Existem quatro tipos principais de sistemas de distribuição de água. Eles são definidos pelo número de tubos utilizados no sistema – 1 tubo, 2 tubos, 3 tubos, E 4 tubos. Embora este artigo discuta principalmente o projeto do sistema de tubulação do sistema de água resfriada e de água do condensador, é importante compreender a evolução de um tubo para os outros três sistemas, todos usados para aquecimento e também para resfriamento.
Sistemas de 1 tubo
Um sistema de distribuição de água de 1 tubo é um sistema que possui um tubo principal que circunda o edifício e depois retorna.
Como os sistemas de 1 tubo normalmente são usados apenas para aquecimento, o fornecimento e o retorno são mostrados conectados a uma caldeira em vez de a um resfriador.
O sistema de 1 tubo tem sido usado há muitos anos em edifícios residenciais e comerciais de pequeno porte. Tem sido usado como sistema de distribuição de água quente e raramente, ou nunca, para distribuição de água gelada
Programas de desenvolvimento técnico da operadora
Este tubo é o principal de alimentação e retorno. Seu tamanho é constante e toda a água do sistema flui através dele, alimentando um ou mais terminais de aquecimento de zona.
Uma pequena quantidade de água é induzida a deixar o cano principal em cada riser pelo uso de uma conexão de fluxo especial usada em sistemas de 1 tubo, às vezes chamada de conexão de “monofluxo”. Essas conexões criam uma queda de pressão no tubo principal igual ou maior que a queda de pressão através do riser, desvio, unidade terminal de zona e tubulação de retorno.
O controle da vazão para as unidades terminais de zona em um sistema de 1 tubo é muitas vezes difícil de conseguir.
A queda de pressão do ponto onde a água sai da tubulação principal até onde ela retorna é pequena e pequenas mudanças na resistência nesta linha resultam em grandes mudanças na vazão. Como resultado, muitos sistemas de 1 tubo evitam o controle da vazão nos terminais da zona e, em vez disso, conseguem o controle da capacidade regulando o fluxo de ar sobre os terminais da zona.
Algumas vantagens do sistema de 1 tubo incluem o design simples do sistema que requer um tamanho de tubo. Essa simplicidade de design leva a uma instalação fácil e a um baixo custo de instalação.
No entanto, os sistemas de 1 tubo apresentam várias desvantagens. A altura manométrica de bombeamento é geralmente maior do que em outros sistemas devido às resistências que ocorrem em série. Isso significa que a bomba e a energia da bomba são maiores do que outros sistemas de distribuição de tamanho comparável.
A mudança na temperatura da água à medida que a água se move através do sistema (a água fica mais fria após cada terminal sucessivo devido à mistura) cria a possível necessidade de unidades maiores no final do sistema principal, o que complicará a seleção das unidades terminais da zona e adicionar custo devido a unidades superdimensionadas perto do fim. Além disso, com carga parcial, a unidade final pode estar acima ou abaixo da capacidade.
Para manter baixa a perda de pressão através das serpentinas da unidade, a velocidade da água através das serpentinas deve ser mantida baixa. Isso resulta em bobinas com diâmetro de tubo grande, um número maior de tubos em paralelo ou bobinas maiores do que as usadas em outros sistemas de distribuição. Portanto, existe uma penalidade de espaço físico e custo terminal quando um sistema de 1 tubo é usado.
O sistema de 1 tubo não é adequado para distribuição de água gelada por vários motivos. A quantidade de água utilizada em sistemas de água gelada é geralmente consideravelmente maior do que a utilizada para aquecimento porque as serpentinas da unidade funcionam com diferenciais de temperatura menores no modo de resfriamento do que no modo de aquecimento. Para acomodar economicamente taxas de fluxo mais altas, os terminais de zona usados para água gelada precisariam ser reprojetados para que não fossem proibitivamente grandes, caros ou ocupassem espaço.
Sistemas de 2 tubos
O sistema de distribuição de água de 2 tubos é usado com equipamentos de aquecimento e resfriamento contendo serpentinas de água. É igualmente útil para unidades ventilo-convectoras de ambiente e manipuladores de ar centrais de médio ou grande porte que utilizam uma combinação de serpentinas de água quente e água gelada.
O sistema de 2 tubos pode ser utilizado para distribuir água quente ou fria, ou alternar entre as duas. A mesma tubulação é usada tanto para aquecimento quanto para resfriamento, portanto deve haver uma temperatura externa definida, chamada de “temperatura de mudança”, ou algum outro indicador de carga do edifício, ponto em que a água quente na tubulação é substituída pela água gelada. água e vice-versa.
Algumas unidades fan coil de 2 tubos são equipadas com aquecimento elétrico, além da capacidade de aquecimento da serpentina de água quente. Este aquecimento elétrico de “retoque” pode ser usado se for necessário aquecimento para um fan coil, mas o sistema ainda não foi alterado para o modo de aquecimento.
Existem duas formas de sistemas de distribuição de água de 2 tubos de uso comum:
- 2-pipe direct return
- Retorno reverso de 2 tubos
Em um sistema de 1 tubo, a rede de alimentação e retorno é a mesma tubulação. A quantidade de água que flui através da tubulação principal é aproximadamente constante e a tubulação principal é construída com um tubo de um diâmetro em todo o seu comprimento. Por outro lado, no sistema de 2 tubos, as redes de alimentação e retorno são tubos separados e a água que sai da rede de abastecimento vai para a rede de retorno.
À medida que a água sai da rede de abastecimento e passa pelas unidades terminais, a quantidade de água que flui na rede é reduzida, de modo que o diâmetro do tubo pode ser reduzido. O oposto é verdadeiro para a rede de retorno, que começa pequena no terminal mais distante e tem que aumentar de tamanho à medida que a água entra nela.
As vantagens dos sistemas de 2 tubos incluem o fato de que uma maior perda por atrito pode ser obtida tanto na tubulação quanto nas unidades terminais de zona e ainda ter uma altura manométrica total de bombeamento inferior à do sistema de 1 tubo do mesmo tamanho porque os terminais de zona estão em circuitos de água paralelos, não em série. Além disso, é mais fácil equilibrar o fluxo para cada unidade neste sistema do que no sistema de 1 tubo, assumindo que válvulas de balanceamento de ramal sejam instaladas na tubulação à medida que o sistema é instalado.
Outra vantagem dos sistemas de 2 tubos é que a temperatura da água que entra em cada terminal de zona será a mesma porque a água de retorno de cada unidade terminal não se mistura com a água de abastecimento na rede de abastecimento.
No entanto, o custo instalado é superior ao de um sistema de 1 tubo. Em sistemas do mesmo tamanho, embora o diâmetro médio do tubo no sistema de 2 tubos seja menor do que no sistema de 1 tubo, o tubo extra e o maior número de acessórios significam que este sistema terá um custo inicial maior. Tal como o sistema de 1 tubo, o sistema de 2 tubos distribui apenas um fluido de temperatura comum aos terminais da zona.
Como o sistema não pode fornecer água quente ou água gelada simultaneamente às serpentinas, ele deve estar no modo de aquecimento ou de resfriamento. Para passar do aquecimento para o arrefecimento, a água da rede deve circular completamente através do chiller e voltar para a unidade antes que qualquer arrefecimento esteja disponível nas zonas.
A mudança leva tempo. Não é prático planejar mudanças frequentes. A mudança sazonal é o método mais comum utilizado. Os sistemas de aquecimento suplementar de dois tubos também são bastante comuns, tanto para aquecimento perimetral separado quanto para reaquecimento de zona nos terminais.
Cabeça de bombeamento refere-se à queda de pressão total em pés wg que a(s) bomba(s) de água deve(m) superar para circular a água através do sistema. Menor altura manométrica resulta em menor consumo de energia da bomba.
Quando um sistema de 2 tubos passa de refrigeração para aquecimento ou vice-versa, é importante que a água introduzida não seja muito quente ou muito fria. Isto causaria choque térmico na caldeira ou no resfriador.
Programas de desenvolvimento técnico da operadora
Sistemas de 3 tubos
O sistema de distribuição de água com 3 tubos dispõe de duas redes de alimentação que alimentam cada terminal de zona, uma para água refrigerada e outra para água quente, e uma rede de retorno comum. As linhas de abastecimento de água gelada e de água quente são dimensionadas de acordo com os padrões normais e o retorno é dimensionado para lidar com a vazão máxima (que é a vazão de resfriamento). Tal como acontece com os sistemas de 2 tubos, a rede de retorno pode ter configuração de retorno direto ou retorno reverso.
Devido às duas redes de alimentação para cada terminal de zona, há sempre água quente e fria presente na entrada da bobina de zona, pronta para ser utilizada quando necessário. Isso dá a qualquer fan coil ou manipulador de ar fornecido pelo sistema de distribuição de água de 3 tubos a capacidade de aquecer ou resfriar a qualquer momento. Nenhuma mudança do ciclo de verão para o inverno é necessária no sistema de 3 tubos.
Contudo, o custo operacional deste sistema pode tornar-se proibitivamente elevado devido à mistura de água de retorno quente e fria. É importante estar familiarizado com os sistemas de 3 tubos porque foram instalados em edifícios existentes e ainda estão em uso.
ASHRAE 90.1 não permite o uso de sistemas de 3 tubos porque a mistura de água quente e fria no tubo de retorno comum consome energia em excesso.
ASHRAE 90.1
Sistemas de 4 tubos
O sistema de distribuição de água de 4 tubos consiste, na verdade, em dois sistemas de 2 tubos em paralelo; cada sistema consistindo em sua própria alimentação e retorno principal. Um sistema está sempre distribuindo água gelada para as unidades e devolvendo-a ao chiller. A outra é distribuir água quente às unidades e devolver a água à caldeira.
Ao contrário do sistema de 3 tubos, não há mistura de água quente e fria. Ao utilizar duas bobinas separadas em cada unidade terminal de zona, ou uma bobina com um circuito de refrigeração e aquecimento separado, os sistemas de aquecimento e refrigeração são completamente separados.
A água gelada flui através de uma serpentina de resfriamento e a água quente flui através de uma serpentina de aquecimento separada. Em nenhum momento os dois circuitos estão conectados. Num sistema de distribuição de água de 4 tubos, cada unidade terminal pode tornar-se uma zona de controlo separada, com o seu próprio termóstato. Água quente e fria estão disponíveis para todas as unidades ao mesmo tempo.
Os sistemas de distribuição de quatro tubos são, na verdade, dois sistemas de 2 tubos em paralelo. Este sistema oferece água quente e gelada para todas as zonas simultaneamente, permitindo que o sistema atenda às cargas de resfriamento e aquecimento quando e onde quer que elas ocorram.
Não há necessidade de mudanças sazonais ou mais frequentes. Os circuitos de água quente e fria são completamente separados e os dois fluxos de água nunca se misturam. Os métodos de projeto, válvulas e controles são semelhantes aos sistemas de 2 e 3 tubos.
Um sistema de 4 tubos com uma caldeira alimentada a combustível fóssil pode proporcionar um custo operacional competitivo ou inferior ao de alguns sistemas de 2 tubos com aquecimento eléctrico de “retoque” incorporado na unidade. Isso ocorre porque os aquecedores elétricos na unidade de 2 tubos às vezes devem operar com mais frequência do que o esperado e o calor da resistência elétrica é caro, e os aquecedores podem exigir um serviço elétrico maior no edifício. Esta operação ocorre antes de toda a mudança do sistema para aquecimento. As tarifas de combustíveis fósseis normalmente oferecem uma vantagem em relação às tarifas elétricas.
No entanto, os sistemas de 4 tubos têm um preço de instalação mais elevado do que os sistemas de 2 tubos e a maioria dos sistemas de 3 tubos. Os tubos e válvulas extras nos terminais da zona tendem a tornar o sistema de 4 tubos o mais caro em termos de custo instalado. Os sistemas de quatro tubos também requerem unidades terminais com bobinas duplas ou bobina de 2 circuitos, o que custa mais. Além disso, existem quatro tubulações espalhadas por todo o edifício, o que leva mais tempo e consome mais espaço para tubulação do que os outros sistemas.
Para edifícios comerciais, a escolha se resume a projetos de 2 tubos versus 4 tubos. A vantagem de conforto e controle do sistema de 4 tubos em relação ao de 2 tubos deve ser ponderada em relação ao custo de instalação mais elevado do sistema de 4 tubos. Onde a configuração do edifício e o layout dos espaços podem exigir longos períodos de aquecimento e resfriamento simultaneamente, e o conforto dos ocupantes é um requisito, 4 tubos faz mais sentido. Quando o edifício se presta a uma mudança sazonal sem grandes compromissos em termos de conforto, o 2 tubos é adequado.