IX - Carga Térmica
IX - Carga Térmica
Vimos anteriormente que o condicionamento completo do ar compreende aquecimento, Vimos anteriormente que o condicionamento completo do ar compreende aquecimento, refrigeração, umidificação e desumidificação, circulação e filtragem do ar.
refrigeração, umidificação e desumidificação, circulação e filtragem do ar.
A carga de condicionamento de ar é afetada por uma série de fatores complexos, tais A carga de condicionamento de ar é afetada por uma série de fatores complexos, tais como:
como:
•
• transmissão transmissão de de calor;calor; •
• irradiação irradiação solar;solar; •
• pessoas; pessoas; •
• iluminação iluminação e e equipamentos equipamentos elétricos;elétricos; •
• ventilação ventilação e e infiltração infiltração do do ar;ar; • • mercadorias; mercadorias; • • diversos. diversos. Carga térmica Carga térmica
Dá-se o nome de carga térmica de uma instalação de ar condicionado a quantidade de Dá-se o nome de carga térmica de uma instalação de ar condicionado a quantidade de calor que, por unidade de
calor que, por unidade de tempo, deverá ser fornecida (inverno) ou retirada (verão) dotempo, deverá ser fornecida (inverno) ou retirada (verão) do ar a ser introduzido nos ambientes beneficiados, a fim de que mantenha-se as
ar a ser introduzido nos ambientes beneficiados, a fim de que mantenha-se as
condições pré fixadas de projeto, segundo as diferentes necessidades já estudadas de condições pré fixadas de projeto, segundo as diferentes necessidades já estudadas de antemão. Para que o projeto e instalação do sistema de ar condicionado seja
antemão. Para que o projeto e instalação do sistema de ar condicionado seja realmente condizente com as necessidades do mesmo, é primordial que sejam realmente condizente com as necessidades do mesmo, é primordial que sejam caracterizados inicialmen
caracterizados inicialmente te os seguintes elementos:os seguintes elementos:
1.
1. carga carga térmica térmica de de aquecimenaquecimento (ito (inverno);nverno); 2.
Dividimos a carga térmica em duas partes: a primeira como sendo do ambiente,
Dividimos a carga térmica em duas partes: a primeira como sendo do ambiente,
abrangendo todas as cargas que ocorrem dentro do mesmo e a segundo como sendo
abrangendo todas as cargas que ocorrem dentro do mesmo e a segundo como sendo
total, abrangendo a carga térmica do
total, abrangendo a carga térmica do ambiente mais aquela gerado pelo ar externo.
ambiente mais aquela gerado pelo ar externo.
Calor sensível Calor sensível
É a quantidade de calor que se acrescenta ou se retira de um corpo e que pode ser
É a quantidade de calor que se acrescenta ou se retira de um corpo e que pode ser
medido por mudança de temperatura.
medido por mudança de temperatura.
Calor latente Calor latente
É a quantidade de calor que se acrescenta ou se retira de um corpo e que causa sua
É a quantidade de calor que se acrescenta ou se retira de um corpo e que causa sua
mudança de estado.
mudança de estado.
Fontes de calor externo Fontes de calor externo
As fontes de calor mais consideráveis originam-se no meio exterior e atingem o
As fontes de calor mais consideráveis originam-se no meio exterior e atingem o
ambiente condicionado devido aos seguintes fatores:
ambiente condicionado devido aos seguintes fatores:
••
ganho
ganho de
de calor
calor devido
devido ao
ao ar
ar externo;
externo;
••
ganho
ganho de
de calor
calor devido
devido a
a penetração por
penetração por condução através
condução através de
de janelas, paredes,
janelas, paredes,
divisões, tetos, telhados;
divisões, tetos, telhados;
••
insolação
insolação (radiação
(radiação solar)
solar) através
através de ja
de janelas,
nelas, clarabóias
clarabóias, pared
, paredes, por
es, portas ex
tas externas
ternas
e telhados.
e telhados.
Fontes de calor interno Fontes de calor interno
As fontes de calor interno a ambientes condicionados são principalmente:
As fontes de calor interno a ambientes condicionados são principalmente:
••
pessoas;
pessoas;
••
iluminação;
iluminação;
••
motores
motores elétricos;
elétricos;
••
dissipação
dissipação de
de calor
calor por
por equipamentos
equipamentos;;
••
cargas
cargas especiais.
especiais.
O calor proveniente de pessoas em
O calor proveniente de pessoas em atividade ou não constitui-se em fontes de
atividade ou não constitui-se em fontes de calor
calor
sensível e latente.
sensível e latente.
Cálculo de carga térmica – verão Cálculo de carga térmica – verão
As partes integrantes que serão analisadas, sob o ponto de vista de carga térmica são:
As partes integrantes que serão analisadas, sob o ponto de vista de carga térmica são:
Dividimos a carga térmica em duas partes: a primeira como sendo do ambiente,
Dividimos a carga térmica em duas partes: a primeira como sendo do ambiente,
abrangendo todas as cargas que ocorrem dentro do mesmo e a segundo como sendo
abrangendo todas as cargas que ocorrem dentro do mesmo e a segundo como sendo
total, abrangendo a carga térmica do
total, abrangendo a carga térmica do ambiente mais aquela gerado pelo ar externo.
ambiente mais aquela gerado pelo ar externo.
Calor sensível Calor sensível
É a quantidade de calor que se acrescenta ou se retira de um corpo e que pode ser
É a quantidade de calor que se acrescenta ou se retira de um corpo e que pode ser
medido por mudança de temperatura.
medido por mudança de temperatura.
Calor latente Calor latente
É a quantidade de calor que se acrescenta ou se retira de um corpo e que causa sua
É a quantidade de calor que se acrescenta ou se retira de um corpo e que causa sua
mudança de estado.
mudança de estado.
Fontes de calor externo Fontes de calor externo
As fontes de calor mais consideráveis originam-se no meio exterior e atingem o
As fontes de calor mais consideráveis originam-se no meio exterior e atingem o
ambiente condicionado devido aos seguintes fatores:
ambiente condicionado devido aos seguintes fatores:
••
ganho
ganho de
de calor
calor devido
devido ao
ao ar
ar externo;
externo;
••
ganho
ganho de
de calor
calor devido
devido a
a penetração por
penetração por condução através
condução através de
de janelas, paredes,
janelas, paredes,
divisões, tetos, telhados;
divisões, tetos, telhados;
••
insolação
insolação (radiação
(radiação solar)
solar) através
através de ja
de janelas,
nelas, clarabóias
clarabóias, pared
, paredes, por
es, portas ex
tas externas
ternas
e telhados.
e telhados.
Fontes de calor interno Fontes de calor interno
As fontes de calor interno a ambientes condicionados são principalmente:
As fontes de calor interno a ambientes condicionados são principalmente:
••
pessoas;
pessoas;
••
iluminação;
iluminação;
••
motores
motores elétricos;
elétricos;
••
dissipação
dissipação de
de calor
calor por
por equipamentos
equipamentos;;
••
cargas
cargas especiais.
especiais.
O calor proveniente de pessoas em
O calor proveniente de pessoas em atividade ou não constitui-se em fontes de
atividade ou não constitui-se em fontes de calor
calor
sensível e latente.
sensível e latente.
Cálculo de carga térmica – verão Cálculo de carga térmica – verão
As partes integrantes que serão analisadas, sob o ponto de vista de carga térmica são:
As partes integrantes que serão analisadas, sob o ponto de vista de carga térmica são:
1.
1. carga devcarga devido a ido a transmissão transmissão de paredde paredes, pisos es, pisos e tetos;e tetos; 2.
2. carga carga devido devido a a insolação;insolação; 3.
3. carga carga devido devido a a pessoas;pessoas; 4.
4. carga carga devido devido a a luzes, luzes, iluminação;iluminação; 5.
5. carga carga devido devido a a motores motores elétricos;elétricos; 6.
6. carga devido carga devido a a aparelhos e aparelhos e equipamentoequipamentos s diversos;diversos; 7.
7. carga carga devido devido a a ventilação;ventilação; 8.
8. carga carga devido devido a a infiltração.infiltração.
Carga Térmica Exterior Carga Térmica Exterior
Transmissão de Calor - ao conjunto de fenômenos que caracterizam a tendência do Transmissão de Calor - ao conjunto de fenômenos que caracterizam a tendência do desaparecimen
desaparecimento diferencial de to diferencial de temperatura existente entre duas regiões do temperatura existente entre duas regiões do espaço,espaço, com temperaturas diferentes, denominamos transmissão de calor.
com temperaturas diferentes, denominamos transmissão de calor.
Figura 9.1 - Exemplo do fenômeno transferência de calor Figura 9.1 - Exemplo do fenômeno transferência de calor
A transmissão efetua-se de maneira distinta entre 3
A transmissão efetua-se de maneira distinta entre 3 formas designadas por condução,formas designadas por condução, convecção e radiação, cada uma delas obedecendo à leis próprias, embora admitam convecção e radiação, cada uma delas obedecendo à leis próprias, embora admitam em comum, as
em comum, as duas características seguintesduas características seguintes::
1.
1. Necessidade de Necessidade de um um diferencial de diferencial de temperaturtemperatura a entre duas entre duas regiões;regiões; 2.
2. O fluxo térmiO fluxo térmico verifica-se co verifica-se sempre no sempre no sentido de sentido de temperaturas temperaturas decrescentes.decrescentes.
Fluxo de Calor Fluxo de Calor
A quantidade de calor trocada na unidade de tempo Q [Kcal/h], em qualquer um dos A quantidade de calor trocada na unidade de tempo Q [Kcal/h], em qualquer um dos processos de transmissão de calor citados, recebe o nome de fluxo de calor. O fluxo de processos de transmissão de calor citados, recebe o nome de fluxo de calor. O fluxo de
T1 T1 TT22 TT11 TT22 T T11>>TT22 TT11==TT22 E E11 EE22 EE11 EE22 Fluxo Térmico Fluxo Térmico
calor através de
calor através de uma parede
uma parede que separa dois
que separa dois espaços
espaços a temperaturas diferentes
a temperaturas diferentes
depende de 3 fatores:
depende de 3 fatores:
1.
1. a
a área
área da
da parede;
parede;
2.
2. a
a diferença de
diferença de temperatu
temperatura
ra de
de dois
dois espaços;
espaços;
3.
3. as
as propriedades de
propriedades de condutividade de
condutividade de calor
calor da
da parede.
parede.
Quanto maior for a área da parede, maior será
Quanto maior for a área da parede, maior será a quantidade de calor que ela
a quantidade de calor que ela produz.
produz.
Uma parede de 200m
Uma parede de 200m
22de área, conduzirá o dobro do calor de uma parede de 100m
de área, conduzirá o dobro do calor de uma parede de 100m
22..
No que diz respeito ao segundo fator, suponhamos que a diferença nas temperaturas
No que diz respeito ao segundo fator, suponhamos que a diferença nas temperaturas
dos dois espaços seja 25ºC. Uma certa quantidade de calor sensível passará através
dos dois espaços seja 25ºC. Uma certa quantidade de calor sensível passará através
da parede. Se a diferença das temperaturas aumentar para 50ºC, o fluxo de calor será
da parede. Se a diferença das temperaturas aumentar para 50ºC, o fluxo de calor será
o dobro.
o dobro.
Os princípios que se acabam de discutir não são válidos só para as paredes, mas
Os princípios que se acabam de discutir não são válidos só para as paredes, mas
também para janelas, telhados, e outras superfícies de edifícios. Estes
também para janelas, telhados, e outras superfícies de edifícios. Estes princípios são
princípios são
resumidos do seguinte modo:
resumidos do seguinte modo:
O fluxo de
O fluxo de calor através de qualquer superfície é diretamente proporcional a sua área.
calor através de qualquer superfície é diretamente proporcional a sua área.
E ainda diretamente proporcional a diferença das temperaturas os espaços separados
E ainda diretamente proporcional a diferença das temperaturas os espaços separados
pela superfície.
pela superfície.
O terceiro fator
O terceiro fator é função do
é função do material da parede e
material da parede e da espessura. Serão usados os
da espessura. Serão usados os
termos condução, convecção e coeficiente global
termos condução, convecção e coeficiente global de transferência de calor, ao
de transferência de calor, ao discutir
discutir
o fluxo de
o fluxo de calor através de materiais de construção.
calor através de materiais de construção.
Condução Condução
É do
É do conheciment
conhecimento geral que
o geral que a capacidade dos vários
a capacidade dos vários materiais para conduzir calor ,
materiais para conduzir calor ,
difere consideravel
difere consideravelmente. Os melhores condutores de calor
mente. Os melhores condutores de calor são os metais, os
são os metais, os piores
piores
condutores (madeira, asbesto, gases, cortiça e feltro) são
condutores (madeira, asbesto, gases, cortiça e feltro) são chamados de isolantes. A
chamados de isolantes. A
capacidade de uma substância para transmitir calor por condução é uma propriedade
capacidade de uma substância para transmitir calor por condução é uma propriedade
física do material
física do material específico. É chamada condutividade térmica (normalmente
específico. É chamada condutividade térmica (normalmente
abreviado apenas por condutividade), o símbolo comum é K, a condutividade é a
abreviado apenas por condutividade), o símbolo comum é K, a condutividade é a
quantidade de calor em Kcal/h que flui através de uma peça de material homogêneo de
quantidade de calor em Kcal/h que flui através de uma peça de material homogêneo de
um milímetro de espessura, com a área de um metro quadrado e quando a diferença
um milímetro de espessura, com a área de um metro quadrado e quando a diferença
de temperatura entre as faces é de um grau.
de temperatura entre as faces é de um grau.
Valores do K (condutibilidade térmica) para diversos materiais de construção podem
Valores do K (condutibilidade térmica) para diversos materiais de construção podem
ser vistos na tabela 9.1.
O calor transferido por
O calor transferido por condução através de um material homogêneo pode-se calcular
condução através de um material homogêneo pode-se calcular
pela seguinte equação.
pela seguinte equação.
Onde: Onde:
Q = Fluxo de
Q = Fluxo de calor [Kcal/h];
calor [Kcal/h];
A = Área [m
A = Área [m
22];];
K = Condutividade térmica [ Kcal mm/h m
K = Condutividade térmica [ Kcal mm/h m
22º
º C
C];
];
e = espessura [mm];
e = espessura [mm];
(t
(t
22-t
-t
11) = Gradien
) = Gradiente de tempe
te de temperatura entre du
ratura entre duas super
as superfícies
fícies à distância
à distância [º
[º C].
C].
Convecção Convecção
Neste mecanismo envolvendo movimento de partículas macroscópicas que não ocorria
Neste mecanismo envolvendo movimento de partículas macroscópicas que não ocorria
no fenômeno da condução, prevalecem as forças da
no fenômeno da condução, prevalecem as forças da corrente fluida estando a
corrente fluida estando a
convecção intimamente ligada à mecânica dos
convecção intimamente ligada à mecânica dos fluidos.
fluidos.
De acordo com as forças que originam as correntes fluidas a convecção pode ser de
De acordo com as forças que originam as correntes fluidas a convecção pode ser de
dois tipos:
dois tipos:
1.
1. Convecção natural: quando a
Convecção natural: quando a velocidade do
velocidade do fluido é
fluido é devida às
devida às forças de
forças de empuxo
empuxo
(criada pela diferença de densidade, originada por diferença de temperatura na
(criada pela diferença de densidade, originada por diferença de temperatura na
massa fluida). Este empuxo é normalmente denominado de empuxo térmico.
massa fluida). Este empuxo é normalmente denominado de empuxo térmico.
2.
2. Convecção forçada: Quando
Convecção forçada: Quando o
o movimento da
movimento da corrente fluida é
corrente fluida é devido a
devido a dispositivo
dispositivoss
mecânicos como bombas, ventiladores, exautores, agitadores mecânicos, etc.
mecânicos como bombas, ventiladores, exautores, agitadores mecânicos, etc.
estes
estes forçam o d
forçam o deslocamento
eslocamento do fluido
do fluido..
Q = K A (
Tabela 9.1 - Condutibilidade Térmica de Materiais de Construção:
Material W/ m2°C Kcal / h m °C Kcal mm / h m2 °C Painéis para Construção
Asbesto Cimento 0,574 0,495 495
Gesso de Paris 0,165 0,143 143
Forro 0,054 0,0471 47,1
TerraSeca 0,52 0,45 450
Materiais isolantes: Placas de Manta
Fibras de lã Mineral 0,038 0,03344 33,44 Borracha Macia 0,012 0,010 10,00 Borracha Dura 0,013 0,011 11,00 Asfalto 0,062 0,053 53,00 Amianto 0,139 0,12 120,00 Feltro 0,070 0,0602 60,20 Fibra de Madeira 0,035 0,031 30,96 Cortiça 0,042 0,037 33,45 Fibra de Vidro 0,038 0,033 30,96 Lã de Rocha 0,048 0,042 42,00 Telhado 0,051 0,044 44,00 Lã Mineral 0,039 0,034 34,00 Lã de Vidro 0,039 0,034 34,00 Vermiculite 0,064 0,056 56,97
Materiais Isolantes: Materiais em Placa
Gesso agregado de Areia 0,22 0,1892 189,20
Gesso agregado de Vermiculite 0,25 0,215 215,00
Placa de Cimento agregado de Areia
0,718 0,619 619,00
Agregado leve em ripas de madeira
0,28 0,240 240,00
Agregado leve em ripas metálicas 0,47 0,410 410,00
Concreto Geral 1,42 1,220 1220,00
Argamassa Cal 1,16 0,990 990,00
Argamassa de Cimento 0,72 0,620 619,00
Agregados leves: Cascalho expandido: Barro, Ardósia, Escória cinza, Pedra Pomes, Perlite, Vemiculite
Material W / m2°C Kcal / h m °C Kcal mm / h m2 °C Agregado de areia e cascalho ou
Pedra 1,723 1,486 1486
Estuque 0,72 0,62 620
Cimento Portland 0,29 0,25 250
Concreto com Escória 0,76 0,65 650
Concreto com Brita 1,37 1,18 1180
Agregado de Areia e Cascalho 0,905 0,780 780
Agregado de Cinza 0,582 0,502 502
Pedra Cal ou Areia 1,795 1,548 1548
Tijolos: Tijolo de Barro Tijolo de Argila 1 furo (10 cm de
espessura) 0,52 0,4472 447,2
Tijolo de Argila 3 furos (30cm de
espessura) 0,69 0,5934 593,4
TijoloComum 0,72 0,62 619
Tijolo de Fase (liso) 1,29 1,11 1115
Tijolos: Tijolo de Bloco de Concreto Com 3 furos Ovais (20 cm de
espessura) 1,0 0,86 860
Com 2 furos retangulares (20cm
de espessura) 1,1 0,946 946
Com 2 furos preenchidos (20 cm
de espessura) 0,6 0,516 516
Agregado com cinzas 3 furos (20
cm de espessura) 0,57 0,576 576
Tijolos: Tijolo Cerâmico (Baiano)
Com 6 furos (10cm de espessura) 1,392 1,2 1200
Com 6 furos (15cm de espessura) 1,1368 0,98 980 Com 8 furos (15cm de espessura) 1,0788 0,93 930
Telhas
Telhado Fibrocimento 0,406 0,35 350
Telhade Barro 0,72 0,62 620
Telha Oca de Barro, elemento de
fundo 0,509 0,439 439
Material W/ m2°C Kcal / h m °C Kcal mm / h m2 °C Material para Laterais
Asbesto – cimento dobrado 0,16182 0,1395 139,5
Isolamento de Asfalto 0,0508 0,04381 43,81
Madeiras
Madeira dura em geral 0,16 0,14 140
Madeira mole em geral 0,12 0,10 100
Madeira picotada / colada
(Aglomerado) 0,087 0,075 75
Madeira Compensada 0,115 0,0999 99,97
Fibra de madeira (tipo mole) 0,172 0,149 149
Fibra de madeira (tipo dura) 0,2006 0,173 173,36
Serragem 0,06 0,05 50 Eucatex 0,03944 0,034 34 Janela / vidro Vidro comum 0,78 0,68 680 Pires 1,4 1,2 1200 Vidro celular 0,0560 0,0483 48,3
Material de Acabamento Civil
Mármore 2,80 2,41 2410
Granito 2,79 2,40 2400
Ladrilho Cerâmico (valor médio) 1,5 1,29 1290
Porcelana 1,03 0,89 890 Arenito 1,83 1,57 1570 Metais Alumínio 206 179 179000 Ferro Fundido 33 28 28000 Aço 53 46 46000 Cobre 398 342 342000 Chumbo 16 14 1400 Zinco 114 97 9700 Níquel 92 79 79000 Estanho 64 55 55000 Coeficientes de Película Ar interior 7Kcal/h m2 º C Ar Exterior (v = 6,7 m/s) 45 Kcal/h m2º C
Lei de Newton
Durante investigações de calor em trânsito entre um fluido e uma superfície sólida,
Peclet notou o aparecimento de uma resistência térmica superficial na película de
fluido. Existindo a resistência aparecerá uma diferença de temperatura entre a massa
de fluido em movimento e a superfície sólida. Este mecanismo é de grande importância
tendo em vista a sua aplicação prática em trocadores de calor em geral.
Figura 9.2 -Transferência através de fluído e superfície sólida
Película
É a tendência que as superfícies tem de reter por adsorção uma camada parada de
moléculas de fluido em contato com ela. A adsorção é a fixação de moléculas de uma
substância (o adsorvato) na superfície de outra substância (o adsorvente).
Haverá, portanto transmissão de calor do fluido1 (maior temperatura) para o fluido 2
(menor temperatura) através da superfície de separação.
O equacionamento do fenômeno foi feito por Newton através de estudos experimentais
e o seu princípio hoje é aceito como lei tendo em vista sua verificação prática.
Segundo Newton o calor trocado entre um fluido e uma superfície sólida é proporcional
a área de troca de calor ao tempo, a diferença de temperatura na película de fluido e
um coeficiente, que é a função das características físicas, é de movimento do fluido.
(Coeficiente de Película).
Lei de Newton para transmissão de calor por convecção
Kcal
h. m
2. º C
BTU
h. ft
2. º F
W
m
Onde:Q = Razão de transferência de Calor;
h = Coeficiente de Convecção ou de Película;
A = Área de troca de Calor;
∆
t = Queda de temperatura na película do fluido;
∆t = t
1- t
2(para o fluido 1);
∆
t = t
3- t
4(para o fluido 2).
Coeficiente Global de Transmissão de Calor (U)
Como foi demonstrado a transmissão de calor entre fluidos separados por uma
superfície plana simples, pode ser calculada duas seguintes equações:
Onde:
Representa a soma de Resistências Térmicas por unidade de área.
O inverso da Resistência Térmica por unidade de área é o Coeficiente Global de
Transmissão de calor (U), para uma parede plana simples entre fluidos.
Ou seja:
Coeficiente Global de transmissão de Calor (U), para fluidos separados por uma
superfície plana simples. (Parede).
Desta forma a equação da transmissão de calor fica representada da seguinte forma:
Q =
∆t
1
+
e
+
1
h
1. A k . A h
2. A
Q
= A .∆t 1 + e + 1 h1 k h2 1 + e + 1 h1 k h2 U = 1 1 + e + 1 h1 k h2Onde:
Q = Quantidade de Calor;
∆
t = Diferencial de temperatura entre os fluidos (t
1-t
2);
A = Área total de transmissão de calor;
U = Coeficiente Global de transmissão de Calor;
Exemplo
Uma parede de alvenaria é feita de blocos ocos de concretos de 200mm e de tijolos de
100mm. Os blocos são feitos de agregado de areia e cascalho. Entre os blocos e os
tijolos existe argamassa de cimento com 13 mm de espessura. O acabamento interior
da parede é de gesso (16mm de espessura) com agregado de vermiculite. Presuma-se
que o vento é de 6,7 m/s. Qual é o valor de "U" para a parede?
Solução
Ver na figura a seguir para o esboço desta parede. Prepare um quadro para resolver
este problema e escreva nele cada item que ofereça resistência ao fluxo de calor. Os
números dos itens no quadro eqüivalem aos indicados na parte inferior da figura 11.
Quadro 9.1 – Cálculo da resistência total
Item Descrição Resistência
01
Película do ar interior, 1/f, 1/7
0,142857
02
Gesso,
x/K
16/210
0,076190
03
Bloco,
1/C,
1/4.39
0,227790
04
Argamassa x/K 13/619
0,021002
05
Tijolo, x/K 100/1115
0,089686
06
Película do ar exterior, 1/f 1/45.24
0,022104
Resistência
Total
0,579629
Q = U. A. ∆tFigura 9.3 - Parede de alvenaria do exemplo
Quadro 9.2 – Itens da Figura Item Descrição A Argamassa de cimento de 13 mm B Bloco de concreto de 200 mm C Gesso 16 mm D Tijolos de 100 mm E Fluxo de calor
O coeficiente total de transferência de calor é o inverso da resistência total. Assim, U = 1/R
U = 1/ 0,579629
U = 1,725241 Kcal/h. m^2 º C que pode ser arredondado para 1,73 Kcal/h m^2 º C
Ganho de calor por transmissão
No presente apenas se discutirão os ganhos de calor devido a condução através das diferentes superfícies de um edifício. O efeito dos raios do sol nestas superfícies será discutido posteriormente. Assim, por hora, os ganhos de calor através das paredes serão considerados como se elas se encontrassem sempre na sombra.
Só a área líquida de uma parede é usada no cálculo do ganho de calor. As áreas de todas as janelas deverão ser subtraídas da área bruta, isto dará a área líquida. O ganho de calor através de janelas são indicado separadamente. As portas, quando poucas, são normalmente consideradas como parte da parede, erro normalmente
desprezível. Suponhamos, no entanto, que temos um grande número de portas nestas paredes, neste caso o ganho de calor através das portas deverá ser calculado
separadamente, neste caso ainda, só se deve usar a área líquida das paredes, janelas e portas.
Exemplo
Calcular a carga térmica (verão) que penetra por condução em um ambiente com as seguintes características:
Figura 9.4 - Exemplo de ambiente
Pé direito de forro a piso = 2,60m Pé direito de laje a piso = 2,80m Vidro comum com persianas Paredes comum média
Temperatura interna = t1 = 24º C
Temperatura externa = t2 = 32º C
Forro Isolado com 1"de lã de vidro Piso não condicionado
Tabela 9.2 – Coeficientes globais de transmissão de calor Coeficiente Valor
U piso 1,71 Kcal / h m2º C
U forro isolado 1,02 Kcal / h m2º C
U parede externa 1,61 Kcal / h m2º C
U parede divisória 1,95 Kcal / h m2º C
U vidro comum 5,37 Kcal / h m2º C
Ganhos de calor por condução através das paredes externas.
1. Diferença de temperaturas, para o caso de estruturas que separam o meio condicionado do meio externo.
∆t = t2 - t1
∆t = 32 - 24
∆t = 8º C
2. Cálculo da área líquida das paredes externas Atotal (paredes e vidros) = (10 + 7). 2,80
Atotal = 47,60 m2
Avidros (área só das janelas) = (2 . 1) + (3 . 2)
Avidros= 8 m2
Aliquida (At - Av) = (47,60 - 8)
Aliquida= 39,60 m2
3. U da parede externa = 1,61 Kcal / h m2º C 4. Usando a equação
Q = U . A . ∆t
Qpe = 39,60 . 1,61 . 8
Ganho de calor por condução através dos vidros externos 1. Diferença de temperaturas ∆t = t2 - t1 ∆t = 32 - 24 ∆t = 8º C 2. Avidros= 8 m2
3. Uvidro comum = 5,37 Kcal / h m2º C
4. Usando a equação Q = U . A . ∆t
Qve = 8 . 5,37 . 8
Qve = 343,68 Kcal/h
Parede em divisória com ambiente vizinho não condicionado:
1. Diferença de temperaturas para estruturas em divisórias com ambientes não condicionados. ∆t' = t'2 - t1 t'2 = t2 - 3º C t'2 = 32 - 3 t'2 = 29º C ∆t = 29 - 24 ∆t = 5º C
2. cálculo de área líquida da parede, quando não existem janelas: Aliquida= 10 . 2,6
Aliquida = 26m2
3. Uparede divisória = Uporta = 1,95 Kcal / h m2º C
4. d) Usando a equação Q = U . A . ∆t
Qpd' = 26 . 1.95 . 5
Parede em divisória com ambiente vizinho condicionado
1. Diferença de temperaturas para estruturas em divisórias com ambientes condicionados.
∆t" = t"2 - t1
t"2 = Temperatura interna do ambiente vizinho
∆t = 21 - 24
∆t = -3º C
2. Cálculo de área líquida da parede, quando não existem janelas:
Aliquida= 7 . 2,6
Aliquida = 18,2 m2
3. Uparede divisória = 1,95 Kcal / h m2º C
d) Usando a equação 5 Q = U . A . ∆t
Qpd" = 18,2 . 1.95 . (-3)
Qpd" = (-106,47) Kcal / h
Observação
1. Note que o fluxo de calor Qpd" se dá no sentido do ambiente condicionado em
questão, ao ambiente vizinho que também é condicionado, porém a uma temperatura menor, Justificando portanto o sinal negativo do resultado.
2. Note também que se o ambiente vizinho fosse condicionado a mesma temperatura que o ambiente em questão, não haveria troca de calor, pois ∆t = 0, logo Q = 0.
Ganho de calor total através das paredes em divisórias Qpd = Qpd' +Qpd"
Qpd = 253,5 + (-106,47)
Ganho de calor por condução através do piso
1. Diferença de temperaturas para estruturas em divisórias com ambientes não condicionados. ∆t' = t'2 - t1 t'2 = t2 - 3º C t'2 = 32 - 3 t'2 = 29º C ∆t = 29 - 24 ∆t = 5º C
2. Cálculo de área do piso Apiso= 7 . 10 Apiso = 70m2 3. Upiso = 1,71 Kcal / h m2º C 4. Usando a equação Q = U . A . ∆t Qpiso = 70 . 1,71 . 5 Qpiso = 598,5 Kcal / h Observação
Neste caso se o pavimento fosse o pavimento térreo o ∆t = 0 (piso sobre a terra), e portanto o fluxo de calor Q = 0.
Ganho de calor por condução através do teto
1. Diferença de temperaturas para estruturas que separam o ambiente condicionado do meio externo.
∆t = t2 - t1
t'2 = 32 - 24
t'2 = 8º C
Ateto= 7 . 10 Ateto = 70m2 3. Uteto = 1,02 Kcal / h m2º C 4. d) Usando a equação 5 Q = U . A . ∆t Qteto = 70 . 1,02 . 8 Qteto = 571,2 Kcal / h
Quadro 9.3 - Ganho total de calor por transmissão
Fonte Valor Qpe 210,04 Kcal / h Qve 343,68 Kcal / h Qpd 147,03 Kcal / h Qpiso 598,50 Kcal / h Qteto 571,20 Kcal / h Qtotal 2170,45 Kcal / h
Tabela 9.4 - Condições externas para verão (°C)
Cidades TBS TBU Temperatura máxima
| - Região Norte
Macapá (AP) 34 28,5 34,7
Manaus (AM) 35 29,0 36,9
Santarém (PA) 35 28,5 37,3
Cidades TBS TBU Temperatura máxima || - Região Nordeste
João Pessoa(PB) 32 26
-São Luis (MA) 33 28 33,9
Parnaíba (PI) 34 28 35,2 Teresina(PI) 38 28 40,3 Fortaleza(CE) 32 26 32,4 Natal(RN) 32 27 32,7 Recife (PE) 32 26 32,6 Petrolina (PE) 36 25,5 38,4 Maceió(AL) 33 27 35,0 Salvador(BA) 32 26 33,6 Aracaju(SE) 32 26
-|V – Região Centro – Oeste
Brasília (DF) 32 23,5 34,8 Goiânia (GO) 33 26 37,3 Cuiabá(MT) 36 27 39,0 Campo Grande (MT) 34 25 37,0 Ponta–Porã (MT) 32 26 35,8 V – Região Sul Curitiba(PR) 30 23,5 33,3 Londrina(PR) 31 23,5 34,0 Foz do Iguaçu (PR) 34 27 38,0 Florianópolis (SC) 32 26 36,0 Joinville(SC) 32 26 36,0 Blumenau(SC) 32 26 36,0 Porto Alegre(RS) 34 26 39,0 Santa Maria (RS) 35 25,5 40,0 Rio grande(RS) 30 24,5 -Pelotas(RS) 32 25,5 -Caxias do Sul (RS) 29 22,0 -Uruguaiana(RS) 34 25,5
-Tabela 9.5 - Condições externas para inverno (6)
Cidades TBS (°C) Umidade relativa (%)
Aracaju(SE) 20 78 Belém (PA) 20 80 Belo Horizonte(MG) 10 75 Blumenau (SC) 10 80 Boa Vista (RR) 21 80 Brasília (DF) 13 65 Caxias do Sul (RS) 0 90 Cuiabá (MT) 15 75 Curitiba (PR) 5 80 Florianópolis (SC) 10 80 Fortaleza (CE) 21 80 Goiânia (GO) 10 65 João Pessoa(PB) 20 77 Joinville (SC) 10 80 Macapá (AP) 21 80 Maceió (AL) 20 78 Manaus (AM) 22 80 Natal (RN) 19 80 Pelotas (RS) 5 80 Porto Alegre (RS) 8 80
Porto Velho (RO) 15 80
Recife (PE) 20 78
Rio Branco (AC) 15 80
Rio Grande(RS) 7 90
Rio de Janeiro (RJ) 16 78
Salvador (BA) 20 80
Santa Maria (RS) 3 80
São Luiz (MA) 20 80
São Paulo (SP) 10 70
Teresina (PI) 20 75
Uruguaiana (RS) 7 80
78-Tabela 9.6 - Condições Internas para verão Recomendável Máxima Finalidade Local TBS (°C) UR (%) TBS (°C) UR (%) Conforto Residências Hotéis Escritórios Escolas 23 a 25 40 a 60 26,5 65 Lojas de Curto tempo de ocupação Bancos Barbearias Cabeleireiros Lojas Magazines Supermercados 24 a 26 40 a 60 27 65 Ambientes com grandes cargas de calor latente e/ou sensível Teatros Auditórios Templos Cinemas Bares Lanchonetes Restaurantes Bibliotecas Estúdios de TV 24 a 26 40 a 65 27 65 Locais de reuniões com movimento Boates
Salões de Baile 24 a26 40 a 65 27 65
Depósitos de livros, manuscritos, obras raras 21 a 23(c) 40 a 50(c) – – Ambientes de Arte Museus e galerias de artes 21 a 23(c) 50 a 55(c) – – Acesso Halls de elevadores – – 28 70
Tabela 9.6 - Condições Internas para verão
TBS (ºC) UR (%)
20 – 22 35 – 65
Ganho de Calor por Insolação
Até aqui, nós discutimos transferência de calor sendo conduzida através de uma estrutura, onde tínhamos a estrutura separando um ambiente condicionado do meio exterior, de ambientes não condicionados; ou de ambientes vizinhos condicionados não condicionados. Neste estudo vimos que o calor flui para o ambiente em estudo
através do fenômeno da condução, onde precisamos de um elemento intermediário
ligando os dois elementos a diferentes temperaturas, ou seja, se propagando através
das moléculas das substâncias envolvidas. Agora estudaremos qual a influência que o
calor radiante solar produz em um ambiente condicionado.
Em primeiro lugar o que seria a carga térmica total devido a insolação de um dado
ambiente? A carga térmica total devido a insolação seria o fluxo de calor radiante solar
ganho pelo ambiente através de sua estrutura (paredes, vidros e teto).
Calor Solar
Os raios do sol passam através do espaço exterior e da atmosfera no seu caminho
para a terra. Qualquer superfície em que toquem (solo, telhados, paredes) aquece. O
calor radiante solar que atinge a superfície da Terra varia consideravelmente de hora
para hora que dependendo do instante em que o sol nasce até ao instante que se põe,
naturalmente dependendo portanto, do sentido de rotação da terra em relação ao sol.
As nuvens, nebulosidade da atmosfera, o grau de pureza da atmosfera, sua
transparência, e outros mil fatores originam grandes variações na quantidade de calor
que atingem a face da Terra.
Quanto as influências da atmosfera, define-se radiação direta e radiação difusa:
A radiação direta é a parte da radiação inicial que incide diretamente na superfície da
terra. É o feixe real de luz solar.
Radiação difusa é a radiação devido a reflexão que se produz nas partículas de vapor
de água, ozona, ou de poluição atmosférica. Ë a energia solar refletida pelas nuvens e
poeira do ar.
Reflexão Solar
Quando a luz bate num espelho, superfície branca, ou qualquer outra superfície
brilhante, uma grande porcentagem dela é refletida. De modo idêntico, se o calor
radiante solar, atingir uma superfície de cor clara, uma grande porcentagem dela será
refletida; só o restante será absolvido pela superfície. Quanto mais escura for a
superfície maior será o calor radiante solar absorvido pela superfície. Assim as
superfícies escuras terão sempre temperaturas superiores às superfícies brancas
expostas a mesma luz solar. A cor da superfície exterior de uma parede e assim de
grande importância na quantidade de calor radiante solar que será absorvido. As
superfícies com cores claras refletem mais radiação solar do que as superfícies de
cores escuras. Ao calcular os ganhos de calor solar através de estrutura, deve-se ter
em conta a cor da superfície exterior.
Outra consideração a fazer quanto a reflexão do calor radiante é de que as superfícies
lisas refletem mais calor radiante solar do que as ásperas.
Temperaturas superficiais
A energia radiante que atinge qualquer superfície eleva sua temperatura. Um telhado
escuro pode atingir, por exemplo, a temperatura de 70º C durante o dia de verão.
Contudo, a temperatura imediatamente acima do telhado pode ser apenas 32º C. A
temperatura superficial de uma estrutura depende da limpeza da atmosfera, como já
vimos, assim como, do ângulo com que os raios solares, recebe a intensidade total do
sol. Por outro lado, quando estes raios incidem na superfície segundo um ângulo, a
intensidade é muito menor.
A Terra dá uma rotação a cada 24h, isto causa o dia e a noite. A Terra dá uma volta ao
redor do Sol, isto causa as estações. Por causa destes movimentos, o ângulo segundo
o qual os raios solares incidem numa superfície está sempre mudando. Isto significa
que a temperatura superficial de uma estrutura ao Sol, varia ao longo do dia.
A direção para qual está voltada uma estrutura vertical é importante na determinação
do ângulo com que os raios solares incidem. A direção também determina as horas
durante as quais a estrutura ficará exposta ao Sol. Uma parede com a direção Este à
latitude de 30º sul, estará ao Sol a partir de 8 horas. A partir daí, a temperatura
superficial da face exterior da estrutura aumentará regularmente até o meio dia. A
partir do meio dia , a temperatura superficial diminuirá até um ponto próximo das 14
horas. À tarde estará na sombra. À mesma latitude , a luz solar só incidirá em uma
superfície vertical orientada para o Oeste após o meio dia. A temperatura da superfície
exterior de uma estrutura vertical Oeste, atingirá o máximo valor cerca das 16 horas. A
partir desta hora resfriará de um modo regular.
A temperatura de superfície exposta ao Sol é normalmente superior à temperatura do
ar exterior. Assim, o calor circula da superfície para o ar através da película superficial
exterior. Só uma parte do calor radiante que atinge a superfície passa para o interior da
estrutura. Da porção de calor que começa a circular no interior da estrutura, só uma
parte atingirá o ambiente condicionado. É necessário tempo para o calor penetrar
numa estrutura vindo do Exterior e atingir a face interior.
A maioria do calor radiante solar que primeiro incide numa estrutura apenas leva a
temperatura da porção exterior da parede. Antes que o calor possa penetrar
profundamente na parede a temperatura da superfície exterior desce novamente,
devido ao Sol mudar de posição. A estrutura quente começa a fornecer calor ao ar
exterior. Apesar de tudo, há sempre certa porcentagem de calor que atinge a superfície
interior e eleva sua temperatura. Esta parcela de calor obedece ao fenômeno de
condução.
Orientação Geográfica
A orientação geográfica consiste em estabelecer-se o posicionamento correto das
estruturas consideradas em função dos pontos cardeais. Portanto, para que possamos
adotar um horário de cálculo é necessário orientar as paredes do recinto a condicionar.
É muito importante que a posição Norte seja fornecida, pois em função dela
orientaremos as paredes. A figura abaixo, representa a Rosa dos ventos e é um
auxiliar importante ao processo da orientação das estruturas. A estrutura
perpendicular, a determinada orientação, recebe o nome respectivo da mesma.
Figura 9.5 - Rosa dos ventos
Horizonte Visual
Quando olhamos em redor, para nos orientarmos, vemos uma extensão enorme de
terreno, se a nossa visão não for interceptada por quaisquer obstáculos. O círculo
abrangido pelo nosso olhar e que é limitado pela linha em que a Terra parece acabar e
tocar o céu designa-se por Horizonte Visual.
O movimento aparente do Sol, permitiu aos homens a determinação de referências:
pontos cuja posição é invariável em qualquer lugar da Terra.
Com efeito, o Sol descreve todos os dias, aparentemente, um arco, cujas extremidades
cortam a linha do Horizonte Visual em dois pontos. Esses pontos correspondem ao seu
nascimento e ao seu ocaso. Se os imaginarmos unidos, obtemos uma linha que passa
pelo lugar onde nos encontramos. Se imaginarmos, novamente, uma linha
perpendicular a estas, com as mesmas características (cortando a Linha do Horizonte
e passando pelo lugar onde estamos), obtemos quatro direções. A estes quatro pontos
dá-se o nome de pontos cardeais.
Pontos Cardeais
O Norte é o ponto fundamental, na Rosa dos ventos das cartas marítimas antigas, o
Norte era representado por uma flor-de-liz. Os quatro pontos cardeais são:
• Norte
, Setentrional, Boreal ou Ártico (N)
• Sul, Meridional, Austral, Antártico (S)
• Este
, Leste, Oriente, Nascente ou Levante (E)
• Oeste, Ocidente, Poente, Ocaso (O ou W)
Os pontos da Rosa dos ventos costumam ser referidos em termos do ângulo que
fazem com o Norte. O Este são 90 graus, o Sul 180 e o Oeste 270.
O conhecimento dos pontos cardeais é a base elementar da orientação, mas como as
direções que permitem definir ficam, por vezes, bastante afastadas das que desejamos
determinar, criam-se outros pontos que representam direções intermédias daquelas.
Estes pontos designam-se por Pontos Colaterais.
Pontos Colaterais
Os pontos colaterais situam-se na bissetriz dos ângulos formados pelos pontos
cardeais. São eles:
•
NE
Nordeste
(45º )
•
SE
Sudeste
(135º )
•
SO
Sudoeste
(225º )
Hora de Cálculo
A escolha da Hora de Cálculo deverá ser feita de tal modo, possibilitando o cálculo para a pior condição, ou seja, para hora de insolação máxima ao local que está sendo calculado. Terão grandes influências as áreas de vidros existentes nas diversas
paredes.
Roteiro para cálculo de ganho de calor por insolação
Para a determinação do percentual do ganho de calor por insolação deverá o mesmo ser procedido da seguinte forma:
1. Determinar as orientações das estruturas;
2. Verificar o tipo de estrutura e o coeficiente de transmissão total relativos às mesmas;
3. Verificar se existem estruturas vizinhas que impeçam a insolação parcial ou total alguma estrutura dos ambientes considerados;
4. Calcular as áreas de paredes externas e vidros externos das estruturas consideradas;
5. Verificar áreas de teto sujeita a insolação;
6. Verificar se existe insolação devido a reflexão dos raios solares em vidros de prédios próximos, etc.
7. Verificar os valores de ∆t em função das variáveis relativas aos mesmos. (Tabelas);
8. Montagem da tabela básica;
Tabela 9.7 - Valores de∆t para Superfícies Opacas Cores: Preto, Cinza-escuro Direção da Face Hora SE E NE N NO O SO Telhado 8 3.3 3.9 9 14.5 19.5 8.3 5 10 19.5 8.3 14.5 16.1 11 14.7 22.1 15.6 25.5 12 6.7 15 13.4 0.5 32.7 13 6.1 7.8 2.8 36.8 14 1.1 3.3 1.1 38.2 15 2.8 7.8 6.1 36.8 16 0.5 13.8 15 32.7 17 15.6 22.1 13.4 25.5 18 14.5 24.5 19.5 16.1 19 8.3 19.5 14.5 5 20 3.9 3.3
Tabela 9.8 - Valores de∆t para Superfícies Opacas Cores: Cinza-Claro, Vermelho e Marrom Direção da Face Hora SE E NE N NO O SO Telhado 8 0.5 1.1 9 7.8 9.4 3.9 1.7 10 10 14.5 8.3 9.4 11 7.6 12.8 8.9 15 12 2.8 8.9 7.4 20 13 2.9 3.9 22.1 14 0.5 23.5 15 3.9 2.8 22.1 16 7.4 8.9 2.8 20 17 8.9 12.8 7.4 15 18 8.3 14.5 10 9.4 19 3.9 9.4 7.8 1.7 20 1.1 0.5
Tabela 9.9 - Valores de ∆t para Superfícies Opacas Cores: Alumínio e Branco Direção da Face Hora SE E NE N NO O SO Telhado 8 9 3.3 4.4 10 4.4 7.4 3.3 3.9 11 2.8 6.1 3.9 7.8 12 3.9 2.8 10.5 13 0.5 12.2 14 12.8 15 0.5 12.2 16 2.8 3.9 10.5 17 3.9 6.1 2.8 7.8 18 3.3 7.2 4.4 3.9 19 1.1 4.4 3.3 20
Tabela 9.10 - Valores de ∆t para Superfícies Transparentes - Condição: Sem Proteção contra o sol / Sem Cortinas escuras
Direção da Face Hora SE E NE N NO O SO Telhado 6 24.2 26 11 2.2 7 62 74 39 25 8 70 96 58 65 9 50 86 60 98 10 22 58 48 3.9 124 11 1.1 20 16.8 8.9 136 12 5 10.6 5 143 13 8.9 26.8 20 1.1 136 14 3.9 48 58 22 124 15 60 86 50 98 16 58 96 70 65 17 39 74 62 25 18 11 26 24.2 2.2
Tabela 9.11 - Valores de ∆t para Superfícies Transparentes - Com cortinas claras / com persianas internas Direção da Face Hora SE E NE N NO O SO Telhado 6 12.2 13.3 0.55 1.1 7 31 37 19.5 12.8 8 35 48.5 29.4 33 9 25.6 43 30 49 10 10.5 29.4 24 1.6 62 11 0.55 10 13.5 4.5 68 12 5 71 13 4.5 13.5 10 0.55 68 14 1.6 24 29.4 10.5 62 15 30 43 25.6 49 16 29.4 48.5 35 33 17 19.5 37 31 12.8 18 0.55 13.3 12.2 2
Tabela 9.12 - Valores de ∆t para Superfícies Transparentes - Condição: com Persianas Externas Direção da Face Hora SE E NE N NO O SO 6 7.3 7.8 3.3 7 18.3 22 11.7 8 21 29 17.8 9 15 25.6 17.8 10 6.7 17.8 14.4 1.1 11 6.1 7.8 2.8 12 1.6 3.3 1.6 13 2.8 7.8 6.1 14 1.1 14.4 17.8 6.7 15 17.8 25.6 17 16 17.8 29 21 17 11.7 22 18.3 18 3.3 7.8 7.3
Exemplo
Calcular para o exemplo anterior o ganho de calor por insolação. Conforme item anterior temos o seguinte roteiro:
1. Determinar as direções das faces com o auxílio de uma Rosa dos ventos. Temos:
Figura 9.6 - Exemplo de cálculo
2. Verificar o tipo de estrutura e os respectivos coeficientes de transmissão total
estruturas: paredes com média
vidros comuns com proteção de persianas telhado com isolamento de 1"de lã de vidro
Uparede externa = 1,61 Kcal / h m2º C
Uvidro comum = 5,37 Kcal / h m2º C
Utelhado = 1,02 Kcal / h m2º C
3. Verificar se existem estruturas vizinhas que impeçam a insolação parcial ou total de alguma estrutura dos ambientes considerados:
não existem
-4. Calcular as áreas das paredes externas, vidros externos:
Estrutura SO - Vidro =2 x 1 = 2 m2 Estrutura SO – Paredes =19,6 - 2 = 17,6 m2 Estrutura SE - Parede + Vidro =10 x (2,80) = 28 m2 Estrutura SE - Vidro =3 x 2 = 6 m2 Estrutura SE - Paredes = 19,6 - 2 = 22 m2 5. Verificar áreas de teto sujeitas a insolação:
Ateto = 10 . 7 = 70 m2
6. Verificar se existe insolação devido a reflexão dos raios solares em vidros de prédios próximos, etc. :
não existem
-7. Verificar os valores de∆t em função de suas respectivas variáveis:
Na tabela 9.8 encontramos os valores de∆t para superfícies opacas de cor média Na tabela 9.11 encontramos os valores de ∆t para superfícies transparentes com proteção de persianas.
Tabela 9.13 - Tabela Básica
Superfície Parede Vidros Parede Vidros Telhado
Direção das faces SE SE SO SO (-)
A [m2] 22 6 17.6 2 70 U [Kcal / h m2ºC] 1.61 5.37 1.61 5.37 1.02 A .U [Kcal / h ºC] 35.42 32.22 28.33 10.74 71.4 ∆t ∆t ∆t ∆t ∆t Horas Solares Q Q Q Q Q T O T A I S 7.8 25.6 1.7 9 276.28 824.83 121.38 1222.49 10.00 10.5 9.4 10 354.20 338.31 671.16 1363.67 7.60 0.55 15 11 269.19 17.72 1071.00 1357.91 2.80 20 12 99.18 1428.00 1527.18 0.55 22.1 13 5.91 1577.94 1583.85 10.5 23.5 14 112.77 1677.90 1790.67 25.6 22.1 15 274.94 1577.94 1852.88 2.8 35 20 16 79.32 375.90 1428.00 1883.22 7.4 31 15.5 17 209.64 332.94 1106.70 1649.22 10 12.2 9.4 18 283.30 31.03 671.16 1085.49
Determinação dos ganhos de calor por insolação
Ganho total de calor por insolação Q = 1883,22 Kcal/h , sendo que às 16:00 se dará o ganho de calor máximo para o ambiente em estudo.
Ganhos de calor devido a pessoas
As perdas de calor do corpo humano variam de indivíduo para indivíduo, variam
também com o grau de atividade. O corpo libera calor sensível e calor latente; devem ambos ser considerados no projeto do sistema de ar condicionado. Na tabela 9.15 selecionam-se valores de calor sensível e calor latente, para vários tipos de atividade física, note que ao descer a primeira coluna da tabela 9.15, o grau de atividade
aumenta. Observe agora as colunas de calor sensível e calor latente. O calor sensível aumenta uma pequena quantidade, mas o calor latente sobe sensivelmente.
Desconhecendo-se o número exato de pessoas que eventualmente possam ocupar o recinto condicionado deve-se utilizar da tabela abaixo:
Tabela 10.14 - Valores para ocupação de recintos
Local M2 / Pessoa Dormitórios 10 Salasresidênciais 8 Salões de Hotel 6 EscritóriosPrivados 8 Escritóriosemgeral 8
Bancos - Recintos privados 7
Bancos-recintos públicos 4
Lojas de pouco público 5
Lojas de muito público 3
Restaurantes 2
Boites 1
Auditórios - Conferências 1.5
Tabela 9.15 - Calor liberado por pessoas TBS 28º 27º 26º 24º 21º Local (1) (2) S L S L S L S L S L Teatro, escola primária 98 88 44 44 49 39 53 35 58 30 65 23 Escola secundária 113 100 45 55 48 52 54 46 60 40 68 32 Escrit. Hotéis, aptos, universidades 120 Supermercados, varejistas, lojas 139 113 45 68 50 63 54 59 61 52 71 42 Farmácias drogarias 139 Bancos 139 126 45 81 50 76 55 71 64 62 73 53 Restaurante (b) 126 139 48 91 55 84 61 78 71 68 81 58 Fábrica, trabalho leve 202 189 48 141 55 134 62 127 74 115 92 97 Salão de baile 227 214 55 159 62 152 69 145 82 132 101 113 Fábrica, trabalho moderadamente pesado 252 252 68 184 75 176 83 169 96 156 116 136 Boliches, Fábricas, Ginásios (c) 378 365 113 252 117 248 122 243 132 233 152 213
(1) Metabolismo Homem Adulto (2) Metabolismo médio (a) S = Calor Sensível L = Calor Latente
1. O Metabolismo Médio corresponde a um grupo composto de adultos e crianças de ambos o sexos, nas proporções normais. Estes valores foram obtidos com base nas seguintes hipóteses:
• Metabolismo da Mulher Adulta = Metabolismo do Homem Adulto . 0,85 • Metabolismo da Criança = Metabolismo do Homem Adulto . 0,75
2. estes valores compreendem 4 Kcal/h (50% de calor sensível e 50% de calor latente) por ocupante, para levar em conta o calor desprendido pelos pratos.
3. Boliche: admitindo uma pessoa jogando por pista e os outros sentados (100 Kcal) ou de pé (139 kcal/h).
O ganho de calor Sensível devido a pessoas pode ser obtido pela equação:
Onde :
Qs = ganho de calor Sensível [Kcal/h] n = número de pessoas
CS = calor sensível liberado por pessoa [Kcal/h]
O ganho de calor latente devido a pessoas pode ser obtido pela equação:
Onde :
QL = ganho de calor Latente [Kcal/h] n = número de pessoas
CL = calor Latente liberado por pessoa [Kcal/h]
Exemplo
Um salão de baile, tem uma assistência total de 1200 pessoas. Destas, 900 estão na pista de dança e 300 estão sentadas. Calcular os calores sensível e latente total adicionados a sala.
1. Das condições internas recomendadas para o verão obtém-se que a temperatura ideal para o salão de festas está na faixa 24º C a 26º C. Tome 24º C.
2. da tabela 9.15 de calor sensível e latente, obtém-se a temperatura: QS = n . CS
Sentada com atividade moderada CS = 71 Kcal / h
(restaurante) CL = 68 Kcal / h
Dançando com moderação CS = 82 Kcal / h
(salão de baile) CL = 132 Kcal/h
300 pessoas estão sentadas, portanto: Qs = 300 . 71 Qs = 21300 Kcal / h Ql = 300 . 44 Ql = 13200 Kcal / h
900 pessoas estão dançando, portanto: Qs = 900 . 82 Qs = 73800 Kcal / h Ql = 900 . 132 Ql = 118800 Kcal / h
Totais
Qs total = 21300 + 7380 Qstotal = 95100 Kcal / h
Ql total = 13200 + 118800 Ql total = 132000 Kcal / h
Ganho de calor devido a Iluminação
A dissipação de calor liberado pelos aparelhos de iluminação elétrica é uma carga sensível considerável e que deve ser computada. Nos casos em que não se tenham os valores corretos de iluminação elétrica, deve-se assumir valores, segundo o
Tabela 9.16 - Iluminação Local W/m2 Dormitório 10 SalasResidenciais 20 Salões de Hotel 30 Escritórios 40 Bancos 40 Lojas 60 Salasde desenhos 60 Restaurantes 20 Boates 10 Auditórios - Conferências 20 TeatrosAuditórios 10
Para iluminações indiretas, com lâmpadas incandescentes, os números da tabela devem ser multiplicados por 2. Para iluminação com lâmpadas fluorescentes os números relativos à lâmpadas fluorescentes devem ser divididos por 3, segundo os valores da tabela.
O ganho de calor devido a iluminação do ambiente é dada pela equação:
Onde: (para lâmpadas incandescentes) Qil = carga de iluminação [Kcal/h]
0,860 = fator de conversão Wt = Potência Total [W]
Para lâmpadas fluorescentes deverá ser acrescido 25% a mais, devido a carga de reatores, à saber:
Qil = 0,860 . Wt
Exemplo
Determinar a carga térmica total à iluminação de uma recepção de hotel com as seguintes luminárias:
• 5 candelabros com 108 lâmpadas incandescentes de 10W cada;
• iluminação incandescente para uma área de 20 m2, iluminação indireta para
pinturas a óleo;
• iluminação fluorescente para uma área de 30m2, para escritório da gerência.
Solução
1. 5 candelabros com 108 lâmpadas incandescentes de 10W cada; Qil = 5. 108. 10. 0.86
Qil = 4644 Kcal /h
2. iluminação incandescente indireta para uma área de 20 m2; a) da tabela de iluminação ideal, obtém-se
Salões de hotel - 30W/m2
b) Correção para iluminação indireta - dobro 30. 2 = 60W/m2
c) Total de potência de iluminação a ser gerada: 60. 2 = 120W
d) Qil = 1200. 0,86 Qil = 1032 Kcal/h
3. iluminação fluorescente para escritório com 30 m2:
• da tabela de iluminação ideal, obtém-se:
- Escritório - 40W/m2
• Correção para iluminação indireta - 1/3
- 1/3 = 13,33 W/m2
• Total de potência de iluminação a ser gerada:
- Qil = 400. 0,86. 1,25 - Qil = 430 Kcal/h
Calor total transmitido.
• Qil total = 4644 + 1032 + 430
• Qil total = 6106 Kcal/h
Ganho de calor devido à motores elétricos
Os motores elétricos fornecem calor sensível quando estão em funcionamento e esse calor deve ser removido pelo equipamento de resfriamento, quer o motor esteja na sala condicionada, quer na corrente de ar. Tomaremos como exemplo, um motor acoplado ao ventilador de insuflamento. Assuma-se que o motor é de 5 Kw e se encontra fora da câmara do ventilador. A potência fornecida ao ventilador constitui energia adicionada à corrente de ar. O calor equivalente é 5Kw. Ao equipamento de resfriamento não
interessa de onde venha os 5 Kw, ele terá que efetuar o mesmo trabalho de resfriamento que o ganho de calor seja da sala ou do ventilador de insuflamento.
Certamente que os motores não tem uma eficiência de 100%. Assim, para que o motor forneça 5Kw a sua alimentação terá que ser superior a 5 Kw. Assume-se que a
eficiência de um motor de 5Kw é de 80%. Assim a alimentação do motor é 6.25 Kw (5,0 / 6,25). Evidentemente que esta energia chega ao motor na forma de eletricidade. Será contudo, eventualmente toda convertida em calor. Geralmente o equivalente em calor da energia elétrica de alimentação é considerado como parte da carga da sala. Quando o motor faz parte do ambiente condicionado sabe-se previamente sua
potência, porém, quando faz parte do equipamento torna-se difícil computar sua potência , uma vez que os ganhos de calor do ambiente e que vão determinar as potências do equipamento frigorífico e dos motores dos mesmos. Dessa forma, a alternativa que resta é estimar sua potência e posteriormente, quando a potência frigorífica estiver definida, verificar os valores estipulados e corrigi-los se necessário. Como estimativa assume-se que cada 100m2 condicionados exigem 1 HP para
potência frigorífica. O ganho de calor devido a motores elétricos pode ser obtido pela equação:
Onde:
Qm = ganho do Motor [kcal / h];
P = potência do motor elétrico[W],[HP],[CV]; E = eficiência do motor elétrico;
Fc = fator de Conversão de unidades.
1Watt = 0,86 Kcal/h 1HP = 1,044 CV 1HP = 641,2 Kcal /h
Ganho de calor devido a equipamentos e aparelhos diversos
Esse ganho de calor depende da função e aplicação típica do recinto a ser condicionado, pois, estas determinarão o tipo, quantidade e potência dos
equipamentos existentes. Sua composição pode ser obtida através da somatória de calor de equipamento relacionados na tabela 15. O ganho de calor de equipamentos não indicados na tabela, pode ser estimado a partir das características indicadas em sua chapa de identificação e através da equação. Deve-se ressaltar no entanto, que em alguns casos o calor liberado compõe-se de percentual latente. Suponhamos, por exemplo, que um aquecedor elétrico aqueça um líquido no recipiente aberto ou num recipiente ventilado para sala. Neste caso, uma parte do ganho de calor é convertida em calor latente. Isto pode ser estimado como cerca de 50% de calor sensível e 50% de calor latente.
O ganho de calor devido a equipamentos e aparelhos diversos, pode ser obtido pela equação:
Qm = P . Fc E
Onde:
Qe = ganho de calor [ Kcal / h]
Pe = potência dos equipamentos em watts 0,86 = fator de conversão de watts para Kcal /h
Tabela 9.17 - Calor liberado por fontes diversas
Kcal/h Equipamentos Diversos
Sensível Latente Total Equipamentos elétricos
Aparelhos elétricos - por Kw 860 0 860
Forno elétrico - serviço de cozinha por Kw 690 170 860 Torradeiras e aparelhos de grelhar por Kw 770 90 860
Mesa Quente - por Kw 690 170 860
Cafeteiras – por litro 100 50 150
Equipamentos a Gás
GLP 50% butano + 50% propano por m3 /h 5540 700 6240
GLP (50%/50%) por Kg 9800 1200 11000
Bico de Bunsen - tamanho grande 835 215 1050
Fogão a gás-serviço de rest. por m2 de superfície de mesa
10500 10500 21000
Banho Maria
Por m2 de superfície Superior 2130 1120 3250
Cafeteira– por litro 150 50 200
Equipamentos a Vapor
Banho Maria por m2 de boca 1125 2625 3750
Alimentos
Por pessoa (restaurante) 7 7 14
Motores Elétricos Potência Placa Eficiência aproximada
Até1/4 CV Por CV 60 1050 0 1050
1/2 a1 CV Por CV 70 900 0 900
1 1/2 CV a 5 CV Por CV 80 800 0 800
7 1/2 CV a 20 CV Por CV 85 150 0 750
Carga térmica do ambiente a ser condicionado (Verão)
Deve-se somar as cargas térmicas sensíveis geradas no ambiente e depois as latentes para a fim de determinar o fator de calor sensível, a temperatura de insuflamento e a vazão de insuflamento. Abaixo o resumo:
Tabela 9.18 – Resumo do Cálculo de Carga Térmica do Ambiente
Descrição Sensível Latente
Transmissão X Insolação X Pessoas X X Iluminação X Motores X Equipamentos Diversos X X* Soma Parcial CS CL
* Alguns equipamentos geram carga latente através da vaporização de água, tais como: banho-maria, cafeteiras, etc.
Fator de Calor Sensível (FCS)
O fator de calor sensível representa a relação entre as cargas sensíveis e latentes. Será utilizado no diagrama psicrométrico para determinar a temperatura de
insuflamento.
Ambientes com carga latente baixa trabalham com o FCS de 1,0 até 0,7 .
Em alguns casos os diagramas psicrométricos trabalham com o multiplicador de calor sensível:
FCS = CS___ CS + CL
MCS = CS + CL CL
Condições do Ar da saída do equipamento
Teoricamente o projetista de um sistema de ar condicionado, pode selecionar a
condição do fornecimento de ar, para qualquer combinação de temperaturas de bulbo seco e úmido, que se interceptam na linha de porcentagem de calor sensível. Na prática, contudo, a combinação das temperaturas de bulbo seco e úmido selecionada para o fornecimento de ar deve ser possível de obter com o equipamento usado para resfriar o ar. O ar é normalmente fornecido à sala condicionada, nas mesmas
condições que deixa o equipamento de resfriamento. O equipamento de
condicionamento selecionado deve ser assim, capaz de reduzir as temperaturas de bulbo seco e úmido do ar fornecido até um ponto que se situe na linha de
porcentagem do calor sensível para a sala em questão.
O ar pode ser resfriado através de muitas combinações diferentes de temperatura de bulbo seco e úmido, dependendo da combinação exata do projeto do equipamento de resfriamento. Contudo os pontos que representam as temperaturas de bulbo seco e úmido finais do ar ao deixar o equipamento de resfriamento deverá ser na linha de calor sensível ou debaixo dela. Os equipamentos dos tipos normalmente usados tem tendência a fornecer ar com altas umidades. Assim, por conveniência de cálculo, o ar ao deixar o equipamento de resfriamento é normalmente considerado como tendo uma porcentagem de saturação 90% apesar de se obterem umidades relativas superiores e inferiores.
Determinação da temperatura de saída do equipamento
Ao projetar qualquer sistema de ar condicionado as temperaturas de bulbo seco e úmido requeridas ao ar insuflado devem ser sempre selecionadas primeiro e a partir delas calculado o volume de ar necessário para absorver a carga sensível e latente existente no ambiente e deixá-lo nas condições ideais de estudo. A temperatura de saída do equipamento de ar condicionado é conseguida através do seguinte processo, ilustrado na figura a seguir:
Figura 9.7 - Temperatura de saída do equipamento
Determinação da vazão de ar a ser insuflado
1. Localiza-se no diagrama psicrométrico o ponto que determina as condições internas do ambiente em estudo (ponto A);
2. Calcula-se o fator de calor sensível e localiza-se este ponto na escala correspondente (ponto B);
3. Une-se ponto B ao ponto de referência (PR) para utilização da escala do fator de calor sensível (reta PRB);
4. Traça-se uma paralela unindo o ponto a (condições Internas) ao ponto C
determinado pela intersecção desta reta com a curva de saturação (90% UR) -normalmente considerada como a porcentagem de umidade oferecida pelo equipamento de resfriamento (reta AC);
5. Através do ponto C obtém-se o valor de TBS2 na escala de temperatura de bulbo seco;
Determinação da vazão de ar a ser insuflado
Onde:
Vai = vazão de ar insuflado [m3 /h];
CS = calor sensível a ser absorvido [Kcal/h]; 0,24 = constante prática;
TBS1 = temperatura de bulbo seco interna do ambiente [º C];
TBS2 = temperatura de bulbo seco na saída do equipamento frigorífico [º C].
Determinação da vazão de ar externo
Origina-se esta parcela de carga térmica pelo fato do ar exterior em determinadas condições de temperatura e umidade passar para as condições do recinto
condicionado. Este ar exterior e que vai substituir o ar que por infiltração escapa do recinto condicionado por frestas existentes nas janelas, portas, portas giratórias ou vai e vem e exaustores. O valor do volume de ar que escapa do recinto através de portas normalmente fechadas eqüivale a uma troca, por hora do volume total do recinto
condicionado. O valor do volume para portas de vai e vem depende da medida e tipo dessas portas como também da freqüência de abertura das mesmas como pode-se ver na tabela a seguir extraída da NB-10 da ABNT.
Vai = CS 1
0,24 . (TBS1 - TBS2)
Tabela 9.19 - Fluxo de Ar externo pelas portas
Pelas Portas (Normalmente Fechadas) m3 / h . pessoa Local
Porta Giratória (1.80m) Porta de vai-e-vem (0.90m)
Bancos 11 14 Barbearias (-) 9 Drogarias e farmácias 10 12 Escritórios de Corretagem 9 9 Escritórios Privados (-) 4 Escritórios em Geral (-) 7 Lojas em Geral 12 14 Restaurantes 3 4 Lanchonetes 7 9
Pelas Portas (Normalmente Abertas)
Porta de 90cm 1350 m3 /h
Porta de 180cm 2000 m3 /h
Tabela 9.20 - valores para perdas de ar por frestas de janelas e portas
Pelas Frestas
Tipo de Abertura Observação m3/h (por metro de frestas) (*) Janelas
- Comum 3
- Basculante 3
- Guilhotina com caixilho de madeira Mal ajustada 6.5
Bem ajustada 2
- Guilhotina com caixilho metálico Sem vedação 4.5
Com vedação 1.8
Portas Mal ajustada 13
Bem ajustada 6.5
Tabela 9.21 - Ar exterior para renovação m3 / h por pessoa Local Recomendável Mínimo Concentração de Fumantes Bancos 17 13 Ocasional Barbearias 25 17 Considerável
Salões de beleza 17 13 Ocasional
Bares 68 42 (-) Cassinos-Grill-Room 45 35 (-) Escritórios Públicos 25 17 Alguns Privados 42 25 Nenhum Privados 51 42 Considerável Outros Ambientes Estúdios 35 25 Nenhum Lojas 17 13 Ocasional
Salas de hotéis 51 42 Grande
Residências 35 17 Alguns
Restaurantes 25 20 Considerável
Salas de diretores 85 50 Muito Grande
Teatros-Cinemas-Auditórios 13 8 Nenhum
Teatros-Cinemas-Auditórios 25 17 Alguns
Salasde aula 50 40 Nenhum
Salas de reuniões 85 50 Muito grande
Aplicações Gerais
Por pessoa (Não fumando) 13 8 (-)
Por pessoa (fumando) 68 42 (-)
Para o cálculo de vazão correspondente do ar exterior deve-se proceder a avaliação dos seguintes valores:
1. determinar a quantidade de ar que, por motivo de ventilação deve ser introduzida no recinto condicionado;
2. determinar a quantidade de ar que escapa por portas normalmente fechadas; 3. determinar ao ar que escapa por eventuais portas de vai e vem;
Uma vez obtidos estes valores, adotaremos para quantidade de ar exterior o maior valor obtido entre a necessidade de ar para renovação do ambiente com a
necessidade de ar para a reposição devido as perdas.
O ar exterior é admitido pelo climatizador de ar o qual deverá remover seu calor total (sensível + latente) antes de enviá-lo para o ambiente. Na tabela 11 mostramos os valores para perdas de ar por frestas de janelas e portas. Na tabela 12 mostramos os valores de quantidades de ar exterior para renovação extraídos da NB-10 da ABNT.
Condições de entrada do ar na serpentina
Devemos determinar a temperatura de entrada do ar na serpentina do condicionador considerando as proporções entre as massas de ar de retorno e de ar externo.
Figura 9.8 - Esquema da caixa de mistura de ar
Chama-se caixa de mistura de ar o local onde encontram-se as massas de ar de retorno e de ar externo. Esta caixa de mistura pode ser uma junção entre ramais de dutos ou mesmo a própria casa de máquinas do equipamento condicionador de ar. Através do esquema podemos perceber que:
Onde:
VAI = Vazão de insuflamento VAE = Vazão de ar externo VR = Vazão de retorno
