O sistema de distribuição de energia é responsável por fazer chegar a energia produzida na central térmica ao edifício. Deste sistema fazem parte as redes de condutas e as redes de tubagens.
No que diz respeito à distribuição de energia, os sistemas centralizados podem ser classificados como sistemas: Ar-Água, Tudo-Ar ou Tudo-Água. A grande diferença entre os três é o fluido utilizado para aquecer ou arrefecer os espaços. Sendo que o primeiro utiliza ar e água, o segundo apenas ar e o último apenas água, como o próprio nome indica.
3.3.1 Sistemas Tudo-Ar
O conceito básico de um sistema Tudo-Ar, passa por fornecer ar, em determinadas condições de temperatura e humidade, de modo a vencer a carga sensível e latente do espaço, para que o ar na sala fique com as condições desejadas [22]. Na Figura 3.5, encontra-se um exemplo esquemático de um sistema Tudo-Ar. Nestes sistemas, o ar é tratado na Unidade de Tratamento de Ar (UTA), sendo posteriormente transportado para o espaço condicionado, através de condutas, por ação dos ventiladores. Este ar retira (ou fornece consoante a finalidade) a quantidade necessária de calor sensível e latente do espaço condicionado, a que sejam respeitadas as condições do ar desejadas. O ar de retorno, extraído do espaço condicionado, é transportado de volta para a UTA, sendo novamente tratado. Geralmente, parte desse caudal é misturado com o ar novo e a outra parte extraída. Estas UTA podem ser compostas por baterias de arrefecimento (que comunicam com o chiller através de tubos),
baterias de aquecimento (conectadas à caldeira), filtros, ventiladores, atenuadores acústicos, registos de ar, entre outros. Note-se que a composição das UTA varia consoante a sua finalidade [22].
Os sistemas Tudo-Ar podem ser classificados em duas categorias: conduta única e dupla conduta. Nos sistemas de conduta única, as baterias de aquecimento e arrefecimento estão dispostas em série, ao longo do percurso de escoamento de ar. A sua capacidade é controlada pela variação da temperatura do ar ou volume escoado. Por outro lado, nos sistemas de dupla conduta as baterias de arrefecimento e aquecimento estão separadas e dispostas em condutas paralelas. A circulação de ar aquecido e arrefecido é, por isso, efetuada em duas condutas distintas, sendo posteriormente misturado nas caixas de mistura, à entrada de cada espaço, de modo a produzir a temperatura desejada em cada zona. Geralmente, estes sistemas variam a sua capacidade variando a temperatura de insuflação (através da mistura dos caudais de cada conduta), podendo também fazê-lo através da variação o caudal de ar fornecido. Devido a estas características, os sistemas de dupla conduta são designados de sistemas multizona – pois permitem tratar várias zonas em simultâneo, cada uma com condições distintas de insuflação [23].
Tanto os sistemas de conduta única, como os de conduta dupla, podem ser distinguidos em sistemas de caudal constante (Constant Air Volume – CAV) ou sistemas de caudal variável (Variable Air Volume - VAV) [23]. A análise que se segue, apenas diz respeito aos sistemas de conduta única, por se tratar do tipo de sistema presente no caso de estudo.
Os sistemas CAV mantêm um caudal de ar constante, variando a temperatura de insuflação em função das cargas dos espaços. De modo a permitir um controlo mais apertado das condições de conforto de espaços com diferentes cargas, surgem os sistemas de multizona de conduta única, demonstrados no esquema da Figura 3.6, nos quais as baterias de aquecimento secundárias são introduzidas nas ramificações da conduta principal, nas proximidades de cada espaço a climatizar., Esta solução de volume constante com reaquecimento terminal, é, contudo, desencorajada, devido ao seu custo de operação elevado e ao facto de serem energeticamente ineficientes, quando comparados aos VAV [23].
Figura 3.5 - Sistema de distribuição a volume variável (VAV). Adaptado de [21].
Os sistemas VAV, Figura 3.7, controlam a temperatura do espaço através da variação da quantidade de ar insuflado, mantendo a temperatura de insuflação de ar relativamente constante [23]. Em comparação com os CAV, estes sistemas oferecem um menor consumo de energia, uma vez que o ar não é arrefecido a temperaturas tão baixas para ser posteriormente reaquecido [22].
A variação do caudal de ar é obtida com recurso às caixas VAV. Estas caixas possuem um registo de ar modulante, que é regulado em resposta à informação proveniente do termóstato. Quando a temperatura interior se desvia do , o registo da caixa VAV responde, restringindo ou aumentando o volume de ar fornecido ao espaço. Hoje em dia, aproximadamente 98% dos sistemas que são instalados são de conduta única, sendo que 75% dos mesmos são VAV e 23% são CAV [22].
Idealmente, a UTA que serve a rede de distribuição de VAV deve ser acompanhada de um motor com variador de frequência (VFD), que altera a velocidade de rotação do ventilador de acordo com a necessidade de caudal. Como movem menos quantidade de ar, existe o risco de não corresponderem aos requisitos de ventilação, apesar de serem consideradas bastante eficientes [22].
Figura 3.4 - Sistema de distribuição a volume constante (CAV), com reaquecimento terminal. Adaptado de [21].
Uma das maiores vantagens dos sistemas VAV é a capacidade de condicionar grandes superfícies comerciais com uma grande diversidade de perfis de carga térmica. Para além disso, é bastante compatível com sistemas de gestão de energia. A nível financeiro, estes sistemas são mais económicos, uma vez que a quantidade de ar a ser movida é apenas a necessária para combater as cargas térmicas. O custo de operação é por isso mais reduzido, pois os ventiladores funcionam mais tempo com volumes inferiores de ar, e as áreas não ocupadas podem ser (completamente ou parcialmente) desprovidas de condicionamento. No entanto, o seu custo inicial é superior e a necessidade de manutenção aumenta com as múltiplas caixas de mistura à entrada de cada espaço condicionado [22].
Os componentes base dos sistemas Tudo-ar, de zona única, são:
• As UTA - unidades de tratamento de ar que geram ar condicionado, sob pressão suficiente para o fazer circular de e para o espaço condicionado;
• O sistema de distribuição que transporta o ar das unidades de tratamento para o espaço condicionado;
Unidade de Tratamento de Ar
Normalmente, este tipo de equipamento está situado no exterior da área condicionada - na cobertura ou no interior de salas técnicas - podendo estar próximo ou afastado da central térmica de onde provém a água/vapor ou fluido frigorigéneo, que constitui o seu fornecimento de energia térmica.
No que diz respeito aos componentes das UTA, destacam-se:
• Filtros; • Registos; • Atenuadores Acústicos; • Bateria de Arrefecimento; • Bateria de Aquecimento; • Recuperador de Calor; • Pré-aquecedor e Reaquecedor; • Humidificador;
• Ventiladores (extração e insuflação);
• Registos (extração, ar exterior e recirculação).
De salientar que os vários componentes são instalados e/ou ativados de acordo com as necessidades do espaço a condicionar. Na Figura 3.8, apresenta-se um exemplo de uma representação esquemática de uma UTA.
Onde:
Ventiladores
Os ventiladores são geralmente classificados como centrífugos, axiais, mistos ou de fluxo cruzado, de acordo com a direção do fluxo de ar através do impulsor. Os centrífugos são os mais comuns em aplicações AVAC, dada a sua capacidade para mover grandes e pequenas quantidades de ar, numa ampla gama de pressões. A seleção de um ventilador, para um determinado sistema de distribuição de ar, requer que a pressão total característica do ventilador se ajuste à pressão total característica do sistema [24]. A seleção do ventilador deve ser baseada na sua eficiência e no nível ruído, em toda a gama de operação prevista, bem como na capacidade de o ventilador fornecer o fluxo necessário à pressão total prevista. Os ventiladores podem ser colocados antes ou depois das baterias de aquecimento e arrefecimento, sendo que, colocar o ventilador após os componentes da UTA tem a vantagem de providenciar um fluxo de ar mais uniforme, aquando da passagem nas baterias térmicas, o que melhora a sua eficiência. Por outro lado, os ventiladores adicionam calor ao fluxo de ar, fator que deve ser tido em conta no cálculo da temperatura de ar a insuflar [23].
Filtros
O desempenho geral de um sistema depende muito dos filtros. A menos que os filtros sejam substituídos regularmente, a resistência do sistema pode aumentar e o fluxo de ar diminuir. A acessibilidade para substituição é uma consideração importante a ter na escolha da disposição e localização dos filtros. Em pequenas unidades de tratamento de ar, os filtros são frequentemente colocados num dispositivo amovível, para substituição, por acesso lateral. Em unidades maiores e sistemas construídos com acesso interno ou frontal, deverá existir pelo
F - Filtro
RC – Recuperador de Calor
ARR - Permutador de Arrefecimento D – Desumidificador RA – Reaquecedor AQ – Permutador de aquecimento H – Humidificador VI – Ventilador de Insuflação AA – Atenuador Acústico VE – Ventilador de Extração
menos 1 m entre a face a montante do banco de filtros e qualquer obstrução. A American Society
of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) define os filtros de partículas
de acordo com a escala de eficiência MERV (Minimum Efficiency Rating Value), que vai desde o 1 (menos eficiente) ao 20 (mais eficiente). Quanto à sua localização, muitos códigos de saúde vigentes exigem um pré-filtro a montante de todos os ventiladores, baterias térmicas e humidificadores, além de um banco de filtros final dos mesmos [23].
Pré-Aquecedores
Os pré-Aquecedores são permutadores de aquecimento colocados a montante de uma bateria de arrefecimento. Este tipo de dispositivos permite aumentar a eficiência energética do sistema, quando este opera com desumidificação e reaquecimento. Estes dispositivos fazem parte dos sistemas de recuperação de calor [23].
Reaquecedores
O reaquecedor é geralmente instalado a jusante da bateria de aquecimento. Este tipo de dispositivo é desaconselhado, a menos que integre um sistema de recuperação de energia, a par do pré-aquecedor e recuperador de calor. São utilizados em aplicações como por exemplo, laboratórios, hospitais, clínicas ou outras aplicações onde a temperatura e a humidade relativa devem ser controladas com maior precisão [23].
Recuperador de Calor
Este tipo de dispositivos permite aproveitar o calor de ar de extraído do espaço, através da permuta de calor com o ar exterior, reduzindo assim as necessidades energéticas de aquecimento e/ou arrefecimento, promovendo um aumento da eficiência do sistema. Contudo, a inclusão de um recuperador de calor numa UTA, introduz uma elevada perda de carga no sistema, o que aumenta a potência de ventilação requerida. Deste modo, a viabilidade económica da recuperação de calor para uma determinada aplicação depende de vários fatores, incluindo custo da energia recuperada, custos de manutenção e custos iniciais da instalação. Existem vários tipos de recuperador de calor, entre os quais: permutadores de roda térmica,
run-around-coil e de fluxos cruzados. Este último é ideal quando caudais de ar em causa são
elevados e as temperaturas exteriores de inverno baixas [23].
Bateria de Aquecimento
É o dispositivo alimentado pela caldeira (ou dispositivo análogo), responsável pelo aquecimento do ar.
Atenuadores Acústicos
As unidades de tratamento de ar podem ser equipadas com diferentes equipamentos de controlo de ruído, cujas soluções vão desde o forro das condutas, com uma fibra natural e silenciadora, a um banco de silenciadores acústicos. Ambos permitem atenuar ruídos e absorver vibrações [23].
Bateria de Arrefecimento
É o dispositivo alimentado pelo chiller (ou dispositivo análogo), responsável pelo arrefecimento e desumidificador do ar. O calor sensível e o calor latente são removidos do ar, através destes dispositivos. O fluido de trabalho pode ser a água fria ou refrigerante, que circula num circuito fechado, entre a UTA e a central térmica. Normalmente, estes equipamentos possuem um painel de condensados, conectado a um canal de escoamento, de modo a evitar o acumular de água na UTA [23].
Humidificador
Os humidificadores são os componentes responsáveis pela humidificação do ar. Podem ser instalados como parte integrante da unidade de tratamento de ar ou nos pontos terminais. Podem ser divididos em duas categorias, de acordo com a forma como utilizam a energia para converter a água em vapor, no processo de humidificação, existindo humidificadores isotérmicos e adiabáticos. Apesar das diferenças entre eles, ambos se baseiam no princípio de injeção de água no fluxo de ar [23].
3.3.2 Sistemas Ar-Água
Num sistema Ar-Água, tanto o ar como a água são utilizados para fornecer as condições necessárias no espaço condicionado. Os sistemas Ar-Água possuem as vantagens de ambos os sistemas, Tudo-Ar e Tudo-Água [22]. Embora exija um maior investimento inicial, proporciona poupanças a nível do funcionamento e controlo da qualidade do ar interior. Para além disso, requere um menor espaço para a distribuição de energia térmica e permite um controlo de temperatura independente em cada espaço, pelo controlo da carga sensível do espaço. Este sistema caracteriza-se pela utilização de ar no tratamento das cargas latentes, assim como a qualidade do ar interior, e pela utilização de água que chega aos terminais, como os ventiloconvectores, alimentados por redes hidráulicas, para o tratamento das cargas térmicas sensíveis [22].
A parte ar do sistema é composta por equipamentos como as UTA, rede de condutas e salas técnica (onde poderão estar alojadas algumas UTA). Normalmente, o ar é fornecido a volume constante, 100% ar novo (sem recirculação). Neste caso, as unidades terminais de tratamento de ar, designam-se por UTAN – Unidades de Tratamento de Ar Novo. Os principais objetivos da parte Ar do sistema são [22]:
• Satisfazer os requisitos de ventilação segundo a norma ASHRAE 62.1-2016; • Filtrar o ar proveniente do exterior com recurso a filtros de alta eficiência; • Remover a carga latente (remoção do vapor de água) presente no ar exterior; • Manter o espaço interior pressurizado [22].
No verão, como a principal fonte de humidade é o ar exterior, o mesmo é arrefecido e desumidificado na UTAN, de modo que possa compensar toda a carga latente do edifício. A pressurização é um aspeto importante para controlar a infiltração de humidade pela envolvente do edifício [22].
A parte água do sistema é constituída por uma bomba e uma rede de tubos, que transportam água, que por sua vez transfere o calor para o espaço através dos elementos terminais, como o caso dos ventiloconvectores (VC), desde a central térmica. Dependendo do número de tubos utilizados, o sistema de distribuição de água pode ser classificado em [22]:
• Sistema de 2 tubos (ida e retorno), o qual utiliza o mesmo sistema de distribuição para água quente e água fria, não permitindo o aquecimento e arrefecimento em simultâneo dos vários espaços de um edifício. Uma válvula reguladora de caudal controla o fluxo de água quente ou fria, que chega ao espaço condicionado, controlando assim, a energia necessária para o aquecimento ou arrefecimento do edifício. Esta válvula reguladora é controlada pelo termóstato da zona. Dependendo da estação, ou circula água quente ou água fria nas tubagens. No entanto, torna-se mais desafiante o controlo na meia estação, quando o arrefecimento e arrefecimento são parcialmente necessários. Uma vez que quantidade de ar insuflado é fixa, o controlo da temperatura do ar é obtido, variando o caudal e temperatura da água, fornecida à bateria de arrefecimento. Quando o sensor do termóstato exige mais arrefecimento, a válvula de duas ou três vias localizada na linha adquire a posição totalmente aberta [22];
• Sistema de 4 tubos (dois de ida e dois de retorno), que permite efetuar aquecimento e arrefecimento, simultaneamente, já que os circuitos de água são independentes. A regulação das cargas térmicas pode ser conseguida, tal como no sistema a dois tubos, por regulação de temperatura e caudal. A água fria e a água quente são misturadas na proporção necessária, dependendo da carga da zona, sendo a mistura fornecida ao espaço condicionado [22].
3.3.3 Sistema Tudo-Água
Estes sistemas têm pouca relevância, pelo que não serão muito aprofundados no âmbito desta dissertação. Neste tipo de sistemas, a ventilação é natural, sendo garantida pela abertura de janelas, ou através de infiltrações. A desumidificação é efetuada com recurso à água fria nos VC, sendo a humidificação prática pouco comum neste tipo de sistemas [22]. Comparando os três sistemas, destaca-se como principal diferença o facto de os sistemas Ar-Água e Tudo-Ar serem os únicos capazes de assegurar ventilação mecânica, permitindo uma pressurização do espaço.