O cálculo da carga térmica residencial

Um edifício ou sala ganha calor de várias fontes. Ocupantes internos, computadores, copiadoras, máquinas e iluminação produzem calor. O ar quente do lado de fora entra por portas e janelas abertas ou como vazamento pela estrutura. No entanto, a maior fonte de calor é a radiação solar do sol, batendo no telhado e nas paredes e saindo pelas janelas, aquecendo as superfícies internas. A soma de todas essas fontes de calor é conhecida como ganho de calor (ou carga de calor) do edifício e é expressa em BTU (british thermal unit) ou em KW. Para que um ar condicionado resfrie uma sala, a o projeto deve levar em conta isso ou seja, deve ser maior que o ganho de calor. Antes de comprar um ar condicionado, é importante que um cálculo de carga de calor seja realizado para garantir que seja grande o suficiente para a aplicação pretendida. Existe um procedimento simplificado do cálculo de carga térmica de ar-condicionado para instalações residenciais, com objetivos específicos para especificar o melhor projeto.

condicionado2Da Redação –

O cálculo da carga de calor é uma habilidade fundamental para os projetistas e os consultores de Heating, Ventilation and Air Conditioning (HVAC). Considere que o resfriamento de espaço está entre os maiores gastos com energia em edifícios, especialmente durante o verão. No entanto, para dimensionar adequadamente um sistema de refrigeração, primeiro deve-se saber a quantidade de calor que deve ser removida – esse é precisamente o objetivo do cálculo da carga de calor.

O calor nos edifícios pode ser proveniente de fontes internas, como aparelhos elétricos, ou de fontes externas, como o sol. Um cálculo de carga de calor considera todas as fontes presentes e determina seu efeito total. Embora existam muitas maneiras pelas quais o calor pode ser gerado, direta ou indiretamente, pode-se descrever algumas das principais fontes nos interiores de edifícios.

O ganho de calor solar, pois existem três maneiras diferentes pelas quais o calor do sol pode atingir os espaços interiores – condução, convecção e radiação. A condução ocorre através de paredes e telhados, pois eles são expostos a uma diferença de temperatura entre os interiores das construções e o ambiente externo mais quente.

A convecção refere-se à transferência de calor devido ao movimento a granel de ar quente ao ar livre ou movimento do ar interno entre superfícies a diferentes temperaturas. Finalmente, a radiação é uma forma direta de transferência de calor que ocorre quando a luz do sol entra nos edifícios através de janelas ou outras superfícies transparentes. Tanto a radiação quanto a convecção podem interagir com a condução nas superfícies de paredes e telhados. Para muitos edifícios, o sol é a maior fonte de calor.

O ganho de calor solar em uma sala específica depende muito de sua direção ou alinhamento – considere que a posição do sol no céu muda ao longo do dia. De manhã, as paredes e as janelas voltadas para o leste são expostas ao sol direto. As superfícies voltadas para o sul são expostas à luz direta do sol durante o meio-dia e as superfícies voltadas para o oeste durante a tarde. Paredes voltadas para o norte experimentam o menor ganho de calor solar.

Dependendo de como ocorre o ganho de calor solar, seus efeitos podem ser sentidos imediatamente ou por um período de tempo. Por exemplo, o calor solar que entra pelas janelas de vidro (radiação) tem um efeito imediato. Por outro lado, quando o ganho de calor ocorre por condução através das paredes, as próprias paredes armazenam calor e continuam a ser liberadas em ambientes fechados à noite.

No que se refere ao calor de seres humanos, pode-se dizer que os ocupantes também são uma importante fonte de calor na construção de interiores. Considere que um ser humano consome centenas de calorias por dia na forma de alimento e parte dessa energia é liberada como calor durante os processos metabólicos. O calor liberado pelos seres humanos é ainda maior durante intensa atividade física, através da transpiração (sudorese).

Considere que o efeito do aquecimento humano também aumenta dependendo da densidade do ocupante. Como resultado, a contribuição humana para a carga total de calor pode ser especialmente alta em grandes espaços com ar-condicionado, como corredores, auditórios, teatros, cinemas e aeroportos.

Já o calor do ar externo pode ser explicado pelo ar mais quente fora dos espaços condicionados é chamado de ar externo ou ar atmosférico. Devido à sua temperatura mais alta, o ar externo tende a aumentar a temperatura ambiente média quando entra em espaços internos.

Embora algumas trocas de ar sejam normais quando portas e janelas estão abertas, o ar externo também pode entrar em espaços condicionados devido a vazamentos em torno de portas, janelas e outros elementos de envoltório do edifício. O calor retido pelo ar externo vem em grande parte do sol, mas também pode ser proveniente de veículos ou de outros edifícios.

Igualmente, o calor dos aparelhos elétricos e eletrônicos, pois os espaços internos são preenchidos com aparelhos elétricos e eletrônicos, como luminárias, aparelhos de televisão, máquinas de café, aquecedores de água, etc. Esses aparelhos consomem eletricidade e liberam algum calor em espaços com ar condicionado. O ideal seria usar os aparelhos com baixo consumo de energia para minimizar o efeito de aquecimento.

A NBR 16655-3 de 07/2019 – Instalação de sistemas residenciais de ar-condicionado – Split e compacto – Parte 3: Método de cálculo da carga térmica residencial apresenta um procedimento simplificado de cálculo de carga térmica de ar-condicionado para instalações residenciais, com os seguintes objetivos: partir das informações do cliente, calcular os parâmetros de capacidade de refrigeração e aquecimento; orientar o cliente nas ações para redução da necessidade de refrigeração/aquecimento, por exemplo, vidros com tratamento térmico de reflexão e/ou absorção da radiação solar; estimar o ponto de energia elétrica necessário e a sua compatibilidade com o disponível na instalação. É recomendável o uso de programas de computador disponíveis para o cálculo de carga térmica: sendo obrigatório o cálculo completo no caso de instalações com ambientes repetitivos ou os ambientes residenciais múltiplos e repetitivos para diferentes famílias (apartamentos).

O aumento da base instalada de equipamentos de ar-condicionado residencial em operação, trouxe como consequência um aumento na demanda e no consumo de energia elétrica, com risco de sobrecarga no sistema de geração e de distribuição. O cálculo da carga deve permitir a escolha de equipamentos com a capacidade correta, evitando o superdimensionamento na escolha do equipamento com um aumento desnecessário do consumo da energia elétrica.

Somente como informação, se trabalha com uma carga de refrigeração típica de 6 m²/kW de área de piso por potência de refrigeração em kW (21 m²/tr) sendo que a meta em países mais desenvolvidos é de 9 m²/kW (32 m²/tr). Uma vez definida a capacidade de refrigeração, podemos estimar a demanda de alimentação elétrica de 1,25 kW/tr e a demanda elétrica de 0,35 kW para uma demanda de refrigeração de 1 kW, ou seja, um coeficiente de desempenho COP de 2,9 kW de refrigeração por kW elétrico.

A estimativa da carga térmica tem por objetivo avaliar os valores de calor sensível (mudança de temperatura), e de calor latente (mudança da umidade), de um ambiente e desta forma a partir dos valores da carga térmica selecionar o equipamento necessário para manter as condições desejadas. O valor deve ser calculado na condição mais crítica. Recomenda-se não acrescentar fatores de segurança no cálculo da carga térmica, a seleção do equipamento pode ser feita pelo valor aproximado e não necessariamente maior.

Para a estimativa da carga térmica, é necessário: escolher os valores de projeto da temperatura de bulbo seco e a temperatura de bulbo úmido do ar externo em função da latitude e da altitude do local; escolher as temperaturas de projeto do ambiente condicionado adequadas às pessoas em função de sua idade, atividade e roupas; averiguar possíveis condições especiais, como recintos adjacentes não condicionados, insolação, sombreamento externo, etc.; escolher os coeficientes de transferência de calor das distintas paredes da edificação com base no seu projeto. Paredes que separam ambientes na mesma temperatura devem ser ignoradas. Os coeficientes de transmissão de calor para inverno (aquecimento) e para verão (resfriamento) podem ser diferentes.

A carga escolhida também será com base nas características construtivas da edificação, no programa de operação do sistema, nos valores de projeto da velocidade do vento e da diferença de temperatura. Estimar a taxa de infiltração (parcela não controlada), conforme NBR 15575-1 e/ou de ventilação com ar externo. Determinar as características adicionais da edificação, como: localização, orientação, sombreamento externo e massa, as quais afetam o ganho de calor por insolação.

Levar em conta a base nas características construtivas da edificação e nas condições de projeto determinar as diferenças de temperatura para a carga de refrigeração, fatores de ganho de calor por insolação e fatores de carga de refrigeração apropriados. Determinar a taxa de transferência de calor para o recinto em função dos coeficientes de transferência de calor, áreas e diferenças de temperatura, previamente calculados. Para espaços com geração interna de calor (luzes, equipamentos, pessoas etc.) aplicar os fatores de carga de refrigeração quando necessário e as programações de uso.

O processo de cálculo da carga térmica a ser empregado é o da carga de resfriamento pela diferença de temperatura (CLTD), fatores de carga de resfriamento solar (SCL) e fatores de carga térmica interna que é o processo que melhor se aplica para o cálculo manual. Escolha dos valores de projeto da temperatura de bulbo seco e temperatura de bulbo úmido, do ar externo.

Os valores de temperatura e de umidade do ar externo devem ser escolhidos conforme a NBR 16401-1. Caso não seja encontrada a cidade ou o local da instalação, pode ser usado um valor por aproximação ou de referência. A tabela abaixo apresenta as condições de verão de sete cidades do Brasil e dois valores de referência.

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A tabela abaixo apresenta as condições de inverno de sete cidades do Brasil e dois valores de referência.

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Para recintos adjacentes não condicionados considerar a temperatura de bulbo seco conforme a seguir: no verão, a temperatura de bulbo seco é 3°C acima da temperatura de bulbo seco do ar externo no verão; no inverno, a temperatura de bulbo seco é 3C acima da temperatura de bulbo seco do ar externo no inverno. Para estimar a renovação e infiltração de ar, com base nas características construtivas da edificação, vedação de janelas e portas, nos valores de projeto da velocidade do vento e da diferença de temperatura, estimar a taxa de infiltração e ou de ventilação com ar externo.

Este valor corresponde à parcela não controlada, do ar externo, conforme NBR 15575-1. Para o cálculo do valor de carga térmica por transmissão e por insolação, deve-se considerar as seguintes condições: latitude; orientação; mês do ano; temperatura de bulbo seco externa e interna; horário; características construtivas do edifício; para condições de projeto, determinar as diferenças de temperatura para a carga de refrigeração CLTD, fatores de ganho de calor por insolação SHGF e fatores de carga de refrigeração CLF apropriados.

Deve-se determinar as características adicionais do edifício, como localização; orientação (norte, leste, sul e oeste); sombreamento externo devido a outras construções ou mesmo árvores, as quais afetam o ganho de calor por transmissão. Para a somatória das cargas térmicas de refrigeração, os valores calculados na Seção 4 devem ser utilizados para o cálculo dos valores de cada carga e somados nas mesmas características do calor sensível, do calor latente e do calor total.

O valor total deve ser usado na seleção do equipamento, neste caso, feito de forma simplificada atendendo a carga total em kW. Não podem ser usados coeficientes de segurança ou mesmo a escolha com folga. O Anexo A apresenta os exemplos de um cálculo.



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