Volume de ar variável
O sistema VAV (Sistema de volume de ar variável) surgiu como uma solução para a crise norte-americana de petróleo nos anos 1970. Criou-se uma necessidade econômica de utilizar um sistema de menor custo com alta qualidade, passando a ser visto como a melhor solução, sendo utilizado em instalações AVAC (Aquecimento, Ventilação e Condicionamento de Ar) para conforto.
Com o VAV, a climatização se adapta em tempo real às necessidades do ambiente, evitando desperdícios e garantindo um desempenho otimizado.
Volume de ar constante (VAC) e volume de ar variável (VAV): Tipos de sistemas e seus funcionamentos
Existem diversas variações sobre a forma de controle da temperatura dos ambientes climatizados. Um exemplo, é o sistema de controle unitário, que mantém toda área atendida por uma mesma Unidade de Tratamento de Ar (UTA) e sob a mesma temperatura. Este sistema, em geral, tem um sensor de temperatura instalado no ambiente atendido ou no duto de retorno de ar, próximo à UTA, monitorando a mistura do ar do ambiente.
A partir do sinal emitido por esse sensor, a vazão de água gelada que passa pela serpentina da UTA, é regulada através de uma válvula de controle de duas ou três vias, ajustando, desta forma, a temperatura do ar insuflado. Esse sistema é conhecido como sistema de controle de temperatura com volume de ar constante (VAC), uma vez que não há variação na vazão do ar insuflado, e sim na sua temperatura.
Em sistemas de controle divididos por ambiente ou zonas (onde a temperatura pode ser regulada de forma independente), cada ambiente tem seu próprio sensor de temperatura, cujo sinal determina o posicionamento do damper (registro que regula a passagem de ar) de volume de ar variável (VAV), instalado no duto de insuflação do ambiente. Neste caso, a temperatura é regulada através do ajuste do volume de ar insuflado sobre o ambiente, conforme apresentado na figura 1.
Figura 1. Típico de diagrama para controle de climatização
Principais vantagens do sistema VAC
- Menor investimento inicial: Necessita de menor quantidade de controladores, instrumentação e equipamentos, pois não utiliza caixa VAV (assunto abordado na sequência deste artigo);
- Manutenção facilitada: Em virtude da centralização do fornecimento de ar condicionado em uma única UTA;
- Simples operação do sistema de AVAC: Em função do baixo número de equipamentos instalados;
- Qualidade do ar interior (IAQ): Sistemas de VAC apresentam maior autonomia sobre controle do fluxo de ar externo, que visam a renovação do ar interior, para manter a qualidade do ambiente.
Principais vantagens do sistema de VAV
O controle adequado do fluxo de ar é importante para os princípios fisiológicos, levando-se em consideração os parâmetros definidos pelas normas voltadas para a qualidade do ar interior (do inglês IAQ).
O sistema apresentado tem como aplicação principal a climatização por zonas, mas pode auxiliar em sistemas de distribuição de ar, pressurização, exaustão e renovação do ar interno.
Algumas vantagens são:
- Número menor de UTA’s;
- Menor espaço utilizado: Demanda por menor área necessária dedicada para as casas de máquinas das UTA’s;
- Custo de energia: Sistema que propõe reduções significativas no consumo da energia elétrica utilizada nos ventiladores das UTA’s;
- Dinâmico: Ajusta as temperaturas por zonas e conforme variação da ocupação dos ambientes e envoltória, gerando um ambiente mais confortável para os ocupantes;
- Flexibilidade: Um sistema VAV pode se adaptar automaticamente à distribuição do ar para uma nova distribuição de cargas de calor em uma zona, não sendo afetado por mudanças de layout do ambiente atendido.
Assim, no sistema de VAV para controle de temperatura, utiliza-se um sistema de controle em malha fechada, normalmente utilizando inversores de frequência, para determinar a velocidade do ventilador da UTA a partir da pressão na rede de dutos de insuflação de ar. Esse sistema, proporciona, dentre outros benefícios, uma significativa redução no consumo da energia elétrica consumida pelos ventiladores dos climatizadores quando operando em cargas parciais.
Sistemas VAV utilizam muito menos energia do que sistemas VAC, pois a velocidade do ventilador da UTA é reduzida para atender às exigências atuais de demanda dos ambientes. Ao contrário, o ventilador da UTA do VAC está sempre operando a uma velocidade que atenda às piores condições. A energia exigida pelo ventilador varia com o cubo do fluxo de ar, de maneira a que uma pequena redução no fluxo de ar pode ter um impacto significativo sobre o consumo de energia (vide gráfico na figura 2).
O sistema de VAV é também um grande aliado no tocante à distribuição uniforme de ar, pois possui ajustes de vazão máxima e mínima (através de controlador digital) para cada caixa VAV, garantindo que não seja insuflado no ambiente uma vazão de ar maior que o valor máximo configurado, bem como assegurando uma vazão mínima para renovação e circulação do ar ambiente.
Figura 2. Variação do consumo de energia pela variação da velocidade do ventilador
Os itens necessários na instalação que formam um sistema de condicionamento de ar através de VAV, constituem-se de:
– Dutos de distribuição com ar proveniente da UTA;
– Caixas VAV que, por padrão de fabricante, são fornecidas com a estrutura para medição multipontos de pressão diferencial (tubos de pitot) e damper para regulagem de vazão máxima e mínima através de sua abertura e fechamento (exemplificado na animação 1);
– Atuador de damper (normalmente com funcionamento elétrico, que fica acoplado ao damper para prover sua abertura e fechamento);
Figura 3. Atuador de Damper
– Sensor de temperatura ambiente para monitoramento da climatização do ambiente;
– Controlador digital que, por padrão dos fabricantes, embarca o sensor de pressão diferencial que será conectado na estrutura de medição (disponibilizada pelo fabricante da caixa VAV). Este mesmo controlador, receberá o sinal do sensor de temperatura do ambiente controlado e, com base nesta informação e no setpoint ajustado nas configurações do equipamento, irá ajustar a posição do atuador de damper (exemplificado na figura 4).
Figura 4. Controlador digital para sistemas de VAV.
Convencionalmente, os sistemas de VAV podem ser projetados de 2 maneiras:
- Single-Duct: Neste modelo de aplicação, há apenas um duto de insuflação de ar, proveniente de uma UTA dedicada para refrigeração. Opcionalmente, um reaquecimento do ar pode ser adicionado ao sistema, através de resistências elétricas ou fluxo de água quente em uma serpentina, ambos embarcados na caixa VAV. Sistemas de VAV com reaquecimento elétrico (HONEYWELL ENGINEERING MANUAL OF AUTOMATION, 2004, p 406), devem prever uma vazão mínima de ar para que a função de reaquecimento seja habilitada, como forma de proteção contra superaquecimento das resistências elétricas e possíveis danos ao sistema. Em sistemas single-duct, o controle de temperatura do ambiente é realizado diretamente pela quantidade de ar que será entregue ao ambiente. O controle desta variável fica também a cargo do controlador digital, que recebe a informação do sensor de temperatura ambiente e ajusta a posição do damper de acordo com a demanda de climatização atual do ambiente. Este modelo é o mais utilizado em sistemas de VAV no Brasil, e serve de base para o desenvolvimento deste artigo técnico.
- Dual-Duct: Constituído por dois dutos de insuflação, um para fornecimento de ar frio e outro fornecendo ar quente, proveniente de UTA’s distintas. Neste sistema o ar é misturado e a proporção da mistura é definida pela informação do sensor de temperatura instalado no duto de descarga do ar no ambiente, sendo tratado por um controlador digital que irá ajustar as posições dos dampers das VAVs (de ar quente e ar frio) conforme o setpoint ajustado e a variação da temperatura deste ar de mistura.
Controle do nível do CO2 por controle de ventilação por demanda (DCV)
Um meio de manter a qualidade do ar interno é diluir materiais indesejáveis como, por exemplo, dióxido de carbono, compostos orgânicos voláteis etc, através da inserção de ar externo no ambiente. Nesse tipo de aplicação, torna-se ainda mais desejável o controle por VAV, tanto para suas caixas, que atendem as necessidades de climatização dos ambientes, quanto para os ventiladores responsáveis pela inserção do ar externo por controle de ventilação por demanda (DCV) no sistema de tratamento de ar.
DCV é a forma de controle de inserção do ar externo capaz de apresentar as melhores reduções de custos com energia elétrica, com a otimização da utilização dos ventiladores de ar externo, controlando a variação da vazão de ar no monitoramento do nível de CO2 do ambiente interno (conforme figura 5).
Figura 5. Gráfico de comparação de desempenho do sistema DCV x Vazão constante de ar externo. (Fonte: adaptação da apresentação Comercial Carrier ComfortID)
Um dos índices que melhor representa o nível de contaminação de um ambiente é o nível de dióxido de carbono (CO2). Isso porque as pessoas liberam o gás como processo natural de seu metabolismo, por meio da respiração. Assim sendo, os níveis de CO2 fornecem um retrato adequado de como se encontra ocupado um determinado ambiente.
As normas e portarias estabelecem o nível de 1000 ppm (partes por milhão) de CO2 como nível máximo de concentração em ambientes climatizados. A Norma Standard 62.1 de 2016 da ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) apresenta que: “[…] é coerente com o processo de renovação de ar que seja permitido que o controle por demanda reduza a renovação total de ar externo em períodos em que o ambiente se encontra com baixa ocupação”.
A combinação destes dois sistemas (VAV e DCV) é atualmente o que existe de mais moderno para economia de energia em sistemas de ar condicionado. Os sensores de CO2 podem ser acoplados aos controladores do sistema VAV para que os dois trabalhem integrados fornecendo a quantidade e qualidade de ar necessárias ao ambiente. Como o sistema de volume de ar variável trabalha com dampers motorizados para cada ambiente, podemos fazer com que o ar exterior seja intensificado nas zonas mais ocupadas, otimizando o sistema como um todo.
Exemplos de aplicação
A utilização de sistemas de climatização com a aplicação de VAV têm avançado notoriamente onde as características do projeto permitem.
É preciso avaliar a necessidade de controlar a temperatura de bulbo seco (conforto térmico), umidade relativa, taxas de renovação de ar, bem como a necessidade de maior captação de ar externo e atenuação de níveis de ruídos. Essas, são premissas básicas para a definição de utilização de sistemas de VAV (CHEN & DEMSTER, 1996, p4).
Os sistemas VAV, são comumente aplicados em edifícios em que, durante o período de funcionamento, existe uma variação considerável na carga térmica interna, como em áreas comerciais, escritórios, zonas hospitalares, clínicas e consultórios, salas de aula e agências bancárias.
Figura 6. Exemplo de aplicação.
Transformando isso em números, tomaremos como exemplo uma instalação com potência de ventiladores de 100 kW, equivalente a 5 TR em potência de refrigeração para climatizadores. A simulação, apresentada na figura 5, considera o mesmo número de horas trabalhadas para os sistemas de VAC e VAV. Pode-se observar que ocorre uma redução significativa do consumo de energia dos ventiladores na aplicação de sistemas VAV.
Comparamos os custos de energia durante um ano dos ventiladores de uma instalação de ar condicionado, admitindo-se:
- 100 kWh de potência total de ventiladores
- 260 dias/ano e 10h/dia em funcionamento
- Custo de kWh de R$0,72
Considerando uma instalação de vazão constante temos:
260 dias x 10h x 100kWh x R$0,72= R$187.200,00
Preço Kwh R$0,72 x 72.650 = R$52.308,00
Economia por ano com Volume de Ar Variável R$134.892,00
