Calculo da Carga Termica de Resfriamento Metodo RTS UFRGS - TCC

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CÁLCULO DA CARGA TÉRMICA DE RESFRIAMENTO UTILIZANDO O MÉTODO RTS por Eduardo Dewes Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Engenheiro Mecânico Porto Alegre dezembro de 2019 ii iii Eduardo Dewes CÁLCULO DA CARGA TÉRMICA DE RESFRIAMENTO UTILIZANDO O MÉTODO RTS ESTA MONOGRAFIA FOI JULGADA ADEQUADA COMO PARTE DOS REQUISITOS PARA A OBTENÇÃO DO TÍTULO DE ENGENHEIRO MECÂNICO APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELA BANCA EXAMINADORA DO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA Prof Mario Roland Sobczyk Sobrinho Coordenador do Curso de Engenharia Mecânica Área de Concentração Energia e Fenômenos de Transporte Orientador Prof Andrés Armando Mendiburu Zevallos Comissão de Avaliação Profa Adriane Prisco Petry Prof Paulo Smith Schneider Prof Volnei Borges Porto Alegre dezembro de 2019 iv Dewes Eduardo Cálculo da carga térmica de resfriamento utilizando o método RTS 2019 19p Monografia de Trabalho de Conclusão do Curso em Engenharia Mecânica Curso de Engenharia Mecânica Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto Alegre 2019 RESUMO O cálculo da carga térmica é essencial para o dimensionamento de sistemas de climatização precisos O conforto térmico proporcionado pelo sistema de climatização está diretamente relacionado juntamente com diversos outros benefícios com o rendimento das pessoas O presente trabalho tem como objetivo apresentar o cálculo da carga térmica de resfriamento do terceiro andar do Departamento de Engenharia Mecânica da UFRGS utilizando o método RTS Série Temporal de Radiação O método RTS é rigoroso ao mesmo tempo que não envolve cálculos iterativos e é derivado do método de Balanço de Calor A metodologia aplicada seguiu basicamente aquela descrita pela Sociedade Americana de Engenheiros de Aquecimento Refrigeração e Ar Condicionado ASHRAE Os dados de cálculo foram fornecidos pela própria universidade ou obtidos através de visitas no local As condições de conforto térmico seguiram as normas brasileiras O resultado teve um pico de carga térmica com um valor de 1618817 W correspondente a 5526861 BTUh ficando dentro da ordem de grandeza esperada PALAVRASCHAVE Carga térmica de resfriamento Método RTS Climatização v Dewes Eduardo Calculation of cooling thermal load using the RTS method 2019 19p Mechanical Engineering End of Course Monography Mechanical Engineering degree The Federal University of Rio Grande do Sul Porto Alegre 2019 ABSTRACT Thermal load calculation is essential for the design of accurate climate systems The thermal comfort provided by the climate control system is directly related along with several other benefits to peoples performance The present work aims to present the calculation of the cooling thermal load of the third floor of the Department of Mechanical Engineering of UFRGS using the RTS Radiation Time Series method The RTS method is rigorous while requiring no iterative calculations and is derived from the Heat Balance method The methodology applied followed basically that described by the American Society of Heating Refrigeration and Air Conditioning Engineers ASHRAE Calculation data were provided by the university itself or obtained through onsite visits The thermal comfort conditions followed the Brazilian norms The result had a thermal load peak with a value of 1618817 W corresponding to 5526861 BTU h within the expected order of magnitude KEYWORDS Cooling load RTS Method Climatization NOMENCLATURA Af área de frestas cm² Aj área de aberturas m² Ajn área da janela m² Asf área da superfície m² Ass área da seção de separação m² ab expoente de massa de ar para irradiação direta ad expoente de massa de ar para irradiação difusa AST hora solar aparente h C coeficiente de chaminé Ls²cm4C1 c0 c1 fatores da série temporal de condução DTR faixa de temperatura diária daily temperature range C Eb irradiância normal Wm² Ed irradiância difusa Wm² Eo irradiação solar extraterrestre Wm² ESC constante solar extraterrestre 1367 Wm² Wm² ET equação do tempo min Et total de radiação solar incidente na superfície Wm² Etb irradiância na superfície Wm² Etd irradiância difusa na superfície Wm² Etr irradiância refletida no solo Wm² f fração de DTR FE fator de umidade externo gwkgA FI fator de umidade interno gwkgA Fr fração do ganho de calor radiante H ângulo horário ho coeficiente de transferência de calor por radiação de ondas longas e por convecção na superfície externa Wm²K IACθΩ coeficiente de atenuação solar interna para o coeficiente de ganho de calor solar por irradiação direta IACD coeficiente de atenuação solar interna para coeficiente de ganho de calor solar por irradiação difusa L latitude do local LON longitude local LSM meridiano padrão local LST hora local padrão h m massa relativa do ar N número de ocupantes n dia do ano q taxa de transferência de calor W qb ganho de calor solar do feixe W qc ganho de calor na transmissão de enestração W qd ganho de calor solar difuso W QEL calor latente W QES calor sensível W Qic porção convectiva da carga de resfriamento sensível resultante do elemento de ganho de calor i W qic porção convectiva do ganho de calor do elemento de ganho de calor i W qil ganho de calor latente para o elemento de ganho de calor i W Qir porção radiante da carga de resfriamento sensível para a hora atual resultante do elemento de ganho de calor i W qis ganho de calor sensível do elemento de ganho de calor i W qiθ entrada de calor para a hora atual W qiθn entrada condutora de calor para a superfície n horas atrás W Ql carga latente de refrigeração da sala W ql ganho de calor latente do ocupante W qlper ganho de calor latente por pessoa Wpessoa Qrθ carga de resfriamento radiante Qr para a hora atual θ W qrθ ganho de calor radiante para a hora atual W qrθn ganho de calor radiante n horas atrás W Qs carga de refrigeração sensível do ambiente W qs ganho de calor sensível dos ocupantes W qsper ganho de calor sensível por pessoa Wpessoa qθ ganho de calor condutivo por hora para a superfície W Rf relação de área de frestas cm²m² r0 r1 fatores da série temporal de radiação SHGCθ coeficiente de ganho de calor solar em função do ângulo θ incidente tb temperatura média do ar no espaço adjacente C tEH temperatura externa horária C te temperatura solar C tI temperatura interna do ambiente condicionado C ti temperatura do ar no espaço condicionado C Tin temperatura interna C tmp temperatura máxima de projeto C to temperatura do ar exterior C Tout temperatura exterior C TZ fuso horário h U coeficiente global de transferência de calor Wm²K u velocidade do vento ms V vazão de ar exterior Ls W coeficiente de vento Ls²cm4ms2 Y relação de radiação difusa do céu na superfície vertical e radiação difusa do céu na superfície horizontal α absortividade da superfície β altitude solar γ diferença entre os azimutes solar e da superfície Δt diferença de temperatura entre o ambiente interno e o exterior C diferença entre a radiação de ondas longas incidente na superfície vindas do ΔR céu e arredores e a radiação emitida pelo corpo negro à temperatura do ar externo Wm² δ declinação solar ε emissividade hemisférica de superfície θ ângulo de incidência ρg refletividade do solo Σ ângulo de inclinação da superfície τb profundidade óptica do céu claro para irradiância direta τd profundidade óptica do céu claro para irradiância difusa ϕ azimute solar ψ azimute da superfície SHGCD coeficiente de ganho de calor por irradiação solar difusa ix SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 1 11 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 1 12 OBJETIVO 2 2 METODOLOGIA 2 21 DADOS METEOROLÓGICOS 2 22 IRRADIAÇÃO SOLAR NA SUPERFÍCIE E TEMPERATURAS SOLAR 3 23 GANHO DE CALOR EXTERNO 5 24 GANHO DE CALOR INTERNO 5 25 GANHO DE INFILTRAÇÃO E RENOVAÇÃO DE AR 6 26 CARGA INSTANTÂNEA DE RESFRIAMENTO DO AMBIENTE 6 3 DESCRIÇÃO DO AMBIENTE A SER CLIMATIZADO 7 4 DESCRIÇÃO DAS ATIVIDADES REALIZADAS NO AMBIENTE A SER CLIMATIZADO 8 5 CONDIÇÕES DE CONFORTO TÉRMICO 9 6 RESULTADOS E DISCUÇÕES 9 7 CONCLUSÕES 13 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 15 APÊNDICE I DIAGRAMA DE FLUXO MÉTODO RTS 17 APÊNDICE II RESULTADOS DETALHADOS DE TODO AMBIENTE 18 APÊNDICE III TEMPERATURAS SOLAR X TEMPERATURA DE CONFORTO 19 1 1 INTRODUÇÃO Aos poucos as pessoas estão passando mais tempo em locais fechados tanto em atividades de lazer quanto de estudo e trabalho Na escola e faculdade a condição de conforto térmico se tornou fundamental para o desempenho das atividades de estudo Isso porque o conforto do ambiente facilita a concentração e torna o estudo mais agradável Segundo Costa 1991 a carga térmica é definida como a quantidade de calor por unidade de tempo que deve ser fornecida ou retirada do ar a ser introduzido nos ambientes condicionados afim de que os mesmos se mantenham nas condições de conforto definidas O método das Séries Temporais de Radiação Radiant Time Series RTS é um método relativamente novo para o cálculo de carga térmica sendo derivado do método de Balanço de Calor e desenvolvido por necessidade de se ter um método rigoroso sem precisar de cálculos iterativos No RTS os fatores temporais de condução CTF e fatores temporais de radiação RTF possuem um significado físico visível pois quando plotados permitem a visualização dos efeitos de amortecimento e atraso dos ganhos de calor condutivos assim como a visualização da resposta da zona Com o método então é possível obter conhecimento sobre a física que envolve o local o que não é possível através de métodos simplificados que utilizam coeficientes de funções de transferência SPITLER 2014 11 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Em Seng 1999 foi discutida a implementação e validação da Série Temporal Radiante para cálculos de carga de resfriamento Foi utilizado um programa de computador para fazer os cálculos e as saídas foram avaliadas tomando como base o significado físico dos valores comparação com dados já publicados e a precisão em estado estacionário Os resultados foram satisfatórios Segundo Joudi e Hussien 2015 o método das Séries Temporais Radiantes pode ser usado para estimar com boa precisão a carga de resfriamento possuindo boa concordância entre a carga média de resfriamento teórica e a medida A diferença entre elas não excedeu o valor de 93 em seu experimento Em Cui e Chen 2009 foi desenvolvida uma etapa adicional para o método RTS que ajuda a aperfeiçoar o cálculo para o caso de ser um edifício comercial funcionando intermitentemente As cargas de resfriamento adicionais geradas foram de acordo com resultados de simulações no EnergyPlus Os resultados da análise também mostraram que as cargas de pico de resfriamento adicionais dependem em grande parte dos tipos orientações tamanhos das janelas e períodos de operação Em Huang et al 2015 utilizouse um piso em um estudo experimental sobre a carga de resfriamento calculada pelo método RTS O trabalho teve como base dados experimentais coletados em 24 horas Usando programas de computador para calcular os fatores da série temporal de radiação do piso a carga de resfriamento radiante foi calculada e comparada com os valores medidos Os resultados para as 5 condições experimentais mostram que o erro entre a carga de resfriamento radiante de pico e o valor calculado pelo método de séries temporais de radiação é inferior a 23 e o erro médio não é superior a 32 Em Costa 2010 foi analisado numericamente o efeito de três diferentes modelos de radiação solar na carga de resfriamento calculada pelo método de séries temporais de radiação O estudo paramétrico se concentrou no uso de três modelos diferentes de radiação solar difusividade térmica da parede espessura do vidro cor do vidro e revestimentos de proteção Os resultados mostram que os valores do componente direto da radiação solar para o modelo de céu claro são os maiores seguidos pelo modelo de céu anisotrópico e isotrópico Para o componente difuso a tendência é invertida com os maiores valores previstos pelo céu isotrópico seguidos pelo modelo de céu anisotrópico e de céu claro Os resultados dos três modelos solares para ganho de calor e carga de resfriamento mostram que o uso do modelo de céu claro projeta valores mais altos até 35 vezes maiores que os outros modelos para os valores de pico Para as paredes os resultados mostraram que as que tem difusividades térmicas mais altas resultam em valores de pico mais altos em relação ao ganho de calor Finalmente no que diz respeito aos parâmetros do vidro os resultados mostram que a carga de resfriamento é levemente afetada pela espessura mais afetada pela cor e fortemente afetada pela cobertura protetora No estudo de Boniface 2016 foi feita a comparação de vários métodos de cálculo da carga de resfriamento para climas equatoriais quente e úmido cálculo da carga de resfriamento adequada para o cálculo da carga de pico e análise de energia da carga de resfriamento implicação do sistema de ar condicionado de tamanho insuficiente e carga de resfriamento por metro quadrado para um edifício em relação a sua funcionalidade Em conclusão o método RTS é adequado para análise de energia em regiões com clima quente e úmido pois fornece perfil de carga de resfriamento predial preciso que ajudará os projetistas a selecionar o sistema adequado para atender às condições Em Sahu 2014 foi calculada a carga térmica de resfriamento de um prédio pelo método CLTD Cooling Load Temperature Difference O cálculo da carga no ambiente que tem área de 184239 m² foi de 16803 tons 5908313 W para uma estação de verão No caso de estudo de Yadav Tiwari e Rao 2016 foi calculada a carga de resfriamento para salas de aula do primeiro andar de um instituto de engenharia O resultado para o ambiente de área de 71954 m² deu 1691539 W de carga sensível e 604259 W de carga latente 12 OBJETIVO Este trabalho tem por objetivo realizar o cálculo da carga térmica de resfriamento das salas do terceiro andar do Departamento de Engenharia Mecânica da UFRGS utilizando o método RTS Mais especificamente o objetivo pode ser dividido nas seguintes etapas Analisar o método de uma maneira geral observando quais dados serão necessários Automatizar e esquematizar os cálculos necessários Obter dados específicos dos ambientes a serem climatizados através das plantas e de visitas aos mesmos Obter dados sobre o uso específico destinado aos ambientes Realizar os cálculos de carga térmica pelo método RTS para cada ambiente Analisar os resultados 2 METODOLOGIA Por envolver muitas equações a metodologia de cálculo utilizada neste trabalho é apresentada no diagrama de fluxo do Apêndice I O método completo está desenvolvido nos livros da ASHREA 2017 e Spitler 2014 A seguir é apresentada a metodologia de obtenção das principais variáveis do processo 21 DADOS METEOROLÓGICOS Os dados como temperatura máxima de projeto de cada mês latitude longitude τb τd TZ DTR e velocidade do vento podem ser encontrados no site da ASHRAE Climatic Design Conditions localizando a estação meteorológica de Porto Alegre Estes dados são importantes para o desenvolvimento dos cálculos ASHRAE CLIMATIC DESIGN CONDITIONS 22 IRRADIAÇÃO SOLAR NA SUPERFÍCIE E TEMPERATURAS SOLAR O cálculo da irradiação solar é uma etapa importante para calcular posteriormente a temperatura solar O primeiro passo para determinar a irradiação solar incidente sobre uma superfície é determinar os ângulos relevantes para o seu cálculo Primeiro se calcula a equação do tempo ET Obtendo a resposta para o dia do ano de projeto a ser considerado na Eq1 a equação do tempo é calculada com a Eq2 Γ 360 n1 365 ET 2291800075 01868 cosΓ 32077 sinΓ 14615 cos2Γ 4089 sin2Γ Para o cálculo da hora solar aparente o fator LSM é calculado multiplicando TZ por 15 considerar valores positivos para fuso negativo LST varia de 1 a 24 horas e LON é um dos dados meteorológicos Com o AST Eq3 o ângulo horário pode ser calculado Eq4 A declinação solar Eq5 é calculada com o dia do ano de projeto AST LST ET 60 LSM LON 15 H 15AST 12 δ 2345 sin 360 n 284 365 Com a latitude dos dados meteorológicos e com todos os dados encontrados anteriormente a altitude solar Eq6 o azimute solar Eq7 e o ângulo de incidência Eq8 podem ser calculados Por fim é calculada a diferença entre o azimute solar e da superfície Eq9 sin β cos L cos δ cos H sin L sin δ cos φ sin δ cos L cos δ sin L cos H cos β cos θ cos β cos γ sin Σ sin β cos Σ γ φ ψ Com os ângulos agora podem ser calculadas as irradiações solares Para o cálculo da radiação solar extraterrestre Eq10 precisase do dia do ano de projeto e a constante solar extraterrestre definida em Spitler 2014 p 310 como sendo 1367 Wm² Os expoentes ab Eq11 e ad Eq12 são calculados com os dados meteorológicos τb e τd A massa relativa do ar Eq13 é calculada com β já encontrado anteriormente Com todos estes dados a irradiância normal Eq14 e difusa Eq15 podem ser calculadas Eo Esc 1 0033 cos 360 n3 365 ab 1454 0406τb 0268τd 0021τbτd ad 0507 0205τb 0080τd 0190τbτd m 1 sin β 050572607995 β16364 Eb Eo eτb mab Ed Eo eτd mad A relação de radiação difusa do céu na superfície vertical e radiação difusa do céu na superfície horizontal Eq16 e Eq17 é escolhida para cada caso de cos θ abaixo Y 045 para cos θ 020 Y 055 0437 cos θ 0313 cos² θ para cos θ 020 A irradiação na superfície Eq18 a irradiação difusa na superfície Eq19 e a irradiação refletida no solo Eq20 agora são calculadas com os dados anteriores Fazendo a soma das irradiações temos a irradiação total na superfície Eq21 A refletividade do solo ρg pode ser encontrada em Spitler 2014 p 312 Etb Eb cos θ Etd Ed Y Etr Eb sin β Ed ρg 1 cos Σ 2 Et Etb Etd Etr A temperatura do ar exterior Eq22 é encontrada utilizando a temperatura máxima de projeto e o DTR dos dados meteorológicos O fator f aplicado em cada hora é encontrado em Spitler 2014 p84 to tmp DTR f Por fim a temperatura solar que é definida por Spitler 2014 como sendo a temperatura que fornece aproximadamente o mesmo fluxo de calor para a superfície que os efeitos combinados da radiação solar convecção e radiação para os arredores é dada na Eq23 te to αEt h0 εΔR h0 O parâmetro α h0 pode ser estimado como sendo 0026 m²KW para superfícies claras e 0052 m²KW para superfícies escuras ASHRAE 2017 pp18241825 Já o parâmetro εΔRho pode ser estimado em 4C para superfícies horizontais e 0C para verticais SPITLER 2014 p314 23 GANHO DE CALOR EXTERNO Transmissão de Parede e Telhado O ganho de calor por condução é calculado para cada tipo de parede e telhado com o uso de uma série temporal de condução CTS Os 24 coeficientes da CTS são fatores de resposta periódicos denominados fatores de séries temporais de condução CTFs A formulação a seguir fornece uma solução de série temporal ao problema de transferência de calor condutivo transiente periódico e unidimensional SPITLER 2014 Os valores de CTFs e U podem ser encontrados em ASHRAE 2017 pp18261836 Com as temperaturas externas e internas já definidas o ganho de calor por condução por hora pode ser calculado com a Eq24 e Eq25 qθ c0 qiθ c1 qiθ1 c2 qiθ2 c23 qiθ23 24 qiθ n UAsfteθn trc 25 Fenestração A fenestração por exemplo janelas e clarabóias permite ganhos de calor via radiação solar transmitida radiação solar absorvida e condução As frações de fluxo interno da radiação solar absorvida e da condução fornecem uma aproximação razoável quando calculadas separadamente SPITLER 2014 Os ganhos de calor são calculados pela Eq26 Eq27 e Eq28 Para o ganho de calor devido à transmissão o fator U pode ser encontrado em ASHRAE 2017 pp1591510 Os coeficientes SHGCθ e SHGC D são encontrados em ASHRAE 2017 pp15221529 Por último os coeficientes IACθΩ e IACD são encontrados em ASHRAE 2017 pp15391552 No caso das janelas não possuírem dispositivo de sombreamento interno ambos são iguais a 1 qc UAjnTout Tin 26 qb Ajn Etb SHGCθIACθΩ 27 qd AjnEtd Etr SHGC D IACD 28 Transmissão de Divisórias Tetos e Pisos Quando um espaço condicionado for adjacente a um espaço com uma temperatura diferente o ganho de calor através da separação física deve ser considerado aplicando a Eq29 q UASStb ti 29 24 GANHO DE CALOR INTERNO Ocupantes O ganho de calor dos seres humanos tem dois componentes sensível e latente sendo que as quantidades totais e relativas de calor sensível e latente variam dependendo do nível de atividade SPITLER 2014 Os dados de ganho de calor sensível Eq30 e latente Eq31 por pessoa são encontrados tabelados em Spitler 2014 p118 qS qsper N 30 ql qlper N 31 Iluminação e Equipamentos de Escritório Para a iluminação é necessário consultar o ganho de calor da iluminação por metro quadrado e para os equipamentos é preciso consultar quais são os ganhos de calor de cada aparelho Em Spitler 2014 pp120123 podese obter os valores do ganho de calor da iluminação e em Spitler 2014 pp127134 os ganhos de equipamentos de escritório 25 GANHO DE INFILTRAÇÃO E RENOVAÇÃO DE AR Para a renovação de ar é necessário determinar a vazão de ar exterior necessária para proporcionar a qualidade de ar interior O valor de concentração de CO₂ não deve ultrapassar o limite de 1000 ppm ANVISA 2003 Em Beyer p48 pode ser escolhida a vazão de ar exterior necessária em relação ao nível de atividade que as pessoas estão executando no ambiente Já para a infiltração em Beyer podese encontrar a sequência de equações a seguir Rf encontrado em Beyer p51 C e W em Beyer p52 e u dos dados meteorológicos Existem metodologias mais exatas para determinar a vazão de ar de infiltração para facilitar foi considerada a de Beyer por ser mais simples A Eq32 calcula a área das frestas e a Eq33 a vazão de ar exterior Af Aj x Rf 32 V AfCΔt Wu²12 33 Com as vazões as cargas térmicas podem ser determinadas Para a Eq34 todos os valores já foram definidos anteriormente Para a Eq35 o FE é pego na carta psicrométrica com os valores das condições externas de projeto e o FI com as condições internas de conforto QES 12 V to tI 34 QEL 30 V FE FI 35 26 CARGA INSTANTÂNEA DE RESFRIAMENTO DO AMBIENTE No método RTS o ganho de calor latente se torna instantaneamente uma carga de resfriamento enquanto o ganho de calor sensível é parcialmente atrasado No caso do calor sensível os ganhos de calor condutivo e os ganhos de calor internos são divididos em porções radiantes Eq38 Eq39 e Eq40 e convectivas Eq36 e Eq37 Todos os dados de convecção são instantaneamente convertidos em cargas de resfriamento e somados para obter a fração da carga de resfriamento por hora total causada por convecção Os ganhos de calor radiante de condução fontes internas e transmissão solar são operados pelo método RTS para determinar a fração do ganho de calor que será convertida em uma carga de resfriamento nas horas atuais e subsequentes Essas cargas de resfriamento são adicionadas às porções convectivas calculadas anteriormente na hora apropriada para obter a carga de resfriamento por hora total de calor sensível SPITLER 2014 Para obter Fr precisa consultar ASHRAE 2017 p1824 que indica os valores principais de cada caso Para os fatores da série temporal de radiação dados em ASHRAE 2017 p1838 eles podem ser encontrados para o caso de valores não solares e solares Porção Convectiva de Carga de Resfriamento Sensível Qic qic 36 qic qis1 Fr 37 Porção Radiante de Carga de Resfriamento Sensível Qir Qrθ 38 Qrθ r0 qrθ r1 qrθ1 r2 qrθ2 r3 qrθ3 r23 qrθ23 39 qrθ qis Fr 40 Por fim fazendo o somatório de todos os casos é encontrada a carga térmica de resfriamento sensível Eq41 e latente Eq42 do ambiente Podendo ser somadas para ter a carga térmica total Qs ΣQir ΣQic 41 Ql Σqil 42 3 DESCRIÇÃO DO AMBIENTE A SER CLIMATIZADO O DEMEC Departamento de Engenharia Mecânica da UFRGS foi criado em 1896 Está localizado na cidade de Porto Alegre no estado do Rio Grande do Sul na latitude 300329 e longitude 512212 O clima da região é subtropical úmido tendo como característica uma grande variabilidade de temperatura durante o ano O verão na região é entre dezembro e março atingindo temperaturas máximas médias em janeiro e fevereiro O inverno é entre junho e setembro com temperaturas mínimas médias entre junho e julho INMET 2018 O terceiro andar do prédio local escolhido para o cálculo da carga térmica é constituído basicamente de salas de professores salas de aula de graduação e pósgraduação A área as janelas e o formato de cada sala variam sendo necessária uma análise individual para cara ambiente A área total do andar é em torno de 1000 m² contando com banheiros e corredores Contando apenas os ambientes a serem climatizados somam 680 m² Em relação à orientação do prédio as paredes laterais têm um azimute aproximado de 30 e 210 e as paredes frontais e traseiras 120 e 300 respectivamente A Figura 31 mostra o posicionamento geográfico do departamento e a Figura 32 o terceiro andar do prédio com o número das salas que foi feito o projeto 8 Figura 31 Prédio com rosa dos ventos mostrando a orientação em relação ao norte Fonte Google Maps Figura 32 Terceiro andar do prédio com o número das salas que foi feito o projeto 4 DESCRIÇÃO DAS ATIVIDADES REALIZADAS NO AMBIENTE A SER CLIMATIZADO As salas dos professores são onde os professores executam os trabalhos de escritório normalmente com um computador e atendem aos alunos Já as salas de aula de graduação e pós graduação executam atividades comuns de sala de aula com o professor ministrando a aula na frente e os alunos que estão sentados em suas carteiras As salas de aula normalmente possuem um computador e um projetor algumas delas também possuem vários computadores para os alunos N 9 5 CONDIÇÕES DE CONFORTO TÉRMICO Segundo a norma NBR 164012 os parâmetros ambientais que afetam o conforto térmico são a temperatura operativa a velocidade do ar e a umidade relativa do ar Os valores destes parâmetros dependem de fatores pessoais como o tipo de roupa usada pela pessoa expressa em clo 1 clo 0155 m²KW e o nível de atividade física da pessoa expressa em met 1 met 582 Wm² admitindo superfície média da pessoa com 18 m² ABNT 2008 A norma NBR 164012 também define o intervalo de temperatura umidade relativa e velocidade para pessoas usando roupa típica de cada estação e considerando atividade sedentária ou leve 10 a 12 met A região delimitada para o verão 05 clo fica entre 225C a 255C com umidade relativa de 65 e 230C a 260C com umidade relativa de 35 Já no inverno 09 clo a região fica entre 210C a 235C com umidade relativa de 60 e 215C a 240C com umidade relativa de 30 No verão a velocidade média do ar não deve ultrapassar 020 ms para distribuição convencional e 025 ms para distribuição de ar por sistema de fluxo de deslocamento No inverno a velocidade média do ar não deve ultrapassar 015 ms para distribuição convencional e 020 ms para distribuição de ar por sistema de fluxo de deslocamento ABNT 2008 Para fins de projeto será levado em consideração o centro das zonas de conforto No inverno 220C de temperatura operativa com 50 de umidade relativa e no verão que é o caso deste trabalho dia 2101 250C de temperatura operativa com 45 de umidade relativa 6 RESULTADOS E DISCUÇÕES Os gráficos das Figuras 61 62 63 e 64 mostram os resultados de cada ambiente Dependendo da posição da janela que tem um grande peso na carga térmica os picos ficaram mais deslocados para o período correspondente ao horário de maior incidência de sol na janela Podese perceber que as salas cujas janelas estão voltadas pra leste tiveram o pico em torno das 13 horas e as salas que possuem janelas voltadas para oeste o pico ficou em torno das 16 horas A maioria das salas de aula 302 a 310 tem áreas aproximadamente iguais o que causou a diferença grande entre algumas delas foi o número máximo de alunos por sala Vale destacar que a sala 302 que tem a maior área inclusive de janelas tem também a capacidade máxima de alunos maior o que causou um aumento considerável de carga térmica em relação às outras Por fim as salas dos professores 311 a 319 tiveram cargas aproximadamente iguais entre elas As cargas das salas dos professores foram também mais reduzidas em relação às salas de aula justamente por conta do número reduzido de pessoas A Figura 65 é a soma de todos os ambientes o gráfico mostra que o pico teve maior peso para o horário das 13 horas já que a maioria das salas tem janelas para leste Os resultados no Apêndice II mostram que além das janelas o ar de renovação é outro elemento de grande peso para a carga térmica as salas de aula com um grande número de alunos podem ter sua concentração de CO2 bem elevada e é necessário manter a qualidade de ar para essas pessoas O ar de renovação diferente das janelas acaba aumentando a carga no período inteiro de aula sem tantas variações Vale destacar também a influência das próprias pessoas na carga do ambiente salas de aula muito lotadas podem causar um aumento na carga térmica considerável Equipamentos iluminação e tetotelhado pode se dizer que tiveram ganhos intermediários comparado com as outras fontes Paredes internas piso portas e ar de infiltração mostraram ter pouco impacto na carga térmica total Porém mesmo elementos de pouco impacto são importantes pois somados podem fazer diferença no cálculo total da carga Os resultados detalhados do somatório de todo ambiente são apresentados na Tabela do Apêndice II 10 Nas primeiras etapas do trabalho o método RTS foi analisado e validado através do desenvolvimento dos exemplos apresentados em ASHRAE 2017 Com o desenvolvimento destes exemplos parte dos cálculos puderam ser automatizados no Microsoft Office Excel O momento que acabou ocasionando um pouco de dificuldade durante o procedimento foi em relação à mudança do hemisfério norte para o sul durante o cálculo de irradiação solar já que em ASHRAE 2017 aborda apenas exemplos de ambientes situados no hemisfério norte A mudança de hemisfério acaba ocasionando mudanças no cálculo e alterações em algumas equações Como por exemplo o azimute que no hemisfério norte pela manhã é negativo e no hemisfério sul é positivo tendo assim uma equação para o hemisfério sul um pouco diferente Porém com pesquisas na ASHRAE 2017 sobre estes detalhes e analisando bem os resultados com a ajuda do orientador foi possível ter certeza de que os resultados estavam corretos Durante a obtenção dos dados não se teve problemas o número máximo de pessoas por sala foi fornecido pelo Departamento de Engenharia Mecânica As plantas do local em formato dwg foram fornecidas pela SUINFRA Superintendência de Infraestrutura UFRGS Nas plantas foi possível obter a maioria das medidas e algumas informações do prédio Em visitas no local foram analisados detalhes como os tipos de vidro cortinas equipamentos entre outros Em relação aos resultados finais obtidos o pico da carga ficou em torno das 13 horas com um calor sensível de 984827 W e latente de 633991 W somando 1618817 W 5526861 BTUh Normalmente a carga térmica máxima fica em torno das 15 horas Uma explicação para ter dado o pico antes como já foi dito é que as janelas tem um grande peso na carga térmica Como elas estão em maior número voltadas para leste acaba deslocando o pico da carga para o período da manhã O resultado final ficou dentro da ordem de grandeza esperada comparado com trabalhos similares No caso de estudo de Yadav Tiwari e Rao 2016 para uma área de 71954 m² foi encontrada uma carga térmica de 2295799 W o local do projeto também se trata de um instituto de engenharia No caso deste trabalho a área climatizada de 68000 m² do 3 andar do departamento de engenharia gera uma carga de 1618817 W Considerando ainda que existem diversos fatores além da área os valores estão na ordem esperada Durante o procedimento de cálculo os valores também foram coerentes Figura 61 Carga Térmica Sala 302 e 303 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 302 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 303 Total Latente Sensível 11 Figura 62 Carga Térmica Sala 304 a 309 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 304 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 305 Total Latente Sensível 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 306 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 307 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 308 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 309 12 Figura 63 Carga Térmica Sala 310 a 316 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 310 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 311 Total Latente Sensível 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 312 314 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 313 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 315 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 316 13 Figura 64 Carga Térmica Sala 317 a 319 Figura 65 Carga Térmica Todas as Salas O Apêndice III mostra uma comparação entre as temperaturas solar de superfícies de azimutes diferentes comparadas com a temperatura de conforto No gráfico fica evidente que por estar em uma época de verão boa parte do dia a temperatura excede a de conforto e o curto período de tempo que fica um pouco abaixo o aquecimento por radiação das horas subsequentes torna a carga final positiva Isso explica porque as cargas térmicas da parede externa e teto são positivas durante as 24 horas por dia 7 CONCLUSÕES Tendo em vista os aspectos observados o objetivo principal do trabalho de fazer o cálculo da carga térmica do terceiro andar do Departamento de Engenharia Mecânica pelo método RTS foi realizado com êxito O pico de carga térmica ficou em torno de 1618817 W 5526861 BTUh sendo o resultado coerente com outros trabalhos de características parecidas Os resultados durante o desenvolvimento dos cálculos também se mostraram coerentes 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 317 319 1000 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 Carga Térmica W Hora Sala 318 Total Latente Sensível 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Carga Térmica W Hora Todas as Salas Total Latente Sensível 14 O método RTS é um método que possui diversas etapas de cálculo levando a ser um procedimento demorado em um primeiro contato Porém com a automatização dos cálculos principais ele acaba se tornando mais fluido principalmente em casos em que é necessário executar o cálculo de ambientes similares Para a obtenção de dados não se teve problemas a maioria das medidas foram obtidas das plantas do local fornecidas pela UFRGS Já dados como o número de ocupantes por sala e detalhes de cada sala foram fornecidos pela secretaria do departamento e obtidos através de visitas no local Como sugestão para trabalhos posteriores é recomendado fazer o cálculo utilizando o método RTS para outros ambientes como os industriais com um número maior de equipamentos ou comerciais com maior fluxo de pessoas para testar o método em ambientes de diferentes características Sugerese também comparar o método RTS com outros métodos disponíveis para realizar o cálculo da carga térmica tais como o CLTD Cooling Load Temperature Difference ou outros métodos derivados do método de Balanço Térmico 15 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANVISA Resolução RE n 9 de 16 de janeiro de 2003 2003 ASHRAE ASHRAE Handbook Fundamentals Atlanta 2017 ASHRAE CLIMATIC DESIGN CONDITIONS Porto Alegre INTL Brazil WMO 839710 2017 Disponível em httpashraemeteoinfoindexphp Acesso em 7 de agosto de 2019 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT NBR 164012 Instalações de arcondicionado Sistemas centrais e unitários Parte 2 Parâmetros de conforto térmico Rio de Janeiro 2008 BEYER P O Climatização e Refrigeração Apostila da disciplina de Climatização II do curso de Engenharia Mecânica da UFRGS BONIFACE C J A Study on Radiant Times Series RTS Based Method for Calculating Cooling Load in Equatorial Climates Universiti Malaysia Sarawak 2016 COSTA A M S Cooling Load Calculation by the Radiant Time Series Method Effect of Solar Radiation Models Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering Uberlândia MG Brasil 2010 COSTA E C Física Aplicada à Construção Conforto Térmico Blucher 4ª edição 1991 CUI M CHEN T A Revised Radiant Time Series RTS Method for Intermittent Cooling Load Calculation The Hong Kong Polytechnic University Hong Kong China 2009 GOOGLE MAPS UFRGS Departamento de Engenharia Mecânica Disponível em httpswwwgooglecommapsplaceUFRGS DepartamentodeEngenhariaMecC3A2nica300329958512214895367m Acesso em 6 de agosto de 2019 HUANG C et al Experimental Study on the Radiant Cooling Load of Floor Based on the Radiant Time Series Method University of Shanghai for Science and Technology Shanghai China 2015 INMET Normais Climatológicas do Brasil 19812010 Brasília DF 2018 JOUDI K A HUSSIEN A N 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para cada superfície Calcular as temperaturas solar de cada hora para cada superfície externa Usando as séries temporais de condução da parede e telhado calcular o ganho de calor condutivo de cada hora para cada parede e telhado Calcular o ganho de calor solar transmitido de cada hora para cada janela Calcular o ganho de calor condutivo de cada hora para cada janela Calcular o ganho de calor difuso de cada hora para cada janela Determinar o ganho de calor de iluminação Determinar o ganho de calor das pessoas Determinar o ganho de calor dos equipamentos Dividir todos os ganhos de calor em porçõe s radiant es e convect ivas Determinar os ganhos de calor de infiltração e ar de renovação Somar todas as partes convectivas de cada hora Determinar o ganho de calor de paredes e portas internas teto e piso Carga horária de resfriamento Processar todos os ganhos de calor radiante como séries temporais radiantes solar ou não solar condução iluminação pessoas equipamentos O resultado são cargas horárias de resfriamento devido aos ganhos de calor radiante Determinar os ganhos de calor latente das pessoas infiltração e ar de renovação 18 APÊNDICE II RESULTADOS DETALHADOS DE TODO AMBIENTE Qs W Ql W LST Ilumin Pessoas Equip Infilt Ar de R Piso Teto Par Ext Par Int Janelas Porta LST Pessoas Infilt Ar de R 1 27880 82002 1944 163 00 6135 20683 13088 3431 67289 45 1 00 528 00 2 26330 77450 1834 199 00 6135 17021 10948 4031 62260 179 2 00 564 00 3 24783 72893 1734 228 00 6135 13829 8998 4521 58685 295 3 00 596 00 4 23749 69858 1661 258 00 6135 11060 7247 5006 54229 391 4 00 627 00 5 22715 66821 1588 279 00 6135 8664 5691 5375 46779 471 5 00 646 00 6 21684 63786 1514 258 00 6135 6593 4319 5277 80903 508 6 00 627 00 7 69392 199555 34428 190 117810 6135 4908 3172 4579 229301 456 7 168300 564 350064 8 72489 208660 34648 54 60588 6135 4257 2522 2681 362413 227 8 168300 325 363528 9 74038 213219 34743 04 3366 6135 5772 2919 458 452112 107 9 168300 429 390456 10 75074 216255 34816 105 60588 6135 10049 4579 1613 495099 500 10 168300 699 403920 11 76102 219292 34890 238 111078 6135 16802 7193 3511 494685 894 11 168300 922 430848 12 76621 220809 34926 344 144738 6135 25241 10274 4859 464002 1232 12 168300 1071 451044 13 77138 222327 34963 437 171666 6135 34347 13304 5982 416984 1544 13 168300 1183 464508 14 77651 223842 34999 499 188496 6135 43073 15907 6763 359167 2035 14 168300 1230 464508 15 78169 225367 35036 499 188496 6135 50469 18003 6957 309467 2630 15 168300 1230 464508 16 78684 226885 35073 425 168300 6135 55749 19683 6433 276036 3142 16 168300 1156 457776 17 79198 228402 35109 332 141372 6135 58334 21011 5616 248558 3430 17 168300 1045 444312 18 79715 229920 35146 228 107712 6135 57941 21988 4520 217534 3411 18 168300 883 417384 19 80231 231439 35183 97 57222 6135 54679 22559 2801 168536 2954 19 168300 698 410652 20 80748 232957 35219 27 20196 6135 49049 22522 1474 131171 2105 20 168300 523 397188 21 81264 234475 35256 09 10098 6135 42240 21632 359 113384 1257 21 168300 334 376992 22 81782 235993 35293 17 40392 6135 35649 19917 765 97965 697 22 168300 154 376992 23 33554 98704 2347 61 00 6135 29870 17719 1679 85774 370 23 00 346 00 24 29945 88074 2091 112 00 6135 24923 15378 2611 75338 126 24 00 449 00 LST Qst W Qlt W Qt W 1 215382 528 215910 2 197568 564 198132 3 182014 596 182610 4 168283 627 168910 5 152267 646 152914 6 178891 627 179517 7 423855 518928 942783 8 627573 532153 1159726 9 791957 559185 1351142 10 904812 572919 1477731 11 970819 600070 1570889 12 989180 620415 1609595 13 984827 633991 1618817 14 958567 634038 1592604 15 921227 634038 1555265 16 876544 627232 1503776 17 827497 613657 1441154 18 764251 586567 1350818 19 661837 579650 1241487 20 581603 566011 1147614 21 525895 545626 1071520 22 472257 545446 1017703 23 272733 346 273079 24 239287 449 239736 19 APÊNDICE III TEMPERATURAS SOLAR X TEMPERATURA DE CONFORTO 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Temperatura C Hora Temperaturas SolAr x Temperatura de Conforto Te ψ30 Te ψ120 Te ψ210 Te ψ300 Temperatura de Conforto