No mundo moderno, o setor da construção exige conforto e eficiência energética. O projeto dos sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC) tem um impacto significativo em ambos, e trabalhar com uma empresa de engenharia qualificada tem um impacto positivo no resultado final.
Uma decisão fundamental em Projeto de climatização está selecionando uma configuração de tratamento de ar adequada: volume de ar constante (CAV) ou volume de ar variável (VAV). Cada opção tem vantagens e desvantagens, e usar a configuração correta aumenta o conforto e a eficiência.
Este artigo fornece uma visão geral dos sistemas CAV e VAC, descrevendo os princípios e cálculos usados pelos engenheiros de HVAC durante o processo de projeto.
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Sistemas de Volume de Ar Constante
Sistemas CAV mantenha um fluxo de ar constante, como o próprio nome indica, e as condições internas desejadas são alcançadas ajustando a temperatura do fornecimento de ar. Por exemplo, quando um edifício necessita de uma potência de refrigeração mais elevada num dia quente de verão, o sistema CAV fornece ar mais frio. Em sistemas de água gelada, o efeito de resfriamento depende do fluxo de água fria fornecido à unidade fan coil. Por sua vez, o controlador de fluxo de água opera com base nas configurações do termostato.
Os sistemas CAV podem ser do tipo zona única ou multizona, embora sejam mais adequados para aplicações de zona única, onde a carga sofre alterações mínimas ao longo do tempo. Alguns exemplos são auditórios, teatros e museus. Os sistemas CAV multizona requerem aquecimento de dutos para fornecer diferentes temperaturas do ar para zonas individuais, o que reduz sua eficiência energética.
A operação de um sistema CAV multizona pode ser melhor descrita com um exemplo. Considere as seguintes condições de projeto:
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Uma unidade interna de tratamento de ar (AHU) atende três zonas (A, B e C).
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Cada uma das três zonas possui um termostato dedicado.
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A AHU obtém água fria de um resfriador com torre de resfriamento.
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Os aquecedores de dutos de ar são fixados nas ramificações principais que atendem zonas individuais.
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Os termostatos são ajustados para 55°F (A), 68°F (B) e 72°F (C).
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A AHU fornece ar frio a 55°F.
Depois que o ar fornecido entra no sistema de dutos, ele só pode ser aquecido e não resfriado. Portanto, deve ser fornecido na mais baixa das três temperaturas exigidas – 55°F para a zona A neste caso. Após a zona A ser atendida, o fluxo de ar pode ser aquecido até as temperaturas exigidas para outras zonas: 68°F para a zona B e 72°F para a zona C.
Embora o princípio de funcionamento seja simples, ele apresenta uma limitação de eficiência. Parte da produção de resfriamento é desperdiçada quando o ar é reaquecido nas zonas B e C, e os próprios aquecedores dos dutos também consomem energia.
Sistemas de Volume de Ar Variável
Como você pode imaginar, Sistemas VAV mantêm a temperatura do ar constante e, em vez disso, ajustam o fluxo de ar dependendo da carga. Os sistemas VAV podem ter configurações de zona única, multizona ou duto duplo. Assim como o CAV é a opção preferida em sistemas de zona única, o VAV é recomendado para sistemas multizona.
Os sistemas VAV de duto duplo possuem dutos separados para ar quente e frio, e cada zona possui um plenum onde seu fluxo de ar é misturado. A proporção de ar quente e frio depende da temperatura desejada para cada zona específica. Esta configuração HVAC é a mais cara em termos de instalação, operação e manutenção.
Os sistemas multizona possuem caixas VAV que controlam o fluxo de ar fornecido às zonas individuais. Ao contrário do CAV, o fluxo de água fria fornecido à unidade fan coil é mantido constante. Os sistemas VAV atingem todo o seu potencial em aplicações onde existem múltiplas zonas com carga variável. Alguns exemplos são shoppings, hotéis e edifícios de escritórios.
As caixas VAV têm uma função semelhante aos aquecedores de duto usados em um sistema CAV. Em vez de reaquecer o ar de acordo com as necessidades de cada zona individual, o fluxo de ar é controlado mantendo a temperatura constante.
Cálculos básicos em projeto CAV e VAV
O Processo de projeto de HVAC envolve cálculos complexos e modelagem energética. No entanto, as equações que descrevem as operações do sistema são simples. Esta seção descreve como a temperatura e o fluxo de ar são ajustados de acordo com a carga.
O ponto de partida é a equação do ganho de calor sensível, que é fundamental em sistemas HVAC:
- Q = 1,08 x CFM x ΔT
Onde:
- Q = Carga da sala ou zona servida (BTU/hora)
- CFM = Fluxo de ar em pés cúbicos por minuto
- ΔT = Diferença entre a temperatura ambiente e a temperatura do ar fornecido
Exemplo 1 – Sistema VAV
Vamos supor que uma sala tenha uma carga (Q) de 10.000 BTU/h, com uma temperatura interna de 75°F e uma temperatura do ar fornecido de 55°F. Neste caso, a diferença é de 20°F. Para calcular o fluxo de ar necessário, a equação do calor sensível pode ser reorganizada:
- Q = 1,08 x CFM x ΔT
- CFM = Q ÷ (1,08 x ΔT)
- CFM = 10.000 BTU/h ÷ (1,08 x 20°F) = 463 cfm
Neste caso, o sistema VAV teria que ajustar o fluxo de ar para 463 pés cúbicos por minuto para a zona correspondente. Vamos observar o efeito quando a carga é aumentada para 12.000 BTU/h.
- CFM = 12.000 BTU/h ÷ (1,08 x 20°F) = 555 cfm
A diferença de temperatura de 20°F é mantida constante sob uma carga de 12.000 BTU/h, enquanto aumenta o fluxo de ar para 555 cfm.
Exemplo 2 – Sistema CAV
Neste caso, a carga de resfriamento e a temperatura ambiente são as mesmas utilizadas no exemplo acima: 10.000 BTU/h e 75°F. No entanto, o fluxo de ar é fixado em 500 cfm e a temperatura do fornecimento de ar é ajustada. A equação do calor sensível seria reorganizada da seguinte forma:
- ΔT = Q ÷ (1,08 x CFM)
- ΔT = 10.000 BTU/h ÷ (1,08 x 500 cfm)
- ΔT = 18,52°F
O suprimento de ar deve estar 18,52°F abaixo da temperatura ambiente, o que equivale a 56,48°F. Repetindo o cálculo para 12.000 BTU/h, obtém-se o seguinte resultado:
- ΔT = Q ÷ (1,08 x CFM)
- ΔT = 12.000 BTU/h ÷ (1,08 x 500 cfm)
- ΔT = 22,22°F
Neste caso, a temperatura de fornecimento de ar necessária é 52,78°F.
Conclusão
Os engenheiros de HVAC podem escolher entre sistemas CAV e VAV dependendo da aplicação. Enquanto um sistema CAV utiliza temperatura de ar variável e fluxo de ar constante, um sistema VAV mantém temperatura constante e fluxo de ar variável. Os sistemas CAV são mais adequados para aplicações de zona única onde a carga sofre poucas alterações, enquanto os sistemas VAV são a melhor opção para aplicações multizona com uma carga em constante mudança.
