Qual é o meio mais eficiente de aquecer um edifício com um teto alto?

Considere um grande auditório, uma igreja ou algum outro prédio muito grande, essencialmente com uma sala e um teto alto. Suponha que o edifício tenha muitas entradas que permitem a entrada de ar frio / saída de ar quente e o tráfego de entrada e saída do edifício é inevitavelmente grande.

Eu imaginaria que qualquer tentativa de controlar a temperatura de um prédio tão grande seria muito ineficiente em termos de energia e custo, principalmente porque o ar quente aumenta.

Supondo que esteja muito frio lá fora e que tenhamos interesse principalmente em manter o edifício aquecido no nível do solo, para que seja confortável para os humanos trabalharem e interagirem, qual é o melhor método para manter um prédio tão grande e essencialmente teto alto quente quando a exposição ao ar frio ao ar livre é frequente e inevitável?

Quando digo "melhor", estou interessado em equilibrar os custos de energia, manutenção e monetários ao longo da vida útil do edifício.

Sua pergunta tem duas partes: como fornecer calor e como mantê-lo.

As grandes salas abertas com tetos altos são aquecidas com mais eficiência com o calor radiante do teto. O ar quente sobe, o que torna os sistemas de ar forçado ineficientes porque o calor bombeado acaba no teto e a parte mais fria da sala fica perto do chão, onde você realmente deseja o calor. Os sistemas de piso radiante são limitados a cerca de 87F porque estão em contato com os ocupantes e, portanto, sua saída de pico pode não ser suficiente para manter o espaço confortável. Eles também perdem mais calor na convecção do que tetos radiantes. (Veja esta ref .)

Quanto à retenção de calor, além de isolamento / barreiras sólidas: as portas de ar (também conhecidas como cortinas de ar) são a solução padrão em passagens de alto tráfego.

Outra opção para a solução radiante acima seria o sistema de distribuição de ar sob o piso (UFAD) usando ventilação de deslocamento. Esses sistemas requerem um plenum de piso elevado, que funciona bem em auditórios de estilo teatro, onde você costuma fazer isso de qualquer maneira. O plenum se torna essencialmente seu duto de suprimento.

Os sistemas são dimensionados para condicionar apenas a zona ocupada, digamos os primeiros 2m acima da tomada. Portanto, não importa quão alto seu teto seja, você acabará aquecendo apenas um volume de 2 m de altura.

Ao contrário dos sistemas radiantes, que aquecem as pessoas diretamente e não alteram a temperatura do ar, o componente de ar externo é tratado. Se isso é uma vantagem ou não, depende dos volumes de ar externos necessários, onde esses volumes são introduzidos em relação aos ocupantes (por exemplo, você está soprando ar frio em alguém?), Bem como dos níveis de conforto esperados.

Oportunidades para economia de energia nos sistemas UFAD

• Temperaturas de fornecimento mais baixas durante o aquecimento, temperaturas de fornecimento mais altas durante o resfriamento
• O volume condicionado é limitado à zona ocupada, independentemente da altura do teto
• A velocidade de suprimento é menor, porém os volumes de suprimento são aumentados; pode haver algum valor na otimização aqui e pensar em perímetros e zoneamento interno
• Menor queda de pressão no suprimento
• Jogue um trocador de calor para capturar o calor do ar de retorno

Algumas outras coisas a serem observadas:

• Velocidade mais baixa e volumes mais altos juntos significam que o número de saídas pode aumentar e que esses sistemas não podem lidar com as mesmas cargas de pico dos sistemas convencionais; isso será importante para zonas de perímetro. A estrutura do edifício deve ser otimizada para limitar as cargas de pico (perdas / ganhos através da vidraça)
• Velocidades mais baixas também significam menos problemas com o calado (pelo menos em teoria)
• Se o zoneamento acústico não corresponder ao zoneamento mecânico, as coisas ficarão um pouco complicadas; separação acústica pode exigir que paredes sejam derrubadas até o plenum
• Se você possui um sistema de piso em azulejo, os difusores de saída podem ser trocados, o que oferece vários benefícios: por um lado, ele fornece um layout de ambiente muito flexível que pode ser alterado a qualquer momento; além disso, os sistemas introduzem certa flexibilidade para que os ocupantes se sintam confortáveis ​​realocando telhas difusoras
• A Wikipedia possui um artigo que fornece uma visão geral dos sistemas UFAD e um para ventilação por deslocamento

O que é "mais eficiente" depende de muitas outras coisas além da altura do espaço. Os UFADs podem ser uma boa solução em determinadas situações, mas o mesmo é verdadeiro para, por exemplo, sistemas radiantes. O que você definitivamente gostaria de evitar é acabar condicionando um volume de ar de 4 m de altura.

Algumas imagens do UFAD da página wiki para economizar um clique:

Aqui estão algumas maneiras de impedir que o ar quente escape:

• As portas giratórias impedem um fluxo constante de troca de ar entre o interior e o exterior.
• Áreas de bloqueio de ar - um conjunto duplo de portas deslizantes também pode impedir a troca contínua de ar.
• A pressão positiva na entrada, geralmente fornecida por um aquecedor de ventilador acima da porta de entrada interna, garante que a maior parte do ar permaneça no interior e o ar do aquecedor de exaustão escape.

Para manter as áreas mais baixas quentes, o ar quente na parte superior do edifício pode ser soprado até as aberturas do piso a uma velocidade muito lenta. Diretamente ou através de um trocador de calor, para que o calor do ar viciado seja transferido para um fluxo de ar novo do lado de fora. Essa também é uma maneira relativamente eficiente de aquecer o ar em primeiro lugar. Uma bomba de calor também pode ser usada para aquecer o piso usando tubos de aquecimento sob o piso. Isso ajuda a evitar a perda de calor do ar quente no chão e mantém suavemente a massa física na área inferior.