Portal EA


Conceitos básicos para cálculo de carga térmica
Como calcular o calor a ser retirado ou fornecido a um local ou sistema
Modelo tridimensional do edifício para simulação no EnergyPlus

Introdução

Carga térmica é a quantidade de calor que deve ser retirada ou fornecida a um local ou sistema, por unidade de tempo, objetivando a manutenção de determinadas condições térmicas (MENEZES, 2005).

O cálculo de carga de térmica é a base principal do projeto, e afeta o dimensionamento de todos os seus componentes: ventiladores, tubulação, dutos, difusores, serpentinas, compressores, entre outros. Portanto, é um cálculo que pode influenciar significativamente o custo inicial de investimento, custo operacional e consumo de energia, além do impacto no conforto térmico e produtividade dos ocupantes. Sendo assim, o cálculo de carga térmica deve descrever com precisão o edifício, com informações e características reais do projeto. A utilização de diversos fatores de segurança durante cada estágio do cálculo pode resultar em um valor irreal e superdimensionado do sistema, gerando custos adicionais.

O intuito deste artigo é descrever de forma resumida os dados de entrada que compõe o cálculo de carga térmica de um edifício, analisando também o impacto de alguns destes parâmetros para um edifício de escritórios através de simulações computacionais de desempenho térmico. 

Conforto térmico e climatização

A principal finalidade do sistema de ar condicionado é proporcionar condições para o conforto térmico humano, condição da mente que manifesta a sua satisfação com o ambiente térmico (ASHRAE, 2010). Essa definição deixa em aberto o que se entende por "condição da mente" ou "satisfação", mas corretamente enfatiza que o julgamento de conforto é um processo cognitivo que envolve muitos fatores influenciados por aspectos físicos, fisiológicos, psicológicos e outros processos.

Atividades metabólicas do corpo são transferidas ao meio externo na forma de calor, que deve ser continuamente dissipado para manter as temperaturas normais do organismo. Uma pessoa em repouso, realizando trabalho leve em um ambiente condicionado, elimina o calor gerado principalmente por convecção (por movimentação do ar ambiente) e por radiação (em função das superfícies circundantes a uma temperatura menor que a da superfície do corpo). Cada um destes mecanismos é responsável por 30% do calor removido, sendo os 40% restantes eliminados pela respiração e transpiração. Tais porcentagens podem variar em função das condições ambientais ou do nível de atividade – por exemplo, para uma pessoa realizando um trabalho rigoroso, o mecanismo principal de liberação do calor será o da evaporação de suor (STOECKER; JONES, 1985).

Carga térmica interna

O ganho de calor por meio da envoltória, pessoas, iluminação, equipamentos internos, renovação de ar e infiltração são os principais fatores para dimensionamento de um sistema de ar condicionado. Tal ganho é classificado pelo modo de transferência: sensível ou latente. Ganho de calor sensível é o ganho direto no ambiente, por meio de condução, convecção, e/ou radiação, provocando o aumento de temperatura (fontes: envoltória, pessoas, iluminação, equipamentos internos, renovação de ar e infiltração, quando da desocupação do edifício); já o ganho de calor latente ocorre quando umidade é adicionada ao ambiente (transpiração de pessoas, ou vapor de equipamentos; fontes: pessoas, renovação de ar e infiltração, quando da desocupação do edifício).

Os cálculos das cargas térmicas, como mencionado anteriormente, devem ser os mais exatos possíveis, evitando aplicar “fatores de segurança” arbitrários para compensar eventuais incertezas no cálculo (ABNT, 2008). Edificações atuais mostraram uma melhora na redução de ganho de calor pela envoltória e iluminação, devido a códigos de energias mais restritivos. No entanto, raramente estas estratégias são consideradas para o dimensionamento do sistema de ar condicionado.

Nos itens a seguir serão apresentados e discutidos os parâmetros necessários para compor o cálculo: envoltória, pessoas, iluminação, equipamentos internos, renovação de ar e infiltração.

Envoltória

A envoltória da edificação é definida no Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Comerciais, de Serviços e Públicas, RTQ-C, como: “planos que separam o ambiente interno do ambiente externo” (p. 7, INMETRO, 2010).

Comparada aos demais fatores do cálculo de carga térmica, pode-se dizer que se trata do sistema mais perene, pois da sua concepção até o término da vida útil do edifício tem melhores condições de manter suas características iniciais (área envidraçada, vidro especificado, brises se previstos, e demais materiais das paredes e coberturas), com eventuais manutenções prediais e por vezes correções de irregularidades que surjam. Uma vez definido o vidro de um edifício, por exemplo, raramente o mesmo deverá ser substituído, se bem projetado e instalado, ao contrário do que ocorre com lâmpadas, seus reatores e equipamentos de ar condicionado, que já possuem vida útil menor.

Portanto, a consideração adequada do projeto arquitetônico conforme concebido seria o primeiro passo para um cálculo sem excessos. O projetista de ar condicionado deve trabalhar inclusive em conjunto com a equipe de arquitetura, caso identifique oportunidades de melhorias nestes parâmetros que possam beneficiar o sistema de ar condicionado, reduzindo o tamanho dos equipamentos e seu consumo energético durante a operação – mantendo um compromisso não só com seu cliente mas também com o meio-ambiente, na otimização de insumos.

Mais itens sobre a consideração da envoltória no cálculo de carga térmica são discutidos na parte 1 da NBR 16401-2008 (ABNT, 2008), 6.2 Carga térmica interna dos recintos, subitem 6.2.1 A envoltória, e no livro ASHRAE Handbook of Fundamentals, capítulos 29: Residential cooling and heating load calculations e 30: Non residential cooling and heating load calculations (ASHRAE, 2013).

Pessoas

O número máximo esperado de pessoas em cada ambiente deve ser estipulado. Na ausência desta informação, deve ser adotada a densidade de ocupação indicada na Tabela 1 da NBR 16401-3 (ABNT, 2008), devendo ser considerados o regime e os horários de ocupação.

A Tabela C.1 da mesma norma apresenta taxas representativas na qual calor sensível e umidade são emitidos por seres humanos executando diferentes atividades. Para ambientes densamente ocupados, tais como auditórios, o ganho de calor sensível e latente representam uma grande parcela da carga total, mesmo considerando um curto prazo de permanência.

Informações detalhadas de ganho de calor sensível e latente dissipados por pessoas podem ser encontrados no livro ASHRAE Handbook of Fundamentals em seu capítulo 9. Thermal Comfort (ASHRAE, 2013).

Tabela 1: Dados de entrada das simulações 


Iluminação

Em geral, iluminação é o componente que mais contribui para o ganho de calor do ambiente e dimensionamento do sistema. O tipo e a potência das luminárias devem ser obtidos a partir do projeto de iluminação. Na ausência destas informações, devem ser adotados os valores típicos para as densidades de potência de iluminação estipulados também na Tabela C.1 NBR 16401-3 (ABNT, 2008).

Deve ser considerada a montagem das luminárias no ambiente (suspensa do forro ou embutida) e a possibilidade de parte do calor das luminárias não ser dissipado no ambiente, e sim no ar de retorno, quando embutidas em forro falso servindo de plenum (ABNT, 2008).

Deve ser avaliada a possível não simultaneidade da carga de iluminação com a carga máxima de insolação das áreas envidraçadas. O capítulo 18 da referência ASHRAE Handbook of Fundamentals - Nonresidential Cooling and Heating Calculations (ASHRAE,2013), indica os parâmetros de ganho de calor por tipo de luminária e detalha os fatores que devem ser utilizados para o cálculo de carga térmica por iluminação.

Equipamentos internos

A dissipação efetiva de calor dos equipamentos de escritório deve ser obtida a partir do levantamento dos equipamentos e de informações do fabricante. Devem ser ainda considerados a operação dos equipamentos em modo de espera ou intermitente e o fator de simultaneidade (ABNT, 2008). Na ausência destas informações, devem ser adotados os valores típicos de densidade de potência de equipamentos internos e taxas de dissipação de calor listados nas Tabelas C.3 a C.6 da NBR 16401-3 (ABNT, 2008).

Renovação de ar (ventilação)

Diversas normas (ASHRAE 62.1, ABNT 16401) e códigos de construção (códigos sanitários e de obras em geral) determinam a quantidade necessária de ar de renovação para uma determinada aplicação, bem como os vários métodos para se alcançar qualidade do ar interior aceitável.

Onde se tem ventilação natural, por meio de janelas ou outros meios operáveis, considera-se esta taxa como uma infiltração que faz parte do ganho de calor no ambiente, participando do cálculo e dimensionamento do sistema de ar condicionado. Onde o ar de renovação é condicionado e fornecido por sistema mecânico, as cargas sensíveis e latentes são aplicadas diretamente para dimensionamento da serpentina de resfriamento, e não afetam a carga térmica do ambiente.

Infiltração

Infiltração é o fluxo de ar externo para o interior da edificação através de frestas e outras aberturas não intencionais, e através do uso de portas localizadas na fachada (ABNT, 2008).

A infiltração de ar externo no ambiente afeta tanto a temperatura do ar como a umidade, de maneira não controlada. É importante que as edificações sejam projetadas para reduzir ao mínimo possível a taxa de infiltração, realizando a vedação das superfícies externas, adotando vestíbulos ou portas giratórias, ou mantendo a pressão interna da edificação superior à externa (STOECKER; JONES, 1985).

Quando a pressão de ar positiva é assumida, como mencionado, a maioria dos projetistas não incluem esta infiltração nos cálculos de carga térmica. No entanto, ela deve ser considerada em ambientes como entradas ou docas de carga e descarga, por exemplo, onde possui maior influência. Os princípios e estimativas de infiltração em edificações são discutidos também no capítulo 16: Ventilation and Infiltration do Handbook of Fundamentals (ASHRAE, 2013).

Simulações termoenergéticas para análise dos dados do cálculo de carga térmica

Para este artigo analisou-se o quanto as cargas internas e a ventilação (renovação de ar) podem afetar o tamanho do sistema de ar condicionado e custo inicial da obra, através de simulações computacionais em um modelo hipotético de edifício de escritórios.

Foram avaliadas variações para o sistema de envoltória (% de área envidraçada, fator solar do vidro e elementos de sombreamento), sistema de iluminação (potência em W/m²) e renovação de ar (taxa de ar externo).

As análises foram feitas através do software EnergyPlus™, um programa de simulação termoenergético de edificações que permite modelar e estimar o consumo de energia para cada uso final (aquecimento, refrigeração, ventilação, iluminação, equipamentos), amplamente utilizado por engenheiros e arquitetos para otimizar a concepção do projeto.

Para o cálculo de carga térmica, o software utiliza o método de cálculo Heat Balance(HB); os métodos de cálculo serão amplamente discutidos no próximo artigo da série. O software possibilita, portanto, uma análise do impacto de cada fator na carga térmica e no tamanho do sistema de ar condicionado de um edifício.

Inicialmente, estabeleceu-se um modelo de referência para o edifício, estruturado conforme padrões comumente empregados no mercado em tipologias similares. A partir desta base, foi realizada a simulação paramétrica variando-se um único dado de entrada por vez, de modo a isolar seu impacto para a carga térmica da edificação. Nesta etapa, todos os demais dados permaneciam fixos. A Tabela 1 apresenta as premissas para a elaboração dos modelos de simulação, tanto do modelo de referência como das variações consideradas.

Resultados

Os gráficos 1 a 3 ilustram os resultados das simulações, indicando o valor de carga térmica dimensionado pelo programa em cada situação considerada.

Envoltória – O Gráfico 1 apresenta o impacto dos parâmetros da envoltória em relação à capacidade do sistema de ar condicionado. Foram realizadas variações no fator solar dos vidros, nos elementos de sombreamento das fachadas (brises), e na área envidraçada da edificação, através do aumento da altura do peitoril das aberturas. O eixo horizontal representa a carga térmica em TR, e o vertical mostra os cenários analisados.

Gráfico 1: Impactos das características da envoltória para a carga térmica

Deve-se ressaltar que o modelo de referência utiliza vidro de fator solar 87% e não apresenta brises ou peitoril. Como pode ser observado, a carga térmica deste modelo foi de 441,80 toneladas de refrigeração (TR), resultando no valor de 20,96 m²/TR. Com a utilização de brises, a capacidade do sistema de ar condicionado alcançou uma redução de 63 TR (brises de 90 cm). Com o aumento de peitoril para 1,0 metro, a redução foi de 48 TR. Já com a utilização de vidros com o fator solar de 25% (referência da ASHRAE 90.1: Energy Efficiency Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings para a zona 2A, onde se localiza São Paulo), a capacidade do sistema de ar condicionado teve uma redução de 119 TR – a menor carga térmica obtida nesta série. Ressalta-se que as reduções obtidas em relação ao modelo de referência indicam algumas estratégias que são equivalentes – exemplo: o emprego de fator solar de 60% equivale em carga térmica a utilizar um brise de 60 cm associado ao vidro comum (neste caso, é importante lembrar o impacto positivo do brise em relação ao conforto térmico dos usuários). E o emprego de um brise de 30 cm (com vidro comum) equivale à adoção de um peitoril de 60 cm (também com vidro comum).

Iluminação - O Gráfico 2 apresenta a variação da capacidade do sistema de ar condicionado pela densidade de potência instalada de iluminação (DPI). Nota-se que a carga térmica alcançou uma redução de até 24 TR utilizando-se uma DPI de 10 W/m². Esta estratégia resulta em carga térmica similar à do brise de 30 cm e do peitoril de 60 cm (porém, mais uma vez, com impactos diferentes para o conforto do usuário).


Renovação de ar - O Gráfico 3 apresenta o impacto da taxa de ar externo em relação à capacidade do sistema de ar condicionado. Para a taxa de renovação Nível 1 de acordo com a norma NBR 16401 (mesmos valores da norma ASHRAE 62.1 – Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality), menor taxa dentre as analisadas, a carga térmica apresentou redução de 29 TR em relação ao modelo de referência.


Conclusão

Verificou-se que os parâmetros de entrada do cálculo de carga térmica podem alterar de forma significativa o resultado final do dimensionamento. Os fatores de maior impacto para os cenários testados foram a utilização de vidros mais eficientes (redução de até 119 TR) e a utilização de brises (redução de 63 TR). Portanto, destaca-se que grande atenção deve ser dada às características da envoltória do projeto.

Combinando-se os melhores desempenhos dentre os cenários testados em um único modelo (brise de 0,9 m, peitoril de 1,0 m, fator solar de 25%, DPI de 10 W/m², e renovação nível 01 da ABNT), a capacidade do sistema de ar condicionado do projeto seria de 257 TR. A redução seria de 185 TR comparado ao modelo de referência (sem brises e peitoril, fator solar de 87%, DPI de 18 W/m² e renovação de 27 m³/h/pessoa). Considerando o custo estimado de R$ 12.000,00 por TR para compra e instalação do sistema de ar condicionado, a redução em custo seria de R$ 2.220.000,00.

O sistema de ar condicionado do modelo combinado alcançaria a capacidade de 36 m²/TR. Para edificações que pleiteiam o selo de sustentabilidade LEED, o edifício proposto é comparado com o modelo de referência baseado na norma ASHRAE 90.1. Conforme o guia “Advanced Energy Modeling for LEED” (USGBC, 2011), a capacidade do modelo de referência é de aproximadamente 37,16 m²/TR.

Autores: Engenheiro Fabiano Domingues Ferreira e Arquiteta Tássia Helena Teixeira Marques

Orientador: Engenheiro Leonilton Tomaz Cleto

A Coleção Fundamentos é coordenada pelo Professor Doutor Alberto Hernandez Neto do departamento de engenharia mecânica da POLI-USP


REFERÊNCIAS

ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 16401: Instalações de ar condicionado – Sistemas centrais e unitários. Rio de Janeiro, 2008.

ASHRAE - AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS. ASHRAE Handbook of Fundamentals. Atlanta, 2009.

______. ANSI/ASHRAE Standard 55: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. Atlanta, 2010.

EERE - DEPARTMENT OF ENERGY EFFICIENCY AND RENEWABLE ENERGY. EnergyPlus. Version 8.5. US: Department of Energy Efficiency and Renewable Energy, Office of Building Technologies, 2016. Disponível em: <http:// https://energyplus.net/downloads>. Acesso em: 22 abr. 2016.

FANGER, P. O. Calculation of thermal comfort: Introduction of a basic comfort equation. ASHRAE Transactions, 73 (Part 2), III.4.1-III.4.20, 1967.

INMETRO - INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, NORMALIZAÇÃO E QUALIDADE INDUSTRIAL. RTQ-C - Regulamento técnico da qualidade para o nível de eficiência energética de edificações comerciais, de serviços e públicas. Rio de Janeiro, 2010.

MENEZES, M. S. Refrigeração e ar condicionado. Passo Fundo: Universidade de Passo Fundo, 2005. Apostila.

RORIZ, M. Arquivos Climáticos de Municípios Brasileiros. ANTAC – Associação Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído. Grupo de Trabalho sobre Conforto e Eficiência Energética de Edificações. Relatório Interno, 2012 (a). Disponível em: <http: www.labeee.ufsc.br/downloads/arquivos-climaticos>. Acesso em: 12 maio 2012.

STOECKER, W. F.; JONES, J. W. Refrigeração e Ar condicionado. Tradução: José M. Saiz Jabardo et al. São Paulo: Mc-Graw Hill do Brasil, 1985.

USGBC - UNITED STATES GREEN BUILDING COUNCIL. Advanced Energy Modeling for LEED: Technical Manual v2.0. USA, September 2011.