtido, consiga

assegurar a recírculação do ar ambiente pela unidade de indução. Deste modo o ar recirculado

ao entrar na unidade contacta directamente com as baterias, só depois se mistura com o ar

primário na câmara de distribuição. O funcionamento das tubeiras exige que os valores de

pressão estática no "plenum" de alimentação de ar primário sejam elevados, normalmente

compreendidos entre 250 e 500 Pa.

Na figura 1.47 b) ilustra-se o caso da alimentação directa de ar primário a um ventilo-

convector. Neste caso, o ar primário mistura-se previamente com o ar de recirculação. O

ventilador é responsável pela movimentação desta mistura através das baterias, pela

distribuição do ar de insuflação e ainda pela recirculação do ar ambiente. Quando a

alimentação não é feita directamente no ventilo-convector, o ventilador apenas movimenta

um escoamento de ar de recirculação. Tanto as unidades de indução como os ventilo-

convectores são necessários que estejam munidos dum sistema de recolha e de evacuação de

condensados caso o arrefecimento seja acompanhado dum processo de desumidificação.

Na figura 1.48 está representado um esquema duma instalação dum sistema Ar-Água.

A unidade de tratamento de ar novo para além de possuir as baterias de arrefecimento e de

aquecimento poderá também dispor dum recuperador de calor ou duma bateria de pré-

aquecimento. O humidificador poderá ser do tipo evaporativo ou de injecção directa de vapor

e é utilizado normalmente na época de aquecimento para garantir um nível mínimo de

humidade nos diferentes locais. O sensor de humidade é normalmente colocado na conduta do

ar rejeitado.



Figura 1.48: Instalação dum sistema Ar-Água com unidades de indução a quatro tubos.

Na Figura 1.49 está representado um esquema semelhante ao anterior em que as unidades de

indução foram substituídas por ventilo-convectores. Na sala 1, o ar primário entra

directamente no ventilo-convector enquanto na sala 2 o ar primário é distribuído directamente

no ambiente.

Uma vantagem destes sistemas Ar-Água relativamente aos sistemas Tudo Ar consiste na

necessidade de menor espaço para a passagem das condutas uma vez que o caudal em jogo é

menor.



Figura 1.49: Instalação dum sistema Ar-Água com ventilo-convectores a quatro tubos.



1.5.4 SISTEMAS COM EXPANSÃO DIRECTA DUM FLUÍDO

REFRIGERANTE

O aquecimento ou o arrefecimento dum escoamento de ar pode também ser obtido através do

contacto com a superfície de baterias alimentadas directamente por um fluido refrigerante.

Estes sistemas são designados por sistemas de expansão directa dum fluido refrigerante em

que os elementos principais que compõem o ciclo frigorífico são o evaporador, o compressor,

o condensador e o dispositivo de expansão. O compressor é normalmente accionado por

motor eléctrico, contudo recentemente estão a surgir no mercado sistemas com compressão

mecânica accionada por motor a gás.

Para realizar alternadamente os processos de arrefecimento e de aquecimento no mesmo

sistema é necessário que este tenha uma válvula de inversão do circuito do fluido refrigerante.

Caso contrário o sistema só consegue operar em arrefecimento ou só em aquecimento.

Nas figuras 1.50 a) e b) mostram-se os dois modos de funcionamento obtidos numa bomba de

calor reversível.

a) b)

Figura 1.50: Bomba de calor reversível,

a) Funcionamento em arrefecimento, b) Funcionamento em aquecimento



No modo de arrefecimento, o condensador C poderá ser arrefecido apenas com um fluido, ar

exterior ou água normalmente arrefecida numa torre de arrefecimento, ou então tirar partido

do processo de arrefecimento evaporativo.

No modo de aquecimento, o evaporador F pode igualmente ser contactado por ar exterior ou

então receber água quente proveniente duma caldeira ou duma instalação de painéis solares.

O arrefecimento é normalmente acompanhado por um processo de desumidificação pelo facto

da temperatura da, superfície da bateria ser inferior ao ponto de orvalho do ar à entrada desta.

Este processo está ilustrado na figura 1.50 a) e é conseguido quando a bateria desempenha a

função de evaporador no ciclo frigorífico. Quando o funcionamento deste sistema consiste em

controlar a temperatura duma zona, aplicação mais comum, o calor retirado ao escoamento de

ar que atravessa este tipo de equipamento depende da componente sensível da carga térmica

que é necessário remover da zona em questão. Deste modo havendo desumidificação o calor

retirado no evaporador engloba a uma parcela não controlada de remoção de carga térmica

latente da zona, maior ou menor do que em rigor seria desejável, e obrigatoriamente a

componente sensível. Este fluxo energético juntamente com potência associada ao trabalho do

compressor são libertados no condensador normalmente arrefecido a ar ou a água.

Na figura 1.50 b) mostra-se o funcionamento no modo de aquecimento que é conseguido com

a inversão do ciclo frigorífico em que a mesma bateria interior passa a desempenhar as

funções de condensador. Neste modo de funcionamento o equipamento diz-se uma bomba de

calor em que o calor trocado no evaporador e a energia associada ao trabalho do compressor

são enviados para a bateria interior para elevar a temperatura do escoamento de ar de modo a

que este remova a componente sensível da carga térmica do espaço onde é insuflado.

Também neste grupo existe uma grande variedade de sistemas.

Sistemas Autónomos

Os sistemas autónomos de condicionamento de ar são caracterizados por possuírem produção

própria de frio ou de frio e calor e servem um único espaço. O equipamento pode estar todo

concentrado numa unidade compacta ou então apresentar-se separado em unidades exteriores

e unidades interiores.



Como exemplos de sistemas autónomos podem citar-se as unidades de condicionamento de ar

do tipo "SPLIT" compostas por uma unidade no exterior e outra no interior do espaço

condicionado e as unidades de janela.

1.6 ESTIMATIVA DO NÚMERO DE PESSOAS POR RECINTO

Na falta de outra indicação, pode-se considerar a seguinte taxa de ocupação de prédios

públicos ou comerciais e residenciais.

Tabela 1.2: Estimativa do número de pessoas por recinto.

Local Taxa de Ocupação

Bancos Uma pessoa por 5m2 de área

Escritórios Uma pessoa por 6m2 de área

Lojas – pavimentos térreos Uma pessoa por 2,5m2 de área

Lojas – pavimentos superiores Uma pessoa por 5m2 de área

Museus e bibliotecas Uma pessoa por 5,5m2 de área

Salas de hotéis Uma pessoa por 5,5m2 de área

Restaurantes Uma pessoa por 1,4m2 de área

Salas de operação (hospitais) Oito pessoas

Teatros, cinemas, auditórios Uma pessoa por cada 0,7m2 de área

Residências Duas pessoas por quarto social e uma pessoa por quarto de

serviço

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Sistemas com Percurso Simples • Sistema com Volume de Ar Constante Unizona Sistemas com Percurso Duplo