Calcular a entrada de ar por fuga ambiente: a equação por detrás da corrente térmica dos monoblocos

A maioria das análises de aparelhos de ar condicionado portáteis foca-se nas classificações de BTU e nos níveis de decibéis. Bem menos abordam o calor que regressa à sala sem ser convidado — a penalização térmica que a entrada por corrente térmica dos monoblocos impõe a cada unidade de mangueira única em funcionamento. Isto não é uma falha de conceção que os engenheiros tenham ignorado; é a consequência inevitável de expulsar o ar da sala para o exterior e da física que daí decorre. O que a torna tratável é o facto de ser matematicamente previsível e, por conseguinte, mensurável, observável e redutível.

Este artigo constrói passo a passo a equação completa da carga térmica de infiltração: a componente sensível que aumenta com a diferença de temperatura, a componente latente que aumenta com a humidade exterior e o total combinado contra o qual o compressor tem de trabalhar antes de conseguir qualquer arrefecimento líquido da sala. Os valores baseiam-se em condições psicrométricas reais de verão europeu e são coerentes com os valores indicados nas especificações publicadas pelos fabricantes e nos ensaios das entradas EPREL da UE.

O que é a entrada por corrente térmica de um ar condicionado monobloco?

A entrada por corrente térmica de um ar condicionado monobloco é a carga térmica total transportada para uma sala pelo ar exterior de infiltração que é aspirado para substituir o ar expulso pela ventoinha de exaustão de uma unidade portátil de mangueira única. Compreende duas componentes: o calor sensível (a carga associada à diferença de temperatura entre o ar exterior e o interior) e o calor latente (a carga associada ao maior teor de humidade do ar exterior de verão). Ambos têm de ser removidos pela bateria do evaporador, reduzindo a fração da capacidade de arrefecimento disponível para uma verdadeira redução da temperatura da sala.

A palavra monobloco (uma unidade de chassis único que contém o compressor, o condensador, o evaporador e as ventoinhas num único invólucro portátil) é importante aqui porque a ventoinha de exaustão está no interior do volume de ar da sala. Cada metro cúbico por hora que a ventoinha de exaustão expulsa para o exterior é um metro cúbico por hora de potencial de infiltração que o défice de pressão da sala converte em fluxo de ar efetivamente para dentro, através de quaisquer folgas existentes na envolvente do edifício.

Qual é a equação para calcular a carga térmica de infiltração?

A carga térmica total de infiltração divide-se em dois termos. Carga sensível: Q_s = ρ × V × Cp × ΔT, onde ρ é a densidade do ar (1.2 kg/m³), V é o caudal volumétrico de infiltração em m³/s, Cp é o calor específico do ar a pressão constante (1,005 J/(kg·K)) e ΔT é a diferença de temperatura entre o exterior e o interior em Kelvin. Carga latente: Q_l = ρ × V × h_fg × Δω, onde h_fg é o calor latente de vaporização da água (aproximadamente 2,500 kJ/kg a 25°C) e Δω é a diferença de razão de humidade entre o ar exterior e o interior, em kg de água por kg de ar seco.

A razão de humidade ω (também designada por humidade específica ou razão de mistura) pode ser lida em tabelas psicrométricas ou calculada como ω = 0.622 × p_v / (p_atm − p_v), onde p_v é a pressão parcial do vapor de água e p_atm é a pressão atmosférica (101.325 kPa). A 35°C e 60 por cento de humidade relativa, ω é igual a aproximadamente 0.0215 kg/kg (21.5 gramas de água por quilograma de ar seco). A 22°C e 50 por cento de humidade relativa, ω é igual a aproximadamente 0.0083 kg/kg. A diferença, Δω = 0.0132 kg/kg, é a humidade que o evaporador tem de condensar e drenar de cada quilograma de ar de infiltração.

Exemplo resolvido: uma unidade de mangueira única que gera 50 m³/h de caudal de ar de infiltração (0.01389 m³/s) numa tarde a 35°C e 60 por cento de HR, contra um alvo interior de 22°C. Caudal mássico de ar = 1.2 × 0.01389 = 0.01667 kg/s. Carga sensível: Q_s = 0.01667 × 1,005 × 13 = 218 W. Carga latente: Q_l = 0.01667 × 2,500,000 × 0.0132 = 550 W. Carga total de infiltração: 768 W. Face a uma unidade com uma capacidade de arrefecimento nominal de 2,500 W (aproximadamente 8,530 BTU/h), isto representa 30.7 por cento da capacidade total consumida pela infiltração autogerada antes de começar qualquer arrefecimento líquido da sala.

Como varia a carga térmica de infiltração ao longo das condições de verão europeu?

A carga total de infiltração é altamente sensível tanto à humidade exterior como à temperatura, porque a componente latente excede frequentemente a componente sensível nas condições típicas de verão europeu. A 30°C e 55 por cento de HR, uma infiltração de 40 m³/h transporta uma carga combinada modesta. A 38°C e 65 por cento de HR, ao mesmo caudal de infiltração, a carga quase triplica, passando a componente latente a representar mais de 70 por cento do total. Isto explica porque é que as cidades costeiras húmidas da Europa registam um pior desempenho das unidades de mangueira única do que os locais secos do interior à mesma temperatura do ar.

A linha dos 80 m³/h representa um monobloco a funcionar perto da velocidade máxima da ventoinha de exaustão numa sala onde a infiltração acompanha de perto o caudal de exaustão — um cenário comum em habitações antigas com janelas de guilhotina não vedadas, ranhuras de correio e construção de pavimento propensa a folgas. Nessas condições, num dia a 35°C, quase metade da capacidade da unidade é consumida pela carga de infiltração que ela própria gera, restando os outros 50 por cento para o arrefecimento efetivo da sala.

Porque é que a componente latente é o termo dominante acima de 33°C

O calor latente de vaporização da água (aproximadamente 2,500 kJ/kg) é 2,488 vezes maior do que o calor específico do ar (1.005 kJ/(kg·K) por grau). Isto significa que a diferença de razão de humidade Δω necessária para tornar Q_l igual a Q_s é apenas ΔT / 2,488 kg/kg — um diferencial de humidade incrivelmente pequeno. A 35°C no exterior e 22°C no interior (ΔT = 13°C), Q_l é igual a Q_s quando Δω = 0.0052 kg/kg. As condições reais de verão europeu produzem rotineiramente um Δω de 0.010 a 0.020 kg/kg, o que significa que a carga latente é tipicamente duas a quatro vezes a carga sensível nos dias húmidos de verão. Um ar condicionado que se destaca no arrefecimento sensível, mas cujo tabuleiro de drenagem não consegue lidar com o caudal de condensados de uma infiltração elevada, apresentará degradação de desempenho ou desligar-se-á à medida que o evaporador congela.

A que caudal de infiltração deixa uma unidade monobloco de fornecer arrefecimento eficaz?

O benefício de arrefecimento líquido de uma unidade monobloco — o arrefecimento fornecido à sala menos a carga de infiltração que gera — aproxima-se de zero quando a carga térmica de infiltração iguala a capacidade nominal da unidade. Para uma unidade de 2,500 W a 38°C e 65 por cento de HR, o ponto de cruzamento ocorre a aproximadamente 118 m³/h de infiltração. Embora pareça elevado, é alcançável numa sala pequena e com muitas folgas (abaixo de 15 m²) com um respiradouro totalmente aberto e uma folga de porta não vedada — condições não incomuns no parque habitacional europeu mais antigo.

A preocupação mais prática é a degradação parcial. Uma unidade que fornece apenas 50 a 60 por cento da sua capacidade nominal devido à carga de infiltração parecerá funcionar — o sensor de temperatura indicará ciclos — mas a temperatura da sala subirá nas tardes quentes em vez de descer, porque o arrefecimento líquido é insuficiente para vencer o ganho de calor ambiente e solar total que entra através da estrutura do edifício.

• Vede primeiro a folga da soleira da porta — isto reduz tipicamente a infiltração em 30 a 50 por cento e diminui diretamente tanto a carga de entrada sensível como a latente.
• Feche os respiradouros enquanto o ar condicionado funciona. Volte a abri-los durante a noite, quando as temperaturas exteriores descerem abaixo do ponto de regulação interior.
• Com humidade exterior acima de 60 por cento, conte com a componente latente da carga térmica de infiltração como termo dominante — o dimensionamento do tabuleiro de drenagem e da bomba de condensados da unidade tem de a acomodar.
• Em salas abaixo de 12 m², mesmo caudais de infiltração modestos (30–40 m³/h) podem exceder 20 por cento da capacidade de uma unidade pequena nas condições de pico de verão.
• Após a vedação, meça novamente a taxa de descida da temperatura da sala: uma melhoria de 20 a 30 por cento indica uma redução bem-sucedida da infiltração.

Os relatos de proprietários em r/airconditioning descrevem frequentemente o fenómeno de uma sala que arrefece adequadamente durante a noite, mas cuja temperatura sobe de forma constante ao longo da tarde apesar de o ar condicionado funcionar continuamente — coerente com uma unidade cujo arrefecimento líquido (capacidade nominal menos carga de infiltração) é marginalmente positivo em condições moderadas, mas se torna negativo quando a temperatura e a humidade exteriores atingem o pico em simultâneo.

Como se compara a carga de infiltração entre os diferentes tipos de unidades portáteis?

A equação da carga térmica de infiltração aplica-se apenas às unidades que expulsam ar da sala. Um monobloco de mangueira dupla aspira o ar do condensador através de uma conduta de admissão dedicada, e não a partir da sala, reduzindo (mas não eliminando) o défice de pressão líquido e diminuindo a infiltração para 5 a 15 por cento da capacidade de arrefecimento nas mesmas condições. Uma unidade split móvel não expulsa qualquer ar da sala, pelo que os termos da carga de infiltração Q_s e Q_l são ambos iguais a zero; as equações tornam-se irrelevantes e a totalidade da capacidade nominal fica disponível para o arrefecimento da sala.

Esta diferença estrutural explica porque é que as comparações de capacidade entre unidades de mangueira única e split móveis com base nas classificações de BTU de placa são enganadoras. Um split móvel de 9,000 BTU e uma unidade de mangueira única de 9,000 BTU são produtos funcionalmente diferentes a temperaturas exteriores acima de 30°C: o split fornece cerca de 8,500 BTU de arrefecimento líquido da sala, enquanto a unidade de mangueira única pode fornecer 5,500 a 7,000 BTU consoante a vedação da sala. A equação quantifica essa diferença com precisão, em vez de a deixar como uma impressão vaga de desempenho insuficiente.

As unidades split móveis que eliminam por completo a entrada por corrente térmica dos monoblocos são as mais procuradas durante as ondas de calor europeias — e, consequentemente, as primeiras a esgotar. Para os compradores que compreendem a equação da infiltração, antecipar-se ao reabastecimento é importante: é a diferença entre comprar a unidade que resolve o problema e passar mais um verão a gerir as consequências de uma que não o resolve.