DIMENSIONAMENTO DE CARGA TERMICA

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ARIDO – UFERSA 
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS AMBIENTAIS E TECNOLÓGICAS – DCAT
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
DISCIPLINA: AR CONDICIONADO E REFRIGERAÇÃO
PROFESSOR: MSC.  CARLOS CASSIO DE ALCANTARA
ALUNOS: JOSÉ FERREIRA DA SILVA JÚNIOR
CÁLCULO DA CARGA TÉRMICA DA UFERSA 
SALA DE AULA 62 ALUNO – CARAÚBAS – RN 
	
CARAÚBAS-RN
2018
INTRODUÇÃO	
 	A sociedade brasileira está cada vez mais moderna, já que se trata de ser um país em íntegro desenvolvimento e que favorece meio as tecnologias que dispõe da praticidade de modo que as pessoas entrem nesse ritmo de constante crescimento, sempre em busca de melhorias na qualidade de vida, tanto na vida profissional, como no conforto e no bem-estar. 
 	A Refrigeração e Climatização, visando essa questão desenvolve as melhores técnicas com o fim de atender as necessidades dos usuários, fazendo com que o ambiente ocupado por estes esteja em condições favoráveis, isto é, bem climatizado, pois para obter essas condições é necessário levar-se em conta vários parâmetros antes de adotar o sistema de refrigeração adequado ao ambiente. 
 	Para isso, é concebido o levantamento de carga térmica, que consiste na junção dos fluxos de calor que entra ou é gerado dentro do ambiente. O cálculo de carga térmica é basicamente direcionado na seleção dos meios que dissipam calor do ambiente considerando os fatores externos, contabilizado a carga térmica total produzida e logo efetuar a troca térmica entre o meio interior e exterior do local, e com isso escolher o sistema de refrigeração com a capacidade correspondente a carga para climatizar. 
 	Para calcular a carga térmica de um recinto levam-se em conta alguns fatores contribuintes para o armazenamento térmico acerca do ambiente em questão como área do local, medidas de portas e janelas, pé direito, número de pessoas, potência dos equipamentos elétricos do ambiente e a localização geográfica. O que torna um procedimento de importância, pois além de merecer precisão, a escolha do ar condicionado e a eficiência do aparelho são resultantes dos cálculos de carga térmica. Portanto, carga térmica é a quantidade de calor sensível e latente, geralmente expressa em BTU/h, ou kcal/h, que deve ser retirada ou colocada no recinto a fim de proporcionar as condições de conforto desejadas.
 	É possível a seleção correta dos equipamentos bem como avaliar o funcionamento dos mesmos já existentes ou a serem adquiridos, através do cálculo de carga térmica. Logo, o presente trabalho tem como objetivo o cálculo da carga térmica da sala de aula nº1 do bloco de aula I, da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA) para se projetar adequadamente o sistema de ar condicionado com os equipamentos que atendam as condições de conforto térmico do local.
CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA
O ambiente de estudo consiste sala de aula do bloco de aula I onde é uma sala de esquina do lado direito de frente para o auditório, da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA) onde possui uma área de 63,00m² (Figura 2) e uma altura de 2,70m, 1 porta 2,5m x 0,9m; 36 lâmpadas fluorescentes 40w; ainda possui um projetor da marca EPSON de 5000 lúmens que dissipa em média 250w e 3 janelas 3,24m x 1,40m. O horário de aula é (8:00 às 22:30h) onde a capacidade máxima é de 63 pessoas, 62 alunos e 1 professor. A temperatura considerada no ambiente interno e externo da sala de aula foi determinada a partir da (Figura 1) onde 24º é uma temperatura de conforto térmico ideal para o ambiente e 34º é a temperatura máxima mais comum do ambiente externo da cidade de Caraúbas-RN retirados do site weather.com. com uma umidade relativa de 50%.
Figura 1: Condições de conforto para o verão ; Fonte: NBR 6401/1980
Parede 3 
Parede 1 	 
 Parede 2 
Parede 4 
Figura 2: Sala de aula de esquina em frente ao auditório ; Fonte: Projeto UFERSA 
CÁLCULO DA CARGA TÉRMICA
3.1 CARGA DE CONDUÇÃO – CALOR SENSÍVEL
3.1.1 Paredes
	Para determinar a carga térmica de condução total é importante levar em conta os materiais de construção que foram utilizados na parede do local, bem como algumas considerações. Assim, tem-se que o fluxo de calor total será dado:
	
	
	(1)
Onde: 
A: área de transferência de calor (m²);
U: coeficiente global de transferência de calor (kcal/(h.m² °C));
	
	
	(2)
: diferença entre as temperaturas: interna e externa da parede;
Analisando o coeficiente global de transferência de calor, tem-se:
Onde,
hi = 7,15kcal/h.m².ºC; é o coeficiente de convecção do ambiente interna com ar parado;
C = 2,39kcal/h.m².°C; é o coeficiente de condutância para paredes rebocadas;
L = 0,15m; largura da parede;
he = 19,5kcal/h.m².ºC; é o coeficiente de convecção do ambiente externo com ar com ventos de 12km/h;
k = 0,62kcal/h.m.ºC condutividade térmica de material de um tijolo comum;
(Dados retirados dos textos e da tabela 3.1 (CREDER, 2011)).
Logo:
tal coeficiente de transferência global deve ser utilizado para paredes 4 e 2 do recinto, a outra parede 1 está “conjugada” a outra sala, e a parede 3 do lado do corretor onde possui uma boa cobertura e é resfriado pela própria abertura das demais salas. portanto o coeficiente de convecção externo nesse caso deve ser considerado como sendo hi = he = 7,15kcal/h.m².ºC.
Aplicando esses valores na equação (1), analisando o fluxo de calor em cada parede, tem-se:
	Carga térmica total para Parede 1 (“conjugada” em outra sala)
	Coeficiente global (U) (kcal/h.m².°C)
	Área (m²)
	ΔT°C
	Q (kcal/h)
	1,0637
	16,2
	5
	86,16
Parede 1, é necessário considerar que a sala vizinha tem aula no horário da manhã ou tarde, a variação de temperatura interna de uma sala para a outra não é superior a 5ºC. Nesse caso, considerou-se o ambiente do sala ao lado a uma temperatura de no máximo 29,0°C no decorrer do dia.
	 Carga térmica para Parede 2 
	Coeficiente global (U) (kcal/h.m².°C)
	Área (m²)
	ΔT°C
	Q (kcal/h)
	1,1744
	16,2
	10
	190,25
Parede 2, fica voltada para o lado externo, onde a temperatura externa é em média 10ºC maior que a temperatura do conforto térmico.
	Carga térmica para Parede 3 (Sem porta) lado corredor
	Coeficiente global (U) (kcal/h.m².°C)
	Área (m²)
	ΔT°C
	Q (kcal/h)
	1,0637
	26,1
	5
	138,81
Parede 3, voltada para o lado do corredor onde a temperatura devido a cobertura e circulação de vento é em media 5º maior que a temperatura de conforto térmico. Nesse caso, considerou-se o ambiente do corredor a uma temperatura de 29,0°C.
	Carga térmica para Parede 4 (Sem janelas) lado externo
	Coeficiente global (U) (kcal/h.m².°C)
	Área (m²)
	ΔT°C
	Q (kcal/h)
	1,1744
	14,74
	10
	173,10
Parede 3, voltada para o lado do corredor onde a temperatura devido a cobertura e circulação de vento é em média 5º maior que a temperatura de conforto térmico. Nesse caso, considerou-se o ambiente do corredor a uma temperatura de 29,0°C
3.1.2 Portas e Janelas
 	A porta mede 2,5m x 0,9m, fazendo uma média devido a porta ser feita parte em fibra de madeira, parte em vidro e outra parte em alumínio, de acordo com a tabela 3.3 e 3.1 do Creder (2011
	Carga térmica para 1 Porta de Madeira
	Coeficiente global (U) (kcal/h.m².°C)
	Área (m²)
	ΔT°C
	Q (kcal/h)
	1,66
	2,25
	5
	18,675
	Já a janela é feita em vidro tem-se que para o cálculo de carga térmica. o coeficiente global de transferência de calor para o vidro corresponde à: .
	Carga térmica para 3 janelas de vidro
	Coeficiente global (U) (kcal/h.m².°C)
	Área (m²)
	ΔT°C
	Q (kcal/h)
	5,18
	13,608
	10
	704,90
3.1.3 Teto
O teto é feito de laje e de gesso ½’’ (C = 10,99kcal/h.m².°C), tijolo comum (k = 0,62kcal/h.m.°C; meia vez l = 10cm), com o piso feito de nata de cimento com areia (k = 0,62kcal/h.m.°C;l = 2cm) (Dados retirados da tabela 3.1 do Creder (2011)) sob espaço não-condicionado (hi = he = 7,15kcal/h.m².ºC), assim possui uma diferença de temperatura segundo a Tabela 3.2 do Creder (2011) de ΔT = (5,5 + 0,6)°C. Assim, a partir da equação 2, tem-se:
Assim, .
	Teto da Sala
	Coeficiente global (U) (kcal/h.m².°C)
	Área (m²)
	ΔT°C
	Q (kcal/h)
	1,7722
	63
	6,1
	681,05
3.1.4 Piso
	O piso do ambiente é considerado como sendo, segundo a tabela 3.2 do Creder (2011) como “pisos do Térreo”. Logo, ΔT = 0°C e, portanto, Q = 0.
3.2 CARGA DEVIDO À INSOLAÇÃO – CALOR SENSÍVEL
	A energia solar é a mais poderosa energia que a superfície da terra recebe do universo, sendo aproveitada pelo homem como fonte de energia térmica. Ela é responsável pela maior parcela da energia utilizada nos cálculos da carga térmica (radiação e convecção). Para estimativa da carga térmica é importante saber o horário de funcionamento do estabelecimento para desse modo fazer o cálculo da incidência máxima do sol (CREDER, 2011).
	A Sala de aula é formada por quatro paredes, onde somente a parede 4, tem contato direto com o sol, já que devido a construções circunvizinhas a direita do bloco de aula I possui um laboratório assim a parede 2 acaba ficando boa parte do tempo na sombra. o horário de maior insolação da parede ocorre entre as 13h e 17h.
	A carga devido à insolação é determinada pela equação:
	
	
	(3)
Onde,
- A: é a área de transferência de calor (m²);
- U: é o coeficiente global de transferência de calor (kcal/h.m².°C);
- Te: temperatura do exterior (°C);
- Ti: temperatura interior (°C);
- : acréscimo ao diferencial da temperatura (informação retirada a partir da tabela 3.6 do Creder (2011)) (°C);
- Q: Carga térmica devido à insolação (W);
Tem-se pela tabela 3.6 que para uma parede de cor média voltada para o oeste no horário de 16:00h. 
	Carga térmica devido a insolação para Parede 4 à Norte
	Coeficiente global (U) (kcal/h.m².°C)
	Área (m²)
	Te (°C)
	Ti (°C)
	Δt°C
	Q (kcal/h)
	1,1744
	14,74
	34 
	24
	2,7
	219,84
Para analise da carga térmica devido a insolação sobre a janela de vidro comum serão utilizados os dados fornecidos pela tabela 3.5 do Creder (2011), que mostra os valores do coeficiente global de transmissão de calor através de vidros. Os dados selecionados serão os da linha referente ao período de 21 de Janeiro à 21 de Novembro, e da coluna correspondente ao horário de 14:00h. Assim, a carga térmica devido a insolação é determinada pela seguinte equação:
	
	
	(4)
	Carga Térmica devido a insolação para a Janela de vidro ao Norte
	Coeficiente global (U) (kcal/h.m²)
	Área (m²)
	Q(kcal/h)
	38
	13,61
	517,1
3.3 CARGA DEVIDO ÀS PESSOAS – CALOR SENSÍVEL E CALOR LATENTE
	Utilizou-se os dados fornecidos pela tabela 3.8 do Creder (2011), para determinação da carga térmica devido às pessoas. Essa tabela leva em consideração o calor liberado pelas pessoas em um ambiente com temperatura que pode variar no intervalo de conforto térmico de 21 – 29°C e que podem estar “Sentadas ou em Movimento Lento”. A Sala está à uma temperatura de 24°C, como já foi mencionado, e oferece um espaço físico com capacidade para circulação de 62 alunos e 1 professor. Para análise em questão, considera-se que os Alunos, assim como o professor são “Pessoas que estão sentados ou em movimento lento” (ver Figura 5).
Figura 5: Calor Liberado pelas Pessoas
Fonte: Creder, 2011.
Assim, é possível determinar o calor transmitido para o ambiente por meio das pessoas. Logo, soma-se o calor sensível mais o calor latente, multiplicando o resultado pelo quantidade de pessoas:
	Carga Térmica total para Pessoas sentadas ou em movimento
	Calor Sensível
	Calor Latente
	Quantidade total de pessoas
	Q (kcal/h)
	58
	42,1
	63
	6.306,30
3.4 CARGA DEVIDO AOS EQUIPAMENTOS
3.4.1 Iluminação
	Para iluminação da sala estão instaladas 36 Lâmpadas Fluorescentes do tipo fluorescentes com 23W de potência , segundo o Creder (2011), para se ter uma carga térmica em kcal/h, deve-se usar a relação:		
	 
	(6)
 
A iluminação fluorescente precisa de um equipamento para prover tensão necessária à partida e, após esta, a limitação de corrente. Esse equipamento é chamado de reator, que adiciona cerca de 20% de carga. Deste modo, para iluminação fluorescente a carga térmica pode ser calculada:
	
	
	(7)
Assim,
	Carga Térmica devido a Iluminação
	Quantidade de lampadas
	Potência de x1 lampada (W)
	Fator devido ao reator
	Q (kcal/h)
	36
	23
	1Kw = 860 kcal/h
	712,08
	Carga Térmica devido a Iluminação do projetor
	Quantidade de lampadas
	Potência de x1 lampada (W)
	Fator devido ao reator
	Q (kcal/h)
	1
	250
	1Kw = 860 kcal/h
	215,00
3.5. Carga devido a Infiltração
3.5.1 Método da Troca de ar
Para se calcular a carga sensível devido a entrada de ar na sala estudada, utilizamos a seguinte equação:
	 )
	(8)
Sendo:
q = calor sensível em kcal/h
Q = vazão do ar em m³/h
= temperatura externa em ºC 
 = temperatura interna em ºC
Através da utilização da Figura 11 referentes a infiltração de ar exterior, obtivemos os valores da vazão para portas bem ajustadas o valor de Q será igual à 6,5m³/h. e janela 3,0m³/h o devido local não possui janelas.
	Figura 11 Infiltração de Ar exterior
Fonte: Creder, 2011
Assim, aplicando a equação, temos que:
Para uma porta e uma janela:
3.5.2 Método das Frestas
O ar introduzido aumenta a carga térmica em calor sensível e também de calor latente. Para determinar esse calor latente, será utilizado a seguinte equação:
	 
	(9)
Sendo:
	 
	(10)
 = Peso especifico do ar em kg/ m³
Q = vazão do ar em m³/h
UE1 = Umidade especifica do ar na entrada em kg/kg
UE2 = Umidade especifica do ar no interior em kg/kg
	A determinação das umidades foram encontradas a partir das cartas psicrométricas, sendo UE2 = 0,0185 kg/kg e UE1 = 0,0098 kg/kg, onde esses valores foram obtidos por uma carta psicrométrica (ANEXO 1). 
	Para os mesmos valores de vazão do item anterior e um peso específico do ar de 1,2 kg/ m³, se torna possível a determinação do calor latente resultante das infiltrações.
.3
3.6 Carga devido à Ventilação
Se faz necessária a ventilação no local, para diluição de odores que estão local, sendo estes odores das mais diversas formas, como: o emitido por pessoas, fumaça, emitido por alimentos e etc. Sendo assim, se faz necessária a introdução deste ar necessário às pessoas.
Através da Figura 12 (Tabela 3.15, Creder (2011)) para ar exterior para ventilação, considerando que no local fumar é proibido, tem-se que Q = 50 m³/h, valor indicado para aplicações gerais preferível (por pessoas não fumantes). Sabendo que o número máximo de pessoas no local é de 63. Temos que Q = 3150m³/h.
	Figura 12 Ar exterior para ventilação
Fonte: Creder, 2011
Logo pela equação 8 temos que o calor sensível é:
O calor latente é calculado de acordo com as equações 9 e 10:
3.7 Carga Térmica Total
	De acordo com os valores obtidos a partir dos cálculos efetuados para condução, insolação, pessoas, equipamentos, infiltração e ventilação, podemos determinar através da soma dos mesmos o calor total a retirar do devido local, propiciando assim um conforto térmico desejado. 
	Cargas térmicas
	Calor sensível (kcal/h)
	Calor latente (kcal/h)
	Condução
	1992,945
	0
	Insolação
	736,94
	0
	Pessoas
	6306,30
	CALCULADO JUNTO
	Equipamentos
	0
	0
	Iluminação
	927,08
	0
	Infiltração
	56,55
	
	Ventilação
	
	
	Somatório
	19.154,81
	19301,12
	Total (soma dos calores)
	38455,93 kcal/h
	Carga térmica total (kcal/h)
	Carga térmica total (TR)
	Carga térmica total (BTU/h)
	38455,93 kcal/h
	3,1700
	121.905,30
ESPECIFICAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS
De acordo com os cálculos realizados e resultadosobtidos, vimos que o devido local necessita de 2 acondicionados que forneça no mínimo 60 000 BTU/h, Tendo em vista que os cálculos foram realizados para casos extremos e que uma sala de aula tem uma variação grande de quantidade de alunos, recomendaria 4 ar condicionados de 30.000 BTU/h para assim ficar bem distribuídos no ambiente e quando tiver poucos alunos no ambiente pode controlar quais devem ficar ligados e quais não.
Os aparelhos recomendados, foram:
Ar Condicionado Split Hi-Wall Samsung Max Plus 30.000 BTUs Frio 220V, Preço: R$ 2.619,00 (Serão 4 aparelhos com essas especificações).
 
Figura 13 Ar Condicionado Split Hi-Wall Samsung
	
Fonte: Multi-Ar, 2016
ANEXO 01
	Carta Psicrométrica
Fonte: VALCON, 2016.
REFERÊNCIAS
CREDER, Hélio. Instalações de Ar Condicionado. 6.ª ed., Rio de Janeiro,LTC – Livro Técnicos e Científicos Editora S.A., 2011.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Instalações centrais de ar condicionado para conforto – Parâmetros básicos de projeto, NB 10. Rio de Janeiro, 1980.