Os sistemas de ar HVAC podem ser centralizados ou descentralizados. Os sistemas de ar centralizados recebem energia de resfriamento e aquecimento de uma planta 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 ter volume de ar constante (CAV) ou volume de ar variável (VAV). Os sistemas CAV fornecem fluxo de ar constante a uma temperatura variável. Os sistemas VAV fornecem fluxo de ar de fornecimento 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, atendam a uma única zona ou a múltiplas zonas, as opções para serpentinas de aquecimento e resfriamento dentro das unidades são as mesmas. Geralmente, a serpentina de aquecimento em sistemas de ar HVAC centralizados será de água quente, vapor ou elétrica, e a serpentina de resfriamento será de água gelada. A serpentina de aquecimento em sistemas HVAC descentralizados será elétrica, a gás direta ou indireta ou (ciclo reverso) refrigerante de expansão direta (DX) (somente para bombas de calor); a serpentina de resfriamento será 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 refrigeração da unidade é modulada variando a temperatura do fluxo de ar fornecido 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 servidos 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 são frequentemente configuradas para fornecer 100% de ar externo. No entanto, podem ter capacidade de retorno de ar se o fluxo de ar exterior for inferior ao fluxo de ar de insuflação necessário para fornecer um aquecimento eficaz dos espaços servidos durante o inverno. Se as unidades aquecerem os espaços que servem durante os períodos desocupados, quando os sistemas de exaustão estão desligados e os registos de ar exterior estão fechados, as unidades H&V também podem ser equipadas com capacidades 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 os seus amortecedores de ar exterior e de retorno para fornecer 100% de ar exterior aos espaços servidos, a fim de manter a temperatura do espaço entre 5 e 10°F superior à temperatura exterior. Se as unidades H&:V possuírem capacidade 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 que para o sistema CAV de zona única descrito anteriormente, exceto que o termostato ambiente controlará apenas a capacidade de aquecimento da unidade H&V. Alguns exemplos comuns de espaços que requerem sistemas de H&V são ginásios, vestiários e cozinhas:
Zona Múltipla
Os sistemas CAV não são adequados para fornecer múltiplas zonas de controle de temperatura porque atender múltiplas 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, através do uso de configurações de reaquecimento, duto duplo e multizonas, os sistemas CAV podem atender a múltiplas zonas de temperatura para determinadas aplicações, particularmente renovações de sistemas existentes.
Reaquecer
Um sistema de reaquecimento CAV consiste em uma unidade CAV cujos dutos de fornecimento de ar se ramificam para atender múltiplas zonas dentro da área atendida pela unidade (Fig. 2). Uma bobina de reaquecimento é montada dentro do duto de ramificação de 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 da bobina de reaquecimento da zona associada. Esta bobina reaquece o ar fornecido pela unidade CAV conforme necessário para manter o ponto de ajuste do termostato de zona. Se não for necessário aquecimento 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 da envolvente do edifício para a zona, mas também para aumentar o fluxo de ar fornecido desde a temperatura do ar de descarga (normalmente 55°F) até 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 fornecido. 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 fornecido seja reduzido para pelo menos 30% do fluxo máximo de ar fornecido 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 fornecimento de ar 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 fornecido é dividido dentro da unidade a jusante do ventilador de fornecimento nos chamados deck quente e deck frio. Uma serpentina de aquecimento é instalada dentro da unidade na plataforma quente e uma serpentina de resfriamento é instalada dentro da unidade na plataforma fria. Uma parte do fluxo de ar fornecido é soprada através da plataforma quente e liberada através do duto quente principal conectado à unidade. O fluxo de ar fornecido restante é soprado através da plataforma fria. e descarregado através do duto frio principal conectado à unidade. Os dutos de abastecimento quente e frio são encaminhados paralelamente entre si através do edifício e se ramificam para atender múltiplas zonas dentro da área atendida pela unidade.
Cada zona está equipada com uma caixa de mistura de duto duplo, que possui conexões de entrada de duto quente e frio, cada uma delas equipada com um amortecedor motorizado 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 total de ar fornecido para a zona permanece constante.
Normalmente, a temperatura do ar 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 da plataforma 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 de água quente, vapor ou elétrica. A serpentina de resfriamento normalmente será de 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 laboratoriais dentro de edifícios. Portanto, é necessário que o projetista do sistema HV AC compreenda 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 uma plataforma quente e uma plataforma fria dentro da unidade de tratamento de ar (Fig. 4). A diferença é que as correntes de ar quente e fria de cada zona são misturadas 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; isto é, 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 ligação de conduta na saída combinada de cada registo 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 regulação do termóstato da zona. Para sistemas multizonas CAV, o fluxo de ar fornecido 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.
Multizone CAV systems are not commonly used in commercial buildings because the VAV options that are available typically have a lower first cost and lower operating cost. Also, the number of zones that can be accommodated by a multizone unit is limited by the physical space available to install the hot and cold motor-operated dampers for each zone on the discharge of the air handling unit. Therefore, multizone units can serve no more than about eight zones. The number of zones that can be served by a VAV system is not limited by the equipment but is determined by the needs of the areas served.
Manual de design HVAC - W. Larsen Angel, PE, LEED AP, é diretor da empresa de consultoria de engenharia MEP Green Building Energy Engineers. Ele trabalhou no setor de engenharia consultiva MEP por mais de 30 anos. O Sr. Angel contribuiu para o desenvolvimento de padrões de projeto e continua encontrando novas maneiras de agilizar o processo de projeto de sistemas HVAC.