Os sistemas de volume de ar variável (VAV) são os tipos mais amplamente usados de sistemas de ar HVAC para projetos de edifícios comerciais de médio e grande porte (projetos maiores que 10.000 pés2) porque os sistemas VAV são flexíveis, eficientes em termos de energia e fornecem um ambiente interno confortável. Os sistemas VAV fornecem fluxo de ar de suprimento variável a uma temperatura constante (normalmente 55°F) através do duto de ar primário para várias unidades terminais VAV, cada uma das quais atende a uma zona de temperatura separada. Cada unidade terminal VAV contém um damper operado por motor 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 de suprimento da 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 dois terços abaixo do sistema de duto de ar primário. A modulação do caudal de ar de insuflação corresponde às necessidades das unidades termirutl VAV; ou seja, à medida que mais dampers de ar primário nas unidades terminais VAV se abrem para fornecer mais ar às zonas, a pressão estática no sistema de dutos de ar primário diminui e a velocidade do ventilador na unidade de tratamento de ar VAV aumenta para aumentar o fluxo de ar fornecido por a unidade de tratamento de ar VAV para restaurar a pressão estática no sistema de dutos. Por outro lado, conforme os dampers de ar primário 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 de insuflação 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 (VFD).
A velocidade de um motor de corrente alternada (ca) é diretamente proporcional à frequência do sinal de entrada do motor. Portanto, conforme 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 quando a frequência do sinal de saída do VFD para o motor é aumentada. 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 do 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 operação [ou seja, o motor opera em sua faixa de fator de serviço (normalmente entre 100 e 115% da corrente nominal de carga operacional), o que não é recomendado].
Deve-se tomar cuidado ao projetar sistemas VAV que utilizam bobinas 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 pode ocorrer em condições de baixo fluxo de ar. O descarregamento do sistema de refrigeração, o controle adequado da temperatura do ar de descarga e a incorporação de um VFD no gabinete da unidade são problemas 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 bobinas de resfriamento de refrigerante DX em capacidades tão baixas quanto 5 toneladas.
O uso mais comum de um sistema VAV é atender a várias 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 damper de ar primário nas unidades terminais VAV. Conforme a temperatura da zona diminui, o damper de ar primário é modulado para fechar para fornecer menos ar primário (55°F) para a zona. Uma vez que o damper de ar primário atinge sua posição mínima predeterminada (geralmente cerca de 25% do fluxo de ar máximo), após uma nova queda na temperatura da zona, as unidades terminais VAV que possuem recursos de aquecimento posicionarão o damper de ar primário para o 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 originalmente projetado como um sistema CAV de duto duplo, mas posteriormente renovado 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 de suprimento para as zonas é variável, não constante. O ventilador de alimentação na unidade de tratamento de ar de duto duplo deve ser equipado com um meio para modular seu fluxo de ar em resposta à pressão estática nos dutos quentes e frios principais. 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 tomar cuidado ao converter um sistema CAV de duto duplo em um sistema VAV para garantir que as zonas não exijam fluxo de ar de suprimento constante para servir como compensação para 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 que atende a várias zonas, exceto que não há unidades terminais VAV e o fluxo de ar de suprimento é modulado para manter o ponto de ajuste de resfriamento do sensor de temperatura de zona (única) em vez de manter uma pressão estática do duto de ar primário constante. A temperatura do ar de suprimento é mantida a 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 operará no fluxo de ar de aquecimento predeterminado e a saída da bobina 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).
Quando 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 insuflado em 55°F e o o fluxo de ar de alimentação 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 de suprimento permanecerá constante em aproximadamente 55°F. Essa temperatura do ar de suprimento consistentemente fria resultará em uma umidade relativa do espaço menor do que a mesma área servida por um sistema CAV, onde a temperatura do ar de suprimento 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 pela 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 uma carga de resfriamento de até 5 toneladas.
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.
