Sistemas AVAC
4.2 Topologias de Sistemas AVAC e seu Léxico
Um sistema de climatização é fundamentalmente composto por uma fonte que troca calor com a geosfera, nomeadamente a atmosfera,
uma rede de distribuição com um fluido, um dispositivo de movimentação desse fluido e uma carga [4.1].
O sistema é completado com uma câmara de expansão, caso seja necessário absorver as dilatações do fluido.
Figura 4.1. Sistema de climatização
Neste trabalho, serão considerados apenas os sistemas de climatização com rede fechada, excluindo-se todos os sistemas em que o processo de arrefecimento ou de aquecimento utilize uma rede aberta. São exemplos desta situação os sistemas de expansão directa de ar atmosférico.
Sem perda de generalidade, serão considerados os sistemas que removem calor dos espaços. Esta remoção de calor será designada, impropriamente por “frio” 2. Designar-se-á
por “produção de frio” o processo de remoção de calor da rede para a atmosfera; ao processo inverso, realizado por uma bomba de calor ou por uma caldeira, por “produção de calor”. Os fluidos serão designados por “fluido frio” ou “fluido quente” consoante estejam a uma temperatura inferior ou superior à temperatura ambiente interior. Será ainda utilizado o termo “consumo de energia” para designar a transformação de uma qualquer forma de energia noutra de menor exergia.
Nas situações correntes de climatização, existe uma máquina frigorífica na fonte, trabalhando de modo isolado ou associada a outras. Estas máquinas são tipicamente de ciclo de compressão, podendo rejeitar o calor para a atmosfera ou para um outro circuito de fluido térmico, normalmente água. Quando funcionam com uma rede de distribuição a água, são designados por máquinas frigoríficas3 “água-água” ou “água-ar”, consoante o modo de
rejeição de calor. O calor libertado para uma rede de água é posteriormente lançado na geoesfera por permutadores secos, torres de arrefecimento, permuta para rios ou para o solo.
2 Neste trabalho serão utilizadas as designações termodinâmicas correntes, aliás, constantes nos decretos-lei do Sistema de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos Edifícios.
3 Designadas comercialmente por chiller. Neste trabalho adopta-se o acrónimo GPFC, referente a grupo produtor de frio e/ou calor.
utilizam um fluido refrigerante e uma solução absorvedora. São exemplos comuns a solução de brometo de lítio, em que a água serve de fluido refrigerante, ou a solução de água e amoníaco, em que o amoníaco funciona como refrigerante. Nestas máquinas, a condensação faz-se normalmente para um circuito de água com torre de arrefecimento. Esta opção permite uma maior estabilidade da pressão de condensação, essencial ao bom funcionamento deste tipo de equipamentos.
As máquinas frigoríficas que permitem o aproveitamento do calor libertado para a atmosfera são designadas por máquinas térmicas com recuperação. Nas máquinas frigoríficas água-ar, esta recuperação poderá ser realizada num permutador em paralelo ao condensador que permite remover todo o calor de condensação, designando-se o aparelho por máquina de recuperação total. Em alternativa, a recuperação poderá ser parcial, quando é aproveitado o calor de sobre-aquecimento do gás, normalmente num permutador em série instalado entre o compressor e o condensador.
A eficiência da máquina, medida pela razão entre o calor removido na fonte fria e a energia fornecida à máquina, é designada por EER4. Este índice difere do coeficiente de
operação, COP, de um ciclo frigorífico, por considerar todos os consumos associados ao seu funcionamento, nomeadamente o consumo no controlo e nos ventiladores. Estes valores são definidos para condições padrão de temperatura exterior e de condições no evaporador. O índice ESEER5 tenta quantificar a eficiência média da máquina ao longo do
ano, tendo em consideração a eficiência a cargas parciais e a variação da temperatura do ar atmosférico.
A rede de distribuição de fluido pode contemplar simultaneamente fluido frio e fluido quente, caso em que sendo necessárias as tubagens de ida e de retorno para cada um dos regimes de temperatura, se designa a rede a quatro tubos. As redes a dois tubos podem distribuir, em cada momento, apenas fluido térmico frio ou fluido quente. Existem ainda redes a três tubos, em que a tubagem de retorno do fluido frio e quente é comum. O fluido poderá ser água, termofluido, ou refrigerante. Nas redes a água, a bomba é o dispositivo de movimentação do fluido, geralmente aplicada também a redes com termofluido. Nas redes com refrigerante, é normalmente o compressor do ciclo frigorífico que, para além de realizar a compressão, assegura a pressão necessária à movimentação do refrigerante. Quando estes dispositivos permitem variação de caudal, o sistema diz-se a caudal variável.
4 EER – Energy efficiency ratio 5 ESEER- European Seasonal EER
Até ao momento, os GPFCs necessitam de um caudal razoavelmente constante para funcionarem correctamente. Neste sentido, as redes de distribuição hidráulicas contam geralmente com um circuito primário onde o caudal é mantido constante e com uma rede secundária de distribuição às cargas. A rede secundária poderá ter caudal constante ou variável. No caso de o fluido ser refrigerante, é utilizado o acrónimo VRF6.
A carga é constituída pelos equipamentos que trocam calor directamente com o ar ambiente. Estes podem ser unidades centrais de tratamento de ar, ou unidades localizadas junto dos espaços a climatizar.
As centrais de tratamento de ar, ou unidades de tratamento de ar (UTA) podem enviar um caudal de ar tratado para os espaços a climatizar, numa só conduta, sendo então o sistema designado por monoconduta. Menos comum é existir uma rede de condutas com ar frio e outra com ar quente, designando-se então o sistema por dupla conduta. Quando tratam apenas o ar exterior, também designado por ar novo, estas designam-se por unidades de tratamento de ar novo (UTAN). Uma UTA, ou um conjunto de UTAs, pode servir uma só zona, designando-se o sistema por monozona, ou, em alternativa, servir diversas zonas. Uma zona é um conjunto de espaços com condições de climatização semelhantes.
O caudal das UTAs pode ser constante, designando-se também por volume constante, ou variável. Neste caso, o sistema designa-se por volume de ar variável (VAV). Este sistema tem sido particularmente investigado nos EUA, de onde tem surgido a generalidade dos artigos técnicos e científicos sobre o tema.
As unidades utilizadas junto dos espaços a climatizar são denominadas unidades terminais. Estas unidades utilizam normalmente a convecção como mecanismo de transferência de calor, podendo também utilizar a radiação. Os painéis radiantes, normalmente instalados nos tectos, utilizam a radiação como mecanismo de transferência de calor para o ambiente. Por esta razão, são apelidados de tectos radiantes ou, face à sua normal aplicação, de tectos arrefecidos (TA). Os sistemas que utilizam uma bateria de arrefecimento com ventilação forçada são designados por ventiloconvectores (VC); aos sistemas que forçam a passagem do ar por uma bateria, sendo este fluxo obtido por indução de um caudal de ar primário, chama-se unidades de indução (UI). Os sistemas de TA e de UI têm sido designados em artigos de revistas nos EUA por sistemas emergentes, designação que será utilizada neste trabalho. A investigação nos países escandinavos tem ajudado bastante para a sua divulgação.
Existem ainda outras unidades terminais com menor expressão comercial, que não serão abordadas, mas cuja avaliação facilmente se realiza após a leitura deste trabalho.
Deste brevíssimo enunciado de sistemas, facilmente se antevê que as possibilidades combinatórias de fontes, redes de distribuição e cargas permitem originar milhares de sistemas diferentes. Muitos desses sistemas não existem comercialmente, como por exemplo um sistema VRF com tectos arrefecidos, um sistema de absorção com rede de distribuição com vapor de baixa pressão ou um sistema de ventiloconvectores com dupla conduta. Outros, como GPFCs com caudal de água variável no evaporador, estão pouco desenvolvidos. Outros ainda são fisicamente impossíveis de realizar, ou de difícil concretização, como seja o caso de um sistema de indução com caudal de ar primário variável.
Do exposto, subentende-se que a análise dos sistemas de climatização só é realizável se restringida aos sistemas comercialmente existentes. Tomar-se-á como orientação para delimitar a análise o enunciado das funções a desempenhar pelos sistemas de climatização, descrito no capítulo anterior. Sendo estas funções relativas ao desempenho do sistema nos espaços ocupados, usaremos como referência os elementos associados a esses espaços. Assim, aborda-se os sistemas em função do que por ora se designou como cargas. Considera-se então como base para análise, os sistemas VAV, os sistemas com VC, com TA ou com UI, que representam a quase totalidade de sistemas de climatização comercialmente existentes.
Sem perda excessiva de generalidade, iremos considerar neste trabalho que a rede de distribuição utiliza água como fluido de transporte de energia, que essa rede é a dois ou a quatro tubos, que a produção de frio é assegurada num GPFC e que a produção de calor é proveniente da recuperação de calor num GPFC, numa bomba de calor ou numa caldeira. Considera-se ainda que o sistema trata diversos espaços, com diagramas de cargas térmicas diferentes, que implicam a adaptação do sistema às variações destas cargas distintas.