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O projeto

Este sistema, por reaproveitar com eficiência a radiação perdida nas UTAs (unidades de tratamento de ar), representa um avanço sobre os sistemas convencionais. Com este aproveitamento, requer menor VAI (vazão de ar insuflado). No Brasil aplicamos o sistema, com sucesso, no ano de 1999/2000. Nos EEUU o sistema tomou força a partir do ano de 2007.

Os ERs (elementos radiantes) absorvem a maior parte do CSI (calor sensível interno) e a parcela de VAI remove o CLI (calor latente interno) e parte do CSI, pois está com baixos graus de temperatura e de umidade absoluta.
A VAI pode ser ≥ a VAE (vazão de ar externo), dependendo dos parâmetros estabelecidos pelo engenheiro. Estes parâmetros definirão a eficiência do sistema e refletem maior ou menor custo de implantação e a grandeza do benefício.

Para a escolha dos parâmetros, considerar que o rendimento de um elemento radiante metálico é dado pela equação → ta (temperatura do ambiente) – [(tea (temperatura de entrada de água) + tsa (temperatura de saída da água)) / 2], sendo t em °C.

Resultados superiores a 9°C indicam uma boa eficiência; 9°C ou abaixo indicam eficiência ruim, provocando o uso de maior quantidade de ER’s e maior custo de implantação.

Para definir a TO (temperatura de orvalho) de projeto, fixa-se ta com TBS (temperatura de bulbo seco) em 24°C e 40% ≤ UR (umidade relativa) ≤ 60%. Para tea acresce-se 1°C a 2°C na TO, dependendo da eficiência do sistema de automação. Usa-se tsa entre 2°C e 3°C acima da tea, dependendo do projeto.

Com UAVAI < UA sala obtém-se Vazão, TBS e TBU da VAI em função do CLI a remover. A combinação adequada destes parâmetros garante a melhor eficiência do sistema. O sistema de automação e o sistema mecânico devem ser projetados para que a tea flutue de acordo com as variações da TO do local impedindo a condensação.

Os ERs devem remover 60% ou mais da CSI e os TRs (tetos metálicos radiantes) devem ocupar no mínimo 50% da área do forro sob pena do sistema tornar-se inadequado, com a convecção sobrepondo-se à radiação e o edifício, então, sofrerá resfriamento sem controle.

Para um bom resultado os TRs devem cobrir de 50 a 75% da área total do forro (25% são para outras utilidades) e a VAI calculada deve ser a mínima necessária para remover o CLI do ambiente. Variações para menor devem ser estudadas pois o sistema pode perder a capacidade de desumidificação em ambientes com variações de fluxo de CLI, como, por exemplo, salas grandes de reunião, cafeterias, repouso e enfermarias etc.

Aplicações para o sistema radiante

Em princípio para ambientes onde o CSI é predominante sobre o CLI. Como edifícios de escritórios, data centers, ambientes com grandes áreas envidraçadas, entre outros. Em hospitais, nos leitos, o fancolete é eliminado, reduzindo a IH (ASHRAE 2011 – Handbook HVAC Applications). Via de regra apresenta boa solução para patrimônios tombados. Soluções combinadas com TR e VRP (vigas radiantes passivas) são muito eficientes.

Em sistemas de aquecimento a água que alimenta os ERs deve estar a temperatura inferior à do corpo humano (± 33°C) para não haver inversão do fluxo de calor do corpo quente para corpo frio. Com o menor gradiente de temperatura perdida tem-se sensação de aquecimento.

Para aquecimento e resfriamento  simultâneos no mesmo ambiente, duas malhas hidráulicas devem ser instaladas. Nos dias frios a malha próxima da janela recebe água quente e a malha do centro recebe água gelada.

Benefícios com relação ao projeto convencional

– Redução de potência elétrica instalada,

– Redução da cota vertical do entre forro,

– Redução das áreas de casas de máquinas,

– Redução das operações de manutenção e peças sobressalentes (por exemplo: padronização e redução quantitativa de UTAs),

– Conforto térmico-acústico sem fluxos sensíveis de ar e NRC ≥ 0,7,

– Menor tráfego de microorganismos transportados pelo fluxo de ar.

Como exemplo, poderíamos citar um edifício com 20 pavimentos de 1000 m², com total de CSI a remover =1.600.000 w

Energia elétrica:

a) O sistema convencional necessita de VAI 110 m3/s a 11°C com motor consumindo 88 kw;
b) O Sistema radiante requer VAI 27,6 m3/s a 11 °C e 143,5 m3/s de vazão de água;
c) No total irá consumir 54,5 Kw representando 38% de redução.

Espaços ocupados no entre forro, por pavimento:

– Sistema convencional com duto de 100 x 70 cm: cota do forro 80 cm;
– Sistema radiante com duto de 100 x 18 cm: cota do forro 30 cm, que abriga também a hidráulica;
– Sistema convencional altura total de 20 pavimentos = 80 metros;
– Sistema radiante com altura total de 20 pavimentos = 70 metros;
– Pode-se escolher entre dois benefícios:

a) 2000 m² a mais para locação nos dois pavimentos adicionados;
b) redução de 10 metros na altura com redução dos custos civis.

Custos de implantação

Os custos podem ser diferentes dependendo dos objetivos: menor cota do entre forro necessitará mais ERs ou TRs refletindo maior custo e o inverso também é verdadeiro. A planejada redução da quantidade de UTAs também reflete no menor custo de implantação, manutenção e operação.

De qualquer forma, três itens devem sempre ser levados em conta: sistemas mecânico, hidráulico e elétrico; sistema de automação; e tipo de forro.

Tabela para compilação dos custos estimados

Importante: Todos os sistemas compreendem CAG e sistemas independentes estão excluídos.

Os valores representam o desembolso do contratante pelo sistema completo.

Para empreendimentos em início de concepção arquitetônica, os trabalhos de concepção do projeto quando realizados com o arquiteto resultará no maior benefício com o menor custo.

tabela

Fenômenos e controles das variáveis

Formação do fenômeno da radiação Antes do ER se tornar radiante ocorre a transmissão de calor por convecção. A água gelada que esfria o ER o torna um corpo radiante receptor de ondas eletro magnéticas propagadas em linha reta a partir do corpo emissor (corpo quente). A velocidade da água pelos tubos deve obedecer um valor mínimo para atingir o regime de transição (conf. Reynolds): em tubos de 12 mm a v mínima é 0,28 m/s.

Em uma só placa de 1000 x 1000, com tea entre 10oC a 15°C para atingir essa meta, várias placas devem ser interligadas em série (por exemplo: tubo alimentação + mangueira + placa + mangueira + placa + mangueira + placa + mangueira + tubo de retorno formam circuito de três placas em série) e a vazão somada de cada placa resulta na velocidade mínima exigida. Este cálculo delimita o número mínimo da série.

O máximo de TRs em série é limitado pela velocidade excessiva que gera ruídos.

Monitoração da TO e controle da tea Com a monitoração da flutuação da TO o sistema de automação resultará em tea ˃ TO.

Tempo de formação de filme de vapor. Ambiente com 1 pax/6m2, 50% de TRs ativas o vapor liberado será de 0,0026 ml/cm2/pess. Com a eventual parada da UTA, o filme formado será imperceptível. Seriam necessárias 38 pessoas, o que é improvável, para atingir espessura de 0,1 ml.

Produtos ERs disponíveis no mercado

a) TR ou Placas de TR: placas metálicas com espaço de 0,7 mm industrialmente adequadas com perfis de alumínio e tubos de cobre por onde corre a água gelada.

b) Vigas radiantes

b.1) Passivas VRP (vigas radiantes passivas): trocadores de calor constituídos por aletas de alumínio e tubo de cobre. O tubo atravessa as aletas que são paralelas e espaçadas de 4 a 5 mm.

Como todo ER há sempre dois fenômenos combinados: a radiação (já descrita) e a convecção quando o fluxo de ar tem forma giratória elíptica, ascendendo, quente, por caminho externo paralelo à projeção da VRP. No topo da VRP, o ar quente é atraído para a região fria das aletas e, resfriado, cai pela região central da VRP. Baixas tea refletem 75% absorvidos por radiação e 25% por convecção. Aplicações com VRP a 15 metros de altura apresentam eficácia normal. Aplicações industriais que requeiram grande remoção de CSI podem prever água gelada a temperaturas muito abaixo do TO; nesses casos, calhas coletoras de condensado são utilizadas.

b.2) Ativas VRA (vigas radiantes ativas): São VRPs com duto para a VAI, e fluxo de ar contrário provocando indução no ar quente da sala. São mais eficientes do que as VRP.

Limitações: colocados em grandes alturas podem provocar a indução na massa de ar que pode estar acima das fontes quentes, perdendo eficiência.

c) Tubos de material plástico transmissor de calor: malha constituída por tubos capilares de polietileno que recebem uma argamassa de gesso. Essas malhas provocam radiação em paredes, pisos, tetos de gesso, tetos metálicos ou outro material adequado. É uma solução

suscetível a danos, perfurações indevidas e acidentes.

d) Placas de gesso radiante com perfis metálicos: os perfis de alumínio, já com os tubos de cobre, são fixados na laje e nivelados a laser, recebem placas de gesso especial que suportam contrações pelo trabalho quente-frio. Estas placas são fixadas nos perfis através de grampos especiais. Sistema aplicado em São Paulo (o gesso foi exigido pelo proprietário), apresenta custo de implantação alto, pois todos os componentes foram importados.

Sistemas e produtos complementares

Sistema de produção de frio (CAG)

a) Convencional: resfriadores em paralelo com saída de água a 5oC ou 6°C para UTA’s e transformando a tea para ≥ 10°C antes da alimentação das ER’s.

b) Especial: UTAs e ERs necessitando tea diferentes pressupõem o uso de resfriadores dedicados em série ou paralelo. Avaliações devem ser feitas quanto a:

Intercambiabilidade dos resfriadores em caso de parada de um deles para manutenção; uso de resfriador reserva; bombas e prumadas dedicadas cada qual com dois tubos; preservação dos ERs quanto a sujidades.

Sistema de combate a incêndio

Alguns países já aplicam soluções com a combinação dos dois sistemas.

Sistema hidráulico e de automação.

Malha hidráulica: rede com no máximo 700 m2, contém um grupo de ERs ou TRs com um exclusivo controle da tea, com válvula PID e autoridade comprovada. Aplica-se a cada condômino de edifício de escritórios, monousuários, área de leitos hospitalares etc.

Nesta malha são inseridos sub ramais cada qual com válvula de duas vias, floating, para diferenciar temperatura nas diferentes salas. Estas V2V comandam a atuação dos inversores de frequência das bombas dedicadas para os ERs.

Sistema de distribuição de ar

A VAI deve ser constante e não variável. Para ambientes onde a CLI é variável (salas de reuniões, cafeterias, enfermarias, sala de repouso hospitalar) deve-se prever dispositivos de controle de latente variável para não prejudicar o resto do sistema.

Difusores: evitar o efeito Coanda pois a perda é de 3% a 5% da eficiência dos ERs.

Sistemas acústicos aplicados em TRs

Placas lisas provocam reverberação dos sons. Deve-se usar placas perfuradas com mantas absorvedoras sobre elas para obter o NRC requerido. Transmissão de ruídos ou conversas de uma sala para outra contígua podem ser eliminados com TR concebida em trabalho conjunto com engenheiros acústicos (case Petrobras Rio).

Fabricação dos TRs

As perfurações das placas devem apresentar áreas livres que não prejudiquem a rigidez da peça. Estas placas, em aço, devem ter espessura mínima de 0,7 mm para que não apresentem vincos quando do processo de industrialização. Em hospitais ou ambientes que necessitem processo severo de higienização as placas devem ser lisas, brancas e com arremates especiais nas suas junções.

Mangueiras para conexão das PAs em série

Tubos com elastômeros providos de engate rápido com anel de dupla vedação recapeados com malha de aço trançado para proteção mecânica ou de fagulhas e respingos de solda. O comprimento deve ser suficiente para, quando da basculação das TRs, permitir fácil acesso ao vão do entre forro sem haver desconexão e purga da água. Quando usados para aquecimento devem ser conforme DIN 4227/28/29, impermeabilidade ao oxigênio (Oxystop) não permitindo migração de bolhas de ar. Para resfriamento não necessitam ser Oxystop.

Operação DRY – UP

Pré-operação, meia hora antes do expediente para rebaixamento da TO. No RJ e SP encontra-se TO entre 16oC e 18°C pela manhã, antes da operação do sistema. A UTA, sozinha, tem dificuldade para obter a TO de projeto. A operação combinada com os ERs será mais eficiente porém deve-se controlar a condensação.

Proteção do sistema radiante quando instalado próximo a aberturas externas

Para evitar condensação nos ERs deve-se considerar duas plausíveis situações:

a) Acessos normais permitindo baixo fluxo de ar úmido (janelas basculantes, ou portas de dimensões normais, portas automáticas em aeroportos, shoppings e outros: usar cortinas com ar frio e seco, com fluxo de insuflação vertical.

b) Acessos com alto e constante fluxo de ar úmido (praças ou passeios cobertos que abriguem lojas, agências bancárias, revistarias, cafés etc.), com grandes aberturas para o ambiente externo (veículos com acesso por cancela). Como o ar seco é mais pesado que o ar úmido este trafega pelo alto, rente a tetos e lajes. Difusores de alta indução podem apresentar problemas de condensação nas suas partes metálicas: pode-se usar forro perfurado formando colchão de ar seco (Ventilated Chilled Radiant Ceiling).

Purgas na linha hidráulica devem ser feitam para a isenção de bolhas de ar, com verificações com Termovisor.

Em adequação de layouts apresentam menor retrabalho que VAVs ou VRFs: deve-se efetuar somente novas inserções de V2V (que tem bitolas pequenas e o serviço é rápido) em salas novas. Praticamente não há retrabalho nos dutos e TRs pois a VAI e TRs juntas estão bem distribuídas no ambiente (85% a 90% da área).

Manutenção e operação

Para rede hidráulica é praticamente inexistente pois a malha é fechada e não apresenta peças móveis. As UTAs são em tamanho e quantidades menores. A equipe de operação deve ser treinada na prática assim como deveria ser feito para qualquer sistema.

Alexandre Alberico
engenheiro formado pela FEI em 1976
a.alberico@uol.com.br

Projetos com participação direta do autor: Torre Pedroso I.T.Ohtake (SP-ano 2000), Torre F. Lima I.T.O. (SP-2001), Banco J. Safra -Casablanca (SP-2002), Hospital D. Pazzanese (SP-2003), EDISE 6°Pav Pb (RJ -2004), Ed.Sta Catarina (SP 2004), Inst. do Câncer (SP-2005), Ed.ICON (SP 2006), D.C. Heating & Cooling (SP-2007), EDISE -sub-solos Pb (RJ-2009), Mc Graw Hill TFL (SP-2014), BNDES-Prédio Anexo (RJ-2015)

Projetos com apoio do autor: Ed. Sede Pb Vitória (ES-2006), EDISE Pb 22 pavimentos (RJ-2014), Laboratório L’Oreal -Ilha do Fundão (RJ-2014)

Mais informações sobre radiação ou dúvidas e esclarecimentos:
http://doas-radiant.psu.edu/panels.html
http://doas-radiant.psu.edu/leed.html
http://doas.psu.edu/doas.html
http://doas-radiant.psu.edu/

Fonte: ABRAVA Climatização + Refrigeração – Edição Setembro 2016