Por que VAV, e por que agora
A distribuição com Volume de Ar Variável é a estratégia dominante em HVAC comercial porque economiza bastante energia de ventilador em carga parcial. Um escritório comercial típico opera a 30-60% da carga de resfriamento de pico na maior parte das horas de operação. Os sistemas de Volume de Ar Constante mantêm o ventilador a 100% da vazão independentemente da carga; o VAV reduz a vazão proporcionalmente à carga. A energia do ventilador varia com o cubo da vazão, de modo que uma redução de 50% na vazão economiza cerca de 87% da potência do ventilador nesse ponto de operação pelas leis dos ventiladores (menos na prática, porque permanecem o controle da pressão estática do duto e as perdas do motor e do inversor). A maioria dos sistemas de classificação de edifícios sustentáveis (LEED, Green Star, BREEAM, DGNB) recompensa a economia de energia resultante.
Tipos de terminais VAV
VAV de duto único (o mais comum)
Um duto de insuflamento leva ar frio a temperatura constante (13-14°C). A caixa terminal VAV tem um damper que modula a vazão para acompanhar a carga de resfriamento da zona. O retorno à UTA se dá pelo plenum do forro ou por um duto de retorno dedicado. O mais eficiente e o mais comum. Subtipos:
- Somente resfriamento: damper simples, sem capacidade de aquecimento. Usado em zonas internas onde não há necessidade de aquecimento.
- Com reaquecimento (água quente ou elétrico): damper mais serpentina de aquecimento a jusante. Reduz a vazão de resfriamento e depois ativa o reaquecimento em condições de baixa carga ou em zonas de perímetro no inverno.
- Independente da pressão: inclui sensor de velocidade e controle com realimentação para manter a vazão comandada, independentemente da variação da pressão estática no duto. Padrão em edificações comerciais.
VAV com ventilador (FPB)
Caixa VAV com ventilador embutido que mistura o ar de retorno do plenum com o ar primário de insuflamento. Usada para manter a vazão mínima em condições de baixa carga, aproveitando o calor da iluminação e dos equipamentos no plenum. Subtipos:
- Com ventilador em série: o ventilador funciona continuamente em todas as cargas, e o damper primário modula. Maior consumo contínuo de energia do ventilador.
- Com ventilador em paralelo: o ventilador funciona somente em condições de baixa vazão primária. Mais eficiente, mas com controle mais complexo.
VAV de duplo duto
Dois dutos de insuflamento: um frio (13-14°C) e um quente (35-40°C). O terminal VAV mistura as duas correntes para entregar qualquer temperatura intermediária. Grande flexibilidade de controle, mas alto consumo de energia do ventilador e o dobro de massa de duto. Usado em algumas edificações antigas; raramente especificado em obras novas.
VAV por indução
O ar primário de insuflamento é descarregado em alta velocidade por um bocal, induzindo ar secundário do plenum através do terminal. Autoalimentado (sem ventilador). Capacidade limitada; usado em algumas aplicações de hotelaria e em retrofits de edificações antigas.
Dimensionamento da caixa VAV
Três vazões por zona
- Vazão máxima de resfriamento: dimensionada para a carga sensível de pico de resfriamento com a temperatura de insuflamento de projeto (normalmente 13-14°C). A carga de pico inclui ganho solar, cargas internas de iluminação/equipamentos/pessoas e condução pelo envelope nas condições de projeto.
- Vazão mínima: definida pelas necessidades de ventilação (ASHRAE 62.1 ou o mínimo do código local) e pelos limites de reaquecimento do código de energia; verifique a mistura do difusor nessa regulagem.
- Vazão em modo de reaquecimento: a vazão enquanto a serpentina de reaquecimento está ativa. Em reaquecimento de duto único, é limitada pelos limites de reaquecimento do código de energia; as caixas com ventilador podem acrescentar ar do plenum pelo ventilador da caixa sem ar primário adicional.
Seleção do diâmetro de entrada
As caixas VAV têm entradas de duto redondas em diâmetros padrão. Faixa de vazão aproximada por entrada, com orçamentos de perda de carga típicos:
- Φ150 mm: 50-200 L/s
- Φ200 mm: 100-400 L/s
- Φ250 mm: 200-700 L/s
- Φ300 mm: 350-1.100 L/s
- Φ400 mm: 600-2.000 L/s
- Φ500 mm: 1.000-3.500 L/s
Os principais fabricantes (Trox, Titus, Krueger, Price, Carnes, Tuttle & Bailey, Halton) publicam softwares de seleção detalhados que consideram perda de carga, classificação NC e autoridade do damper.
Fator de diversidade
O dimensionamento do ventilador e da UTA no nível do sistema usa a vazão de pico do sistema, que é menor que a soma das vazões de pico de todas as zonas. O motivo: as zonas têm o pico em horários diferentes. O perímetro leste atinge o pico entre 9h e 11h (sol da manhã). O perímetro oeste, entre 14h e 16h. A zona interna, no pico de ocupação. O ventilador nunca precisa entregar o pico de todas as zonas ao mesmo tempo.
Fatores de diversidade típicos:
- Escritório comercial: 0,70-0,85
- Comercial de uso misto: 0,75-0,85
- Hospital (cuidados agudos): 0,85-0,95 (menos diversidade, carga mais constante)
- Hotel: 0,65-0,75 (muita diversidade, a ocupação varia bastante)
- Varejo: 0,70-0,80
- Educacional: 0,60-0,75 (ocupação sazonal, salas de aula com picos em horários diferentes)
A modelagem energética detalhada da edificação (eQUEST, EnergyPlus, IES VE, TAS) calcula a diversidade específica do projeto. As regras práticas do setor valem quando não há modelo energético.
Vazão mínima conforme a ASHRAE 62.1
A ASHRAE 62.1 especifica a ventilação mínima de ar externo por zona com base na área de piso e na ocupação. Valores típicos para escritório:
- Área de escritório: 0,06 cfm/sqft de piso + 5 cfm/pessoa (≈ 0,30 L/s/m² + 2,5 L/s/pessoa)
- Sala de reunião: 0,06 cfm/sqft + 5 cfm/pessoa (a maior densidade de ocupação é que determina isso)
- Sala de aula: 0,12 cfm/sqft + 10 cfm/pessoa
- Quarto de paciente em hospital: 0,18 cfm/sqft + 25 cfm/pessoa mais mínimo de 6 ACH
- Varejo: 0,12 cfm/sqft + 7,5 cfm/pessoa
O ajuste mínimo do VAV deve igualar ou superar, o tempo todo, a exigência de ventilação calculada. Sistemas multizona com UTA compartilhada usam o cálculo multizona da ASHRAE 62.1, que ajusta o ar externo na UTA com base na diversidade de ocupação no nível da zona.
Classe de pressão do duto VAV
O duto de insuflamento a montante das caixas VAV opera com pressão estática mais alta que o de jusante:
- A montante do VAV (entre o ventilador e a entrada da caixa): SMACNA +3 a +4 in.wg / classe de estanqueidade EN 1507 C / AS/NZS Classe C. O ventilador fornece a pressão estática necessária para alimentar todas as caixas VAV mais as perdas do duto.
- A jusante do VAV (entre a saída da caixa e o difusor): SMACNA +1 in.wg / EN 1507 Classe A / AS/NZS Classe A. A caixa VAV reduz a pressão aos níveis de alimentação dos difusores.
Implicação para a fabricação: os troncos de insuflamento exigem chapa mais grossa (normalmente calibre 20-18 para média pressão) e vedação mais rigorosa que os ramais (calibre 22-24 para baixa pressão). A linha automática de dutos SBAL-V da Taokron armazena receitas de CLP para as duas classes de pressão; o operador seleciona por trecho de duto. Isso evita fabricar ramais de baixa pressão com construção de média pressão sem necessidade.
Considerações acústicas
Os sistemas VAV geram ruído por três fontes:
- Ventilador e UTA: a fonte dominante de baixa frequência, controlada com atenuadores perto da UTA e câmara plenum revestida
- A própria caixa VAV: a modulação do damper cria ruído regenerado, que aumenta à medida que o damper fecha a partir da abertura total. Típico de 25-40 dB(A) na vazão máxima, aumentando conforme a caixa estrangula.
- Difusor de ar: ruído do dispositivo terminal, controlado pela seleção do difusor e pela velocidade frontal
O ruído da caixa VAV costuma dominar no nível da zona. A seleção deve verificar a classificação NC em todos os pontos de operação, e não apenas na vazão de pico. Muitos projetos usam dutos de entrada do VAV com revestimento acústico (300-600 mm de duto revestido internamente a montante da caixa) para atenuar o ruído do ventilador que se propaga pela caixa. Veja o nosso guia de revestimento acústico de dutos.
Erros comuns de projeto VAV
- Mínimo do VAV definido sem verificar os difusores: mínimos muito baixos causam má mistura nos difusores e modulação instável do damper. Defina o mínimo a partir das necessidades de ventilação (ASHRAE 62.1) e dos limites de reaquecimento do código de energia e depois confirme o desempenho do difusor nessa vazão.
- Vazão de reaquecimento acima do limite do código de energia: a ASHRAE 90.1 limita quanto ar pode ser resfriado e depois reaquecido. Fique atento à especificação do projeto para a auditoria de conformidade.
- Duto de entrada insuficiente a montante do VAV: menos de 3 diâmetros de duto reto na entrada causa distorção do fluxo e falha no controle independente da pressão. Providencie sempre 3D no mínimo, 5D como ideal.
- Classe de pressão errada no duto a jusante: fabricar o duto de baixa pressão da caixa ao difusor como se fosse de média pressão desperdiça 30-40% do custo de fabricação. Em sentido contrário, a construção de baixa pressão a montante do VAV reprova na classe de vazamento.
- Fator de diversidade não aplicado no nível do sistema: ventilador e UTA superdimensionados. Desperdiça capex e opera com baixa eficiência no ponto de projeto.
- Diversidade aplicada no nível do ramal: ramais subdimensionados. Cada ramal deve ser dimensionado para o pico da sua zona, e não para o pico do sistema.
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Perguntas frequentes
O que é um sistema VAV?
Variable Air Volume: temperatura de insuflamento constante (13-14°C), vazão da zona modulada pela caixa terminal VAV para acompanhar a carga de resfriamento. A energia do ventilador cai acentuadamente em carga parcial (cerca de 87% menos potência do ventilador a meia vazão pelas leis dos ventiladores, menos na prática).
O que é fator de diversidade?
Ajuste para picos de zona não coincidentes. O ventilador/UTA do sistema é dimensionado para o pico do sistema (70-85% da soma dos picos das zonas em escritórios). Os ramais são dimensionados para o pico da zona (sem diversidade).
Como dimensionar uma caixa terminal VAV?
O dimensionamento da caixa VAV exige três vazões por zona: vazão máxima de resfriamento (dimensionada para a carga sensível de pico com insuflamento a 13-14°C), vazão mínima (definida pelas necessidades de ventilação e pelos limites de reaquecimento do código de energia) e vazão em modo de reaquecimento (a vazão enquanto a serpentina de reaquecimento está ativa, também limitada pelos limites de reaquecimento do código de energia). A seleção em catálogo da caixa VAV então associa o diâmetro da entrada à vazão necessária dentro da faixa de perda de carga desejada (normalmente 50-150 Pa). Diâmetros de entrada redondos: Φ200 mm para ~400 L/s, Φ250 mm para ~700 L/s, Φ300 mm para ~1.100 L/s. Principais fabricantes de caixas VAV: Trox, Titus, Krueger, Price, Carnes, Tuttle & Bailey.
Qual é o ajuste de vazão mínima do VAV?
A vazão mínima é definida pelas necessidades de ventilação e pelos limites de reaquecimento do código de energia. O piso de ventilação é o requisito da ASHRAE 62.1 para a zona (para escritórios, 0,06 cfm/sqft + 5 cfm/pessoa, cerca de 0,3 L/s por m² + 2,5 L/s por pessoa) ou qualquer código local mais rigoroso (por exemplo, a AS 1668.2 na Austrália). O código de energia (por exemplo, a ASHRAE 90.1) limita quanto ar pode ser resfriado e depois reaquecido, de modo que o mínimo não deve ser definido acima do que a ventilação e o desempenho dos difusores exigem. Verifique a mistura e o alcance do difusor na regulagem mínima, pois uma vazão muito baixa pode causar má mistura e reclamações de conforto.
Que classe de pressão o duto VAV exige?
O duto de insuflamento a montante das caixas VAV normalmente é de Média Pressão (SMACNA +3 a +4 in.wg / classe de estanqueidade EN 1507 C / AS-NZS Classe C), porque a caixa VAV exige 50-200 Pa de pressão estática mínima para operar corretamente em toda a sua faixa de vazão. A jusante da caixa VAV (o trecho da caixa ao difusor), Baixa Pressão (SMACNA +1 in.wg / EN 1507 Classe A / AS-NZS Classe A) é suficiente. Implicação para a fabricação: os troncos principais de insuflamento e os montantes exigem espessura maior e vedação mais estanque do que os ramais. As receitas da SBAL-V da Taokron incluem as duas classes de pressão; o operador seleciona por trecho de duto.
