As maiores reclamações dos ocupantes de edifícios comerciais modernos são com falhas no sistema de condicionamento de ar que levam ao desconforto térmico, resultando em perda de produtividade e ao aumento do absenteísmo. Tipicamente, os salários e demais despesas com os funcionários chegam a mais de 90% dos custos de operação de um edifício comercial. Ações que melhorem a qualidade do ar e elevem a produtividade das pessoas podem criar efetivos benefícios aos usuários e, por consequência, ganhos financeiros para a empresa ou órgão público.

Considerando ainda que os maiores custos em uma edificação comercial são com as pessoas que lá estão, devemos admitir que outros parâmetros como a eficiência energética, a estética dos invólucros arquitetônicos, a redução do investimento inicial e das despesas de manutenção não podem chegar a um ponto que diminuam o conforto térmico.

No início dos anos 2000 os sistemas de distribuição de ar através de pisos elevados (UFAD) se tornaram uma real opção de projeto e trouxeram um incremento no conforto térmico e outras vantagens listadas. Porém, em muitas instalações tanto no Brasil como em outros países os resultados ficaram aquém dos planejados em projetos, deixando de proporcionar os esperados níveis de conforto térmico e eficiência energética.

Pode um sistema com as prerrogativas enumeradas resultar em instalações que não correspondem às expectativas? A resposta é sim, pode, e decisões equivocadas de projeto ou de execução sem os devidos cuidados costumam ser os culpados pelo desconforto causado aos usuários e custos com energia acima dos previstos, além do gasto com os reparos para correção destas falhas.

Neste texto levantamos fatos que impediram o bom funcionamento dos sistemas UFAD em instalações por nós projetadas e dezenas de outras no Brasil e nos Estados Unidos, além de como contornar as questões detectadas.

1. Vazões de ar no plenum de insuflação

Os prédios não têm cargas térmicas uniformes, mas requerem igualdade de temperatura nos espaços. Consequentemente, deve-se insuflar ar com diferentes temperaturas ou diferentes vazões por unidade de área. Nos sistemas UFAD não se pode simplesmente descarregar o ar no plenum sob o piso elevado e acharmos que teremos igualdade de temperatura em todo o ambiente. Áreas que têm elevada concentração de calor, como as zonas do perímetro ou salas de reunião, requerem mais resfriamento para mantermos a temperatura consistente. Locais de menor carga térmica, como salas de arquivo, circulações e salas de reunião desocupadas, a demanda do plenum é menor. Um dos maiores desafios no projeto está associado a assegurar vazões de ar corretas nos difusores de piso de modo que tenhamos um nível de temperatura adequado e um aumento da produtividade dos usuários.

Na maioria dos casos, as zonas periféricas, que necessitam de maior vazão de ar, são as mais distantes das unidades condicionadoras. Quando o ar é descarregado no plenum, as primeiras fontes das quais ele absorve calor são a própria estrutura e o piso elevado, causando uma imediata elevação de temperatura do ar. Ademais, em função do grande número de difusores, o escoamento do ar no plenum tem vórtices que tornam maior a permanência do ar neste espaço, o que causa uma elevação adicional da temperatura. Deve-se limitar a distância do ponto de descarregamento de ar ao mais remoto difusor em 15 metros. Se as condições arquitetônicas requererem maior distância, dutos devem ser utilizados para que mantenhamos a distância máxima de 15 metros entre o final do duto e o mais distante difusor. A elevação máxima da temperatura do ar escoando pelo piso não deve ser maior que 2.5ºC.  Independentemente da distância a ser percorrida pelo ar, a entrada no plenum deve ser através de duto com velocidade alta de até 12,5m/s para minimizar a permanência do ar no plenum e a elevação de temperatura no plenum. As preocupações que teríamos com as velocidades de descarga do ar no plenum são amenizadas pela atenuação sonora exercida pelas placas do piso elevado. Os parâmetros de projeto de dutos sob o piso diferem daqueles que utilizamos no insuflamento pelo teto no que se refere a velocidades do ar, nível de ruído e na secção máxima cuja largura não pode ser superior a 550 mm para passagem entre os pedestais do piso elevado. Se necessário, dutos múltiplos devem ser projetados.

A altura do plenum é outro ponto que deve ser seriamente observado. A experiência mostra que um plenum no início da operação do prédio tem seus cabeamentos bem ordenados sem que obstruam o escoamento do ar até os pontos de insuflação. Atualizações sucessivas têm em comum que cabos e outras partes desativadas permanecem sob o piso, criando novas barreiras para passagem do ar, além das barreiras que são as caixas dos difusores.  Uma diretriz para uma boa distribuição do ar é a altura do piso, entre 300 e 400 mm, e uma permanente organização de todas as utilidades que trafegam sob o piso.

Além das orientações já citadas devemos atentar se o pavimento inferior não é condicionado, verificando a necessidade de isolamento térmico sobre o piso para evitar a condensação no teto do pavimento abaixo.

2. Trajetória do ar de retorno

Um dos aspectos mais importantes a considerar em um sistema UFAD, que tem baixa pressão estática disponível no plenum, é o caminho do ar de retorno. Muitos projetos não deram a devida atenção a isto, resultando em falhas.

Sistemas com insuflação pelo teto normalmente utilizam pressões entre 100 Pa e 280 Pa, já computada a perda de pressão na trajetória do retorno do ar. Se estes sistemas têm perdas de pressão no retorno não consideradas, haverá uma sobre pressão no ambiente, mas nada que afete o conforto significativamente.

Já em sistemas UFAD, as pressões disponíveis ficam perto de 12,5 Pa, o que é uma vantagem por diminuir o consumo de energia no ventilador e reduzir perdas por vazamentos de ar no plenum. Isto, entretanto, requer uma perda de pressão no retorno perto de zero, e para tal a velocidade do ar nas grelhas de retorno do perímetro deve ser dimensionada para 0,5 m/s, e nas áreas internas próximas ao condicionador de ar para 1,0 m/s. Se a trajetória do retorno do ar tiver restrições severas, deve ser utilizado um ventilador no retorno. Também deve ser avaliada a necessidade de prever aberturas no ambiente para descarte de excesso do ar de retorno

3. Seleção de difusores

Ponto frequente nas instalações que não atendem às expectativas é a incorreta seleção e distribuição dos difusores de ar. Cada ambiente da edificação tem diferentes necessidades quanto a vazão de ar insuflado. Elas podem ser atendidas, em parte, pela correta seleção dos difusores de ar.  Eles podem ter regulagem manual ou regulagem automática, estes com variação da vazão de ar (VAV).

O dimensionamento dos difusores deve considerar uma velocidade de 2,0m/s no difusor e uma velocidade de 0,4 m/s um metro acima do piso. Os difusores de piso devem ser dimensionados para que a pressão disponível na entrada do difusor seja de 7,0 Pa e que no ambiente haja uma sobre pressão de 5,0 Pa.

Os difusores com controle manual são compostos por difusor indutor da mistura do ar e de grelhas de face com ajuste da vazão de ar. Os ocupantes podem alterar a vazão de ar a um nível que torne o espaço confortável para eles. Esses difusores são projetados para misturar o ar saindo do plenum a baixa velocidade com o ar existente no espaço ocupado com controle do raio de ação. A maior parte dos difusores tem uma vazão entre 14 e 70 l/s. Esses difusores têm sido usados com bons resultados, mas não controlam continuadamente a temperatura, não se fecham quando o espaço está desocupado e não enviam nenhuma informação para o sistema de automação do prédio (BAS).

Os difusores com controle automático foram a evolução dos manuais para suprir deficiências no ajuste das vazões de ar e proporcionar real controle individual da temperatura ambiente e, consequentemente, elevar o conforto térmico. Na variação da carga térmica das fachadas os difusores responderão automaticamente, permitindo que haja somente um sensor de temperatura e uma ação de controladora por fachada. Desta forma, para todas as variações de carga térmica haverá resposta do difusor pela variação da vazão de ar insuflado, estando o limitador da vazão incorporado ao difusor. Esta opção proporciona a integração dos difusores ao BAS, informando as condições das diversas áreas do prédio e a correta operação do sistema.

Os difusores de piso são a interface com o usuário e nos parece uma decisão errada a não utilização de difusores termostaticamente reguladores da vazão de ar. Os sistemas podem estar perfeitamente projetados e instalados, mas se na reta final do percurso do ar o controle e distribuição do ar tiver falhas, põe-se tudo a perder. Considerando que a utilização dos difusores automáticos tem uma elevação de custo da ordem de R$40/m2, é definitivamente um bom investimento.

4.Cálculo da carga térmica

A carga térmica da edificação é a mesma em qualquer sistema, porém, a vazão de ar pode ser perto de 15% menor nos sistemas UFAD. Os conceitos de cálculo da carga térmica utilizados tradicionalmente devem ser alterados para a configuração de carga dos sistemas UFAD. Basicamente, temos que manter a temperatura de conforto apenas na zona ocupada (até 2,0m do piso). As cargas que não têm impacto nesta zona, como as do trajeto do retorno do ar e no pleno de insuflação, não são consideradas para o cálculo da vazão de ar insuflado no ambiente. Com as cargas de retorno calculadas em separado, temperaturas no retorno superiores a 28ºC são consideradas usuais em sistemas UFAD.

Um bom procedimento é considerar na zona ocupada toda a dissipação de calor dos ocupantes, 20% da carga de iluminação do teto e 60% a 70% das cargas de equipamentos. Quanto às cargas da envoltória, deve-se considerar aquelas que estão dentro da zona ocupada.

É importante que os difusores do perímetro não insuflem ar diretamente contra as fachadas. É boa prática direcionar o ar dos difusores de geometria retangular da fachada 15º para o interior, desta forma é possível minimizar a convecção.

5.Controle do ponto de orvalho

Uma das críticas mais frequentes aos sistemas UFAD é o controle limitado do ponto de orvalho ambiente em função das relativas altas temperaturas do ar na saída da serpentina e na insuflação (perto de 18ºC), o que se verifica em diversas instalações. Esta falha está ligada unicamente às escolhas nos projetos.  O controle do valor adequado do ponto de orvalho ambiente (menor do que 14ºC) pode ser feito ou pela separação das cargas com a utilização de sistema dedicado de condicionamento do ar exterior (DOAS) ou pelo bypass de ar na serpentina do condicionador.

Na minha opinião, a melhor solução é termos um sistema de tratamento de ar exterior (DOAS) e disponibilidade de água gelada a duas temperaturas: 5,0ºC nos condicionadores do ar externo (DOAS) priorizando o processo de desumidificação do ar, e maior que 10,0°C nos condicionadores internos, operando com serpentinas secas e temperatura de bulbo seco de saída entre 15ºC e 16ºC.

A segunda opção é operar com apenas uma temperatura de água gelada (ou expansão direta), e descarregar no plenum uma mistura de dois fluxos: Um primeiro de ar resfriado e desumidificado na serpentina, com um segundo na condição da mistura de parte do ar de retorno com ar exterior. Este bypass pode ser feito no próprio condicionador ou externamente a este.

Em ambos os casos consegue-se insuflar ar a 18°C (ganho de 2,0ºC no plenum) e manter o ponto de orvalho ambiente abaixo de 14°C.

6. Construção do plenum sob o piso

Em todas as instalações de UFAD que apresentavam mau funcionamento, havia em comum a construção falha do plenum de insuflação, seja por má qualidade do piso elevado, seja por paredes mal-acabadas ou pelos motivos listados abaixo. Em nossos cadernos de especificações utilizamos no mínimo sete páginas para descrever como deve ser a construção dos plenuns, que deveria estar nas especificações de arquitetura. Fazemos isto, pois, o bom funcionamento do sistema UFAD depende fundamentalmente de uma boa construção do plenum. Infelizmente, percebemos nas obras que a cultura existente na construção civil não presta atenção aos detalhes para que se tenha estanqueidade e as áreas livres de passagem do ar necessárias. Podemos afirmar que a principal causa de falha verificada nos sistemas UFAD não é do instalador de condicionamento de ar e sim do empreiteiro da construção civil do prédio.

Em vazamentos de ar no sistema UFAD são classificados dois tipos de vazamentos. O primeiro, no invólucro do ambiente, são vazamentos por paredes, tetos e pisos. Estes ocorrem tanto do ambiente para seu exterior quanto no sentido contrário, incluindo os que ocorrem no plenum e no retorno de ar. O segundo tipo de vazamento é do plenum de insuflação para o ambiente condicionado, através de pisos defeituosos, frestas junto a paredes e aberturas para passagem de cabos de força e lógica. Este tipo de vazamento resulta em resfriamento excessivo do ambiente e correntes de ar sem controle para o ambiente.

Uma boa regra geral na instalação do plenum de insuflação é “quem faz um furo, tampa o furo”. O instalador que fez a abertura para passagem de tubulações, fiações e eletrodutos deve ser o responsável pela vedação deste furo após a instalação de seus aparatos. Isto se estende a paredes externas, divisórias, tetos e pisos.

O processo de instalação do piso elevado deve ter uma sequência de ações, antes e depois da sua execução, que deve ser cuidadosamente acompanhada e fiscalizada, pois poderá ser a razão do bom ou do mau resultado final do condicionamento de ar. Deve estar na obra documentação que estabeleça a sequência de operações para construção do plenum. Estas ações incluem desde a limpeza da laje e paredes, e verificação de que as aberturas estão seladas, até os testes finais de estanqueidade do plenum e a emissão de relatórios que atestem a estanqueidade.

Tão fundamental quanto o controle da qualidade da instalação do piso elevado são os cuidados com a manutenção da estanqueidade do piso que devem se prolongar durante toda a vida do sistema.

Uma outra questão que é constatada em pisos elevados é a continuidade de paredes divisórias abaixo do piso com o propósito de isolamento acústico.  Este fechamento traz consigo efeitos negativos como a interromper o fluxo de ar e a passagem de cabos e tubulações. Podemos afirmar que as aberturas no plenum sob as paredes não são o caminho de menor resistência para a passagem do som. As aberturas serão necessárias nesta extensão de paredes sob o piso neutralizando algum benefício acústico.

Conclusões

São inegáveis as vantagens dos sistemas UFAD quanto ao conforto térmico dos usuários, à qualidade do ar interno e à eficiência energética. A maioria das deficiências verificadas em parte das instalações foram citadas neste artigo, assim como possíveis soluções para saná-las. Conclui-se que apenas a adequada atuação do projetista e do instalador do sistema não bastam para o sucesso da instalação. É da maior importância a correta metodologia do construtor civil para obtenção da instalação íntegra do piso elevado.

Benefícios dos sistemas de distribuição de ar pelo piso – UFAD

– Redução do consumo de energia através do uso de temperaturas mais altas na água gelada com incremento do COP;

-Redução do uso de energia através de menores vazões, maior temperatura do ar insuflado e menor pressão estática nos ventiladores;

-Incremento na eficiência da ventilação (Ez = 1,2) e na qualidade do ar interior;

-Possibilidade de controle individual de temperatura;

-Redução do tempo da obra de instalação e de alterações;

-Flexibilidade máxima entre sistemas de AVAC para alterações de layout do ambiente;

-Comprovado incremento no conforto, saúde e produtividade dos ocupantes;

-Redução de até 80% da quantidade de dutos na edificação;

-Redução de custos de instalação e de ciclo de vida em comparação com sistemas VAV;

-Uso de UFAD cobre mais de 50% do custo do piso elevado, pois eliminam-se despesas com insuflamento pelo teto.

George Raulino, engenheiro mecânico, diretor da Engenharia de Sistemas Térmicos S/S e membro do DNPC.

Michael J. McQueeny P.E., Presidente da AirFixture

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