ESTUDO DA CARGA TÉRMICA DO SISTEMA DE AR CONDICIONADO DA IGREJA MATRIZ DE SANTO ANTÔNIO EM PORCIÚNCULA-RJ

REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/ra10202410211554


Caio de Souza Almeida
Murilo Antonio Coutinho Marques
Orientador: Jarlison de Souza Silva
Coorientador: João Vitor de Souza Boechat


RESUMO

Os frequentadores da Igreja Matriz de Santo Antônio, localizada na região noroeste fluminense no município de Porciúncula, necessitam de conforto térmico. Ao longo dos últimos anos os fieis católicos têm sofrido com as altas temperaturas durante as missas e demais celebrações religiosas, sejam elas ministradas no período diurno ou noturno. Em vista disso, o objetivo principal do presente projeto foi conhecer a carga térmica necessária a ser retirada do local para que os frequentadores do templo cristão possuam o conforto térmico adequado para melhor participação nas celebrações administradas no local. Os cálculos realizados durante o projeto seguiram o modo não simplificado, já que levaram em conta uma série de fatores essenciais para fornecer a confiabilidade necessária aos projetistas e segurança para o contratante. Além disso, foi avaliado o melhor custo-benefício para a aquisição dos aparelhos de condicionamento de ar tipo Split. Após a execução dos cálculos, a carga térmica obtida no recinto foi de 77,446 TR. O referido sistema foi escolhido devido ao seu baixo custo de instalação e manutenção, mas, principalmente, por permitir que a arquitetura interior seja preservada por completo.

Palavras-chave: Carga Térmica; Conforto Térmico; Método não Simplificado; Sistema Split.

ABSTRACT

The attendees of the Church of Santo Antônio, located in the northwestern region of Rio de Janeiro state in the municipality of Porciúncula, are in need of thermal comfort. Over the past few years, Catholic faithful have struggled with high temperatures during masses and other religious ceremonies, whether held during the day or night. Therefore, the main objective of this project was to determine the necessary thermal load to be removed from the space so that the churchgoers can experience adequate thermal comfort, enhancing their participation in the religious ceremonies held there. The calculations carried out during the project were thorough, taking into account a variety of essential factors to provide the necessary reliability for the designers and safety for the client. Additionally, the best cost-benefit ratio for acquiring Split air conditioning units was evaluated. Following these calculations, the thermal load calculated for the premises was 77.446 tons of refrigeration (TR). This particular system was chosen due to its low installation and maintenance costs, but more importantly, because it allows for the preservation of the church’s interior architecture in its entirety.

Keywords: Thermal Load; Thermal Comfort; Non-Simplified Method; Split System..

1  INTRODUÇÃO

 Nos últimos anos, a região noroeste fluminense do Rio de Janeiro tem sido afetada por um aumento significativo nas temperaturas. Essa elevação térmica está provocando impactos negativos na região. Entre eles, destacam-se as mudanças nos padrões climáticos, que afetam diretamente as condições ambientais locais. Além disso, o aumento das temperaturas gera um desconforto térmico nas populações locais e nos ecossistemas, exigindo uma hidratação adequada e a busca de ambientes mais frescos.

 Porciúncula é uma pequena cidade localizada no interior do Estado do Rio de Janeiro. Com área territorial de 291,847 km2 e 17.288 habitantes, onde possui o catolicismo como principal forma religiosa. (IBGE, 2022).

 A Igreja Matriz de Santo Antônio, situada no município de Porciúncula, é considerada a principal edificação religiosa para as pessoas católicas na região. Com seu papel central na vida religiosa e cultural da comunidade, a igreja não serve apenas como um local de culto e devoção, mas também como palco para diversas celebrações religiosas, eventos comunitários e atividades culturais. No entanto, os frequentadores da igreja muitas vezes enfrentam o desconforto térmico no seu interior, especialmente em dias de elevada temperatura. 

 A tecnologia desempenha um papel crucial no combate às mudanças climáticas, fornecendo uma série de soluções para reduzir os impactos negativos das altas temperaturas. Graças a esses avanços, as pessoas são capazes de controlar a temperatura em ambientes fechados. Em praticamente todos os locais onde há fluxo de presença humana, o controle de temperatura é essencial. Naturalmente, isso inclui locais como as igrejas.

É necessário que, além do controle da temperatura, se faça também um controle da qualidade interna do ar para geração de conforto. (CREDER, 2004).

 Visando estas condições, o presente artigo tem como finalidade realizar um projeto de ar condicionado, utilizando o método de cálculo não simplificado para a Igreja Matriz de Santo Antônio, buscando proporcionar maior conforto e comodidade para os paroquianos, visitantes e demais pessoas envolvidas nas celebrações religiosas. 

2  REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1  Padrões climáticos

A região noroeste fluminense possui um clima tropical, caracterizado por verões quentes e invernos amenos. Nos últimos anos, essa área tem enfrentado desafios climáticos significativos. As temperaturas têm mostrado tendência de aumento, sendo o desmatamento citado como um dos principais responsáveis por essa elevação. Carvalho et al. (2021) ressaltam que “os impactos do aquecimento global na região Noroeste Fluminense são evidentes, com um aumento na temperatura média anual e mudanças nos padrões de precipitação “. 

Outro aspecto a ser considerado é o crescimento urbano desordenado, que contribui para o fenômeno das ilhas de calor. De acordo com Souza e Almeida (2022), a expansão das áreas urbanas sem um planejamento adequado, com pouca preservação de áreas verdes e a impermeabilização do solo, tem intensificado o aquecimento local. 

Com isso, a necessidade de adaptação a essas novas condições climáticas se torna urgente, mas ainda há desafios a serem enfrentados em termos de infraestrutura e políticas de gestão ambiental.

2.2  A tecnologia no combate às mudanças climáticas

A tecnologia oferece soluções inovadoras para reduzir seus impactos e adaptar as sociedades aos novos desafios ambientais. De acordo com Silva et al. (2020), a implementação dessas tecnologias pode contribuir significativamente para a descarbonização da economia, promovendo um futuro energético mais sustentável. 

Para reduzir o desconforto térmico das pessoas, uma das soluções mais comuns é o uso de ar-condicionado, que proporciona alívio imediato em ambientes internos. De acordo com Carvalho e Freitas (2021), a adoção de aparelhos de ar condicionado mais modernos e energeticamente eficientes pode reduzir significativamente o consumo de energia, minimizando o impacto ambiental causado pelo uso excessivo de eletricidade.

A escolha de materiais e cores para a construção e decoração de ambientes também pode influenciar o conforto térmico. Souza e Almeida (2022) destacam que o uso de cores claras nas superfícies externas das construções ajuda a refletir a luz solar, reduzindo a demanda por ar-condicionado.

2.3  Controle de temperatura 

O controle de temperatura em ambientes internos é essencial para garantir o conforto das pessoas durante reuniões e eventos. Estudos indicam que temperaturas inadequadas podem impactar negativamente a concentração e o bem-estar dos participantes. 

Outro aspecto importante é que ambientes com temperatura regulada favorecem a interação social. Segundo Costa a sensação de conforto térmico pode influenciar a disposição das pessoas em participar ativamente de discussões e colaborações, criando um ambiente mais harmonioso e produtivo (Costa et al., 2022). Portanto, o controle de temperatura não é apenas uma questão técnica, mas um fator essencial para a experiência coletiva em reuniões e eventos.

2.4  Método de cálculo não simplificado 

O método de cálculo não simplificado é uma abordagem que oferece uma análise mais detalhada e precisa em áreas da engenharia. O método não simplificado considera todos os parâmetros relevantes para o problema em questão. Segundo especialistas, essa abordagem é especialmente valiosa em situações complexas, onde múltiplas interações entre variáveis podem influenciar os resultados (Silva et al., 2021).

Além disso, o uso de modelos matemáticos mais elaborados permite uma previsão mais aprimorada de comportamentos em sistemas dinâmicos. O método de cálculo não simplificado se destaca como uma ferramenta indispensável para profissionais que buscam resultados confiáveis e eficazes

3  METODOLOGIA 

O artigo foi baseado em uma pesquisa quantitativa, onde foi possível fazer um levantamento detalhado da estrutura da igreja matriz Santo Antônio localizado em Porciúncula-RJ. Como as dimensões do espaço (medidas de comprimento, largura e altura), características das matérias (tipos de matérias que foi utilizado nas paredes, teto e piso) e equipamentos e ocupação (equipamentos eletrônicos presentes no local e número de pessoas). 

Também foi feita a coleta de dados climáticos utilizando termômetros digitais e higrômetros para medir a temperatura e a umidade relativa do ar em diferentes horários ao longo do dia.

O seguinte projeto foi baseado por completo em normas oferecidas pela ABNT, sendo elas:

•        ABNT (2018) ABNT NBR 16401-1: Instalações de Ar Condicionado – Sistemas Centrais e Unitários Parte 1: Projetos e Instalações, Rio de Janeiro. 

Estabelece os parâmetros básicos e os requisitos mínimos de projeto para sistemas de ar condicionado, centrais e unitários.

•        ABNT (2018) ABNT NBR 16401-1: Instalações de Ar Condicionado NBR 16401-2 – Instalações de Ar Condicionado – Sistemas Centrais e Unitários Parte 2: Parâmetros de Conforto Térmico, Rio de Janeiro.

Especifica os parâmetros do ambiente interno que proporcionem conforto térmico aos ocupantes de recintos providos de ar condicionado.

•        ABNT (2018) ABNT NBR 16401-1: Instalações de Ar Condicionado NBR 16401-2 – Instalações de Ar Condicionado – Sistemas Centrais e Unitários Parte 3: Qualidade do Ar Interior, Rio de Janeiro. 

Especifica os parâmetros básicos e os requisitos mínimos para sistemas de ar condicionado, visando à obtenção de qualidade aceitável de ar interior para conforto.

A carga térmica foi obtida com base nos valores de quantidade de calor latente e sensível, expressos em BTU/h, kcal/h ou TR. Essa carga é necessária para alcançar as condições desejadas de conforto térmico no ambiente. 

Pode-se adicionar carga térmica ao ambiente a ser condicionado através de diversos meios, tais como condução, insolação, dutos, presença de pessoas, equipamentos, infiltração e ventilação.

3.1  Ganhos por condução – calor sensível

Para a determinação da carga térmica utilizou-se a equação 2.1, onde o valor do coeficiente U, conhecido como coeficiente global de transmissão de calor, é definido como o fluxo de calor por hora através de um metro quadrado de superfície, quando há uma diferença de temperatura entre as superfícies da parede ou do teto.

Os valores de condutância superficial (h), trabalhados para calcular o coeficiente global de transmissão de calor, são fornecidos com base nas características de cor e rugosidade da superfície, além da velocidade do vento. Esses fatores têm influência direta na transferência de calor entre o ambiente e a superfície em questão. Os valores médios para h são: 

 Quando múltiplos materiais são usados em paredes que separam os ambientes, é necessário considerar as resistências que cada material apresenta ao fluxo de calor para obter cálculos mais precisos. Essas resistências são inversamente proporcionais às condutividades e condutâncias dos materiais e são somadas de maneira análoga às resistências em séries em um circuito elétrico (CREDER, 2004).

 O valor de U é obtido através de valores pré-definidos para os materiais utilizados na construção, conforme descrito na Tabela 1, assim como para janelas e paredes, conforme demonstrado na Tabela 2.

Tabela 1 – Coeficiente de transmissão de calor dos matérias de construção

Fonte: adaptada de CREDER – 2004

Tabela 2 – Coeficientes globais de transmissão de calor para janelas

Fonte: adaptada de CREDER – 2004

3.2 Ganhos por insolação – calor sensível

Para a transmissão de calor do sol através de superfícies transparentes, como o vidro, utilizou-se a equação 2.2.

 

A tabela 3, de origem americana, apresenta os valores do fator solar obtidos por ensaios para essa parcela, expressos em kcal/h por m² de área de vidro, ou em W/m2. Esses valores são calculados considerando uma janela sem proteção. No entanto, caso uma janela seja protegida por toldos ou persianas, é necessário multiplicar os valores obtidos pelos seguintes coeficientes de redução (φ):

 Estes valores são para janelas com esquadrias de madeiras, para esquadrilhas metálicas multiplica-se por 1,15. (O valor 1,15 se refere à margem de segurança, sendo uma forma de incluir uma margem extra no cálculo, assegurando que o sistema de climatização funcione de maneira eficiente mesmo em condições extremas).  

Tabela 3 – Coeficientes de transmissão do calor solar através de vidros (Fator Solar)

Fonte: adaptada de CREDER – 2004

 Para transmissão de calor do sol através de superfícies opacas, o cálculo é realizado através da equação 2.3.

Onde:

Tabela 4 – Acréscimo ao diferencial de Temperatura em ºC

Fonte: adaptada de CREDER – 2004

3.3 Ganhos devido às pessoas – calor sensível e latente

 O item 2.3 aborda a emissão de calor sensível e latente pelas pessoas que frequentam o local a ser condicionado, destacando a importante de análise do tipo de atividade realizada pelos frequentadores. 

 Para a realização do cálculo de carga térmica utilizou-se uma tabela de calor sensível e latente liberado pelas pessoas de acordo com suas atividades, obedecendo às diretrizes da norma NBR 16401. O cálculo é realizado com base na equação 2.4.

Onde: 

q = carga térmica total devido ao calor latente e ao calor sensível;

n = número de pessoas no local; 

q = carga térmica fornecida pela tabela 5.

 A Tabela 5 fornece o valor de carga térmica rme o tipo de movimento das pessoas e conforme o tipo de calor, sendo ele latente e sensível.

Tabela 5 – Calor liberado pelas pessoas

Fonte: adaptada de CREDER – 2004

3.4 Ganhos devido à iluminação e equipamentos – calor sensível e latente

 O item 2.4 aborda o ganho de calor sensível e latente resultantes dos equipamentos presentes no ambiente a ser resfriado, exercendo uma influência considerável na carga térmica total.

 O calor proveniente da iluminação, que é uma forma de calor sensível, pode ser gerado tanto por iluminação incandescente quanto por iluminação fluorescente. Para calcular essa carga térmica, são utilizados os valores de potência dissipada pelo sistema de iluminação, bem como a quantidade e o tipo de iluminação utilizada. Vale ressaltar que, para os equipamentos elétricos presentes no ambiente, será aplicada a mesma abordagem utilizada para a iluminação incandescente.

Para se obter a carga térmica em kcal/h, utiliza-se a relação 1 kW-h = 860 kcal.
Iluminação incandescente:
q = total de watts, em unidade SI;
q = watts x 3,4, quando q é dado em BTU/h.
Iluminação fluorescente:
q = total de watts x fator devido ao reator.

 A iluminação fluorescente requer um equipamento adicional para fornecer a tensão necessária à partida e, em seguida, a limitação de corrente. Esse equipamento é chamado de reator, que adiciona cerca de 20% de carga, quando na instalação só se dispõe de reatores duplos e de alto fator de potência, pode-se reduzir esta carga adicional (CREDER, 2004).

3.5 Ganhos devido à infiltração – calor sensível e latente

 O item 2.5 demonstra a carga térmica resultante do ganho de calor sensível e latente devido à infiltração em portas, janelas e outras aberturas.

 A carga devida à infiltração ocorre devido à entrada do ar exterior ao recinto através das frestas nas portas, janelas ou outras aberturas. Tal penetração adiciona carga térmica sensível ou latente. Para calcular essa carga térmica, pode-se empregar o método das frestas, embora seja importante mencionar a existência do método de troca de ar.

 No método das frestas, a quantidade de ar externo que penetra no ambiente depende da velocidade do vento. Dados de estudos de laboratório apresentados na Tabela 6, os quais, quando multiplicados pelo comprimento linear das frestas, fornecem a quantidade de calor que penetra no ambiente. Quando a pressão do ar do ambiente é superior à do exterior, não ocorre penetração do ar externo, e essa parcela pode ser desconsiderada.

O ar introduzido aumenta a carga térmica em calor sensível e latente. A carga de calor sensível é determinada pela equação 2.5, enquanto a carga de calor latente é calculada pela equação 2.6.

Onde:

Tabela 6 – Infiltração de ar exterior

Fonte: adaptada de CREDER – 2004

3.6 Ganhos devido à ventilação – calor sensível e latente

 O item 2.6 demonstra o ganho de calor sensível e latente devido à ventilação, considerando tanto o ar externo e interno do ambiente a ser condicionado.

 O ar insuflado em um espaço condicionado retorna ao equipamento de refrigeração, impulsionado pelo ventilador, cujo dimensionado deve ser adequado para superar todas as perdas de cargas estáticas e dinâmicas que são oferecidas em todo o circuito do ar. Parte desse ar é perdida através de frestas, aberturas, exaustores, entre outros, necessitando ser reposta pelo ar exterior. Além disso, há o ar necessário às pessoas, expresso em metros cúbicos por hora, conforme dados fornecidos pela Tabela 7, baseada na norma NBR 16401 (CREDER 2004).

 Este ar exterior introduz calor sensível e latente quando se mistura com o ar de retorno antes de passar pelo evaporador. Os valores correspondentes são obtidos utilizando as equações 2.5 e 2.6, respectivamente, para calor sensível e calor latente. 

Tabela 7 – Ar exterior para ventilação

Fonte: adaptada de CREDER – 2004

4  RESULTADOS E DISCUSSÃO

Neste capítulo são apresentados os cálculos realizados seguindo a organização e forma demonstrada no capítulo anterior.

4.1  Cálculo de carga térmica

Para facilitar a compreensão e visualização, os resultados da carga térmica calculada estão demonstrados na planilha de cálculo de carga térmica não simplificada demonstrada a seguir.

4.1.1 Cliente 

Tabela 8 – Dados do cliente

Fonte: autoria própria

4.1.2 Características do verão local 

Tabela 9 – Características do verão local

Fonte: autoria própria

4.1.3 Características da construção 

Tabela 10 – Características da construção

Fonte: autoria própria

4.1.4 Ganhos por condução – calor sensível 

 Os cálculos de ganhos por condução apresentados abaixo foram baseados nos perfis da igreja matriz Santo Antônio e nas temperaturas externas.

Tabela 11 – Ganhos por condução

Fonte: autoria própria

Os cálculos mostrados na tabela 11 indicaram que a contribuição do calor sensível resultante da condução é significativa, principalmente em paredes que estão exportas a radiação do sol direta.

4.1.5 Ganhos por insolação – calor sensível 

Os cálculos de ganhos por insolação foram calculados dando importância a diferentes orientações, tipos de revestimentos e atributos das aberturas da igreja matriz Santo Antônio.

Tabela 12 – Ganhos por insolação

Fonte: autoria própria

Os cálculos mostrados na tabela 12 indicaram que a insolação tem um papel significativo nos ganhos térmicos, podendo variar com as condições climáticas e a época do ano. 

4.1.6 Ganhos devido às pessoas – calor sensível e latente 

Os cálculos de ganhos térmicos devido às pessoas foram realizaram para avaliar seu impacto na carga total do sistema de ar condicionado.

Tabela 13 – Ganhos devido às pessoas

Fonte: autoria própria

Os cálculos mostrados na tabela 13 indicaram que a presença de pessoas na igreja matriz Santo Antônio é significativa para ganhos térmicos. 

4.1.7 Ganho devido aos equipamentos – calor sensível e latente 

Os cálculos de ganhos térmicos devido aos equipamentos foram realizados para avaliar seu impacto no desempenho do sistema de ar condicionado e no conforto térmico dos ocupantes.

Tabela 14 – Ganhos devido aos equipamentos

Fonte: autoria própria

Os cálculos mostrados na tabela 14 indicaram que os equipamentos contribuem de forma significativa para a carga térmica total na igreja matriz Santo Antônio. 

4.1.8 Calor devido à infiltração – calor sensível e latente

Através dos cálculos de ganhos térmicos devidos à infiltração, analisou-se a contribuição da infiltração para a carga total, considerando a qualidade do isolamento, as aberturas e as condições climáticas.

Tabela 15 – Calor devido à infiltração

Fonte: autoria própria

Os cálculos mostrados na tabela 15 indicaram que a infiltração tem um impacto notável na carga térmica da igreja matriz Santo Antônio. 

4.1.9 Resumo 

Tabela 16 – Resumo

Fonte: autoria própria

4.1.10 Ganho de calor devido à ventilação – calor sensível e latente

Tabela 17 – Ganho devido à ventilação

Fonte: autoria própria

4.1.11 Carga térmica total

4.1.11.1 Sensível

•        Item 9.1 = 122.742,115 kcal/h

•        Item 10.2 = 13.436,28 kcal/h

•        Subtotal = 136.178,395 kcal/h

4.1.11.2  Latente

•        Item 9.2 = 35.749,06kcal/h

•        Item 10.3 = 39.289,54 kcal/h

•        Subtotal = 75.038,6 kcal/h

4.1.11.3 Total

•        Item 11.1 = 136.178,395 kcal/h

•        Item 11.2 = 75.038,6 kcal/h

•        Subtotal = 211.216,995 kcal/h

Segurança 10% = 211.216,995 kcal/h x 1,1 

Total = 232.338,695 kcal/h

Total = 232.338,695 x 4 = 929.354,78 BTU/h

Total = 929.354,78 / 12.000 = 77, 446 TR

Como resultado final do cálculo da carga térmica contida no ambiente a ser condicionado foi obtido um valor de 929.354,78 BTU/h ou 77,446 TR. Isso revela uma grande quantidade de calor que deverá ser retirado do ambiente a ser condicionado.

5 CONCLUSÃO E CONSIDERAÇÕES FINAIS 

O estudo da carga térmica do sistema de ar condicionado revelou-se fundamental para o dimensionamento eficiente e eficaz do sistema de climatização. Ao analisar os diferentes componentes que influenciam a carga térmica, incluindo ganhos por condução, insolação, presença de ocupante, equipamentos, infiltração e ventilação, foi possível compreender a complexidade envolvida na dinâmica térmica da igreja matriz Santo Antônio localizada em Porciúncula-RJ.

Os resultados demonstraram que cada um desses fatores contribui de forma significativa para a carga térmica total, exigindo uma abordagem integrada para o projeto do sistema de ar condicionado. A consideração dos ganhos sensíveis e latentes, em particular, enfatizou a importância de um dimensionamento adequado que não apenas assegura o conforto térmico, mas também promova a eficiência energética.

O resultado obtido foi de 77.446 toneladas de refrigeração ou 929.354,78 BTU/h, necessário para alcançar um condicionamento ideal do ambiente interno. Isso garantirá conforto térmico para todas as pessoas no local, mesmo em condições de ocupação máxima e temperatura externa elevada.

Além disso, a implementação de estratégias de mitigação, como uso de matérias insolentes, a escolha de vidros de alto desempenho e a adoção de sistemas de ventilação controlada, pode reduzir significativamente a carga térmica, resultando em economia de energia e melhoria da qualidade do ar interno.

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