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Pesquisadora nas áreas de sustentabilidade e saúde da habitação. Tem como objetivo projetar e prestar consultoria a clientes com interesse na busca pelo Viver Saudável, uma interação equilibrada entre meio ambiente, pessoas  e o Lar em que habitam.

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Muita Luz e Amor,

Celina Lago

15 de nov de 2011

Climatização radiante por piso, teto e parede

Sistema baseia-se na troca de calor ou frio sensível por radiação

Radiação por piso, teto ou parede faz a permuta térmica entre o corpo humano e o ambiente a ser climatizado ou aquecido
(crédito: Unibrazil)
Ana Paula Basile Pinheiro
O conceito dos sistemas radiantes possui um princípio simples: desfruta a capacidade das superfícies (piso, teto e paredes) para trocar calor ou frio por radiação com o ambiente circunstante. O sistema garante um equilíbrio das temperaturas e corretas proporções das permutas térmicas entre o corpo humano e o ambiente a ser climatizado ou aquecido. Das três formas de transmissão de calor (condução, convecção e radiação), o piso e o teto usam a radiação, porém somente o teto trabalha com a convecção natural agregada. Ambos necessitam de ar tratado e seco insuflado para retirar a umidade do ambiente.
“A diferença é a inércia térmica, no teto radiante é mais baixa porque o piso tem a espessura da betonilha e o revestimento do pavimento. A escolha entre o piso ou o teto, ou ambos, é em função das características do imóvel, o espaço para instalar o sistema e o conforto pedido do cliente final. O sistema radiante atende em modo excelente a temperatura por não provocar movimentos de convecção no ar e o parâmetro da umidade é controlado por meio de um sistema dedicado que envia para os ambientes o ar neutro. Quando são usados para aquecimento não precisam de sistemas auxiliares. Para arrefecimento devem ser integrados com um sistema de desumidificação, porque o sistema radiante atende somente a carga sensível”, explica Tiziano Fogace, diretor da Unibrazil.

Entre as vantagens Fogace cita o conforto no verão e no inverno, funcionamento silencioso, ausência de correntes de ar, economia de energia, mais higiene e saúde, liberdade na decoração. Como o próprio nome diz, revela Danilo Decoussau, Gerente comercial - difusão da Tosi – Price, é o posicionamento do sistema por onde circulará a água. É a utilização da radiação para trocar cerca de 50% do calor do ambiente ficando a remoção de calor dos outros 50% sendo feita pela convecção natural criada pela diferença de temperatura do ambiente com o teto ou piso radiante.
“O sistema de climatização por radiação, remove com grande eficiência o calor sensível (temperatura) dos ambientes que em instalações de conforto tradicionais correspondem a cerca de 70% do calor total. O controle da umidade do ambiente deve ser feito por sistema complementar com circulação de ar, normalmente o ar externo de renovação”, informa Decoussau. Ele diz ainda que  piso radiante tem uso mais restrito. Ele é mais utilizado para a calefação do que para climatização aqui no Brasil. Para a climatização sua eficiência dependente da forma predominante de entrada do calor no ambiente, e da ocupação do mesmo. Pode ser utilizado em locais onde o piso recebe incidência direta de radiação solar. Já o teto frio ou as vigas frias são mais apropriados para a climatização, pois os tetos estão mais livres de interferências, e a convecção natural se dá com o ar quente que sobe devido a sua menor densidade.
Equipamento pode ser instalado na parede, piso ou teto

O engenheiro Celso Simões Alexandre, da TROX Latin-America, acrescenta que os dois sistemas se baseiam basicamente na troca de calor sensível entre a superfície e o ambiente: “Se você tem dentro de um ambiente uma dada temperatura e uma superfície com uma temperatura menor há uma troca de calor sensível entre a superfície e o ambiente. Essa troca se dá de duas maneiras, no caso dos tetos frios por radiação cerca de 55% e por convecção 45%. E porquê? Porque o ar junto ao teto frio arrefece por contato e ficando mais pesado desce permitindo que esse espaço seja ocupado por ar mais quente que estava debaixo e assim se criam correntes de convecção que  causam um movimento no ar mas a velocidades bem baixas sempre (no caso de tetos frios, vigas frias passivas é outra estória) menores que 0,15 m/s ou seja bem dentro da zona de conforto. No caso dos pisos só funciona a parte de radiação. Então o rendimento de resfriamento pelo teto é bem maior que no caso do piso frio. Apenas em um caso o rendimento do piso frio se iguala ao do teto frio. É quando se permite que os raios solares adentrem a instalação e aqueçam o piso da sala. Neste caso, ter piso falso, absorve diretamente a radiação que não se espalha pelo ambiente”, diz Simões.
Ele ressalta que há uma diferença no rendimento entre os dois sistemas: “No caso do piso, a temperatura é normalmente mantida a 20°C ou 21°C, dependendo do set point, lembrando que os pés ficam à temperatura do piso e para não haver desconforto a diferença de temperatura entre tornozelo e cabeça não deve ultrapassar os 3°C. Já a temperatura do teto, no seu valor mínimo (o que dá mais rendimento), é mantê-lo 1°C acima do ponto de orvalho, que para São Paulo, por exemplo, numa instalação a 24°C e 55% de umidade relativa, estaria por volta de 15°C. Então a temperatura do teto pode ser 16°C, daí também se justificar o maior rendimento”.
Sala de aula no Campus da USP – Universidade de São Paulo: O controle da umidade do ambiente deve ser feito por sistema complementar com circulação de ar, normalmente o ar externo de renovação

Aplicação e benefícios
Em qualquer projeto é possível utilizar o piso e teto radiante, inclusive os dois simultaneamente. Embora não seja uma prática muito usual aqui no Brasil, o sistema radiante pode tanto aquecer como resfriar os ambientes.
“É possível aplicar no teto o mesmo princípio de operação do piso radiante. O piso frio é um processo passivo, quer seja quente ou frio. No caso do piso radiante, usa-se uma estrutura para tubulação embutida no piso para condução do fluido térmico e dessa forma é possível chegar muito mais próximo da zona de ocupação comparado com um sistema de insuflação por dutos, proporcionando um conforto maior porque não há movimentação do ar, existe uma superfície fria no inverno que ajuda a trabalhar com temperatura mais alta do ar e obter a mesma sensação de conforto, isso vale também para temperaturas no verão, gastando menos energia e com isso chegar a retirar aproximadamente 70% da carga térmica do ambiente”, diz Francisco Dantas, diretor da Interplan – Planejamento e Engenharia Térmica Integrada. Ele alerta que para a aplicação de piso e teto radiante é necessário um sistema de desumidificação e renovação do ar, ou seja, um sistema de ar primário que irá distribuir o ar desumidificado e novo no ambiente.
Uma vantagem, segundo Dantas, é que em regiões de clima frio, onde em muitas situações pode-se ter água produzida através do próprio clima, por exemplo, Brasília (DF) onde na estação fria a temperatura é de 10°C , pode-se substituir a operação dos chillers pelas torres de resfriamento e, através do processo “freecooling”, resfriar a água para atender o sistema de piso e teto frio, em temperatura entre 15°C e 16°C como já dito. Isso também pode ser obtido na estação seca onde a temperatura permanece por volta dos 25°C a 30°C, com umidade do ar de 10 a 15%, onde as torres de resfriamento produzem água abaixo de 15°C e, por conseguinte, fazer todo o processo de climatização através das vigas e piso por um processo natural. Dantas estima que este processo pode ser realizado em pelo menos 50% do ano, variando de caso a caso, dependendo da climatologia do local.
Na opinião de Alexandre Alberico, diretor da Conter Engenharia, o teto radiante e/ou vigas radiantes fornecem grandes benefícios em ambientes que tem grandes fontes de calor sensível como escritórios, telemarketing, data centers, estúdios de gravação, etc. O fluxo de ar deve atender a umidade, ou seja, a convecção forçada remove o calor latente (e acaba reduzindo também um pouco do calor sensível), mantendo o ambiente dentro de uma faixa mais estreita de variação da umidade relativa. A radiação remove o calor sensível, portanto, controla a temperatura.
“Salas de reuniões que normalmente contém quantidades variadas de ocupantes também podem ser condicionadas com radiação, porém devem ter dispositivos adicionais no ar insuflado. O piso radiante tem uma aplicação menos eficaz, pois não conta com convecção natural e tem, portanto, sua adoção limitada”, diz Alberico.
Segundo ele, a limitação inclui ambientes com alta carga de calor latente com alta e constante taxa de ocupação e baixas cargas sensíveis, tais como cinemas. Já para salas de reunião deve-se avaliar a incidência da lotação máxima. Em grandes salas a frequente ocupação se dá por um número reduzido de pessoas sendo necessária a implementação de pequenos dispositivos especiais, de custo baixo. Um exemplo citado por ele na limitação da aplicação de piso radiante e ar insuflado pelas laterais seria o conector do Aeroporto Santos Dumont, no Rio de Janeiro (RJ), pois é constituído de grandes áreas envidraçadas e o ambiente com dutos ou forro radiantes teria seu visual prejudicado. De resto não há limitação.

Teto radiante e/ou vigas frias fornecem benefícios em ambientes que tem grandes fontes de calor sensível como escritórios, telemarketing, data centers, estúdios de gravação, etc.

“Vigas radiantes são usadas até mesmo em condicionamento ambiental em salas contendo microscópios eletrônicos usados na nanotecnologia onde as condições da velocidade do ar são muito críticas, da ordem de 5 metros por minuto. Na Alemanha e Suíça há cabines de controle do tráfego aéreo que utilizam radiação pelas paredes para condicionar o ambiente. Em leitos hospitalares, há a benéfica eliminação do fancolete e sua bandeja de água condensada”, informa Alberico.
Entre as vantagens e benefícios ele lista:
- Redução na cota do entre forro. Em lajes de 400 a 600 m², o duto pode chegar a 15 cm de altura. Isto significa mais uma laje a cada 10 mantendo a altura total inicial do empreendimento.
- Redução de 50% da área ocupada na laje para abrigar o equipamento do Sistema Convencional.
- Redução de 45% da potência elétrica instalada na parte de distribuição de “frio”.
- Eliminação dos fancoletes em áreas hospitalares (quartos de internação)
- Conforto térmico com a homogeneidade de temperatura seca e constância da umidade relativa no ambiente.
- Ausência de ruídos e fluxos incômodos gerados pela insuflação do ar.
- Baixo custo de manutenção na linha hidráulica do forro. Este sistema, que comumente chamamos de terciário, é isolado por um trocador de placa do tipo brazado. De um lado a linha secundária que vem da Central Produtora de Frio que pode conter impurezas e de outro a linha terciária que vai para o forro. Neste lado, uma vez compatibilizado com o lay out do projeto de interiores, praticamente não há operações de manutenção, pois o sistema hidráulico como é estanque não admite impurezas.Normalmente se faz somente uma avaliação anual da qualidade da água.          
Na questão do limite de aplicação, Simões alerta para os limites do ponto de orvalho: “Nos dois tipos é preciso estar atento às limitações do ponto de orvalho e limite de variação de temperatura entre tornozelo, no caso dos pisos frios, e, é claro, conseguir a carga térmica necessária.  Capacidades usuais são de 92 W/m² no caso dos tetos, e cerca de 50 W/m² no caso dos pisos, sem insolação direta”.
Decoussau compartilha a mesma opinião: “Este sistema em sua aplicação pura não é recomendado para locais com grande infiltração de ar externo com alta umidade como no andar de entrada de edifícios comerciais, pois o abre e fecha das portas pode provocar uma migração de vapor elevado deixando o ponto de orvalho do ar na no local acima da temperatura do painel, o que pode vir a provocar condensação. Outro limitante é seu custo inicial normalmente maior do que dos outros sistemas. Contudo, deve ser levado em consideração a redução dos custos iniciais proporcionado em outras áreas, como da construção que pode reduzir o pé direito dos andares, e elétrica cuja demanda total de energia será menor, e consequentemente seus custos de implantação”.
Desumidificação e renovação do ar
Na aplicação de sistemas radiantes os dois tipos só permitem controle de temperatura. Para controlar umidade é necessário ter sistema separado de insuflação de ar, não só para isso, mas também para atender as necessidades de higienização e renovação do ar ambiente.
Decoussau informa que como este sistema não é capaz de remover o calor latente seja ele interno ou do ar externo de renovação, é essencial a utilização de sistema dedicado para o tratamento do ar exterior, sistema este a ser dimensionado para remover não só o calor latente deste ar como também o calor latente produzido e eventualmente infiltrado no ambiente.
“Geralmente, este sistema opera recebendo água a cerca de 2°C acima da temperatura de ponto de orvalho do ambiente, para que não haja qualquer risco de condensação nas placas/painéis ou serpentinas. Como para uma temperatura de bulbo seco de 23°C com umidade relativa de 50% a temperatura de ponto de orvalho fica em torno de 12°C (10,3g de vapor de água por kg de ar seco), este sistema opera normalmente acima de 14°C. Para se garantir que a temperatura de ponto de orvalho fique após receber a carga latente interna em cerca de 12°C somos obrigados a inserir o ar externo de renovação com umidade absoluta inferior à  8,3 g/kg o que corresponde a uma temperatura de ponto de orvalho menor do que 8,0ºC. Em climas úmidos, só é possível se conseguir trazer o ar externo de suas condições originais para estas condições utilizando-se equipamentos dedicados ao tratamento do ar exterior geralmente com sistemas entálpicos de recuperação de calor acrescidos de ou fancoils com pelo menos 2 serpentinas de refrigeração, ou equipamentos de expansão direta complementados com rodas dissecantes”.
Segundo Dantas, nos sistemas dedicados ao tratamento e desumidificação, quanto mais o ar estiver ultra desumidificado, melhor.
“O ideal é retirar 4 gramas de vapor de água abaixo da umidade absoluta que requer o ambiente e com isso é possível retirar toda a carga de calor latente de desumidificação do ambiente apenas com a vazão do ar primário estritamente necessário para a renovação deste. Isso evita aquela quantidade enorme de dutos, elimina a necessidade de pé direito mais alto para embutir os dutos pelo teto, ou mesmo um piso elevado com maior altura para conduzir o ar de climatização, reduzindo assim gastos com infraestrutura dentro do espaço a ser climatizado. Uma vantagem é que tanto o piso como o teto frio, quer sejam vigas passivas ou ativas, ambos utilizam água a uma temperatura aproximada entre 15°C a 16°C, e isso traz uma eficiência energética na produção do frio, em relação ao sistemas convencionais que utilizam a temperatura entre 5°C a 6°C, da ordem de 30%, proporcionando grande economia de energia”, diz Dantas.
Para Alberico, sistemas dedicados de tratamento de ar externo que promovem a renovação do ar podem ser utilizados com qualquer tipo de sistema para condicionamento ambiental, seja radiação ou não. Ele diz que no Instituto Tomie Ohtake, em São Paulo (SP), por exemplo, há dois grandes condicionadores de alvenaria na última laje do prédio, que fazem o tratamento do ar externo. Com radiação aplicada em prédios modernos, que respeitam as normas do LEED quanto a estanqueidade do invólucro pode-se chegar a vazões de insuflação muito próximas às da vazão de ar externo.
Tratando essa vazão de ar externo em condicionadores (muitas vezes de alvenaria) em lajes de cobertura ou subsolos obtém-se:

- 100% de ar externo, sem ar de retorno e sem desperdício de energia;
- Melhor qualidade de ar;
- Garantia de que todos os ambientes recebem a taxa de ar externo correta por ocupante;
- Supressão do ar recirculante. Esse ar de retorno carrega impurezas e microorganismos de volta ao ambiente;
- Tratamento de todo o calor latente do ar externo fora do recinto ocupado (banheira de água condensada do fancoil);
- Possibilidade de recuperação e tratamento dessa quantidade de água que é de grande vazão, além dos outros benefícios da radiação.
Rio Mar Shopping: primeiro projeto no Brasil a utilizar piso frio em algumas áreas

Exemplos de utilização
Dantas cita como exemplo o Rio Mar Shopping, localizado em Recife (PE), previsto para ser inaugurado em julho de 2012 em fase experimental e abertura confirmada em outubro de 2012. O shopping possui 280 mil metros de área construída, incluindo os estacionamentos e atualmente encontra-se com cerca de 55% da estrutura pronta, inclusive as instalações do sistema de climatização.
De acordo com ele esse é o primeiro projeto no Brasil a utilizar piso frio em algumas áreas do shopping. “Não vimos necessidade de aplicar o piso frio nas lojas pelo fato de que ninguém irá garantir que o lojista irá perfurar o piso para colocar estrutura auxiliar na construção ou mesmo no funcionamento do shopping. O piso frio será aplicado no Mall, na praça de alimentação VIP do primeiro piso, e na praça de alimentação convencional localizada no terceiro piso”, informa Dantas.
A capacidade do Rio Mar Shopping em termos de ar condicionado possui 19.690 kW (5.600 TR), sendo 14.767 kW (4.200 TR) a CAG, e 4.922 kW (1.400 TR) obtidas através de processo de recuperadores de energia.
“O Rio Mar Shopping, a exemplo do Salvador Norte Shopping, possui também um sistema de climatização por vigas frias e levando em consideração a proporção entre os dois shoppings, o sistema de vigas frias do Rio Mar possui 3 vezes a potência instalada”.
Outro exemplo, citado por Simões é a instalação piloto feita em uma sala de aula no Campus da USP – Universidade de São Paulo. Para ele a grande vantagem e a razão principal de se ter ar condicionado, que é o conforto. 
“Estes sistemas só perdem, na minha opinião, em termos de conforto para sistemas de insuflação de ar pelo piso. No que se refere ao consumo de energia esses sistemas ar/água são declaradamente os mais eficientes. A diminuição da casas de máquinas ou ainda dependendo do caso, a eliminação de algumas, deixa livre para utilização ou aluguel ou venda de mais área interna, que quando comparados com sistemas tradicionais”, conclui Simões.

Abaixo, Alberico faz um comparativo dos benefícios de sistemas radiantes aplicado na Torre Faria Lima, do Instituto Tomie Ohtake, em São Paulo, e no
Edifício Sede da Petrobrás, no  Rio de Janeiro. Ambos possuem sistema DOAS, dedicado ao tratamento do ar de renovação. Instituto Tomie Ohtake - São Paulo (SP) – Torre Faria Lima:
- 40 fancoils no sistema convencional, passaram a 10 no sistema de radiação.
- Pé direito 2,50 com sistema convencional passou a 2,75 com sistema radiante.

Edifício Sede da Petrobrás - sexto pavimento:
- Sistema Convencional: 19 kW
- Sistema Radiante: 10 kW
- Projeção para todo o Edifício redução de: 357 kW
- Sistema Convencional: 204m² de área para equipamento
- Sistema Radiante: 102m² de área para equipamento
- Projeção para total Edifício: 1700m² disponibilizados
- Sistema Convencional: 7 fancoils de tamanhos diferentes
- Sistema Radiante: 2 fancoils mesmo tamanho,  2 bombas mesmo modelo.
- Projeção para o prédio todo: Convencional: 294 fan coils em 22 tamanhos diferentes; Radiante: 69 fancoils em 2 tamanhos, 76 bombas em 3 tamanhos.

Decoussau destaca entre as vantagens maior eficiência energética, com economia de pelo menos 20% sobre uma instalação de água gelada com fancoils e VAVs convencional; além de melhor qualidade do ar interior, com possibilidade de operar com 100% de ar de renovação; maior sensação de conforto térmico aos usuários por conta da redução dos fluxos de ar; silencioso, pois reduz drasticamente o nível de ruído produzido pelo sistema de ar condicionado, pois a vazão de ar do ambiente pode ser reduzida a apenas a vazão necessária para a renovação do ar; menores custos de manutenção, por reduzirem significativamente o número de conjuntos moto ventiladores e de filtros de ar da instalação; e também permite a redução do pé direito de edifícios comerciais ou a utilização em “retrofits” de edifícios sem espaço para a passagem de dutos grandes de ar condicionado.
Por Ana Paula Basile Pinheiro - Editora da revista Climatização & Refrigeração
Fonte: Portal e/a