Muitos sistemas HVAC usam tubulação hidrônica como meio de fornecer aquecimento e resfriamento ambiente. Fan-coils individuais atendem cada zona, enquanto um chiller central e uma caldeira assumem cargas totais de HVAC conforme necessário. São possíveis duas configurações principais do sistema: o mesmo circuito de tubulação hidrônica pode ser usado para ambas as funções, ou uma tubulação hidrônica separada pode ser usada para aquecimento e resfriamento.
- Sistema de dois tubos: Quando o aquecimento e o resfriamento compartilham tubulação hidrônica, cada fan-coil possui apenas um tubo de alimentação e um tubo de retorno.
- Sistema de quatro tubos: Quando o aquecimento e o resfriamento possuem tubulação hidrônica separada, os fan-coils possuem dois tubos de alimentação e dois tubos de retorno.
Como na maioria das decisões de engenharia, cada configuração de sistema tem vantagens e desvantagens. Este artigo fornecerá uma visão geral dos sistemas de dois e quatro tubos, comparando-os com uma alternativa mais moderna: bombas de calor de fonte de água.
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Sistemas HVAC de dois tubos
Um sistema de dois tubos utiliza metade da tubulação hidrônica exigida por um sistema de quatro tubos, o que resulta em menor custo e menor tempo de instalação. O sistema também é mais compacto, reduzindo a necessidade de espaço nas salas mecânicas. A manutenção também é mais simples em um sistema de dois tubos, graças ao número reduzido de acessórios de tubulação e válvulas.
A principal limitação de um sistema HVAC de dois tubos é a falta de flexibilidade operacional. O circuito de tubagem hidrónica que atravessa o edifício liga-se à caldeira ou ao refrigerador, dependendo das necessidades gerais, e todas as áreas do edifício devem funcionar no mesmo modo; aquecer algumas áreas enquanto resfria outras não é possível com esta configuração de sistema.
Os sistemas HVAC de dois tubos são uma ótima opção para climas tropicais, onde os edifícios muitas vezes funcionam durante um ano inteiro sem necessidade de aquecimento ambiente. A caldeira é normalmente omitida nestes casos, a menos que seja necessária para água quente, mas nesse caso é um sistema construtivo completamente diferente.
Sistema HVAC de quatro tubos
Esta configuração de sistema utiliza duas vezes mais tubulação que um sistema HVAC de dois tubos e, portanto, é mais cara e leva mais tempo para instalar. Além disso, um sistema de quatro tubos requer mais espaço para acomodar dois circuitos de tubulação hidrônica que percorrem o edifício. O aumento do número de acessórios, válvulas e pontos de conexão também resulta em um sistema mais exigente em termos de manutenção.
No entanto, os sistemas HVAC de quatro tubos oferecem recursos de desempenho não disponíveis em um sistema de dois tubos. Por exemplo, os fan coils podem fornecer resfriamento e desumidificação simultâneos usando as serpentinas de água gelada e quente ao mesmo tempo:
- A serpentina de água gelada é usada na capacidade máxima para remover o máximo de umidade possível do ar, mesmo que o ar seja resfriado abaixo da temperatura necessária.
- Qualquer resfriamento excessivo é então compensado pela serpentina de aquecimento, fornecendo ar com temperatura e umidade aceitáveis.
Um sistema de dois tubos não permite essa flexibilidade, uma vez que a temperatura e a umidade do ar são fixas quando ele flui através do fan-coil. O aumento da desumidificação requer mais resfriamento e uma temperatura do ar mais alta resulta em umidade mais alta.
Outra vantagem significativa de um sistema de quatro tubos é que diferentes áreas do edifício podem ser resfriadas ou aquecidas simultaneamente. Basta utilizar o circuito hidrônico correspondente nos fan-coils que atendem essas áreas.
Como os sistemas de dois e quatro tubos usam energia
Na cidade de Nova York, a maior parte do resfriamento de ambientes é realizada com eletricidade, enquanto o aquecimento de ambientes normalmente depende de gás natural ou óleo para aquecimento. Como a eletricidade em Nova York é muito cara, uma tonelada-hora de resfriamento geralmente tem um custo mais alto do que uma tonelada-hora de aquecimento. Por esta razão, as actualizações do sistema de refrigeração tendem a oferecer um retorno mais elevado por dólar gasto, e as empresas de gestão de propriedades podem concentrar-se nelas primeiro para maximizar o retorno do investimento.
Claro, pode haver exceções à regra acima. Se um edifício tiver um refrigerador moderno de alta eficiência e uma caldeira antiga, o custo por tonelada-hora de aquecimento pode ser maior. Uma auditoria energética é a melhor forma de identificar as atualizações de edifícios com melhor relação custo-benefício.
Bombas de calor de fonte de água: as melhores características de ambos os sistemas
Se um sistema usar bombas de calor de fonte de água em vez de fan-coils, ele poderá oferecer as vantagens de um sistema de quatro tubos, ao mesmo tempo em que depende de um único circuito de tubulação hidrônica. As bombas de calor de fonte de água podem operar em modo de resfriamento ou aquecimento com um circuito de água comum.
- As bombas de calor extraem calor de áreas que necessitam de resfriamento e o calor é rejeitado no circuito de água.
- O aquecimento ambiente é possível simultaneamente, podendo esta energia térmica ser extraída do mesmo circuito de água por bombas de calor em modo de aquecimento.
Com esta configuração do sistema, as cargas de aquecimento e resfriamento se equilibram, resultando em uma eficiência operacional muito maior. O chiller e a caldeira nunca são obrigados a funcionar simultaneamente: o chiller funciona quando a carga de arrefecimento é superior e a caldeira funciona quando a carga de aquecimento é superior.
Para reduzir ainda mais os custos operacionais, podem ser utilizadas caldeiras e chillers de alta eficiência, mas considere que a eficiência é reportada de forma diferente para cada tipo de equipamento:
- Caldeiras a gás ou óleo usam a Eficiência Anual de Utilização de Combustível (AFUE), que é relatada como uma porcentagem. Por exemplo, uma caldeira a gás com AFUE de 95% fornece 95% do calor de combustão para a água que flui na tubulação hidrônica.
- Os chillers utilizam o Índice de Eficiência Energética (EER) para reportar a sua eficiência em condições de teste padrão, e o Índice de Eficiência Energética Integrada (IEER) para reflectir a sua eficiência após considerar factores sazonais e variabilidade de carga. O EER e o IEER não são valores percentuais, mas sim uma relação entre a produção de refrigeração em Btu/hora e a entrada de eletricidade em watts – semelhante ao valor do consumo de combustível de um carro.
As caldeiras mais eficientes do mercado têm um AFUE acima de 95%, enquanto os chillers resfriados a água mais eficientes têm um EER acima de 20. Os chillers resfriados a ar são menos eficientes que seus equivalentes resfriados a água.
Também é possível utilizar uma bomba de calor geotérmica para substituir a caldeira e o chiller. Estas unidades são tão eficientes como um chiller refrigerado a água e podem igualar o custo de funcionamento de uma caldeira a gás quando em modo de aquecimento, embora funcionem com eletricidade. No entanto, as bombas de calor subterrâneas requerem condições específicas das águas subterrâneas para serem viáveis. Podem ser uma excelente escolha em construções novas onde não tenham sido instalados o chiller e a caldeira, ou quando tanto o chiller como a caldeira forem antigos e ineficientes. Se o refrigerador e a caldeira existentes já forem eficientes, a atualização para uma bomba de calor geotérmica pode não ser financeiramente viável.
