Um projeto que visa a menor carga térmica possível para um sistema de ar condicionado envolve primeiramente a concepção arquitetônica da edificação. Mas as decisões não passam apenas pela equipe de arquitetura; é essencial a participação das equipes de engenharia de ar condicionado e de iluminação nos estudos de otimização da edificação para a redução da carga térmica.

“É muito importante observar que a redução da carga térmica é a principal medida de eficiência energética no projeto de uma edificação, utilizando-se de recursos como vidros de alto fator solar, painéis de fechamento, fachadas ventiladas, coberturas e isolamento entre lajes, brises e persianas externas, e, nos sistemas de climatização, lançar mão do ciclo economizador, que, em dias com condições do ar exterior mais amenas que as condições do ar no retorno dos ambientes, é possível utilizar a vazão total de ar proveniente do exterior para o resfriamento nos condicionadores de ar. Isso pode proporcionar uma redução da carga térmica até a condição de desligamento dos chillers na central de água gelada, com os condicionadores de ar funcionando apenas com os ventiladores. Além disso, com 100% de fluxo de ar exterior, a qualidade do ar nos ambientes será muito melhor. No entanto, deve-se observar que em sistemas com ventiladores de ar exterior e/ou sistemas de resfriamento de ar exterior dedicados, será necessário dimensionar os ventiladores e a rede de dutos de fornecimento de ar exterior para a vazão necessária nas condições de acionamento do recuperador de calor (tipicamente uma vazão de ar menor que a vazão de projeto – condição de carga térmica de pico – do condicionador de ar). Outro desafio é a própria questão do conforto ambiental. Projetos dimensionados para atender os níveis de conforto do Ashrae Standard 55-2016 ou a nova versão da ABNT NBR 16401 Parte 2 para escritórios corporativos, considerando o Clo (índice das vestimentas dos ocupantes) máximo de verão de 0.61 (calça e camisa, e vestidos com gola e manga curta) propiciam carga térmica cerca de 15% menor que sistemas com Clo  igual a 1.0, típico de inverno  (calça e paletó ou jaquetas e xales)”, informa Leonilton Tomaz Cleto, vice-presidente de eficiência energética da Abrava e diretor da Yawatz.

Segundo Oswaldo Bueno, diretor da Oswaldo Bueno Engenharia e coordenador do CB- 55 da Abrava – ABNT, o processo de projetar sistemas de condicionamento de ar passa pelas seguintes etapas:

– Cálculo da carga térmica considerando os valores que podem ser melhorados tais como: escolha da temperatura e umidade interna, fachada com insolação através de vidros com fator de sombreamento e de paredes opacas com inércia e elevada resistência térmica, infiltração de ar (parcela não controlada), balanço entre iluminação natural e artificial, exaustão localizada de equipamentos com alta dissipação, uso de iluminação e equipamentos eficientes.

– Estudo de psicrometria com a determinação correta dos valores de operação como vazão de ar (função do fator de calor sensível e das condições internas e de insuflação) e a determinação do processo de controle da temperatura, umidade e pressurização.

– Qualidade do ar através de filtragem e de renovação de ar, sempre que possível através de caixas de ventilação ou de equipamentos dedicados de tratamento do ar externo.

– Seleção de equipamentos eficientes em carga total e parcial nas funções de controle da temperatura e da umidade. Para o controle da temperatura e da umidade simultâneo será necessário equipamentos com arranjos específicos, por exemplo: com registro de face e de derivação na serpentina, ou vazão de ar variável, ou derivação de ar de retorno, ou unidade de tratamento dedicada ao ar externo.

– A correta operação e manutenção assegurando a operação conforme foi projetada.

Segundo Bueno, “a importância e os recursos a serem empregados na busca pela redução da carga térmica começa com o projeto da fachada, que irá determinar os principais recursos a serem usados como vidros de alto fator de coeficiente de sombreamento que reduzem a carga térmica por insolação em superfícies transparentes. Se for um prédio com fachada tipo cortina de vidro é fundamental coeficientes de sombreamento da ordem de 0,3 ou mesmo dupla camada de vidro com espaço de ar; fachada ventilada de dupla camada com espaço de ar aberto em posições determinadas para permitir a circulação do ar. A fachada externa com grande apelo estético (cortina de vidro) e a interna com alvenaria + janelas de vidro; coberturas transparentes (claraboia), onde o vidro deverá ter um elevado coeficiente de sombreamento ou lajes propriamente dita com isolamento interno.  O isolamento entre lajes não é muito importante, pois o ambiente acima não tem insolação, portanto, é uma transmissão de calor somente por diferença de temperatura, não há incidência de radiação solar; brises são fundamentais para faces Norte, Leste e Oeste com latitudes acima e abaixo dos trópicos; para as persianas, é importante separar as internas e as externas. As persianas internas não reduzem a carga térmica, pois a radiação solar incidente se transforma rapidamente em carga térmica, mas podem trazer grande conforto para os usuários ao reduzir a radiação solar. Já as venezianas externas são consideradas como brise soleil. Outro recurso é o resfriamento noturno da massa da edificação, onde o clima da região deve ser verificado quanto a temperatura máxima e mínima em um dia de verão; essa variação pode ser bem grande, por exemplo, em São Paulo, a variação da temperatura de bulbo seco é de 32ºC a 23,7ºC e os valores durante a madrugada inferiores a 25ºC, tornando o ar externo uma opção de resfriamento por ciclo economizador, com o uso de 100% de ar externo insuflado a menor entalpia que o ar de retorno. Estes números são para dias mais quentes. A utilização do ciclo economizador reduz a necessidade de refrigeração, exaurindo o ar de retorno e aspirando o ar externo a menor entalpia, podendo chegar a desligar os compressores de refrigeração e bombas de água gelada caso o ar externo esteja nas condições de insuflação, operando então somente com os ventiladores de insuflação. Usando como referência a temperatura de retorno de 24ºC e de insuflação de 12ºC temos os seguintes números de duas cidades brasileiras:

–  Rio de Janeiro, RJ – Ar de retorno: cerca de 6629 horas (75%), em 1 ano (8760 horas) teremos temperaturas de bulbo seco iguais ou inferiores a 24ºC; caso a entalpia seja inferior a 46 kJ/kg poderemos operar com 100% de ar externo em qualquer hora do dia. Ar de insuflação: cerca de 4 horas (0,05%), em 1 ano (8760 horas) teremos temperaturas de bulbo seco iguais ou inferiores a 12ºC;

– São Paulo, SP – Cerca de 8091 horas (92%), em 1 ano (8760 horas) teremos temperaturas de bulbo seco iguais ou inferiores a 24ºC; caso a entalpia seja inferior a 46 kJ/kg poderemos operar com 100% de ar externo em qualquer hora do dia. Ar de insuflação: cerca de 978 horas (11%), em 1 ano (8760 horas) teremos temperaturas de bulbo seco iguais ou inferiores a 12ºC”.

“É importante diferenciar: free cooling do economizer.  O free cooling trata da transferência de calor através de um fluido (com fase líquida e fase gasosa) que circula de um trocador de calor a menor temperatura (condensador) para outro a maior temperatura (evaporador), sendo o mesmo princípio de um tubo de calor (heat pipe). Usado em centrífugas, quando a água da torre de resfriamento atinge temperaturas inferiores a 12ºC. O compressor permanece desligado, mas as bombas de água gelada e de condensação continuam operando. Já o economizer, ou ciclo economizador, trata da remoção de calor interno pela circulação do ar externo com menor entalpia que o ar de retorno. A recuperação de frio consiste no uso da água da torre de resfriamento a baixa temperatura, circulando em uma serpentina adicional, promovendo o pré-resfriamento do ar de mistura (ar externo + ar de retorno), reduzindo a necessidade de refrigeração. O efeito de armazenar energia nas paredes e estruturas das construções é usado para reduzir a demanda máxima de refrigeração, embora a energia a ser removida seja a mesma ao longo das 24 horas, o mesmo efeito da termoacumulação por água ou gelo”, explica Bueno.

Simulação da envoltória e redução da carga térmica

“Menor carga térmica é o resultado de um projeto mais eficiente. Sempre comento que em um projeto quem define a carga térmica é a arquitetura, o engenheiro mecânico calcula. Na arquitetura são definidos orientação do edifício, matérias da envoltória, número de pessoas nos ambientes, os equipamentos elétricos necessários por ambiente e, em alguns casos, a iluminação. Essas informações junto aos dados climáticos são as necessárias para o cálculo da carga térmica. Portanto, o primeiro passo para se ter um edifício eficiente, que consequentemente tem baixa carga térmica, é uma boa arquitetura. Edifício é um organismo complexo, a envoltória é a interface do edifício com o meio ambiente. Como em um organismo complexo, não existe uma única solução de envoltória. As condições climáticas e orientação devem ser consideradas no projeto da fachada para que atinja o máximo da sua eficiência. Uma excelente ferramenta que ajuda avaliar a envoltória e propor soluções que melhoram a sua performance é a simulação termo energética. Com a simulação, pode-se construir um prédio virtual com as mesmas características do prédio projetado. E nesse ambiente virtual, testar alternativas de envoltória e avaliar qual é a melhor solução para aquele empreendimento. Assim, é possível com boa precisão, avaliar o retorno sobre o investimento de um vidro de melhor performance, um sistema de sombreamento, isolamento térmico etc. Com essa informação a equipe de projeto e o incorporador podem tomar decisões pautados em números para um projeto mais eficiente. Um exemplo é o AR 3000 – edifício localizado em Curitiba (PR) com baixíssima carga térmica, uma das melhores envoltórias do Brasil – 38 m2/TR”, revela Bruno Martinez, da Petinelli Inc. Consultoria Empresarial e presidente do Chapter Brasil da Ashrae.

Segundo ele o papel de cada elemento da envoltória pode variar de acordo com a tipologia do edifício. Por exemplo, uma sala de aula geralmente tem como fator predominante na carga térmica o número de pessoas e vazão de ar externo. Já em um prédio com lajes grandes e poucos andares, a cobertura é um item predominante no cálculo de carga térmica, como igrejas e templos religiosos. Para edifícios comerciais, onde a área envidraçada ultrapassa 30% da área de fachada, o fator solar do vidro é determinante no valor da carga térmica, como o Edifício Eurobusiness, que tem na fachada Oeste 40% de área de vidro de alta performance, reduzindo o tamanho da máquina de ar condicionado de 8 para 6HP. Ou seja, para cada tipologia existe um item predominante na determinação da carga térmica.

No que tange a iluminação, Martinez diz que o peso no cálculo de carga térmica varia de edifício para edifício: “Porém, em um edifico corporativo localizado em cidades com clima mais ameno como Curitiba ou São Paulo, a iluminação representa 10 a 20% da carga térmica. A cada ano no mercado surgem novas luminárias mais eficientes e com menores potências. O LED revolucionou o mercado de iluminação. Em projetos eficientes de LED é possível chegar a 4,5 W/m2 para escritórios. A norma NBR 16401 Parte 1 indica uma potência típica de dissipação de calor pela iluminação de escritórios de 16 W/m2. Como a norma é de 2008, esses valores estão bem desatualizados. Neste sentido, ressalto a importância de considerar a potência do projeto luminotécnico no cálculo da carga térmica. Além disso, muitos projetos estão utilizando estratégia da dimerização contínua para aproveitar iluminação artificial e reduzir o consumo de energia do prédio. Geralmente, o pico de carga térmica coincide com o momento de maior iluminação natural disponível. Devido à dimerização contínua, nesse momento as luminárias podem estar desligadas. Se o projeto da fachada for desenvolvido para garantir o conforto térmico e lumínico, a iluminação natural irá entrar no ambiente sem que os ocupantes fechem as persianas, e o projetista de ar condicionado pode utilizar essa estratégia para dimensionar equipamentos com menor carga térmica”, explica.

“Na maioria dos projetos que trabalhamos, reduzir cargas geralmente paga a conta do investimento. Quero dizer que, geralmente, é mais barato fazer investimentos em envoltória do que pagar por mais equipamento. Nos nossos estudos é comum identificar medidas que a economia em reduzir o sistema de ar condicionado paga pelo investimento em fachada e, ainda, sobra dinheiro para investir em um sistema melhor. Importante lembrar que dimensionamos o sistema de ar condicionado para uma condição crítica que ocorre com uma baixíssima frequência no ano (1% a 4% das horas do ano). Devido a questões de mercado, selecionamos os equipamentos para uma capacidade acima do calculado, podendo chegar a até 18% acima da capacidade calculada. Porém, na maioria do ano, os sistemas trabalham em cargas parciais (30 a 60% da capacidade do sistema). Se o projetista na hora de fazer o cálculo de carga térmica não tiver cuidado com relação aos materiais utilizados na envoltória, potência real de iluminação do projeto, entre outros fatores, o sistema será superdimensionado. Já houve casos em que o sistema estava 2 vezes maior do que a carga térmica real do prédio. Assim, os equipamentos de ar condicionado irão trabalhar em 15 a 30% das suas capacidades. Nesta faixa, a eficiência dos equipamentos é mais baixa, refletindo um maior consumo de energia. Também para muitos equipamentos, o trabalho contínuo em cargas parciais baixas exige uma maior manutenção. Superdimensionar o sistema causa um prejuízo para o cliente em custos inicias, pois estará pagando por mais equipamento sem necessidade, e em custos operacionais (consumo de energia e manutenção), pois o sistema estará operando fora de sua faixa ótima. Essa ainda é uma prática muito comum do mercado, porque passa a falsa sensação de segurança para o projetista, que, superdimensionado o sistema, garante a operação deste para qualquer condição. Um correto dimensionamento do sistema já é um grande passo para conseguir edifícios com menor carga térmica”, adverte Martinez.

Ana Paula Basile Pinheiro – anapaula@nteditorial.com.br

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