Vigas e tetos resfriados

A água oferece uma forma mais eficiente de distribuição de energia sob a forma de aquecimento e arrefecimento em torno de um edifício do que os sistemas “totalmente de ar”, devido à sua elevada capacidade de calor específico e condutividade térmica.

Feixe resfriado

Esta seção tem como objetivo fornecer uma visão geral dos seguintes sistemas à base de água:

  • Tetos refrigerados (incluindo Tetos e Jangadas/Velas).
  • Vigas resfriadas (incluindo Ativas e Passivas).
  • Outros sistemas (incluindo feixes resfriados multiserviços 'MSCBs' e feixes resfriados de cassete de descarga de quatro vias).

Vigas e tetos refrigerados requerem uma temperatura de água de resfriamento relativamente modesta (14–17°C), que pode ser obtida usando armazenamento natural de água fria ou resfriamento gratuito do ar externo durante períodos do ano, dependendo do clima.

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.

À medida que a água gelada passa pela serpentina, ela oferece uma superfície fria no teto que proporciona resfriamento do espaço por radiação e convecção.

O 'resfriamento radiante' envolve a absorção direta do calor irradiado de superfícies quentes dentro da sala, o que ocorre quando há superfícies mais frias visíveis para as superfícies mais quentes. Este tipo de sistema resulta numa baixa velocidade do ar com uma distribuição uniforme da temperatura na zona ocupada, proporcionando assim níveis de conforto muito bons.

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.

Painel de teto resfriado radiante / conjunto de telha (tipo colado)
Painel/ladrilho de teto radiante “lay-in”

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”.

Painéis/telhas de teto refrigeradas radiantes interconectadas como um arranjo típico

Tetos radiantes refrigerados (acabamento em gesso)

As bobinas capilares de plástico de pequeno diâmetro são fixadas à estrutura do teto ou da parede e completadas com acabamento em gesso. É necessário um gesso fino especial para minimizar os efeitos de uma condutividade térmica mais baixa.

Jangadas/velas refrigeradas radiantes e convectivas

Jangadas ou velas resfriadas radiantes e convectivas incorporam uma serpentina ou elemento de água gelada na parte traseira de grandes painéis planos que são suspensos abaixo do intradorso ou do teto. Não há isolamento instalado na parte traseira do painel, pois o dispositivo de resfriamento está dentro do espaço da sala e todo o resfriamento (radiação e convecção) é um resfriamento útil (veja a figura abaixo).

À medida que a água gelada flui através da serpentina, a superfície inferior da jangada ou vela atua exatamente da mesma maneira que um teto resfriado radiante, com resfriamento radiante e convectivo. O ar acima da jangada ou vela também é resfriado e isso proporciona uma saída convectiva adicional à medida que flui pelas bordas das jangadas ou velas.

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.

Jangadas/velas refrigeradas radiantes

Sistemas de teto resfriado por convecção

Esses sistemas normalmente compreendem uma estrutura de aletas angulares (geralmente de alumínio) com um tubo ou canal de água gelada (geralmente de cobre) integrado no centro de cada aleta angular (veja a figura abaixo).

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.

Sistema de teto convectivo

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

Vigas resfriadas

O componente básico de transferência térmica para vigas resfriadas é um trocador de calor de aletas e tubos, muitas vezes chamado de bobinas. Fileiras de tubos de cobre interconectados são geralmente ligadas a aletas condutoras térmicas de alumínio. Este arranjo é então montado em uma caixa de chapa metálica, que pode ser:

  • Suspenso livremente em um intradorso, ou
  • Instalado acima de um teto metálico perfurado (somente viga passiva), ou
  • Integrado em sistema de teto suspenso.

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.

Feixe resfriado

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.

FREQUENTLY ASKED QUESTIONS

What are the benefits of using water-based systems for heating and cooling in buildings?
Water-based systems offer several benefits, including higher energy efficiency compared to all-air systems. This is due to water’s high specific heat capacity and thermal conductivity, which enable it to distribute energy more effectively. Additionally, water-based systems can provide better indoor air quality, reduced noise levels, and increased design flexibility.
How do chilled beams and ceilings differ from traditional air-based HVAC systems?

Chilled beams and ceilings are water-based systems that use pipes to distribute cooling energy, whereas traditional air-based HVAC systems rely on ductwork to distribute cooled air. This fundamental difference enables chilled beams and ceilings to operate at higher efficiencies and provide more flexible design options.

What are the typical cooling water temperature requirements for chilled beams and ceilings?

Chilled beams and ceilings typically require a relatively modest cooling water temperature of 14-17°C. This temperature range can be achieved using natural cold water storage or free cooling from outside air during certain periods of the year, depending on the climate.

What are the different types of chilled beams and ceilings, and how do they differ?

There are several types of chilled beams and ceilings, including active and passive chilled beams, chilled ceilings, and rafts/sails. Active chilled beams use fans to enhance convection, while passive chilled beams rely on natural convection. Chilled ceilings and rafts/sails are designed to cool larger spaces and can be used in conjunction with other HVAC systems.

How do multi-service chilled beams (MSCBs) differ from traditional chilled beams?

Multi-service chilled beams (MSCBs) are designed to provide multiple services, including cooling, heating, and lighting, in a single unit. They often feature integrated lighting, sprinkler systems, and other services, making them a more comprehensive and space-efficient solution compared to traditional chilled beams.

What are the advantages of using four-way discharge cassette chilled beams?

Four-way discharge cassette chilled beams offer improved air distribution and flexibility compared to traditional chilled beams. They can be installed in various configurations and can provide more even cooling, making them suitable for spaces with complex layouts or high cooling demands.

How can natural cold water storage be used to reduce energy consumption in chilled beam and ceiling systems?

Natural cold water storage can be used to store cooled water during off-peak hours or periods of low energy demand. This stored water can then be used to cool buildings during peak hours, reducing the load on chillers and resulting in energy savings. This strategy is particularly effective in buildings with variable occupancy patterns or those located in regions with mild winter temperatures.