Teto radiante – o projeto do Hospital de Mollet

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Os hospitais são grandes consumidores de energia. Funcionam 24h/dia e 365 dias/ano. Por isso, as instalações AVAC de um hospital devem ser muito eficientes e garantir também um excelente nível de conforto.

Esta premissa foi aplicada no projeto e construção do Hospital de Mollet, que disponibiliza 26.000 m² à atenção hospitalar de uma população de 150.000 habitantes nas proximidades de Barcelona, e que incorporam um teto radiante como sistema principal de transferência de calor com os utentes.

Esta decisão foi tomada tendo em consideração que os tetos radiantes permitem compensar os ganhos e perdas de calor a partir de um elemento terminal e decorativo como é um teto falso, sem ruídos, reduzindo o consumo de energia e o espaço necessário para instalações de ventilação, ao mesmo tempo que se simplifica a sua manutenção.

Neste artigo demonstra-se a metodologia de cálculo, a execução e exploração do teto radiante do Hospital de Mollet durante os primeiros cinco anos de funcionamento, cuja coordenação com os sistemas de ventilação e produção geotérmica mediante um sistema de regulação, baseado na norma EN 15232, permitiram reduzir as emissões de CO2 do edifício em mais de 800 ton/ano, e evitando cerca de 600 intervenções do pessoal de manutenção nas unidades de hospitalização para operações de manutenção preventiva

Hospital de Mollet 

O Hospital de Mollet foi projetado em 2005 pelo gabinete de arquitetura Corea & Moran, que concebeu um hospital horizontal de 26.000 m² divididos por cinco pisos. O edifício é composto por duas grandes zonas de passagem retangulares para a circulação de visitantes e residentes, unidas por cinco edifícios que albergam, entre outras, as áreas funcionais de hospitalização, cirurgia, urgências, imagiologia e hemodiálise.

Desde a fase inicial do projeto, os arquitetos tinham muito claro que pretendiam projetar um edifício que contribuísse para o tratamento dos pacientes e, simultaneamente, fosse amigo do ambiente, o que os levou a procurar soluções sustentáveis: a luz natural, coberturas verdes e aquecimento através de tetos radiantes; três aspetos que contribuem significativamente para o conforto dos utentes melhorando a qualidade da sua estadia no hospital.

Com um investimento de 66 milhões de euros, o Hospital de Mollet começou a ser construído em 2008 e iniciou a sua atividade em 2010. Atualmente, trabalham cerca de 700 profissionais no âmbito dos cuidados de saúde, para uma população de referência na ordem dos 150.000 habitantes.

Vista frontal e zonas ajardinadas entre edifícios

As instalações térmicas, projetadas pelo gabinete de engenharia Enginya, incluem três fontes térmicas: caldeiras, chillers ar-água e bombas de calor água-água. Estas últimas podem trabalhar em modo de recuperação de calor ou através dos furos geotérmicos, em função das necessidades do edifício e da capacidade dos furos.

Da esquerda para a direita, chiller ar-água, chiller água-água e caldeiras

Os três sistemas de produção de energia térmica trabalham para um coletor principal, a partir do qual diversas bombas de circuitos secundários alimentam as unidades de tratamento de ar, a 4 tubos, e o sistema de teto radiante a 2 tubos.

O teto radiante trabalha a temperaturas diferentes das de produção, pelo que existe um controlo de temperatura da água de impulsão e um change-over automático inverno/verão (4T-2T), de modo a que cada circuito de teto radiante possa alterar o seu estado de funcionamento segundo as necessidades térmicas em cada momento.

As unidades de tratamento de ar introduzem nos locais ar de renovação tratado termicamente e desumidificado, com capacidade para combater as cargas latentes de cada local.

Esquema de princípio

Imagem termográfica do teto radiante em funcionamento

O teto radiante é composto por placas de gesso-cartonado do tipo GKCS da Giacomini, com um circuito hidráulico incorporado que permite a circulação de água quente ou fria, segundo as necessidades do local.

Painel GKCS

Este tipo de painel oferece rendimentos térmicos ótimos para potências próximas dos 60W/m2 em arrefecimento (DT12ºC) e 65W/m² em aquecimento (DT 15ºC).

A distribuição dos painéis radiantes varia por tipologia do local e são agrupados de modo a que se obtenham zonas livres para instalação das luminárias e outros equipamentos. Os painéis radiantes ligam-se entre si mediante tubos e acessórios tipo push-fitting. Os circuitos de cada quarto são ligados a coletores de distribuição localizados em zonas acessíveis.

Os coletores de teto radiante são agrupados estrategicamente em circuitos independentes de caraterísticas similares, que alimentam locais com a mesma orientação solar. Para cada zona é possível controlar a mudança inverno/verão, a temperatura da água e a temperatura do ar de ventilação.

Painéis radiantes GKCS num quarto tipo

O Hospital de Mollet conta com um sistema de regulação e controlo integrado num BMS, que permite gerir o funcionamento de todas as instalações mediante estratégias baseadas na EN 15232 – Eficiência energética dos edifícios. Métodos de cálculo das melhorias da eficiência energética mediante a aplicação de sistemas integrados de gestão técnica de edifícios.

Assim, cada local climatizado dispõe de um termostato com sondas de temperatura e humidade relativa ligado a um controlador com capacidade para a gestão do sistema e integrando o funcionamento do sistema radiante e o sistema de ventilação.

O controlo da emissão de calor em cada espaço climatizado realiza-se mediante uma válvula tudo/nada instalada no próprio coletor, de modo a que a válvula permaneça fechada quando a temperatura do local alcança a temperatura de set-point.

Os set-points nos diferentes locais climatizados são fixados pelos responsáveis da instalação (normalmente a 21ºC e a 25ºC) e o utilizador pode modificar a temperatura num diferencial de +/- 2ºC.

Controlo da temperatura num espaço climatizado

As temperaturas dos locais mostram-se agrupadas no sinóptico da planta, a partir do qual se pode aceder ao controlo de todos os parâmetros associados.

Ecrã do BMS, consultas externas

A instalação de teto radiante é controlada especificamente através de sub-estações denominadas SUBCENTRALES TR, que incluem:

• Válvulas de 2 vias: FRIO/CALOR para a alteração I/V. Dispõem de encravamento eletromecânico para assegurar que apenas se ligam ao circuito de água fria ou ao de água quente. Nunca aos dois em simultâneo.
• Válvula de 3 vias para o controlo de temperatura da água. Esta válvula abre ou fecha o by-pass para manter a temperatura de impulsão sob controlo.
• Bomba circuladora. Apenas funciona quando há solicitação num determinado espaço.

As sub-centrais de teto radiante agrupam-se em cada módulo do piso técnico, e é possível controlar parâmetros como o modo I/V, a paragem/funcionamento da bomba circuladora sob solicitação, a temperatura ótima de impulsão da água ou a temperatura de impulsão do ar.

A alteração I/V de cada sub-central depende da temperatura máxima e mínima dos espaços que estão em modo ON e dos parâmetros de mudança.

As temperaturas dos espaços variam entre 1 e 2ºC. A mudança de estação dá-se quando os valores MAX e MIN superam os limites de funcionamento:

De INVERNO e VERÃO:

Quando a temperatura ambiente mais baixa (TMIN) é inferior à temperatura de mudança (TC-INV) e a temperatura ambiente mais alta (TMAX) é inferior à temperatura de mudança (TC-VER), a sub-central permanece em modo INVERNO. (1). Esta situação, mantém-se inclusivamente se TMAX e TMIN se encontram entre limites (2) ou fora deles (3). Unicamente quando TMIN é superior TC-INV e TMAX é superior a TC-VER, a sub-central muda para o modo VERÃO (5).

De VERÃO a INVERNO:

Ao arrefecer as dependências, mantém-se o modo em (5) e (6), e altera para modo INVERNO quando TMIN é inferior a TC-INV e TMAX é inferior a TC-VER.

Diagrama do processo de mudança de inverno (1) a Verão (4) e de novo a inverno (7) em função das temperaturas interiores máxima e mínima

As mudanças do modo de funcionamento traduzem-se na abertura ou fecho das válvulas de duas vias, que ligam os circuitos de teto a dois tubos com o circuito primário a 4 tubos.

SUB-CENTRAL TR em modo verão

Os sistemas radiantes requerem determinadas temperaturas específicas de trabalho e devem estar de acordo com as especificações indicadas na EN-15232.

A temperatura da água no inverno é calculada com base na temperatura mais desfavorável (a do local com temperatura mais baixa, Tint MIN) e de acordo com uma curva proporcional:

Se Tint MIN é inferior ou igual a 20ºC, a temperatura de impulsão será de 40ºC

Se Tint MIN é superior ou igual a 25ºC, a temperatura de impulsão será de 25ºC

Para valores intermédios estabelece-se o critério de proporcionalidade.

A partir desta definição, é o local com temperatura inferior o que determina a potência do sistema. Quando todos os locais se encontram a temperaturas próximas de 21ºC, reduz-se a temperatura de impulsão, as perdas de calor no transporte e as oscilação térmica no interior.

No verão, a temperatura da água oscila entre 15 e 19ºC e estabelece-se mediante o seguinte critério:

T CALCULADA = Tdewpoint MAX + FS

Ou seja, o local com a temperatura de condensação máxima é o que estabelece o valor da temperatura calculada. FS é um fator de segurança (-1.5 ºC).

A temperatura da água tem um valor de cálculo mínimo de 15ºC, e quando a zona climatizada apresenta uma temperatura de condensação superior a 19ºC se auto-exclui do sistema para não prejudicar as restantes zonas.

Se todas as zonas apresentam TR superiores a 19ºC, a bomba circuladora deixa de funcionar como forma de proteção, sendo necessário melhorar as condições de tratamento do ar.

As temperaturas exteriores de Mollet del Valles oferecem cerca de 1000h/ano em que a energia do ar exterior é inferior à do ar interior, de modo que é possível beneficiar-se do arrefecimento gratuito através do ar exterior (free-cooling) em várias situações.

Enquanto no INVERNO, o ar primário introduz-se a temperatura fixa, no VERÃO, estabelece-se um critério de proporcionalidade, enviando-se ar mais frio quando as condições interiores o requerem, e menos frio quando não é necessário.

O Hospital de Mollet iniciou a sua atividade em 2010, e desde essa altura que se realiza uma gestão e controlo dos gastos energéticos, que permitiu, nestes anos, efetuar diversas intervenções que facilitaram a otimização dos processos e uma redução no consumo de energia do edifício.

Assim, as primeiras intervenções tiveram como objetivo otimizar as temperaturas de funcionamento. Na maioria das zonas com teto radiante, é suficiente uma temperatura da água de cerca de 30ºC, o que permite reduzir as perdas de energia no transporte e também melhorar a eficiência dos equipamentos de produção.

A temperatura de funcionamento na produção de água fria também foi adaptada às necessidades reais, passando de 7ºC para 10ºC, com consequentes melhorias na eficiência dos equipamentos de produção.

O sistema de gestão técnica centralizada permitiu estabelecer melhores horários de funcionamento, melhorar a operacionalidade e aplicar as indicações da EN-15232 relativas ao cálculo das temperaturas de funcionamento em referência às condições interiores.

Todas estas medidas permitiram ajustar as necessidades, reduzir o consumo de energia e as emissões de CO₂ em cerca de 830 TonCO₂/ano, segundo relatórios dos responsáveis pela exploração do edifício.

Isto significa que o consumo de energia no Hospital de Mollet é cerca de 305 kWh/m², 23% inferior à média em Espanha (418 kW/hm² de acordo com informação disponibilizada pelo CATSALUT), com uma economia anual próxima dos 200.000€.

Ao mesmo tempo, a substituição de unidades terminais tipo fan-coil pelo teto radiante evitou a realização de mais de 600 operações de manutenção relacionadas com a substituição de filtros. Esta situação traduz-se numa economia direta de cerca de 10.000€/ano, mas também uma redução de incidências por interrupção de serviço.