Em sistemas de ar-condicionado central é comum encontrar esse tipo de instalação. Talvez seja o sistema de ar-condicionado central mais sofisticado que existe, possibilitando entregar conforto com bastante economia de energia. Também é possível atender a demanda térmica de forma setorizada, sem ter que climatizar todos os ambientes de uma só vez, como uma laje corporativa que tem diversas salas de reunião. É possível condicionar somente as salas com pessoas, sem precisar esfriar o andar inteiro, tudo de forma 100% automática.
Porém, implementar uma instalação desse tipo não é algo tão simples. Existe grande dependência de uma instalação mecânica correta e, claro, a necessidade de um sistema de automação bem ajustado e corretamente configurado.
A seguir vamos abordar as principais características desse tipo de instalação e detalhar o sistema de automação envolvido.
1 -Fan-coil, com capacidade variável na serpentina de água gelada e no ventilador
O foco desse artigo é na automação das caixas VAV, porém, é importante apresentar de forma breve os controles envolvidos no fan-coil, que alimenta as caixas VAV com ar climatizado.
1.2 – Controle da serpentina
Relativamente simples, muito semelhante ao tipo de controle utilizado em fan-coils de vazão fixa. A principal diferença é a referência de temperatura utilizada para modular a válvula de água gelada. Em um fan-coil convencional, o sensor de temperatura é instalado no ambiente ou no retorno de ar. Em ambientes pequenos, um sensor instalado na sala é o suficiente. Se a área atendida pelo fan-coil for grande, pode ser interessante instalar diversos sensores com o objetivo de obter a média das temperaturas. O corredor de um shopping center é um exemplo. Também pode ser instalado um sensor no retorno, onde o ar já está misturado e com a média das temperaturas do ambiente.
No fan-coil de VAV o objetivo não é controlar a temperatura do ambiente de forma direta. Quem tem essa função são os controladores de caixa VAV. O fan-coil deve fornecer ar na temperatura adequada, definida pelo projetista. Essa temperatura fica em torno de 12ºC a 14ºC. O sensor geralmente é instalado logo após a serpentina de água gelada. Esse sensor de temperatura é ligado no controlador do fan-coil, um loop de controle PID faz os cálculos e envia um sinal para modular o atuador da válvula de água gelada. Essa por sua vez, geralmente é de duas vias, já que o sistema de distribuição de água provavelmente tem secundário com velocidade variável nas bombas. Mas isso é assunto para outro dia.
Figura 1 – Sistema de volume de ar variável
Figura 2 – Fan Coil de VAVs – Controle de Temperatura
Figura 3 – Fan coil de VAVs – Controle de Pressão – Itens 5 e 6
1.1 Controle de Pressão
Ainda no fan-coil, existe outro loop de controle, esse mais relacionado com as caixas VAV. É a malha de controle de pressão. Esse sensor de pressão de ar geralmente é instalado no ponto mais remoto da rede de dutos do fan-coil. A ideia aqui é saber se existe pressão estática suficiente para alimentar as caixas VAV mais distantes do fan-coil. O sinal desse sensor é enviado para o controlador, um segundo loop PID faz as contas e envia um sinal para um inversor de frequência que controla o motor do ventilador do fan-coil. Quando muitas caixas estão abertas, precisando esfriar os ambientes, a pressão estática na rede de dutos cai e o sistema de automação trata de acelerar o ventilador para estabilizar a pressão de acordo com o setpoint. Quando a carga térmica dos ambientes diminui e as VAV fecham, a pressão estática aumenta e o sistema de automação desacelera o ventilador.
1. Caixas VAV
Uma caixa VAV, de forma resumida, é um damper especial, construído para modular a vazão de ar que é insuflada em um determinado ambiente. Esse damper é conectado à um atuador elétrico que é comandado por um controlador eletrônico. O controlador mede a temperatura do ambiente e modula o damper com o objetivo de atingir a temperatura de conforto adequada.
Como foi abordado no tópico anterior, o fechamento de várias caixas VAV do sistema irá aumentar a pressão estática e, consequentemente, a velocidade do ventilador do fan-coil será reduzida. Isso é inteligente pois irá poupar potência de ventilação.
Figura 4 – Caixa VAV com atuador elétrico, controlador e tubos de pitot
Não é objeto desse artigo descrever todas as variações e tipos de caixas VAV que existem. Serão abordados os 2 mais comuns instalados no Brasil. Pelo fato de estarmos em um país tropical, é pouco comum a instalação de VAV com reaquecimento. Por essa razão esse tipo de caixa também não é foco desse artigo.
1.1 Caixas VAV com controle dependente de pressão
O tipo de caixa VAV mais simples é o com controle dependente de pressão. Como já visto, é um damper motorizado comandado por um controlador que mede a temperatura no ambiente. O resultado da abertura e fechamento do damper é a variação da vazão do ar insuflado. Isso permite o controle da temperatura de determinado ambiente. Nesse tipo de sistema, a vazão insuflada é totalmente dependente da pressão estática do duto principal. Se houver uma variação, haverá uma consequente alteração na vazão insuflada. Se a pressão sobe, a vazão sobe e o contrário também é válido.
Figura 5 – Tubos de pitot de caixa VAV
Para um melhor entendimento, imagine um sistema com duas salas, A e B, ambas ocupadas, alimentadas por duas caixas VAV, A e B. A temperatura está adequada e o sistema está estável em ambas. Num segundo momento os ocupantes da sala A vão embora. A temperatura começa a cair e, como consequência, o controlador começa a fechar a VAV da sala A. Com isso, a pressão estática no duto principal sobe e a vazão da sala B sobe. A sala B, que estava com temperatura estável, começa a esfriar por conta da vazão extra de ar. O sensor da sala B irá sentir isso depois de algum tempo e irá fechar um pouco o damper para voltar à estabilidade da temperatura.
A partir do exemplo é perceptível que esse tipo de caixa VAV depende muito da pressão no duto principal e tende a demorar um pouco para se adaptar às variações de pressão nele. Aqui também não é possível garantir que os ambientes estejam recebendo a vazão de ar projetada. É possível que existam desbalanceamentos no sistema.
1.2 Caixas VAV com controle independente de pressão
É um sistema mais sofisticado do ponto de vista de automação. Aqui, a principal diferença é que o controlador de VAV mede a vazão que está passando pela caixa. Isso é feito através de tubos de pitot, que medem as pressões total e estática. A diferença entre elas é a pressão dinâmica, que está associada à velocidade do ar. Se é possível medir a velocidade do ar, basta saber a área da caixa VAV para que o controlador faça o cálculo da vazão.
No sistema de VAV anterior – dependente de pressão – a malha de controle de temperatura atua diretamente no damper, sem nenhum controle sobre a vazão. No sistema independente de pressão, a malha de controle de temperatura determina qual a vazão adequada para o ambiente (lembre-se que aqui ela é medida) e uma segunda malha de controle de vazão é quem atua no damper. A principal diferença é que a caixa VAV estará sempre buscando manter a vazão e a temperatura estáveis, independente da pressão do duto principal.
A vantagem é que o sistema reage muito mais rapidamente às mudanças de pressão do duto principal. Outro grande benefício é que esse tipo de caixa VAV sempre opera dentro das vazões de projeto do sistema e evita desbalanceamentos de ar.
Um ponto de extrema atenção para as caixas VAV independentes de pressão é a correta configuração, o fator K. Foi citado anteriormente que existe uma relação entre pressão dinâmica e velocidade do ar. Essa relação não é linear. Além disso, para obter a velocidade do ar, é necessário saber o coeficiente ou o fator K da caixa. É um número adimensional, definido pelo fabricante através de testes e experimentos.
É muito comum encontrar sistemas configurados com o fator K de forma inadequada. A confusão muitas vezes acontece por conta da diferença das unidades de medida (vazão, área, pressão) adotadas pelos fabricantes do controlador e da caixa VAV. Se o fator K for definido de forma errada, provavelmente a leitura de vazão não estará certa. Isso obviamente prejudica o correto funcionamento do controle e impossibilita a obtenção de todas as vantagens do sistema de caixas de VAV independentes de pressão.
Equação 01 – Fórmula para cálculo de vazão em um controlador de VAV
João Fernando Tamanini Aguena, graduado em engenharia elétrica pela Universidade São Judas Tadeu e pós-graduado em Refrigeração e Ar-Condicionado pela FEI, é vice-presidente do DN de Automação e Controle da Abrava
(Fonte: HVACBRAIN, 2017)
REFERÊNCIAS
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CAVIQUE, GONÇALVES-COELHO. Axiomatic design and HVAC systems: An efficient design decision-making criterion. [Portugal], Outubro, 2007. Disponível em: <https://www.researchgate.net/publication/229199909_Axiomatic_design_and_HVAC_systems_An_efficient_design_decision-making_criterion/link/5c237726458515a4c7f9f104/download>. Acesso em: 20/07/2021.
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