Os sistemas de volume de ar variável (VAV) são os tipos de sistemas de ar HVAC mais amplamente utilizados para projetos de edifícios comerciais de médio e grande porte (projetos maiores que 10.000 pés2) porque os sistemas VAV são flexíveis, energeticamente eficientes e fornecem um ambiente interno confortável. Os sistemas VAV fornecem fluxo de ar de fornecimento variável a uma temperatura constante (normalmente 55°F) através do duto de ar primário para múltiplas unidades terminais VAV, cada uma das quais atende a uma zona de temperatura separada. Cada unidade terminal VAV contém um amortecedor motorizado que modula o fluxo de ar primário para a zona, um sensor de fluxo de ar de entrada e, em alguns casos, uma serpentina de aquecimento e um pequeno ventilador de recirculação de ar.
O fluxo de ar fornecido pela unidade de tratamento de ar VAV é normalmente modulado para manter uma pressão estática constante dentro do sistema de duto de ar primário. Isso é medido por um sensor de pressão estática do duto, que normalmente está localizado a dois terços do sistema de duto de ar primário. A modulação do fluxo de ar fornecido atende às necessidades das unidades termirutl VAV; isto é, à medida que mais amortecedores de ar primário nas unidades terminais VAV se abrem para fornecer mais ar às zonas, a pressão estática no sistema de duto de ar primário diminui e a velocidade do ventilador na unidade de tratamento de ar VAV aumenta para aumentar o fluxo de ar fornecido fornecido por a unidade de tratamento de ar VAV para restaurar a pressão estática no sistema de dutos. Por outro lado, à medida que os amortecedores de ar primários fecham, a pressão estática do duto de ar primário aumenta e a velocidade do ventilador na unidade de tratamento de ar VAV diminui para diminuir o fluxo de ar fornecido pela unidade de tratamento de ar VAV para compensar.
A unidade de tratamento de ar para um sistema VAV é a mesma que seria necessária para um Sistema CAV com a exceção de que existe um meio de modular o fluxo de ar fornecido pela unidade. A forma mais comum de modular o fluxo de ar de alimentação da unidade é controlando a frequência do sinal enviado ao motor do ventilador de alimentação por meio de um inversor de frequência variável (VFD).
A velocidade de um motor de corrente alternada (CA) é diretamente proporcional à frequência do sinal de entrada do motor. Portanto, à medida que a frequência do sinal de saída do VFD para o motor é reduzida, a velocidade do motor é reduzida e o fluxo de ar fornecido também é reduzido. O inverso é verdadeiro à medida que a frequência do sinal de saída do VFD para o motor aumenta. A frequência máxima recomendada do sinal de saída do VFD é a frequência de entrada da linha do VFD, ou 60 Hz. O motor do ventilador de alimentação operará em velocidade máxima quando receber um sinal de saída VFD de 60 Hz. Os VFDs podem fornecer frequências superiores a 60 Hz, mas isso faz com que o motor do ventilador opere acima de sua corrente nominal de carga de funcionamento [ou seja, o motor opera em sua faixa de fator de serviço (normalmente entre 100 e 115% da corrente nominal de carga de funcionamento), que não é recomendado].
Deve-se ter cuidado ao projetar sistemas VAV que utilizam serpentinas de refrigerante DX para resfriamento. A menos que o sistema de refrigeração esteja equipado com capacidade adequada para descarregar a capacidade do sistema de refrigeração, o congelamento da serpentina de resfriamento do refrigerante DX poderá ocorrer sob condições de baixo fluxo de ar. A descarga do sistema de refrigeração, o controle adequado da temperatura do ar de descarga e a incorporação de um VFD no gabinete da unidade são questões que os fabricantes de equipamentos HVAC resolveram recentemente para equipamentos DX com capacidades inferiores a 25 toneladas. Os fabricantes de equipamentos HVAC agora oferecem operação VAV para sistemas de ar que utilizam serpentinas de resfriamento de refrigerante DX em capacidades tão baixas quanto 5 toneladas.
O uso mais comum de um sistema VAV é atender a múltiplas zonas de temperatura. Portanto, discutiremos primeiro os sistemas VAV de zona múltipla e depois discutiremos o uso de um sistema VAV para uma aplicação de zona única.
Zona Múltipla
Unidades Terminais VAV
O fluxo de ar primário variável é fornecido às zonas através da modulação do amortecedor de ar primário nas unidades terminais VAV. À medida que a temperatura da zona diminui, o amortecedor de ar primário é modulado para fechar para fornecer menos ar primário (55°F) à zona. Uma vez que o amortecedor de ar primário atinja sua posição mínima predeterminada (geralmente cerca de 25% do fluxo de ar máximo), após uma queda adicional na temperatura da zona, as unidades terminais VAV que possuem capacidade de aquecimento posicionarão o amortecedor de ar primário no fluxo de ar de aquecimento e modularão a saída da serpentina de aquecimento para manter o ponto de ajuste de aquecimento do sensor de temperatura da zona. As unidades terminais VAV alimentadas por ventilador também são equipadas com um pequeno ventilador que recircula o ar (normalmente do plenum de ar de retorno do teto) através da serpentina de aquecimento da unidade terminal VAV.
A Figura 1 é um diagrama esquemático de um sistema VAV servindo múltiplas unidades terminais VAV.
Duto Duplo
Os sistemas de ar VAV de duto duplo são tão incomuns quanto os sistemas de ar CAV de duto duplo. O momento mais provável em que um projetista de sistema HVAC encontraria um sistema de ar VAV de duto duplo seria no caso de um sistema que foi originalmente projetado como um sistema CAV de duto duplo, mas foi posteriormente reformado para funcionar como um sistema VAV. O projetista do sistema HVAC também pode ter a tarefa de projetar as modificações em um sistema CAV de duto duplo para convertê-lo em um sistema VAV de duto duplo.
Os sistemas VAV de duto duplo funcionam da mesma maneira que os sistemas CAV de duto duplo, exceto que o fluxo de ar fornecido às zonas é variável, não constante. O ventilador de alimentação na unidade de tratamento de ar de duto duplo deve ser equipado com meios para modular seu fluxo de ar em resposta à pressão estática nos dutos principais quentes e frios. A eficiência energética de um sistema VAV de duto duplo seria aproximadamente a mesma de um sistema VAV convencional utilizando unidades terminais VAV.
Deve-se ter cuidado ao converter um sistema CAV de duto duplo em um sistema VAV para garantir que as zonas não exijam fluxo de ar de fornecimento constante para servir como compensação para o fluxo de ar de exaustão constante.
Zona única
A operação de um sistema VAV de zona única é semelhante à operação de um sistema VAV atendendo zonas múltiplas, exceto que não há unidades terminais VAV e o fluxo de ar fornecido é modulado para manter o ponto de ajuste de resfriamento do sensor de temperatura de zona (única) em vez de para manter uma pressão estática constante no duto de ar primário. A temperatura do ar fornecido é mantida em 55°F enquanto o sensor de temperatura da zona estiver solicitando resfriamento.
Assim que a temperatura da zona cair abaixo do ponto de ajuste de resfriamento (normalmente 75°F), a unidade de tratamento de ar operará no modo de aquecimento: o resfriamento será desativado, o ventilador de alimentação funcionará no fluxo de ar de aquecimento predeterminado e a saída da serpentina de aquecimento dentro da unidade será modulado conforme necessário para manter o ponto de ajuste de aquecimento do sensor de temperatura da zona (normalmente 70°F).
Assim que a temperatura da zona subir acima do ponto de ajuste de resfriamento, a unidade de tratamento de ar operará no modo de resfriamento: o aquecimento será desativado, a saída da serpentina de resfriamento será modulada conforme necessário para manter a temperatura do ar fornecido em 55°F, e o o fluxo de ar fornecido será modulado para manter o ponto de ajuste de resfriamento do sensor de temperatura da zona.
A vantagem de um VAV de zona única sobre um sistema CAV de zona única é que durante a operação de resfriamento, a temperatura do ar fornecido permanecerá constante em aproximadamente 55°F. Esta temperatura do ar fornecido consistentemente fria resultará em uma umidade relativa do espaço mais baixa do que a mesma área atendida por um sistema CAV, onde a temperatura do ar fornecido pode variar entre 55°F (carga de resfriamento total) e 75°F (sem carga de resfriamento). A maior humidade relativa do espaço resultante da utilização de um sistema CAV é agravada pela ventilação do ar exterior em zonas de clima húmido e por uma elevada densidade de ocupantes nas áreas servidas pela unidade.
Devido aos recentes avanços na tecnologia, os sistemas VAV de zona única que utilizam serpentinas de resfriamento de refrigerante DX podem atender áreas com carga de resfriamento de até 5 toneladas.
Manual de design HVAC - Anjo W. Larsen, 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.
FREQUENTLY ASKED QUESTIONS
VAV terminal units control airflow to individual zones through a motor-operated damper that modulates the primary airflow to the zone. The damper is typically controlled by a zone thermostat or a building automation system (BAS), which receives input from temperature sensors and occupancy schedules. As the zone load changes, the damper adjusts to increase or decrease airflow, ensuring that the zone is maintained at the desired temperature. In some instances, the VAV terminal unit may also include a heating coil and a small recirculating air fan to provide additional heating or cooling capacity.
The duct static pressure sensor measures the static pressure within the primary air duct system and provides feedback to the VAV air handling unit. This feedback is used to modulate the supply airflow to maintain a constant static pressure, typically between 1-3 inches of water column, within the duct system. By maintaining a constant static pressure, the VAV system ensures that airflow is delivered consistently to all zones, regardless of changes in duct length or branch takeoffs.
VAV systems are designed to handle varying zone loads and occupancy patterns through the use of zone thermostats, occupancy sensors, and scheduling algorithms. Zone thermostats provide real-time feedback on zone temperature, while occupancy sensors detect the presence or absence of occupants. This information is used to adjust airflow to each zone, increasing or decreasing airflow as needed to maintain a comfortable indoor environment. Scheduling algorithms can also be used to anticipate changes in occupancy patterns and adjust airflow accordingly, ensuring that the VAV system operates efficiently and effectively.
Yes, VAV systems can be used in conjunction with other HVAC systems, such as radiant floor heating or chilled beams. In these hybrid systems, the VAV system provides the primary air supply, while the secondary system provides additional heating or cooling capacity. For example, a radiant floor heating system can provide supplemental heat to a zone during extreme cold weather, while the VAV system maintains a consistent air temperature. These hybrid systems can provide improved comfort, energy efficiency, and flexibility in commercial buildings.
Some common design considerations for VAV systems in commercial buildings include duct sizing and layout, terminal unit selection, and control strategy. Duct sizing and layout must be carefully planned to ensure that airflow is delivered consistently to all zones, while minimizing pressure drops and energy losses. Terminal unit selection depends on factors such as zone size, load, and occupancy patterns. Control strategy involves selecting the appropriate control algorithms and sensors to ensure that the VAV system operates efficiently and effectively, while maintaining a comfortable indoor environment.
