Condicionamento de ar

Aparelho de ar condicionado.

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 é um dos elementos principais da tecnologia de AVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado).

O ar tratado num sistema de condicionamento de ar é designado "ar condicionado". Na linguagem corrente, o próprio processo de condicionamento de ar é referido como "ar condicionado". Por extensão, também são referidos como "ares condicionados" os aparelhos destinados ao condicionamento de ar.

A climatização constitui um processo semelhante ao condicionamento de ar, mas não inclui a função de umidificação ou outras das funções daquele.

História

O condicionamento de ar j� era aplicado na antiga Roma, onde a �gua de aquedutos era feita circular atrav�s das paredes de certas casas, para as arrefecer.

O inventor chin�s do s�culo II Ding Huan inventou um ventilador rotativo para condicionamento de ar. Este ventilador era constitu�do por sete rodas com 3 m de di�metro e operado manualmente. Em 747, o Imperador Xuanzong, da dinastia Tang mandou construir, no seu pal�cio, o Sal�o Fresco (Liang Tian) que � descrito como tendo ventiladores, acionados a �gua, para condicionamento de ar, bem como esguichos de �gua a partir de fontes. Durante a subsequente dinastia Song, as fontes escritas mencionam uma utiliza��o crescente de ventiladores rotativos de ar condicionado.

Badgirs no atual Ir�o.

Na P�rsia medieval existiam edif�cios que usavam cisternas e torres de vento (badgirs) para o seu arrefecimento nas �pocas quentes. As cisternas abertas - semelhantes a piscinas - recolhiam a �gua 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 edif�cio, normalmente passando sobre a cisterna e saindo por uma torre de arrefecimento situada a jusante da dire��o do vento. As torres e outros captadores de vento foram amplamente usados no mundo isl�mico medieval, onde eram usados para o condicionamento de ar em muitas cidades.

No Egito medieval, foram inventados ventiladores, usados em muitas casas do Cairo. A maioria destes ventiladores estavam orientados na dire��o da quibla, seguindo a orienta��o geral da cidade.

Na d�cada de 1600, o inventor holand�s Cornelius Drebbel fez a demonstra��o "transformando o ver�o em inverno", perante o Rei Jaime VI da Esc�cia e I de Inglaterra, atrav�s da adi��o de sal � �gua.

Em 1758, o norte-americano Benjamin Franklin e o brit�nico John Hadley conduziram uma experi�ncia para explorar o princ�pio da evapora��o como meio de arrefecer rapidamente um objeto. Franklin e Hadley confirmaram que a evapora��o de l�quidos altamente vol�teis - como o �lcool e o �ter - poderiam ser usados para diminuir a temperatura de um objeto at� ser inferior ao ponto de congela��o da �gua. Os dois conduziram a sua experi�ncia com o bolbo de um term�metro de merc�rio at� aos 7 �F (- 13,8 �C), enquanto que a temperatura ambiente se mantinha nos 65 �F (18,3 �C). Benjamin Franklin notou que, logo depois de se passar o ponto de congelamento da �gua (32 �F / 0 �C), uma fina pel�cula de gelo formava-se � superf�cie do bolbo do term�metro e que a massa de gelo tinha uma espessura como cerca de 6 mm quando a experi�ncia era parada ao atingir-se os 7 �F. Franklin concluiu que "Com esta experi�ncia, pode-se ver a possibilidade de se gelar um homem at� � morte num dia quente de ver�o".

Em 1820, o cientista brit�nico Michael Faraday descobriu que comprimir e liquefazer a am�nia poderia resfriar o ar, quando a am�nia liquefeita fosse permitida evaporar.

Em 1842, o m�dico norte-americano John Gorrie usou a tecnologia de compressor para criar gelo, o qual usava para arrefecer o ar para os pacientes do seu hospital em Apalachicola, Fl�rida. Ele esperava, eventualmente, usar a sua m�quina fazer gelo para regular a temperatura dentro dos edif�cios. Ele at� visionou futuros sistemas de ar condicionado central que pudessem arrefecer cidades inteiras. Apesar de seu prot�tipo ter vazamentos e funcionamento irregular, em 1851, foi concedida uma patente a Gorrie, pela sua m�quina de fazer gelo.

A primeira unidade moderna de ar condicionado foi inventada em 1902 por Willis Carrier, em Buffalo, nos EUA. Depois de se formar em engenharia mec�nica na Universidade Cornell, Carrier foi trabalhar para a empresa metal�rgica Buffalo Forge Company. Ali, Carrier iniciou experi�ncias com o condicionamento de ar, como forma de resolver um problema pr�tico para a empresa gr�fica Sackett-Wihelms Lithographing and Publishing de Nova Iorque. A Sackett-Williams deparava-se com o seu trabalho prejudicado no ver�o, esta��o em que o papel absorvia a umidade do ar e se dilatava. Por outro lado, as cores impressas nos dias �midos n�o se alinhavam nem se fixavam com as cores impressas em dias mais secos, o que gerava imagens borradas e obscuras.

Carrier teorizou que poderia retirar a umidade da gr�fica pelos resfriamento do ar. Segundo aquele princ�pio, projetou e construiu o primeiro aparelho de ar condicionado, que iria iniciar a sua opera��o a 17 de julho de 1902. Projetado para melhorar o controlo do processo de produ��o na gr�fica, a inven��o de Carrier controlava, n�o apenas a temperatura, mas tamb�m a umidade. Carrier usou o seu conhecimento em aquecimento de objetos com vapor e reverteu o processo. Em vez de enviar ar atrav�s de serpentinas quentes, enviou-o atrav�s de serpentinas frias, cheias com �gua fria. O ar, soprado atrav�s das serpentinas frias, era arrefecido e podia-se assim controlar a quantidade de umidade nele contida. Por sua vez, a temperatura na sala poderia ser tamb�m controlada. Os baixos n�veis de calor e umidade destinavam-se a manter constantes as dimens�es do papel e do alinhamento da tinta. Mais tarde, a tecnologia de Carrier foi aplicada para aumentar a produtividade nos postos de trabalho e a crescente procura daquela tecnologia levou � cria��o da empresa Carrier Air Conditioning Company of America, hoje uma grande ind�stria de AVAC. Com o passar do tempo, o ar condicionado veio a ser usado tamb�m para o conforto interior em resid�ncias e em autom�veis. Na d�cada de 1950, a utiliza��o de ares condicionados dom�sticos expandiu-se de forma dram�tica.

Em 1906, outro norte-americano, Stuart W. Cramer, estava a explorar formas de adicionar umidade ao ar, na sua f�brica t�xtil. Cramer criou o termo "condicionamento de ar" - usando-o num pedido de patente efetuado naquele ano - em analogia com o termo "condicionamento de �gua", ent�o um bem conhecido processo para tornar os t�xteis mais f�ceis de processar. Combinou a umidade com a ventila��o para condicionar e alterar o ar das f�bricas, controlando a umidade t�o necess�ria na ind�stria t�xtil. Willis Carrier adotou tamb�m o termo e incorporou-o no nome da sua empresa. Este tipo de evapora��o de �gua no ar, para produzir um efeito de arrefecimento, � agora conhecida como "arrefecimento evaporativo".

Os primeiros ares condicionados e frigor�ficos empregavam gases t�xicos ou inflam�veis como a am�nia, o clorometano e o propano, o que poderia resultar em acidentes fatais se houvesse um vazamento. Para os substituir, Thomas Midglev Junior criou o freon em 1928. O nome "freon" constitui uma marca comercial detida pela multinacional DuPont, aplicando-se a qualquer refrigerante dos tipos clorofluorcarboneto (CFC), CFC hidrogenado (HCFC) ou hidrofluorcarboneto (HFC). O nome espec�fico de cada um indica a sua composi��o molecular (ex.: R-11, R-12, R-22 e R-134A). A mistura mais utilizada no ar condicionado de conforto de expans�o direta � um HCFC conhecido como "clorodifluorometano" ou "R-22". Dever� deixar de ser utilizado em equipamentos novos em 2010 e completamente descontinuado em 2020. O R-12 constitu�a uma mistura muito utilizada em ares condicionados de autom�veis, sendo substitu�do pelo R-134A. T�m se desenvolvido v�rios tipos de refrigerantes menos prejudiciais para a camada de ozono - como o R-410A - aos poucos substituindo os antigos refrigerantes mais nocivos.

A inova��o em termos de tecnologia de ar condicionado t�m vindo a continuar, agora com uma �nfase colocada no aumento da efici�ncia energ�tica e na melhoria da qualidade do ar interior. A redu��o do impacto em termos de mudan�as clim�ticas constitui uma importante �rea de inova��o, uma vez que, al�m das emiss�es de g�s associadas ao uso de energia pelos sistemas de ar condicionado, os CFC, HCFC e HFC s�o, eles pr�prios potentes gases de estufa, quando vazados para a atmosfera. Por exemplo, o R-22 (tamb�m conhecido como "HCFC-22") tem um potencial de aquecimento global cerca de 1800 vezes superior ao do di�xido de carbono (CO2). Como uma alternativa aos refrigerantes convencionais, t�m sido propostas alternativas naturais como o CO2 (R-744).

Efeito entr�pico

Apesar do ar condicionado contribuir eficientemente para o conforto das pessoas, isso s� acontece num meio ambiente como num escrit�rio, numa sala, num hall, etc., mas por outro lado, no entorno do pr�prio meio climatizado, a solu��o mostra-se conflitante com o primeiro e segundo princ�pio da termodin�mica. Sem considerar o consumo excessivo da energia el�trica, consumida e dissipada na atmosfera, por ocasi�o do processo de interc�mbio de calor do agente refrigerador, essas unidades quando instaladas em locais onde possui pouca ventila��o - tais como galerias de lojas, prismas de ventila��o e etc - causam no mesmo ambiente em que vivem pessoas o temido efeito entr�pico, antes s� previsto em teorias do caos, e, como sabem os engenheiros, com o equil�brio termodin�mico, n�o pode existir trabalho.

Para n�o poluir diretamente o meio ambiente onde circulam as pessoas, a solu��o encontrada pelos montadores foi a instala��o de condensadores remotos e torres de refrigera��o no topo dos pr�dios, no entanto, mesmo assim, metade da energia consumida com o trabalho de climatiza��o continua sendo simplesmente lan�ada na atmosfera sob a forma de calor, o que representa uma perda muito grande para o consumidor pagante e um preju�zo sem retorno para o ecossistema, nesse sentido come�am a ser elaborados, aparelhos de climatiza��o compactos que podem funcionar no mesmo ambiente climatizado e sem condensadores externos. Esses aparelhos, que disp�em de uma c�mara de condensa��o do agente refrigerante integrada no pr�prio corpo do compressor, contam com a c�mara resfriada com a pr�pria �gua de consumo com a fun��o de capturar o calor do condensador e compressor, transferindo-o para o meio h�drico para uso posterior em banhos.

Alguns sistemas de refrigera��o especiais, que usam �gua de subsolo como suporte de climatiza��o, tamb�m est�o sendo desenvolvidos para uso em pr�dios antigos ou arquiteturas n�o voltadas para climatiza��o ambiental. O sistema integrado de condensa��o � um sistema semifechado que elimina a condensa��o remota oferecendo, ao usu�rio, um m�nimo de manuten��o.

Aplica��es do condicionamento de ar

Segundo as suas aplica��es principais, o condicionamento de ar � dividido geralmente em ar condicionado de conforto e de processo.

Em ambas as aplica��es do ar condicionado, o objetivo poder� ser n�o apenas o controlo da temperatura, mas tamb�m da humidade, da qualidade do ar e do movimento do ar de espa�o para espa�o.

Ar condicionado de conforto

Unidade de evapora��o interior de ar condicionado de conforto de uma habita��o.

Em termos de conforto, as aplica��es do ar condicionado t�m como finalidade proporcionar um ambiente interior cujas condi��es se mantenham relativamente constantes, dentro dos padr�es que ofere�am mais conforto �s pessoas, apesar das varia��es das condi��es meteorol�gicas exteriores e das cargas t�rmicas interiores.

A exist�ncia de ar condicionado permite a viabilidade do projeto de edif�cios com plantas em profundidade que, caso contr�rio teriam que ser mais estreitos ou com po�os de respira��o de modo a permitirem a que os seus espa�os interiores recebessem suficiente ar do exterior atrav�s de ventila��o natural. O ar condicionado tamb�m permite que os edif�cios sejam mais altos, uma vez que a velocidade do vento aumenta significativamente com a altitude, tornando a ventila��o natural impratic�vel em edif�cios muito altos. As aplica��es de conforto para os v�rios tipos de edif�cios s�o bastante diferentes e podem ser categorizadas da seguinte maneira:

1. Edif�cios residenciais baixos - incluindo casas monofamiliares e pequenos edif�cios de apartamentos;
2. Edif�cios residenciais altos - incluindo grandes blocos de apartamentos e hot�is;
3. Edif�cios de com�rcio e servi�os - incluindo edif�cios de escrit�rios, restaurantes, centros comerciais e espa�os industriais onde seja necess�rio o conforto dos trabalhadores;
4. Edif�cios institucionais - incluindo hospitais, reparti��es p�blicas e escolas;
5. Ve�culos de transporte - incluindo autom�veis, comboios, embarca��es, aeronaves e espa�onaves.

Ar condicionado de processo

Unidade de ar condicionado de processo, de um hospital.

Em termos de processo, o ar condicionado destina-se a garantir condi��es ambientais adequadas � execu��o de um determinado processo, independentemente da carga t�rmica e umidade interiores e das condi��es meteorol�gicas exteriores. Apesar destas condi��es ambientais se inclu�rem frequentemente dentro dos padr�es de conforto humano, s�o as necessidades do processo que as determinam e n�o as necessidades humanas. Aplica��es de ar condicionado de processo incluem:

1. Salas de cirurgia - nas quais, o ar � altamente filtrado para reduzir os riscos de infe��o e a umidade � controlada para limitar a desidrata��o dos pacientes. Apesar das temperaturas se encontrarem dentro dos padr�es de conforto, alguns procedimentos de especialidades, como as opera��es de cora��o aberto, necessitam de baixas temperaturas (cerca de 18 �C) e outros, como as que lidam com rec�m-nascidos, necessitam de temperaturas relativamente altas (cerca de 28 �C);
2. Salas limpas - para a produ��o de circuitos integrados, de produtos farmac�uticos e outros, cujos processos precisam de n�veis muito elevados de limpeza do ar, bem como um estrito controlo da temperatura e umidade;
3. Viveiros para a cria��o artificial de animais - uma vez que muitos animais normalmente s� se reproduzem na primavera, mant�-los em instala��es com condi��es ambientais que refletem as daquela �poca permite a sua reprodu��o durante o ano inteiro;
4. Aeronaves - apesar de, normalmente, de destinar ao conforto dos passageiros e tripula��o e ao arrefecimento do equipamento, as condi��es do ar condicionado das aeronaves constituem um desafio especial devido � altera��o da densidade do ar associada �s mudan�as em termos de altitude;
5. Centros de processamento de dados;
6. F�bricas t�xteis;
7. Instala��es de testes de resist�ncia mec�nica;
8. Estufas e outras instala��es para a cria��o de plantas;
9. Instala��es nucleares;
10. Laborat�rios qu�micos e biol�gicos;
11. Minas;
12. Instala��es com ambientes industriais;
13. Cozinhas e outras instala��es de processamento de alimentos.

Fun��es dos sistemas de ar condicionado

Unidades condensadoras exteriores na fachada de edif�cio em Hong Kong.

Condutas interiores de ar condicionado de um sistema centralizado.

Um sistema de ar condicionado dever� cumprir as seguintes fun��es:

1. Arrefecimento - no ver�o;
2. Desumidifica��o - no ver�o;
3. Aquecimento - no inverno
4. Umidifica��o - no inverno;
5. Ventila��o - no ver�o e inverno;
6. Filtragem - no ver�o e inverno;
7. Circula��o - no ver�o e inverno.

Estas fun��es dever�o realizar-se:

1. Automaticamente;
2. Sem ru�dos e vibra��es inc�modas;
3. Com o menor consumo energ�tico poss�vel.

Arrefecimento e desumidifica��o

As fun��es de arrefecimento e de desumidifica��o realizam-se de forma simult�nea nas baterias de refrigera��o dos equipamentos de ar condicionado, normalmente no ver�o ou em outras �pocas quentes e �midas. Um elevada percentagem de umidade relativa do ar provocar� uma sensa��o de inc�modo e de peso. A umidade contida no ar que circula � eliminada por condensa��o efetuada quando este entra em contacto com a serpentina da bateria de arrefecimento, mantida a uma temperatura inferior � do ponto de orvalho.

Em instala��es industriais, que obrigam a uma desumidifica��o em grande escala, podem ser aplicados sistemas separados para o efeito, os quais utilizam agentes absorventes de umidade como a s�lica gel.

Aquecimento

Ver artigo principal: Calefa��o

O aquecimento ou calefa��o do ar efetua-se - normalmente no inverno - na bateria de aquecimento, por meio de permutadores de calor a g�s, de resist�ncias el�tricas ou de serpentinas de �gua quente ou vapor. Estas �ltimas, est�o ligadas - atrav�s de tubagens e bombas - a caldeiras exteriores �s unidades de tratamento de ar.

Para aplica��es de ar condicionado de conforto, em sistemas a �gua fria, pode utilizar-se a mesma bateria tanto para refrigerar como para aquecer o ar, fazendo circular �gua quente pela serpentina no inverno e �gua fria no ver�o. Em sistemas de expans�o direta, tamb�m se pode usar a mesma bateria, atrav�s do sistema de bomba de calor.

Umidifica��o

No inverno, se o ar for aquecido sem se lhe aumentar a umidade, a umidade relativa do mesmo diminui, provocando a secagem das mucosas respirat�rias, com os consequentes danos fisiol�gicos. A fun��o de umidifica��o de um ar condicionado �, pois, efetuada no inverno atrav�s de umidificadores, colocados a jusante das baterias de aquecimento, uma vez que o ar mais quente absorve mais umidade.

Existem dispositivos que evaporam a �gua contida num tabuleiro, por meio de uma resist�ncia el�trica blindada, a qual � controlada por um umidostato de ambiente e de condutas. Nos casos de grandes instala��es, recorre-se a baterias umidificadoras que introduzem no ar �gua pulverizada em pequenas got�culas. Estas baterias, s�o tamb�m chamadas "lavadores de ar" uma vez que tamb�m cumprem essa fun��o.

Para aplica��es de ar condicionado de conforto, salvo em caso de climas muito secos, a experi�ncia demonstra que n�o � necess�rio realizar a fun��o de desumidifica��o, tendo em conta que as pr�prias pessoas fornecessem uma certa quantidade de umidade ao ambiente. Na verdade, os equipamentos padr�o de conforto n�o trazem incorporados dispositivos de umidifica��o.

Ventila��o

Ver artigo principal: Ventila��o

A fun��o de ventila��o consiste na entrada de ar novo exterior, com o fim de renovar permanentemente o ar interior, nas propor��es necess�rias para se atingir e manter um adequado n�vel de pureza. Durante o processo de respira��o das pessoas, existe o consumo de oxig�nio e a emiss�o de di�xido de carbono, sendo portanto necess�ria a substitui��o 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 c�mara de mistura, onde s�o misturados, sendo posteriormente tratados e introduzidos no local a ventilar. Alguns sistemas de ar condicionado n�o reaproveitam e recirculam o ar extra�do, usando apenas o ar novo.

Filtragem

A fun��o de filtragem � feita pelos filtros e pr�-filtros existentes nas unidades de tratamento de ar. Consiste em tratar o ar, atrav�s do uso de filtros adequados, com o fim de lhes retirar as poeiras, impurezas e outras part�culas em suspens�o. O grau de filtragem necess�rio, depender� do grau de qualidade do ar interior que se quer obter e do grau de polui��o do ar novo.

Para a limpeza do ar, empregam-se filtros, que normalmente s�o do tipo mec�nico, os quais s�o compostos por elementos porosos que obrigam o ar que passa por eles a l� deixar as part�culas de poeira que leva em suspens�o.

Nas aplica��es comuns de ar condicionado de conforto, usam-se filtros de poliuretano, de l� de vidro, de microfibras sint�ticas ou de malha de a�o ou alum�nio embebida em azeite. Em instala��es industriais ou laboratoriais e em outros casos especiais podem ser empregues filtros especiais, muito mais eficientes.

Num sistema de circula��o de ar condicionado, o primeiro elemento � sempre um filtro, uma vez que o mesmo vai proteger n�o s� o local climatizado, como os pr�prios equipamentos de ar condicionado.

Circula��o

A fun��o de circula��o � realizada pelo ventilador, uma vez que � necess�rio um certo movimento do ar nas zonas de perman�ncia, com o fim de evitar a sua estagna��o, ao mesmo tempo evitando que se formem correntes prejudiciais. A maioria das vezes, s�o usados ventiladores centr�fugos, capazes de fazer circular os caudais de ar necess�rios, vencendo as resist�ncias de fric��o, mantendo um n�vel baixo de ru�dos e vibra��es.

Nos equipamentos destinados a pequenos locais, como os ares condicionados de janela ou os ventiloconvectores individuais, o ar � distribu�do diretamente, mediante grelhas de distribui��o e retorno incorporadas nos mesmos. No entanto, em equipamentos de maior envergadura que abastecem v�rios espa�os ou ambientes, o ar deve ser canalizado - atrav�s de condutas, geralmente constru�das em chapa de ferro galvanizado, convenientemente isoladas - at� �s unidades terminais de distribui��o.

Controlo autom�tico

A automatiza��o 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 autom�tico constitui um dos aspetos primordiais no funcionamento dos ares condicionados dado que - uma vez que o projeto das instala��es se efetua normalmente em fun��o das condi��es mais desfavor�veis ou cr�ticas - o ar condicionado deve funcionar corretamente adaptando-se a todas as vari�veis clim�ticas e de utiliza��o que se requerem, devendo, por isso, contar com os controlos autom�ticos adequados, especialmente no casos de necessidades mais reduzidas ou parciais.

Al�m disso, a optimiza��o do consumo de cada uma das instala��es em grandes edif�cios, obriga ado��o de um sistema de gest�o t�cnica centralizada integral, que possibilite a opera��o de toda a instala��o e a regula��o do seu consumo energ�tico, bem como uma diminui��o dos custos de manuten��o.

Assim, obt�m-se o controlo direto de cada um dos par�metros da instala��o, proporcionando em tempo real a informa��o de tudo o que se est� a passar no edif�cio, podendo tomar-se decis�es sobre elementos que levam � poupan�a energ�tica, tais como a sele��o das condi��es interiores de conforto, a fixa��o de par�metros de funcionamento (set-points), a regula��o da ilumina��o e o regime de funcionamento de bombas de �gua.

Consumo energ�tico

Em 2020, o arrefecimento do ar � respons�vel por 10% do consumo de eletricidade do planeta.

O custo que a energia el�trica tem vindo a representar cada vez mais, associado � contribui��o que o consumo energ�tico tem para o aumento da polui��o e do aquecimento global, faz com que esse consumo seja um elemento de import�ncia vital para os sistemas de ar condicionado, que se caraterizam por serem uma tecnologia de grande consumo energ�tico e onde a sua redu��o representa, por isso, uma das premissas b�sicas nos crit�rios de projeto.

Para isso, existem numerosas tecnologias e meios de aplica��o que se centram fundamentalmente no ajuste das necessidades, na utiliza��o de energias alternativas, no aumento da efici�ncia e da recupera��o de energia e na utiliza��o de aparelhos de alto rendimento.

Um uso apropriado do isolamento t�rmico do edif�cio constitui um elemento importante, uma vez que permite a utiliza��o de aparelhos de ar condicionado de menor pot�ncia, levando a um consumo global de energia inferior, durante toda a vida �til do edif�cio. Por sua vez, o isolamento t�rmico reduz oa m�nimo ad perdas de calor dos equipamentos, incluindo unidades de tratamento de ar, condutas e canaliza��es.

Por outro lado, � indispens�vel a ado��o de solu��es arquitet�nicas que tenham em conta a necessidade de redu��o do consumo energ�tico. Essas solu��es podem incluir o aproveitamento da radia��o solar, prote��o contra essa radia��o, ventila��o natural e isolamento que reduza as infiltra��es de frio ou calor.

� muito importante analisar a automatiza��o dos circuitos de ilumina��o e o uso de l�mpadas de alto rendimento, bem como de reguladores que ajustem o n�vel de ilumina��o em fun��o das necessidade reais.

No decorrer de cada ano de funcionamento de um sistema de climatiza��o, existem per�odos de tempo nos quais as carater�sticas do ambiente exterior do edif�cio s�o favor�veis para a climatiza��o, o que poder� ser feito utilizando o ar exterior num sistema economizador de arrefecimento gratuito (free cooling), especialmente em meias esta��es.

Outro aspeto a considerar � o aumento da efici�ncia energ�tica, mediante o fracionamento da pot�ncia dos equipamentos, com o objetivo de adaptar o condicionamento de ar � procura de calor do sistema. Isso � feito, parcializando as unidades de ar condicionado a fim de se conseguir, a cada instante, o regime de pot�ncia mais pr�ximo do rendimento m�ximo. � recomend�vel a utiliza��o da bomba de calor para o aquecimento - em vez de resist�ncias el�tricas - e a utiliza��o do g�s natural para arrefecimento com unidades refrigeradoras de �gua operando com o ciclo de absor��o.

Como forma de poupan�a de energia tamb�m se pode utilizar a recupera��o do calor de condensa��o, aproveitando o facto dos equipamentos frigor�ficos gastarem grandes quantidades de calor no seu funcionamento, o qual pode ser recuperado para ser empregue em outras utiliza��es. O armazenamento de energia, atrav�s do congelamento da �gua nas horas noturnas quando a tarifa de energia el�trica � mais baixa, permite evitar os picos de consumo ao longo do dia, levando, por acr�scimo, � redu��o do tamanho dos aparelhos de ar condicionado.

Equipamentos de refrigera��o do ar

Esquema de um ar condicionado do sistema VRV.

Cada sistema de ar condicionado, inclui equipamentos de refrigera��o destinados a arrefecer e a desumidificar o ar a ser tratado ou para resfriar a �gua que � enviada para as unidades de tratamento de ar. Todos estes sistemas funcionam com base no ciclo de refrigera��o.

Segundo o tipo dos seus equipamentos de refrigera��o do ar, os sistemas de ar condicionado classificam-se em dois grandes grupos: de expans�o direta e de expans�o indireta (�gua refrigerada).

Expans�o direta

Os equipamentos de expans�o direta caraterizam-se por disporem de serpentinas onde expande um fluido refrigerante - absorvendo calor e arrefecendo o espa�o em redor - que s�o atravessadas pelo ar a tratar, o qual � refrigerado pelo contato direto com elas.

Podem ser usados equipamentos compactos autocontidos que s�o aqueles que re�nem, numa �nica caixa ou unidade, todas as fun��es requeridas para o funcionamento do ar condicionado. A totalidade do ciclo de refrigera��o � realizada no interior da caixa do equipamento. Exemplos destes tipos de aparelhos, s�o 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 distribui��o de ar mediante condutas.

Os equipamentos split (separado) diferenciam-se dos sistemas compactos por estarem divididos em duas unidades ou caixas separadas, uma situada no exterior e outra no interior do local a climatizar. Esta separa��o tem como objetivo dividir as fases do ciclo de refrigera��o, ficando a fase de evapora��o no interior e a fase de condensa��o no exterior. Ambas as unidades est�o unidas entre si, atrav�s de tubos por onde circula o refrigerante.

Os sistemas multi split constituem uma variante dos sistemas split. Disp�em de uma �nica unidade de condensa��o exterior, � qual se podem ligar duas ou mais unidades de evapora��o interiores. Desenvolveram-se equipamentos deste tipo que permitem colocar uma grande n�mero de unidades de evapora��o, mediante a regula��o do fluido refrigerante, as quais s�o conhecidas por "VRV (volume de refrigerante vari�vel)".

Todos estes sistemas empregam ventiladores para fazerem circular o ar que arrefece o condensador e o ar que � tratado e arrefecido para ser introduzido no interior. Tamb�m existem sistemas refrigerados a �gua, nos quais a condensa��o do refrigerante � produzida mediante �gua em circula��o atrav�s de bombas e tubagens, empregando uma torre de arrefecimento.

Expans�o indireta

Este tipo de sistema utiliza unidades de produ��o de �gua refrigerada (chillers), �gua essa que � distribu�da pelos v�rios equipamentos de tratamento do ar, como as UTA, as UTAN ou os ventiloconvectores (fan-coils). Nestes equipamentos, existe uma serpentina - por onde circula a �gua fria - que � atravessada pelo ar a tratar, que em contacto com ela arrefece.

Sistemas com carater�sticas especiais

Ar condicionados de autom�veis

Chrysler Imperial de 1953 com ar condicionado de série.

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.

A Packard foi o primeiro fabricante de automóveis do mundo a introduzir ares condicionados nos seus carros, a partir de 1939. Estes ares condicionados eram opcionais e podiam ser instalados através de um pagamento adicional de 274 dólares (correspondendo a cerca de 4000 dólares ou 3000 euros atuais). O sistema ocupava metade de todo o espaço da bagageira, não sendo muito eficiente, sem termostato nem mecanismo de automático para desligar. A opção de ar condicionado foi descontinuada depois de 1941.

A maioria dos ares condicionados disponíveis para automóveis usavam um sistema de aquecimento separado e um compressor montado no motor, acionado pela cambota através de uma correia, com um evaporador instalado na bagageira para distribuir o ar refrigerado através de respiradouros na traseira e no teto do habitáculo de passageiros. Na década de 1950, foram desenvolvidos sistemas de ares condicionados totalmente montados na parte frontal dos automóveis.

Atualmente, a maioria dos condicionadores de ar automotivos funciona por um sistema de compressão de vapor. Esse sistema faz com que o calor presente no interior do veículo seja retirado, o que provoca uma redução na temperatura e propicia um maior conforto térmico para o condutor.

Funcionamento

Os sistemas de climatização veicular possuem quatro componentes básicos: compressor, condensador, dispositivo de expansão e evaporador.

O ciclo termodinâmico que ocorre no interior dos veículos começa com o fluido refrigerante no estado gasoso a uma temperatura próxima de 0°C. O compressor, que está acoplado ao motor, comprime o fluido rapidamente (compressão adiabática), fazendo com que a temperatura e a pressão aumentem; esta fica próxima do ponto de saturação (ponto no qual o gás fica no limite de sofrer uma transformação de estado) e aquela se eleva para aproximadamente 80°C. Após isso, o fluido, que está à alta temperatura e pressão, é levado ao condensador, onde troca calor com o meio externo. Como as temperaturas externas não são superiores a temperatura do fluido, este perde calor, liquefazendo-se. A seguir, o fluido sai do condensador no estado liquido e à temperatura relativamente alta, deslocando-se para o dispositivo de expansão, que, como o próprio nome já diz, expande o gás, fazendo com que a temperatura e a pressão sejam bruscamente reduzidas. A temperatura muda para aproximadamente 0°C. Finalmente, o gás é levado ao evaporador, que se localiza próximo ao painel do veículo, onde o fluido, por estar a uma temperatura inferior ao ambiente interno do automóvel, retira calor deste, o que proporciona a evaporação do fluido e a redução da temperatura interna do automóvel. Em seguida, o fluido volta para o compressor, repetindo o ciclo.

Funções dos componentes do sistema de climatização veicular

Compressor

O compressor, por estar ligado ao motor do carro, “rouba” parte da energia proveniente da combustão do combustível. Por esse motivo, o ar condicionado, mesmo não estando ligado, influencia no consumo de combustível do automóvel, pois aumenta a carga sobre o motor. Obviamente, quando o compressor está ligado (ar condicionado ligado) a influência é notoriamente maior. A potência dos veículos também é afetada, principalmente em automóveis com menor número de cilindradas.

Condensador

O condensador é posicionado em local que possua bom fluxo de ar, pois o ar externo é o responsável pela liquefação do fluido. Além disso, o condensador possui ventoinhas, que são acionadas em situações nas quais o fluxo de ar não é suficiente para a transformação de fase do fluido: quando o carro está parado, por exemplo. Os condensadores automotivos são providos de tubos metálicos nos quais o fluido refrigerante circula. O ar externo que entra em contato com o condensador circula por aletas soldadas a esses tubos. Inicialmente, os tubos eram feitos com ferro e cobre, contudo, devido a menor massa e à facilidade de reciclagem, o alumínio é o material mais utilizado atualmente.

Dispositivos de expansão

Existem dois tipos mais comuns de dispositivos de expansão, a válvula de expansão termostática e os tubos de orifício.  Ambos produzem o mesmo resultado: reduzem a pressão e a temperatura do fluido (no estado líquido) que sai do condensador, deixando-o nas condições ideais para se dirigir ao evaporador.

Evaporador

O evaporador é o local onde ocorre a evaporação do fluido refrigerante. Sua estrutura é bastante similar a do condensador, pois ambos são trocadores de calor que recebem ar, que faz com que o fluido mude de estado físico. A diferença é que o fluido no interior do evaporador está a uma temperatura muito menor. A temperatura do fluido no evaporador é menor que a do interior do veículo, o que faz com que o calor flua para o fluido, que se vaporizará.

Dispositivos auxiliares

Em muitos veículos, o evaporador e o condensador possuem dispositivos que auxiliam no melhor funcionamento do ciclo de climatização. O separador de vapor e o acumulador de líquido são dispositivos que estão posicionados, respectivamente, na saída do condensador e do evaporador. O objetivo do primeiro é fazer com que apenas o fluido no estado líquido seja direcionado para a válvula de expansão, analogamente, o objetivo do segundo é fazer com que apenas o fluido no estado gasoso seja levado ao compressor.

Ciclo de climatização veicular e a Segunda Lei da Termodinâmica.

O condicionador de ar automotivo e a 2ª Lei da Termodinâmica

Conforme a Segunda Lei da Termodinâmica:

$Qh=W+Qc$

onde "Qh" e "Qc" são, respectivamente,os calores liberados e retirados dos reservatórios quente e frio; e W é o trabalho realizado/fornecido.

No sistema de climatização automotiva:

-"Qh" é o calor liberado no condensador.

-"W" é o trabalho realizado pelo compressor.

-"Qc" é o calor recebido pelo evaporador.

O calor liberado pelo veículo é, em um ciclo real, maior que a soma do trabalho e do calor retirado do interior do automóvel, principalmente devido ao atrito no interior das tubulações, à influência da radiação solar, etc.

O fluido refrigerante

Inicialmente, o CFC-12 (um clorofluorocarboneto) foi amplamente utilizado nos sistemas de refrigeração, todavia, devido a sua contribuição para a redução da camada de ozônio, foi substituído pelo HFC-134 (um hidrofluorocarboneto), fluido não inflamável, nem tóxico, que é o mais utilizado atualmente.   

Ar condicionados portáteis

Unidade exterior de um ar condicionado portátil, usado para climatizar uma tenda.

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.

Um sistema split portátil inclui uma unidade interior assente sobre rodas, ligada a uma unidade exterior - semelhante às unidades exteriores dos sistemas split fixos - através de tubos flexíveis.

Nos sistemas baseados em mangueira - que podem ser ar-ar ou monobloco - o ar é ventilado com o exterior através de uma conduta flexível em forma de mangueira. Nos sistemas monobloco, a água é recolhida num balde ou tabuleiro que, quando cheio, provoca a paragem do sistema. No sistema ar-ar, a água é reevaporada e descarregada através de um esgoto de condensados, o que lhe permite funcionar continuamente. Nos sistemas de conduta única, o ar é retirado ao espaço climatizado para arrefecer o condensador, ventilando-o depois para o exterior. Este ar é substituído por ar mais quente do exterior ou de outros espaços, reduzindo assim a eficiência da climatização. Os aparelhos mais modernos, poderão ter um coeficiente de desempenho ("eficiência") de aproximadamente 3, ou seja, 1 kW de eletricidade irá produzir 3 kW de arrefecimento. Nos sistemas de dupla conduta, o ar utilizado para arrefecimento do condensador é retirado ao exterior e não ao espaço climatizado, existindo assim mais eficiência que nas unidades de conduta única.

Os sistemas evaporativos não dispõem de compressor nem de condensador. A água líquida é evaporada através das serpentinas de arrefecimento, libertando vapor para o espaço climatizado. A água em evaporação absorve uma quantidade significativa de calor (calor latente de evaporação), arrefecendo o ar. Este sistema é semelhante ao mecanismo natural dos humanos e de outros animais, que se arrefecem através da transpiração. As desvantagens deste sistema são que, a não ser que a umidade seja reduzida, o arrefecimento é limitado, sendo o ar arrefecido bastante úmido, o que pode provocar a sensação de frio. A suas grandes vantagens são os factos de não necessitarem de condutas de ventilação para o exterior, tornando-os verdadeiramente portáteis, de terem uma instalação mais fácil e económica e de consumirem menos energia que os sistemas refrigerativos.

Bombas de calor

Ver artigo principal: Bomba 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.

As bombas de calor são mais populares nas regiões com temperaturas moderadas (4 °C - 13 °C), uma vez que, com temperaturas extremamente frias, se tornam ineficientes. Isto acontece devido à formação de gelo que ocorre na serpentina exterior, que leva ao bloqueio do fluxo do ar através da mesma. Para compensar isto, um sistema de bomba de calor terá que ser reinvertido para o modo de ciclo regular, tornando a serpentina exterior a funcionar como condensadora para aquecer o gelo e descongelá-lo. Um sistema destes teria assim que estar equipado com uma resistência elétrica de aquecimento interior, que seria ativada apenas quando o modo de ciclo regular funcionasse, de modo a compensar e neutralizar a entrada de ar frio. O problema do congelamento torna-se muito mais prevalecente com temperaturas exteriores mais baixas. Assim, frequentemente, as bomas de calor são instaladas em série com sistemas mais convencionais de aquecimento, como são o caso das caldeiras a gás natural, as quais podem ser usadas em substituição das bombas de calor, durante as temperaturas mais severas de inverno. este caso, a bomba de calor é usada eficientemente durante as temperaturas moderadas, sendo o sistema mudado para o aquecimento convencional nas temperaturas mais baixas.

As bombas de calor de absorção são, na realidade, uma espécie de bombas de calor de fonte de ar, mas não dependem da eletricidade para funcionar. Em vez disso, o o gás, a energia solar ou a água aquecida são usados como fonte principal de energia. Além disso, não é usado nenhum refrigerante no processo. Para extrair calor, uma bomba de aborção absorve amónia na água. A seguir, a mistura de água e amónia é pressurizada para se induzir a ebulição da amónia.

Alguns aparelhos de ar condicionado de janela mais dispendiosos incluem a função de bomba de calor. Contudo, uma unidade de janela com a função de aquecimento pode não estar necessariamente equipada com uma bomba de calor e sim com uma resistência elétrica de aquecimento.

Ver também

• AVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado)
• Climatização
• Glossário de AVAC
• Motor Schukey