Tais sistemas pregam e adotam uso de altas temperaturas de resfriamento e baixas temperaturas de aquecimento
Considerações iniciais
Originalmente, os processos radiantes eram empregados, fundamentalmente, para proceder à calefação ambiental durante a estação fria em regiões climáticas que, por seu rigor, provocam carga sensível interna de resfriamento com balanço majoritário significativo entre fontes de fluxo térmico dependente de temperatura (transmissão pela envoltória e infiltrações de ar externo), em contraposição às cargas de fluxo térmico de aquecimento constante, tais como, irradiação solar, carga liberada por pessoas, equipamentos, iluminação e assemelhadas.
O advento do conceito de baixa exergia aplicado ao ambiente construído estimulou seu emprego, também, para proceder ao resfriamento, notadamente a aplicação de sistemas de tratamento de ar por processo THIC (Temperatura e Umidade com Controle Independente).
Tais sistemas pregam e adotam uso de altas temperaturas de resfriamento e baixas temperaturas de aquecimento, prevenindo que os sistemas de climatização ambiental venham incorrer em assimetria radiante e que provoquem inconvenientes a ela associados: desconforto térmico e ineficiência energética. Temperaturas de resfriamento de 14 oC e mais altas, e de aquecimento de 34 oC e mais baixas, configuram as condições dos agentes térmicos utilizados em tais procedimentos.
Sistemas associados de tratamento de ar
Independentemente do sistema de tratamento de ar a empregar, todo ar ou ar/água, a racionalização psicrométrica propiciada pelo processo THIC viabiliza a otimização termodinâmica na produção do frio, conduzindo à redução em uso de energia primária em sistemas de refrigeração por compressão mecânica da ordem de 30%, independentemente do equipamento terminal de tratamento de ar adotado.
Considerando o ambiente climatizado a 24 oC TBS e umidade relativa de 50%, resultará uma temperatura de orvalho (TPO) de 13 oC, enquanto para o ar desumidificado de modo a poder tratar a carga latente interna, obtido a partir das unidades DOAS, o valor da TPO situa-se em torno de 6 oC. A vazão de ar exterior é definida por critérios de QAI, enquanto a TPO no tratamento é definida pela relação entre a carga latente interna em g/h de emissão de vapor d’água e o valor da vazão mássica em kg/h de ar exterior.
Planejamento na geração de frio
A predefinição de processo THIC com duas TPOs independentes e espaçadas por diferença de 7 oC gera qualificação quanto ao aspecto termodinâmico e estabelece diretriz irrenunciável pela adoção de escalonamento exergético na definição da CAG.
Considerando que o COP teórico de uma máquina de refrigeração por compressão mecânica é definido pela relação entre a temperatura saturada de sucção e a diferença entre as temperaturas saturadas de condensação e de evaporação, na escala K, a diferença de 7 oC entre as temperaturas de evaporação, admitindo approach de 2 oC e mesma temperatura de condensação a 37 oC, resulta em COPs teóricos, respectivamente, 10,92 e 8,39 ou, diferença entre eficiências de 30%.
Esses valores referem-se, exclusivamente, ao processo termodinâmico na produção do frio, relacionado às temperaturas de suprimento do fluido térmico às unidades terminais, 4 oC e 11 oC.
Influência das unidades terminais em uso de energia
Processo todo ar
É o processo tradicional típico, no qual a energia térmica conduzida desde a geração até a entrega para a utilização tem o ar como elemento de transferência; considerando que o calor específico do ar é 4 vezes inferior e que a densidade é 800 vezes inferior em relação à água, a transferência da energia térmica entre a produção e a utilização, comparada à de processos ar/água, resulta em uso de energia no transporte mais do que dobrada.
Considerando que, em um sistema de climatização, 80% da energia utilizada ocorrem na geração da energia térmica, e 20% na utilização, aufere-se uma redução global em uso de energia no sistema AVAC de 42%, sendo 30% na CAG e 12% nos dispositivos terminais.
Processos ar/água
Sistema vigas frias: destinadas a operar em conjunto com unidades DOAS de tratamento dedicado do ar exterior, o uso de vigas frias ativas consiste em receber o fluxo primário como elemento indutor de fluxo recirculado do ambiente, e proceder ao resfriamento sensível desse fluxo secundário induzido previamente à mistura com o ar primário resfriado e desumidificado na DOAS. A troca térmica na viga fria ativa ocorre, predominantemente, por convecção. Já as vigas frias passivas operam por fluxo de convecção por indução natural, principal processo de troca térmica.
Sistemas por superfícies radiantes: os processos radiantes através de pisos, paredes e tetos têm transmissão térmica, fundamentalmente, por irradiação e complemento por convecção natural.
Aplicabilidade potencial de vigas frias ativas
A grande vantagem do sistema de vigas frias consiste em proporcionar movimentação de ar no ambiente climatizado – especialmente as vigas ativas por procederem, também, a distribuição equitativa nos espaços climatizados, proporcionando coeficiente 1,0 no conceito eficácia no suprimento do ar exterior.
Além disso, sua característica de difusão, com insuflação horizontal ao nível do teto, linear e divergente em duplo fluxo defasados a 180° e retorno convergente ao centro da viga, constitui-se em zona de ventilação protegida, repetida e compartimentada, com inegável valor de mitigação de transmissão por aerossóis contidos no ar.
Em relação aos processos tradicionais por irradiação, a baixa circulação de ar, por vezes, restrita à vazão de ar exterior, sugere a instalação de ventiladores de teto de baixa velocidade para obter a movimentação desejada do ar de cerca de 0,20 m/s na zona de ocupação.
Características e taxas de transferências
Em termos de taxa de troca térmica, seja de resfriamento, seja de calefação, os diferentes processos representam as potencialidades expressas na tabela 1.
Tabela 1
| Dispositivo | Resfriamento (W/m²) | Aquecimento (W/m²) |
| Vigas Ativas | 120 (S 80 / L 40*) | 50 |
| Vigas Passivas | 80 | – |
| Teto Radiante | 100 | 40 |
| Piso Radiante | 40 | 100 |
| Parede Radiante | 70 | 140 |
* Troca realizada nas DOAS
As taxas expressas na tabela 1 indicam as conveniências das respectivas aplicações – isolada ou combinadamente – em função da característica e do processo – resfriamento ou calefação.
O uso combinado, por exemplo – viga fria ativa + piso frio radiante – permite atender dependência de determinada característica de fluxo térmico de desumidificação (40 W/m²) e diferentes taxas de carga sensível (80 W/m² – só viga fria, ou 120 W/m² – viga fria + piso frio radiante), considerando em processo de resfriamento.
Aspecto conforto térmico
A aplicação do conceito de baixa exergia amplia as vantagens da radiação térmica – em resfriamento ou calefação – na obtenção do conforto térmico ambiental. Sabe-se que a troca térmica por radiação entre corpos distintos ocorre proporcionalmente à 4ª potência entre as respectivas temperaturas absolutas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre os corpos.
O corpo humano, semelhantemente ao que ocorre com uma máquina térmica, necessita proceder permanentemente à rejeição de determinada quantidade de calor para o ambiente ao seu redor, podendo fazê-la por uma combinação de convecção, irradiação, respiração e transpiração. A temperatura superficial na pele do corpo humano, em situação de equilíbrio, é de 34,4 oC. Qualquer superfície ao redor do corpo humano receberá calor por irradiação quando apresentar uma temperatura superficial inferior aos 34,4 oC, e emitirá calor contra o corpo humano quando apresentar temperatura superior a 34,4 oC. À temperatura de 34,4 oC não há troca por irradiação entre os diferentes corpos.
As temperaturas de procedimentos radiantes por tetos, pisos e paredes, na condição de resfriamento (19 oC a 21 oC), propiciam manifestações de melhor conforto térmico experimentado quando comparadas a ambientes atendidos por processo todo ar nas mesmas condições psicrométricas, graças ao arrefecimento térmico propiciado pela irradiação emitida pelo corpo humano.
Já quando da ocorrência de parede ou teto aquecido (40 oC), há manifestação de desconforto térmico, mesmo sob condições psicrométricas e de velocidade do ar compatíveis com condições de conforto térmico reconhecidas. Trata-se de ocorrência de temperaturas operativas afetadas por ocorrência de assimetria radiante.
Precauções contra ocorrência de condensação
A adoção do processo THIC – com desacoplamento total entre cargas e temperatura de orvalho do ar primário nas vigas frias, ou insuflado no ambiente, em torno de 6 oC – mitiga a possibilidade de condensação, aliada à providência de evitar estender a instalação até às proximidades de acessos do exterior onde pode ocorrer infiltração de ar externo sob altas temperaturas de orvalho.
A adoção, também, de providências complementares, tais como a instalação de sensor de temperatura superficial em piso, com approach para a temperatura de orvalho do ar no ambiente, se constitui, também, em providência que respalda. A temperatura de orvalho do ar hiperdesumidificado nas DOAS é o elemento fundamental de controle, combinada às precauções quanto à não exposição da instalação a locais passíveis de infiltração de ar externo.
Contribuição à melhoria da QAI
O processo THIC de tratamento de ar enseja a operação com serpentinas secas nos sistemas de resfriamento sensível, evitando a formação de biofilme, responsável que é por 23 tipos diferentes de contaminantes biológicos.
A aplicação de processo UVGI nas unidades DOAS de tratamento exclusivo do ar externo ataca o DNA dos biocontaminantes gerados nas serpentinas úmidas em decorrência do processo intensivo de desumidificação, contribuindo significativa e efetivamente para a melhoria da QAI – Qualidade do Ar Interior.
A mistura de ar evitada que ocorre em sistemas todo ar com recirculação, já enfocada, constitui-se em procedimento de melhoria da QAI por mitigar riscos de contaminação cruzada por aerossóis.
Sumário explicitativo
Sistemas por resfriamento radiante podem reduzir em 50%, e mais até a necessidade de vazão a insuflar – quando comparados a processos todo ar – para atendimento de carga sensível interna equivalente. Operando em processos de resfriamento, sistemas de teto apresentam capacidade em W/m² bem maiores (2,5 x), quando comparados à operação em piso.
Já em processos de calefação, sistemas de piso apresentam capacidades em W/m² bem maiores (2,5 x), quando comparados à operação em teto. Cabe à definição do projeto escolher as características de desempenho, conforme a situação a enfrentar.
Tabela 2: Shopping hipotético em região climática quente/úmida
Quantitativos para distintas configurações de sistema para o mall
| COMPONENTE | CONF. 1 | CONF. 2 | CONF. 3 | CONF. 4 |
| TODO AR | AR + PFR | AR + VGFAT | AR + PFR + VGFAT | |
| UTAs | 18 x 50 TR | 14 x 50 TR | 13 x 50 TR | 9 x 50 TR |
| PFR | – | 13.000 m² | – | 13.000 m² |
| VGFAT | – | – | 620 Pç | 620 Pç |
| DUTOS | 67.600 Kg | 46.600 Kg | 49.400 Kg | 28.400 Kg |
| % DUTOS | 100% | 69% | 73% | 42% |
OBS: Utilizadas UTAs de 50 TR nominais nas 4 configurações. Legenda: PFR (Piso Frio Radiante), VGFAT (Viga Fria Ativa – L=3 m)
Conclusão
Conforme já abordado, a aplicação de processos radiante/convectivo contribui para reduzir o uso de energia em cerca de 40%, gera redução equivalente em emissões, recebe manifestação de maior aceitação de condições de conforto térmico por usuários e contribui para melhoria da QAI, por evitar e inativar biocontaminantes.
Tal contexto, divulgado em diversos estudos comparativos que constam em manuais e periódicos de autoria da Ashrae, Rehva e Agência Internacional de Energia, teve comprovação respaldada por levantamento realizado entre 2 empreendimentos com uso comercial, durante um ano, em intervalos regulares mensais, que resultaram em redução no uso de energia de 39,5% entre os distintos sistemas, um deles dotado de temperatura de Resfriamento Escalonada em 3 patamares, processo THIC com Reaquecimento em Ciclo Run-Around pela água de retorno à CAG, e unidades terminais do tipo Viga Fria Ativa recebendo ar primário tratado em unidades DOAS específicas até a temperatura de orvalho 6 oC, reaquecido até 14 oC.
O Ciclo Run-Around gerou uma potência de 670 TR em sistema com CAG de potência 4.200 TRs, o que representa uma Potência Virtual adicional de 16% e Bomba de Calor evitada de igual potência, gerando deságios para custeio de componentes de implementação de qualidade adotados.
Francisco Dantas é engenheiro mecânico, consultor em eficiência energética e diretor técnico da Interplan Planejamento Térmico Integrado
