Otimização de sistemas HVAC para conforto térmico em ambientes acadêmicos usando fluidodinâmica computacional

Resumo

Ondas de calor, que são caracterizadas por períodos prolongados de temperaturas elevadas, prejudicam o conforto térmico e o bem-estar público. Sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado (HVAC – Heating, Ventilation, and Air Conditioning) são comumente utilizados em edifícios para regular a temperatura, a umidade e a qualidade do ar interno, garantindo assim o conforto térmico e a eficiência energética. No entanto, ineficiências energéticas e distribuição inadequada de ar em sistemas HVAC tradicionais continuam a representar desafios significativos, especialmente em grandes áreas como auditórios universitários. Diante disso, é fundamental buscar estratégias que otimizem a eficiência térmica e energética desses sistemas. Este estudo propõe um método baseado em fluidodinâmica computacional (CFD – Computational Fluid Dynamics) para melhorar o desempenho de sistemas HVAC em um auditório universitário, usando o software de código aberto OpenFOAM. As simulações empregaram o modelo de turbulência k-epsilon, escolhido por apresentar boa sensibilidade ao gradiente de velocidade e excelente desempenho em simulações envolvendo perda de calor, no solucionador buoyantSimpleFoam, facilitando uma análise abrangente da distribuição de temperatura e velocidade do ar. Os resultados mostraram que o sistema existente, composto por unidades de ar condicionado do tipo split, mantém temperaturas entre 296 K e 300 K, levando a zonas de calor persistentes concentradas na parte esquerda do auditório. Além disso, as velocidades do ar atingiram até 0,71 m/s, excedendo os limites estabelecidos pela NBR 16401-1 para conforto térmico. Assim, o gradiente térmico de 4 K aliado a velocidades inadequadas do ar gera um desconforto térmico significativo. Os cálculos de carga térmica indicaram um sistema superdimensionado, resultando em custos operacionais elevados. Como solução, recomenda-se substituir o sistema split por um modelo de ar condicionado do tipo cassete, que proporciona uma distribuição de ar mais eficiente. Isso ocorre pela ausência de interação entre os fluxos de ar insuflados simultaneamente por aparelhos distintos, o que resulta em temperaturas mais equilibradas e, consequentemente, na redução do consumo de energia. Tal fato se deve à eliminação das zonas de calor que exigem equipamentos de climatização de maior potência para alcançar as temperaturas adequadas.