Condicionamento de ar
O condicionamento de ar é o processo de tratamento do ar interior em espaços fechados. Esse tratamento consiste em regular a qualidade do ar interior, no que diz respeito às suas condições de temperatura, umidade, limpeza e movimento. Para tal, um sistema de condicionamento de ar inclui as funções de aquecimento, arrefecimento, umidificação, renovação, filtragem e ventilação do ar. A função de desumidificação está normalmente associada à de arrefecimento. Alguns sistemas especiais podem incluir outras funções como a de pressurização do ar no interior de determinado espaço.
O condicionamento de ar já era aplicado na antiga Roma, onde a água de aquedutos era feita circular através das paredes de certas casas, para as arrefecer. O inventor chinês do século II Ding Huan inventou um ventilador rotativo para condicionamento de ar. Este ventilador era constituído por sete rodas com 3 m de diâmetro e operado manualmente. Em 747, o Imperador Xuanzong, da dinastia Tang mandou construir, no seu palácio, o Salão Fresco (Liang Tian) que é descrito como tendo ventiladores, acionados a água, para condicionamento de ar, bem como esguichos de água a partir de fontes. Durante a subsequente dinastia Song, as fontes escritas mencionam uma utilização crescente de ventiladores rotativos de ar condicionado. Na Pérsia medieval existiam edifícios que usavam cisternas e torres de vento (badgirs) para o seu arrefecimento nas épocas quentes. As cisternas abertas — semelhantes a piscinas — recolhiam a água da chuva. As torres de vento dispunham de aberturas que captavam o vento e de cata-ventos que direcionavam o fluxo de ar para o interior do edifício, normalmente passando sobre a cisterna e saindo por uma torre de arrefecimento situada a jusante da direção do vento. As torres e outros captadores de vento foram amplamente usados no mundo islâmico medieval, onde eram usados para o condicionamento de ar em muitas cidades.
Apesar do ar condicionado contribuir eficientemente para o conforto das pessoas, isso só acontece num meio ambiente como num escritório, numa sala, num hall, etc., mas por outro lado, no entorno do próprio meio climatizado, a solução mostra-se conflitante com o primeiro e segundo princípio da termodinâmica. Sem considerar o consumo excessivo da energia elétrica, consumida e dissipada na atmosfera, por ocasião do processo de intercâmbio de calor do agente refrigerador, essas unidades quando instaladas em locais onde possui pouca ventilação — tais como galerias de lojas, prismas de ventilação e etc — causam no mesmo ambiente em que vivem pessoas o temido efeito entrópico, antes só previsto em teorias do caos, e, como sabem os engenheiros, com o equilíbrio termodinâmico, não pode existir trabalho. Para não poluir diretamente o meio ambiente onde circulam as pessoas, a solução encontrada pelos montadores foi a instalação de condensadores remotos e torres de refrigeração no topo dos prédios, no entanto, mesmo assim, metade da energia consumida com o trabalho de climatização continua sendo simplesmente lançada na atmosfera sob a forma de calor, o que representa uma perda muito grande para o consumidor pagante e um prejuízo sem retorno para o ecossistema, nesse sentido começam a ser elaborados, aparelhos de climatização compactos que podem funcionar no mesmo ambiente climatizado e sem condensadores externos. Esses aparelhos, que dispõem de uma câmara de condensação do agente refrigerante integrada no próprio corpo do compressor, contam com a câmara resfriada com a própria água de consumo com a função de capturar o calor do condensador e compressor, transferindo-o para o meio hídrico para uso posterior em banhos.
Segundo as suas aplicações principais, o condicionamento de ar é dividido geralmente em ar condicionado de conforto e de processo. Em ambas as aplicações do ar condicionado, o objetivo poderá ser não apenas o controlo da temperatura, mas também da humidade, da qualidade do ar e do movimento do ar de espaço para espaço.
Ar condicionado de conforto
Em termos de conforto, as aplicações do ar condicionado têm como finalidade proporcionar um ambiente interior cujas condições se mantenham relativamente constantes, dentro dos padrões que ofereçam mais conforto às pessoas, apesar das variações das condições meteorológicas exteriores e das cargas térmicas interiores. A existência de ar condicionado permite a viabilidade do projeto de edifícios com plantas em profundidade que, caso contrário teriam que ser mais estreitos ou com poços de respiração de modo a permitirem a que os seus espaços interiores recebessem suficiente ar do exterior através de ventilação natural. O ar condicionado também permite que os edifícios sejam mais altos, uma vez que a velocidade do vento aumenta significativamente com a altitude, tornando a ventilação natural impraticável em edifícios muito altos. As aplicações de conforto para os vários tipos de edifícios são bastante diferentes e podem ser categorizadas da seguinte maneira:
Ar condicionado de processo
Em termos de processo, o ar condicionado destina-se a garantir condições ambientais adequadas à execução de um determinado processo, independentemente da carga térmica e umidade interiores e das condições meteorológicas exteriores. Apesar destas condições ambientais se incluírem frequentemente dentro dos padrões de conforto humano, são as necessidades do processo que as determinam e não as necessidades humanas. Aplicações de ar condicionado de processo incluem:
Um sistema de ar condicionado deverá cumprir as seguintes funções: A automatização do funcionamento dos sistemas de ar condicionado realiza-se, basicamente, mediante termostatos que comandam o funcionamento dos aparelhos e de umidostatos para o controlo da umidade. O sistema de controlo automático constitui um dos aspetos primordiais no funcionamento dos ares condicionados dado que — uma vez que o projeto das instalações se efetua normalmente em função das condições mais desfavoráveis ou críticas — o ar condicionado deve funcionar corretamente adaptando-se a todas as variáveis climáticas e de utilização que se requerem, devendo, por isso, contar com os controlos automáticos adequados, especialmente no casos de necessidades mais reduzidas ou parciais. Além disso, a optimização do consumo de cada uma das instalações em grandes edifícios, obriga adoção de um sistema de gestão técnica centralizada integral, que possibilite a operação de toda a instalação e a regulação do seu consumo energético, bem como uma diminuição dos custos de manutenção.
Arrefecimento e desumidificação
As funções de arrefecimento e de desumidificação realizam-se de forma simultânea nas baterias de refrigeração dos equipamentos de ar condicionado, normalmente no verão ou em outras épocas quentes e úmidas. Um elevada percentagem de umidade relativa do ar provocará uma sensação de incómodo e de peso. A umidade contida no ar que circula é eliminada por condensação efetuada quando este entra em contacto com a serpentina da bateria de arrefecimento, mantida a uma temperatura inferior à do ponto de orvalho. Em instalações industriais, que obrigam a uma desumidificação em grande escala, podem ser aplicados sistemas separados para o efeito, os quais utilizam agentes absorventes de umidade como a sílica gel.
Aquecimento
O aquecimento ou calefação do ar efetua-se — normalmente no inverno — na bateria de aquecimento, por meio de permutadores de calor a gás, de resistências elétricas ou de serpentinas de água quente ou vapor. Estas últimas, estão ligadas — através de tubagens e bombas — a caldeiras exteriores às unidades de tratamento de ar. Para aplicações de ar condicionado de conforto, em sistemas a água fria, pode utilizar-se a mesma bateria tanto para refrigerar como para aquecer o ar, fazendo circular água quente pela serpentina no inverno e água fria no verão. Em sistemas de expansão direta, também se pode usar a mesma bateria, através do sistema de bomba de calor.
Umidificação
No inverno, se o ar for aquecido sem se lhe aumentar a umidade, a umidade relativa do mesmo diminui, provocando a secagem das mucosas respiratórias, com os consequentes danos fisiológicos. A função de umidificação de um ar condicionado é, pois, efetuada no inverno através de umidificadores, colocados a jusante das baterias de aquecimento, uma vez que o ar mais quente absorve mais umidade. Existem dispositivos que evaporam a água contida num tabuleiro, por meio de uma resistência elétrica blindada, a qual é controlada por um umidostato de ambiente e de condutas. Nos casos de grandes instalações, recorre-se a baterias umidificadoras que introduzem no ar água pulverizada em pequenas gotículas. Estas baterias, são também chamadas "lavadores de ar" uma vez que também cumprem essa função.
Ventilação
A função de ventilação consiste na entrada de ar novo exterior, com o fim de renovar permanentemente o ar interior, nas proporções necessárias para se atingir e manter um adequado nível de pureza. Durante o processo de respiração das pessoas, existe o consumo de oxigénio e a emissão de dióxido de carbono, sendo portanto necessária a substituição do ar interior de um local fechado, para evitar que o mesmo fique viciado e com odores. O ar novo e o ar recirculado penetram numa câmara de mistura, onde são misturados, sendo posteriormente tratados e introduzidos no local a ventilar. Alguns sistemas de ar condicionado não reaproveitam e recirculam o ar extraído, usando apenas o ar novo.
Filtragem
A função de filtragem é feita pelos filtros e pré-filtros existentes nas unidades de tratamento de ar. Consiste em tratar o ar, através do uso de filtros adequados, com o fim de lhes retirar as poeiras, impurezas e outras partículas em suspensão. O grau de filtragem necessário, dependerá do grau de qualidade do ar interior que se quer obter e do grau de poluição do ar novo. Para a limpeza do ar, empregam-se filtros, que normalmente são do tipo mecânico, os quais são compostos por elementos porosos que obrigam o ar que passa por eles a lá deixar as partículas de poeira que leva em suspensão. Nas aplicações comuns de ar condicionado de conforto, usam-se filtros de poliuretano, de lã de vidro, de microfibras sintéticas ou de malha de aço ou alumínio embebida em azeite. Em instalações industriais ou laboratoriais e em outros casos especiais podem ser empregues filtros especiais, muito mais eficientes.
Circulação
A função de circulação é realizada pelo ventilador, uma vez que é necessário um certo movimento do ar nas zonas de permanência, com o fim de evitar a sua estagnação, ao mesmo tempo evitando que se formem correntes prejudiciais. A maioria das vezes, são usados ventiladores centrífugos, capazes de fazer circular os caudais de ar necessários, vencendo as resistências de fricção, mantendo um nível baixo de ruídos e vibrações. Nos equipamentos destinados a pequenos locais, como os ares condicionados de janela ou os ventiloconvectores individuais, o ar é distribuído diretamente, mediante grelhas de distribuição e retorno incorporadas nos mesmos. No entanto, em equipamentos de maior envergadura que abastecem vários espaços ou ambientes, o ar deve ser canalizado — através de condutas, geralmente construídas em chapa de ferro galvanizado, convenientemente isoladas — até às unidades terminais de distribuição.
Cada sistema de ar condicionado, inclui equipamentos de refrigeração destinados a arrefecer e a desumidificar o ar a ser tratado ou para resfriar a água que é enviada para as unidades de tratamento de ar. Todos estes sistemas funcionam com base no ciclo de refrigeração. Segundo o tipo dos seus equipamentos de refrigeração do ar, os sistemas de ar condicionado classificam-se em dois grandes grupos: de expansão direta e de expansão indireta (água refrigerada).
Expansão direta
Os equipamentos de expansão direta caraterizam-se por disporem de serpentinas onde expande um fluido refrigerante — absorvendo calor e arrefecendo o espaço em redor — que são atravessadas pelo ar a tratar, o qual é refrigerado pelo contato direto com elas. Podem ser usados equipamentos compactos autocontidos que são aqueles que reúnem, numa única caixa ou unidade, todas as funções requeridas para o funcionamento do ar condicionado. A totalidade do ciclo de refrigeração é realizada no interior da caixa do equipamento. Exemplos destes tipos de aparelhos, são os comuns ares condicionados individuais de janela ou os do tipo roof top unit (unidades compactas de cobertura) ou RTU com maior capacidade, que permitem a distribuição de ar mediante condutas.
Expansão indireta
Este tipo de sistema utiliza unidades de produção de água refrigerada (chillers), água essa que é distribuída pelos vários equipamentos de tratamento do ar, como as UTA, as UTAN ou os ventiloconvectores (fan-coils). Nestes equipamentos, existe uma serpentina — por onde circula a água fria — que é atravessada pelo ar a tratar, que em contacto com ela arrefece.
Ar condicionados de automóveis
Hoje em dia, muitos modelos de automóveis estão equipados com um sistema de ar condicionado, projetado de modo a dar uma maior sensação de conforto ao condutor e aos passageiros, durante as desconfortáveis viagens quentes e úmidas dentro de um veículo. Tem havido muito debate e discussão sobre o que o ar condicionado provoca em termos de eficiência no consumo de combustível de um veículo. Fatores como a resistência do vento, a aerodinâmica, a potência do motor e o peso do veículo têm que ser tidos em conta na busca pelo impacto real que o uso ou não uso do ar condicionado tem sobre o consumo de combustível. Outros factores, como o sobreaquecimento do motor de um veículo, também têm um impacto no sistema de arrefecimento do mesmo.
Ar condicionados portáteis
Um aparelho portátil de ar condicionado consiste num equipamento montado sobre rodas, o que lhe permite ser facilmente deslocado de um lado para o outro, dentro de uma casa ou escritório. Existem atualmente aparelhos portáteis com potências entre as 6000 e as 60 000 Btu/h (1800 — 18 000 W), que podem ou não incluir resistências elétricas de aquecimento. Os ares condicionados portáteis podem ser refrigerativos ou evaporativos. Os aparelhos portáteis de ar condicionado refrigerativo podem ser de dois tipos: de split ou de mangueira. Estes sistemas funcionam com um refrigerante baseado num compressor, sendo arrefecidos a ar, o que significa que usam o ar para a permuta de calor, da mesma forma que um ar condicionado típico de um automóvel ou doméstico. Um sistema desses desumidifica o ar ao mesmo tempo que o arrefece. Recolhe a água condensada do ar arrefecido e produz ar quente que deverá ser ventilado para fora do espaço a climatizar. Ao fazer isso, transfere o calor do ar do espaço climatizado para o ar exterior.
Bombas de calor
É designado "bomba de calor" um tipo de sistema de ar condicionado no qual o ciclo de refrigeração é reversível, podendo produzir calor em vez de frio no interior do espaço climatizado. Este tipo de sistema é também referido como "ar condicionado de ciclo inverso". Usar um ar condicionado desta forma, para produzir calor, é significativamente mais eficiente que o aquecimento realizado através de resistências elétricas. Os proprietários de algumas casas optam por instalar um sistema de bomba de calor que, na prática, consiste num sistema de ar condicionado central que inclui a funcionalidade de bomba de calor, utilizada com o ciclo inverso no inverno. Quando a bomba de calor é ativada, a serpentina de evaporação interior muda de função e torna-se serpentina de condensação, passando a produzir calor. A unidade de condensação exterior também muda de função, para servir de evaporadora, produzindo ar frio.
