Os sistemas de ar HVAC podem ser centralizados ou descentralizados. Os sistemas de ar centralizados recebem sua energia de resfriamento e aquecimento de uma central remota. Os sistemas de ar HVAC descentralizados contêm o equipamento central de aquecimento e resfriamento dentro do próprio sistema de ar. Os sistemas de ar HVAC também podem ser volume de ar constante (CAV) ou volume de ar variável (VAV). Os sistemas CAV fornecem fluxo de ar de suprimento constante a uma temperatura variável. Os sistemas VAV fornecem fluxo de ar de suprimento variável a uma temperatura constante. Os sistemas de ar CAV e VAV podem ser subdivididos em sistemas que condicionam uma única zona de temperatura e sistemas que condicionam múltiplas zonas de temperatura.
Quer os sistemas de ar HVAC sejam centralizados ou descentralizados, CAV ou VAV, sirvam uma única zona ou múltiplas zonas, as opções de bobinas de aquecimento e resfriamento dentro das unidades são as mesmas. Geralmente, a serpentina de aquecimento em sistemas de ar HVAC centralizados será água quente, vapor ou elétrica, e a serpentina de resfriamento será água gelada. A serpentina de aquecimento em sistemas HVAC descentralizados será elétrica, direta ou indireta a gás ou refrigerante de expansão direta (DX) (ciclo reverso) (somente para bombas de calor); a serpentina de resfriamento será o refrigerante DX.
Zona única
Um sistema CAV de zona única consiste em uma unidade de tratamento de ar que fornece fluxo de ar constante (Fig. 1). A capacidade de aquecimento e/ou resfriamento da unidade é modulada variando a temperatura do fluxo de ar insuflado para atender às necessidades de um único termostato montado em um dos espaços atendidos pela unidade.
Os sistemas CAV de zona única podem atender a vários espaços; portanto, é importante garantir que todos os espaços atendidos por um sistema CAV de zona única tenham características de carga HVAC semelhantes.
Aquecimento e Ventilação
Os sistemas de aquecimento e ventilação (H&V) são usados para atender espaços que requerem apenas aquecimento e também requerem ventilação de ar externo para ventilação dos ocupantes ou reposição de ar de exaustão. As unidades H&V geralmente são configuradas para fornecer 100% de ar externo. No entanto, eles podem ter recursos de retorno de ar se o fluxo de ar externo for menor que o fluxo de ar de suprimento necessário para fornecer aquecimento efetivo dos espaços servidos durante o inverno. Se as unidades aquecerem os espaços que atendem durante períodos desocupados, quando os sistemas de exaustão estão desligados e os dampers de ar externo fechados, as unidades H&V também podem ser equipadas com recursos de retorno de ar. As unidades H&V normalmente recirculam 100% do ar durante o modo de operação desocupado.
Durante o verão, é comum que as unidades H&:V posicionem seus dampers de ar externo e de retorno para fornecer 100% de ar externo aos espaços atendidos, a fim de manter a temperatura do ambiente de 5 a 10°F acima da temperatura externa. Se as unidades H&:V tiverem recursos de retorno de ar, devem ser tomadas providências dentro dos espaços servidos para aliviar ou esgotar o excesso de ar externo que é introduzido durante o modo de operação no verão.
O controle de temperatura para sistemas H&:V é o mesmo do sistema CAV de zona única descrito anteriormente, exceto que o termostato de ambiente controlará a capacidade de aquecimento apenas da unidade H&V. Alguns exemplos comuns de espaços que requerem sistemas H&V são ginásios, vestiários e cozinhas:
Zona múltipla
Os sistemas CAV não são adequados para fornecer várias zonas de controle de temperatura porque atender a várias zonas com sistemas CAV incorre em um custo de energia mais alto e, em alguns casos, um custo inicial mais alto do que as opções VAV normalmente disponíveis. No entanto, por meio do uso de configurações de reaquecimento, duto duplo e multizona, os sistemas CAV podem atender a várias zonas de temperatura para determinadas aplicações, principalmente renovações de sistemas existentes.
Reaquecer
Um sistema de reaquecimento CAV consiste em uma unidade CAV cujos dutos de suprimento de ar se ramificam para atender a várias zonas dentro da área atendida pela unidade (Fig. 2). Uma bobina de reaquecimento é montada dentro do duto de ramificação para cada zona. Normalmente, a temperatura do ar de descarga da unidade CAV é mantida em aproximadamente 55°F para que possa atender às necessidades de resfriamento das zonas de temperatura, se necessário. Um termostato somente de aquecimento localizado em cada zona controla a saída de aquecimento de sua bobina de reaquecimento de zona associada. Esta bobina reaquece o ar de alimentação da unidade CAV conforme necessário para manter o ponto de ajuste do termostato da zona. Se nenhum aquecimento for necessário na zona, a serpentina de aquecimento será desligada. A serpentina de reaquecimento da zona precisa ser dimensionada não apenas para atender às perdas de calor do envelope do edifício para a zona, mas também para aumentar o fluxo de ar de alimentação da temperatura do ar de descarga (normalmente 55°F) para o ponto de ajuste de resfriamento da zona (normalmente 75°F).
Os sistemas de reaquecimento CAV não são energeticamente eficientes porque ocorre resfriamento simultâneo (na unidade CAV) e aquecimento (na bobina de reaquecimento) do fluxo de ar de suprimento. Deve-se ter cuidado ao projetar sistemas de reaquecimento CAV porque o Código Internacional de Conservação de Energia de 2018, Seção 503.4.5, exige que o fluxo de ar de suprimento seja reduzido para pelo menos 30% do fluxo de ar de suprimento máximo para cada zona antes que o reaquecimento possa ocorrer. Uma exceção a esta regra é para zonas que possuem requisitos especiais de controle de umidade.
Duto Duplo
Um sistema CAV de duto duplo inclui dois dutos de ar de suprimento separados, um duto quente e um duto frio, conectados a uma unidade de tratamento de ar CAV especialmente configurada (Fig. 3). O fluxo de ar de suprimento é dividido dentro da unidade a jusante do ventilador de suprimento no que é chamado de deck quente e deck frio. Uma serpentina de aquecimento é instalada dentro da unidade no deck quente e uma serpentina de resfriamento é instalada dentro da unidade no deck frio. Uma parte do fluxo de ar de suprimento é soprada através do deck quente e liberada através do duto quente principal conectado à unidade. O fluxo de ar de suprimento restante é soprado através do deck frio. e descarregado através do duto frio principal conectado à unidade. Ambos os dutos de abastecimento quente e frio são roteados paralelamente um ao outro através do edifício e se ramificam para atender a várias zonas dentro da área atendida pela unidade.
Cada zona é equipada com uma caixa de mistura de duto duplo, que possui conexões de entrada de duto quente e frio, cada uma equipada com um damper operado por motor e um sensor de fluxo de ar de entrada. A caixa de mistura de duto duplo possui uma única saída de duto através da qual o ar é fornecido à zona. A temperatura do ar fornecido à zona é controlada modulando os fluxos de ar quente e frio na caixa de mistura de duto duplo conforme necessário para manter o ponto de ajuste do termostato da zona. Para caixas de mistura de duto duplo CAV, o fluxo de ar de suprimento total para a zona permanece constante.
Normalmente, a temperatura do ar do deck frio da unidade de tratamento de ar CAV é mantida em aproximadamente 85°F para que o resfriamento esteja disponível se exigido pelas zonas de temperatura. A temperatura do convés quente da unidade CAV é mantida em aproximadamente 55°F para que o aquecimento esteja disponível se exigido pelas zonas de temperatura. A serpentina de aquecimento em uma unidade de tratamento de ar de duto duplo pode ser água quente, vapor ou elétrica. A serpentina de resfriamento normalmente será água gelada. Unidades de tratamento de ar de duto duplo raramente, ou nunca, utilizam uma serpentina de resfriamento de refrigerante DX.
Os sistemas CAV de duto duplo geralmente não têm aplicação em edifícios comerciais devido ao alto custo inicial. Assim, não discutiremos mais detalhadamente os sistemas de duto duplo Os sistemas CAV de duto duplo foram projetados anos atrás principalmente para atender áreas de laboratório dentro de edifícios. Portanto, é necessário que o projetista do sistema HV AC entenda esse tipo de sistema, caso um projeto envolva a reforma de um edifício com um sistema CAV de duto duplo. No entanto, hoje existem mais sistemas HVAC modernos disponíveis para atender áreas de laboratório que têm um custo inicial e um custo operacional mais baixos do que os sistemas CAV de duto duplo. Portanto, é improvável que um novo edifício exija um sistema CAV de duto duplo.
Multizona
Os sistemas CAV multizona são semelhantes aos sistemas CAV de duto duplo, pois há um deck quente e um deck frio dentro da unidade de tratamento de ar (Fig. 4). A diferença é que os fluxos de ar quente e frio para cada zona são misturados na unidade de tratamento de ar. Existe um registo motorizado de ar quente e frio montado na descarga da unidade de tratamento de ar para cada zona; ou seja, se a unidade for uma unidade de cinco zonas, haverá cinco dampers motorizados de deck quente e cinco dampers motorizados de deck frio montados na descarga da unidade. Existe uma única conexão de duto na saída combinada de cada damper quente e frio que serve cada zona através da qual o ar é fornecido à zona. A temperatura do ar fornecido a cada zona é controlada modulando os fluxos de ar quente e frio na unidade de tratamento de ar conforme necessário para manter o ponto de ajuste do termostato da zona. Para sistemas multizona CAV, o fluxo de ar de suprimento total para cada zona permanece constante. As temperaturas do convés quente e frio para sistemas CAV multizona são semelhantes às temperaturas do convés para sistemas CAV de duto duplo.
Os sistemas CAV multizona não são comumente usados em edifícios comerciais porque as opções VAV disponíveis geralmente têm um custo inicial e um custo operacional mais baixos. Além disso, o número de zonas que podem ser acomodadas por uma unidade multizona é limitado pelo espaço físico disponível para instalar os dampers motorizados quentes e frios para cada zona na descarga da unidade de tratamento de ar. Portanto, as unidades multizona podem servir não mais do que cerca de oito zonas. O número de zonas que podem ser atendidas por um sistema VAV não é limitado pelo equipamento, mas é determinado pelas necessidades das áreas atendidas.
Manual de Projeto de HVAC - W. Larsen Angel, PE, LEED AP, é diretor da empresa de engenharia de consultoria MEP Green Building Energy Engineers. Ele trabalhou na indústria de engenharia de consultoria MEP por mais de 30 anos. O Sr. Angel contribuiu para o desenvolvimento de padrões de projeto e continua a encontrar novas maneiras de simplificar o processo de projeto do sistema HVAC.
