Calculo Simplificado Carga Termica Edificacoes Python Engenharia Mecanica

INOVAÇÃO TECNOLÓGICA Os novos rumos da Engenharia Mecânica e Industrial INOVAÇÃO TECNOLÓGICA Os novos rumos da Engenharia Mecânica e Industrial Anais do XXII CONEMI Congresso Internacional de Engenharia Mecânica e Industrial CÁLCULO SIMPLIFICADO DE CARGA TÉRMICA EM EDIFICAÇÕES Daniele Marques Ferreira 1 danieleferreira075gmailcom Tiago de Freitas Paulino 12 tiagopaulinocefetmgbr Willian Moreira Duarte3 willianmoreiraduartegmailcom Alex Henrique Coutinho Santos2 alexhcsantosgmailcom Paulo Eduardo Lopes Barbieri 2 barbiericefetmgbr 1 Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Departamento de Engenharia de Materiais 2 Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais Programa de Pósgraduação em Engenharia Mecânica 3 Universidade Federal de Minas Gerais Programa de Pósgraduação em Engenharia Mecânica RESUMO Para o bom uso do sistema de ar condicionado é necessário o adequado dimensionamento da carga térmica A carga térmica taxa de transferência de calor a ser removida do ambiente climatizado depende de diversos fatores como as dimensões do ambiente número de pessoas presentes condições climáticas entre outros Esse cálculo pode ser realizado em softwares comerciais gratuitos ou licenciados Neste trabalho buscouse aperfeiçoar uma metodologia utilizando a linguagem de programação Python realizandose o cálculo para dois ambientes localizados em três diferentes cidades Os cálculos foram baseados nas normas ABNT NBR 15220 e ABNT NBR 16401 Para efeito comparativo utilizouse o software comercial Block Load Observouse que o perfil de carga térmica mensal para ambos os ambientes obtidos pelo Python e Block Load apresentaram linha de tendencia similar No que se refere a carga térmica máxima considerando uma variação de 20 ocorreu uma adequação de 67 dos pontos para o ambiente 1 e 78 para o ambiente 2 PALAVRASCHAVE Cálculo de carga térmica Simulação Sistema de refrigeração SIMPLIFIED CALCULATION OF COOLING CAPACITY IN BUILDINGS ABSTRACT The proper use of air conditioning system requires cooling capacity calculation due to thermal load The cooling capacity heat transfer rate to be removed from the environment depends on several factors such as size of environment number of people on it weather conditions among others This calculation can be performed on free or licensed commercial software In this work we sought to improve a methodology using the Python programming language performing the calculation for two environments located in three different cities The calculations were based on ABNT NBR 15220 and ABNT NBR 16401 standards For comparative purposes the commercial software Block Load was used It was observed that the cooling capacity for both environments obtained by Python and Block Load showed a similar trend line Regarding the maximum cooling capacity considering a variation of 20 there was an adequacy of 67 of the analyzed points for environment 1 and 78 for environment 2 KEYWORDS Calculation of cooling capacity Simulation Refrigeration system DECLARAÇÃO DE RESPONSABILIDADE Os autores são os únicos responsáveis por este trabalho INOVAÇÃO TECNOLÓGICA Os novos rumos da Engenharia Mecânica e Industrial Anais do XXII CONEMI Congresso Internacional de Engenharia Mecânica e Industrial 2 de 13 1 INTRODUÇÃO Estar em um ambiente bem climatizado é uma das preocupações do homem Antigamente em períodos de frio intenso o fogo era utilizado para o aquecimento Porém quando o problema era o calor excessivo não havia meios de resfriar o local A primeira máquina de climatização de ambiente foi criada pelo engenheiro Wills Carrier em 1902 que tinha como objetivo reduzir a umidade do ambiente e funcionava pelo princípio da retirada de calor do interior de um local e levandoo para o ambiente externo Atualmente esse processo foi aperfeiçoado Os sistemas de ar condicionado atuais são mais rápidos gastam menos energia e são mais silenciosos TÔRRES 2019 O ar condicionado nada mais é que um sistema com o objetivo proporcionar conforto térmico a pessoas ou obter condições climáticas especiais exigidas por equipamentos ou processos em um ambiente fechado O condicionamento do ar é o tratamento do ar que controla temperatura do ar humidade distribuição e pureza Seu funcionamento consiste na troca de temperatura do ar ambiente que passa pela serpentina do evaporador neste contato tem sua temperatura modificada podendo ter queda ou aumento de acordo com ciclo utilizado reduzindo a umidade relativa do ar ARAUJO 2011 Para dimensionamento do sistema de refrigeração é essencial realizar o cálculo de carga térmica e para isso levase em conta diversos fatores como orientação da edificação ganhos e perdas térmicas a ventilação e insolação STORTI 2015 A carga térmica corresponde tanto ao calor sensível quanto ao calor latente que deve ser retirado do ambiente Calor sensível é a energia térmica retirada ou acrescentada de um ambiente em função da diferença de temperatura entre os meios podendo ser produzida por condução convecção e radiação Calor latente é o calor presente na mudança de estado de uma substância sem alteração em sua temperatura PENA2002 STORTI 2015 Geralmente esse cálculo é realizado em softwares comerciais gratuitos ou licenciados Como resultado do cálculo o sistema de ar condicionado é escolhido para atender a condição crítica de verão Ocorre porém que em alguns trabalhos de pesquisa fazse necessário o conhecimento da carga térmica a ser removida do ambiente em cada hora do ano e esta informação precisa estar disponibilizada na ferramenta de modelagem do sistema de refrigeração Para atender a esse requisito neste trabalho a carga térmica de resfriamento foi calculada usando as normas ABNT NBR 15220 e ABNT NBR 16401 como referências O cálculo foi desenvolvido em linguagem de INOVAÇÃO TECNOLÓGICA Os novos rumos da Engenharia Mecânica e Industrial Anais do XXII CONEMI Congresso Internacional de Engenharia Mecânica e Industrial 3 de 13 programação Python O modelo calculou a carga térmica para dois diferentes ambientes ambiente 1 e ambiente 2 cada um localizado em três cidades do Brasil BelémPA Porto AlegreRS e São PauloSP 2 MATERIAIS E MÉTODOS O cálculo da carga térmica foi desenvolvido tendo como base as normas ABNT NBR 15220 e ABNT NBR 16401 e já havia sido previamente apresentado Duarte et al 2020a Duarte et al 2020b As áreas do ambiente foram obtidas pelas Equações 1 2 e 3 A Equação 1 apresenta o cálculo da área de parede APa em metros quadrados m² nela L representa a largura m e C o comprimento m A Equação 2 apresenta o cálculo da área do teto AT em metros quadrados m² e por fim pela Equação 3 obtémse a área do piso APi em metros quadrados m² 𝐴𝑃𝑎 2 𝐿 𝐶 1 𝐴𝑇 𝐿 𝐶 2 𝐴𝑃𝑖 𝐿 𝐶 3 O cálculo do calor gerado por pessoas 𝑄pes em Watts é obtido pela Equação 4 onde N é o número de pessoas e F a energia gerada por pessoa 𝑄pes 𝑁 𝐹 4 A Equação 5 fornece o calor gerado pela iluminação 𝑄𝑖𝑙𝑢 em Watts Nela Ilu representa a carga térmica gerada pela iluminação por metro quadrado de edificação 𝑄𝑖𝑙𝑢 𝐼𝑙𝑢 𝐿 𝐶 5 A carga térmica imputada pelo sol 𝑄𝑠𝑜𝑙 em Watts é obtida pela Equação 6 onde FSC e FSP são o fator solar de cobertura e da parede respectivamente I representa a radiação solar horária e foi obtida no site do INMET Por fim a variável horário representa o horário real no qual a radiação INOVAÇÃO TECNOLÓGICA Os novos rumos da Engenharia Mecânica e Industrial Anais do XXII CONEMI Congresso Internacional de Engenharia Mecânica e Industrial 4 de 13 solar alcançou a edificação e a variável 𝜑 representa o atraso demandado para que a radiação produza efeito na carga térmica atraso térmico 𝑄𝑠𝑜𝑙 𝐹𝑠𝑐 𝐴𝑇 𝐹𝑠𝑝 𝐴𝑃𝑎 𝐼ℎ𝑜𝑟á𝑟𝑖𝑜 𝜑 6 A Equação 7 apresenta o cálculo de carga térmica devida à taxa de renovação de ar 𝑄𝑟𝑎 em Watts O fator de renovação de ar por pessoa m³spessoa e por área m³sm² são representados por Fa e Fp respectivamente Quanto às propriedades do ar a massa específica kgm³ é representada por 𝜌𝑎𝑟 e a entalpia Jkg no ambiente externo e interno por iarext e iarint respectivamente Para obtenção das propriedades do ar o CoolProp é linkado ao Python 𝑄𝑟𝑎 𝜌𝑎𝑟𝐹𝑝 𝑁 𝐹𝑎 𝐴𝑃𝑎 𝑖𝑎𝑟𝑒𝑥𝑡 𝑖𝑎𝑟𝑖𝑛𝑡 7 A transferência de calor por condução 𝑄𝑝𝑡 em Watts é obtida a partir da Equação 8 As taxas de transferência de calor Wm²K pelas paredes piso e teto são representadas por UPa UPi e UT respectivamente As temperaturas do ar nos ambientes K externo e interno por Tarext e Tarint Os dados climáticos referentes à temperatura externa foram obtidos no site do INMET 𝑄𝑝𝑡 𝑈𝑃𝑎 𝐴𝑃𝑎 𝑈𝑃𝑖 𝐴𝑃𝑖 𝑈𝑇 𝐴𝑇 𝑇𝑎𝑟𝑒𝑥𝑡 𝑇𝑎𝑟𝑖𝑛𝑡 8 Por fim a carga térmica horária 𝑄𝑒 em Watts é obtida pela Equação 9 Nela 𝑄ele em Watts representa a taxa de transferência de calor por equipamentos 𝑄𝑒 𝑄pes 𝑄𝑖𝑙𝑢 𝑄𝑠𝑜𝑙 𝑄𝑟𝑎 𝑄𝑝𝑡 𝑄ele 9 Os dados de entrada gerais para o cálculo da carga térmica estão apresentados na Tabela 1 Dados específicos do Ambiente 1 seguem apresentados na Tabela 2 enquanto dados específicos do Ambiente 2 estão apresentados na Tabela 3 De forma complementar cabe mencionar que o Block Load apresenta resultados de calor sensível em cada hora para todos os meses do ano Porém os dados de calor latente são apresentados somente para o mês de maior carga térmica O valor médio de calor latente foi obtido para cada ambiente cidade e os dados adicionados ao calor sensível nos outros meses de a forma a se obter a carga térmica total horária INOVAÇÃO TECNOLÓGICA Os novos rumos da Engenharia Mecânica e Industrial Anais do XXII CONEMI Congresso Internacional de Engenharia Mecânica e Industrial 5 de 13 TABELA 1 Dados de entrada gerais Dado de Entrada Dado de Entrada Referência Cidades analisadas BelémPA Porto Alegre RS e São PauloSP INMET dados climáticos de 2019 para cálculo em Python Taxa transferência de calor das paredes UPa 258 Wm²K ABNT 2005 NBR152203 Taxa transferência de calor do piso UPi 159 Wm²K ABNT 2005 NBR152203 Taxa transferência de calor do teto UT 192 Wm²K ABNT 2005 NBR152203 Absortância para parede com pintura branca αW 02 ABNT 2005 NBR152202 Absortância para telhado chapa de aço galvanizado αc 025 ABNT 2005 NBR152202 Capacitância termal do ambiente interno Cin 750000 JK Atraso térmico 𝜑 3 h ABNT 2005 NBR152203 Fator solar cobertura FSC 0065 ABNT 2005 NBR152203 Fator solar parede FSP 0035 ABNT 2005 NBR152203 Fator renovação de ar por pessoa Fp 38 m³spessoa ABNT 2008 NBR164011 Fator de renovação de ar por área Fa 05 m³sm² ABNT 2008 NBR164011 Carga térmica gerada pela iluminação por metro quadrado de edificação Ilu 16 Wm² ABNT 2008 NBR164011 Carga térmica gerada em um computador 55 W ABNT 2008 NBR164011 Carga térmica gerada em uma impressora de pequeno porte 130 W ABNT 2008 NBR164011 Carga térmica gerada em uma impressora de grande porte 550 W ABNT 2008 NBR164011 Monitor adicional 55 W ABNT 2008 NBR16401 Máquina de café 1500 W ABNT 2008 NBR16401 Energia gerada por pessoa F 130 W ABNT 2008 NBR164011 Fonte Elaboração própria 2022 INOVAÇÃO TECNOLÓGICA Os novos rumos da Engenharia Mecânica e Industrial Anais do XXII CONEMI Congresso Internacional de Engenharia Mecânica e Industrial 6 de 13 TABELA 2 Dados de entrada Ambiente 1 Dado de Entrada Valor Largura do ambiente L 3 m Comprimento do ambiente C 4 m Altura do ambiente H 28 m Quantidade de computadores 2 Quantidade de impressoras de pequeno porte 1 Quantidade de pessoas N 2 Fonte Elaboração própria 2022 TABELA 3 Dados de entrada Ambiente 2 Dado de Entrada Valor Largura do ambiente L 122 m Comprimento do ambiente C 129 m Altura do ambiente H 28 m Quantidade de computadores 38 Quantidade de monitores adicionais para computadores 35 Quantidade de impressoras de grande porte 2 Quantidade de máquinas de café 1 Quantidade de pessoas N 38 Fonte Elaboração própria 2022 Por fim os dados climáticos software Block Load Carrier são referentes ao ano de 2001 Infelizmente não há disponibilização de dados deste ano na plataforma do INMET Diante disso serão utilizados na programação em Python dados referentes ao ano de 2019 3 RESULTADOS Os resultados da análise comparativa entre a metodologia proposta e os resultados obtidos pelo Block Load são apresentados nessa seção Foram gerados dados comparativos em cada um dos dois ambientes para as três cidades analisadas Para o ambiente 1 são apresentadas análises INOVAÇÃO TECNOLÓGICA Os novos rumos da Engenharia Mecânica e Industrial Anais do XXII CONEMI Congresso Internacional de Engenharia Mecânica e Industrial 7 de 13 comparativas para a cidade de BelémPA em janeiro Figura 1 para a cidade de Porto AlegreRS no mês de março Figura 2 e ainda no mês de março na cidade de São Paulo Figura 3 As Figuras apresentam em seu eixo das abscissas a hora do dia e no eixo das ordenadas as cargas térmicas em Watts calculadas pelo Python e pelo Block Load Nas Figuras apresentadas a carga térmica horária calculada pelo Block Load é maior que a carga térmica calculada pelo Python Essa tendencia inverte se próxima aos horários de carga térmica máxima onde a carga térmica calculada pelo Python é maior FIGURA 1 BelémPA ambiente 1 mês de janeiro Figura do autor 2022 FIGURA 2 Porto AlegreRS ambiente 1 mês de março Figura do autor 2022 INOVAÇÃO TECNOLÓGICA Os novos rumos da Engenharia Mecânica e Industrial Anais do XXII CONEMI Congresso Internacional de Engenharia Mecânica e Industrial 8 de 13 FIGURA 3 São PauloSP ambiente 1 mês de março Figura do autor 2022 Para o ambiente 2 foram realizadas análises comparativas similares conforme apresentado na Figura 4 BelémPA janeiro Figura 5 Porto AlegreRS janeiro Figura 6 São PauloSP julho Para as Figuras aqui apresentadas a carga térmica horária calculada pelo Block Load é maior que a carga térmica calculada pelo Python Essa tendencia invertese próximo aos horários de carga térmica máxima para a cidade de Porto AlegreRS no mês de janeiro Há porém para o ambiente 2 maior proximidade entre o cálculo de carga térmica para as duas ferramentas analisadas FIGURA 4 BelémPA ambiente 2 mês de janeiro Figura do autor 2022 INOVAÇÃO TECNOLÓGICA Os novos rumos da Engenharia Mecânica e Industrial Anais do XXII CONEMI Congresso Internacional de Engenharia Mecânica e Industrial 9 de 13 FIGURA 5 Porto AlegreRS ambiente 2 mês de janeiro Figura do autor 2022 FIGURA 6 São PauloSP ambiente 2 mês de julho Figura do autor 2022 Para sumarizar os resultados das 18 análises comparativas realizadas incluise análise das cargas térmicas médias e máximas Na Tabela 4 podese observar os valores de carga térmica média e máxima para o ambiente 1 de forma similar podese observar na Tabela 5 os dados para o ambiente 2 Como já destacado nas de Figuras 1 a 6 haveria grande variação na média comparativa da carga térmica entre as duas ferramentas de cálculo Ocorre porém que as ferramentas de cálculo de carga térmica são desenvolvidas para avaliação do cálculo da carga térmica no ponto de máxima Para esta os valores estão mais próximos INOVAÇÃO TECNOLÓGICA Os novos rumos da Engenharia Mecânica e Industrial Anais do XXII CONEMI Congresso Internacional de Engenharia Mecânica e Industrial 10 de 13 TABELA 4 Variação da Carga Térmica Média e Máxima Ambiente 1 Cidade Mês Variação de carga térmica média Variação de carga térmica no ponto de máxima BelémPA Janeiro 26 6 Março 23 11 Julho 31 69 Porto AlegreRS Janeiro 20 11 Março 41 2 Julho 143 60 São PauloSP Janeiro 18 31 Março 40 5 Julho 102 3 Fonte Elaboração própria 2022 TABELA 5 Variação da Carga Térmica Média e Máxima Ambiente 2 Cidade Mês Variação de carga térmica média Variação de carga térmica no ponto de máxima BelémPA Janeiro 12 7 Março 11 11 Julho 14 32 Porto AlegreRS Janeiro 7 7 Março 19 1 Julho 65 33 São PauloSP Janeiro 3 20 Março 15 3 Julho 38 2 Fonte Elaboração própria 2022 INOVAÇÃO TECNOLÓGICA Os novos rumos da Engenharia Mecânica e Industrial Anais do XXII CONEMI Congresso Internacional de Engenharia Mecânica e Industrial 11 de 13 Por fim as Figuras 7 e 8 apresentam a comparação para os ambientes 1 e 2 considerando um intervalo de variação de 20 Para o ambiente 1 observase que seis dos nove pontos analisados estão contidos dentro do intervalo estabelecido Para o ambiente 2 por sua vez sete dos nove pontos analisados estão dentro da faixa de 20 Cabe ainda mencionar que caso os dados climáticos do Python e Block Load fosse do mesmo ano os resultados poderiam apresentar maior convergência FIGURA 7 Análise comparativa para carga térmica máxima ambiente 1 Python x Block Load Figura do autor 2022 4 CONCLUSÕES No presente trabalho buscouse calcular a carga térmica de uma edificação utilizando a ferramenta de simulação Python A metodologia foi proposta de modo a facilitar a integração da ferramenta de cálculo de carga térmica com programas de simulação desenvolvidos para reprodução de sistemas de condicionamento de ar Utilizouse como referência dados fornecidos nas normas ABNT NBR 15220 e ABNT NBR 16401 e pela plataforma do INMET Os resultados obtidos foram comparados com resultados obtidos através do software Block Load Observouse para carga térmica calculada ao longo dos meses de janeiro março e julho curva de tendência similar entre os softwares com variação média total de 17 e variação média na carga térmica máxima de 1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Carga Térmica Python W Carga Termica Block Load W 20 20 INOVAÇÃO TECNOLÓGICA Os novos rumos da Engenharia Mecânica e Industrial Anais do XXII CONEMI Congresso Internacional de Engenharia Mecânica e Industrial 12 de 13 FIGURA 8 Análise comparativa para carga térmica máxima ambiente 2 Python x Block Load Figura do autor 2022 REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 152201 Desempenho térmico de edificações Parte 1 Definições símbolos e unidades Rio de Janeiro ABNT 2005 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICASNBR 152202 Desempenho térmico de edificações Parte 2 Métodos de cálculo da transmitância térmica da capacidade térmica do atraso térmico e do fator solar de elementos e componentes de edificações Rio de Janeiro ABNT 2005 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICASNBR 164011 Instalações de arcondicionado Sistemas centrais e unitários Parte 1 Projetos das Instalações Rio de Janeiro ABNT 2008 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICASNBR 164012 Instalações de arcondicionado Sistemas centrais e unitários Parte 2 Parâmetros de conforto térmico Rio de Janeiro ABNT 2008 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 Carga Térmica Python W Carga Termica Block Load W 20 20 INOVAÇÃO TECNOLÓGICA Os novos rumos da Engenharia Mecânica e Industrial Anais do XXII CONEMI Congresso Internacional de Engenharia Mecânica e Industrial 13 de 13 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 164013 Instalações de arcondicionado Sistemas centrais e unitários Parte 3 Qualidade do ar interior Rio de Janeiro ABNT 2008 ARAUJO E P Apostila de ar condicionado e exaustão Centro Universitário de Brasília 2011 DUARTE Willian Moreira DUTRA Clarice Martins Lima Campanha PAULINO Tiago de Freitas OLIVEIRA André Gonçalves MACHADO Luiz Feasibility of thermal storage for air conditioner a case of study for office applications 18th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering ENCIT 2020a DUARTE Willian Moreira PAULINO Tiago de Freitas TAVARES Sinthya Gonçalves OLIVEIRA André Gonçalves MACHADO Luiz Comparative study of geothermal and conventional air conditioner a case of study for office applications 18th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering ENCIT 2020b INMET Instituto Nacional de Meteorologia Disponível em httpsportalinmetgovbr Acesso em 04 de outubro de 2021 PENA S M Sistemas de ar condicionado e refrigeração EletrobrásPROCEL 1ª ed 2002 STORTI Eduardo Vinicius Seleção e especificação de um sistema de condicionamento de ar para suprir a demanda térmica de um auditório 2015 Trabalho de conclusão de curso Bacharelado em Engenharia Mecânica Centro Universitário Toledo Araçatuba 2015 TÔRRES Érica Valeska Gurgel Levantamento de carga térmica Novo software nacional incluindo renovação de ar ABNT 16401 2019 Trabalho de conclusão de curso Bacharelado em Engenharia Mecânica Universidade Federal do Rio Grande do Norte Natal 2019 AGRADECIMENTOS Ao Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq pela concessão de bolsa de através do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica PIBIC