Os 5 componentes de construção com maior engenharia

4 czerwiec 2024 Roberto Magalhães

Ao especificar o equipamento mecânico e eléctrico de um edifício, é fácil assumir que a capacidade extra é uma coisa boa, mas pode ser tão contraproducente como ter instalações subdimensionadas. Em primeiro lugar, a capacidade extra tem um custo inicial mais elevado, o que faz com que o proprietário do edifício assuma despesas desnecessárias. Existem também muitos tipos de equipamentos que enfrentam problemas de desempenho quando projetados em excesso, o que pode variar desde baixa eficiência energética até uma vida útil reduzida. Em poucas palavras, sistemas superdimensionados têm um preço mais alto e um custo operacional maior.

Este artigo fornecerá uma visão geral dos sistemas de construção que são mais comumente projetados em excesso, apontando as armadilhas que devem ser evitadas e as consequências negativas que podem advir do excesso de capacidade.

1) Dutos de ar

Os dutos de ar desempenham um papel muito importante em sistemas HVAC que usam unidades rooftop ou resfriadores com unidades de tratamento de ar, e projetar sistemas de dutos adequadamente é fundamental para garantir alto desempenho. Para edifícios da cidade de Nova Iorque, os sistemas de dutos devem atender aos requisitos estabelecidos em:

O Código de Construção de Nova York
O Código Mecânico de Nova York, que dedica todo o seu Capítulo 6 aos sistemas de dutos
Manual de Fundamentos ASHRAE
Padrões de construção de dutos HVAC da SMACNA (Associação Nacional de Empreiteiros de Chapas Metálicas e Ar Condicionado)

O projeto adequado do duto baseia-se no controle de duas variáveis principais: velocidade do ar e queda de pressão. Quando essas variáveis excedem a faixa ideal de projeto, o sistema de dutos torna-se barulhento e ineficiente. Idealmente, um sistema de dutos deve ser projetado para uma queda de pressão de 0,08 polegadas de água para cada 100 pés de comprimento, e a velocidade do ar deve ser mantida abaixo de 1.200 pés por minuto.

Tanto a queda de pressão quanto a velocidade diminuem à medida que a área da seção transversal de um duto aumenta, mas há um limite superior para o tamanho do duto que pode ser aumentado.

O sistema fica mais caro, pela simples razão de que os custos de material e mão de obra são mais elevados.
O processo de projeto de outros sistemas construtivos pode ser complicado pelo fato de os dutos ocuparem muito espaço. Pode até ser necessário reduzir o pé-direito, atrapalhando o projeto arquitetônico.
Dutos superdimensionados aumentam a potência do ventilador porque um volume maior de ar precisa ser movido pelo sistema.

Um projeto de duto ideal mantém a queda de pressão e a velocidade do ar abaixo dos valores de projeto, ao mesmo tempo em que otimiza a área da seção transversal dos dutos.

2) Caldeiras

Mesmo em edifícios onde são utilizadas caldeiras de alta eficiência, o aquecimento é normalmente uma das despesas energéticas mais elevadas – isto é especialmente verdade para Nova Iorque e outras cidades do nordeste do país, que têm invernos frios. Existem sistemas de caldeiras para praticamente qualquer tipo de insumo energético, incluindo combustíveis fósseis como petróleo ou gás natural, eletricidade ou fontes alternativas como luz solar e biodiesel.

Dado o papel crítico que desempenham nos edifícios, bem como as potenciais consequências negativas que podem advir do mau funcionamento do sistema, o Departamento de Edifícios de Nova Iorque tem uma Unidade de Caldeiras dedicada. Esta unidade supervisiona a instalação e operação de caldeiras e executa um ciclo anual de inspeção para todos os sistemas atualmente em operação. As caldeiras são abordadas no Código de Construção de Nova York, no Código Mecânico e no Código de Encanamento, e o Código de Gás Combustível também se aplica se a caldeira for baseada em combustão.

A redundância é desejável em sistemas de caldeiras, mas a instalação de duas caldeiras dimensionadas para a carga total do edifício, cada uma, pode resultar em muita capacidade não utilizada e em um alto custo inicial. A melhor recomendação de projeto é dimensionar cada caldeira para 60% da carga total do edifício, o que proporciona um grau favorável de redundância, bem como uma capacidade extra de 20% que pode ser usada durante o aquecimento inicial do edifício. É altamente recomendável evitar “regras práticas”, pois elas podem resultar em sistemas de caldeiras duas a três vezes maiores do que o necessário.

As caldeiras poderiam eventualmente ser substituídas por sistemas de fluxo de refrigerante variável (VRF), que oferecem uma eficiência energética muito maior, bem como maior flexibilidade para atender a diversas cargas de aquecimento. Como o nome indica, os sistemas VRF utilizam refrigerante para fornecer ou remover calor, e a velocidade é controlada de acordo com a carga atual do edifício. As vantagens dos sistemas VRF são significativas:

Eles podem usar bombas de calor, que operam nos modos de aquecimento e resfriamento, substituindo as caldeiras e os condensadores AC tradicionais. Os modelos mais recentes de bombas de calor oferecem uma eficiência comparável a um chiller no modo de refrigeração e no modo de aquecimento podem proporcionar poupanças superiores a 70% em comparação com um aquecedor de resistência.
O calor é transportado em linhas de refrigerante, que são muito mais compactas que as tubulações de água e dutos de ar.
Os sistemas VRF são modulares, o que permite que sejam expandidos de forma incremental de acordo com as necessidades do edifício – caldeiras, chillers e unidades rooftop empacotadas são limitadas neste aspecto pelas suas capacidades fixas.

Os sistemas VRF são muito populares no Japão, onde foram desenvolvidos, bem como na Europa. Eles são relativamente novos no mercado dos EUA, mas o seu custo de instalação é comparável ao de um sistema tradicional baseado em chiller.

3) Ar condicionado

O desempenho do equipamento de ar condicionado melhora em proporção direta à forma como a unidade se adapta à aplicação. Existe uma crença comum, mas errônea, de que é preferível superdimensionar a unidade, para que ela possa resfriar os espaços internos mais rapidamente e, ao mesmo tempo, reduzir o tempo de funcionamento do compressor. No entanto, isso traz muitos problemas de desempenho. Além disso, embora o compressor funcione menos tempo, também consome mais energia do que uma unidade de tamanho adequado, pelo que a poupança de energia é mínima ou nula.

Os sistemas de ar condicionado são abordados no Código de Construção e no Código Mecânico de Nova York. O Manual de Fundamentos da ASHRAE também é uma referência sólida ao projetar qualquer sistema HVAC.

Fraco controle de umidade

Um sistema de ar condicionado eficaz não apenas remove o calor interno; também mantém a umidade dentro de uma faixa confortável para os seres humanos. Quando um sistema AC é superdimensionado, ele pode atingir a temperatura interna necessária em um período de tempo mais curto e, em seguida, o compressor é desligado – ou desacelerado em unidades modernas com capacidade de velocidade variável. O problema quando as unidades de AC funcionam desta forma é que não há tempo suficiente para que a humidade interior atinja níveis aceitáveis, o que resulta num ambiente interior frio mas húmido, semelhante a um frigorífico. Além de causar desconforto, esta é uma situação que pode resultar em problemas de saúde respiratória dos ocupantes.

Ciclagem excessiva do compressor

Uma unidade AC superdimensionada possui energia de resfriamento sobressalente, portanto, pode trazer a temperatura interna em menos tempo do que um sistema de tamanho adequado. Isso significa que a unidade tenderá a operar em uma série de rajadas curtas, o que pode desgastar componentes elétricos e mecânicos, reduzindo sua vida útil. Por outro lado, um compressor dimensionado adequadamente funciona por períodos mais longos, mas sem partidas e paradas frequentes, que é o modo de operação pretendido.

Quando as instalações AC são comparadas com base no seu custo total de propriedade, considerando tanto as despesas de energia e de manutenção como a sua vida útil, um sistema de capacidade óptima é superior tanto aos sistemas subdimensionados como aos sistemas sobredimensionados.

Desconforto para os ocupantes

Como uma unidade CA superdimensionada tem poder de resfriamento excessivo para a aplicação, sentar-se logo abaixo da abertura de um duto de ar ou na frente de um evaporador pode ser muito desconfortável. Os ventiladores dos evaporadores são normalmente dimensionados proporcionalmente à unidade AC, de modo que o ar é frio e se move rapidamente, causando um efeito de resfriamento.

4) Energia Elétrica

Muitos dispositivos e sistemas usados em edifícios funcionam com energia elétrica, e isso inclui muitos tipos de equipamentos mecânicos. Ao especificar instalações elétricas, aplica-se o mesmo princípio utilizado em sistemas mecânicos: os componentes devem ter a capacidade certa para a aplicação, nem menos nem mais. As instalações elétricas na cidade de Nova York são obrigadas a cumprir os seguintes códigos:

Código de Construção de Nova York, em particular o Capítulo 27
Código Elétrico de Nova York
NFPA 70: Código Elétrico Nacional
No caso de sistemas de energia de emergência e de reserva, também é necessária a conformidade com a NFPA 110, a NFPA 111 e o Código de Gás Combustível de Nova York.

Alimentadores superdimensionados e circuitos ramificados

Circuitos elétricos subdimensionados tendem a falhar rapidamente, às vezes em questão de horas, mas circuitos superdimensionados não têm consequências negativas em termos de operação. Na verdade, um circuito elétrico superdimensionado apresenta menor queda de tensão e perda de energia do que um circuito dimensionado adequadamente. No entanto, este benefício é insignificante em comparação com o aumento de custos do projeto que acompanha instalações elétricas sobredimensionadas.

Motores elétricos

O caso dos motores é diferente do dos condutores, e há diversas consequências negativas quando estes são superdimensionados:

A eficiência do motor é reduzida em condições de carga parcial. Para uma determinada carga mecânica, um motor adequadamente especificado operando próximo à carga total será mais eficiente do que um motor superdimensionado.
O fator de potência também é reduzido. O motor superdimensionado consome uma alta corrente reativa, o que pode contribuir para cobranças de fator de potência na conta de energia. A corrente reativa extra também consome capacidade em transformadores, quadros de distribuição e circuitos, sem contribuir para a transmissão de energia útil.

Quando os motores estarão sujeitos frequentemente a condições de carga parcial, a melhor opção é usar tecnologias que permitam o controle de velocidade: Motores comutados eletronicamente (ECMs) podem ser usados para aplicações de potência fracionada e inversores de frequência variáveis (VFDs) com motores trifásicos pode ser implantado para cargas maiores.

Se os motores de um edifício forem modernizados, três aspectos devem ser considerados para alcançar os melhores resultados possíveis:

Potência adequada.
Atualizando para um nível de eficiência mais alto, por exemplo, NEMA Premium.
Implementação de medidas de automação e controle de velocidade.

Em sistemas de ar condicionado baseados em chillers, é possível obter sinergia excepcional se a planta do chiller possuir compressores multiestágios de velocidade variável, enquanto as bombas de água e AHUs associadas utilizam motores com controle de velocidade.

5) Sistemas de Sprinklers

Um layout de edifício complexo normalmente significa que o sistema de sprinklers contra incêndio terá um layout de tubulação de complexidade semelhante, bem como um alto número de sprinklers. Quando as equipes responsáveis pelo projeto arquitetônico e pelo projeto de proteção contra incêndio trabalham isoladamente, sistemas complexos de sprinklers são uma consequência comum. Esses sistemas apresentam muitas desvantagens:

O custo inicial aumenta, tanto em termos de materiais quanto de mão de obra.
As bombas devem ser dimensionadas maiores para fornecer pressão de água e vazão adequadas para um sistema com maior comprimento de tubulação e maior contagem de sprinklers.

A seguir estão algumas recomendações de projeto para otimizar layouts de sprinklers, reduzindo sua complexidade e custo inicial:

Coordenar o projeto de sprinklers contra incêndio e o projeto arquitetônico, para que a interferência das características do teto, como compensações e intradorsos, seja minimizada.
Mesclar salas menores em áreas únicas sempre que possível, porque cada vez que uma sala pequena é adicionada, a contagem de sprinklers aumenta em um.

Ao projetar sistemas de sprinklers em Nova York, é importante observar os requisitos estabelecidos nas seguintes normas e códigos:

Código de Construção de Nova York, em particular Capítulo 7 (Recursos de Proteção contra Incêndio e Fumaça), Capítulo 9 (Sistemas de Proteção contra Incêndio) e Apêndice Q (Modificações nas Normas Nacionais).
Código de Incêndio de Nova York
NFPA 13 – Norma para Instalação de Sistemas de Sprinklers
NFPA 13D – Norma para instalação de sistemas de sprinklers em residências unifamiliares e bifamiliares e residências pré-fabricadas
NFPA 13R – Norma para Instalação de Sistemas de Sprinklers em Ocupações Residenciais Baixas

É importante notar que o Apêndice Q do Código de Construção tem precedência sobre as normas nacionais, introduzindo modificações específicas para Nova Iorque.

Observações Finais

Há muitas razões para não superdimensionar os sistemas mecânicos e elétricos dos edifícios. Na maioria dos casos, os sistemas superdimensionados são tão problemáticos quanto os sistemas subdimensionados, ou até mais, causando problemas de desempenho e despesas extras de manutenção. Mesmo quando não existem problemas de desempenho associados à capacidade extra, esta representa um custo inicial mais elevado que deve ser assumido pelo proprietário do edifício.

Contratar projetistas MEP profissionais é a melhor maneira de garantir que todos os sistemas construtivos sejam especificados de maneira ideal de acordo com a aplicação em questão. O cumprimento dos códigos e normas aplicáveis é obrigatório para que um edifício seja aprovado, mas estes documentos muitas vezes especificam apenas os requisitos mínimos – com um design profissional, um projeto pode cumprir os requisitos do código e, ao mesmo tempo, maximizar o desempenho.