No que diz respeito ao aquecimento, as necessidades de uma determinada pessoa dependerão de muitos fatores. Eles podem ser classificados em dois grupos principais, os relacionados ao entorno e os relacionados a fatores humanos. Entre os relacionados com o meio pode-se contar a geografia (latitude e altitude), o clima, o tipo de exposição do espaço em que a pessoa se encontra ou as barreiras que protegem o espaço contra o ambiente externo, etc. consumo de energia do trabalhador, o ritmo de trabalho ou a quantidade de esforço necessário para o trabalho, a roupa ou roupas usadas contra o frio e as preferências ou gostos pessoais.

A necessidade de aquecimento é sazonal em muitas regiões, mas isso não significa que o aquecimento seja dispensável durante a estação fria. As condições ambientais frias afetam a saúde, a eficiência mental e física, a precisão e, ocasionalmente, podem aumentar o risco de acidentes. O objetivo de um sistema de aquecimento é manter condições térmicas agradáveis ​​que previnam ou minimizem os efeitos adversos à saúde.

As características fisiológicas do corpo humano permitem que ele suporte grandes variações nas condições térmicas. O ser humano mantém seu equilíbrio térmico através do hipotálamo, por meio de receptores térmicos na pele; a temperatura do corpo é mantida entre 36 e 38°C, conforme mostrado na figura 1.

Figura 1. Mecanismos termorreguladores em seres humanos

Os sistemas de aquecimento precisam ter mecanismos de controle muito precisos, principalmente nos casos em que os trabalhadores realizam suas tarefas sentados ou em uma posição fixa que não estimule a circulação sanguínea nas extremidades. Onde o trabalho realizado permite certa mobilidade, o controle do sistema pode ser um pouco menos preciso. Por último, quando o trabalho executado ocorra em condições anormalmente adversas, como em câmaras frigoríficas ou em condições climáticas muito frias, podem ser tomadas medidas de apoio para proteger tecidos especiais, regular o tempo de permanência nessas condições ou fornecer calor por sistemas elétricos incorporados nas roupas do trabalhador.

Definição e Descrição do Ambiente Térmico

Um requisito que pode ser exigido de qualquer sistema de aquecimento ou ar condicionado em bom funcionamento é que ele permita o controle das variáveis ​​que definem o ambiente térmico, dentro de limites especificados, para cada estação do ano. Essas variáveis ​​são

1. temperatura do ar
2. temperatura média das superfícies internas que definem o espaço
3. umidade do ar
4. velocidades e uniformidade das velocidades de fluxo de ar dentro do espaço

Foi demonstrado que existe uma relação muito simples entre a temperatura do ar e das superfícies das paredes de um determinado espaço e as temperaturas que proporcionam a mesma sensação térmica percebida em uma sala diferente. Essa relação pode ser expressa como

onde

T_comer = temperatura do ar equivalente para uma dada sensação térmica

T_dbt = temperatura do ar medida com um termômetro de bulbo seco

T_ast = temperatura média medida da superfície das paredes.

Por exemplo, se em um determinado espaço o ar e as paredes estiverem a 20°C, a temperatura equivalente será de 20°C, e a sensação de calor percebida será a mesma de uma sala onde a temperatura média das paredes é 15°C e a temperatura do ar é 25°C, porque aquela sala teria a mesma temperatura equivalente. Do ponto de vista da temperatura, a sensação percebida de conforto térmico seria a mesma.

Propriedades do ar úmido

Na implementação de um projeto de ar condicionado, três coisas que devem ser levadas em consideração são o estado termodinâmico do ar do ambiente, do ar externo e do ar que será fornecido ao ambiente. A seleção de um sistema capaz de transformar as propriedades termodinâmicas do ar fornecido à sala será então baseada nas cargas térmicas existentes de cada componente. Portanto, precisamos conhecer as propriedades termodinâmicas do ar úmido. Eles são os seguintes:

T_dbt = a leitura da temperatura de bulbo seco, medida com um termômetro isolado do calor irradiado

T_dpt = a leitura da temperatura do ponto de orvalho. Esta é a temperatura na qual o ar seco não saturado atinge o ponto de saturação

W = uma relação de umidade que varia de zero para ar seco a W_s para ar saturado. É expressa em kg de vapor de água por kg de ar seco

RH = umidade relativa

t* = temperatura termodinâmica com bulbo úmido

v = volume específico de ar e vapor de água (expresso em unidades de m³/kg). É o inverso da densidade

H = entalpia, kcal/kg de ar seco e vapor de água associado.

Das variáveis ​​acima, apenas três são diretamente mensuráveis. Eles são a leitura da temperatura de bulbo seco, a leitura da temperatura do ponto de orvalho e a umidade relativa. Existe uma quarta variável que é mensurável experimentalmente, definida como a temperatura de bulbo úmido. A temperatura de bulbo úmido é medida com um termômetro cujo bulbo foi umedecido e que é movimentado, normalmente com o auxílio de uma tipóia, através de ar úmido não saturado a uma velocidade moderada. Esta variável difere por uma quantidade insignificante da temperatura termodinâmica com um bulbo seco (3 por cento), então ambas podem ser usadas para cálculos sem muitos erros.

Diagrama psicrométrico

As propriedades definidas na seção anterior estão funcionalmente relacionadas e podem ser representadas em forma de gráfico. Essa representação gráfica é chamada de diagrama psicrométrico. É um gráfico simplificado derivado de tabelas da American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers (ASHRAE). A entalpia e o grau de umidade são mostrados nas coordenadas do diagrama; as linhas traçadas mostram temperaturas secas e úmidas, umidade relativa e volume específico. Com o diagrama psicrométrico, conhecer quaisquer duas das variáveis ​​mencionadas permite derivar todas as propriedades do ar úmido.

Condições de conforto térmico

O conforto térmico é definido como um estado de espírito que expressa satisfação com o ambiente térmico. É influenciado por fatores físicos e fisiológicos.

É difícil prescrever as condições gerais que devem ser atendidas para o conforto térmico porque as condições diferem em várias situações de trabalho; condições diferentes podem mesmo ser exigidas para o mesmo posto de trabalho quando este é ocupado por pessoas diferentes. Uma norma técnica para as condições térmicas exigidas para o conforto não pode ser aplicada a todos os países por causa das diferentes condições climáticas e seus diferentes costumes que regem o vestuário.

Estudos têm sido realizados com trabalhadores que realizam trabalhos manuais leves, estabelecendo uma série de critérios de temperatura, velocidade e umidade que são apresentados na tabela 1 (Bedford e Chrenko 1974).

Tabela 1. Normas propostas para fatores ambientais

Os fatores acima estão inter-relacionados, exigindo uma temperatura do ar mais baixa nos casos em que há alta radiação térmica e exigindo uma temperatura do ar mais alta quando a velocidade do fluxo de ar também é maior.

Geralmente, as correções que devem ser realizadas são as seguintes:

A temperatura do ar deve ser aumentada:

• se a velocidade do fluxo de ar for alta

• para situações de trabalho sedentárias

• se a roupa usada for leve

• quando as pessoas devem ser aclimatadas a altas temperaturas internas.

A temperatura do ar deve ser diminuída:

• se o trabalho envolve trabalho manual pesado

• quando roupas quentes são usadas.

Para uma boa sensação de conforto térmico a situação mais desejável é aquela em que a temperatura do ambiente seja ligeiramente superior à temperatura do ar, e onde o fluxo de energia térmica irradiada seja o mesmo em todas as direções e não seja excessivo em cima. O aumento da temperatura pela altura deve ser minimizado, mantendo os pés aquecidos sem criar muita sobrecarga térmica. Um fator importante que influencia na sensação de conforto térmico é a velocidade do fluxo de ar. Existem diagramas que dão as velocidades do ar recomendadas em função da atividade que está sendo realizada e do tipo de vestimenta utilizada (figura 2).

Figura 2. Zonas de conforto baseadas em leituras de temperaturas gerais e velocidade das correntes de ar

Em alguns países existem normas para temperaturas ambientais mínimas, mas os valores ideais ainda não foram estabelecidos. Normalmente, o valor máximo para a temperatura do ar é dado como 20°C. Com as recentes melhorias técnicas, a complexidade da medição do conforto térmico aumentou. Muitos índices surgiram, incluindo o índice de temperatura efetiva (ET) e o índice de temperatura efetiva corrigida (CET); o índice de sobrecarga calórica; o Índice de Estresse Térmico (HSI); a temperatura de globo de bulbo úmido (WBGT); e o índice de Fanger de valores medianos (IMV), entre outros. O índice WBGT permite determinar os intervalos de descanso necessários em função da intensidade do trabalho realizado de forma a prevenir o estresse térmico nas condições de trabalho. Isso é discutido mais detalhadamente no capítulo Calor e Frio.

Zona de conforto térmico em um diagrama psicrométrico

A faixa do diagrama psicrométrico correspondente às condições em que um adulto percebe o conforto térmico foi cuidadosamente estudada e definida na norma ASHRAE com base na temperatura efetiva, definida como a temperatura medida com termômetro de bulbo seco em uma sala uniforme com 50 por cento de umidade relativa, onde as pessoas teriam o mesmo intercâmbio de calor por energia radiante, convecção e evaporação que teriam com o nível de umidade no ambiente local dado. A escala de temperatura efetiva é definida pela ASHRAE para um nível de roupa de 0.6 clo – clo é uma unidade de isolamento; 1 clo corresponde ao isolamento fornecido por um conjunto normal de roupas - que assume um nível de isolamento térmico de 0.155 K m²W^-1, onde K é a troca de calor por condução medida em Watts por metro quadrado (W m^-2) para um movimento de ar de 0.2 ms^-1 (em repouso), para uma exposição de uma hora a uma atividade sedentária escolhida de 1 met (unidade de taxa metabólica = 50 Kcal/m²h). Essa zona de conforto é vista na figura 2 e pode ser usada para ambientes térmicos onde a temperatura medida do calor radiante é aproximadamente a mesma que a temperatura medida por um termômetro de bulbo seco e onde a velocidade do fluxo de ar é inferior a 0.2 ms^-1 para pessoas vestidas com roupas leves e que realizam atividades sedentárias.

Fórmula de conforto: o método Fanger

O método desenvolvido por PO Fanger é baseado em uma fórmula que relaciona variáveis ​​de temperatura ambiente, temperatura radiante média, velocidade relativa do fluxo de ar, pressão de vapor d'água no ar ambiente, nível de atividade e resistência térmica da roupa usada. Um exemplo derivado da fórmula de conforto é apresentado na tabela 2, que pode ser utilizado em aplicações práticas para obtenção de uma temperatura confortável em função da roupa vestida, da taxa metabólica da atividade realizada e da velocidade do fluxo de ar.

Tabela 2. Temperaturas de conforto térmico (°C), a 50% de umidade relativa (com base na fórmula de PO Fanger)

Sistemas de aquecimento

O dimensionamento de qualquer sistema de aquecimento deve estar diretamente relacionado com a obra a executar e com as características do edifício onde será instalado. É difícil encontrar, no caso de edifícios industriais, projetos onde sejam consideradas as necessidades de aquecimento dos trabalhadores, muitas vezes porque os processos e postos de trabalho ainda não foram definidos. Normalmente os sistemas são projetados com um alcance muito livre, considerando apenas as cargas térmicas que existirão na edificação e a quantidade de calor que precisa ser fornecida para manter uma determinada temperatura dentro da edificação, sem levar em consideração a distribuição de calor, a situação dos postos de trabalho e outros fatores igualmente menos gerais. Isso leva a deficiências no projeto de certos edifícios que se traduzem em deficiências como pontos frios, correntes de ar, número insuficiente de elementos de aquecimento e outros problemas.

Para obter um bom sistema de aquecimento no planejamento de um edifício, algumas considerações devem ser feitas:

• Considere a colocação adequada do isolamento para economizar energia e minimizar os gradientes de temperatura dentro do edifício.

• Reduza ao máximo a infiltração de ar frio no edifício para minimizar as variações de temperatura nas áreas de trabalho.

• Controlar a poluição do ar através da extração localizada de ar e ventilação por deslocamento ou difusão.

• Controlar as emissões de calor devido aos processos utilizados no edifício e sua distribuição nas áreas ocupadas do edifício.

Quando o aquecimento for fornecido por queimadores sem chaminés de exaustão, atenção especial deve ser dada à inalação dos produtos da combustão. Normalmente, quando os materiais combustíveis estão aquecendo óleo, gás ou coque, eles produzem dióxido de enxofre, óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e outros produtos de combustão. Existem limites de exposição humana para esses compostos e eles devem ser controlados, especialmente em espaços fechados onde a concentração desses gases pode aumentar rapidamente e a eficiência da reação de combustão pode diminuir.

O planejamento de um sistema de aquecimento sempre envolve o equilíbrio de várias considerações, como baixo custo inicial, flexibilidade do serviço, eficiência energética e aplicabilidade. Portanto, o uso de eletricidade fora do horário de pico, quando poderia ser mais barato, por exemplo, poderia tornar os aquecedores elétricos mais econômicos. O uso de sistemas químicos para armazenamento de calor que podem ser usados ​​durante o pico de demanda (usando sulfeto de sódio, por exemplo) é outra opção. Também é possível estudar a colocação de vários sistemas diferentes em conjunto, fazendo-os funcionar de forma a otimizar os custos.

A instalação de aquecedores capazes de usar gás ou óleo de aquecimento é especialmente interessante. O uso direto de eletricidade significa consumir energia de primeira classe que pode ser cara em muitos casos, mas que pode proporcionar a flexibilidade necessária em determinadas circunstâncias. As bombas de calor e outros sistemas de cogeração que aproveitam o calor residual podem proporcionar soluções que podem ser muito vantajosas do ponto de vista financeiro. O problema com esses sistemas é seu alto custo inicial.

Hoje, a tendência dos sistemas de aquecimento e ar condicionado é buscar o funcionamento ideal e a economia de energia. Os novos sistemas incluem assim sensores e comandos distribuídos pelos espaços a aquecer, obtendo um fornecimento de calor apenas durante os tempos necessários para obter conforto térmico. Esses sistemas podem economizar até 30% dos custos de energia de aquecimento. A Figura 3 mostra alguns dos sistemas de aquecimento disponíveis, indicando suas características positivas e suas desvantagens.

Figura 3. Características dos sistemas de aquecimento mais comuns empregados em canteiros de obras

Sistemas de ar condicionado

A experiência mostra que ambientes industriais próximos à zona de conforto durante os meses de verão aumentam a produtividade, tendem a registrar menos acidentes, apresentam menor absenteísmo e, em geral, contribuem para a melhoria das relações humanas. No caso de estabelecimentos comerciais, hospitais e edifícios de grandes superfícies, a climatização necessita normalmente de ser direcionada para poder proporcionar conforto térmico quando as condições exteriores o exijam.

Em certos ambientes industriais onde as condições externas são muito severas, o objetivo dos sistemas de aquecimento é mais voltado para fornecer calor suficiente para evitar possíveis efeitos adversos à saúde do que para fornecer calor suficiente para um ambiente térmico confortável. Fatores que devem ser cuidadosamente monitorados são a manutenção e o uso adequado dos equipamentos de ar condicionado, principalmente quando equipados com umidificadores, pois podem se tornar fontes de contaminação microbiana com os riscos que esses contaminantes podem representar à saúde humana.

Hoje, os sistemas de ventilação e climatização tendem a cobrir, em conjunto e muitas vezes na mesma instalação, as necessidades de aquecimento, refrigeração e condicionamento do ar de um edifício. Múltiplas classificações podem ser usadas para sistemas de refrigeração.

Dependendo da configuração do sistema podem ser classificados da seguinte forma:

• Unidades hermeticamente fechadas, com fluido refrigerante instaladas na fábrica, que podem ser abertas e recarregadas em uma oficina. São aparelhos de ar condicionado normalmente utilizados em escritórios, residências e similares.

• Unidades semi-herméticas de tamanho médio, fabricadas em fábrica, que são de tamanho maior que as unidades domésticas e que podem ser reparadas através de aberturas projetadas para esse fim.

• Sistemas segmentados para armazéns e grandes superfícies, compostos por peças e componentes claramente diferenciados e separados fisicamente (compressor e condensador separados fisicamente do evaporador e da válvula de expansão). Eles são usados ​​para grandes edifícios de escritórios, hotéis, hospitais, grandes fábricas e edifícios industriais.

Dependendo da cobertura que oferecem, podem ser classificados da seguinte forma:

• Sistemas para uma única zona: uma unidade de tratamento de ar atende várias salas do mesmo prédio e ao mesmo tempo. As salas atendidas têm necessidades de aquecimento, refrigeração e ventilação semelhantes e são reguladas por um controle comum (um termostato ou dispositivo semelhante). Sistemas deste tipo podem acabar por ser incapazes de fornecer um nível de conforto adequado a cada divisão se o projeto de projeto não tiver em consideração as diferentes cargas térmicas entre divisões da mesma zona. Isso pode acontecer quando há um aumento na ocupação de uma sala ou quando são adicionadas luzes ou outras fontes de calor, como computadores ou copiadoras, que não foram previstas durante o projeto original do sistema. O desconforto também pode ocorrer devido a mudanças sazonais na quantidade de radiação solar que uma sala recebe, ou mesmo devido às mudanças de uma sala para outra durante o dia.

• Sistemas para zonas múltiplas: os sistemas deste tipo podem fornecer ar a diferentes zonas com diferentes temperaturas e humidades, aquecendo, arrefecendo, humidificando ou desumidificando o ar em cada zona e variando o fluxo de ar. Esses sistemas, mesmo que geralmente tenham uma unidade de resfriamento de ar centralizada e comum (compressor, evaporador, etc.), são equipados com uma variedade de elementos, como dispositivos que controlam o fluxo de ar, serpentinas de aquecimento e umidificadores. Estes sistemas são capazes de ajustar as condições de uma sala com base em cargas térmicas específicas, que detectam por meio de sensores distribuídos nas salas ao longo da área que atendem.

• Em função do caudal de ar que estes sistemas bombeiam para o edifício, classificam-se da seguinte forma:

• Volume constante (CV): esses sistemas bombeiam um fluxo constante de ar para cada ambiente. As mudanças de temperatura são efetuadas aquecendo ou resfriando o ar. Esses sistemas frequentemente misturam uma porcentagem de ar externo com ar interno reciclado.

• Volume variável (VAV): esses sistemas mantêm o conforto térmico variando a quantidade de ar aquecido ou resfriado fornecido a cada ambiente. Embora funcionem principalmente com base neste princípio de mistura, também podem ser combinados com sistemas que alteram a temperatura do ar que introduzem no ambiente.

Os problemas que mais frequentemente afectam este tipo de sistemas são o excesso de aquecimento ou arrefecimento, se o sistema não estiver ajustado para responder às variações das cargas térmicas, ou a falta de ventilação, se o sistema não introduzir uma quantidade mínima de ar exterior para renovar a circulação ar interior. Isso cria ambientes internos obsoletos nos quais a qualidade do ar se deteriora.

Os elementos básicos de todos os sistemas de ar condicionado são (ver também a figura 4):

• Unidades para reter matéria sólida, geralmente filtros de mangas ou precipitadores eletrostáticos.

• Unidades de aquecimento ou refrigeração do ar: o calor é trocado nestas unidades por troca térmica com água fria ou líquidos refrigerantes, por ventilação forçada no verão e por aquecimento com serpentinas elétricas ou por combustão no inverno.

• Unidades de controle de umidade: no inverno a umidade pode ser adicionada por injeção direta de vapor de água ou por evaporação direta de água; no verão pode ser removido por serpentinas refrigeradas que condensam o excesso de umidade no ar, ou por um sistema de água refrigerada em que o ar úmido flui através de uma cortina de gotas de água mais fria que o ponto de orvalho do ar úmido.

Figura 4. Esquema simplificado do sistema de ar condicionado

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