Water offers a more energy efficient way of distributing energy in the form of heating and cooling around a building than ‘all air’ systems because of its high specific heat capacity and thermal conductivity.
This section is intended to give an overview of the following water-based systems:
- Chilled ceilings (including Ceilings and Rafts / Sails).
- Chilled beams (including Active and Passive).
- Other systems (including Multi-service Chilled Beams ‘MSCBs’ and four way discharge cassette chilled beams).
Chilled beams and chilled ceilings require a relatively modest cooling water temperature (14–17°C), which can be obtained using natural cold water storage or free cooling from outside air over periods of the year depending on climate.
Além disso, quando o resfriamento mecânico é usado, um melhor desempenho energético pode ser alcançado devido ao maior CoP (coeficiente de desempenho) do chiller. Quando são utilizadas vigas refrigeradas para aquecimento, a situação é semelhante, na medida em que é possível utilizar fontes de calor de baixa temperatura ou bombas de calor com temperaturas de fluxo de água tipicamente entre 30 e 45°C.
Tetos refrigerados radiantes
Tetos resfriados radiantes geralmente incorporam uma serpentina ou elemento de água gelada na parte traseira do material de acabamento do teto. Normalmente, isso significa matriz de tubo de cobre na parte traseira de placas ou painéis de metal. O isolamento é normalmente aplicado na superfície superior do teto resfriado, pois o resfriamento útil é necessário no espaço abaixo do teto.
As chilled water passes through the coil, it offers a cool ceiling surface that provides space cooling by both radiation and convection.
‘Radiant cooling’ involves the direct absorption of heat radiated from warm surfaces within the room, which occurs when there are cooler surfaces visible to the warmer surfaces. This type of system results in low air velocity with an even temperature distribution in the occupied zone, thus providing very good comfort levels.
Os tetos refrigerados radiantes proporcionam uma superfície arquitetonicamente aceitável, na qual uma variedade de serviços pode ser instalada. Eles geralmente também podem ser acomodados com vazios rasos no teto, portanto, são adequados quando o espaço vertical é restrito. Um sistema de ventilação separado é necessário para fornecer ar fresco ao espaço.
A figura abaixo mostra uma perspectiva da superfície inferior com um corte mostrando os elementos do teto resfriado colados à superfície traseira do painel/telha.
A figura abaixo mostra como os elementos de água gelada são interconectados e conectados ao fluxo de água e à tubulação de distribuição de retorno. O mesmo princípio pode ser aplicado tanto aos painéis/ladrilhos “Colados” como aos “Lay-in”.
Tetos radiantes refrigerados (acabamento em gesso)
In modern HVAC design, the use of small-bore diameter plastic capillary coils is becoming increasingly popular for integrating radiant heating and cooling systems into building structures. These coils are meticulously secured to the ceiling or wall, allowing for an even distribution of temperature across the surface. To maximize the efficiency of these systems, a specialized thin plaster is applied as a finish. This not only enhances aesthetic appeal but also minimizes the impact of the plaster’s lower thermal conductivity. By selecting a plaster with optimal properties, designers ensure effective heat transfer, promoting energy-efficient climate control and contributing to the overall comfort within the space.
Jangadas/velas refrigeradas radiantes e convectivas
Radiant and convective chilled rafts or sails incorporate a chilled water coil or element onto the rear of large flat panels which are suspended below the soffit or ceiling. There is no insulation fitted to the rear of the panel as the cooling device is within the room space and all cooling (radiation and convection) is useful cooling (see Figure below).
As chilled water flows through the coil, the lower surface of the raft or sail acts in precisely the same way as a radiant chilled ceiling with both radiant and convective cooling. The air above the raft or sail is also cooled and this provides additional convective output as it flows down over the edges of the rafts or sails.
A forma e o tamanho das jangadas ou velas podem variar para atender aos requisitos arquitetônicos e os serviços podem ser facilmente integrados. Como o vão necessário acima da jangada ou das velas é pequeno, eles são adequados onde o espaço vertical é restrito. As velas também podem ser usadas para aquecimento radiante eficiente.
Sistemas de teto resfriado por convecção
These systems typically comprise a framework of angled fins (usually aluminium) with a chilled water pipe or water way (usually copper) integrated into the centre of each angled fin (see Figure below).
Há transferência térmica da água para o cobre e para o alumínio, resfriando assim as aletas. Como resultado disto, uma proporção maior de resfriamento é obtida pela convecção do ar através das aletas angulares, em vez de por radiação direta. Este tipo de sistema pode fornecer níveis de resfriamento mais elevados do que um sistema radiante normal, mas menos do que um feixe resfriado passivo.
Desempenho e características
Um resumo das características dos sistemas de teto resfriado pode ser encontrado na tabela abaixo. A tabela é baseada em:
- A) BS.EN14240
- B) Diferença de temperatura ambiente em relação à temperatura média da água 8°K
- C) Diferença de temperatura de retorno do fluxo de água 2°K
- D) Temperatura ambiente 24°C
- E) Temperatura média da água 16°C
- F) Área ativa do teto como porcentagem da área total do teto 80%, exceto Jangadas e Velas que são 67 por cento
| Característica | Radiant ceiling Lay-in / bonded (Section 3.1) | Plaster finish (Section 3.2) | Radiants/convective rafts/sails (Section 3.3) | Convective systems (Section 3.4) |
|---|---|---|---|---|
| Potential cooling capacity * | ||||
| W/m² active area | 60/90 | 55/65 | 80/120 | 110 |
| W/m² floor area | 48/72 | 44/52 | 54/80 | 88 |
| Ceiling tiles | Alu/steel perforated | Special plaster | Alu/steel perforated or plain | Alu/steel open slats |
| Design | For use with conventional lay in tiles | Special plaster | Large flat panels suspended from soffit or slab no insulation rear of panels | Not for use with conventional suspended ceilings |
| Acoustics | ||||
| Acoustic absorption | Bom | Poor | Separate system | Separate system |
| Room to room attenuation | Bom | Bom | Separate system | Separate system |
| Important Considerations | ||||
| Desempenho térmico | Water quality – See section 9.3.3 | Need special thin plaster | Clearance between soffit and rear of panel also clearance between adjacent panels | Return air gap around ceiling perimeter |
| Comfort Conditions | Excelente | Excelente | Bom | Bom |
| Relative cost of system | Medium | Medium/High | Medium | Alto |
Vigas resfriadas
The basic thermal transfer component for chilled beams is a fin and tube heat exchanger, often referred to as coils. Rows of interconnected copper pipes are usually bonded to aluminium thermal conducting fins. This arrangement is then mounted in a sheet metal casing, which can either be:
- Freely suspended from a soffit, or
- Installed above a perforated metal ceiling (passive beam only), or
- Integrated flush into a suspended ceiling system.
As vigas resfriadas funcionam usando convecção em vez de radiação. Devido à maior área de superfície das aletas, um desempenho térmico mais elevado pode ser alcançado com vigas refrigeradas em oposição a tetos refrigerados. Contudo, é necessário ter cuidado no processo de seleção para garantir que não sejam criadas altas velocidades do ar na zona ocupada.
Resumo
As vigas resfriadas são geralmente formadas como um banco de tubos aletados, dispostos em um perfil quadrado ou retangular. A tubulação transporta água gelada e quando encapsulada e fixada na parte inferior de um piso estrutural, a unidade se assemelha a uma viga. Um invólucro externo de chapa metálica pode ser usado para envolver os tubos em espiral e pode ser perfurado para estimular a convecção através do banco de tubos com aletas. Um efeito de resfriamento passivo é por convecção natural, mas o resfriamento ativo pode ser alcançado usando um suprimento de ar primário acionado por ventilador. Para ocultar a instalação, a parte inferior da caixa pode ser acabada nivelada com um tecto falso perfurado.
Os tetos resfriados foram originalmente concebidos com tubos de água gelada embutidos na parte inferior de uma laje de concreto. O aumento nominal da profundidade da laje é justificado pela ausência de intrusão visual na tubulação. Esta forma de resfriamento radiante tem a desvantagem de criar uma massa térmica elevada na laje de concreto, que demora a responder ao controle termostático. Estas instalações também podem produzir “chuva interior” ou condensação na parte inferior radiante da laje. Para evitar que o teto fique molhado, é preferível uma variação suspensa, com a opção de fornecimento de ar primário auxiliar ou acionado por ventilador através de perfurações no teto. Estas perfurações também aumentarão o efeito convectivo.
