Estudo de climatização de um escritório

UNIJUÍ – Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul DCEEng – Departamento de Ciências Exatas e Engenharias

Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi

LUCIANO RABER

ESTUDO DE CLIMATIZAÇÃO DE UM ESCRITÓRIO

Panambi 2012

LUCIANO RABER

ESTUDO DE CLIMATIZAÇÃO DE UM ESCRITÓRIO

Trabalho de conclusão de curso apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.

Banca Avaliadora:

1° Avaliador: Prof. Gil Eduardo Guimarães, Dr.

Dedico está dissertação aos meus queridos pais Darci e Clarice pelo amor, carinho e força que sempre me dispensaram e a minha esposa e filha Daiana e Lara, pela paciência, compreensão e estímulo que me ofereceram, dedico-lhes essa conquista como gratidão.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, por ter guiado meus passos nesta longa jornada de estudos.

À família, um agradecimento especial a minha esposa e a minha filha, pelo incentivo constante, pela compreensão, pela força, pelo amor, carinho e dedicação que possuem por mim, por sempre estar ao meu lado para me apoiar nos momentos difíceis que passei e nos momentos em que tive que me ausentar no decorrer dos meus estudos. Dedico esta conquista com a mais profunda admiração e respeito.

Ao professor Roger pela troca de informações, pela orientação precisa e prática durante a realização deste trabalho.

RESUMO

O presente trabalho apresenta uma análise cujo objetivo é estudar a climatização de um escritório. Primeiramente foi definido o ambiente e as características correspondentes, para assim realizar o cálculo do balanço térmico entre a taxa de geração de calor e a taxa de remoção de calor dos equipamentos climatizadores. Em seguida, para a realização das simulações do fluxo de ar e da transferência de calor foram utilizadas nas superfícies do escritório as taxas de transferência de calor calculadas para as condições de contorno. Desse modo, através dos cálculos e das simulações realizar análises qualitativas do fluxo de ar no interior do escritório e comparativo dos resultados obtidos. Também foi realizado um experimento com o auxílio do traçador de fumaça para análise do fluxo de ar em um laboratório de informática comparando com o resultado obtido através das simulações computacionais realizadas através do software ANSYS-CFX.

Palavras-chaves: Balanço térmico, transferência de calor, carga térmica, ar-condicionado, método dos volumes finitos, ANSYS-CFX.

ABSTRACT

This work presents an analysis whose goal is to study the climate of an office. We first defined the environment and features corresponding to thereby perform the calculation of the thermal balance between the rate of heat generation rate and heat removal equipment conditioners. Then, for performing the simulations of air flow and heat transfer surfaces were used in the office rates of heat transfer calculated for the boundary conditions. Thus, through calculations and simulations perform qualitative analysis of the air flow inside the office and comparing the results. Also an experiment was conducted with the aid of smoke tracer for analysis of airflow in a computer lab by comparing with the results obtained through computer simulations performed using ANSYS-CFX software.

Keywords: Heat balance, heat transfer, thermal load, air-conditioning, finite volume method, ANSYS-CFX.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Condições de contorno da equação da difusão de calor na superfície (x = 0) [3]. .. 20

Figura 2 – Fatores que afetam as trocas térmicas [1]. ... 22

Figura 3 - Ambiente analisado [Autor]... 29

Figura 4 – Detalhe ilustrativo do ambiente analisado [Autor]. ... 30

Figura 5 – Vista externa do escritório [Autor]. ... 30

Figura 6 – Características do escritório [Autor]. ... 31

Figura 7 – Vistas em 3D da sala analisada [Autor]. ... 31

Figura 8 – Vista do escritório com as paredes rebatidas [Autor]. ... 33

Figura 9 – Janela com infiltração de ar [Autor]... 36

Figura 10 – Fontes de calor do escritório [Autor]. ... 41

Figura 11 – Fontes de calor do escritório e percentual [Autor]. ... 42

Figura 12 – Balanço térmico da remoção de calor e das cargas térmicas [Autor]. ... 42

Figura 13 – Figura geométrica representando o ambiente analisado [Autor]. ... 43

Figura 14 – Modelo físico do ar: a) Sólido; b) Linhas ocultas visíveis [Autor]. ... 44

Figura 15 – Geometria do ar: a) Detalhe ambiente externo; b) Vista da fábrica [Autor]. ... 44

Figura 16 – Detalhe da malha: a) Vista ambiente externo; b) Detalhe-entradas de ar [Autor].45 Figura 17 – Condições de contorno de entrada e saída do ar: a) Entrada; b) Saída [Autor]. ... 47

Figura 18 – Condições de contorno (Vista do teto e da parede P4) [Autor]. ... 48

Figura 19 – Condições de contorno (Vista da parede P2) [Autor]. ... 48

Figura 20 – Condições de contorno (Vista da parede P1) [Autor]. ... 48

Figura 21 – Condições de contorno (Vista da parede P3 e do piso) [Autor]. ... 49

Figura 22 – Identificação do ponto de monitoramento da temperatura [Autor]. ... 50

Figura 23 – Linhas de corrente por temperatura: a) Total; b) Detalhe [Autor]. ... 51

Figura 24 – Região com temperatura mais alta [Autor]. ... 52

Figura 25 – Troca térmica por convecção - Geradores de calor interno [Autor]. ... 52

Figura 26 – Temperatura do ar em contato (Paredes/janelas/piso) [Autor]. ... 53

Figura 27 – Temperatura do ar em contato (Teto) [Autor]... 53

Figura 28 – Temperatura das superfícies internas no plano [Autor]. ... 54

Figura 29 – Temperatura interna: a) 23ºC a 25ºC; b) 0ºC a 50ºC [Autor]. ... 55

Figura 30 – Velocidade do ar [Autor]. ... 55

Figura 31 – Experimento do fluxo de ar [Autor]. ... 56

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Temperatura interna e externa das paredes [Autor]. ... 32

Tabela 2 – Denominação dos ambientes [Autor]. ... 32

Tabela 3 – Informações sobre a sala analisada – Parte1 [Autor]... 33

Tabela 4 – Informações sobre a sala analisada – Parte 2 [Autor]... 34

Tabela 5 – Coeficiente global de transferência de calor [Autor]. ... 35

Tabela 6 – Calor transferido (paredes/janelas/portas/teto/piso) – Parte 1 [Autor]. ... 35

Tabela 7 – Calor transferido (paredes/janelas/portas/teto/piso) – Parte 2 [Autor]. ... 36

Tabela 8 – Infiltração de ar nas aberturas [Autor]. ... 37

Tabela 9 – Variação da entalpia conforme a variação da temperatura [Autor]. ... 37

Tabela 10 – Calor gerado pela infiltração e renovação de ar [Autor]. ... 37

Tabela 11 – Fatores para cálculo da carga térmica do computador [Autor]... 38

Tabela 12 – Fatores para cálculo da carga térmica do computador [Autor]... 38

Tabela 13 – Geração de calor sensível e latente [Autor]. ... 39

Tabela 14 – Geração de calor das impressoras/resistências/switch [Autor]. ... 39

Tabela 15 – Taxa de remoção de calor dos equipamentos de climatização [Autor]. ... 40

Tabela 16 – Acréscimo de calor no sistema [Autor]. ... 41

Tabela 17 – Vazão mássica e temperatura do ar [Autor]. ... 46

Tabela 18 – Fluxo de calor [Autor]. ... 47

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

CT - Calor transferido (W)

m - Massa de ar infiltrada no ambiente (kg/s)

H - Entalpia (kj/kg) u - Energia interna (W) P - Pressão (Mpa) V - Volume (m³)

Fµ - Fator de utilização ou fração das lâmpadas utilizadas

F - Fator do reator das lâmpadas fluorescentes = 1,2 para a maioria dos casos [1] FCR - Fator de carga térmica de refrigeração

A - Área superficial (m²)

∆t - Diferença de temperatura externa e interna (°C)

U - Coeficiente global de transferência de calor (W/m². K). RT*- Resistência total transferência de calor.

q - Fluxo de energia (W)

∆t - Diferença de temperatura (K) L - Comprimento (m)

k - Condutividade térmica (W/m.K)

σ - Constante de Stefan-Boltzman (5,669x10-8 W/m².K4) Fϵ - Fator das características ópticas

FA - Fator de forma

tBS - Temperatura de bulbo seco (°C) tBU - Temperatura de bulbo úmido (°C)

hc - Coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m²K) hr - Coeficiente de transferência de calor por radiação (W/m²K)

- Temperatura desejada na entrada do aparelho (°C)

ρ - Densidade do ar (kg/m³) - Temperatura do ar (°C) Índices c – Calculado e – Especificado m – Medido

LISTA DE ABERVIATURAS

CFD – Computational Fluid Dynamics (Dinâmica dos Fluidos Computacional) RS – Rio Grande do Sul

NBR – Norma Brasileira Regulamentadora

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ... 14

1 REVISÃO BIBLIOGRAFICA ... 15

1.1Transferência de calor e termodinâmica ... 15

1.1.1Temperatura ... 15 1.1.2Entalpia ... 15 1.1.3Transferência de calor ... 16 1.1.4Resistência térmica ... 18 1.1.5Condições de contorno ... 20 1.2Refrigeração e ar condicionado ... 21

1.2.1Estimativas de trocas térmicas ... 21

1.2.2Condições de projeto ... 22

1.2.3Transmissão térmica ... 23

1.2.4Geração de calor interno ... 24

1.2.5Cargas de ventilação e de infiltração ... 25

1.3Conceitos de CFD ... 25

2 METODOLOGIA UTILIZADA... 28

2.1Introdução ... 28

3 CÁLCULOS DOS FLUXOS TÉRMICOS ... 29

3.1Definição do ambiente ... 29

3.2Estudo das características do escritório ... 30

3.3Definição do escritório ... 32

3.4Fluxo de calor através das paredes de modo geral ... 35

3.5Calor gerado pela infiltração e renovação de ar ... 36

3.6Calor interno gerado ... 38

3.7Potência retirada do escritório pela climatização ... 40

3.8Geração de calor total ... 40

4 SIMULAÇÃO DOS EFEITOS GERADOS NO ESCRITÓRIO ... 43

4.1Representação do escritório ... 43

4.2Importação da geometria correspondente ao ar ... 44

4.3Geração de malha – Malha computacional... 45

4.4Condições de contorno e configurações do cálculo... 45

4.6Análise dos resultados ... 51

4.7Experimento ... 56

4.7.1Comparativo entre experimento e simulação computacional ... 57

4.8Considerações finais ... 57

CONCLUSÃO ... 60

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 62

ANEXO A – Indicador portátil de temperatura e umidade ambiente ... 64

INTRODUÇÃO

O ar condicionado por ser definido como o processo de condicionamento de ar em ambientes fechados, o qual faz o controle da temperatura, umidade e pureza do ar, e de proporcionar condições de bem estar e conforto às pessoas, independente da atividade que exerce [1]. Pode se dizer também que serve para controlar as variáveis de um processo fabril onde, por exemplo, se requer um controle rigoroso quanto à temperatura, umidade e pureza de ar.

Pensando no bem-estar do ser humano, o presente trabalho visa analisar a o fluxo de ar da climatização de um escritório. Mas para isso se proceder, primeiramente será realizada uma análise para definir o dimensional desse escritório, os equipamentos existentes e nele distribuídos.

Dessa forma, prosseguir então com métodos de cálculos e com uma modelagem computacional através do software ANSYS-CFX, e levando em consideração o fluxo de calor calculado demonstrar o campo de escoamento gerado pela movimentação do ar no ambiente em estudo.

1 REVISÃO BIBLIOGRAFICA

1.1 Transferência de calor e termodinâmica

O condicionamento de um ambiente, e consequentemente o resfriamento dos corpos nele contidos, bem como o ambiente em si, exige a remoção de calor dele e dos corpos que estão em seu interior. O calor é uma forma de energia e não pode ser destruída. Por isso, quando um corpo é resfriado, estamos transferindo calor de um corpo a outro.

Para trabalhar nesta área são necessários bons conhecimentos de transferência de calor e termodinâmica, por isso, é necessária uma revisão dos principais conceitos.

1.1.1 Temperatura

A temperatura é uma propriedade termodinâmica. É ela que indica o estado térmico de uma substância, onde uma substância a uma temperatura mais alta pode ceder calor a outra a uma temperatura mais baixa. As principais escalas para a medição de temperatura são Celsius e Kelvin.

A escala Celsius tem como referência o ponto de solidificação e de ebulição da água no nível do mar, sendo 0°C e 100°C respectivamente, a 1 atmosfera de pressão. A escala Kelvin também conhecida como temperatura absoluta tem como referência o zero absoluto. Este valor convertido para Celsius é de -273,15°C.

Existem duas formas de medir a temperatura:

• Temperatura de bulbo seco (tBS): É a temperatura indicada por um termômetro comum, não exposto a radiação. É a verdadeira temperatura do ar [7];

• Temperatura de bulbo úmido (tBU): É a temperatura indicada por um termômetro cujo bulbo foi previamente envolto por algodão úmido, tão logo seja atingido o equilíbrio térmico [7].

1.1.2 Entalpia

A entalpia é uma grandeza física definida no âmbito da termodinâmica. É encontrada quando a transferência de calor durante um determinado processo pode ser definida como a variação energia interna somada a pressão vezes o volume entre os estados inicial e final. Neste caso todos os elementos são propriedades termodinâmicas em função apenas do estado

do sistema. Sendo assim, a combinação destes elementos sempre será igual para as mesmas condições. A Equação 1 descreve a entalpia [1].

= + (1) Onde: H = Entalpia (kJ) U = Energia interna (kJ) P = Pressão (Pa) V = Volume (m³) 1.1.3 Transferência de calor

A transferência de calor é um fenômeno que ocorre quando uma substância com uma temperatura mais elevada transfere calor para uma substância com uma temperatura inferior. A transferência de calor sempre ocorre da maior temperatura para a menor.

A transferência de calor pode ocorrer por condução, radiação ou convecção, sendo que os três processos dependem da temperatura e dos objetos envolvidos.

1.1.3.1 Condução

O calor é transferido de uma molécula para a outra em um sólido. O calor transferido é proporcional à área da superfície e inversamente proporcional ao comprimento. Fourier descreve a equação de condução como uma relação entre a condutividade térmica, a área da superfície e a diferença de temperatura, ambas divididas pelo comprimento [1]. Conforme mostrado na Equação 2.

A condutividade térmica é a principal característica que influência a condução do calor. Está diretamente ligada a estrutura molecular dos sólidos, sendo que quanto mais compacta e alinhada é a estrutura molecular maior será a capacidade de conduzir calor.

= − ∆ (2)

q = Calor transferido (W) k = Condutividade térmica (W/m.K) A = Área da superfície (m²) ∆t = Diferença de temperatura (K) L = Comprimento (m) 1.1.3.2 Radiação

A transferência de calor por radiação se dá como resultado do deslocamento de fótons de uma superfície para a outra. Quando estes fótons atingem uma superfície podem ser absorvidos, refletidos ou transmitidos [1].

A energia irradiada por uma superfície é definida como poder emissivo da superfície, sendo que é proporcional a quarta potência da temperatura absoluta.

A radiação irradiada por uma superfície é definida em termos do seu poder emissivo, sendo influênciada principalmente pelo posicionamento geométrico das superfícies e as características ópticas como emissividade, absortância, transmissividade e refletividade.

A forma geral do cálculo da transferência de calor por radiação é dada pela Equação 3.

= σ F (T − T ) (3)

Onde:

q = Calor transferido (W)

σ = Constante de Stefan-Boltzman (5,669x10-8 W/m².K4) A = Área da superfície (m²)

Fϵ = Fator das características ópticas FA = Fator de forma

T1 = Temperatura da superfície (K) T2 = Temperatura da vizinhança (K)

A temperatura T1 é da superfície do corpo que está exposto à radiação. A temperatura T2 é do ambiente em torno do corpo que está sendo analisado.

1.1.3.3 Convecção

A transferência por convecção depende de um fluído em contato com a superfície de um sólido e da velocidade do fluído.

O coeficiente de transferência de calor por convecção depende da velocidade do fluído e das propriedades geométricas da superfície. O cálculo pode ser realizado utilizando a Equação 4.

= h Δt (4)

Onde:

q = Calor transferido (W)

hc = Coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m².K) A = Área da superfície (m²)

∆t = Diferença de temperatura (K)

1.1.4 Resistência térmica

A resistência térmica de um corpo é a resistência que o mesmo oferece a transferência de calor por condução, convecção e radiação.

As equações para o cálculo de condução e convecção são lineares em termos de condutância, área e diferença de temperatura, porém, a radiação não é linear na temperatura.

Assim pode-se considerar para efeitos de cálculo uma linearização da equação da transferência de calor por radiação, considerando que as variações das temperaturas absolutas não são significativas.

ℎ =

.*,.- (5)

Onde:

σ = Constante de Stefan-Boltzman (5,669x10-8 W/m².K4) A = Área da superfície (m²)

Fϵ = Fator das características ópticas FA = Fator de forma

T2 = Temperatura da vizinhança (K)

Neste caso hr representa uma função linear da temperatura e pode-se montar uma equação linearizada para a transferência de calor por radiação.

Onde:

q = Calor transferido (W) A = Área da superfície (m²)

∆t = Diferença de temperatura (K)

Assim a taxa de transferência total é dada pela Equação 7.

= /

0 _{∆ 12345çã2} ℎ ∆ 123678çã2

ℎ ∆ 9:4;:çã2

(7)

Fazendo uma analogia com a lei de Ohm onde a corrente é dada pela diferença de potência dividida pela resistência podemos equacionar a resistência térmica conforme Equação 8. <

=

Reescrevendo obtemos a seguinte Equação 9 em termos da analogia elétrica.

9

=

Onde:

RT* = Resistência total transferência de calor

∆t = Diferença de temperatura (K) q = Calor transferido (W)

A Equação 10 representa a resistência térmica os três mecanismos de transferência de calor. 9_.∗ ₌ @ A B A C 0$ 12345çã2 DE$ 123678çã2 DF$ 9:4;:çã2 (10) 1.1.5 Condições de contorno

A determinação da distribuição da temperatura em um meio depende das condições físicas existentes nas fronteiras do meio, da variação da situação no tempo e das condições existentes no meio em algum instante inicial. Como a equação do calor é de segunda ordem em relação às coordenadas espaciais, duas condições de contorno devem ser fornecidas para cada coordenada espacial necessária para descrever o sistema. Como a equação é de primeira ordem em relação ao tempo, apenas a condição inicial deve ser observada. A Figura 1 apresenta os três tipos de condições de contorno normalmente encontrados. Estas condições são especificadas na superfície x = 0, para um sistema unidimensional [3].

Na primeira condição a superfície é mantida com um valor fixo. É comumente chamada de condição de contorno de primeira espécie. Na segunda condição ocorre um fluxo térmico fixo ou constante na superfície. É conhecida como uma condição de contorno de segunda espécie. Um caso específico desta condição é quando a superfície é perfeitamente isolada, ou adiabática. A condição de contorno de terceira espécie corresponde a um aquecimento ou resfriamento por convecção na superfície.

1.2 Refrigeração e ar condicionado

Um projeto de ventilação, refrigeração ou condicionamento tem o objetivo de manter as condições internas de um ambiente sob controle, visando atender as condições necessárias para operação ou para manter as características de conforto para quem utiliza o ambiente. Um projeto bem dimensionado consegue atender estes requisitos aliado a um baixo consumo de energia. Para executar um trabalho de refrigeração de um ambiente é importante realizar os seguintes estudos:

• Avaliação das normas de refrigeração e ar condicionado para definir os valores de projeto para ventilação e temperatura que atendam os critérios de conforto térmico;

• Cálculo do fluxo térmico que afeta o ambiente;

• Definição das condições iniciais de projeto baseadas no clima da região onde o estudo está sendo realizados aspectos geométricos, orientação e na necessidade de refrigeração do ambiente.

Os principais conceitos para realizar estes estudos serão revisados a seguir.

1.2.1 Estimativas de trocas térmicas

A transferência de calor através das paredes de um ambiente depende do material, do formato e da orientação das paredes e de fatores climáticos.

Para realizar um projeto confiável, cada uma dessas variáveis deve ser calculada para se chegar a um sistema de refrigeração eficiente, que possa compensar a variação de temperatura que ocorre internamente.

O método para o cálculo baseia-se na definição sistemática dos quatro fatores que afetam as trocas térmicas [1].

• Transmissão: Transferência de calor devido à diferença de temperatura por meio do componente ou elemento do edifício;

• Solar: Transferência de energia solar através de um componente do edifício que seja transparente, ou absorção dessa energia por um componente opaco;

• Infiltração: Perda ou ganho de calor pela infiltração de ar externo no recinto condicionado;

• Geração interna: Resultante da liberação de energia no interior do recinto (luzes, pessoas, equipamentos, entre outros).

A Figura 2 apresenta de forma esquemática os fatores que afetam as trocas térmicas em um ambiente.

Figura 2 – Fatores que afetam as trocas térmicas [1].

1.2.2 Condições de projeto

As condições de projeto especificadas para os cálculos das cargas térmicas são as temperaturas de bulbo seco interna e externa. Para aquecimento normalmente é considerada uma temperatura interna entre 20 a 22°C, enquanto para resfriamento é considerado uma temperatura que varia entre 24 e 26°C. Outro parâmetro importante é a unidade relativa do ar, que deve ter um mínimo de 30% no inverno e um máximo de 60% no verão [1].

Para o cálculo de refrigeração, as condições de projeto especificadas são a temperatura de bulbo seco, a umidade relativa do ar e a intensidade máxima de radiação solar. Esta última é relativamente difícil de especificar com precisão, pois depende da posição geográfica, da orientação e tem valores que variam no tempo.

1.2.3 Transmissão térmica

O cálculo geral para a taxa de transferência de calor através de uma parede pode ser obtida pela Equação 11.

= U Δt

Onde:

q = Calor transferido (W)

U = Coeficiente global de transferência de calor (W/m². K). A = Área superficial (m²)

∆t = Diferença de temperatura externa e interna (°C)

O valor do coeficiente global de transferência de calor depende das resistências térmicas dos materiais. Os valores de resistência para 1 m² para algumas dos principais materiais utilizados em construções são tabelados [1].

O valor do coeficiente global de transferência de calor é dado pela Equação 12.

= _GHIH (12)

Onde:

U = Coeficiente global de transferência de calor (W/m². K). A = Área superficial (m²)

1.2.4 Geração de calor interno

A geração de calor dentro do ambiente pode ser bastante significativa no dimensionamento do sistema de refrigeração ou ar-condicionado. Podem ser consideradas como principais fontes de geração de calor a iluminação, as pessoas que frequentam o ambiente e os equipamentos utilizados.

Para o caso da iluminação, o calor gerado depende da potência, do tipo de conexão elétrica utilizada e do fator de utilização das lâmpadas. A energia resultante das lâmpadas na forma de radiação é inicialmente absorvida pelas paredes, piso e mobília do ambiente, fazendo com que ocorra um aumento da temperatura superficial. Assim o calor trocado com o ambiente por convecção também aumenta passando a constituir uma fonte de calor para o sistema de ar condicionado. Em virtude da massa dos componentes que absorvem a radiação ocorre um retardamento entre o instante em que as luzes são acesas e o momento em que isso se torna uma carga para o sistema. O mesmo ocorre após apagar as luzes, o fluxo de calor continua por algum tempo. O cálculo estimado do calor gerado relaciona os fatores mencionados acima conforme expressado na Equação 13.

1 = J2K738;: 32L;3:M) × ( O) × ( P) × ( 19) (13)

Onde:

CT = Carga térmica (W)

Potência nominal = Potência das lâmpadas (W)

Fµ= Fator de utilização ou fração das lâmpadas utilizadas [ - ]

Fr= Fator do reator das lâmpadas fluorescentes = 1,2 para a maioria dos casos [1] FCR = Fator de carga térmica de refrigeração [ - ]

Para outros equipamentos que dissipem energia é necessário estimar a potência e o fator de utilização. Para equipamentos que dissipem pouca energia o FCR deve ser considerado como 1,0.

A carga térmica gerada pelos ocupantes do ambiente é dividida em duas partes e ambas relacionadas ao número de pessoas e a atividade exercida. A carga térmica sensível recebida por ocupante é dada pela Equação 14, onde o FCR é tabelado e considera o tempo de permanência no ambiente [1]. Para o cálculo da carga térmica latente o FCR é considerado como 1 [1].

1 = 8:M2P P787Q;42 J2P 285J:3K7) × (número de pessoas) × ( 19) (14) 1.2.5 Cargas de ventilação e de infiltração

A infiltração é definida como a penetração não controlada de ar externo no ambiente, sendo resultante de “forças naturais” como o vento e o empuxo gerado pela diferença de temperaturas.

A Norma Brasileira Regulamentadora NBR 6401 apresenta uma tabela com os valores médios de infiltração de ar para portas e janelas.

A ventilação ou renovação de ar é outra interferência a ser considerada nos cálculos. Os valores de renovação de ar são normatizados e são definidos principalmente em função da atividade exercida no ambiente e do número de pessoas. Outro fator determinante é se existem pessoas fumantes no ambiente.

Para calcular a carga térmica gerada pelo ar de infiltração ou de renovação pode ser utilizada a Equação15.

1 Z[\ = L × (ℎ − ℎ ) (15)

Onde:

CTinf = Carga térmica gerada pela infiltração de ar (W)

m = Massa de ar infiltrada no ambiente (kg/s)

h = Entalpia (kJ/kg)

1.3 Conceitos de CFD

O CFD (Computational Fluid Dynamics), ou dinâmica dos fluídos computacional é uma ferramenta que utiliza o computador para simular o comportamento de sistemas que envolvem escoamento de fluídos. Funciona a partir da resolução das equações do fluxo do fluído e da equação do calor sobre uma região definida.

As equações utilizadas para analisar o escoamento de um fluído são conhecidas como equações de Navier-Stokes [5], que embora tenham solução analítica conhecida, podem ser discretizadas e resolvidas numericamente. A forma geral dessas equações é apresentada pelo sistema de Equação 16:

] ^ ^ ^ ^ ^ ^ _` abc<sub>b</sub>d+ 6ebc<sub>be</sub>d+ 6fbc<sub>bf</sub>d+ 6gbc<sub>bg</sub>dh = O ib -<sub>cd</sub> be- +b -<sub>cd</sub> bf- +b -<sub>cd</sub> bg-j −bk<sub>be</sub>+ `le ` abcm b + 6e bcm be + 6f bcm bf + 6g bcm bgh = O i b-cm be- +b -<sub>cm</sub> bf- +b -<sub>cm</sub> bg-j −bk<sub>bf</sub>+ `lf ` abcn b + 6e bcn be + 6f bcn bf + 6g bcn bgh = O i b-<sub>cn</sub> be- +b -<sub>cn</sub> bf- +b -<sub>cn</sub> bg-j −bk<sub>bg</sub>+ `lg op p p p p p q (16)

Para análise da transferência de calor a equação utilizada é conhecida como equação

do calor. Essa equação é a ferramenta básica para análise da condução do calor. A partir da

sua solução podemos obter a distribuição das temperaturas nos três eixos (x, y, z) conforme Equação 17. b be

a

h +

a

h +

a

h + = `8

Existem vários métodos numéricos de resolução para estas equações, sendo que o utilizado pelo software ANSYS-CFX é o de volumes finitos. Neste caso, o sistema é dividido em pequenos volumes onde as equações são aplicadas. Dessa forma é possível chegar a um resultado por aproximação em geometrias complexas que não poderiam ser resolvidas analiticamente. No método dos volumes finitos a conservação de massa é garantida pela convergência do cálculo.

Pelo princípio da conservação da massa, a massa dentro de um volume de controle é constante conforme expresso pela Equação 18.

rs

r

= 0

Onde:

M = Massa do sistema (kg). t = Tempo (s)

A equação da conservação da massa para o volume de controle é dada pela Equação 19.

O primeiro termo após o sinal de igualdade representa a taxa de variação de massa dentro do volume de controle. O segundo termo representa a taxa de fluxo de massa ou vazão em massa através da superfície de controle. A conservação de massa exige que a soma da taxa de variação de massa dentro do volume de controle com a taxa líquida de fluxo de massa através da superfície de controle seja nula [4].

Estas equações são utilizadas pelo ANSYS CFX para análise de sistemas que envolvam movimentação de fluídos.

2 METODOLOGIA UTILIZADA

2.1 Introdução

A metodologia utilizada para o desenvolvimento deste trabalho apresenta técnicas de cálculo analítico para definição dos fluxos de calor, utilização do software SOLID WORKS para desenvolvimento do projeto em 3D do escritório e utilização do software CFX da plataforma ANSYS para simulação do escoamento ar no ambiente interno sendo considerado o fluxo de calor calculado. Segue o modo de como é apresentado:

• Definição do ambiente a ser estudado;

• Estudo e cálculos das cargas térmicas;

• Cálculo analítico dos fluxos de calor do ambiente;

• Comparativo dos resultados das cargas térmicas com o ambiente real;

• Projeto em 3D do ambiente em estudo de forma real e simplificada com o auxílio do software SOLID WORKS;

• Modelagem computacional com realização de simulações das reações geradas no ambiente com o auxílio do módulo CFX do software ANSYS;

• Realização de experimentos em um ambiente com características semelhantes;

3 CÁLCULOS DOS FLUXOS TÉRMICOS

3.1 Definição do ambiente

Como referência, foi escolhido para a realização deste trabalho, um escritório localizado em uma empresa da região noroeste do Estado do Rio Grande do Sul. O escritório é composto por várias mesas, computadores, pessoas, armários, arquivos, impressoras e estufas para secagem de papéis, podendo ser visualizado na Figura 3 e Figura 4 de forma ilustrativa em função de se um ambiente de grande extensão dificultando a visualização do todo.

Figura 3 - Ambiente analisado [Autor].

Em função de ser um ambiente de trabalho administrativo, não tem e também não se exige uma temperatura interna controlada. Para um melhor entendimento, o escritório pode ser visualizado na Figura 4.

Figura 4 – Detalhe ilustrativo do ambiente analisado [Autor].

A Figura 5 representa a vista externa da empresa na qual o escritório está localizado no segundo piso da empresa.

Figura 5 – Vista externa do escritório [Autor].

3.2 Estudo das características do escritório

O ambiente apresenta uma parede denominada P1 orientado para o leste com janelas de vidro simples exposto a área externa do prédio. Nesta parede encontram-se as entradas e saídas de ar dos ar-condicionados (aparelho). A parede P2 e P3 ficam expostas a um ambiente interno da fábrica e nelas instalados climatizadores de ar, onde dentre elas somente a P2 possui janelas fixas de vidro simples. A parede P4 fica exposta a uma cozinha e corredor. As paredes P5 e P6 ficam expostas a uma sala de reuniões ambas com janelas fixas de vidro

simples. As únicas portas existentes neste escritório estão localizadas na P2 e P4 ambas de madeira.

O teto do escritório fica exposto a um ambiente interno da fábrica e o piso fica exposto à parte interna de um almoxarifado. Nenhum dos ambientes citados possui sistemas de controle de temperaturas. A Figura 6 apresenta o ambiente em estudo.

Figura 6 – Características do escritório [Autor].

A Figura 7 apresenta detalhes internos do escritório em 3D para melhor entendimento.

Figura 7 – Vistas em 3D da sala analisada [Autor].

As temperaturas externas e internas do ambiente são expressas na Tabela 1 conforme indicado na Figura 6. A temperatura interna foi considerada a temperatura desejada e temperatura externa foi considerada a temperatura medida, excesso a temperatura da parede P1.

Tabela 1 – Temperatura interna e externa das paredes [Autor]. Paredes Localização Temperatura

interna (°C) Temperatura externa (°C) P1 Fronteira com AE 23 34 P2 Fronteira com F 23 26 P3 Fronteira com C 23 26 P4 Fronteira com F 23 26 P5 Fronteira com S 23 26 P6 Fronteira com S 23 26

Piso Fronteira com A 23 26

Teto Fronteira com F 23 26

A Tabela 2 demonstra o modo em que foi denominado partes do ambiente em geral para análise.

Tabela 2 – Denominação dos ambientes [Autor].

Denominação Ambientes

E Escritório

S Sala de reuniões - Paredes P5 e P6 F Fábrica - Paredes P2 e P4

C Cozinha e Corredor - Parede P3 AE Ambiente externo

A Almoxarifado

A temperatura externa da parede P1 foi considerada a temperatura de bulbo seco para a cidade de Porto Alegre RS [2].

Para todas as paredes de tijolos em estudo foi considerado como sendo fabricado com tijolo aparente com 150 mm de espessura. Para o piso e o teto foi considerado material isolante como a laje. As janelas são fabricadas de vidro simples e as portas e paredes P5 e P6 consideradas como sendo de madeira macia.

3.3 Definição do escritório

O escritório foi identificado as suas partes para a realização dos cálculos do fluxo térmico. Essa identificação das partes que compõem o escritório é representada pela Figura 8.

Figura 8 – Vista do escritório com as paredes rebatidas [Autor].

Algumas informações pertinentes a cada parte analisada foram consideradas e são apresentadas na Tabela 3 e na Tabela 4, informações essas indispensáveis para a realização dos cálculos.

Tabela 3 – Informações sobre a sala analisada – Parte1 [Autor]. Áreas Descrição

das áreas Quant.

Comprimento (m) Altura (m) Área (m²) Área real (m²) Espessura (m) Material/ observações A1 Parede P1 (Exposto ao sol - leste) 1 21,013 3,000 63,039 29,049 0,150 Tijolo aparente A2 Janela da Parede P1 (Exposto ao sol) 4 4,630 1,670 - 31,196 - Vidro simples A3 Janela da Parede P1 (Exposto ao sol) 1 0,983 1,670 - 1,642 - Vidro simples A4 Ar condicionado da Parede P1 4 0,440 0,655 - 1,153 - Não considerado nos cálculos como área que gera calor

Tabela 4 – Informações sobre a sala analisada – Parte 2 [Autor]. Áreas Descrição

das áreas Quant.

Comprimento (m) Altura (m) Área (m²) Área real (m²) Espessura (m) Material/ observações A5 Parede P2 (Exposto a fábrica) 1 24,850 3,000 74,550 35,556 0,150 Tijolo Aparente A6 Janela da Parede P2 (Exposto a fábrica) 5 4,670 1,670 - 38,995 - Vidro simples A7 Parede P3 (Acesso a cozinha e corredor) 1 5,935 3,000 17,805 16,165 - Tijolo aparente A8 Porta da Parede P3 (Cozinha, corredor) 1 0,800 2,050 - 1,640 Madeira macia A9 Parede P4 (Exposto a fábrica) 1 9,850 3,000 29,5500 28,115 0,150 Tijolo aparente A10 Porta da Parede P4 (Exposto a fábrica) 1 0,700 2,050 - 1,435 - Madeira macia

A11 Piso 1 24,850 9,850 244,773 229,751 - Laje

A12 Piso (sala de

reunião) 1 3,837 3,915 - 15,022 0,150 Laje

A13 Teto 1 24,850 9,850 244,773 229,751 Laje

A14 Teto (sala de

reunião) 1 3,837 3,915 - 15,022 0,150 Laje A15 Parede P5 (sala reunião) 1 3,915 3,000 11,745 7,047 0,03 Madeira macia A16 Janela da Parede P5 (sala reunião) 1 3,915 1,200 - 4,698 - Vidro simples A17 Parede P6 (sala reunião) 1 3,837 3,000 11,511 6,907 0,03 Madeira macia A18 Janela da Parede P6 (sala reunião) 1 3,837 1,200 - 4,604 - Vidro simples

3.4 Fluxo de calor através das paredes de modo geral

A transferência de calor para as paredes, piso, teto, portas e janelas é gerada pela diferença de temperatura. Sendo assim, o coeficiente global de transferência de calor foi calculado baseado na tabela de resistência térmica da literatura [1]. Os valores correspondentes aos coeficientes globais de transferência de calor são expressos na Tabela 5.

Tabela 5 – Coeficiente global de transferência de calor [Autor].

Material Resistência térmica (m . K/W) Coeficiente global de transferência de calor "U" (W/m².K) Indicação Resistência (m . K/W) Espessura (m) Tijolo aparente 0,1140 8,7719 U1 0,76 0,15 Madeira macia 0,2598 3,8491 U2 8,66 0,03 Vidro simples - 5,9000 U3 - - Piso (laje) 4,1550 0,2407 U4 27,7 0,15 Teto (laje) 4,1550 0,2407 U5 27,7 0,15

Tendo definido o coeficiente global de transferência de calor foi aplicado a Equação 11 para determinar o fluxo térmico resultante da diferença de temperaturas de todas as superfícies em estudo. A Tabela 6 e a Tabela 7 apresentam os valores calculados.

Tabela 6 – Calor transferido (paredes/janelas/portas/teto/piso) – Parte 1 [Autor]. Localização U Área Carga Térmica (W)

Parede P1 U A 2802,97 Janela Parede P1 U_{ A 2024,59 Janela Parede P1 U_{ A_{ 106,54 Parede P2 U A_| 1961,84 Janelas Parede P2 U_{ A_} 690,20 Parede P3 U A_~ 468,55 Porta Parede P3 U A_• 18,94 Parede P4 U A_€ 739,87 Porta Parede P4 U A _• 16,57

Tabela 7 – Calor transferido (paredes/janelas/portas/teto/piso) – Parte 2 [Autor]. Localização U Área Carga Térmica (W)

Piso U A 165,88 Teto U_| A _{ 165,88 Parede P5 U A | 81,37 Janela Parede P5 U_{ A _} 83,15 Parede P6 U A ~ 79,75 Janela Parede P6 U{ A • 81,50 Total 9487,63 W

3.5 Calor gerado pela infiltração e renovação de ar

Para cálculo gerado pela infiltração de ar foram utilizados os valores baseados na Norma NBR 6401 a qual se refere à instalação e projeto de instalações centrais de ar-condicionado para conforto, atendendo as observações nela especificada.

A infiltração de ar é calculada em função ao tipo de abertura, a vazão por metro de fresta e ao tamanho da fresta de forma linear. As janelas localizadas nas paredes P2, P5 e P6 não foram consideradas em função das mesmas serem fixas e não apresentarem frestas. Para as portas, o perímetro foi utilizado para cálculo como tamanho das frestas. Na Figura 9 foram representadas as infiltrações de ar localizadas nas janelas da parede P1.

O valor recomendado para o ar de renovação é de 27 m³/h conforme portaria do ministério da saúde publicada em 1998 (Portaria 3523) [9]. A infiltração de ar no escritório é apresentada na Tabela 8.

Tabela 8 – Infiltração de ar nas aberturas [Autor].

Tipo de abertura Infiltração de ar (m³/h por metro de fresta): Tamanho da fresta (m) Infiltração de ar (l/s) Quantidade de frestas por janela

Janela comum 3 20,04 16,70 3

Porta bem ajustada 6,5 11,2 20,22 -

Aplicando a Equação 15 para cálculo do calor gerado pela infiltração de ar, obtêm-se os valores os valores de entalpia, volume específico e a densidade do ar conforme demonstrado na Tabela 9.

Tabela 9 – Variação da entalpia conforme a variação da temperatura [Autor]. Localização Temperatura Entalpia

(kJ/kg) Volume específico (m³/kg) Densidade (kg/m³) Densidade (kg/l) E 23 °C 68,425 0,8626 1,1593 0,001159 F 26 °C 80,777 0,8763 1,1412 0,001141 AE 34 °C 122,968 0,9182 1,0891 0,001089

Dessa forma, a Tabela 10 demonstra os valores do calor gerado pela infiltração e pela renovação do ar, na qual se obtém da relação entre a densidade e o volume de ar infiltrado multiplicado pela diferença de entalpia.

Tabela 10 – Calor gerado pela infiltração e renovação de ar [Autor].

Localização Equação Resultado (W)

Carga janela CT = L × (ℎ − ℎ ) 992

Carga porta CT = L × (ℎ − ℎ ) 285

Carga da renovação de ar (m³/h) CT = L × (ℎ − ℎ ) 446

3.6 Calor interno gerado

O ambiente em estudo possui 172 lâmpadas fluorescentes com potência individual de 40W. Em função das lâmpadas instaladas serem totalmente operadas durante a ocupação do recinto o fator de utilização é 1. Para o sistema de iluminação, as lâmpadas são instaladas aparentes e ventiladas, de modo a ficarem penduradas na superfície do forro, dessa maneira o fator de carga térmica de refrigeração para iluminação (FCR) é de 0,97 [1]. O fator do reator para as lâmpadas foi considerado como 1,2 [1]. Dessa maneira, considerando os valores da Tabela 11 e utilizando a Equação 13 o calor gerado pelo sistema de iluminação do ambiente em estudo é de 8.008,32W.

Tabela 11 – Fatores para cálculo da carga térmica do computador [Autor].

Quantidade 172

Potência 40 W

Fµ = Fator de utilização 1

Fr = Fator do reator 1,2

FRC = Fator de carga térmica 0,97

Considerando os valores da Tabela 12 e aplicando na Equação 14, a carga térmica gerada pelos computadores é de 13.420,0 W.

Tabela 12 – Fatores para cálculo da carga térmica do computador [Autor].

Quantidade 59

Potência dissipada 240 W

Fµ = Fator de utilização 0,95

Fr = Fator do reator 1

FRC = Fator de carga térmica 1

A geração de calor das pessoas que utilizam o ambiente é dividida em duas partes, carga sensível e carga latente. Para o cálculo, o calor liberado por pessoa em trabalho em escritório é de 150 W [1]. O fator de carga térmica máximo para calor sensível, considerando 10 horas no ambiente de trabalho é de 0,89 [1]. O fator de carga térmica para calor latente é 1,0 [1]. Dessa forma aplicando a Equação 15, tem-se para a geração de calor sensível uma

carga térmica de 7.876,5 W e para geração de calor latente de 8.850 W conforme demonstrado na Tabela 13.

Tabela 13 – Geração de calor sensível e latente [Autor]. Calor sensível Calor latente Quantidade 59 Quantidade 59

Calor por ocupante 150 W Calor por ocupante 150 W

FRC 0,89 FRC 1

Calor sensível 7876,5 W Calor latente 8850,0 W

Neste recinto, possui várias impressoras com diferentes potências, item essencial para desenvolvimento deste trabalho. Sabe-se que a potência especifica pelos fabricantes para cada impressão é numa utilização em plena carga. Desse modo, buscou-se realizar um estudo referente ao percentual de utilização quanto sua capacidade, para assim melhor aproximar aos cálculos de cargas térmicas.

O fator de utilização foi calculado com base em uma média dos três últimos meses de impressões geradas neste período. Juntamente as impressoras, o escritório é constituído por outras fontes de calor interno, como resistências das estufas para secagem de papéis e switch para sistema de informática. A Tabela 14 apresenta as cargas térmicas geradas por esses equipamentos.

Tabela 14 – Geração de calor das impressoras/resistências/switch [Autor]. Equipamento Quantidade Em plena

carga (W) Fator de utilização (%) Carga térmica (W) Autotransformador 2 2000 - 160,00 Autotransformador 2 1000 - 160,00 Impressora MP 171SPF 1 1000 20 200,00 Impressora MP 2851 1 1440 70 1008,00 Impressora MP 2851 1 1440 38 541,44 Impressora Brother DCP 8085 1 680 53 362,67

Impressora colorida DeskJet 1 25 50 12,50

Resistência das estufas 3 100 - 300,00

Switch Baseline 2824 7 21,08 - 147,56

Tem-se uma estimativa pela prática de que o autotransformador consome aproximadamente 50 W a 80 W de potência em plena carga. Para se verificar a real potência aconselha-se a realizar ensaios que comprovam esse fato. Dessa forma não tendo essa disponibilidade para realização, se adotou uma potência de 80 W por autotransformador.

3.7 Potência retirada do escritório pela climatização

O escritório possui equipamentos de climatização que contribuem para o conforto das pessoas que trabalham no ambiente. O ar condicionado é um processo de tratamento de ar destinado a controlar simultaneamente a temperatura, a umidade, a pureza e a distribuição de ar de um meio ambiente [12].

Para determinar a taxa de remoção de calor de cada equipamento de climatização se converteu a potência gerada pelos equipamentos de Btu/h para W. A Tabela 15 apresenta a taxa de remoção de calor dos climatizadores de ar e ar condicionados instalados no ambiente em estudo.

Tabela 15 – Taxa de remoção de calor dos equipamentos de climatização [Autor]. Equipamento Quantidade Taxa de remoção

de calor (W) Climatizador de ar LG Mundial YCC215D 24000 Btu/h 1 7029,60

Ar condicionado Springer Gold 21000 Btu/h 2 12301,80

Ar condicionado LG 21000 Btu/h 2 12301,80

Climatizador de ar 18000 Btu/h 1 5272,20

Climatizador de ar 9085 Btu/h 1 2661,00

Total 39566,40 W

3.8 Geração de calor total

O acréscimo total de calor no escritório é dado pelo somatório de todos os valores parciais calculados. A Tabela 16 demonstra o somatório dessas cargas.

Tabela 16 – Acréscimo de calor no sistema [Autor].

Fontes de calor Carga térmica (W) Transferência de calor por condução paredes/janelas 9487,63

Infiltração - Janelas e portas 1722,58

Lâmpadas fluorescentes 8008,32

Pessoas - Calor sensível e calor latente 16726,50

Computadores 13452,00

Impressoras/Autotransformador/Resistência/Switch 2892,17 Total 52289,19 W

A Figura 10 e a Figura 11 apresenta em forma de gráfico o calor gerado pelas diferentes fontes identificadas e que influenciam no balanço térmico do ambiente.

Figura 10 – Fontes de calor do escritório [Autor].

O gráfico correspondente a Figura 11 apresenta em percentual das cargas térmicas. Analisando as cargas térmicas geradas no ambiente em estudo, se percebe que o maior impacto ocorre no calor gerado pelas pessoas com 32% do total. Como o número de pessoas é bastante significativo, a carga gerada pelos computadores acompanha com 26%. O calor gerado pela condução das paredes e janelas de modo geral apresentam 18% e o calor gerado pelas lâmpadas representam 15% do total. Os demais fatores influenciam numa escala reduzida. Cargas Térmicas (W) 9487,63 1722,58 8008,32 16726,50 13452,00 2892,17

Cargas térmicas

Figura 11 – Fontes de calor do escritório e percentual [Autor].

A taxa total de remoção de calor dos climatizadores de ar e ar-condicionados instalado no ambiente em estudo é de 39.566,40W. Essa taxa em específico se refere à retirada de calor do ambiente para assim poder analisar o balanço térmico do escritório.

Somando todas as fontes de calor e a taxa de transferência de calor externa observa se que há excesso de calor, pois há uma diferença entre a taxa de geração de calor e a taxa remoção de calor pelos equipamentos climatizadores de 12.722,79W. A temperatura dos equipamentos dessa sala é mais alta do que especificado, isso irá aumentar o ponto de equilíbrio com relação à temperatura desejada.

Pode se perceber através do gráfico demonstrado pela Figura 12, que há uma diferença entre a taxa de geração de calor e a taxa remoção de calor pelos equipamentos climatizadores.

Figura 12 – Balanço térmico da remoção de calor e das cargas térmicas [Autor].

Paredes/janelas/ portas/piso/teto Infiltração de ar Lâmpadas 15% Pessoas 32% Computadores 26% Impressoras/ auto transformador/ resistências/ Switch

Cargas térmicas

Carga Térmica e Taxa de remoção de calor (W) 52289,19

39566,40

Balanço Térmico

x

Equipamentos climatizadores

Total das cargas térmicas Taxa de remoção de calor

4 SIMULAÇÃO DOS EFEITOS GERADOS NO ESCRITÓRIO

4.1 Representação do escritório

Os efeitos gerados pela transferência de calor e pela movimentação do ar dentro do ambiente foram simulados com o auxílio do software ANSYS – CFX. Para a realização dessas simulações exigiu a elaboração de um projeto onde se reproduziu o escritório com todas as paredes, mobílias, identificação dos aparelhos climatizadores, abertura de portas e janelas. Esse projeto pode ser visualizado na Figura 13.

Figura 13 – Figura geométrica representando o ambiente analisado [Autor].

O projeto do escritório foi simplificado a fim de facilitar as simulações no ANSYS em função de sua complexidade, pois no mesmo somente é utilizado à geometria correspondente ao ar contido no escritório em estudo. Dessa forma, foi gerada uma nova geometria correspondente ao ar contido no ambiente.

Tendo a geometria já elaborada, conforme demonstrado na Figura 14, foram simuladas o escoamento de ar e as trocas térmicas ocorridas dentro do escritório.

a) b)

Figura 14 – Modelo físico do ar: a) Sólido; b) Linhas ocultas visíveis [Autor].

4.2 Importação da geometria correspondente ao ar

A importação da geometria representativa do ar contido no escritório para o módulo de desenho do CFX foi realizada após a geometria ser salvo como um arquivo Parasolid, uma conversão do software SOLID WORKS e importado diretamente para o software CFX da plataforma ANSYS.

A geometria do ar contido no escritório importado pode ser verificada através da Figura 15.

a) b)

4.3 Geração de malha – Malha computacional

Para a geração da malha, se levou em conta a capacidade computacional e a complexidade do projeto, que por sua vez se refinou a malha somente nas entradas e saídas de ar correspondentes a todos os aparelhos climatizadores.

A malha final apresentou 319.992,0 elementos. A Figura 16 demonstra a malha gerada do escritório.

a) b)

Figura 16 – Detalhe da malha: a) Vista ambiente externo; b) Detalhe-entradas de ar [Autor].

4.4 Condições de contorno e configurações do cálculo

Nesta etapa do trabalho foram configuradas a entrada e saída do ar e os fluxos de calor encontrados no escritório. O calculo foi realizado em regime permanente a uma temperatura média com um modelo de gás ideal calculado pela diferença da densidade para reproduzir os efeitos da convecção natural em função da gravidade.

A vazão de ar dos aparelhos climatizadores foi retirada dos próprios aparelhos conforme sua característica técnica de fabricação. A vazão de massa para cada aparelho climatizador foi calculada aplicando a Equação 20 tendo como valor constante definido para ρ de 1,205kg/m³ a uma temperatura de 20°C [10]. O valor da vazão mássica é expresso na Tabela 17. L = Q × ρ (20) Onde: m = Vazão de massa (kg/s) Q… _{= Vazão de ar (m³/s) [Especificação]} ρ = Densidade do ar (kg/m³)

Utilizando-se para verificação da temperatura da condição de contorno, um termômetro digital infravermelho modelo MT-350 marca MINIPA (Anexo B) onde se mediu a temperatura na entrada de ar do sistema real. A temperatura encontrada variou de aparelho climatizador para aparelho, dessa forma se adotou temperaturas diferentes conforme pode ser verificadas na Tabela 17.

Considerado o valor de cp como 1,006 kJ/kg.K, embora o calor específico varia de 1,006 a uma temperatura de 0°C a 1,008 a temperatura de 60°C [10] e aplicando a Equação 21, obtém-se o valor da temperatura desejada na entrada do aparelho climatizador.

= _{(‡× k)ˆ.},† _‰ (21)

Onde:

= Temperatura desejada na entrada do aparelho (°C) m = Vazão de ar (kg/s)

cp = Calor específico a pressão constante do ar seco (kJ/kg.K) = Temperatura do ar desejada (considerado 23 °C)

‡

= Temperatura do ar (°C) conforme Tabela 17

Tabela 17 – Vazão mássica e temperatura do ar [Autor]. Indicação Aparelho Temperatura de entrada Š ‹ (°C) Q (m³/s) ṁ (kg/s) Temperatura do ar Š_Œ• (°C) E1-S1 Climatizador de ar Totaline

9085 Btu/h 17 0,13 0,15 5,44

E2-S2 Climatizador de ar LG 18000

Btu/h 5 0,22 0,26 2,93

E3-S3 Climatizador de ar LG 24000

Btu/h 8 0,25 0,30 -0,20

E4-S4 Ar cond. Springer Mundial

YCC215D 21000 Btu/h 10 0,28 0,34 5,09

E5-S5 Ar cond. LG Gold 21000

Btu/h 21 0,20 0,23 -3,02

A condição de saída de ar foi considerada com uma pressão estática de referência uniforme. Quanto às condições de contorno, a Figura 17 representa de forma geral a posição de entrada e saída do ar do escritório.

a) b)

Figura 17 – Condições de contorno de entrada e saída do ar: a) Entrada; b) Saída [Autor].

Aplicando a Equação 11, se obtém o fluxo de calor de forma geral gerado no escritório apresentado na Tabela 18, sem a análise do somatório dos itens geradores de calor ocupados pela mesma superfície.

Tabela 18 – Fluxo de calor [Autor].

Localização Área Resultado (W/m²)

Parede P1 96,49 Janela Parede P1 64,90 Janela Parede P1 _{ 64,90 Parede P2 _| 55,18 Janelas Parede P2 _} 17,70 Parede P3 _~ 28,99 Porta Parede P3 _• 11,55 Parede P4 _€ 26,32 Porta Parede P4 _• 11,55 Piso 0,72 Teto _{ 0,72 Parede P5 _| 11,55 Janela Parede P5 _} 17,70 Parede P6 _~ 11,55 Janela Parede P6 _• 17,70 Total 437,50 W/m²

As Figuras 18, 19, 20 e 21 identificam as superfícies de seleção para determinação dos dados de entrada para simulação no CFX.

Figura 18 – Condições de contorno (Vista do teto e da parede P4) [Autor].

Figura 19 – Condições de contorno (Vista da parede P2) [Autor].

Figura 20 – Condições de contorno (Vista da parede P1) [Autor].

O fluxo de calor gerado pelas pessoas e pelos computadores que ocupam o escritório foi distribuído sobre a superfície das mesas. Como foi definido que a distribuição dos fluxos será sobre a superfície das mesas, foi necessário realizar o somatório das cargas térmicas e o cálculo da área de superfície para verificação do fluxo de calor gerado nesta superfície. A Figura 21 apresenta a indicação das superfícies para determinação dos dados de entrada no CFX. O mesmo acontece com o teto e as lâmpadas.

Figura 21 – Condições de contorno (Vista da parede P3 e do piso) [Autor].

A transferência de calor das paredes, do teto e do piso, do calor gerado pelas lâmpadas, pelos computadores e pelas pessoas que trabalham no escritório foi determinada conforme Tabela 19 aplicando a Equação 11. Nesta tabela demonstra um somatório do fluxo de calor dos itens geradores de calor o qual ocupam a mesma superfície. Dessa forma, se analisou a quantidade de itens que ocupam a mesma superfície e a área de superfície.

Tabela 19 – Distribuição do Fluxo de calor no ambiente [Autor]. Indicação Geração de calor Pessoa/

Computador Estufa Resistência

Área (m²) Fluxo de calor (W/m²) Lâmpada Lâmpada – 172x - - - 229,75 34,86 Sw Switch Baseline 2824 – 7x - - - 0,48 307,42 M1 Mesa 2 pessoas 2 - - 1,75 584,57 M2 Mesa 6 pessoas 6 - - 6,59 465,94 M3 Mesa 4 pessoas 4 - - 3,83 534,90 M4 Mesa 1 pessoa 1 - - 0,88 584,57 M5 Mesa 6 pessoas 6 - - 5,74 534,90 M6 Mesa 5 pessoas 5 - - 3,83 668,63 I1 Impressora Brother DCP 8085 - 1 1 0,34 1593,15 I2 Impressora MP 2851 - - 0,46 2391,21 I3 Impressora MP 2851 - 1 2 1,24 673,89 Impressora colorida DeskJet - - - I4 Impressora MP 171SPF - - - 0,23 1200,69

Um ponto de controle da temperatura foi determinado para monitoramento durante o cálculo, localizado aproximadamente no centro do escritório a uma altura de 1,5 metros a fim de observar a convergência conforme demonstrado na Figura 22.

Figura 22 – Identificação do ponto de monitoramento da temperatura [Autor].

As paredes do escritório foram consideradas como condição de contorno de segunda espécie com fluxo térmico constante. Os pontos onde as mobílias estão em contato com as paredes também foram considerados como condição de contorno de segunda espécie, tendo fluxo de calor nulo, ou seja, isolamento térmico.

4.5 Cálculo computacional

A configuração que antecede esta etapa é extremamente importante e exigiram cuidados em função do ambiente ser complexo, pois é com base nessas informações de entrada que o programa foi executado para a realização dos cálculos.

Em função da sua complexidade, o tempo para conclusão de cada simulação de cálculo se tornou elevado.

Neste cálculo foi considerando a radiação térmica para que as temperaturas encontradas se tornassem mais próximos da realidade, a fim de dissipar melhor a temperatura no ambiente.

O ponto de controle que foi determinado convergiu e apresentou uma temperatura de convergência de 312,38K (39,23°C).

4.6 Análise dos resultados

Nesta etapa do trabalho foi realizada a configuração e análise para apresentação dos resultados obtidos através dos cálculos, onde todos convergiram numa precisão de 1x10-6. Nesta seção são apresentados os resultados qualitativos do escoamento de ar no interior do escritório. As temperaturas identificadas na simulação são representadas pelas linhas de correntes de forma colorida para diferenciação entre as mesmas. A Figura 23a apresenta as temperaturas considerando as entradas de ar no ambiente e pode se observar que a temperatura variou de -6.98°C a 45.4°C.

a) b)

Figura 23 – Linhas de corrente por temperatura: a) Total; b) Detalhe [Autor].

Nesta simulação, é notável que o fluxo de ar no ambiente interno não flui de forma homogênea. Pode se observar que o ar liberado pelo climatizador conforme demonstrado na Figura 23b, se torna um ponto crítico que deve se levar em consideração, pois o ar escoa de forma intensa sobre as pessoas que se encontram neste local de trabalho ocasionando assim um desconforto térmico. O mesmo acontece em outros pontos e também de forma contrária, onde o ar liberado pelo climatizador não circula ou circula de forma mínima e com temperaturas acima do recomendado.

As temperaturas altas encontradas próximo ao teto são compreendidas de forma que o ar mais quente sempre tende a subir em função da redução da densidade e o efeito da gravidade. A temperatura de maior intensidade está localizada numa região onde está

instalado um climatizador de ar de menor potência (9085 Btu/h) próximo à parede P4 conforme pode ser observado na Figura 24.

Figura 24 – Região com temperatura mais alta [Autor].

As linhas de corrente de ar demontrados na Figura 25 partem das superficies representadas pelos computadores, impressoras, pessoas e switch permitindo avaliar a dissipação de calor no ambiente interno.

A temperatura em alguns pontos próxima ao teto está elevada em função da proximidade as lâmpadas. De modo geral, as temperaturas encontradas são elevadas não se tornando real, mesmo a simulação apresente isso. Esse fato ocorre em função de que as áreas de dissipação de calor distribuídas nestas superfícies são consideradas pequenas em relação às potências geradas pelos computadores, pessoas, impressoras e switch. Desse modo, a temperatura na simulação é compensada de forma que o fluxo de calor informado seja respeitado.

As Figuras 26 e 27 apresentam o campo de temperaturas encontradas nas paredes, nas janelas, no piso e no teto do ambiente em estudo. A temperatura mais alta encontrada é de 174,03°C localizado na parede P1, na qual está instalada uma impressora. Este valor não é real e também pode ser explicado em função de que as áreas de dissipação de calor distribuídas nestas superfícies são consideradas pequenas em relação à potência gerada pela impressora, sendo compensada de forma que o fluxo de calor informado seja respeitado.

Figura 26 – Temperatura do ar em contato (Paredes/janelas/piso) [Autor].

Na Figura 28 foi gerado um plano próximo ao centro do escritório a fim de analisar as temperaturas internas. Pode se perceber que as temperaturas encontradas próximo ao teto e das mesas estão elevadas. Esse fato ocorre em função de que as temperaturas estão próximas às lâmpadas e sobre as mesas na qual estão localizadas e distribuídas as cargas térmicas das pessoas e dos computadores.

Esses dois fatores conforme já destacado são as fontes de calor mais concentradas no ambiente analisado. As temperaturas altas encontradas próximo ao teto por ser explicado de que ar mais quente sempre tende a subir em função da redução da densidade e o efeito da gravidade.

Figura 28 – Temperatura das superfícies internas no plano [Autor].

Na Figura 29 foi gerado um plano horizontal a 0,6 metros do piso a fim de analisar as temperaturas internas próprias para ocupação das pessoas. Conforme especificado e recomendado pela Norma NBR 6401, foi configurada a temperatura em uma escala de 23ºC a 25ºC e pode se perceber que as temperaturas estão acima do especificado conforme Figura 29a. Dessa forma, se variou a escala de temperatura de 0ºC a 50ºC a fim de analisar a temperatura encontrada na simulação computacional e pode se perceber que as temperaturas estão realmente acima do especificado conforme demonstrado na Figura 29b.

a) b)

Figura 29 – Temperatura interna: a) 23ºC a 25ºC; b) 0ºC a 50ºC [Autor].

Conforme especificado na Norma, a velocidade do ar ao nível de 1,5m não deve ser inferior a 0,025m/s e nem superior a 0,25m/s. Esses valores são considerados médios quando medidos com instrumentos de alta sensibilidade [2]. A Figura 30 representa a velocidade do ar no escritório e pode se perceber que a maior se localiza nas proximidades do escoamento do ar dos equipamentos climatizadores.

4.7 Experimento

Um experimento foi realizado em um laboratório de informática do Campus Panambi, no qual foi utilizado um traçador de fumaça que ao ser queimado se gerou um gás traçador, sendo liberado próximo da zona de respiração (saída de ar do ar condicionado para o ambiente interno) conforme Figura 31 a fim de verificar o fluxo de ar dentro do recinto.

Figura 31 – Experimento do fluxo de ar [Autor].

Esse experimente teve como finalidade de se realizar um comparativo do fluxo real com o fluxo de ar analisado pelo CFX, tendo como experimento um ar condicionado pré-determinado. O aparelho tomado como referência de simulação do CFX é de 18000 Btu/h e o aparelho utilização para simulação com o traçador de fumaça é de 24000 Btu/h. Será verificado o fluxo de ar no recinto a fim de avaliar visualmente o conforto térmico do ambiente.

a) b)

Figura 32 – Comparativo da velocidade a) Baixa; b) Alta [Autor].

Percebe-se que o fluxo de ar se comporta de uma maneira diferente quando alterado a velocidade e a direção do ar para dentro do recinto. Na Figura 32a, o climatizador foi