sistemas de ventilaÇÃo e ar-condicionado para...
Post on 23-Jan-2019
223 Views
Preview:
TRANSCRIPT
SISTEMAS DE VENTILAÇÃO E AR-CONDICIONADO PARA LABORATÓRIOS DE
PESQUISA COM BIOSSEGURANÇA
Bruno Perazzo Pedroso Barbosa
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Mecânica, COPPE, da Universidade Federal do
Rio de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de Mestre em
Engenharia Mecânica.
Orientador: Nísio de Carvalho Lobo Brum
Rio de Janeiro
Setembro de 2011
SISTEMAS DE VENTILAÇÃO E AR-CONDICIONADO PARA LABORATÓRIOS DE
PESQUISA COM BIOSSEGURANÇA
Bruno Perazzo Pedroso Barbosa
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO
LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE)
DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM
CIÊNCIAS EM ENGENHARIA MECÂNICA.
Examinada por:
________________________________________________
Prof. Nísio de Carvalho Lobo Brum, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Manuel Ernani de Carvalho Cruz, Ph.D.
________________________________________________
Prof. Antonio Luis de Campos Mariani, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
SETEMBRO DE 2011
iii
Barbosa, Bruno Perazzo Pedroso
Sistemas de Ventilação e Ar-Condicionado para
Laboratórios de Pesquisa com Biossegurança/ Bruno
Perazzo Pedroso Barbosa. - Rio de Janeiro:
UFRJ/COPPE, 2011.
XXIV,163p.:il.; 29,7cm.
Orientador: Nísio de Carvalho Lobo Brum
Dissertação (Mestrado) – UFRJ/ COPPE/
Programa de Engenharia Mecânica, 2011.
Referências Bibliográficas: p. 155-160.
1. Ar Condicionado. 2. Laboratórios. 3.
Biossegurança. I. Brum, Nísio de Carvalho Lobo. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE,
Programa de Engenharia Mecânica. III. Título.
iv
DEDICATÓRIA
Este trabalho é dedicado ao meu
pai, Leonardo Perazzo Barbosa,
pelo exemplo de integridade e
caráter, pelo apoio incondicional
na batalha da Vida, e pelo
incentivo, só comparável ao de
uma “ torcida organizada” .
v
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Nísio de Carvalho Lobo Brum, pela orientação do trabalho, e pelo incentivo,
apoio e companheirismo ao longo deste período.
Às Dras. Maria Cristina Troncoso Ribeiro Pessoa e Valéria Michielin Vieira,
engenheiras de segurança do trabalho da Fiocruz, pelo suporte nas áreas de
arquitetura, biossegurança e análise de riscos ocupacionais, pela revisão dos textos e
pelo constante apoio e incentivo.
À Dra. Elba Regina Sampaio de Lemos, pesquisadora-chefe do Laboratório de
Referência em Hantaviroses e Rickettsioses da Fiocruz, pelo suporte na área de
biossegurança e rotina laboratorial, e pelo auxílio na concepção dos laboratórios
modelados nas análises deste estudo.
Ao Eng. Ricardo Barbosa Silveira de Souza, da Integrar Climatização ltda., pelo auxílio
na revisão geral dos cálculos e resultados, e pelo incentivo e companheirismo.
Aos meus colegas e amigos de trabalho da Fiocruz, pelo companheirismo, incentivo e
auxílio na revisão e formatação dos textos.
A Fiocruz, pela liberação em tempo parcial para que este trabalho pudesse ser
realizado.
Aos professores do PEM-Programa de Engenharia Mecânica da COPPE, pelos
preciosos ensinamentos ao longo das disciplinas cursadas na pós-graduação.
Finalmente, à minha esposa Dani, cujo apoio e serenidade nos anos dedicados a este
trabalho foram vitais; ao meu filho João Victor, por entender, mesmo que ainda
pequeno, que “papai precisa estudar...”; e ao meu pai, Leonardo, pelo incentivo, apoio
e torcida.
vi
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE / UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
SISTEMAS DE VENTILAÇÃO E AR-CONDICIONADO PARA LABORATÓRIOS DE
PESQUISA COM BIOSSEGURANÇA
Bruno Perazzo Pedroso Barbosa
Setembro / 2011
Orientador: Nísio de Carvalho Lobo Brum
Programa: Engenharia Mecânica
Este estudo propõe um modelo para nortear a concepção dos projetos de
ventilação e condicionamento de ar para laboratórios de pesquisa com biossegurança.
Este modelo tem como premissas o atendimento às bases de projeto nacionais e
internacionais e a minimização de consumo energético. A confecção deste modelo é
baseada em análises visando determinar a eficiência das técnicas disponíveis de
engenharia na minimização da contaminação dos usuários envolvidos nestes
laboratórios. As técnicas são: a ventilação geral diluídora; a ventilação local exaustora;
o isolamento das fontes poluidoras; a filtragem do ar. Esta pesquisa também
apresenta estudos de caso em que um Laboratório típico é modelado de forma a se
permitir o processamento de simulações termoenergéticas do desempenho e consumo
energético de várias soluções testadas, visando-se determinar a faixa de aplicação
racional das mesmas.
vii
Abstract of Dissertation presented to COPPE / UFRJ as a partial fulfillement of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
VENTILATION AND AIR-CONDITIONING SYSTEMS FOR BIOSAFETY RESEARCH
LABORATORIES
Bruno Perazzo Pedroso Barbosa
September / 2011
Advisor: Nísio de Carvalho Lobo Brum
Department: Mechanical Engineering
This study proposes a model to guide the design of ventilation and air-
conditioning systems applied to biosafety research laboratories. The basic goals are to
meet brazilian and international codes and standards with minimum energy
consumption. This study is based on an analysis which is focused in the effectiveness
of the available engineering control techniques in order to avoid human contamination.
The techniques are: General Ventilation; Local Exhaust Ventilation; Containment of
Contamination Sources and Air Filtering. This work also presents case-studies in wich
a typical Lab is modeled to simulate the energy consumption of several tested
solutions, in order to establish their range of rational applicability.
viii
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................................... X
LISTA DE TABELAS ................................................................................................................. XV
SIMBOLOGIA ........................................................................................................................ XVIII
1. INTRODUÇÃO .............................................................................................................................. 1
1.1. APRESENTAÇÃO DO TRABALHO ......................................................................................................... 3
2. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS E OPERACIONAIS DOS LABORATÓRIOS DE PESQUISA
BIOMÉDICA ........................................................................................................................................... 5
3. ANÁLISE COMPARATIVA DAS PREMISSAS DE PROJETO DETERMINADAS PELAS
NORMAS BRASILEIRAS E AMERICANAS ...................................................................................... 12
3.1. DESCRIÇÃO DAS NORMAS BRASILEIRAS ....................................................................................... 12
3.2. DESCRIÇÃO DAS NORMAS E RECOMENDAÇÕES AMERICANAS ............................................ 14
3.3. ANÁLISE DAS DIFERENÇAS NORMATIVAS NA DEFINIÇÃO DAS BASES DE PROJETO DE
SISTEMAS DE VENTILAÇÃO E AR-CONDICIONADO (VAC) PARA LABORATÓRIOS .......................... 17
4. ANÁLISE DOS PARÂMETROS QUE INFLUENCIAM A QUALIDADE DO AR INTERIOR
DOS LABORATÓRIOS ........................................................................................................................ 24
4.1. BREVE HISTÓRICO DA QUALIDADE DO AR INTERIOR .............................................................. 24
4.2. EFEITOS ADVERSOS À SAÚDE DEVIDO A FALTA DE QUALIDADE DO AR INTERIOR ..... 25
4.3. PARÂMETROS INDICATIVOS DA QUALIDADE DO AR INTERIOR............................................ 26
4.4. O PAPEL DO SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR NO ALCANCE DA QUALIDADE
DO AR INTERIOR .................................................................................................................................................... 27
4.5. DESCRIÇÃO GERAL DOS CONTAMINANTES AÉREOS ................................................................ 29
4.6. GERAÇÃO, INFILTRAÇÃO E CONTROLE DE PARTICULADOS AÉREOS ................................ 30
4.7. GERAÇÃO, INFILTRAÇÃO E CONTROLE DE BIOAEROSOL ...................................................... 38
4.8. GERAÇÃO, INFILTRAÇÃO E CONTROLE DE GASES E VAPORES ............................................ 51
5. ANÁLISE DE CARGA TÉRMICA E DE DESEMPENHO DE SERPENTINAS ALETADAS NO
CONTROLE DE TEMPERATURA E UMIDADE ............................................................................... 63
5.1. CONTROLE DE TEMPERATURA E UMIDADE RELATIVA ........................................................... 63
5.2. ESTIMATIVA DA CARGA TÉRMICA DOS LABORATÓRIOS .............................................................................. 67
5.3. ANÁLISE DO DESEMPENHO DE SERPENTINAS ALETADAS NO CONTROLE DE TEMPERATURA E UMIDADE 71
6. ESTUDO DE CASO - ANÁLISE COMPARATIVA DA OPERAÇÃO DOS SISTEMAS DE
CLIMATIZAÇÃO PROJETADOS DE ACORDO COM AS NORMAS BRASILEIRAS E
AMERICANAS ..................................................................................................................................... 89
6.1. OBJETIVO E MÉTODO ANALÍTICO ................................................................................................... 89
6.2. LABORATÓRIO-MODELO A SER ADOTADO NAS ANÁLISES ................................................... 100
6.3. RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES .................................................................................................... 116
ix
6.4. ANÁLISE DOS RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES ........................................................................ 118
7. ESTUDO DE CASO – PROPOSTA DE MODELO DE PROJETO ENERGETICAMENTE
RACIONAL PARA SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO DE LABORATÓRIOS COM
BIOSSEGURANÇA ............................................................................................................................ 123
7.1. OBJETIVO ............................................................................................................................................... 123
7.2. SEGREGAÇÃO DAS FONTES PRINCIPAIS DE RISCOS OCUPACIONAIS EM ÁREAS
SEPARADAS ........................................................................................................................................................... 125
7.3. DESACOPlAMENTO DO TRATAMENTO DO AR EXTERIOR PARA VENTILAÇÃO DOS
RECINTOS .............................................................................................................................................................. 127
7.4. SUBDIVISÃO DA SERPENTINA DE RESFRIAMENTO E DESUMIDIFICAÇÃO DO AR
EXTERIOR EM 02 ESTÁGIOS ............................................................................................................................. 130
7.5. APLICAÇÃO DE RECUPERADORES DE CALOR NO AR EXTERIOR PARA VENTILAÇÃO
DOS RECINTOS ..................................................................................................................................................... 134
7.6. SOLUÇÃO TÉCNICA DE CLIMATIZAÇÃO A SER ADOTADA NO PROJETO PROPOSTO .. 143
7.7. RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES .................................................................................................... 151
7.8. ANÁLISE DOS RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES ........................................................................ 152
8. CONCLUSÃO ............................................................................................................................ 153
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................. 155
ANEXO A ............................................................................................................................................... 161
ANEXO B ............................................................................................................................................... 162
ANEXO C ............................................................................................................................................... 163
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 4.1 Arranjo básico dos sistemas principais de condicionamento de ar ............. 28
Figura 4.2 Modelo de Estudo do Impacto da Concentração de Particulados Finos do ar
exterior na QAI interna ................................................................................................ 34
Figura 4.3 Variação da Concentração Interna de Particulado Fino com a Eficiência de
Filtragem ..................................................................................................................... 36
Figura 4.4 Variação da Concentração Interna de Particulado Fino com a Eficiência de
Filtragem-DOAS ......................................................................................................... 37
Figura 4.5 Modelo de Estudo do Impacto da taxa de ar exterior na recuperação de
acidente com formação de bioaerosol ........................................................................ 48
Figura 4.6 Variação da Concentração Interna de Bioaerosol com a Taxa de Renovação
de ar exterior .............................................................................................................. 49
Figura 4.7 Tempo de Recuperação da Concentração Interna de Bioaerosol com a
Taxa de Renovação de ar exterior .............................................................................. 49
Figura 4.8 Variação da Concentração Interna de Bioaerosol com a Classe de Filtragem
................................................................................................................................... 50
Figura 4.9 Tempo de Recuperação da Concentração Interna de Bioaerosol com a
Eficiência de Filtragem ................................................................................................ 51
Figura 4.10 Variação da concentração interna de VOCs devido a fontes não-
controláveis. Fonte: programa IA-QUEST (National Research Council of Canada) .... 58
Figura 4.11 Variação de concentração de acetona oriunda de acidente com
evaporação ................................................................................................................. 62
Figura 5.1 Fluxograma Básico de um Sistema de Condicionamento de Ar para
Controle de Temperatura e Umidade .......................................................................... 64
Figura 5.2 Processos e Estados Psicrométricos Envolvidos no Condicionamento de Ar
................................................................................................................................... 65
Figura 5.3 Algoritmo de processamento da carga térmica horária. Fonte: Adaptado de
SPITLER (2009) ......................................................................................................... 68
xi
Figura 5.4 Vista Isométrica do Arranjo Geral de uma Serpentina Aletada ................... 72
Figura 5.5 Vista Superior do Arranjo Geral de uma Serpentina Aletada ...................... 72
Figura 5.6 – Algoritmo para dimensionamento de serpentinas de resfriamento e
desumidificação .......................................................................................................... 77
Figura 5.7 – Curva ajustada da taxa s
s
t
hb
. Fonte: Adaptado de THRELKELD et al
(1998) ......................................................................................................................... 78
Figura 5.8 – Algoritmo para Estimativa das Condições de Saída de Serpentina Pré-
Determinada operando em Carga Parcial ................................................................... 81
Figura 5.9 Representação do Processo de Resfriamento e Desumidificação de uma
Serpentina no Diagrama Psicrométrico ....................................................................... 82
Figura 5.10 Variação da Velocidade de Face no Coeficiente Global de Transferência 84
Figura 5.11 Variação da Temperatura do Fluido Refrigerante no Coeficiente Global de
Transferência .............................................................................................................. 85
Figura 5.12 Variação da Velocidade de Escoamento do Fluido Refrigerante no
Coeficiente Global de Transferência ........................................................................... 86
Figura 5.13 Variação da Capacidade de Serpentina em função da vazão de Fluido
Refrigerante ................................................................................................................ 87
Figura 6.1 Distribuição de Temperaturas TBS para o ano-tipo usadas nas simulações
................................................................................................................................... 92
Figura 6.2 Distribuição de Temperaturas TBU para o ano-tipo usadas nas simulações
................................................................................................................................... 92
Figura 6.3 – Fluxograma do algoritmo usado nas simulações de performance e
consumo ..................................................................................................................... 93
Figura 6.4 – Algoritmo para estimativa da performance de serpentinas - CAV ............ 95
Figura 6.5 – Algoritmo para estimativa de performance de serpentinas - VAV ............ 96
Figura 6.6 Leiaute Proposto para o Laboratório-Modelo ........................................... 101
xii
Figura 6.7 – Coeficientes da série temporal condutiva (CTSF) gerados para aplicação
no caso estudado. Fonte: Aplicativo generate_CTSF (SPITLER, 2009) ................... 102
Figura 6.8 Mapa de Riscos do Laboratório-Modelo Proposto .................................... 104
Figura 6.9 Arranjo Geral do Sistema de Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo
Proposto conforme “Protótipo-Brasil” ........................................................................ 105
Figura 6.10 Demanda Térmica do Sistema de Condicionamento de Ar do Laboratório-
Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil” ........................................................... 106
Figura 6.11 Fluxograma de Controle pela temperatura de retorno ............................ 108
Figura 6.12 Simulação Variação das Condições internas com Controle pela
temperatura de retorno ............................................................................................. 108
Figura 6.13 Fluxograma de Controle pela temperatura de orvalho, com reaquecimento
................................................................................................................................. 109
Figura 6.14 Simulação Variação das Condições internas com Controle pela
temperatura de Orvalho com reaquecimento ............................................................ 110
Figura 6.15 Arranjo Geral do Sistema de Condicionamento de Ar do Laboratório-
Modelo Proposto conforme “Protótipo-EUA” ............................................................. 111
Figura 6.16 Demanda Térmica do Sistema de Condicionamento de Ar do Laboratório-
Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil” ........................................................... 112
Figura 6.17 Fluxograma de Controle para Sistema 100% de ar exterior, VAV, com
reaquecimento terminal ............................................................................................ 114
Figura 6.18 Arranjo Básico da Planta de Água Gelada ............................................. 115
Figura 6.19 Simulação do Consumo Elétrico Anual do Sistema de Condicionamento de
Ar do Laboratório-Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil” ............................... 116
Figura 6.20 Simulação do Consumo Elétrico Anual do Sistema de Condicionamento de
Ar do Laboratório-Modelo Proposto conforme “Protótipo-EUA” ................................. 117
Figura 6.21 Simulação da Variação Diária da Demanda de Verão de Reaquecimento
no Sistema de Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo Proposto conforme
“Protótipo-Brasil” ....................................................................................................... 118
xiii
Figura 6.22 Condicionador de ar com “by-pass” do ar de retorno ............................. 119
Figura 6.23 Representação dos Processos Envolvidos no Diagrama Psicrométrico-
verão ........................................................................................................................ 120
Figura 6.24 Simulação do Consumo Elétrico Anual do Sistema de Condicionamento de
Ar do Laboratório-Modelo Proposto “Protótipo-Brasil” modificado para operação em
VAV .......................................................................................................................... 122
Figura 7.1 Novo Leiaute Proposto para o Laboratório-Modelo .................................. 126
Figura 7.2 Arranjo do Sistema com tratamento dedicado do ar exterior .................... 128
Figura 7.3 Pré-tratamento dedicado do ar exterior representado no diagrama
psicrométrico ............................................................................................................ 129
Figura 7.4 Arranjo do Sistema modificado de tratamento dedicado do ar exterior ..... 130
Figura 7.5 Representação no Diagrama Psicrométrico dos 2 estágios do Sistema de
tratamento dedicado do ar exterior ........................................................................... 131
Figura 7.6 Filosofia de Comando dos 2 estágios do Sistema de tratamento dedicado
do ar exterior ............................................................................................................ 132
Figura 7.7 Algoritmo para Simulação Operacional do Sistema de tratamento dedicado
do ar exterior com 2 estágios de resfriamento e desumidificação ............................. 133
Figura 7.8 Arranjo do Sistema de tratamento dedicado do ar exterior com recuperador
de calor tipo Wrap--Around-Coil ................................................................................ 135
Figura 7.9 Representação no Diagrama Psicromátrico do Sistema de tratamento
dedicado do ar exterior com recuperador de calor tipo Wrap--Around-Coil ............... 136
Figura 7.10 Algoritmo para Simulação Operacional do Sistema de tratamento dedicado
do ar exterior com recuperador de calor tipo Wrap--Around-Coil .............................. 137
Figura 7.11 Arranjo do Sistema de exaustão e ventilação para Cabine de Segurança
Biológica Classe II-B2 ............................................................................................... 139
Figura 7.12 Desempenho do Sistema de pré-tratamento de ar de ventilação para
Cabine de Segurança Biológica Classe II-B2 ............................................................ 140
xiv
Figura 7.13 Simulação anual do Consumo Elétrico do Sistema de exaustão e pré-
tratamento de ar de ventilação para Cabine de Segurança Biológica Classe II-B2 ... 141
Figura 7.14 Simulação anual do Consumo Elétrico do Sistema de exaustão e pré-
tratamento de ar de ventilação para Cabine de Segurança Biológica Classe II-B2-com
recuperador de calor ................................................................................................. 142
Figura 7.15 Arranjo do Sistema Dedicado de Pré-Tratamento de Ar (DOAS) proposto
................................................................................................................................. 144
Figura 7.16 Arranjo Típico do Sistema Proposto para Climatização dos Recintos Semi-
Críticos ..................................................................................................................... 146
Figura 7.17 Fluxograma de Controle Proposto para Sistemas Dedicados aos Recintos
Semi-críticos ............................................................................................................. 147
Figura 7.18 Arranjo Típico do Sistema Proposto para Climatização dos Recintos
Críticos ..................................................................................................................... 150
Figura 7.19 Simulação do Consumo Elétrico Anual do Sistema de Condicionamento de
Ar do Laboratório-Modelo Proposto .......................................................................... 151
xv
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 “Requisitos básicos dos Laboratórios de Biossegurança” (Fonte: MAHY et
KANGRO, 1996) ........................................................................................................... 7
Tabela 2.2 “Requisitos básicos dos Laboratórios de Biossegurança Animal” (fonte:
MAJEROWICZ, 2008) ................................................................................................... 9
Tabela 3.1 Condições Internas a Serem Mantidas em Laboratórios de Biossegurança
................................................................................................................................... 17
Tabela 3.2 “Condições Internas a Serem Mantidas em Biotérios de Experimentação”
(Fonte: NIH, 2010) ...................................................................................................... 18
Tabela 3.3 Vazões mínimas de ar exterior a serem adotados em Laboratórios de
Biossegurança ............................................................................................................ 18
Tabela 3.4 Vazões mínimas de ar-total a serem adotados em Laboratórios de
Biossegurança ............................................................................................................ 19
Tabela 3.5 Níveis Mínimos de Filtragem a serem adotados em Laboratórios de
Biossegurança ............................................................................................................ 20
Tabela 3.6 Níveis de Pressurização Relativa a serem adotados em Laboratórios de
Biossegurança ............................................................................................................ 21
Tabela 3.7 Restrições Normativas acerca da Recirculação de ar em Laboratórios de
Biossegurança ............................................................................................................ 22
Tabela 4.1 Características das Partículas Aerotransportáveis .................................... 31
Tabela 4.2 Eficiência de Filtragem para particulado fina PM 2.5 (Fonte: Adaptado de
TRONVILLE et RIVERS, 2006) ................................................................................... 35
Tabela 4.3 Fontes de Emissão e Efeitos Adversos à Saúde dos Gases Comumente
Presentes na Atmosfera ............................................................................................. 53
Tabela 5.1 Condições Internas adotadas no estudo para os Laboratórios de
Biossegurança ............................................................................................................ 66
Tabela 5.2 Divisão das Frações Radiantes e Convectivas. Fonte: SPITLER (2009) ... 70
xvi
Tabela 5.3 Resultados da Simulação da Variação da Velocidade de Face no
Coeficiente Global de Transferência ........................................................................... 83
Tabela 5.4 Resultados da Simulação da Variação da Temperatura do Fluido
Refrigerante no Coeficiente Global de Transferência .................................................. 85
Tabela 5.5 Resultados da Simulação da Variação da Velocidade de Escoamento do
Fluido Refrigerante no Coeficiente Global de Transferência ....................................... 86
Tabela 6.1 Condições Externas Adotadas para os dias-tipo usados nas simulações.. 91
Tabela 6.2 Requisitos mínimos de desempenho dos resfriadores de líquidos ............ 97
Tabela 6.3 Coeficientes de Regressão aplicados na modelagem operacional do chiller
................................................................................................................................... 98
Tabela 6.4 Modelagem do desempenho do chiller para certificação de performance . 99
Tabela 6.5 Características Técnicas dos Elementos Construtivos do Laboratório-
Modelo ...................................................................................................................... 102
Tabela 6.6 Características dos Sistemas de Condicionamento de Ar do Laboratório-
Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil” ........................................................... 107
Tabela 6.7 Características dos Sistemas de Condicionamento de Ar do Laboratório-
Modelo Proposto conforme “Protótipo-EUA” ............................................................. 112
Tabela 6.8 Resultados da Simulação do Consumo Elétrico dos Sistemas de
Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil”
................................................................................................................................. 116
Tabela 6.9 Resultados da Simulação do Consumo Elétrico dos Sistemas de
Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo Proposto conforme “Protótipo-EUA” 117
Tabela 6.10 Resultados da Simulação do Consumo Elétrico dos Sistemas de
Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil”
modificado para operação em VAV ........................................................................... 121
Tabela 7.1 Médias estatísticas das condições do ar exterior para a cidade do Rio de
Janeiro ...................................................................................................................... 131
xvii
Tabela 7.2 Resultados da Simulação do Consumo Elétrico dos Sistemas de
Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo Proposto ......................................... 151
xviii
SIMBOLOGIA
A → Área [m²];
FA → Área total das aletas da serpentina [m²];
faceA → Área de Face da serpentina [m²];
oA → Área total externa da serpentina [m²];
ipA , → Área interna dos tubos da serpentina [m²];
ACH → Air changes per hour; Trocas horárias do ar [1h ];
rb Taxa de variação linear da entalpia do ar em função da temperatura, quando
calculado à temperatura do fluido frigorífico escoando no interior dos tubos da
serpentina [kJ/(kg.K)];
wb Taxa de variação linear da entalpia do ar em função da temperatura, quando
calculado à temperatura média do filme de condensação no exterior dos tubos e aletas
da serpentina[kJ/(kg.K)];
C → Concentração [ppm, μg/m³];
)(tCsi → Concentração resultante do contaminante analisado no interior do laboratório,
em função do tempo [ppm, μg/m³];
soC → Concentração externa do contaminante considerado [ppm, μg/m³];
maxC → Máxima concentração interna admissível do contaminante considerado [ppm,
μg/m³];
c → calor específico [kJ/(kg.K)];
arc Calor específico do ar úmido [kJ/(kg.K)];
wc Calor específico do refrigerante [kJ/(kg.K)];
21,CC → Coeficientes para cálculo do fator de Colburn;
xix
C.A.V. → Constant air volume, Vazão de ar constante;
CSB → Cabine de segurança biológica;
CEQ → Capela de exaustão química;
C.O.P. → Coefficient of performance, Coeficiente de performance;
CL → Totalização horária da carga térmica [W, TR];
jCTSF Fator n˚. j da série temporal condutiva para a superfície envolvida;
d → Diâmetro equivalente [m];
odA Área diferencial da superfície externa da serpentina considerada;
ffE → Eficiência de Filtragem considerada;
EPC → Equipamento de proteção coletiva
EPI → Equipamento de proteção individual
areaf → Razão entre a área total de troca e de face da serpentina;
hF → Altura equivalente da aleta [m];
lumF Fator de Diversificação de uso das Luminárias do recinto; percentual
daquelas efetivamente em uso;
sF → Espaçamento entre aletas [m];
saF Fator de Aplicação Especial; taxa entre o consumo total da luminária,
envolvendo reatores e lâmpadas, e o consumo apenas das lâmpadas;
tF → Espessura da Aleta [m];
)(, tF nul Fator de Diversificação de uso do e-nésimo equipamento em função do
tempo; igual a 1 se o equipamento estiver em uso na hora considerada; igual a 0 no
caso contrário;
xx
G → Velocidade mássica baseada na área transversal de escoamento [kg/(s.m²)];
GTH → Carga Térmica Total Global [W, TR];
GSH → Carga Térmica Sensível Global [W, TR];
GLH → Carga Térmica Latente Global [W, TR];
h → Entalpia do ar úmido [kJ/kg];
efarh , Entalpia do ar úmido saturado calculado à temperatura da entrada fluido
frigorífico na serpentina;
sfarh , Entalpia do ar úmido saturado calculado à temperatura da saída fluido
frigorífico na serpentina;
eah Entalpia do ar úmido à entrada da serpentina;
sah Entalpia do ar úmido à saída da serpentina;
wsh , Entalpia do ar úmido saturado, em equilíbrio térmico com o filme de
condensado da superfície da serpentina;
mwsh ,, Entalpia média do ar úmido saturado, em equilíbrio térmico com o filme de
condensado da superfície da serpentina;
I.P.L.V. → Integrated Part Load Value, Valor integrado de carga parcial;
J → Fator de Colburn;
k → Condutividade térmica [W/(m.K)];
arm → vazão mássica de ar [kg/s];
wm → vazão mássica de água [kg/s];
n número de equipamentos envolvidos;
rowsN → Número de filas da serpentina;
xxi
NTU → Number of Transfer Units, Número de Unidades de Transferência;
Nu → Número de Nusselts;
OASH → Carga Térmica Sensível devido ao ar exterior [W];
OALH → Carga Térmica Latente devido ao ar exterior [W];
P → potência elétrica [W];
.
TPf → Potência frigorífica total produzida pela serpentina [W];
.
SPf → Potência frigorífica Sensível produzida pela serpentina [W];
.
fanP Potência elétrica operacional do ventilador considerado, em carga parcial [W];
loadfullP.
Potência elétrica efetiva do chiller em carga total [W];
.
ratedP Potência elétrica operacional do equipamento considerado, em carga total
[W];
.
reheatP Potência elétrica operacional da resistência elétrica considerada, em carga
parcial [W];
Pr → Número de Prandtl;
Re → Número de Reynolds;
jRTF Fator n˚. j da Série Temporal Radiante;
Q → Totalização horária da transferência de calor [W];
Q → Fluxo de calor [W];
)(tQcond Totalização horária da transferência de calor por condução através da
superfície envolvida [W];
xxii
)(tQconv Totalização horária da parcela convectiva dos ganhos de calor [W];
loadfull
Q.
Potência frigorífica efetiva do chiller em carga total [W];
loadpartialQ
.
Potência frigorífica efetiva do chiller em carga parcial [W];
)(tQ rad Totalização horária da parcela radiante dos ganhos de calor [W];
)(tqequip Totalização horária do fluxo de calor oriundo dos equipamentos do recinto;
variável ao longo das horas do dia [W];
lumq Fluxo de calor oriundo das Luminárias do recinto [W];
QAI → Qualidade do ar interior;
RLH → Carga Térmica latente interna do ambiente [W, TR];
RSH → Carga Térmica sensível interna do ambiente [W, TR];
fS Fração da energia dissipada pelas luminárias que é direcionada para o
ambiente climatizado; quando da instalação embutida no entreforro, parte da energia é
direcionada para aquele;
TBS → Temperatura de bulbo seco;
TBU → Temperatura de bulbo úmido;
TR → Tonelada de Refrigeração [ 1,0 TR = 3.157 W];
U → Coeficiente global de transferência de calor [W/(m².K)];
desU Coeficiente Global de Transferência de calor e massa da serpentina;
drytotalU , Coeficiente Global de Transferência de calor sensível para a serpentina
seca;
UR → Umidade relativa;
xxiii
SAV
→ Vazão de suprimento total considerada;
OAV
→ Vazão de ar exterior considerada;
RAV
→ Vazão de retorno considerada;
W → potência [W];
nequipW , Potência unitária dissipada pelo e-nésimo equipamento;
lumW Potência total das Luminárias do recinto [W];
wy → Espessura do filme de condensado [m];
)( jtTe Temperatura sol-ar externa à superfície envolvida, j horas atrás;
iT Temperatura do ar interno (bulbo seco);
oaT Temperatura de bulbo seco do ar exterior considerada;
t → tempo [s,h];
V → Vazão [L/s];
loadpartialV Vazão do ventilador considerado, em carga parcial [L/s];
loadfullV Vazão do ventilador considerado, em carga total [L/s];
V.A.V. → Variable air volume, Vazão de ar variável;
→ Coeficiente de transferência de calor por convecção [W/(m².K)];
r Coeficiente de Transferência de Calor por Convecção do fluido frigorífico
escoando no interior dos tubos da serpentina [W/(m².K)];
oc, Coeficiente de Transferência de Calor por Convecção do ar úmido escoando
no exterior dos tubos da serpentina aletada seca [W/(m².K)];
xxiv
wc, Coeficiente de Transferência de Calor por Convecção do ar úmido escoando
no exterior dos tubos da serpentina aletada, na presença de condensado [W/(m².K)];
Percentual de consumo demandado, em carga parcial [%];
w → Eficiência das aletas no escoamento com presença de condensado;
1
1. INTRODUÇÃO
O projeto de sistemas de condicionamento de ar para ambientes certificados,
como são os laboratórios de pesquisa com biossegurança, demanda, do engenheiro
mecânico, análises criteriosas acerca das premissas e soluções a serem adotadas
neste tipo de projeto.
Esta análise abrange a definição das premissas básicas, a escolha e
dimensionamento dos sistemas e subsistemas que serão instalados para a desejada
certificação. Inicialmente tem-se a escolha das propriedades a serem controladas e os
valores a serem mantidos. Estas englobam o estado psicrométrico, os parâmetros de
qualidade do ar interior e os níveis de pressurização relativa desejáveis. A definição
destas variáveis tem consequências no dimensionamento e consumo energético dos
sistemas e sub-sistemas envolvidos. Diferentemente das aplicações convencionais de
conforto térmico, as características específicas de cada laboratório, com relação aos
equipamentos aplicados e ao manejo de substâncias químicas e material
microbiológico, aumentam a complexidade da análise e da solução a ser desenvolvida
pelo projetista.
Com relação ao manejo de substâncias químicas voláteis, torna-se necessária
a ponderação sobre o uso racional da taxa de renovação do ar interno com ar exterior
e a aplicação de ventilação local exaustora, isto em função do potencial aumento do
consumo energético e da umidade relativa, com o emprego de taxas de renovação
elevadas.
Assim, o dimensionamento das vazões de ar exterior será determinado pelos
seguintes fatores:
Pelo nível de pressurização relativa a ser alcançado e pela classe de
vazamentos adotada para a construção em questão. A manutenção de um
2
nível controlado de pressurização relativa para os recintos é alcançada pelo
dimensionamento da vazão de exfiltração (ou infiltração) de ar (SUN, 2002);
Pela vazão demandada pela ventilação diluídora. Esta é utilizada visando a
manutenção de uma concentração máxima admissível de poluentes aéreos
gerados no Laboratório (ou que escapem de um de seus sistemas de
contenção);
Pela vazão de extração demandada por Equipamentos de Proteção Coletiva
(EPC) do Laboratório. Dentre estes, destacam-se as Cabines de Segurança
Biológicas (CSB) e Capelas de Exaustão Química (CEQ);
A demanda de vazão de ar exterior representa um parâmetro crítico no
dimensionamento e operação dos sistemas, principalmente em países de clima
tropical. Nestes casos, os elevados valores de temperatura externa de bulbo seco e
úmido (TBS e TBU) resultam em elevado valor da entalpia do ar úmido à entrada do
condicionador. Tal fato implica numa elevada potência necessária para o resfriamento
e desumidificação do ar. Este quadro torna-se mais crítico na medida em que se
aumenta o percentual de ar exterior envolvido no condicionador, chegando-se ao
extremo no caso de condicionadores operando em regime de 100% de ar exterior
(sem recirculação de ar). Ressalta-se que de acordo com a ASHRAE-American
Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers (2003a), não são
raros os sistemas laboratoriais que operam sob este regime.
Com relação ao alcance dos parâmetros relativos à qualidade do ar interior,
torna-se necessário o conhecimento das atividades laboratoriais para uma escolha
correta do estado psicrométrico a ser mantido, e da filtragem de ar.
A escolha das condições psicrométricas internas a serem mantidas visando o
conforto dos usuários é baseada naquelas extensamente documentadas para
manutenção de conforto térmico dos ocupantes por FANGER (1970) e reunidas na
norma ISO-7730 (ISO, 1994). Verifica-se que esta escolha é influenciada pela
necessária paramentação dos ocupantes. Em função de uma maior resistência térmica
de vestimentas, torna-se-á necessário adotar uma menor temperatura de bulbo seco
(TBS) ambiental visando-se a manutenção das condições de conforto. Quanto
menores os valores internos de TBS e Umidade Relativa (UR) a serem mantidos,
menores serão os necessários valores da entalpia do ar úmido à saída do
condicionador, refletindo-se em uma maior potência de resfriamento e
desumidificação.
3
A escolha do nível de filtragem adotado para o ar total será determinada pela
concentração máxima admissível de contaminantes aéreos no laboratório, e do
conhecimento e ponderação acerca da geração interna de contaminantes.
Verificamos que o nível de filtragem apresenta impactos no consumo
energético da edificação à medida que filtros com maior eficiência impõem uma maior
perda de carga no escoamento do ar.
O conjunto destas tarefas impacta diretamente na segurança do trabalhador e
no consumo energético da edificação, e muitas vezes sua realização é dificultada pela
falta de informações precisas acerca dos parâmetros envolvidos, devido às
dificuldades de comunicação entre os usuários do laboratório e os projetistas dos
sistemas de ventilação. Aqueles não possuem suficiente conhecimento acerca do
impacto direto dos sistemas de ventilação do laboratório na saúde do pessoal
envolvido. Também não se pode esperar dos projetistas o conhecimento de todos os
riscos específicos envolvidos em todos os procedimentos que ocorrerão no laboratório.
Agreguem-se a este fato as divergências entre parâmetros normativos nacionais e
internacionais. O caráter multidisciplinar das análises e situações envolvidas dificulta a
padronização de soluções, e o resultado, envolve geralmente o
superdimensionamento dos sistemas em prol da segurança.
Assim, surge a motivação no desenvolvimento de um estudo que englobe
todas as particularidades inerentes ao processo de projeto de sistemas de
condicionamento de ar para laboratórios com biossegurança, e que produza
informação técnica que contribua para o auxílio na elaboração de projetos racionais e
otimizados.
Assim, este trabalho tem por objetivo propor um modelo de projeto, baseado na
análise dos critérios envolvidos nas escolhas das bases de projetos dos sistemas e no
estudo do impacto destas escolhas no desempenho dos sistemas.
1.1. APRESENTAÇÃO DO TRABALHO
No capítulo 2 será realizada uma revisão bibliográfica acerca das
características técnicas e operacionais dos laboratórios de pesquisa biomédica;
No capítulo 3 será realizada uma análise das diferenças normativas que regem
o projeto de sistemas de climatização e ventilação de laboratórios de pesquisa
biomédica. Serão comparadas as Normas Brasileiras com as Americanas;
4
No capítulo 4 será realizada uma análise dos parâmetros que têm influência na
Qualidade do Ar Interior de Laboratórios de Pesquisa Biomédica. Será também
realizada uma análise de eficiência das principais tecnologias disponíveis para
controle destes parâmetros;
No capítulo 5 será realizada uma análise da carga térmica de laboratórios e da
aplicação de serpentinas aletadas no controle de temperatura e umidade destes
recintos.
No capítulo 6 será realizado um estudo de caso contendo uma análise
comparativa do desempenho e consumo energético da operação de um laboratório
modelo padrão operando de acordo com os requisitos normativos Brasileiros e
Americanos;
No capítulo 7 será realizado um estudo de caso contendo a análise de um
modelo proposto de acordo com a aplicação de diversas técnicas de otimização,
visando compor uma proposta de solução que atenda às premissas básicas de saúde
ocupacional e promova um racional consumo de energia.
5
2. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS E OPERACIONAIS DOS
LABORATÓRIOS DE PESQUISA BIOMÉDICA
Os laboratórios de Pesquisa Biomédica compreendem os recintos em que se
desenvolvem as atividades de pesquisa e análise em saúde, caracterizando-se pelo
manuseio, cultivo e testes envolvendo material biológico.
Apesar da existência da atividade superar cem anos, só há poucas décadas
formou-se um conhecimento estatístico acerca dos riscos envolvidos na atividade. As
primeiras normatizações e diretrizes sobre os aspectos de prevenção de acidentes em
atividades realizadas em laboratórios se deram nos anos 70 a partir das publicações
dos Centers for Diseases Control and Prevention – CDC nos Estados Unidos
(RAPPARINI et CARDO, 2005). Desenvolveu-se a partir de então a Biossegurança,
que baliza as condições nas quais os agentes biológicos devem ser manipulados,
contidos e descartados de forma segura. A prática atual de Biossegurança
preconizada pelo MINISTÉRIO DA SAÚDE (2000) se baseia nos três fundamentos de
contenção: As condutas técnicas, os Equipamentos de Proteção Individual (EPI) e
Coletiva (EPC), e as instalações laboratoriais.
A conduta técnica adequada é o principal mecanismo de Biossegurança, e
forma, junto com os EPIs e EPCs as barreiras primárias de contenção, responsáveis
diretas pela segurança do pesquisador. Os sistemas de ventilação e condicionamento
de ar fazem parte das instalações laboratoriais, constituindo barreiras secundárias de
contenção. Estas barreiras são responsáveis diretas pela segurança do meio-
ambiente, e indiretas pela segurança do Pesquisador. Entretanto, seu correto
dimensionamento e operação têm importância fundamental na adequada operação de
alguns EPCs, como as Cabines de Segurança Biológica e Capelas de Exaustão
Química.
6
Considerando-se as diferenças entre potencial patogênico dos
microorganismos em relação ao ser humano e ao meio-ambiente, a Organização
Mundial de Saúde (WHO, 2004) criou um critério de classificação de risco dos
microorganismos em 04 classes:
classe 1 de risco: fraco risco na escala individual e coletiva. Os
microorganismos pertencentes a esta classe dificilmente causam doenças em
homens e animais, plantas e meio ambiente;
classe 2 de risco: moderado risco individual e limitado para a comunidade. São
os germes patogênicos capazes de provocar doenças em seres humanos ou
animais, mas que geralmente não representam um perigo grave para quem os
manipula em condições de contenção, para a comunidade ou para o ambiente.
Embora a exposição possa trazer contágio por doenças infecciosas graves, há
medidas profiláticas, disponibilidade de tratamento eficaz e a capacidade de
propagação da infecção é baixa;
classe 3 de risco: elevado risco na escala individual e limitada na escala
coletiva. São germes patogênicos que geralmente provocam doenças graves
no homem e nos animais, mas que usualmente não se propagam de um
indivíduo infectado para outro. Há medidas profiláticas e disponibilidade de
tratamento eficaz
classe 4 de risco: elevado risco individual e para a comunidade. Trata-se de
germes altamente patogênicos que em geral provocam doenças graves no
homem e nos animais e se propagam com facilidade, de forma direta ou
indireta. Não há medidas profiláticas ou tratamento eficaz disponível.
A classificação de um agente microbiológico em uma determinada classe de
risco é fruto da análise das suas seguintes características (MINISTÉRIO DA SAÚDE,
2010):
Virulência: capacidade patogênica e poder de invasão de tecidos hospedeiros;
Via de transmissão: aérea, parenteral, contato com pele e mucosas;
Dose infectante: quantidade de organismos causadora da infecção;
Estabilidade: capacidade de manter-se viável no meio-ambiente;
Disponibilidade de medidas profiláticas eficazes;
Disponibilidade de tratamento eficaz;
O conjunto de condutas técnicas, EPIs, EPCs e instalações Laboratoriais
necessárias para a realização de uma determinada atividade com manuseio, cultivo e
7
descarte de microorganismos de uma determinada classe de risco constitui o nível de
biossegurança necessário ao laboratório em questão. Este nível varia de 1 a 4 (NB-1 a
NB-4), sendo crescente em grau de contenção e complexidade. A classificação do
nível de biossegurança necessário ao laboratório para manipulação de um
determinado agente depende dos seguintes fatores:
Classe de risco do agente manipulado;
Concentração e volume manipulado;
Procedimentos a serem aplicados ao agente manipulado;
Fatores referentes à manutenção da viabilidade do agente no processo
realizado;
Fatores referentes ao trabalhador;
É comum a associação direta entre classe de risco do agente e nível de
biossegurança necessário, mas nem sempre este procedimento é correto, uma vez
que a avaliação também leva em consideração a ponderação dos fatores acima
expostos. Desta feita, podem ocorrer casos de manipulação de agentes de risco mais
elevado em níveis de biossegurança menores, caso a concentração seja pequena e
não envolva procedimentos com reconhecido potencial de contaminação do
pesquisador. Cabe ao responsável pelo laboratório a determinação do nível de
biossegurança necessário. As instituições de pesquisa devem obrigatoriamente
manter Comissões Internas de Biossegurança (CI-Bio) para o auxílio técnico aos
Laboratórios e Fiscalização (BRASIL, 1995).
Os requisitos básicos dos laboratórios de biossegurança estão listados na
Tabela 2.1 (MAHY et KANGRO, 1996):
Tabela 2.1 “Requisitos básicos dos Laboratórios de Biossegurança” (Fonte: MAHY et
KANGRO, 1996)
NB Agentes Patogênicos
Condutas Técnicas Equipamentos de Proteção (Barreiras Primárias)
Infra-estrutura Laboratorial (Barreiras Secundárias)
1 Não causadores de doenças à adultos saudáveis
Práticas Padrões de Microbiologia
Nenhum Requisito Disponibilidade de Autoclave
2 Associados à doenças humanas. Risco de Transmissão via auto-
Práticas do NB-1 acrescidas de: - Acesso Restrito; - Sinalização de Risco Biológico;
-Uso de CSB classe I ou II para condução de experimentos com potencial de aerosolização de
Instalações do NB-1 acrescidas de: -Pia para higienização das
8
inoculação, ingestão e contato com membranas
- Procedimento de Descarte de Resíduos;
material contaminado; -Uso de EPIs; -Uso de Jalecos; -Uso de Luvas; -Uso de Protetores faciais em alguns casos;
mãos; -Lava-olhos de emergência;
3 Associados à doenças humanas que causam sérios agravos à saúde e/ou letais . Risco de Transmissão via aerosol
Práticas do NB-2 acrescidas de: -Controle de Acesso; -Descontaminação de todos os resíduos; -Descontaminação das vestimentas laboratoriais antes da lavagem;
-Uso de CSB classe I ou II para condução de quaisquer experimentos com agentes biológicos; -Uso de EPIs; -Uso de Vestimentas especiais; -Uso de Luvas; -Uso de Respiradores em alguns casos;
Instalações do NB-2 acrescidas de: -Separação física dos corredores de acesso; -Ante-câmara de acesso com portas autofechantes; - 100% de renovação de ar; -Manutenção do Laboratório em Pressurização negativa; -Filtragem HEPA do ar de extração em alguns casos;
4 Agentes Exóticos causadores de doenças de alto risco de morte ao ser humano. Elevado Risco de Transmissão via aerosol no Laboratório
Práticas do NB-3 acrescidas de: -paramentação especial antes da entrada; -Ducha química descontaminante na saída; -Descontaminação de todo o material envolvido;
-Uso de CSB classe III para qualquer procedimento envolvendo agentes biológicos. (Podem ser usadas CSBs classe I ou II caso haja traje pressurizado de suporte à vida)
Instalações do NB-3 acrescidas de: -Edificação Dedicada ou zona isolada de edificação comum; -Necessidade de filtragem HEPA dupla em série do fluxo de exaustão;
Alguns experimentos envolvem a inoculação dos microorganismos em cobaias
de experimentação, e a manutenção destas em condições controladas durante o
período de realização dos testes. Isto se deve ao fato de que há muitas semelhanças
entre a fisiologia e a genética dos animais quando comparada com a dos seres
humanos (MAJEROWICZ, 2008). Na maioria dos casos as diferenças são
suficientemente pequenas, de modo que os animais podem servir como modelos
adequados para o homem. Nestes casos, o laboratório recebe a designação de
biotério de experimentação, e recebe uma classificação similar aos laboratórios de
pesquisa, através do nível de biossegurança animal, que varia de 1 a 4 (NBA-1 a NBA-
4).
Os Requisitos básicos dos laboratórios de biossegurança animal estão listados
na Tabela 2.2 (MAJEROWICZ, 2008):
9
Tabela 2.2 “Requisitos básicos dos Laboratórios de Biossegurança Animal” (fonte:
MAJEROWICZ, 2008)
NBA Agentes Patogênicos
Condutas Técnicas Equipamentos de Proteção (Barreiras Primárias)
Infra-estrutura Laboratorial (Barreiras Secundárias)
1 Não causadores de doenças à adultos ou animais
Manejo e procedimentos padrões preconizados para animais pela Vigilância Sanitária
Aqueles normalmente preconizados para alojamento das espécies animais
- Biotério Convencional; - Sem recirculação de ar; -A pressurização relativa é recomendada;
2 Associados à doenças humanas ou animais. Risco de Transmissão via auto-inoculação, ingestão e contato com membranas
Práticas do NBA-1 acrescidas de: - Acesso Restrito; - Sinalização de Risco Biológico; - Manual com Procedimentos de Biossegurança; - Descontaminação de todo material contaminado e gaiolas de animais antes da lavagem;
Equipamentos do NBA-1 acrescidas de: -Uso de equipamentos de contenção apropriados por espécie; -Uso de EPIs; - Protetores faciais e respiratórios, em alguns casos;
Instalações do NBA-1 acrescidas de: -Disponibilidade de Autoclave; -Pia para higienização das mãos à saída do biotério;
3 Associados à doenças humanas e animais que causam sérios agravos à saúde e/ou letais . Risco de Transmissão via aerosol
Práticas do NB-2 acrescidas de: -Controle de Acesso; -Descontaminação de todos os resíduos; -Descontaminação das vestimentas laboratoriais antes da lavagem; -Descontaminação das gaiolas antes da remoção das “camas”; -Desinfecção de calçados;
Equipamentos do NBA-2 acrescidas de: -Uso de CSB classe I ou II para condução de quaisquer experimentos com agentes biológicos; -Uso de EPIs; -Uso de Vestimentas especiais; -Uso de Luvas; -Uso de Respiradores;
Instalações do NBA-2 acrescidas de: -Separação física dos corredores de acesso; -Autoclave no biotério; -Ante-câmara de acesso com portas autofechantes; -Manutenção do Laboratório em Pressurização negativa; -Filtragem HEPA do ar de extração em alguns casos;
4 Agentes Exóticos causadores de doenças de alto risco de morte ao ser humano e animais. Elevado Risco de Transmissão via aerosol no Laboratório
Práticas do NBA-3 acrescidas de: -paramentação especial antes da entrada; -Ducha química descontaminante na saída; -Descontaminação de todo o material envolvido;
-Uso de CSB classe III para qualquer procedimento envolvendo agentes biológicos. (Podem ser usadas CSBs classe I ou II caso haja traje pressurizado de suporte à vida)
Instalações do NB-3 acrescidas de: -Edificação Dedicada ou zona isolada de edificação comum; -Necessidade de filtragem HEPA dupla em série do fluxo de exaustão;
10
Os laboratórios de nível 4 (NB-4) e biotérios de biossegurança animal de nível
4 (NBA-4) apresentam elevada complexidade construtiva e operacional, e rígido
controle funcional. Apenas poucos países já possuem este tipo de instalação (Estados
Unidos, Rússia, França, Inglaterra, Alemanha, Japão, Austrália e África do Sul). Por
este motivo, estes tipos de laboratórios não farão parte deste estudo.
A maior parte dos laboratórios brasileiros são estruturados para o trabalho em
nível 2 de biossegurança (NB-2). Algumas poucas instituições são estruturadas para
trabalho em nível 3. De acordo com VIEIRA et SALGADO (2008), estavam
estruturados 31 Laboratórios deste tipo no Brasil em 2007, sendo 20 na região
sudeste. O Jornal da Ciência, em sua edição de 28 de Novembro de 2005, relata que,
naquela época, apenas 1 dos 13 laboratórios NB-3 concebidos para formar o Sistema
Nacional de Laboratórios de Saúde Pública operava de forma certificada, em função
da complexidade envolvida (SBPC, 2005).
Pela análise das características necessárias aos Laboratórios, descritas nas
Tabelas 1 e 2, podemos verificar que:
Os laboratórios de pesquisa biomédica geralmente desenvolvem
procedimentos envolvendo agentes microbiológicos patogênicos que devem
ser conduzidos em Cabines de Segurança Biológica (CSB). Estas impactam
nos projetos dos sistemas de ar-condicionado, que devem ser dimensionados
para suprir as vazões de ar exterior necessárias a repor a demanda de
extração das CSBs.
Os Laboratórios de nível 3 de biossegurança (NB-3), assim como todos os
tipos de biotérios (NBA-1 a NBA-4) devem ser dotados de sistemas com 100%
de renovação. Tal especificação impacta no dimensionamento e controle dos
sistemas de climatização, fato que é ainda mais complexo nos países tropicais.
Portanto, se faz necessário analisar todas as opções tecnológicas disponíveis no
mercado visando à otimização da instalação física. Esta atitude viabiliza a diminuição
de custo de operação e manutenção dessas instalações. Como exemplo, pode-se citar
a aplicação de equipamentos como as estantes ventiladas para animais, que, de
acordo com as recomendações do NIH-National Institutes of Health publicadas por
MEMARZADEH (1998), permite a redução do número de trocas de ar da sala.
A demanda de análise em relação a sustentabilidade na área laboratorial tem
uma justificativa quando são considerados os números fornecidos pelo LAWRENCE
11
BERKELEY NATIONAL LABORATORY (2011), quando afirma que o uso de energia e
água em um laboratório típico é cinco vezes maior do que em escritórios.
12
3. ANÁLISE COMPARATIVA DAS PREMISSAS DE PROJETO
DETERMINADAS PELAS NORMAS BRASILEIRAS E
AMERICANAS
3.1. DESCRIÇÃO DAS NORMAS BRASILEIRAS
No Brasil, as premissas básicas das instalações de ventilação e ar
condicionado (VAC) para laboratórios de nível 2 e 3 de biossegurança são
determinadas pela norma NBR-7256 da ABNT-Associação Brasileira de Normas
Técnicas, “Tratamento de Ar em Estabelecimentos Assistenciais de Saúde (EAS) –
Requisitos para Projetos e Execução das Instalações” (ABNT, 2005). Esta Norma foi
originalmente editada em 1982 e revisada em 2005 (última versão).
Esta norma não é restrita aos laboratórios, abordando os estabelecimentos de
assistência à saúde (EAS) em geral, seguindo-se a estruturação da Resolução RDC
nº. 50 da ANVISA – Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA, 2002). Esta
dispõe sobre o regulamento técnico para planejamento, programação, elaboração e
avaliação de projetos físicos de estabelecimentos assistenciais de saúde.
A norma NBR-7256 apresenta uma classificação própria de risco de eventos
adversos à saúde por exposição ao ar ambiental dos recintos envolvidos.
Os laboratórios NB-2 são classificados como áreas de nível 1, “ onde não foi
constatado risco de ocorrência de agravos à saúde relacionados à qualidade do ar,
porém, algumas autoridades, organizações ou investigadores sugerem que o risco
seja considerado” (ABNT, 2005).
Os laboratórios NB-3 são classificados como áreas de Nível 3, “ onde existem
fortes evidências de alto risco de ocorrência de agravos sérios à saúde relacionados à
qualidade do ar, de seus ocupantes ou pacientes que utilizarão produtos manipulados
13
nestas áreas, baseadas em estudos experimentais, clínicos ou epidemiológicos bem
delineados” (ABNT, 2005).
A norma apresenta os requisitos mínimos de projeto, instalação, operação e
testes relacionados aos sistemas.
As seguintes referências normativas são listadas na norma e consideradas
prescrições para a mesma:
Resolução RDC nº. 50 da ANVISA, de 21 de fevereiro de 2002
Resolução RE nº 9 de 16 de janeiro de 2003 da ANVISA: Determina Padrões
Referenciais de Qualidade do Ar Interior em Ambientes Climatizados
Artificialmente de Uso Público e Coletivo.
Portaria Interministerial nº. 482 de 16 de abril de 1998 da Secretaria de
Vigilância Sanitária do Ministério da Saúde: Determina Regulamento técnico
para Instalação e uso de gás óxido de etileno e suas misturas em unidades de
esterilização.
Portaria nº. 272 de 08 de abril de 1998 da Secretaria de Vigilância Sanitária do
Ministério de Saúde: Estabelece regulamento técnico para terapia de nutrição
parenteral.
Norma Regulamentadora NR 15 do Ministério do Trabalho e Emprego:
Estabelece os limites de exposição à atividades e operações insalubres.
NBR 5410:2004 da ABNT: Estabelece os critérios técnicos a serem aplicados
em projeto, instalação e operação de sistemas elétricos de baixa tensão.
NBR 16.401:2008 da ABNT: Estabelece os critérios técnicos a serem aplicados
em projeto, instalação e operação de sistemas convencionais de climatização
para conforto. Estabelece parâmetros de projeto para alcance de premissas de
Qualidade do Ar Interior.
NBR 9442:1986 da ABNT: Estabelece critérios de resistência ao fogo de
materiais de construção.
NBR 10719:1989 da ABNT: Estabelece critérios para apresentação de
relatórios técnico-científicos.
NBR 13534:1995 da ABNT: Estabelece os critérios técnicos a serem aplicados
em projeto, instalação e operação de sistemas elétricos para estabelecimentos
assistenciais de saúde.
14
NBR 14518:2000 da ABNT: Estabelece os critérios técnicos a serem aplicados
em projeto, instalação e operação de sistemas de ventilação para cozinhas
profissionais.
NBR 14880:2002 da ABNT: Estabelece os critérios técnicos a serem aplicados
em projeto, instalação e operação de sistemas de pressurização de escadas de
segurança usadas como saídas de emergência em edifícios.
Recomendações da SMACNA (Sheet Metal and Air-Conditioning Contractors’
National Association) para construção de dutos e dampers, e para os
procedimentos de testes, ajustes e balanceamento.
Recomendações da UL (Underwriters Laboratories) para construção de
dampers.
Recomendações da norma alemã DIN 4102-6:1977 para resistência ao fogo
de dutos.
Recomendações da norma européia EN 779:2002 para testes de classificação
de filtros de ar grossos e finos.
Recomendações da norma americana USA MIL STD 282:1995 para testes de
classificação de filtros de ar absolutos.
NN 3.05, de 19 de abril de 1996, da Comissão Nacional de Energia Nuclear:
Estabelece requisitos de Radioproteção e segurança para serviços de medicina
nuclear.
Verifica-se que não há uma norma brasileira exclusiva para projetos de
sistemas de climatização de Laboratórios de pesquisa biomédica. Estes estão
inseridos em uma norma que abrange estabelecimentos de assistência à saúde.
Na classificação de risco da área, implementada e definida pela norma NBR-
7256, a mesma apresenta uma subjetividade, ao definir que nos Laboratórios NB-2
não há evidências de risco devido à qualidade do ar, embora algumas autoridades,
organizações ou investigadores sugerem que o risco seja considerado.
3.2. DESCRIÇÃO DAS NORMAS E RECOMENDAÇÕES AMERICANAS
Os Estados Unidos da América (EUA) são formados por 50 estados, e apesar
destes respeitarem a uma constituição federal, cada um tem autonomia para
desenvolver sua legislação.
15
A OSHA (Occupational Safety and Health Administration) é uma organização
federal que faz parte do Departamento do Trabalho. A sua jurisdição envolve
legislação de segurança ocupacional para os trabalhadores do setor privado dos 50
estados americanos. Os trabalhadores do setor público estadual estarão cobertos pela
legislação estadual, que deverá promover um programa estadual aprovado pela
OSHA. Este programa deve ser minimamente tão efetivo quanto o programa federal.
Uma das normas aplicáveis da OSHA é a número 1910.1450, “Occupational
exposure to hazardous chemicals in laboratories” (OSHA, 2006), que determina os
limites de tolerância de concentração de produtos químicos voláteis em laboratórios,
através dos limites permissíveis de exposição (PEL – Permissible Exposure Limits) e
do valor limite de exposição (TLV – Threshold Limit Values).
O NIOSH (National Institute for Occupational and Safety Health) é um orgão do
CDC (Centers for Disease Control), responsável pela pesquisa e desenvolvimento de
mecanismos para redução da exposição dos trabalhadores ao risco ocupacional. Suas
recomendações são amplamente adotadas na legislação da OSHA.
O NIH (National Institutes of Health) é uma organização do Departamento de
Saúde, formado por 27 institutos de pesquisa, cujo objetivo é o desenvolvimento de
pesquisa em saúde e prevenção de doenças. O CDC faz parte do NIH e promove
pesquisa microbiológica e vigilância em epidemias. Em função do pioneirismo e
excelência no campo de conhecimentos acerca de pesquisa microbiológica, a sua
norma “Biosafety in Microbiological and Biomedical Laboratories” é usada
internacionalmente. No Brasil, esta foi traduzida pela FUNASA – Fundação Nacional
da Saúde (MINISTÉRIO DA SAÚDE, 2000). As recomendações técnicas para as
atividades de projeto, construção e reforma dos laboratórios do CDC estão reunidas
no “NIH Design Requirements Manual”, editado pela Divisão de Recursos Técnicos do
NIH (2010).
A ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning
Engineers) é uma organização de desenvolvimento tecnológico em sistemas de
climatização, ventilação e refrigeração, que gera normas em todos os campos
aplicáveis, dentre as quais a ASHRAE/ANSI STD 110: "Method of Testing
Performance of Laboratory Fume Hoods”, e as recomendações técnicas do
“Handbook of Applications” para sistemas dedicados a laboratórios (ASHRAE, 2003a).
A ANSI (American National Standards Institute) possui duas normas de
aplicação direta em sistemas de ventilação e climatização de laboratórios: A norma
16
ANSI / AIHA Z9.5 – 2003, “Laboratory Ventilation”, em conjunto com a AIHA -
American Industrial Hygiene Association, e a norma NSF / ANSI 49 – 2009, “Biosafety
Cabinetry: Design, Construction, Performance, and Field Certification”, em conjunto
com a NSF- National Sanitation Foundation.
Os projetos devem ainda atender aos códigos do BOCA –Building Officials &
Code Administrators , da EPA – Environmental Protection Agency (principalmente com
relação ao gerenciamento de resíduos) e da NFPA – National Fire Protection
Association (principalmente com relação à prevenção de incêndios).
Nos Estados Unidos, há uma distinção entre Código, Norma e Recomendação
Técnica (NEUENSCHWANDER, 1997):
Código: Especificado por lei ou competência regulamentar. Cumprimento
obrigatório.
Norma: Especificado por associação profissional de acreditação técnica.
Cumprimento obrigatório, com exceção de acordo mútuo entre empreendedor
e construtores.
Recomendação Técnica: Especificado por associação profissional de
acreditação técnica. Cumprimento à critério do empreendedor.
De acordo com CRANE et RILEY (1997), mesmo que o cumprimento das
recomendações técnicas não seja obrigatório, a lei americana define um “padrão de
cuidado razoável” para profissionais como engenheiros. Neste caso, o engenheiro
deve utilizar e seguir os conhecimentos específicos que estão delineados por estas
recomendações redigidas por Organizações especializadas, a menos que compelido
por razões imperiosas para desconsiderá-las.
17
3.3. ANÁLISE DAS DIFERENÇAS NORMATIVAS NA DEFINIÇÃO DAS
BASES DE PROJETO DE SISTEMAS DE VENTILAÇÃO E AR
CONDICIONADO (VAC) PARA LABORATÓRIOS
3.3.1. COM RELAÇÃO À DEFINIÇÃO DAS CONDIÇÕES PSICROMÉTRICAS
INTERNAS
3.3.1.1. LABORATÓRIOS DE BIOSSEGURANÇA
Tabela 3.1 Condições Internas a Serem Mantidas em Laboratórios de Biossegurança
NORMAS BRASILEIRAS NORMAS AMERICANAS
ABNT ANVISA ASHRAE NIH NFPA ISO
TBS (˚C) 21 a 24 20 a 26 Conf. ISO 23 +/- 1 na 21 a 25
UR (%) 40 a 60 40 a 65 Conf. ISO 50 +/- 5 na 45 a 60
Para o caso do cálculo conforme ISO 7730 (1994), foi considerada a
paramentação padrão em laboratórios de pesquisa, constituída por jaleco fechado de
mangas longas sobre camisa de mangas longas e calça comprida, com sapatos
fechados, resultando em 1,14 clo1. O metabolismo considerado foi de 1,0 met2. A
máxima velocidade adotada para correntes de ar foi de 0,25 m/s na zona de
ocupação. Foi desconsiderada a possibilidade de fontes assimétricas e excessivas de
radiação.
As condições prescritas pelas normas Brasileiras e Americanas não
apresentam divergência para estas especificações.
3.3.1.2. LABORATÓRIOS DE BIOSSEGURANÇA ANIMAL
Neste caso, as condições internas a serem mantidas são determinadas pela
espécie aplicada.
1 Clo = Clothing insulation; Resistência térmica das vestimentas; 1,0 Clo = 0,155 m².K/W
2 Met = Metabolic equivalent of task; Taxa de dissipação térmica em função da atividade
metabólica; Convenção: 1,0 met = 58 W/m² de área de pele ( correspondente a 104W para um
homem adulto compleição média, área de pele de 1,8m², sentado em repouso)
18
A Tabela 3.2 mostra os valores determinados pelas recomendações
americanas do NIH:
Tabela 3.2 “Condições Internas a Serem Mantidas em Biotérios de Experimentação”
(Fonte: NIH, 2010)
Espécie TBS (˚C) UR (%)
Rato, hamster 18 a 26 35 +/- 5
Coelho 16 a 20 40 a 70
Cachorro e gato 16 a 29 30 a 70
Primata não-humano 16 a 29 45 a 70
Galinha 16 a 27 45 a 70
3.3.2. COM RELAÇÃO À DEFINIÇÃO DAS VAZÕES MÍNIMAS DE AR
EXTERIOR NECESSÁRIAS
A vazão mínima de ar exterior tem a função de promover a diluição dos
contaminantes gasosos gerados internamente. Os valores a serem adotados em
projeto devem ser calculados a partir da análise de risco químico das emissões e dos
valores limites de concentração permitidos.
3.3.2.1. LABORATÓRIOS DE BIOSSEGURANÇA
Tabela 3.3 Vazões mínimas de ar exterior a serem adotados em Laboratórios de
Biossegurança
Vazão mínima de ar exterior
NORMAS BRASILEIRAS NORMAS AMERICANAS
Laborat. ABNT (b) ANVISA (c) ASHRAE (d) NIH (e) NFPA (f) OSHA (g)
NB-2 6 m³/h/m²
2 ACH (h)
27 m³/h /pessoa
2 ACH (a) 6 ACH 4 ACH 4 ACH
NB-3 18 m³/h/m²
6 ACH (h)
27 m³/h /pessoa
6 ACH 6 ACH 4 ACH 4 ACH
19
Notas:
a) ACH – Air Changes per Hour : Número mínimo de trocas do ar do recinto;
b) Conforme NBR-7256- “Tratamento de Ar em Estabelecimentos Assistenciais de Saúde (EAS) –
Requisitos para Projetos e Execução das Instalações”;
c) Conforme Resolução RE nº 9 de 16 de janeiro de 2003 da ANVISA – “Padrões Referenciais de
Qualidade do Ar Interior em Ambientes Climatizados”;
d) Conforme ASHRAE Handbook of Applications;
e) Conforme “NIH Design Requirements Manual”;
f) Conforme NFPA Standard 45 – “Fire Protection for Laboratories Using Chemicals”;
g) Conforme OSHA Requirement -29 CFR Pt 1910.1450 - “Occupational exposure to hazard
chemicals in Laboratories”;
h) Valor convertido para ACH, para critério de análise comparativa, se relativo a um ambiente com
pé-direito médio de 3,0 m;
3.3.3. COM RELAÇÃO À DEFINIÇÃO DAS VAZÕES MÍNIMAS DE AR TOTAL
NECESSÁRIAS
A vazão mínima de ar total tem a função de promover o transporte dos
contaminantes mecânicos gerados internamente para os filtros do condicionador
dentro de um valor mínimo. Os valores a serem adotados em projeto devem ser
calculados também a partir da demanda térmica e de ar de reposição para cabines e
capelas de exaustão.
Tabela 3.4 Vazões mínimas de ar total a serem adotados em Laboratórios de
Biossegurança
Vazão mínima de
ar total NORMAS BRASILEIRAS NORMAS AMERICANAS
Laborat. ABNT (b) ANVISA (c) ASHRAE (d) NIH (e) NFPA (f) OSHA (g)
NB-2 18 m³/h/m²
6 ACH (h) na 6 ACH (a) 6 ACH 4 ACH 4 ACH
NB-3 18 m³/h/m²
6 ACH (h) na 6 ACH 6 ACH 4 ACH 4 ACH
20
Notas:
a) ACH – Air Changes per Hour : Número mínimo de trocas do ar do recinto;
b) Conforme NBR-7256- “Tratamento de Ar em Estabelecimentos Assistenciais de Saúde (EAS) –
Requisitos para Projetos e Execução das Instalações”;
c) Conforme Resolução RE nº 9 de 16 de janeiro de 2003 – “Padrões Referenciais de Qualidade do
Ar Interior em Ambientes Climatizados”;
d) Conforme ASHRAE Handbook of Applications;
e) Conforme “NIH Design Requirements Manual”;
f) Conforme NFPA Standard 45 – “Fire Protection for Laboratories Using Chemicals”;
g) Conforme OSHA Requirement -29 CFR Pt 1910.1450 - “Occupational exposure to hazard
chemicals in Laboratories”;
h) Valor convertido para ACH, para critério de análise comparativa, se relativo a um ambiente com
pé-direito médio de 3,0 m;
3.3.4. COM RELAÇÃO À DEFINIÇÃO DO NÍVEL DE FILTRAGEM
NECESSÁRIO
Tabela 3.5 Níveis Mínimos de Filtragem a serem adotados em Laboratórios de
Biossegurança
Classe de Filtragem mínima
NORMAS BRASILEIRAS NORMAS AMERICANAS
Laborat. ABNT (c) ANVISA (d) ASHRAE (e) NIH (f) NFPA OSHA
NB-2
G3 (a)
MERV 5 (b), (g)
G3 (a)
MERV 5 (b)
G4 + F6 (a)
MERV 6 + 12 (b)
G4 + F9 (a)
MERV 6 + 15 (b)
na na
NB-3
G3 + F8 (h)
MERV 5 + 14 (b)
G3 (a)
MERV 5 (b)
G4 + F6 (a)
MERV 6 + 12 (b)
G4 + F9 (a)
MERV 6 + 15 (b)
na na
21
Notas:
a) Classificação Conforme Norma Européia do European Committee for Standardization -
EN.779/2002 – European Standard for Coarse and Fine Filters;
b) Classificação Conforme Norma Americana ASHRAE 52.2 2007 – Method of Testing General
Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size;
c) Conforme NBR-7256- “Tratamento de Ar em Estabelecimentos Assistenciais de Saúde (EAS) –
Requisitos para Projetos e Execução das Instalações”;
d) Conforme Resolução RE nº 9 de 16 de janeiro de 2003 – “Padrões Referenciais de Qualidade do
Ar Interior em Ambientes Climatizados”;
e) Conforme ASHRAE Handbook of Applications;
f) Conforme “NIH Design Requirements Manual”;
g) MERV – Minimum Efficiency Reporting Value;
3.3.5. COM RELAÇÃO À DEFINIÇÃO DO NÍVEL DE PRESSURIZAÇÃO
RELATIVA NECESSÁRIO
Tabela 3.6 Níveis de Pressurização Relativa a serem adotados em Laboratórios de
Biossegurança
Pressur. relativa
NORMAS BRASILEIRAS NORMAS AMERICANAS
Laborat. ABNT (a) ANVISA ASHRAE (b) NIH (c) NFPA (d) ISO (e)
NB-2 Neutra na Negativa Negativa Negativa Negativa
NB-3 Negativa
(-40 Pa) na Negativa
Negativa
(-12,5 Pa) Negativa Negativa
Notas:
a) Conforme NBR-7256- “Tratamento de Ar em Estabelecimentos Assistenciais de Saúde (EAS) –
Requisitos para Projetos e Execução das Instalações”;
b) Conforme ASHRAE Handbook of Applications;
c) Conforme “NIH Design Requirements Manual”;
22
d) Conforme NFPA Standard 45 – “Fire Protection for Laboratories Using Chemicals”;
e) Conforme norma ANSI / AIHA Z9.5 – 2003, “Laboratory Ventilation”
3.3.6. COM RELAÇÃO À POSSIBILIDADE DE RECIRCULAÇÃO DE AR
Tabela 3.7 Restrições Normativas acerca da Recirculação de ar em Laboratórios de
Biossegurança
NORMAS BRASILEIRAS NORMAS AMERICANAS
Laborat. ABNT (a) ANVISA ASHRAE (b) NIH (c) NFPA (d) ISO (e)
NB-2 Permite (f) na Não
Recomenda Não Permite Não Permite Permite (g)
NB-3 Não Permite na Não Permite Não Permite Não Permite Não Permite
Notas:
a) Conforme NBR-7256- “Tratamento de Ar em Estabelecimentos Assistenciais de Saúde (EAS) –
Requisitos para Projetos e Execução das Instalações”;
b) Conforme ASHRAE Handbook of Applications;
c) Conforme “NIH Design Requirements Manual”;
d) Conforme NFPA Standard 45 – “Fire Protection for Laboratories Using Chemicals”;
e) Conforme norma ANSI / AIHA Z9.5 – 2003, “Laboratory Ventilation”
f) Desde que o ar recirculado seja proveniente do mesmo ambiente, ou ambiente pertencente a
mesma classe de risco e zona funcional, e isento de emanações de vapores nocivos, material
radioativo ou biológico (ABNT, 2005);
g) Desde que o ar recirculado contenha baixa concentração de contaminantes particulados, gases e
vapores que possam ser retidos por filtros de adsorção. Nestes casos, a norma determina que o
ar também deve ser filtrado em dois estágios, sendo o primeiro da classe F-8 (Conforme norma
EN.779/2002 – European Standard for Coarse and Fine Filters), e o segundo do tipo HEPA –
high efficiency particulate air (Classe mínima H10 conforme Norma EN-1822 – Test methods for
EPA / HEPA / ULPA filters ). A norma ainda exige um sistema de monitoramento da saturação
dos filtros por adsorção (ANSI et AIHA, 2003).
23
3.3.7. CONCLUSÃO
Verifica-se que para o caso dos laboratórios NB-3, as premissas normativas
nacionais e estrangeiras se equivalem. A única diferença está no nível de
pressurização negativa exigido pela norma brasileira, que é consideravelmente maior
(em valores absolutos) do que aquele exigido pelas prescrições e normas americanas.
Já no caso das bases de projeto para os laboratórios NB-2, verifica-se que:
Existe certa coerência entre a norma brasileira e as americanas.
Percebe-se que aquela utiliza alguns conceitos oriundos destas;
As normas e prescrições americanas são mais restritivas do que as
brasileiras;
Esta restrição se aplica fundamentalmente na proibiçao de recirculação
de ar e na classe de filtragem a ser aplicada. As normas e recomendações
americanas só permitem esta recirculação se for garantida uma série de
exigências acerca da qualidade do ar, principalmente com relação à ausência de
componentes danosos.
Esta precaução é explicada por DELUGA (1997) quando afirma que não há
como se conhecer, à priori (durante a etapa de projeto), todos os contaminantes
químicos ou substâncias nocivas aero transportáveis, bem como suas concentrações,
que estarão presentes ao longo da vida útil da maioria dos Laboratórios de pesquisa.
CRANE et RILEY (1997) estabelecem uma conexão entre o caráter rígido e
litigioso da sociedade americana com o superdimensionamento dos sistemas,
observando que esta medida garante uma segurança maior do que uma análise
criteriosa das soluções a partir da análise de riscos que precede o projeto.
Este mesmo autor observa que os pesquisadores dos Laboratórios (usuários)
freqüentemente subestimam a natureza dos riscos ocupacionais, em função de sua
familiaridade com a situação.
A norma ANSI / AIHA Z9.5 – 2003, “Laboratory Ventilation” estabelece a
necessidade da elaboração de uma Análise de Riscos Ocupacionais , de caráter
multidisciplinar, que seja utilizada como subsídio na elaboração das bases de projeto
dos Sistemas de Ventilação do Laboratório. Esta medida tende a minimizar as
dificuldades de comunicação entre os usuários do Laboratório e os projetistas dos
sistemas de ventilação.
24
4. ANÁLISE DOS PARÂMETROS QUE INFLUENCIAM A
QUALIDADE DO AR INTERIOR DOS LABORATÓRIOS
4.1. BREVE HISTÓRICO DA QUALIDADE DO AR INTERIOR
A matriz energética mundial é historicamente baseada em recursos não
renováveis, derivados principalmente do petróleo (ASHRAE, 2001c). Com o aumento
do custo dos combustíveis a partir da crise do Petróleo em 1973, novas medidas de
redução de consumo energético em edificações foram adotadas. Nos Estados Unidos,
aumenta-se a preocupação em se obter construções com maior estanqueidade, e há a
revisão das normas técnicas, com a redução das taxas de ventilação para edifícios de
escritórios (HESS-KOSA, 2002). No fim da década de 70, aparecem os primeiros
relatos de queixas relativas à saúde dos ocupantes de edifícios climatizados
artificialmente (GRAUNDENZ et DANTAS, 2008). No começo da década de 80 foram
realizados cerca de 5000 estudos relatando a existência da chamada “Síndrome dos
Edifícios Doentes” (GRAUNDENZ et DANTAS, 2008). A síndrome foi definida pela
OMS (Organização Mundial da Saúde) em 1983, caracterizada por acometer as
edificações em que estatisticamente se reportavam sinais de agravo à saúde do
trabalhador, decorrentes de sua permanência no ambiente interno (GRAUNDENZ et
DANTAS, 2008). Desde então, maior preocupação tem sido dispensada ao projeto de
mobiliário, materiais de acabamento, sistemas de ventilação, filtragem e controle
climático para o alcance dos parâmetros mínimos de qualidade do ar interior (QAI) em
edificações.
De acordo com HESS-KOSA (2002), a EPA (Envirommental Protection
Agency) classifica a QAI entre os 4 maiores riscos ambientais nos Estados Unidos. A
25
mesma autora estima que há cerca de 1,3 milhão de edifícios com problemas de QAI,
dentre os quais 50% das escolas com deficiência de ventilação.
4.2. EFEITOS ADVERSOS À SAÚDE DEVIDO A FALTA DE QUALIDADE
DO AR INTERIOR
A Organização Mundial da Saúde define a saúde como “um estado de
completo bem-estar físico, mental e social, e não apenas a ausência de doenças”.
HIGGINS (1983) define um efeito adverso à saúde como uma “mudança biológica que
reduz o sentimento de bem-estar ou a capacidade funcional”. BURROUGHS et
HANSEN (2008) consideram que as edificações construídas pelo homem, que
possuem objetivo primário de protegê-lo, passam, em alguns casos, a prejudicar a sua
saúde. Estes autores observam que as concentrações internas de contaminantes
particulados, biológicos e químicos podem exceder consideravelmente as
concentrações externas presentes no ar atmosférico. HESS-KOSA (2002) fortalece
esta observação indicando dados em que a poluição interna em ambientes
climatizados artificialmente é em média de 2 a 5 vezes maior do que a externa.
Os efeitos na saúde dos ocupantes dependem do tipo do contaminante, de sua
concentração, do tempo de exposição e da suscetibilidade dos ocupantes. Estudos
conduzidos por HESS-KOSA (2002) e BURROUGHS et HANSEN (2008) indicam que
o Americano passa 90% da vida em ambientes fechados, climatizados artificialmente.
HESS-KOSA (2002) considera que os habitantes de edifícios podem estar
potencialmente expostos a cerca de 100.000 substâncias tóxicas. Tal combinação de
tempo de exposição e variedade de contaminantes aumenta a probablilidade de
prejuízo à saúde dos ocupantes. Ainda segundo as pesquisas de HESS-KOSA (2002),
50 milhões de Americanos sofrem de asma, 100 mil morrem por ano devido a doenças
crônicas pulmonares, e houve um aumento de 85% dos casos de bronquite crônica
nos Estados Unidos no período entre 1970 e 1987.
No Brasil, dados da ABRAVA – Associação Brasileira de Refrigeração, Ar
Condicionado, Ventilação e Aquecimento (2011) reportam que as doenças
respiratórias já representam 1,9% do total de benefícios auxílio-doença concedidos
pelo INSS (Instituto Nacional de Seguridade Social) no ano de 2010. Estes dados
informam ainda que as doenças respiratórias ocasionadas pela falta de qualidade do
ar ambiental demandaram maiores tempo de afastamento (296 dias, em média) e
custos (R$ 7.105,74, em média) à administração pública.
26
Os sintomas alérgicos clássicos associados à falta de QAI em edifícios públicos
são descritos por HESS-KOSA (2002) como:
a) Asma Alérgica: Dificuldade de respiração, dor no peito, tosse e espirros. É
causada pela hiperatividade das vias aéreas quando em contato com ar frio,
agentes virais ou alérgenos, resultando na constricção das vias aéreas.
b) Rinite Alérgica: Secreção em excesso e espirros, causados pela irritação da
garganta, olhos e ouvido.
c) Conjuntivite Alérgica: Olhos vermelhos, fotofobia e lágrimas em excesso.
d) Dermatite: Coceira intensa e vermelhidão na pele.
4.3. PARÂMETROS INDICATIVOS DA QUALIDADE DO AR INTERIOR
A ABRAVA (2011) define a falta de Qualidade do Ar Interior de um recinto
quando mais de 20% de seus ocupantes apresentam reclamações de efeitos adversos
à saúde relativos ao local, que desaparecem quando aqueles deixam o recinto por um
período prolongado. Caso haja um estudo epidemiológico que produza dados por um
tempo suficiente, pode ser classificada a “Síndrome do Edifício Doente”.
No Brasil, os padrões referenciais de Qualidade do Ar Interior são
determinados pela Resolução RE nº 9 de 16 de janeiro de 2003 da ANVISA (Agência
Nacional de Vigilância Sanitária).
Esta resolução determina o controle dos seguintes parâmetros para garantia da
Qualidade do Ar Interior:
a) Contaminação Microbiológica: valor máximo de 750 ufc/m³ (unidades
formadoras de colônias) para concentração de fungos, para uma relação entre
a concentração interna e externa inferior a 1,5.
b) Contaminação Química: valor máximo de 1.000 ppm (partes por milhão) para
concentração de 2CO , indicador da renovação de ar interno com ar exterior de
ventilação.
c) Contaminação por Aerodispersóides: valor máximo de 80 μg/m³ para
concentração de partículas totais em suspensão, indicador da pureza do ar e
limpeza do ambiente.
27
d) Temperatura: valor a ser controlado entre 23˚C e 26˚C, podendo apresentar
valores entre 21˚C e 23˚C para ambientes de arte e 28˚C para áreas de
acesso.
e) Umidade Relativa: valor a ser controlado entre 40% e 65%, podendo
apresentar valores entre 40% e 55% para ambientes de arte e 70% para áreas
de acesso.
Observamos que as definições atuais de qualidade do ar interno,
tradicionalmente associado ao conforto térmico (satisfação imediata) evoluíram para
englobar o controle de contaminantes internos.
4.4. O PAPEL DO SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR NO
ALCANCE DA QUALIDADE DO AR INTERIOR
REINMUTH (1999) define uma instalação de condicionamento de ar como
aquela que provê, além da ventilação dos recintos, tratamento das propriedades
termodinâmicas do ar interior. Este tratamento emprega processos como o
aquecimento e/ou resfriamento para controle de temperatura; umidificação e/ou
desumidificação para controle da umidade.
A ASHRAE (2003b) define o sistema de condicionamento de ar como um
conjunto de equipamentos destinados ao tratamento do ar, de forma a controlar
simultaneamente sua temperatura, umidade, pureza e distribuição no ambiente. A
definição da ASHRAE inclui a necessidade de remoção de partículas
aerotransportáveis e gases contaminantes.
Com relação ao alcance da QAI, o sistema pode ser dividido em:
a) Sistemas Principais: Compreendem aqueles equipamentos em contato direto
com o ar interior, como os condicionadores de ar, também denominados de
Unidade de Tratamento de Ar, e as redes de dutos, responsáveis pela
condução do ar. Aqueles Equipamentos são dotados de gabinete, ventiladores,
serpentinas aletadas de resfriamento/ desumidificação e/ou aquecimento,
resistências elétricas de aquecimento, umidificadores, filtros de ar, registros de
admissão de ar exterior, e conexões de retorno e insuflação de ar.
b) Sistemas Secundários: Compreendem aqueles que não estão em contato
direto com o ar interior, mas que são responsáveis pelo suprimento de alguma
28
utilidade necessária aos condicionadores para realização do tratamento de ar.
São compostos pelo sistema de produção e distribuição de fluído frigorígeno
(usada nas serpentinas de resfriamento e desumidificação), água quente
(usada nas serpentinas de aquecimento) e vapor (usado na umidificação).
Quando o fluído frigorígeno é o fluído de trabalho do sistema de refrigeração, o
sistema é caracterizado como sendo de expansão direta. Quando o fluído
frigorígeno é distinto e resfriado pelo fluído de trabalho do sistema de
refrigeração, o sistema é caracterizado como sendo de expansão indireta.
Geralmente, estes sistemas utilizam água gelada como fluído frigorígeno.
A figura abaixo apresenta o arranjo básico dos componentes de um sistema de
condicionamento de ar:
Figura 4.1 Arranjo básico dos sistemas principais de condicionamento de ar
29
Observamos que o sistema de condicionamento de ar é um dos principais
responsáveis pelo alcance da QAI, já que os parâmetros referenciais são por ele
controlados. BURROUGHS et HANSEN (2008) consideram que de 50% a 60% dos
problemas relacionados à QAI em edifícios têm origem no sistema de
condicionamento de ar. Estes mesmos autores consideram que este sistema tem
capacidade de solucionar 80% dos problemas relacionados à QAI.
No caso dos Sistemas para laboratórios, DELUGA (1997) considera que seu
primeiro objetivo é a manutenção da saúde e da segurança dos ocupantes. O segundo
objetivo é o alcance das condições ambientais de temperatura e umidade. Concluímos
que o papel do sistema de condicionamento de ar de laboratórios é fundamental no
controle dos contaminantes aéreos.
4.5. DESCRIÇÃO GERAL DOS CONTAMINANTES AÉREOS
O ar atmosférico é uma mistura homogênea de gases, dos quais os principais
são o Nitrogênio ( 2N ) e o Oxigênio ( 2O ). Entretanto, também está presente uma
distribuição de impurezas em sua composição. Estas são oriundas de processos
naturais, como a erosão do solo pelos ventos, e processos antropogênicos, como a
combustão, a demolição e a construção. Estes contaminantes são distribuídos em três
tipos: Particulados, Bioaerosol e Gasosos.
O particulado é composto por fibras, fumos, partículas granulares secas,
fumaças e névoas. O bioaerosol é composto por esporos de fungos, polens, bactérias,
pedaços de insetos e de ácaros.
A concentração dos contaminantes aéreos externos (atmosféricos) varia em
função da localidade, e de sua proximidade a centros urbanos, florestas, áreas
marítimas, áreas de erosão e áreas industriais.
A concentração dos contaminantes aéreos internos depende das taxas de
infiltração dos contaminantes externos, e da taxa de geração de contaminantes interna
ao recinto.
As estratégias de Contenção dos Contaminates aéreos internos incluem
(ASHRAE, 2001a):
Isolamento da Fonte (com pressão negativa);
Exaustão Local;
30
Ventilação Geral Diluidora;
Filtragem;
O sistema de condicionamento de ar passa a ter um papel fundamental no
controle dos contaminantes aéreos, uma vez que é o responsável pela ventilação dos
recintos, além do tratamento do ar. Este tratamento envolve processos como filtragem,
resfriamento e desumidificação, que devem ser corretamente dimensionados para
contribuir na remoção de particulados e na inibição da proliferação de
microorganismos. Tal sistema, se não for corretamente mantido e operado, pode vir a
ser tornar uma fonte de amplificação de contaminantes (ASHRAE, 2001d).
4.6. GERAÇÃO, INFILTRAÇÃO E CONTROLE DE PARTICULADOS
AÉREOS
4.6.1. CARACTERIZAÇÃO DE PARTÍCULAS AEROSTRANSPORTÁVEIS
Partículas aerotransportáveis são aquelas que possuem diâmetro equivalente
entre 0,1 μm a 100 μm. Aquelas com diâmetro acima de 10 μm apresentam rápido
decaimento, na ausência de vento. Partículas com diâmetro menor que 1 μm
permanecem em suspensão por tempo indeterminado (ASHRAE, 2001a).
Uma caracterização pertinente à saúde humana é a capacidade de penetração
das partículas aerotransportáveis nas vias respiratórioas, em função do diâmetro
equivalente. Partículas com diâmetro médio até 10 μm são denominadas torácicas, e
apresentam capacidade de penetração nas vias aéreas inferiores. Aquelas com
diâmetro médio abaixo de 2 μm são denominadas respiráveis, pois têm capacidade de
penetração nas áreas de troca gasosa (alvéolos pulmonares) (TIAN et al, 2002), com
potencial de grave agravo à saúde.
Tradicionalmente, há uma subdivisão entre partículas finas (< 2,5 μm) e
grossas (> 2,5 μm) (ASHRAE, 2001a). Estas se diferenciam também no mecanismo
de origem. As partículas finas são geradas por mecanismos de condensação de
vapores ou combustão, enquanto que as grossas são geradas por atividades
mecânicas como a erosão e a construção.
31
4.6.2. CARACTERIZAÇÃO DO PARTICULADO ATMOSFÉRICO EM
SUSPENSÃO
4.6.2.1. ORIGEM DOS PARTICULADOS EXTERNOS
Os particulados externos podem possuir origem natural ou antropogênica.
Particulados de Origem Natural → Suspensos a partir de processos naturais de
erosão do solo e emissões vulcânicas;
Particulados de Origem Antropogênica → Suspensos a partir de atividades de
origem humana, como mineração, moagem, demolição, construção e combustão;
4.6.2.2. CARACTERÍSTICAS DOS PARTICULADOS EXTERNOS
Tabela 4.1 Características das Partículas Aerotransportáveis
Particulados Sólidos em Suspensão:
Fumaça: Diâmetro equivalente entre 0,1 μm e 0,3
μm, gerada pela combustão incompleta de produtos
orgânicos;
Fumos: Diâmetro equivalente menor do que 1 μm,
formados a partir da condensação de vapores;
Poeira: Matéria particulada oriunda de atividades
antropogênicas e erosão natural, com diâmetro
equivalente menor do que 100 μm;
Particulados Líquidos em Suspensão: Neblina: Micropartículas finas, diâmetro equivalente
entre 0,01 μm e 1,0 μm, geradas pela condensação
pontual de vapores;
Orvalho: Pequenas partículas geradas por
atomização, arraste ou liberação abrupta (abertura
de um frasco pressurizado), com diâmetro
equivalente médio de 1,0 μm;
4.6.3. INFILTRAÇÃO DE PARTICULADOS EXTERNOS
A infiltração de particulados se dá principalmente pelo mecanismo de
convecção de partículas aerotransportáveis, do meio exterior para o ambiente interno.
32
Este mecanismo encontra uma via principal através do sistema de ventilação. O
transporte também pode ocorrer através de frestas e imperfeições construtivas, caso o
Laboratório seja mantido em um nível de pressurização negativa em relação ao
exterior. Tal situação é preconizada pela maioria das normas americanas (DELUGA,
1997). A infiltração via Ventilação também se torna mais crítica em Laboratórios do
que nas demais aplicações, em função de sua maior demanda de ventilação.
4.6.4. GERAÇÃO INTERNA DE PARTICULADOS
A geração de particulados internos se dá principalmente pela liberação de
particulados transportados nas vestimentas, pela respiração e pela descamação dos
ocupantes. HESS-KOSA (2002) estima em 5g por semana a taxa de descamação
humana de células epiteliais. Haverá o assentamento de uma grande parte do
particulado liberado, principalmente para as partículas de maior diâmetro. Entretanto, a
movimentação de pessoas no local pode ressuspender este particulado, e as
partículas de menor diâmetro ficarão indefinidamente em suspensão. No caso de
Laboratórios, esta geração interna é reduzida em função da necessária paramentação
especial. Esta reduz a área de pele exposta, em função da obrigatoriedade do uso de
luvas descartáveis e de jaleco apropriado.
4.6.5. CONTROLE DA CONCENTRAÇÃO INTERNA DE PARTICULADOS
O controle da Concentração interna de Particulados envolve principalmente os
mecanismos de filtragem e diluição do ar. Filtros que utilizam mecanismos
gravitacionais de Interceptação Direta e Deposição Inercial apresentarão capacidade
de retenção da parte grossa do particulado, como pó de areia e cimento e fibras
têxteis. A ASHRAE (2000) recomenda a aplicação de filtros com MERV3 6, de acordo
com a norma ASHRAE std. 52.2 (2007), correspondente a classe G-3 da norma NBR-
7256 da ABNT (2005) (eficiência mínima de retenção de 80% no teste gravimétrico)
para o controle deste particulado grosso.
Entretanto, para o Controle da Concentração interna da parte fina dos
particulados, estes filtros são ineficientes. Para o Controle destes contaminantes em
sistemas de Laboratórios, a ASHRAE (2000) recomenda a aplicação de filtros com
3 MERV – Minimum Efficiency Reporting Value
33
MERV 12, de acordo com a norma ASHRAE std. 52.2 (2007), correspondente a classe
F-7 da norma NBR-7256 da ABNT (2005) (eficiência mínima de retenção de 85% no
teste para partículas de 1,0 a 3,0 μm ).
Entretanto, a aplicação de filtros com esta eficiência demanda a aplicação de
ventiladores de carga-limitada (“Limit-Load”), e a incorporação de sistemas de controle
de vazão, aumentando a complexidade operacional e o custo da instalação.
Analisando-se a fonte de contaminação aérea com particulado fino em
Laboratórios, verifica-se que esta se encontra principalmente na Infiltração via
Ventilação, desprezando-se a geração interna na maioria dos casos gerais. Quando
da existência de algum procedimento com potencial de geração de fumos, o mesmo
será conduzido no interior das Cabines de Exaustão Química, e não contribuirá para o
aumento da concentração na zona respiratória do recinto. Assim, especial atenção
deve ser dispensada a eficiência da filtragem do ar exterior.
4.6.5.1. ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA INFILTRAÇÃO EXTERNA DE CONTAMINANTES
PARTICULADOS FINOS NA QUALIDADE DO AR INTERIOR DOS LABORATÓRIOS
Este estudo tem por objetivo analisar a influência da infiltração dos particulados
finos na qualidade do ar interior dos laboratórios. Este também tem por objetivo
mensurar a eficiência das técnicas de filtragem e diluição no controle deste
contaminante.
Nesta modelagem, as seguintes premissas serão supostas:
A concentração do ar exterior atmosférico, para partículas respiráveis até 2,5
μm (PM 2,5) será de soC 90 μg/m³, compatível com o pico diário estatístico
(24 horas) para zonas urbanas próximas a áreas industriais e vias de trâfego
intenso (ZHAO et al, 2009);
Não serão consideradas partículas com diâmetro maior (PM 10), para efeito de
avaliação das partículas finas apenas. Na prática, a tradução desta modelagem
seria dotar o sistema de uma pré-filtragem com elevada eficiência contra
particulado grosso;
A concentração interna inicial do particulado fino no recinto será nula;
A geração interna de particulado fino será nula;
34
O limite da concentração interna aceitável será adotado como maxC 15 μg/m³.
Este limite é preconizado pela EPA (Envirommental Protection Agency) (2006);
O sistema de climatização será dimensionado para uma taxa de ventilação
total de 12 ACH (1h ) (renovações por hora), e uma taxa de ar-externo de 4
ACH (1h ), ou 33% de ar exterior;
A filtragem do ar será aplicada após o compartimento de mistura entre o ar
exterior e de retorno. A eficiência de filtragem, ffE , será considerada para
partículas entre 1 μm a 3 μm;
Será adotada a premissa de parâmetros concentrados (Lumped), para a
determinação da concentração resultante, ou seja, não há gradientes espaciais
de concentração;
A figura abaixo representa o arranjo do modelo estudado:
Figura 4.2 Modelo de Estudo do Impacto da Concentração de Particulados Finos do ar
exterior na QAI interna
35
A Tabela abaixo discrimina os tipos de filtros e eficiências associadas
(TRONVILLE et RIVERS, 2006):
Tabela 4.2 Eficiência de Filtragem para particulado fina PM 2.5 (Fonte: Adaptado de
TRONVILLE et RIVERS, 2006)
ffE
(Partículas 1,0 a 3,0
μm)
Classificação
conforme ABNT NBR
7256 (2005)
Classificação conforme
ASHRAE std. 52.2 (2007)
Classificação
conforme EN779:2002
<20% G-4 MERV-6 G-4
50% F-5 MERV-10 F-5
70% F-6 MERV-11 F-6
85% F-7 MERV-12 F-7
90% F-8 MERV-14 F-8
95% F-9 MERV-15 F-9
A equação de diluição de contaminantes para este modelo será (SUN et al.,
2010):
so
tACHa
sosi Ca
beCa
btC ...)( ..
(4.1)
SA
RAff
SA
OA
V
VE
V
Va .
(4.2)
SA
OA
ffV
VEb ).1(
(4.3)
36
O gráfico da figura abaixo representa o desempenho comparativo de várias
eficiências de filtragem no controle do particulado aéreo fino (< 2,5 μm):
0 4 8 12 16 20 24
0
30
60
90C
si(t
) [m
g/m
3]
t [h]
sem filtro
G
F-5
F-6
F-7
F-8
F-9
limitelimite
US-EPA
Figura 4.3 Variação da Concentração Interna de Particulado Fino com a Eficiência de
Filtragem
Observa-se que, para a manutenção da concentração interna do particulado
fino abaixo do valor limite (15 μg/m³), para esta faixa de concentração externa, torna-
se necessária a aplicação de filtros com elevada eficiência, correspondente a classe F-
6 da NBR-7256 da ABNT (2005) (MERV 11, de acordo com ASHRAE Std.52.2 ).
Visando-se analisar o efeito da diluição, realizamos as seguintes modificações
no modelo:
O sistema opera com 100% de ar exterior, não havendo diluição da
concentração pela mistura de uma parcela de ar exterior com uma de retorno
de ar. Toda a diluição envolvida se dará pela constante substituição de ar
extraído por ar exterior;
A vazão de ar será compatível com uma taxa de renovação de 4 ACH (1h ),
similar a vazão de ar exterior do modelo original;
Neste caso, o desempenho comparativo de várias eficiências de filtragem no
controle do particulado aéreo fino (< 2,5 μm) está demonstrado no gráfico da figura a
seguir:
37
0 4 8 12 16 20 24
0
20
40
60
80
100
Csi(t
) [m
g/m
3]
t [h]
sem filtro
G
F-5
F-6
F-7
F-8
F-9
EPAlimite
US-EPA
Figura 4.4 Variação da Concentração Interna de Particulado Fino com a Eficiência de
Filtragem-DOAS
Podemos verificar que, nos casos de sistemas com 100% de ar exterior, a
exigência de filtragem passa a ser maior, tal como indicado por MUMMA (2009).
Apenas os filtros de maior eficiência (F-7 a F-9, correspondendo a MERV 12 a 15)
possibilitarão a manutenção da concentração interna de particulados finos oriundos do
ar exterior em uma faixa abaixo do limite preconizado. Tal fato se deve em razão da
diminuição do papel da diluição, quando comparado aos sistemas em que há
possibilidade de recirculação de ar.
MUMMA (2009) observa que é economicamente atrativa a aplicação de
sistemas dedicados à filtragem de ar exterior, através da implantação de Sistemas
Dedicados de Tratamento de Ar Exterior (DOAS - Dedicated Outdoor Air Systems),
uma vez que tal fato possibilita aplicar os filtros de elevada eficiência apenas nas
vazões de ar exterior, e não na vazão total.
Assim, para que a escolha racional da eficiência de filtragem seja determinada,
torna-se necessário o conhecimento prévio da concentração externa do particulado
fino. O ideal é que esta análise de diluição, filtragem e concentração resultante seja
feita para cada projeto, de posse das informações estatísticas locais. Por fim, verifica-
se que especial atenção deve ser dedicada a filtragem do ar exterior em laboratórios.
Tal fato é respaldado pela observação das classes de filtragem adotadas pelas
normas americanas, em que o sistema opera em regime de 100% de ar exterior, e que
exige filtros de elevada eficiência (ASHRAE, 2003a).
38
4.7. GERAÇÃO, INFILTRAÇÃO E CONTROLE DE BIOAEROSOL
4.7.1. CARACTERIZAÇÃO DO BIOAEROSOL
Bioaerosol é a matéria particulada aerotransportável formada por organismos
vivos e/ou suas partes. Existem naturalmente em suspensão na atmosfera externa,
principalmente em função da liberação de pólens por vegetais e de esporos por
fungos. Em ambientes internos, podem ser encontrados microorganismos
transportados a partir do ambiente externo e microorganismos liberados a partir de
fontes como humanos e pesquisas. A probabilidade de ocorrência de elevada
concentração do bioaerosol no ar interno é maior em hospitais e laboratórios de
pesquisa biomédica (ASHRAE, 2003b). Nos hospitais, as fontes primárias são os
pacientes que sofrem de doenças contagiosas. Nos laboratórios, as fontes primárias
são as amostras envolvendo os microorganismos.
Uma caracterização pertinente à saúde dos ocupantes diz respeito a presença
de Bioaerosol de microorganismos patogênicos, que são aqueles que causam
doenças. Dentre estes, os mais perigosos são aqueles que permanecem viáveis (com
capacidade de transmissão de material genético) nas condições ambientais, e aqueles
com diâmetro equivalente menor que 1 μm, já que permanecem em suspensão por
tempo indeterminado (ASHRAE, 2001a). Além disto, para que a infecção do
organismo humano aconteça, é necessária a exposição a uma determinada dose
infectante de microorganismos, além de um estado de imunodeficiência. Como na
atmosfera exterior a concentração destes organismos é menor, e as condições
adversas de radiação solar, chuvas, ventos e variações de temperatura prejudicam a
viabilidade de grande parte deles, maior é a suscetibilidade de contato com uma dose
infectante em ambientes internos, principalmente de hospitais e laboratórios.
4.7.2. INFILTRAÇÃO DO BIOAEROSOL EXTERNO
Assim como no caso da infiltração de particulado externo, a infiltração de
bioaerosol externo encontra uma via principal através do sistema de ventilação. O
conhecimento dos principais microorganismos presentes na atmosfera externa se
torna então necessário, visando-se a implantação de apropriados mecanismos de
controle.
39
4.7.2.1. ORIGENS DO BIOARESOL EXTERNO
Neste estudo serão considerados como componentes do bioaerosol externo os
pólens e os esporos de fungos, em função de sua maior representatividade e dos
comprovados efeitos alergênicos na população (HESS-KOSA, 2002). Apesar da
existência de bactérias na atmosfera externa, as mesmas não serão consideradas na
análise de bioaerosol externo, já que dificilmente estas são patogênicas, e seu
potencial alergênico não é tão elevado quanto o dos polens e esporos. As bactérias
serão analisadas na geração interna de bioaerosol de laboratórios.
a) Pólen:
Constituem as células reprodutoras masculinas das plantas, com diâmetro
entre 50 μm e 250 μm, sendo produzidos em períodos freqüentes, denominados
de polinizações (HESS-KOSA, 2002). Após a sua produção, são transportados por
insetos, animais e correntes de vento, para fertilizar a flor feminina das espécies. O
transporte pelas correntes de vento alcança sucesso para as partículas de pólen
de até 50 μm. Este sucesso depende de outros fatores atmosféricos como a
ausência de chuvas, mas a dispersão atmosférica pode alcançar 160 km de
distância a partir da fonte de origem (AAAAI, 1993). HESS-KOSA (2002) estima
que a produção anual de polens varia de 400.000 a 7.000.000, por árvore, em
função da espécie. Como existem cerca de 350.000 espécies de plantas, tal
bioaerosol se fará frequentemente presente na composição do ar atmosférico nos
períodos de polinização, principalmente em localidades próximas às florestas.
b) Esporos de Fungos:
A reprodução dos Fungos envolve a liberação de milhões de esporos, com
diâmetro entre 20 μm e 60 μm, que transportados pelo ar, desenvolvem-se
naqueles locais em que haja condições ambientais favoráveis e nutrientes (HESS-
KOSA, 2002). HESS-KOSA (2002) estima que a produção diária de esporos pode
chegar a 30 bilhões, para uma colônia de Ganoderma Applanatum. Como suas
partículas apresentam diâmetro médio menor do que as dos polens, também
apresentam sucesso no mecanismo de dispersão atmosférica. Este sucesso é
facilitado pela existência de uma camada externa protetora, formada por
polissacarídeos e aminoácidos, que lhes confere elevada resistência às
intempéries e até a alguns produtos químicos HESS-KOSA (2002).
40
Após o assentamento dos esporos, aqueles que encontrem condições
ambientais favoráveis e materiais com substrato de base orgânica terão
possibilidade de desenvolvimento de uma nova colônia fúngica. As condições
favoráveis compreendem alta umidade, abrigo de radiação solar e temperatura
moderada. HESS-KOSA (2002) sugere a manutenção da umidade relativa do ar
interno abaixo de 60% para evitar a proliferação fúngica. A mesma autora relata
que a temperatura ótima de crescimento das colônias está na faixa entre 22˚C e
32˚C. A Organização Mundial da Saúde indica que a umidade relativa mínima do
ar em que se torna possível a proliferação de certas espécies de fungos está na
faixa de 62% a 65 % (WHO, 2009). Experimentos de VIITANEN et RITSCHKOFF
(1991) revelam que a proliferação do mofo demanda uma umidade relativa do
substrato acima de 75%, para uma faixa de temperatura entre 5˚C e 40˚C.
4.7.3. GERAÇÃO INTERNA DO BIOAEROSOL
No caso da geração interna de bioaerosol em laboratórios, serão
analisadas as seguintes fontes:
Fontes comuns a qualquer ambiente ocupado;
Fontes específicas relacionadas aplicação laboratorial;
4.7.3.1. FONTES COMUNS A QUALQUER AMBIENTE OCUPADO
São as fontes relativas à presença humana. Ácaros, insetos e roedores se
enquadram nesta fonte, já que a presença de lixo e alimentos promove a atração
destes dois útimos tipos mencionados.
a) Ácaros:
Parasitas aracnídeos microscópicos, com tamanho entre 250 μm e 500 μm,
comuns em ambientes habitados, uma vez que encontram uma fonte de
alimentação nas células epiteliais humanas mortas oriundas do processo natural
de descamação (HESS-KOSA, 2002, OMS, 2009).
Há forte evidência de relação entre sintomas alérgicos e presença de
matéria proveniente dos ácaros, como partes desprendidas do corpo e matéria
fecal. Para esta matéria, a dimensão entre 10 a 35 μm possibilita a ressuspensão
no ar em procedimentos de limpeza (HESS-KOSA, 2002).
41
A Organização Mundial da Saúde associa a ocorrência de elevada umidade
interna do ar como a principal influência na ploriferação de ácaros (WHO, 2011).
b) Poeira Animal Alergênica:
Constituída por partes do corpo ou subprodutos de baratas, gatos,
cachorros e roedores. Os agentes alérgicos são associados a proteínas,
glicoproteínas, hormônios e peptídeos provenientes destes animais, de acordo
com a distinção abaixo (HESS-KOSA, 2002) :
Baratas: saliva, casca dos ovos, fezes e partes desprendidas do corpo;
Roedores: urina, pelos e folículos;
Cachorros: saliva e pelos;
Gatos: saliva, pelos e células epiteliais;
4.7.3.2. FONTES ESPECÍFICAS RELACIONADAS À APLICAÇÃO LABORATORIAL
As amostras e meios de cultivos característicos da pesquisa laboratorial
constituem as fontes de geração interna de bioaerosol. A Organização Mundial da
Saúde considera que a geração interna de bioaerosol representa uma importante
fonte de infecção em laboratórios (WHO, 2004). Este pode ser gerado a partir das
atividades cotidianas de moagem, trituração, agitação, sonicação e centrifugação de
materiais infecciosos (WHO, 2004).
A permanência das partículas aerosolizadas em suspensão no ar interior
dependerá do seu diâmetro médio e da idade média do ar na sala. O diâmetro médio
das partículas dependerá da atividade geradora. De acordo com dados coletados por
KENNY et SABEL (1968), a abertura cuidadosa de culturas liofilizadas pode produzir
134 partículas de 10 μm, enquanto que a centrifugação (com tampa) pode produzir
119 partículas de 1,9 μm. Embora o diâmetro relativamente elevado destas partículas
não possibilite a sua suspensão por tempo indefinido, a evaporação da fase líquida do
aerosol permitirá que o núcleo sólido infeccioso permaneça em suspensão por tempo
indeterminado (ASHRAE, 2001d). A idade média do ar da sala pode ser
compreendida como o tempo médio que uma partícula permanece em suspensão no
ar interior, quando este é submetido a um processo de diluição pela ventilação
(ASHRAE, 2003b). Quanto menor for a taxa de ventilação de um recinto, maior será a
idade média do ar, e maior será a probabilidade de exposição a uma dose infectante.
42
Os principais microorganismos presentes em amostras, com risco de infecção
por aerosol, na atividade de pesquisa biomédica estão listados a seguir (PUBLIC
HEALTH AGENCY OF CANADA, 2010) :
a) Vírus:
Microorganismos com diâmetro equivalente de 20ηm a 300 ηm, cuja
característica peculiar é a necessidade de parasitar outros organismos, já que sua
estrutura simples não apresenta componentes para geração de energia
bioquímica. As principais doenças virais cuja infecção acidental em laboratório
está associada à inalação de aerosol são a Influenza, o Sarampo, a Varicela, a
Caxumba e a Rubéola (RAPPARINI et CARDO , 2005).
b) Bactérias:
Microorganismos com diâmetro equivalente de 0,5 μm a 5,0 μm, sendo
considerados os organismos mais bem sucedidos da natureza, em termos de
número de indivíduos. As principais doenças bacterianas cuja infecção acidental
em laboratório está associada a inalação de aerosol são a Tuberculose, a
Meningite, a Hanseníase, a Difteria e a Coqueluche (RAPPARINI et CARDO ,
2005).
Dentre estas doenças, a Tuberculose demanda uma análise especial, uma
vez que RAPPARINI et CARDO (2005) relatam uma taxa de positividade de 63%
para prova tuberculínia realizada em mais de 4.000 profissionais de saúde. O seu
bacilo, Mycobacterium Tuberculosis, apresenta diâmetro médio de 1,0 μm, alto
tempo de viabilidade em suspensão, e a doença apresenta dose infectante igual a
1 bacilo.
c) Fungos:
Microorganismos cujas características já foram discutidas na análise do
bioaerosol externo. Amostras estarão presentes nos laboratórios de Micologia, e
especial atenção deverá ser dada a minimização da exposição dos profissionais
aos esporos naturalmente gerados.
4.7.4. AMPLIFICAÇÃO INTERNA DO BIOAEROSOL
Alguns compartimentos internos da edificação e de seus sistemas prediais
podem vir a oferecer as condições ideais para a proliferação de microorganismos,
43
como os fungos. Como discutido nas análises anteriores, o sucesso na fixação e
desenvolvimento dos fungos depende da existência de um substrato orgânico (fonte
de nutrientes) com elevada umidade. Os substratos orgânicos são muitas vezes os
materiais construtivos aplicados na edificação, como madeiras, colas, papel de
parede, isolamento térmico, etc (WHO, 2009). A umidade do substrato é influenciada
pela umidade relativa do ar ambiental e por outros fatores, como vazamentos de
água e condensação de umidade. Caso haja a existência de compartimentos na
edificação com estas características, haverá a proliferação das colônias fúngicas,
gerando mais esporos internamente, no fenômeno denominado de amplificação. A
amplificação é diagnosticada quando a concentração média dos esporos internos é
muito maior do que a externa, ao longo do tempo. A ANVISA, em sua Resolução 9
(ANVISA, 2003), determina que a razão entre concentração interna e externa tenha
limite máximo aceitável igual a 1,5. Espaços confinados mal ventilados, como
entreforros, podem vir a se tornar uma fonte de amplificação, principalmente se
houver uma fonte de água, como vazamentos de canalizações. A ASHRAE (2001d)
ressalta que os equipamentos de condicionamento de ar também podem vir a se
tornar uma fonte de amplificação, caso não sejam corretamente mantidos e
higienizados. É comum a presença de água condensada na serpentina e na bandeja
de condensado, e a fonte de nutrientes pode ser o próprio material constitutivo do
isolamento térmico do equipamento.
4.7.5. CONTROLE DA CONCENTRAÇÃO INTERNA DO BIOAEROSOL
O controle da concentração interna do bioaerosol é alcançado pelo controle da
geração interna, infiltração externa e amplificação.
4.7.5.1. CONTROLE DA INFILTRAÇÃO EXTERNA
A filtragem do ar exterior de ventilação é o mecanismo mais eificiente para a
prevenção da infiltração externa de contaminantes aéreos biológicos. Para o caso de
Laboratórios que operem em regime de pressurização relativa negativa, torna-se
necessário um maior cuidado construtivo visando a redução da área efetiva de
vazamentos (frestas e imperfeições). A ASHRAE (2000) recomenda a aplicação de
filtros com MERV 8 (de acordo com a norma ASHRAE std. 52.2), correspondente a
classe G-4 da norma NBR-7256 da ABNT (2005) (eficiência mínima de retenção de
95% no teste gravimétrico) para a filtragem mínima de esporos e pólens. Para redução
44
da infiltração por frestas e imperfeições nos laboratórios em pressurização negativa,
devem ser adotados cuidados na vedação de portas, luminárias, tomadas e do
entreforro. Recomenda-se a complementação das paredes até a laje de teto, mesmo
com a presença de forro rebaixado, e a vedação de todos os furos para passagem de
utilidades no entreforro, uma vez que a diferença de pressões pode impelir o
transporte de ar potencialmente contaminado do entreforro para o interior do
laboratório. Caso o laboratório em pressurização negativa não possua acesso a partir
de uma área climatizada, deve ser estudada a possibilidade de aplicação de uma
antecâmara pressurizada com ar previamente filtrado (airlock).
4.7.5.2. CONTROLE DA AMPLIFICAÇÃO INTERNA
A estratégia para controle da amplificação interna consiste em minimizar as
condições ideais de proliferação dos microorganismos. A manutenção dos materiais
constitutivos secos e a limitação da umidade relativa do ar ambiente são os meios
para o alcance destas premissas. A constante inspeção e higienização dos focos
potenciais também se tornam necessário, como medida preventiva. O projeto da
edificação pode prever a localização estratégia dos banheiros e de demais áreas que
utilizem água, para limitação dos danos oriundos de vazamentos de instalações. A
aplicação de shafts visitáveis para as instalações hidrossanitárias auxilia a inspeção e
limita os danos dos vazamentos. O condicionador de ar pode se tornar uma fonte
potencial de amplificação, uma vez que acumula água oriunda da desumidificação. A
correta especificação dos materiais constitutivos e revestimentos do equipamento
minimizam o risco. Deve-se evitar a exposição de material fibroso, como placas de
isolamento térmico, à corrente de ar. O ideal é a aplicação de revestimento metálico
lavável nas superfícies internas do condicionador em contato com a corrente de ar. A
aplicação de sifão no tubo de drenagem da bandeja do condicionador também se
torna impressindível, uma vez que se deve minimizar a presença de água na bandeja.
O condicionador deve ser instalado em casa-de-máquinas projetada com folgas e
espaços suficientes para que possa ser realizada uma constante inspeção e
higienização interna dos equipamentos envolvidos. Estes devem ser dotados de portas
de visita adequados ao serviço de limpeza.
Finalmente, o controle da umidade relativa do ar interno deve ser minimamente
realizado para impedir o alcance de valores acima de 60%, visando inibir a
proliferação de microorganismos (WHO, 2009).
45
4.7.5.3. CONTROLE DA GERAÇÃO INTERNA
As principais barreiras de prevenção da geração de bioaerosol na manipulação
de microorganismos em laboratórios são a conduta laboratorial (procedimentos) e o
uso dos EPCs (Equipamentos de Proteção Coletiva) (WHO, 2004). A condução dos
experimentos de acordo com os procedimentos minimizará a geração de bioaerosol na
zona respirável. Para ilustração, apresentamos os dados coletados por KENNY et
SABEL (1968), em que o uso de centrifugador sem tampa pode produzir cerca de
1.500 partículas de 1,7 μm na zona respirável, enquanto que a aplicação de copos
protetores neste procedimento reduz esta taxa para 119 partículas. O uso de Cabines
de Segurança Biológica (CSB) compreende a técnica de isolamento da fonte e
exaustão local. DE LUGA (1997) considera que a aplicação destes equipamentos é a
forma mais eficaz de proteção do pesquisador contra geração de biaerosol em
laboratórios de nível 2 (NB-2). Finalmente temos o sistema de condicionamento de ar
do Laboratório, que atua na minimização da concentração através da ventilação geral
diluidora e da filtragem do ar. Entretanto, este sistema faz parte das barreiras
secundárias de contenção, sendo os procedimentos e uso das CSB as barreiras
primárias.
4.7.5.3.1 Aplicação das Cabines de Segurança Biológicas (CSB):
Cabines de Segurança Biológica são equipamentos cuja função é a proteção
do pesquisador, do material manipulado em seu interior, e do meio-ambiente externo
(WHO, 2004). Tais proteções são garantidas pela manutenção de fluxo laminar e da
aplicação de filtragem com filtros HEPA (High Efficiency Particulate Air), cuja eficiência
é de 99,97% para partículas com dimensão de 0,3 μm (WHO, 2004). A manutenção do
fluxo laminar filtrado na bancada de trabalho impede a contaminação da amostra pelo
ambiente externo. O fluxo unidirecional interno induzido na abertura de trabalho da
cabine impede a saída de bioaerosol para o ambiente externo, protegendo o
pesquisador. A filtragem de todo ar exaurido com filtros HEPA protege o Laboratório e
o pesquisador.
Os requisitos técnicos das características construtivas, de desempenho e de
certificação das cabines são ditados pela norma NSF/ANSI 49-2009: Biosafety
Cabinetry: Design, Construction, Performance, and Field Certification (NSF/ANSI,
2009).
Os três tipos mais comuns aplicados em laboratórios de pesquisa biomédica
são as cabines classe II-A1, classe II-A2 e classe II-B2 (RICHMOND et HOWARD,
46
1997). Estes três tipos são adequados para trabalho com microorganismos de classe
de risco 1, 2 e 3 (esta classe, se semestralmente certificadas) (WHO, 2004). Uma
diferenciação operacional importante está na possibilidade de manipulação de
produtos químicos e radionucleicos voláteis em seu interior (ASHRAE, 2003a, WHO,
2004).
A cabine classe II-A1 apresenta recirculação de 70% do ar em seu interior e
expurgo de 30% do ar filtrado no interior do laboratório (ASHRAE, 2003). Não permite
a manipulação de produtos químicos e radionucleicos voláteis em seu interior (WHO,
2004). Este tipo de cabine apresenta o benefício de não utilizar exaustão para o
exterior, reduzindo o impacto energético de sua aplicação.
A cabine classe II-A2 é similar a classe II-A1, com a diferença de que os 30%
de expurgo devem ser exauridos para o meio-ambiente exterior (ASHRAE, 2003a).
Também apresenta uma velocidade de face maior. Permite a manipulação de
quantidades mínimas de produtos químicos e radionucleicos voláteis em seu interior
(WHO, 2004). Quando de sua aplicação, a mesma não deve ser rigidamente
conectada ao duto de exaustão (ANSI/AIHA, 2003, NIH, 2010, RICHMOND et
HOWARD, 1997). Deve ser prevista uma coifa imediatamente acima de sua conexão
de descarga, envolvendo-a totalmente com uma folga determinada, de forma que o
desligamento da cabine apresente mínimo impacto na pressurização do laboratório, já
que a exaustão do ar pela coifa continua a retirar ar do recinto. O sistema de
condicionamento de ar deve ser dimensionado para manipular uma vazão de ar
exterior compatível com a demanda de extração da cabine. A aplicação deste tipo de
cabine apresenta um impacto energético maior do que a aplicação da cabine classe II-
A1, em função da demanda de exaustão.
A cabine classe II-B2 opera em regime de 100% de expurgo para o exterior
(ASHRAE, 2003a). Permite a manipulação de produtos químicos e radionucleicos
voláteis em seu interior (WHO, 2004). Quando de sua aplicação, a mesma deve ser
rigidamente conectada ao duto de exaustão (ANSI/AIHA, 2003, NIH, 2010,
RICHMOND et HOWARD, 1997). Controles e intertravamentos devem ser aplicados
visando evitar que o desligamento da cabine apresente impactos na pressurização do
laboratório. O sistema de condicionamento de ar deve ser dimensionado para
manipular uma vazão de ar exterior compatível com a demanda de extração da
cabine. Tais características implicam numa maior complexidade técnica e num maior
impacto energético na aplicação deste tipo de cabine (RICHMOND et HOWARD,
1997).
47
4.7.5.3.2 Aplicação da Ventilação Geral Diluídora
A aplicação da técnica de ventilação geral diluídora auxilia no controle da
concentração interna do bioaerosol gerado atuando na idade média do ar, de forma a
reduzir o tempo de exposição a uma dose infectante (ASHRAE, 2003b).
Com objetivo de se analisar a eficiência desta estratégia no controle da
concentração interna de bioaerosol, realizamos a seguinte simulação: Verificação do
tempo de diluição da concentração gerada por um acidente com formação de
bioaerosol, a partir da taxa de renovação de ar do sistema de condicionamento de ar
do Laboratório.
Nesta modelagem, as seguintes premissas serão adotadas:
A concentração inicial do ar interior ao laboratório será de 4.838 ufc (Unidades
Formadoras de Colônias), compatível com o valor experimental mensurado por
KENNY et SABEL (1968), para acidente de quebra ou derrame de culturas
liofilizadas;
O tempo de recuperação do laboratório será aquele em que a diluição atinge
uma concentração 1max C ufc, ou seja eliminação de todo o bioaerosol
gerado;
A concentração de contaminantes no ar exterior de diluição será nula;
O sistema de climatização será dimensionado para uma taxa de ventilação
total (adimensional) de 20 ACH (renovações por hora), e a taxa de ar-externo
(adimensional) será avaliada variando-se de 1 a 20 ACH, ou seja, 5% a 100%
de ar exterior;
Não há filtragem associada;
Será adotada a premissa de parâmetros concentrados (Lumped), para a
determinação da concentração resultante, ou seja, não há gradientes espaciais
de concentração;
48
A figura abaixo representa o arranjo do modelo estudado:
Figura 4.5 Modelo de Estudo do Impacto da taxa de ar exterior na recuperação de
acidente com formação de bioaerosol
O gráfico da figura a seguir representa o desempenho comparativo de várias
taxas de renovação externa (expressas em ACH- trocas volumétricas horárias) na
diluição dos contaminantes gerados:
49
0 2 4 6 8
0
1000
2000
3000
4000
5000
Csi(t
) [u
fc]
t [h]
1 ACH
2 ACH
4 ACH
6 ACH
8 ACH
10 ACH
20 ACH
Figura 4.6 Variação da Concentração Interna de Bioaerosol com a Taxa de Renovação de
ar exterior
O gráfico da figura abaixo representa o desempenho comparativo de várias
taxas de renovação externa (expressas em ACH- trocas volumétricas horárias) no
tempo de recuperação da sala (concentração interna :
1max C ufc):
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
2
4
6
8
10
t (h
)
ACH
Figura 4.7 Tempo de Recuperação da Concentração Interna de Bioaerosol com a Taxa de
Renovação de ar exterior
50
Observa-se que o aumento da taxa de renovação acima de 6 ACH não produz
efeitos significativos no tempo de recuperação da sala. Tal fato pode ser explicado
pela característica exponensial da equação de diluição.
Visando-se analisar o efeito da filtragem, realizamos as seguintes modificações
no modelo:
O sistema opera com taxa de ar exterior de 6 ACH;
O sistema é dotado de filtragem do ar recirculado após a mistura do ar exterior
com ar recirculado;
Os filtros apresentam eficiência para partículas de 1 μm (Está sendo aplicada a
premissa de que o orvalho original produzido no acidente evapore totalmente
sua fase líquida, restando o núcleo sólido infeccioso em suspensão. Tal
premissa, superestima a capacidade de evaporação, e é utilizada em favor da
segurança)
Neste caso, o desempenho comparativo de várias eficiências de filtragem na
diluição do bioaerosol está demonstrado no gráfico da figura abaixo:
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
0
1000
2000
3000
4000
5000
Csi(t
) [u
fc]
t (h)
SEM FILTRO
F7
F8
F9
Figura 4.8 Variação da Concentração Interna de Bioaerosol com a Classe de Filtragem
O gráfico da figura a seguir representa o desempenho comparativo de várias
eficiências de filtragem no tempo de recuperação da sala (concentração interna :
1max C ufc):
51
75 80 85 90 95
0,54
0,56
0,58
0,60
0,62
0,64
0,66
t (h
)
Eff - Eficiência de Filtragem (%)
Figura 4.9 Tempo de Recuperação da Concentração Interna de Bioaerosol com a
Eficiência de Filtragem
Podemos verificar que a ventilação geral diluidora não promove a proteção
direta do pesquisador à contaminação por bioaerosol, uma vez que as concentrações
internas podem vir a permanecer acima de uma determinada dose infectante por um
tempo de exposição relativamente longo. A aplicação de filtros com elevada eficiência
não otimizam esta proteção. Estas duas estratégias devem ser usadas para diluição e
redução do bioaerosol que, em menor concentração, escape dos equipamentos de
contenção.
4.8. GERAÇÃO, INFILTRAÇÃO E CONTROLE DE GASES E VAPORES
4.8.1. CARACTERIZAÇÃO DOS GASES E VAPORES
O termo “Gases e Vapores” associado aos contaminantes químicos se refere à
presença da fase gasosa destes contaminantes na composição do ar interno.
Entretanto, há uma distinção técnica, relativa à fase predominante, quando expostos
às condições ambientais (25ºC e 1 atm.) (ASHRAE, 2001a):
Gases: Encontram-se normalmente na fase gasosa nas condições ambientais;
Vapores: Encontram-se normalmente na fase líquida nas condições
ambientais, mas são evaporados quando a pressão parcial de vapor excede a pressão
parcial deste contaminante na atmosfera;
52
Outra distinção fundamental no estudo da qualidade do ar interior (QAI) reside
na capacidade de difusão ambiental. A capacidade de difusão do gás no ambiente
depende inteiramente de sua fonte produtora, podendo deslocar o oxigênio respirável
do recinto. O vapor nunca conseguirá preencher totalmente o ambiente, já que seu
potencial de contaminação será diretamente proporcional à diferença das pressões
parciais envolvidas (ASHRAE, 2001a).
Os gases e vapores associados à contaminação química podem ser
classificados como (CONSIGLIERI, 2002):
Alergênicos: Capazes de induzir uma reação alérgica, caracterizada como a
resposta do sistema imunológico a uma substância nociva. Sintomas mais comuns são
a asma, a dermatite, a rinite e a conjuntivite alérgica.
Asfixiantes: Relativos aos gases com capacidade de deslocamento do ar
ambiental, reduzindo a concentração do oxigênio respirável. Esta redução afeta o
aparelho respiratório, levando a quadros de hipoxemia (deficiência de oxigênio
dissolvido no sangue) e hipercopnia (aumento de dióxido de carbono dissolvido no
sangue);
Carcinogênicos: Relativos aos vapores de substâncias inertes na fase sólida,
Mas que quando inalados, iniciam o desenvolvimento de neoplasias malignas, por
promovem danos ao DNA das células. O Arsênico, Chumbo e Benzeno são exemplos
de componentes carcinogênicos.
Corrosivos: Vapores provenientes de substâncias como ácidos e bases,
capazes de causar a degradação de tecidos, podendo ocasionar severas
queimaduras.
Inflamáveis: Vapores provenientes de líquidos a uma temperatura menor que
60,5°C, que podem inflamar na presença de uma energia de ignição. Os
Hidrocarbonetes, Álcoois, Cetonas e Aldeídos são geralmente inflamáveis.
Tóxicos: Vapores capazes de agir de maneira nociva aos organismos vivos,
podendo causar o óbito.
As organizações nacionais e internacionais de segurança ocupacional definem
limites de exposição aos contaminantes químicos no ambiente de trabalho. No Brasil,
os mesmos são determinados pela Norma Regulamentadora NR-15, do Ministério do
Trabalho (1978).
53
As vias de penetração dos contaminantes químicos no organismo humano são
através da pele, mucosas e das vias respiratórias (CONSIGLIERI, 2002).
CONSIGLIERI (2002) considera que é através das vias respiratórias a principal via de
contaminação química do organismo humano.
4.8.2. INFILTRAÇÃO DOS GASES E VAPORES
A infiltração de gases e vapores contaminantes presentes na atmosfera externa
também utiliza o sistema de ventilação como via prioritária. Os principais
contaminantes gasosos atmosféricos são o Monóxido de Carbono ( CO ), o Dióxido de
Enxofre ( 2SO ), o Dióxido de Nitrogênio ( 2NO ), o Dióxido de Carbono ( 2CO ), e o
Ozônio ( 3O ) (INEA , 2009).
A tabela abaixo, organizada pelo INEA –Instituto Estadual do Ambiente (2009),
ilustra as principais fontes de emissão e efeitos adversos à saúde destes
contaminantes gasosos:
Tabela 4.3 Fontes de Emissão e Efeitos Adversos à Saúde dos Gases Comumente
Presentes na Atmosfera
Contaminante Gasoso Principais Fontes de Emissão Efeitos Adversos à Saúde
2SO Queima de combustíveis fósseis que contenham enxofre, como óleo combustível, carvão mineral e óleo diesel.
Ação irritante nas vias respiratórias; agravo nos sintomas de asma e bronquite
2NO Queima de combustíveis em alta temperatura em veículos, aviões, fornos e incineradores.
Ação irritante nas vias respiratórias; pode vir a causar edema pulmonar quando em altas concentrações
CO Queima incompleta de derivados de petróleo.
Provoca dificuldades respiratórias e asfixia.
3O Formado na atmosfera pela reação química de compostos orgânicos voláteis e óxidos de nitrogênio, na presença de luz solar.
Ação irritante nas vias respiratórias e nos olhos; agravo nos sintomas de asma e bronquite
54
Os níveis máximos toleráveis destes poluentes atmosféricos são determinados
pela Resolução nº. 03 do CONAMA (Conselho Nacional do Meio Ambiente), de
28/06/1990 (INEA, 2009).
As principais fontes de emissão destes contaminantes são os processos
industriais. Na Região Metropolitana do Rio de Janeiro, a indústria petroquímica foi a
maior fonte fixa de emissão de 2SO , 2NO , e CO em 2009 (INEA, 2009). Entretanto,
as fontes móveis (veículos) foram as principais fontes de emissão absoluta de CO no
mesmo ano (INEA, 2009).
De acordo com os dados do INEA (2009), as concentrações médias destes
poluentes são normalmente menores do que os valores limites determinados pelo
CONAMA. Casos especiais de proximidade com fontes potenciais, como indústrias
petroquímicas, devem ser avaliados com maior precisão, visando determinar o
impacto da infiltração destes contaminantes nos ambientes internos climatizados.
4.8.3. GERAÇÃO DOS GASES E VAPORES
Os contaminantes químicos aéreos em laboratórios são gerados a partir de
duas fontes básicas:
Fontes não controláveis: Não há como efetivamente isolá-las do ar respirável
dos ambientes;
Fontes controláveis: Podem ser aplicadas técnicas para isolá-las ou minimizar
a contaminação do ar respirável dos ambientes;
4.8.3.1. GERAÇÃO DE CONTAMINANTES QUÍMICOS A PARTIR DE FONTES NÃO-
CONTROLÁVEIS
As fontes não-controláveis compreendem os materiais construtivos, mobiliários
e acabamentos do laboratório (HESS-KOSA, 2002). Compreendem também os
produtos utilizados na assepsia das superfícies e equipamentos laboratoriais
(CARVALHO, 2009).
Todos estes componentes possuem VOCs (Compostos Orgânicos Voláteis) em
sua composição, como o Formaldeído dos aglomerantes do mobiliário e o Clorofórmio
e o Tolueno dos artigos de limpeza (HESS-KOSA, 2002). VOCs são compostos que
possuem de 1 a 12 carbonos em sua formação, e que são facilmente evaporados à
55
temperatura e pressão ambiente. HESS-KOSA estima que a concentração interna de
VOCs em ambientes de escritório pode ser 100 vezes maior do que a concentração
externa na atmosfera. Estudos do NIOSH (National Institute for Occupational Safety
and Health), de 1995, reportam que 17% dos problemas epidemiológicos relacionados
à QAI (qualidade do ar interior) têm relação com a concentração interna dos VOCs
(HESS-KOSA, 2002). Os efeitos na saúde dos ocupantes envolvem sintomas de
irritação nos olhos e vias respiratórias superiores, náuseas e dores de cabeça. Não há
limites estabelecidos para a máxima concentração admissível para VOCs, uma vez
que os limites tabelados são estabelecidos para exposição a contaminantes no
ambiente industrial (HESS-KOSA, 2002). Alguns organismos propõem a menor
concentração admissível pela ACGIH (American Conference of Industrial Hygienists),
que é de 0,5 ppm (para o Benzeno). A ASHRAE (2001d) propõe aplicar 10% do limite
estabelecido pela ACGIH.
4.8.3.2. GERAÇÃO DE CONTAMINANTES QUÍMICOS A PARTIR DE FONTES
CONTROLÁVEIS
Produtos químicos são utilizados na maioria dos procedimentos em
Laboratórios de pesquisa biomédica (CRANE et RILEY,1997, CARVALHO, 2009).
Ácidos e Bases, concentrados e diluídos, são usados para controlar o pH de soluções
(BAKER, 2008). Detergentes são usados para desinfecção de vidrarias (BAKER,
2008). Procedimentos de sequenciamento de DNA envolvem solventes muito fortes,
etanol, fenol, acetona, xilol e clorofórmio (BAKER, 2008). Nitrogênio líquido é utilizado
para armazenagem de células congeladas (BAKER, 2008).
Quando a presença de produtos químicos é inevitável nas atividades
profissionais, as unidades responsáveis pela segurança do trabalhador nas instituições
devem estabelecer programas no âmbito da segurança, da higiene e da saúde, de
modo a garantir e preservar a integridade física dos seus trabalhadores (CARVALHO,
2009).
Incidentes danosos, assim como pesquisas com humanos e animais geraram
uma razoável base de consenso sobre a resposta à exposição de aproximadamente
1.000 produtos químicos no ambiente de trabalho (ASHRAE, 2000d).
Consequentemente, muitos países geraram normas com limites de tolerância à
exposição no ambiente de trabalho.
56
Para a minimização do risco associado à contaminação dos trabalhadores,
deve ser realizada uma análise de antecipação de riscos (ASHRAE, 2000d,
CONSIGLIERI, 2002, ASHRAE, 2003a, PESSOA, 2005). Esta análise deve incluir a
identificação de produtos químicos, a avaliação do risco de absorção pela pele,
mucosas e vias respiratórias, a identificação de fatores de estresse físico (calor, ruído,
ergonomia, luminosidade) e o desenvolvimento de estratégias de controle (ASHRAE,
2000d).
4.8.4. CONTROLE DA CONCENTRAÇÃO INTERNA DOS GASES E VAPORES
O controle da concentração interna dos gases e vapores abordará os casos de
geração interna das fontes Controláveis e Não-Controláveis. A principal medida de
prevenção à infiltração externa de gases e vapores nocivos está na escolha adequada
do local da construção, da localização da tomada de ar exterior (distante de fontes
emissoras) e, em casos excepcionais, na aplicação de despoluidores atmosféricos no
sistema de ventilação.
4.8.4.1. CONTROLE DE CONTAMINANTES QUÍMICOS A PARTIR DE FONTES NÃO-
CONTROLÁVEIS
O controle da concentração interna dos VOCs (Compostos Orgânicos Voláteis)
emitidos pelos materiais construtivos deve ser através da técnia de ventilação geral
diluidora (ASHRAE, 2000d). HESS KOSA (2002) considera que a taxa de
concentração interna de 2CO devido aos ocupantes é um bom indicativo da eficiência
de ventilação para controle de concentração de VOCs.
4.8.4.2. ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DA VENTILAÇÃO GERAL DILUÍDORA NO CONTROLE DA
CONCENTRAÇÃO DE VOCS NÃO-CONTROLÁVEIS GERADOS NO LABORATÓRIO
Visando avaliar o efeito da técnica de ventilação geral diluidora no controle da
concentração de VOCs, foi realizada uma simulação da variação desta concentração
através do programa IA-QUEST, do National Research Council of Canada. Este
programa permite a simulação das concentrações resultantes em recintos, oriundas da
emissão de VOCs de seus materiais, de acordo com as taxas de ventilação aplicadas.
O programa possui uma base de dados contendo as taxas de emissão dos materiais
construtivos industrializados mais utilizados.
57
Nesta avaliação, as seguintes premissas foram adotadas:
O laboratório possui aproximadamente 38m², e pé-direito de 3,0m ;
A concentração interna dos contaminantes só é afetada pela emissão de VOCs
dos materiais constituintes do recinto;
O piso é revestido com manta vinílica de 1/8” de espessura, aderida ao contra-
piso;
As paredes e o teto são de gesso-acartonado, com placas de 12,7mm de
espessura;
As paredes e o teto são pintados com tinta PVA;
O mobiliário do laboratório é composto por bancadas, prateleiras e armários
em MDF, com área total de 28 m²;
A taxa de ventilação adotada será de 1 ACH (trocas horárias de ar). O modelo
será analisado com a mínima ventilação aplicável. Caso haja eficácia de
controle nestas condições, teremos a garantia de eficácia também com taxas
mais elevadas ;
A ventilação está em operação apenas no horário comercial de 08:00h às
17:00h;
A concentração de contaminantes no ar exterior de diluição será nula;
Não há filtragem associada;
Será adotada a premissa de parâmetros concentrados (Lumped), para a
determinação da concentração resultante, ou seja, não há gradientes espaciais
de concentração;
58
O gráfico abaixo ilustra os resultados da simulação:
Figura 4.10 Variação da concentração interna de VOCs devido a fontes não-controláveis.
Fonte: programa IA-QUEST (National Research Council of Canada)
Os contaminantes principais envolvidos no gráfico são o Trimetil-Benezeno e o
Propanodiol, evaporados dos materiais construtivos aplicados.
As oscilações apresentadas são reflexos da premissa de operação da
ventilação apenas no horário comercial. Durante a noite, com a ventilação desligada,
há um aumento na concentração interna dos contaminantes. Há, entretanto, um
decaimento da concentração média ao longo do tempo.
Podemos observar que a concentração inicial é elevada, quando a mobília é
nova e a sala recém-pintada, mas a ventilação geral diluidora apresenta bom
desempenho no controle destes contaminantes ao longo do tempo, quando a taxa de
emissão passa a ser reduzida.
4.8.4.3. CONTROLE DE CONTAMINANTES QUÍMICOS A PARTIR DE FONTES
CONTROLÁVEIS
Existem contaminantes que não podem ser dispersos no ambiente interno e
diluídos pela ventilação geral, em função de sua alta toxicidade ou concentração. A
ASHRAE (2000d) considera que a exaustão localizada é a prática mais eficaz para
fontes poluidoras pontuais. Este sistema é composto por captores, redes de dutos,
despoluidores atmosféricos e exaustores. A escolha do tipo adequado do captor,
aliado ao seu projeto são fatores fundamentais para o sucesso na captura dos
59
contaminantes. A necessidade de aplicação do despoluidor atmosférico será objeto de
uma análise acerca da possibilidade de contaminação do meio-ambiente externo
acima dos limites toleráveis, pelos gases e vapores liberados.
A ASHRAE (2003a) recomenda que procedimentos envolvendo risco potencial
de contaminação por gases e vapores tóxicos sejam desenvolvidos no interior de
Capelas de Exaustão (também denominadas CEQ-Capelas de Exaustão Química).
DELUGA (1997) observa que virtualmente todos os laboratórios contêm Capelas de
Exaustão Química. A SEFA (Scientific Equipment and Furniture Association) define
este equipamento como “Uma área de trabalho enclausurada e ventilada destinada a
capturar, conter e exaurir fumos, vapores e partículas geradas no seu interior. É
constituída de painéis de fechamento laterais, posteriores e superiores, uma abertura
frontal de acesso com uma janela de guilhotina e um plenum de exaustão dotado de
defletores para captura equilibrada de ar e contaminantes” (ASHRAE, 2003a). A
estratégia de contenção reside na manutenção de um fluxo unidirecional com sentido
para o interior da capela com uma velocidade de face controlada, e na manutenção de
pressurização negativa da área de trabalho e do plenum de exaustão. Esta condição
operacional é induzida pela extração contínua de ar da capela (Conservação de
massa e quantidade de movimento). A velocidade de face deve ser mantida entre 0,4
e 0,5 m/s.
Os tipos básicos de capela são descritos a seguir (ASHRAE ,2003a):
4.8.4.3.1 Capelas de Exaustão Química Padrão:
Operam sob regime de vazão constante de ar, com velocidade de face variável.
A janela de guilhotina pode possuir abertura superior, lateral, ou uma combinação de
ambas. Aplicação em laboratórios de pesquisa para uso contínuo ou intermitente, com
procedimentos de risco elevado ou moderado.
4.8.4.3.2 Capelas de Exaustão Química com “By-Pass”:
Operam sob regime de vazão de ar praticamente constante, com velocidade de
face constante. A capela é dotada de uma veneziana no painel frontal, cuja função é
prover o “by-pass” de ar na medida em que a janela de guilhotina é fechada. O
dimensionamento desta veneziana é tal que a vazão de “by-pass” mantenha a
velocidade de face praticamente constante. Aplicação em laboratórios de pesquisa
para uso contínuo ou intermitente, com procedimentos de risco elevado ou moderado.
60
4.8.4.3.3 Capelas de Exaustão Química com VAV-Volume de Ar Variável:
Operam sob regime de vazão de ar variável, visando manter a velocidade de
face constante na medida em que a janela de guilhotina é fechada. A capela é dotada
de uma veneziana ou abertura, cuja função é prover o “by-pass” da mínima vazão de
ar quando a guilhotina é fechada. Aplicação em laboratórios de pesquisa para uso
contínuo ou intermitente, com procedimentos de risco elevado ou moderado.
4.8.4.3.4 Capelas de Exaustão Química para manipulação de Radioisótopos:
Apresentam construção especial impermeável à radiação, com estrutura
reforçada para sustentação do peso extra da blindagem com chumbo. A rede de dutos
deve ser dotada de flanges com vedação em neoprene, visando fácil desconeção para
descontaminação. Filtros HEPA (High Efficiency Particulate Air) e/ou de carvão ativado
podem vir a ser necessários. Aplicação em laboratórios de pesquisa para manipulação
de isótopos radioativos.
4.8.4.3.5 Capelas de Exaustão Química para manipulação de Ácido Perclórico:
Projetadas para manipulação de ácido perclórico, um agente extremamente
ativo e oxidante, cujos vapores podem formar depósitos na rede de dutos com
potencial de explosão. Por isto, este tipo de capela deve ser dotado de um sistema
automátivo de lavagem interna com água, visando minimizar a formação destes
depósitos. Aplicação em laboratórios de pesquisa dedicada à manipulação de ácido
perclórico.
CAPLAN et KNUSTON (1978) conduziram testes acerca do impacto de
correntes do ar ambiental na capacidade de contenção de vapores das capelas. Seus
testes verificaram que esta capacidade de contenção é extremamente sensível às
velocidades destas correntes. A ASHRAE (2003a) sugere que a velocidade máxima
das correntes de ar no recinto seja controlada em 50% da velocidade de face das
capelas. DELUGA (1997) sugere que este valor seja da ordem de 30% da velocidade
de face.
61
4.8.4.4. ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DA VENTILAÇÃO GERAL DILUÍDORA NO CONTROLE DA
CONCENTRAÇÃO DE CONTAMINANTES QUÍMICOS GERADOS POR ACIDENTE NO
LABORATÓRIO
Com objetivo de se analisar a eficiência da técnica de ventilação geral
diluidora no controle da concentração interna de vapores, realizamos a seguinte
simulação: Verificação do tempo de diluição da concentração gerada por um acidente
com formação de vapores, a partir da taxa de renovação de ar do laboratório.
Nesta modelagem, as seguintes premissas serão adotadas:
A concentração inicial do ar interior ao laboratório será de 1.312 ppm (partes
por milhão), compatível com o valor máximo estimado para a completa
evaporação do conteúdo de 1 frasco de 60 mL de acetona, em um laboratório
com volume aproximado de 38 m³ ;
O tempo de recuperação do Laboratório será aquele em que a diluição atinge
uma concentração 780max C ppm, que representa o limite de tolerância da
acetona preconizado pela NR 15 (MINISTÉRIO DO TRABALHO, 1978);
A concentração de contaminantes no ar exterior de diluição será nula;
A taxa de ventilação será avaliada variando-se de 1 a 20 ACH (Trocas horárias
do ar da sala);
Não há filtragem associada;
Será adotada a premissa de parâmetros concentrados (Lumped), para a
determinação da concentração resultante, ou seja, não há gradientes espaciais
de concentração;
O gráfico da figura a seguir apresenta a variação da concentração de acetona no
interior do Laboratório:
62
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Csi(t
) [p
pm
]
t [h]
1 ACH
2 ACH
4 ACH
6 ACH
8 ACH
10 ACH
20 ACH
TLV
limite TLV=780 ppm
Figura 4.11 Variação de concentração de acetona oriunda de acidente com evaporação
Podemos verificar que para o limite de 4 ACH, o aumento da taxa de ventilação
diluidora não se reflete em melhoria significativa no controle da concentração de
vapores tóxicos. Este limite é associado à característica exponsensial da equação de
diluição.
63
5. ANÁLISE DE CARGA TÉRMICA E DE DESEMPENHO DE
SERPENTINAS ALETADAS NO CONTROLE DE
TEMPERATURA E UMIDADE
5.1. CONTROLE DE TEMPERATURA E UMIDADE RELATIVA
5.1.1. INTRODUÇÃO
As propriedades termodinâmicas do ar são controladas pelos processos de
resfriamento, desumidificação, umidificação e reaquecimento, proporcionados pelo
condicionador de ar (ASHRAE, 2003b , REINMUTH, 1999). Basearemos este estudo
na situação de controle de temperatura e umidade para aplicações localizadas na
zona bioclimática brasileira nº 8 (Z8), de acordo com a norma NBR 15220-3 da ABNT
(2005). De acordo com a norma, esta zona engloba a cidade do Rio de Janeiro (RJ) e
cidades da floresta amazônica, como Manaus (AM), Belém (PA) e Porto Velho (RO),
com predominância de TBU elevada no verão. Desta forma, não será considerado o
processo de umidificação no tratamento de ar. Considerando-se a aplicação
laboratorial, em que há um elevado percentual de ar exterior, o foco da análise será na
capacidade de desumidificação dos sistemas para controle da umidade interna,
mesmo em cargas parciais. A figura a seguir ilustra o fluxograma básico de
funcionamento de um sistema de condicionamento de ar:
64
Figura 5.1 Fluxograma Básico de um Sistema de Condicionamento de Ar para Controle
de Temperatura e Umidade
A estratégia usual para controle das condições internas do ar compreende o
fornecimento contínuo de ar à sala, com propriedades tais que, o calor absorvido pela
vazão mássica de ar compense a carga térmica do ambiente.
A carga térmica é discretizada em suas parcelas sensível e latente. A parcela
sensível está relacionada ao aumento da temperatura de bulbo seco (TBS), enquanto
que a latente ao aumento da umidade absoluta. A razão entre a parcela sensível e a
carga térmica total é denominada fator de calor sensível (FCS).
Os processos e os estados psicrométricos envolvidos, para a condição de
verão (projeto) estão representados na carta psicrométrica na figura a seguir:
65
Figura 5.2 Processos e Estados Psicrométricos Envolvidos no Condicionamento de Ar
O ar é suprido na condição sa, determinada de forma tal que, após absorver o
calor sensível (RSH) e latente (RLH) do ambiente, tem-se uma condição de equilíbrio
em ra, que é o estado psicrométrico desejável para o ar interior. Parte do ar ambiental
é extraído (ou exfiltrado) para o exterior, e parte é retornada ao condicionador e
misturada com um percentual de ar exterior (estado oa), visando prover a ventilação
geral diluídora. O estado resultante desta mistura, ea, estará localizado na linha que
une os dois pontos na carta, tal qual determinado pela “lei da linha reta” (resultante
dos balanços de massa e energia). Este ar de mistura é então resfriado e
desumidificado para que seja reinserido no ambiente na condição de insuflação
desejada (sa). Este processo é realizado em uma serpentina, que deve possuir uma
temperatura média superficial (adp) compatível com esta condição de insuflação
desejada. Em alguns casos, os ganhos latentes determinam uma condição de
insuflação que impedem que haja uma temperatura média de superfície (adp)
compatível, de modo que o reaquecimento se torna necessário, o que reduz a
eficiência energética do sistema. Assim, uma análise aprofundada do modo
operacional das serpentinas nas tarefas de resfriamento e desumidificação, tanto em
carga total quanto em carga parcial se torna necessária, de modo a construir uma
base sólida para prover sua aplicação otimizada em situações em que se torna
necessário um rígido controle de temperatura e umidade.
66
5.1.2. DEFINIÇÃO DO ESTADO PSICROMÉTRICO A SER MANTIDO EM
LABORATÓRIOS
Os valores das propriedades do ar úmido a serem mantidas no ambiente, em
regime permanente, são escolhidos a partir dos limites normativos, conforme discutido
no capítulo 3.
Normalmente são estabelecidos os valores limites de temperatura de bulbo
seco (TBS) e umidade relativa (UR) do ar.
A partir desta definição, todas as demais propriedades do ar úmido interno
(extensivas e intensivas) ao laboratório são determinadas. Cabe ressaltar que a
pressão atmosférica é fixa e conhecida, não se considerando as diminutas variações
oriundas da pressurização dos recintos.
Para efeitos dos estudos e análises a serem desenvolvidas, será adotada a
pressão atmosférica (nível do mar), e as propriedades do ar interno serão mantidas
nos seguintes valores:
Tabela 5.1 Condições Internas adotadas no estudo para os Laboratórios de
Biossegurança
TBS
(˚C)
UR
(%)
TBU
(˚C)
Umidade Absoluta
W (g/kg)
Torv
(˚C)
Massa Específica
(kg/m³)
Entalpia Específica h
(kJ/kg)
24,0 55 17,8 10,3 14,3 1,16 50,17
Pela comparação com os valores demonstrados na Tabela 3, verifica-se que
estes valores atendem tanto às recomendações brasileiras quanto americanas.
67
5.2. ESTIMATIVA DA CARGA TÉRMICA DOS LABORATÓRIOS
5.2.1. INTRODUÇÃO
A dificuldade na estimativa da carga térmica reside no fato de que a premissa
de regime permanente não é observada na prática. O envelope dos prédios possui
uma capacidade térmica que não pode ser negligenciada. Este fato, aliado à variação
horária e sazonal da taxa de radiação solar, e à rejeição ao ambiente externo de parte
do calor oriundo desta radiação, resulta em uma transferência de calor em regime
transiente, de difícil modelagem. A rejeição de calor mencionada ocorre quando a
temperatura superficial externa da parede, aquecida pela radiação, excede à do meio-
ambiente.
Os primeiros modelos simplificados, como o TETD (Total Equivalent
Temperature Difference Method), apresentado em 1967 pela ASHRAE e o seu
predecessor CLTD (Cooling Load Temperature Difference), eram métodos de solução
manual, que envolviam aproximações e valores tabelados na estimativa de carga
térmica.
Atualmente, a ASHRAE (2001e) recomenda a adoção de um dos seguintes
métodos de estimativa de Carga Térmica:
Heat Balance Method (HB);
Radiant Time Series Method (RTS);
O HB é o método mais representativo, mas envolve uma complexa
implementação computacional. O RTS é um método simplificado a partir do HB. Este
envolve a contabilização horária dos ganhos de calor, separando-os em convectivos e
radiantes. Aqueles são computados diretamente como carga térmica, enquanto que
estes serão computados com uma defasagem de tempo. Esta depende da capacidade
térmica e propriedades de absorção e emitância dos materiais construtivos.
5.2.2. METODOLOGIA DE CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
A carga térmica horária será calculada de acordo com o método RTS-Radiant
Time Series, proposto pela ASHRAE (2001e), e implementada em linguagem
FORTRAN, a partir da Metodologia proposta por SPITLER (2009). O algoritmo básico
está demonstrado no fluxograma a seguir, adaptado de SPITLER (2009):
68
Cômputo da
radiação solar
direta e difusa
incidente em cada
superfície exposta
envolvida
Cômputo da
transferência de
calor oriunda da
radiação solar
direta e difusa em
cada superície
transparente
envolvida
Cômputo da
transferência de
calor oriunda da
condução em
cada superície
transparente
envolvida
Cômputo da
transferência de
calor oriunda da
condução em
cada superície
opaca envolvida
Cômputo da
transferência de
calor oriunda das
fontes internas
Divisão da
transferência de
calor total em
suas parcelas
radiantes e
convectivas
Processamento
das parcelas
radiantes com
RTF apropriados
para determinar a
contribuição
destas parcelas
Soma das
parcelas
convectivas para
determinar a
contribuição
destas parcelas
Soma
Carga térmica
horária
Entradas:
- Localidade;
- Dia e hora de
cálculo;
- Características
da edificação;
Figura 5.3 Algoritmo de processamento da carga térmica horária. Fonte: Adaptado de
SPITLER (2009)
69
A carga horária será calculada para todas as 24 horas de um dia típico de
cada estação climática (Verão, Outono, Inverno e Primavera). Os componentes do
sistema serão dimensionados para a máxima carga calculada.
5.2.2.1. CÔMPUTO HORÁRIO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR PELA CONDUÇÃO DE CALOR
ATRAVÉS DE SUPERFÍCIES OPACAS
O fluxo de transferência de calor por condução através de cada parede e teto
envolvido será totalizado em cada hora por meio do uso de uma série temporal
condutiva (CTS). Os 24 coeficientes desta série são os fatores periódicos de resposta
conhecidos como fatores da série temporal condutiva (CTSFs). Esta formulação
promove a solução do problema transiente, unidimensional e periódico de
transferência de calor por condução, envolvendo a inércia térmica da construção.
O cômputo da transferência de calor total horária por condução através de
cada superfície envolvida é calculado pela equação abaixo (SPITLER, 2009):
23
0
))(.(..)(j
iejcondTjtTAUCTSFtQ (5.1)
A temperatura sol-ar é uma aproximação, baseada num balanço de energia
simplificado, que representa aquela temperatura externa que, na ausência da radiação
(solar) produziria o mesmo fluxo de transferência de calor por condução através da
superfície considerada.
Os fatores da série temporal condutiva (CTSFs) podem ser obtidos de diversas
maneiras. Podem ser adotados valores tabelados para paredes mais usuais, ou
calculados a partir das propriedades térmicas dos materiais constituintes das paredes.
5.2.2.2. CÔMPUTO HORÁRIO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR ORIUNDA DE FONTES
INTERNAS
As fontes internas são os ocupantes, equipamentos e luminárias. Os ocupantes
e alguns equipamentos contribuem com calor sensível e latente. O calor sensível e
latente dissipado pelos ocupantes é tabelado em função da atividade metabólica
(SPITLER, 2009).
A taxa instantânea de dissipação de calor devido às luminárias é calculada por
(SPITLER, 2009):
70
fsaullumlumSFFWq ...
(5.2)
A totalização horária da dissipação de calor devido aos equipamentos
Laboratoriais é calculada por (SPITLER, 2009):
)(.)( ,,
1
tFWtq nulnequip
n
i
equip
(5.3)
5.2.2.3. DIVISÃO DO CÔMPUTO HORÁRIO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM SUAS
PARCELAS CONVECTIVAS E RADIANTES
A carga térmica instantânea do ar é definida como a taxa em que o calor é
transferido por convecção para o ar interno ambiente. A estimativa desta taxa é
dificultada pelas trocas radiantes entre superfícies, ocupantes, mobiliário e
equipamentos. Estes processos induzem a uma dependência temporal que não é
facilmente quantificável (SPITLER, 2009). O método RTS utiliza então uma
metodologia de divisão das parcelas radiantes e convectivas, visando uma estimativa
simplificada da carga térmica instantânea.
As seguintes frações serão adotadas (SPITLER, 2009):
Tabela 5.2 Divisão das Frações Radiantes e Convectivas. Fonte: SPITLER (2009)
Fonte Interna de Calor Fração Radiante Fração Convectiva
Ocupantes 0,6 0,4
Iluminação 0,67 0,33
Equipamentos sem dissipação convectiva 0,3 0,7
Equipamentos com dissipação convectiva 0,1 0,9
5.2.2.4. CONVERSÃO DAS PARCELAS RADIANTES EM CARGA TÉRMICA
O método RTS estima a carga térmica em função do cômputo da transferência
de calor da hora atual e de horas passadas. A série temporal radiante (RTS)
71
representa a fração da energia radiante que é convectada para o ar em cada hora. Os
24 coeficientes desta série são os fatores periódicos de resposta conhecidos como
Fatores da Série Temporal Radiante (RTFs). O cômputo total da carga térmica é
calculado, para cada hora, pela equação abaixo (SPITLER, 2009):
23
0
)(.)()(j
radjconvtotal jtQRTFtQtCL (5.4)
Os fatores da série temporal radiante (RTFs) são únicos para cada recinto, e
dependem de sua geometria e das características construtivas do envelope.
Dependem também da distribuição da energia radiante nas superfícies. A energia
proveniente da radiação solar será primariamente absorvida pelo piso, enquanto que a
parcela radiante do calor liberado por ocupantes e equipamentos será distribuída
uniformemente por todas as superfícies. Como resultado, é comum o uso de dois tipos
de RTFs, sendo os do último caso denominados nonsolar radiation RTFs. Os dados
podem ser obtidos de diversas maneiras. Podem ser adotados valores tabelados para
ambientes mais usuais, ou calculados a partir das propriedades térmicas dos materiais
constituintes dos recintos.
5.3. ANÁLISE DO DESEMPENHO DE SERPENTINAS ALETADAS NO CONTROLE DE
TEMPERATURA E UMIDADE
5.3.1.1. CARACTERIZAÇÃO DAS SERPENTINAS ALETADAS
As serpentinas aplicadas em resfriamento e desumidificação são geralmente
formadas pelos seguintes componentes:
Bancos de tubos de cobre, com diâmetro nominal 3/8”, 1/2” ou 5/8”;
Aletas planas ou corrugadas em alumínio ou cobre, com passo de 8 a 12 aletas
/ polegada. As aletas são fixadas aos tubos de cobre por expansão mecânica;
Bandeja de recolhimento de condensado (por gravidade);
Conexões de entrada e saída de fluido de processo (água gelada ou
refrigerantes halogenados);
Cabeçeiras de distribuição e retorno de fluido de processo;
72
Quadro metálico de estruturação;
Demais acessórios (purgador de ar, eliminador de gotas, etc.);
As figuras a seguir ilustram o arranjo geral do escoamento dos fluidos envolvidos
no processo:
Figura 5.4 Vista Isométrica do Arranjo Geral de uma Serpentina Aletada
Figura 5.5 Vista Superior do Arranjo Geral de uma Serpentina Aletada
73
5.3.1.2. PROCESSO DE RESFRIAMENTO E DESUMIDIFICAÇÃO COM SERPENTINAS
ALETADAS
O ar úmido que escoa pela serpentina encontra uma baixa temperatura
superficial, e por esta diferença se dá a transferência de calor sensível.
Caso esta temperatura superficial seja menor do que a temperatura de orvalho
do ar, haverá o processo de condensação, com desumidificação do ar. A energia
envolvida na mudança de fase do vapor d’água no processo constitui o calor latente.
A condensação do vapor d’água promove a formação de um filme de água
condensada ao longo da superfície metálica da serpentina. A modelagem proposta por
THRELKELD et al. (1998) considera que o estado do ar à saída da serpentina será
determinado pela mistura dos seguintes fluxos de ar:
Aquele que sairá em equilíbrio térmico com o filme de condensado da
serpentina, na condição de saturação;
Aquele que atravessa o trocador incólume, sem que suas propriedades sejam
afetadas pelo processo;
As propriedades do ar à saída da serpentina serão determinadas pela mistura
adiabática destes dois fluxos de ar.
A razão entre o fluxo que atravessa o trocador de forma incólume e o fluxo total
recebe a designação de fator de by-pass da serpentina. Este fator depende das
seguintes características:
Espaçamento entre as aletas;
Arranjo construtivo dos tubos;
Velocidade de face do ar na serpentina;
Na aplicação laboratorial, em que há um elevado percentual de ar exterior,
chegando a 100% em alguns casos (ASHRAE, 2003a), é desejável o menor fator de
by-pass possível. Verifica-se, neste caso, a importância da manutenção de uma baixa
temperatura superficial média ao longo da serpentina, uma vez que esta influencia na
temperatura do filme condensado.
74
5.3.1.3. DIMENSIONAMENTO DE SERPENTINAS ALETADAS PARA RESFRIAMENTO E
DESUMIDIFICAÇÃO
De acordo com a metodologia proposta por THRELKELD et al. (1998), a área
de troca necessária de uma serpentina aletada operando em regime de resfriamento e
desumidificação é dada por:
mtotal
total
totalhU
QA
. (5.5)
Onde o calor total envolvido no processo pode ser calculado pelo
conhecimento das condições à entrada e saída da serpentina e a vazão operacional:
).( saeatotal hhmQ
(5.6)
A diferença logarítmica média de entalpias é a diferença de potencial que move
o processo de transferência de calor sensível e latente, e é calculada por:
)(
)(ln
)()(
,
,
,,
efarsa
sfarea
efarsasfarea
m
hh
hh
hhhhh (5.7)
O coeficiente global de transferência de calor sensível e latente é calculado
por:
fouling
wc
w
wFopwc
ww
rip
or
total
Rb
AA
b
A
AbU
,,,, )/(
)1.(
.
.
1
(5.8)
Onde:
w
w
docw
ar
wc
k
y
b
c
,,
,
.
1
(5.9)
É necessária a inclusão de uma resistência térmica interna aos tubos, em
função do fator de incrustração para o fluído refrigerante. O fator de incrustração
externo pode ser desconsiderado em função do elevado peso relativo da resistência à
convecção externa do ar (THRELKELD et al. ,1998).
75
O procedimento de cálculo envolve a escolha inicial da temperatura média dos
tubos e do filme de condensado, de modo que possam ser calculados os parâmetros
rb e wb . Após o cálculo do coeficiente totalU , as temperaturas adotadas podem ser
checadas e corrigidas pela equação abaixo:
efarea
ipr
destotalr
ocmw
wwcar
eamws hhA
UAb
b
chh ,
,,,
,
,,.
..1
.
..
(5.10)
A equação acima permite o cálculo da temperatura equivalente do filme de
condensado, em função de entalpia e do estado de saturação. O procedimento
também demanda a definição de uma espessura média do filme de condensado.
THRELKELD et al. (1998) provam que não há influência da precisão desta escolha
nos resultados finais, de modo que será aplicada a espessura indicada pelo autor, de
0,005 in (1,27 x 410 m).
5.3.1.4. IMPLEMENTAÇÃO DE UM PROGRAMA COMPUTACIONAL PARA
DIMENSIONAMENTO DE SERPENTINAS DE RESFRIAMENTO E DESUMIDIFICAÇÃO
Para o auxílio na análise operacional das serpentinas, foi desenvolvida uma
rotina computacional para dimensionamento das serpentinas, em Linguagem
FORTRAN. A rotina calcula a área de troca necessária, área de face e número de filas
(rows), em função dos seguintes parâmetros operacionais, que são as entradas do
sistema:
Condições do ar à entrada da serpentina;
Condições do ar à saída da serpentina;
Vazão de ar a ser tratada;
Características dimensionais da serpentina (geometria do arranjo, passo das
aletas, características dos materiais constitutivos e razão entre as áreas);
Temperatura de entrada e saída do fluido frigorífico a ser usado;
Propriedades do fluido frigorífico a ser usado;
76
A metodologia de cálculo proposta por CHUAH et al (1998) foi adotada para a
determinação dos valores dos coeficientes de transferência de calor por convecção
envolvidos, conforme reproduzido abaixo:
a) Coeficiente de transferência por convecção forçada do ar no exterior da
serpentina considerada seca (CHUAH et al,1998):
3/2,,Pr
..J
cG padoc (5.11)
2Re.1
CCJ (5.12)
065,0141,0
1 ..101,0
t
h
h
t
F
D
F
FC (5.13)
54,0
2
077,0149,0
2 ...323,0
S
F
F
F
F
FC D
t
s
h
t (5.14)
a) Coeficiente de transferência por convecção forçada da água no interior dos
tubos da serpentina (DITTUS et BOELTER, 1930)
4,08,0 Pr.Re.023,0 wwwNu (Equação de Dittus-Boelter) (5.15)
w
ww
wd
Nuk . (5.16)
Foi adotado o modelo proposto por THRELKELD et al. (1998) entre o
coeficiente de transferência por convecção forçada do ar no exterior da serpentina
considerada seca e úmida:
w
w
docw
ar
wc
k
y
b
c
,,
,
.
1
(5.17)
O processo envolve um cálculo iterativo da temperatura do filme de
condensado. O algoritmo do programa implementado em FORTRAN encontra-se na
figura a seguir:
77
Entrada de Dados:
- TBS e TBU do ar à entrada;
-Pressão atmosférica considerada;
- TBS e TBU desejados do ar à saída;
-vazão de ar envolvida;
- Geometria da serpentina;
-Temperaturas do fluido refrigerante;
-Fator de Incrustração ;Subrotina
Auxiliar:
Calcula
demais
propriedades
do ar
Calcula Calor Total,
Sensível e Latente
envolvidos;
Calcula vazão de
refrigerante;
Subrotina Auxiliar:
Calcula propriedades
saturadas do ar na
temperatura do
refrigerante
Calcula ΔHm
Calcula
Coeficiente Global
para Serpentina
Seca
Estima
Temperatura
média da parede
dos tubos
Calcula
Coeficiente Global
para Serpentina
Úmida
Calcula Temperatura
média do filme de
condensado
resultante
Converge?
Estima
Temperatura
média do filme de
condensado
Subrotina
Auxiliar:
Calcula br
(Curva
ajustada)
Subrotina
Auxiliar:
Calcula bw
(Curva
ajustada)
Calcula área de
troca
Saída de Dados:
- Velocidade de face;
- Área total de troca térmica necessária;
- Número de filas;
- Calor Sensível, Latente e Total envolvido;
-Vazão de refrigerante necessária;
- Coeficientes globais de transferência de
calor;
-Diferença média logarítmica de entalpias;
-Temperatura média do filme de
condensado;
Subrotina
Auxiliar:
Calcula Ф
(Curva
ajustada)
NÃO
SIM
Figura 5.6 – Algoritmo para dimensionamento de serpentinas de resfriamento e
desumidificação
78
A temperatura média da parede dos tubos será estimada inicialmente pela
média aritmética entre as temperaturas das paredes nas seções de entrada e saída,
calculadas por:
efsa
inp
o
w
drytotal
efefp ttA
AUtt
,
,
, .
(5.18)
sfea
inp
o
w
drytotal
sfsfp ttA
AUtt
,
,
, .
(5.19)
A estimativa inicial da temperatura do filme de condensado será de 2,8˚C (5ºF)
acima da temperatura média dos tubos, tal qual adotado nos exemplos solucionados
por THRELKELD et al (1998).
Para o cálculo da taxa s
s
t
hb
, será ajustada uma curva a partir do gráfico da
figura 11.18 do livro Thermal Environmental Engineering , de THRELKELD et al.
(1998). O gráfico e a curva ajustada estão demonstrados na figura abaixo:
0 10 20 30 40
1
2
3
4
5
6
b =1,1732-0,0149 Tsat
+0,0025 Tsat
2
b =
h
s/
t s [k
J/k
g.d
eg
C]
Tsat
[degC]
Curva ajustada:
Figura 5.7 – Curva ajustada da taxa
s
s
t
hb
. Fonte: Adaptado de THRELKELD et al
(1998)
A conferência da temperatura do filme resultante, para verificação de
atendimento ao critério de convergência, é calculada a partir da entalpia do ar
79
saturado, pela equação (5.10). Com a determinação da entalpia de saturação, realiza-
se uma busca exaustiva ao longo do domínio das possíveis temperaturas. O critério de
convergência desta busca é o máximo erro aceitável entre a entalpia calculada para a
temperatura candidata e a entalpia real esperada (valor adotado igual a 0,05%).
Para a determinação das propriedades do ar úmido, foram utilizados os
algoritmos propostos por SIMÕES MOREIRA (1999).
Para validação do simulador proposto, o mesmo foi utilizado para solucionar
dois problemas de solução conhecida. O primeiro foi originalmente solucionado
utilizando-se software de seleção de serpentinas AHU-BUILDER da CARRIER norte-
americana. O segundo foi originalmente solucionado por JONES (1973) no exemplo
10.2 de seu livro. Este exemplo também foi aplicado ao simulador proposto e ao
software de seleção do fabricante. Observa-se que a área de troca necessária
calculada pelo simulador proposto é próxima daquela determinada nas soluções já
conhecidas, de forma que o mesmo pode ser utilizado nas análises.
O resultado comparativo desta validação encontra-se no ANEXO A.
5.3.1.5. MODELAGEM DA VARIAÇÃO DA PERFORMANCE DAS SERPENTINAS DE
RESFRIAMENTO E DESUMIDIFICAÇÃO EM CARGA PARCIAL
Quando a desumidificação se faz presente, a troca térmica total é proporcional
à diferença entre a entalpia do ar de processo e a do ar saturado em equilíbrio térmico
com o filme de condensado de superfície, conforme a equação fundamental abaixo,
deduzida por THRELKELD et al. (1998):
)(.
,
.
ws
pa
oco hhc
dAQd
(5.20)
Desenvolvendo-se a equação fundamental e integrando-a ao longo de toda a
superfície de troca térmica, pode-se obter a entalpia de saída, sah , de acordo com o
método proposto por THRELKELD et al. (1998). O método tem por base a previsão do
estado de saída dos fluidos de um trocador de calor existente, caso sejam conhecidas
as condições de entrada dos fluídos e o valor da área de troca total A e do coeficiente
global de transferência de calor U. Como a serpentina é dimensionada para a máxima
carga térmica de projeto, as características dimensionais da mesma são pré-
determinadas, de forma que o método pode ser aplicado para análise da operação em
cargas parciais.
80
O método tem por objetivo acoplar a transferência de massa da condensação
de umidade no modelo originalmente previsto para análise apenas de troca de calor
sensível. Neste caso, é adotado um coeficiente global de transferência de calor e
massa desU .
Assim, dada uma serpentina de resfriamento e desumidificação existente, a
entalpia de saída do ar será determinada por (THRELKELD et al.,1998):
21
2121
).1(
1
).1(
1
).1(
,,
1
).1.()1.(cc
cc
ea
cc
mws
saec
echehh
(5.21)
Onde:
r
ww
arb
cm
mc
..
.
1
(5.22)
..2
....
ar
desrowsareaface
ar
destotal
m
UNfA
m
UAc
(5.23)
efarea
ipr
destotalr
ocmw
wwcar
eamws hhA
UAb
b
chh ,
,,,
,
,,.
..1
.
..
(5.24)
Para auxílio nas análises envolvendo a operação de serpentinas em carga
parcial, será implementado um simulador operacional destes equipamentos. O
algoritmo do programa implementado em FORTRAN encontra-se na figura a seguir:
81
Entrada de Dados:
- TBS e TBU do ar à entrada;
- Pressão atmosférica considerada;
- Geometria da serpentina;
-vazão de ar envolvida;
- vazão de água;
-Temperaturas do fluido refrigerante;
- Coeficientes U, α ;Subrotina
Auxiliar:
Calcula
demais
propriedades
do ar
Calcula Calor Total,
Sensível e Latente
envolvidos
Subrotina Auxiliar:
Calcula propriedades
saturadas do ar na
temperatura do
refrigerante
Estima
Temperatura
média superficial
Calcula
Coeficiente Global
serpentina seca
Estima
Temperatura
média do filme
Há filme de
condensado?
NÃO
SIM
Calcula Temperatura
de saída do ar
Subrotina
Auxiliar:
Calcula br
(Curva
ajustada)
Subrotina
Auxiliar:
Calcula bw
(Curva
ajustada)
Subrotina
Auxiliar:
Calcula Ф
(Curva
ajustada)
Calcula
Coeficiente Global
para Serpentina
Úmida
Calcula Temperatura
média do filme de
condensado
resultante
Converge?
NÃO
SIM
Calcula Entalpia de
saída do ar
Figura 5.8 – Algoritmo para Estimativa das Condições de Saída de Serpentina Pré-
Determinada operando em Carga Parcial
82
A figura a seguir ilustra a influência das variáveis no processo:
Figura 5.9 Representação do Processo de Resfriamento e Desumidificação de uma
Serpentina no Diagrama Psicrométrico
A entalpia mínima de saída do ar é calculada em processo iterativo envolvendo
o ajuste da temperatura do filme de condensado. Com o conhecimento daquela,
determina-se a reta de processo da serpentina, que pode ser representada
matematicamente como uma função linear da temperatura de bulbo seco. Para
determinação da temperatura de insuflação associada à entalpia de saída, realiza-se
uma busca exaustiva ao longo do domínio das possíveis temperaturas. O critério de
convergência desta busca é o máximo erro aceitável entre a entalpia calculada para a
temperatura candidata e a entalpia real esperada (valor adotado igual a 0,05%).
Assim, a temperatura média superficial do filme de condensado é o parâmetro
determinante das condições de saída do ar em uma serpentina de resfriamento e
desumidificação. Observa-se que a premissa para tal situação é a presença de filme
de condensado uniformemente distribuído em toda a área de troca térmica. Esta
premissa é checada comparando-se a temperatura média superficial com a
temperatura de orvalho do ar (A temperatura média superficial deve ser menor do que
a temperatura de orvalho do ar à entrada da serpentina).
83
A temperatura média superficial de condensado é controlada pelos seguintes
parâmetros: temperatura de entrada de água gelada na serpentina, vazão de água
gelada e vazão de ar envolvida.
5.3.1.6. INFLUÊNCIA DAS VARIAÇÕES DAS CONDIÇÕES OPERACIONAIS DAS
SERPENTINAS ALETADAS NA CAPACIDADE DE RESFRIAMENTO E
DESUMIDIFICAÇÃO
5.3.1.6.1 Introdução:
O objetivo destas análises é a criação de uma base conceitual na dinâmica
operacional de serpentinas operando em resfriamento e desumidificação. Deseja-se
verificar o grau de influência das variáveis operacionais nas proporiedades
determinantes de sua capacidade de resfriamento e desumidificação. As análises
serão processadas com o auxílio do simulador implementado em FORTRAN. Será
adotada uma serpentina operando em regime de 100% de ar exterior, com água
gelada a 7˚C como fluído refrigerante, operando com as seguintes condições de
entrada e saída de projeto:
Condições de entrada do ar: TBS = 35˚ C ; TBU = 27˚ C;
Condições de saída do ar: TBS = 15˚ C ; TBU = 14,5˚ C;
5.3.1.6.2 Variação da Velocidade de Face na Capacidade da Serpentina:
Com a utilização do simulador, foi processada a análise do efeito da variação
do coeficiente global U em função da velocidade de face do ar,
fv ,para uma dada
serpentina. O valor da velocidade da água nos tubos foi fixado em 1,5 m/s. Os
resultados estão listados abaixo:
Tabela 5.3 Resultados da Simulação da Variação da Velocidade de Face no Coeficiente
Global de Transferência
v tubos=1,5 m/s
1,5 1,7 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0
U (W/m².˚C) 23,59 24,92 27,66 27,77 28,77 29,72 30,61 31,44
T efetiva tubos (˚C) 12,75 12,84 13,20 13,22 13,36 13,48 13,60 13,72
T efetiva filme (˚C) 21,00 22,00 22,30 22,70 23,00 23,20 23,50 24,00
% Resist. aletas 35,92 36,48 37,07 37,34 37,52 37,65 37,72 37,76
velocidade face serpentina (m/s)
84
1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
Uo [W
/m2.d
eg
C]
Ttu
bo
s; T
film
e [d
eg
C]
Ra
leta
s/R
tota
l [%
]
vf [m/s]
U (W/m².°C)
T média tubos (°C)
T média filme (°C)
% Resist. aletas
Figura 5.10 Variação da Velocidade de Face no Coeficiente Global de Transferência
Verifica-se um considerável aumento do coeficiente global U com o aumento da
velocidade de face. Por outro lado, além do aumento do fator de by-pass e da perda
de carga (não mapeados neste estudo), observa-se também o indesejável aumento da
resistência térmica das aletas, pela redução da eficiência das mesmas (No gráfico está
mapeado o valor percentual da resistência térmica das aletas em relação à resistência
térmica global). Este fato promove o aumento da temperatura média do filme de
condensado, que contribui para uma indesejável maior temperatura média de
superfície. Assim, dada uma serpentina existente, a sua operação com uma maior
velocidade de face promoverá uma redução em sua capacidade de desumidificação.
5.3.1.6.3 Variação da Temperatura do Fluido Refrigerante na Capacidade da
Serpentina:
Com a utilização do simulador, foi processada a análise do efeito da variação
do Coeficiente global U em função da temperatura de alimentação do fluido
refrigerante (água gelada), para uma dada serpentina. Os resultados estão listados a
seguir:
85
Tabela 5.4 Resultados da Simulação da Variação da Temperatura do Fluido Refrigerante
no Coeficiente Global de Transferência
v tubos=1,5 m/s
v face=2,0 m/s 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0
U (W/m².˚C) 29,38 29,23 29,08 28,91 28,74 28,55 28,36 27,66
T efetiva tubos (˚C) 8,06 8,83 9,59 10,34 11,08 11,82 12,55 13,20
T efetiva filme (˚C) 18,00 20,50 21,50 21,80 22,00 22,10 22,20 22,30
% Resist. Filme 39,58 39,38 39,16 38,94 38,70 38,46 38,21 37,95
Temperatura de alimentação de água gelada/solução anti-congelante (˚C)
-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
10
15
20
25
30
35
40
U [W
/m2.d
eg
C]
Ttu
bo
s, T
film
e [d
eg
C]
Ra
leta
s/R
tota
l [%
]
Talimentação refrigerante
[degC]
U (W/m².degC)
Ttubos
(degC)
Tfilme
(degC)
Raletas
/Rtotal
(%)
Figura 5.11 Variação da Temperatura do Fluido Refrigerante no Coeficiente Global de
Transferência
Verifica-se que o coeficiente global U não sofre significativa alteração com a
variação da temperatura do fluido refrigerante. Por outro lado, observa-se que a
temperatura externa dos tubos sofre uma maior variação com esta alteração. A
temperatura média do filme de condensado não se altera substancialmente, sendo
governada basicamente pela velocidade de face.
5.3.1.6.4 Variação da Velocidade de Escoamento do Fluido Refrigerante na
Capacidade da Serpentina:
Com a utilização do simulador, foi processada a análise do efeito da variação
do Coeficiente global U em função da velocidade de escoamento do fluido refrigerante
(água gelada), para uma dada serpentina. Os resultados estão listados a seguir:
86
Tabela 5.5 Resultados da Simulação da Variação da Velocidade de Escoamento do
Fluido Refrigerante no Coeficiente Global de Transferência
v face=2,0 m/s
0,7 0,8 0,9 1,0 1,2 1,5 2,0 3,0
U (W/m².˚C) 22,32 23,32 24,18 24,94 26,20 27,66 29,38 31,48
T efetiva tubos (˚C) 15,00 14,70 14,37 14,12 13,69 13,20 12,62 11,92
T efetiva filme (˚C) 23,50 23,00 22,80 22,60 22,40 22,30 22,00 21,50
% Resist. Água tubos 42,33 39,75 37,51 35,56 32,30 28,51 24,06 18,60
velocidade água tubos (m/s)
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
U [W
/m2.d
eg
C]
Ttu
bo
s, T
film
e [d
eg
C]
Rtw
/Rto
tal [
%]
vw [m/s]
U (W/m².degC)
Ttubos
(degC)
Tfilme
(degC)
Rtw
/Rtotal
(%)
Figura 5.12 Variação da Velocidade de Escoamento do Fluido Refrigerante no Coeficiente
Global de Transferência
Verifica-se um considerável aumento do coeficiente global U com o aumento da
velocidade de escoamento do refrigerante nos tubos. Com isto, observa-se a redução
da resistência térmica da convecção interna aos tubos (No gráfico está mapeado o
valor percentual da resistência térmica da convecção interna aos tubos em relação à
resistência térmica global). Tal fato também promove uma redução na temperatura
externa dos tubos, contribuindo para a redução da temperatura média superficial. Por
outro lado, este aumento se reflete na perda de carga (não mapeados neste estudo),
na potência de bombeamento necessária.
5.3.1.6.5 Variação da Vazão de água gelada na Capacidade da Serpentina:
Com a utilização do simulador, foi processada a análise do efeito da variação
da Capacidade em função da vazão percentual de fluido refrigerante (água gelada),
para uma dada serpentina. Os resultados estão listados no gráfico da figura a seguir:
87
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
P' f
/ P
' f, t
ota
l
V'/ V
'
total
Figura 5.13 Variação da Capacidade de Serpentina em função da vazão de Fluido
Refrigerante
Podemos observar a característica não-linear da variação entre vazão de
refrigerante e potência frigorífica para serpentinas de resfriamento e desumidificação,
tal qual alertado por HEGBERG (2000). A capacidade de desumidificação das
serpentinas (latente) é maior com vazões de refrigerante próximas à total. Assim, o
controle de capacidade por redução de vazão de refrigerante pode vir a comprometer
a capacidade de desumidificação em cargas parciais, tal qual alertado por RAMSEY
(1966).
Verifica-se, portanto as seguintes influências operacionais das serpentinas no
processo de resfriamento e desumidificação do ar:
Temperatura de alimentação do Fluido Frigorífico (água gelada): influencia
basicamente na temperatura externa dos tubos, através da taxa de variação
linear da entalpia do ar com a entalpia. Sua variação, entretanto não é
significativa em termos de capacidade de desumidificação, visto que a área dos
tubos não é significativa frente a área total de troca.
Velocidade de escoamento do Fluido Frigorífico (água gelada) no interior dos
tubos: influencia na temperatura externa dos tubos, através do Coeficiente de
Transferência por Convecção Forçada da água no interior dos tubos da
Serpentina. Sua variação, entretanto não é significativa em termos de
88
capacidade de desumidificação, visto que a área dos tubos não é significativa
frente a área total de troca.
Velocidade de escoamento do ar na serpentina (Velocidade de Face):
Influencia no fator de by-pass e na área de troca necessária, através do
Coeficiente de Transferência por Convecção Forçada do ar na Serpentina. Sua
variação é significativa, reduzindo a área de troca e eficiência das aletas e
aumentando o fator de by-pass e a temperatura média superficial, à medida em
que se aumenta a velocidade do escoamento. Sua variação é significativa em
termos de capacidade de desumidificação, visto que a área das aletas é
significativa frente a área total de troca.
Eficiência das Aletas: influencia na temperatura média externa da serpentina, e
é reduzida em função da presença de condensação. É afetada pela velocidade
do escoamento do ar e pelas características de condutividade dos materiais
construtivos da serpentina.
Capacidade da Serpentina: A capacidade máxima da serpentina é
significantemente variável com uma vazão de água entre 0% e 30%. Esta
característica não-linear torna-se determinante na seleção das válvulas de
controle de água, que devem possuir uma característica inversa (Igual
percentagem) para produzir um controle linear de capacidade. A aplicação de
controles de redução de vazão de água deve ser analisada com critério em
aplicações com alta taxa de ar exterior (em regiões úmidas), pelo efeito de
diminuição da capacidade latente da serpentina em cargas parciais.
89
6. ESTUDO DE CASO - ANÁLISE COMPARATIVA DA
OPERAÇÃO DOS SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO
PROJETADOS DE ACORDO COM AS NORMAS
BRASILEIRAS E AMERICANAS
6.1. OBJETIVO E MÉTODO ANALÍTICO
O objetivo será analisar o impacto energético na operação dos sistemas,
causado pelas diferenças entre as premissas de projeto brasileiras e americanas. As
simulações e análises serão realizadas tendo por base um laboratório-modelo a ser
adotado. Serão dimensionados dois sistemas de condicionamento de ar para este
mesmo Laboratório:
Protótipo-Brasil: Consiste no dimensionamento dos sistemas de acordo com as
premissas mínimas normativas brasileiras (NBR-7256 da ABNT e RE-09 da
Anvisa);
Protótipo-EUA: Consiste no dimensionamento dos sistemas de acordo com as
premissas mínimas normativas americanas (ANSI Z9.5, NIH Design
Guidelines, ASHRAE e NFPA-45);
A partir do dimensionamento básico dos equipamentos envolvidos, será
procedida a simulação termoenergética dos mesmos ao longo de um ano típico,
visando a totalização dos consumos energéticos dos dois sistemas. As análises
comparativas serão então efetuadas em função dos valores oriundos das simulações.
90
6.1.1. METODOLOGIA DE ESTIMATIVA DE CONSUMO ENERGÉTICO DOS
SISTEMAS
A metodologia adotada terá por objetivo a estimativa da média anual de
consumo energético dos sistemas. Com este propósito, serão aplicados métodos
diretos que partem da premissa de regime permanente no intervalo de cálculo. Tal
simplificação elimina a necessidade de aplicação de métodos dinâmicos, e se justifica
pelo fato de que o interesse principal reside na análise comparativa de soluções, e não
na estimativa precisa do consumo.
Assim, será aplicado um método de estimativa direta, em regime permanente,
baseado no método BIN (THRELKELD et al, 1998) modificado para computar a
capacidade de desumidificação das serpentinas. O método BIN quantifica o número de
horas anuais de recorrência de condições climáticas por intervalos discretos (BINs) de
temperatura. Cada intervalo BIN contém o número médio de horas de ocorrência da
temperatura considerada naquele intervalo (TBS ou TBU), durante o período de tempo
considerado (mensal, anual, etc.).
Este método permite o cômputo da variação da eficiência dos equipamentos
envolvidos com as condições externas, além da possibilidade de se adotar perfis
variáveis de carga térmica e operação dos sistemas.
A metodologia aplicada envolverá a estimativa do desempenho e consumo
elétrico dos equipamentos envolvidos ao longo de um dia típico de projeto de cada
estação climática (Verão, Outono, Inverno e Primavera). Este domínio de tempo de 1
dia será discretizado em 24 intervalos de 1 hora. Em cada intervalo será considerada a
premissa de regime permanente ( temperaturas externas e carregamento constantes).
A totalização diária do consumo será a soma dos consumos horários
estimados.
Para a totalização anual, será realizada uma média ponderada envolvendo o
número de dias típicos de projeto de cada estação, ponderadas pela sua
representação estatística ao longo do ano. Para tal, será adotada a Localidade do Rio
de Janeiro, e usados dados estatísticos BIN do PROCEL (Programa Nacional de
Conservação de Energia Elétrica) reunidos pelo LabEEE (Laboratório de Eficiência
Energética em Edificações) da UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina, por
CARLO et LAMBERTS (2005).
91
Tabela 6.1 Condições Externas Adotadas para os dias-tipo usados nas simulações
VERÃO OUTONO INVERNO PRIMAVERA
Hora TBSe(˚C) TBUe(˚C) TBSe(˚C) TBUe(˚C) TBSe(˚C) TBUe(˚C) TBSe(˚C) TBUe(˚C)
0:00 28,1 24,9 20,8 18,8 16,9 15,9 23,2 22,1
1:00 27,8 24,8 20,6 19,3 16,6 15,7 23,0 21,9
2:00 27,4 24,5 20,2 19,1 16,4 15,6 22,9 21,9
3:00 27,1 24,4 19,5 18,6 16,4 15,5 22,6 21,8
4:00 26,8 24,2 19,1 18,2 16,2 15,4 22,6 21,5
5:00 26,5 24,0 18,8 17,8 15,9 15,2 22,5 21,1
6:00 26,7 24,0 18,4 17,1 15,8 15,2 22,6 21,1
7:00 28,0 24,3 18,4 16,9 15,8 15,1 23,4 21,8
8:00 29,7 24,8 19,8 17,9 16,1 15,2 24,5 22,7
9:00 31,4 25,1 21,4 19,4 16,6 15,4 25,5 23,7
10:00 33,0 25,5 22,8 20,7 17,2 15,8 26,2 23,5
11:00 33,8 25,4 23,9 21,4 17,6 16,0 26,8 23,6
12:00 34,5 25,8 24,6 21,8 18,0 16,2 26,8 23,8
13:00 35,3 26,4 24,8 21,6 18,6 16,4 26,9 23,7
14:00 35,8 26,4 25,1 21,5 18,6 16,6 26,7 23,4
15:00 35,9 26,4 25,0 21,1 18,5 16,5 26,5 23,2
16:00 35,4 26,2 24,5 20,4 18,4 16,5 25,8 22,5
17:00 34,0 25,9 24,0 20,2 18,1 16,4 25,8 22,5
18:00 32,6 25,7 23,3 19,8 17,6 16,2 25,3 22,3
19:00 31,8 25,6 22,8 19,6 17,4 16,1 24,8 21,9
20:00 30,6 25,2 22,4 19,8 17,3 15,9 24,3 21,7
21:00 29,9 25,2 21,8 19,5 16,9 15,7 24,0 21,7
22:00 29,0 24,7 21,4 19,4 16,8 15,8 23,8 22,1
23:00 28,2 24,5 23:00 19,2 16,6 15,6 23,4 22,3
Nº. Dias 50 110 30 175
ANO-TIPO
Os gráficos das figuras a seguir ilustram a comparação entre a distribuição das
temperaturas-BIN adotadas neste estudo para o ano-tipo e aquelas preconizadas pelo
PROCEL (CARLO et LAMBERTS, 2005) para a cidade do Rio de Janeiro.
92
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
11 a 13
14 a 16
17 a 19
20 a 22
23 a 25
26 a 28
29 a 31
32 a 34
35 a 37
38 a 40
Adotado
PROCEL
Figura 6.1 Distribuição de Temperaturas TBS para o ano-tipo usadas nas simulações
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
11 a 13
14 a 16
17 a 19
20 a 22
23 a 25
26 a 28
29 a 31
32 a 34
35 a 37
38 a 40
Adotado
PROCEL
Figura 6.2 Distribuição de Temperaturas TBU para o ano-tipo usadas nas simulações
Observa-se que as distribuições adotadas são compatíveis com as estatísticas
disponíveis, de forma que as mesmas são aceitáveis para utilização no modelo.
Como a modelagem é realizada partindo da premissa de regime permanente
nos intervalos de cálculo (1 hora), será adotada a seguinte premissa de tempo de
resposta dos controles do sistema, visando a simplificação:
O tempo de resposta do sistema às alterações operacionais entre períodos
sucessivos é desprezível;
93
O algoritmo básico do método proposto está demonstrado no fluxograma abaixo:
dia e hora
considerados
Aquisição de
dados climáticos
do ar-exterior
Aquisição de
dados de regime
de uso dos
recintos
envolvidos
Estimativa da
carga térmica
horária
Modelagem da
performance
dos
condicionadores
de ar
Modelagem da
performance da
planta de
utilidades
Estimativa do
consumo
energético horário
Figura 6.3 – Fluxograma do algoritmo usado nas simulações de performance e consumo
As condições externas climáticas e regime de ocupação e uso dos laboratórios
são as variáveis independentes de entrada. Aquelas compreendem basicamente a
TBS (Temperatura de Bulbo Seco) e TBU (Temperatura de Bulbo Úmido) externa. O
regime de ocupação é representado pelo número de ocupantes e equipamentos e
luminárias em uso.
As características técnicas e dimensionais dos equipamentos envolvidos são
os parâmetros do sistema (fixos). Compreendem as características das serpentinas de
resfriamento e desumidificação, ventiladores, válvulas de controle, resistências de
reaquecimento, bombas de água gelada e unidades resfriadoras de líquido.
O desempenho e consumo dos equipamentos são as variáveis dependentes
(resposta do sistema). O desempenho será representado pelas seguintes variáveis:
94
Condições do ar úmido à saída das serpentinas de desumidificação;
Potência frigorífica necessária para o alcance destas condições na serpentina;
Vazões de água gelada envolvidas nas serpentinas para o alcance destas
condições;
Vazões de ar necessárias para atendimento à carga horária (para os
equipamentos operando em VAV-Volume de ar variável);
Potências de reaquecimento elétrico necessárias para manutenção da
estabilidade das condições internas;
O consumo elétrico será totalizado em kWh, levando-se em consideração a
modificação do consumo dos resfriadores de líquidos, bombas, resistências de
aquecimento e ventiladores em carga parcial.
A estimativa da carga térmica horária será procedida de acordo com o método
RTS já discutido.
As características técnicas e dimensionais dos equipamentos são definidas no
dimensionamento dos sistemas, em função da carga térmica máxima.
95
6.1.1.1. METODOLOGIA PARA ESTIMATIVA DE PERFORMANCE DE SERPENTINAS EM CARGA
PARCIAL
6.1.1.1.1 Sistemas Operando em Regime de Vazão Constante de Ar (CAV):
O fluxograma a seguir representa o algoritmo para estimativa das condições de
saída do ar em sistemas de vazão constante de ar:
Dados de entrada:
- Dia e hora de
cálculo;
- Características
serpentina;
Calcula condições
do ar à entrada da
serpentina
Aquisição de
dados de
carga térmica
Aquisição de
dados
climáticos
Setagem das
condições
necessárias de
saída do ar
Aquisição de
dados
condições
internas
Subrotina
auxiliar:
Calcula
condições do
ar à saída da
serpentina
Converge?
NÃO
SIM
Setagem da vazão
de água gelada
Necessita
reaquecimento?
Calcula
reaquecimento
necessário
FIM
SIM
NÃODados de saída:
- Condições do ar
à saída;
- Vazão água
gelada;
Figura 6.4 – Algoritmo para estimativa da performance de serpentinas - CAV
96
6.1.1.1.2 Sistemas Operando em Regime de Vazão de Ar Variável (VAV):
O fluxograma a seguir representa o algoritmo para estimativa das condições de
saída do ar em sistemas de vazão variável de ar:
Dados de entrada:
- Dia e hora de
cálculo;
- Características
serpentina;
Calcula a vazão
de ar necessária
Aquisição de
dados de
carga térmica
Aquisição de
dados
climáticos
Setagem das
condições
necessárias de
saída do ar
Aquisição de
dados
condições
internas
Subrotina
auxiliar:
Calcula
condições do
ar à saída da
serpentina
Converge?
NÃO
SIM
Setagem da vazão
de água gelada
Necessita
reaquecimento?
Calcula
reaquecimento
necessário
FIM
SIM
NÃO
Dados de saída:
- Condições do ar
à saída;
- Vazão água
gelada;
Calcula condições
do ar à entrada da
serpentina
Figura 6.5 – Algoritmo para estimativa de performance de serpentinas - VAV
97
A metodologia proposta envolveu a programação em FORTRAN dos
procedimentos de estimativa das condições de saída do ar da serpentina com a
variação das condições de entrada do ar. Após a realização de simulações-teste com
vários cenários diferentes, os resultados obtidos foram comparados com simulações
realizadas no programa de seleção AHU-BUILDER, da CARRIER norte-americana. A
diferença entre as condições de saída encontradas pelo simulador implementado e
pelo programa de seleção dos fabricantes foi quase sempre menor do que 5%. Em
uma das simulações a diferença foi de 10%. Por este motivo, os resultados obtidos
podem ser aplicados nas análises comparativas de desempenho a serem realizadas.
Estes resultados de validação se encontram nos anexos B e C.
6.1.1.2. METODOLOGIA PARA ESTIMATIVA DO CONSUMO DE EQUIPAMENTOS EM CARGA
PARCIAL
6.1.1.2.1 Unidades Resfriadoras de Líquidos (water chillers):
Os equipamentos a serem modelados em todas as análises serão do mesmo
tipo e eficiência, com performance compatível com as premissas mínimas da norma
amerciana ASHRAE 90.1 (ANSI et al, 2004). Tal fato se justifica em função de que não
se deseja que a eficiência dos chillers tenha efeito nos resultados. Os dados de
performance adotados estão listados no quadro abaixo:
Tabela 6.2 Requisitos mínimos de desempenho dos resfriadores de líquidos
Tipo de Equipamento Mínima Eficiência Procedimento de Teste
Chiller com condensação à ar, acionamento elétrico
2,80 COP
3,05 IPLV
Norma ARI 550/590
Obs1: COP-Coeficiente de Performance
Obs2: IPLV- Integrated Part Load Value
As modelagens de consumo em carga parcial dos chillers serão realizadas de
acordo com os cálculos propostos pelo DOE (Departament of Energy), resumidos por
LIU et CHUAH (2007).
Nesta modelagem, são usadas três curvas de regressão para representação da
performance e consumo dos chillers em cargas parciais:
98
CAPFT: Curva que representa a capacidade disponível em função das
temperaturas dos fluídos no evaporador e condensador.
EIRFT: Curva que representa a eficiência em carga total em função das
temperaturas dos fluídos no evaporador e condensador.
EIRFPLR: Curva que representa a eficiência em função da carga parcial.
UNDERWOOD et YIK (2004) sugerem a seguinte equação para modelagem
matemática do consumo elétrico dos chillers, a partir da regressão baseada nas três
curvas de performance:
oaoaoaoaloadfull TPLCcTPLCcTcTcPLCcPLCccPP ..........( 2
65
2
43
2
210
22
8
2
7 .... oaoa TPLCcTPLCc
(6.1)
.loadfull
loadpartial
Q
QPLC
(6.2)
Esta equação bi-quadrática é obtida a partir da regressão linear, e vale com as
seguintes premissas:
o Vazão de água constante no evaporador do chiller;
o Vazão de ar constante no evaporador do chiller;
o Temperatura constante de saída de água gelada do chiller;
Os coeficientes de regressão envolvidos nas estimativas são determinados em
testes de performance pelo fabricante. Neste estudo, serão utilizados os mesmos
coeficientes adotados por UNDERWOOD et YIK (2004) para equipamentos com
condensação à ar, dotados de compressores do tipo alternativo ou scroll. Os
coeficientes adotados estão reproduzidos no quadro a seguir:
Tabela 6.3 Coeficientes de Regressão aplicados na modelagem operacional do chiller
0c 1c 2c 3c
01180071,3 e 01507387,3 e 01613133,4 e 02497708,1 e
99
4c 5c 6c 7c 8c
04561969,2 e 02304826,4 e 02474649,1 e 04886984,3 e 04155489,2 e
É procedida então a simulação do desempenho operacional do chiller nos
pontos operacionais determinados pela norma AHRI (Air-conditioning, Heating and
Refrigeration Institute) n˚. 550/590 (AHRI, 1998) para validação do simulador e
certificação do atendimento às premissas determinadas pela norma ASHRAE 90.1
(ANSI et al, 2004). O resultado se encontra no quadro abaixo.
Tabela 6.4 Modelagem do desempenho do chiller para certificação de performance
carga peso T oa (ºC) PLC P COP
100% 1% 35 1 1,24 2,84
75% 42% 26,67 0,75 0,79 3,34
50% 45% 18,33 0,5 0,42 4,19
25% 12% 12,78 0,25 0,27 3,26
IPLV resultante, em termos de COP 3,71
Observa-se que o modelo matemático representa corretamente a operação do
equipamento, dentro dos valores determinados pela norma ASHRAE 90.1.
6.1.1.2.2 Ventiladores e Bombas
A ASHRAE (2001b) sugere a seguinte equação para a modelagem do
consumo elétrico de ventiladores e bombas em carga parcial:
loadfull
loadpartial
fanratedfanV
VfPP .
..
(6.3)
Onde fanf , é uma função de regressão, geralmente polinomial, que depende
das características da turbomáquina envolvida.
Nesta modelagem será utilizada a relação proposta pela norma 90.1 da
ASHRAE / ANSI (2004) para modelagem de Ventiladores, de forma que a equação
aplicada será:
100
32..
0998,0.9506,0.1470,00013,0. fanfanfanratedfan PLRPLRPLRPP
(6.4)
Onde:
loadfull
loadpartial
fan
V
VPLR
(6.5)
6.1.1.2.3 Resistências Elétricas para Reaquecimento
Serão aplicadas resistências de reaquecimento cuja potência dissipada é
linearmente controlada de 0 a 100%, através de módulos de potência eletrônicos.
Nesta modelagem o consumo elétrico será:
..
. ratedreheat PP
(6.6)
6.2. LABORATÓRIO-MODELO A SER ADOTADO NAS ANÁLISES
Será modelado um laboratório geral de análises em Microbiologia, estruturado
para trabalho em nível 02 de biossegurança. Apesar de diferenças específicas entre
as diversas áreas da Microbiologia e de seus procedimentos, a modelagem se propõe
a representar as características usuais da maioria dos laboratórios.
6.2.1. LEIAUTE DO LABORATÓRIO-MODELO PROPOSTO
O leiaute do laboratório foi desenvolvido de forma modular, adotando as
dimensões, folgas e áreas mínimas propostas por FABRICK (1997), para um
laboratório geral. As dimensões adotadas respeitam as folgas e dimensões mínimas
determinadas pelas normas brasileiras.
Cada módulo de projeto apresenta dimensões de 3,0m x 8,5m (largura x
profundidade). Cada laboratório-modelo utiliza 02 módulos de projeto.
O leiaute do laboratório-modelo está representado na figura a seguir:
101
Figura 6.6 Leiaute Proposto para o Laboratório-Modelo
Em função da localização contida exigida, não serão consideradas paredes e
lajes de cobertura no envelope do prédio, expostas à radiação solar.
6.2.2. CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DO LABORATÓRIO-MODELO
PROPOSTO
As características técnicas dos elementos construtivos estão lisatados na
Tabela a seguir:
102
Tabela 6.5 Características Técnicas dos Elementos Construtivos do Laboratório-Modelo
Elemento Descrição
Lajes de Piso e Cobertura
Laje de concreto, 15cm espessura; revestimento com 2,5cm de espessura de argamassa, em ambas as faces; entreforro estanque de 50cm e forro monolítico estanque em placas de gesso-acartonado com 12mm. Coeficiente Global de Transferência de Calor adotado de 2,1 W/m².ºC.
Paredes Parede Convencional, de tijolos cerâmicos furados, 9cm esp., revestida em ambos os lados com argamassa com 2,5cm de espessura. Coeficiente Global de Transferência de Calor adotado de 2,3 W/m².ºC.
No caso estudado, as superfícies limítrofes do laboratório serão consideradas
abrigadas da radiação solar, em função da localização interna contida do laboratório
exigida pelas premissas de biossegurança. Neste caso, para cada hora, a temperatura
sol-ar será numericamente igual à temperatura de bulbo seco do ar exterior.
Para a determinação dos fatores da série temporal condutiva (CTSF), foi
utilizado o aplicativo generate_CTSF, elaborado por SPITLER (2009), usando-se a
metodologia preconizada por ORDENES et al (2003) para os materias brasileiros. Os
coeficientes gerados estão representados no gráfico da figura abaixo:
0.000
0.050
0.100
0.150
0.200
0.250
0.300
0.350
0.400
0 5 10 15 20 25
t [h]
CT
SF
(t) paredes
laje de teto
Figura 6.7 – Coeficientes da série temporal condutiva (CTSF) gerados para aplicação no
caso estudado. Fonte: Aplicativo generate_CTSF (SPITLER, 2009)
103
Para a determinação dos fatores da série temporal radiante (nonsolar RTF),
foram utilizados os valores tabulados por SPITLER (2009),para uma classe de
construção de massa térmica média (MW).
Para o cômputo da carga devido à iluminação, será adotada uma taxa de
25 W/m² para a densidade de carga elétrica instalada, com fator de diversificação
de uso unitário, fator de aplicação especial também unitário e fração da energia
direcionada para o ambiente igual a 0,45 (SPITLER, 2009).
6.2.3. REGIME DE UTILIZAÇÃO DO LABORATÓRIO-MODELO PROPOSTO
O programa de necessidades proposto prevê as atividades de recepção,
análise e armazenagem de amostras de microorganismos de classe de risco 2. O
laboratório será utilizado no horário comercial, estipulado entre 08:00h e 18:00h, mas
os freezers de baixa temperatura necessitam de climatização ininterrupta para seu
funcionamento. Às 17:00h de cada dia será realizada a desinfecção de todo o material
contaminado, de forma que será considerada a operação da Autoclave apenas no
horário entre 17:00h e 18:00h.
6.2.4. ANÁLISE DE ANTECIPAÇÃO DE RISCOS DO LABORATÓRIO-MODELO
PROPOSTO
A análise de riscos biológicos enquadra o laboratório em nível 02 de
biossegurança (NB-2), envolvendo riscos de inoculação acidental e exposição à
aerosol. O procedimento de isolamento de células será realizado em ambiente à parte.
Todo procedimento com potencial de formação de aerosol será conduzido no interior
das Cabines de Segurança Biológica.
A análise de riscos químicos aponta para presença de riscos na manipulação
de produtos tóxicos voláteis em ambos os recintos envolvidos. Todo procedimento
com possibilidade de produção de vapores voláteis será conduzido no interior da
capela de exaustão do Laboratório central.
A análise de riscos físicos aponta para presença de exposição ao frio e calor
dos equipamentos laboratoriais, como freezers e autoclaves.
A figura a seguir representa o Mapa de Riscos do Laboratório:
104
Figura 6.8 Mapa de Riscos do Laboratório-Modelo Proposto
6.2.5. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR
PROJETADO DE ACORDO COM O “PROTÓTIPO-BRASIL”
Neste protótipo, as premissas de projeto serão baseadas nas normas
brasileiras (NBR-7256 da ABNT e RE-09 da ANVISA).
6.2.5.1. PREMISSAS BÁSICAS DE PROJETO
As premissas básicas de projeto são:
Vazão de ar constante (CAV), com possibilidade de recirculação de ar;
Sistemas dedicados, sendo um para o Laboratório Central e outro para a Sala
de Isolamento;
Vazão mínima de ar exterior igual a 6,0 m³/h/m²;
105
Filtragem classe G-3 da NBR-7256 da ABNT (2005);
6.2.5.2. ARRANJO BÁSICO DO SISTEMA
O arranjo básico do sistema consiste na aplicação de um condicionador de ar
tipo “fan-coil” para cada recinto atendido, conforme a ilustração da figura abaixo:
Figura 6.9 Arranjo Geral do Sistema de Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo
Proposto conforme “Protótipo-Brasil”
O arranjo do sistema da Sala de Isolamento é similar a este, com a diferença
de que não há a exaustão da capela.
106
6.2.5.3. ESTIMATIVA DE CARGA TÉRMICA DO SISTEMA
A carga térmica foi calculada de acordo com o método RTS-Radiant Time
Series, proposto pela ASHRAE (2001e), e implementada em linguagem FORTRAN,
utilizando as premissas de construção e ocupação do prédio e de operação e
ocupação do Laboratório.
A demanda térmica dos sistemas envolvidos ao longo de um dia típico de verão
está representada no gráfico abaixo:
0 5 10 15 20
0
1
2
3
4
5
6
7
Q [T
R]
t [h]
isolamento
lab. central
período de ocupação
pico pela operação da autoclave
Figura 6.10 Demanda Térmica do Sistema de Condicionamento de Ar do Laboratório-
Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil”
6.2.5.4. DIMENSIONAMENTO BÁSICO DO SISTEMA
O dimensionamento básico dos sistemas foi realizado a partir da máxima
demanda térmica calculada.
As características básicas das serpentinas de resfriamento e desumidificação
foram dimensionadas a partir do programa em FORTRAN, e estão listadas na Tabela
a seguir:
107
Tabela 6.6 Características dos Sistemas de Condicionamento de Ar do Laboratório-
Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil”
Sistema Laboratório
Central
Sistema da Sala de Isolamento
Vazão de ar envolvida (L/s) 883 473
Vazão de ar exterior envolvida (L/s) 363 106
Condições do ar à entrada TBS / TBU (˚C) 28,1 / 21,5 26,7 / 20,0
Condições do ar à saída TBS / TBU (˚C) 14,5 / 14,3 14,6 / 14,5
Capacidade Frigorífica Total Necessária (kW) 24,0 9,5
Capacidade Frigorífica Sensível Necessária (kW) 14,6 6,7
Temperaturas de Entrada / Saída da Água Gelada (˚C) 7,0 / 12,0 7,0 / 12,0
Vazão de Água Gelada necessária (L/s) 1,10 0,46
Diâmetro dos Tubos da serpentina (mm) 15,9 9,5
Arranjo dos Tubos da serpentina Triangular Triangular
Espaçamento das aletas da serpentina (mm) 2,12 2,12
Área de Face necessária da serpentina (m²) 0,48 0,21
Número de Filas necessários da serpentina: 4 4
6.2.5.5. FILOSOFIA DE CONTROLE ADOTADA PARA AS SIMULAÇÕES
Deseja-se adotar a filosofia de controle mais simples possível. Assim, a filosofia
inicialmente selecionada é aquela dos sistemas mais simples de conforto térmico.
Compreende o controle da vazão de água gelada na serpentina a partir da
temperatura de bulbo seco do recinto, conforme o fluxograma da figura a seguir:
108
Figura 6.11 Fluxograma de Controle pela temperatura de retorno
É procedida então a simulação do desempenho deste sistema em um dia típico
de verão, baseada na carga térmica horária, na variação das condições externas, e na
resposta da serpentina nestes cenários. A simulação das condições resultantes foi
procedida em programação em FORTRAN, e está representada no gráfico abaixo:
0 5 10 15 20
0
10
20
30
40
50
60
70
TB
Sra [d
eg
C]
UR
ra [%
]
t [h]
TBSra
URra
período de ocupação
limite superior
UR=60%
carga total
(vazão água
máxima)
Figura 6.12 Simulação Variação das Condições internas com Controle pela temperatura
de retorno
109
Observa-se que tal técnica se mostra eficiente no controle da temperatura
interna, mas falha no controle da umidade relativa em cargas parciais. Tal fato já era
apontado em 1966 por RAMSEY, e é resultado do aumento da temperatura superficial
da serpentina com a redução de vazão de água gelada. Apesar de a carga sensível
ser reduzida, em cargas parciais, a carga latente permanece praticamente constante,
à medida que a taxa de ocupação e a demanda de ar exterior também é constante.
Assim, a primeira conclusão do estudo de caso é que a filosofia de controle para
sistemas laboratoriais não pode se basear no controle de vazão de água gelada
apenas pela temperatura de retorno. Outras estratégias de controle devem ser
implantadas para controle da umidade relativa.
A filosofia é então alterada visando-se o controle simultâneo de temperatura e
umidade relativa. Como o sistema proposto opera em regime de vazão constante de ar
(CAV), a filosofia adotada será a de controle de ponto-de-orvalho do ar de insuflação
(dew-point control). A temperatura de insuflação será controlada com set-point da
temperatura de orvalho da sala (14,3 ˚C, para TBS=24˚C e UR=55%). Será
incorporada uma bateria de reaquecimento elétrico, para ajuste da temperatura da
sala. A figura abaixo ilustra esta nova filosofia.
Figura 6.13 Fluxograma de Controle pela temperatura de orvalho, com reaquecimento
É procedida então nova simulação do desempenho deste sistema em um dia
típico de verão, com esta nova filosofia de controle. A simulação das condições
resultantes está representada no gráfico a seguir:
110
0 5 10 15 20
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
TB
Sra [d
eg
C]
UR
ra [%
]
t [h]
TBSra
URralimite superior UR=60%
Figura 6.14 Simulação Variação das Condições internas com Controle pela temperatura
de Orvalho com reaquecimento
Observa-se que esta última técnica se mostra eficiente no controle da
temperatura interna e da umidade relativa, mesmo em cargas parciais, e será então
adotada nas simulações.
6.2.6. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR
PROJETADO DE ACORDO COM O “PROTÓTIPO-EUA”
Neste protótipo, as premissas de projeto serão baseadas nas normas
americanas (ANSI Z9.5, NIH Design Guidelines, ASHRAE e NFPA-45);
6.2.6.1. PREMISSAS BÁSICAS DE PROJETO
As premissas básicas de projeto são:
Vazão de ar variável (VAV) , com 100% de ar exterior (sem recirculação de ar);
Sistema central, com caixas terminais de modulação de vazão, independentes
de pressão, e reaquecimento terminal;
Vazão mínima de ar exterior igual a 6,0 ACH;
Filtragem final classe F-9 da NBR-7256 da ABNT (2005);
111
6.2.6.2. ARRANJO BÁSICO DO SISTEMA
O arranjo básico do sistema está demonstrado na ilustração da figura abaixo:
Figura 6.15 Arranjo Geral do Sistema de Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo
Proposto conforme “Protótipo-EUA”
6.2.6.3. ESTIMATIVA DE CARGA TÉRMICA DO SISTEMA
A demanda térmica do sistema envolvido ao longo de um dia típico de verão
está representada no gráfico a seguir:
112
0 5 10 15 20 25
0
5
10
15
20
Q [T
R]
t [h]
período de ocupação
pico operação autoclave
Figura 6.16 Demanda Térmica do Sistema de Condicionamento de Ar do Laboratório-
Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil”
6.2.6.4. DIMENSIONAMENTO BÁSICO DO SISTEMA
O dimensionamento básico dos sistemas foi realizado a partir da máxima
demanda térmica calculada.
As características básicas das serpentinas de resfriamento e desumidificação
foram dimensionadas a partir do programa em FORTRAN, e estão listadas abaixo:
Tabela 6.7 Características dos Sistemas de Condicionamento de Ar do Laboratório-
Modelo Proposto conforme “Protótipo-EUA”
Sistema Central Laboratório
Vazão de ar envolvida (L/s) 1.400
Vazão de ar exterior envolvida (L/s) 1.400
Condições do ar à entrada TBS / TBU (˚C) 34,0 / 25,9
Condições do ar à saída TBS / TBU (˚C) 14,1 / 13,5
Capacidade Frigorífica Total Necessária (kW) 75,6
Capacidade Frigorífica Sensível Necessária (kW) 33,7
113
Temperaturas de Entrada / Saída da Água Gelada (˚C) 7,0 / 12,0
Vazão de Água Gelada necessária (L/s) 3,60
Diâmetro dos Tubos da serpentina (mm) 15,9
Arranjo dos Tubos da serpentina Triangular
Espaçamento das aletas da serpentina (mm) 3,28
Área de Face necessária da serpentina (m²) 0,80
Número de Filas necessários da serpentina: 6
6.2.6.5. FILOSOFIA DE CONTROLE ADOTADA PARA AS SIMULAÇÕES
Será adotada a filosofia de controle descrita por DELUGA (1997) para
laboratórios com 100% de ar exterior, VAV e reaquecimento terminal, conforme o
fluxograma da figura a seguir:
114
Figura 6.17 Fluxograma de Controle para Sistema 100% de ar exterior, VAV, com
reaquecimento terminal
6.2.6.6. ARRANJO BÁSICO DA PLANTA DE ÁGUA GELADA
A planta de água gelada será modelada operando em arranjo primário e
secundário de circuitos hidráulicos. A principal vantagem deste arranjo é o
desacoplamento entre a produção e o consumo (CALDEIRA, 2005). O circuito primário
é relacionado à produção de água gelada, operando em vazão constante, no âmbito
da central de água gelada. O circuito secundário é relacionado ao consumo de água
gelada, operando em vazão variável. O equilíbrio hidráulico entre os circuitos é
mantido por meio de uma tubulação de “by-pass” que os interliga, responsável pelo
remanejamento da diferença de vazão entre eles. A vazão da bomba secundária é
variável em função da pressão diferencial da rede, determinada pela ação das válvulas
115
de controle dos condicionadores de ar. O arranjo básico do sistema está demonstrado
na ilustração da figura abaixo:
Figura 6.18 Arranjo Básico da Planta de Água Gelada
A função do tanque de expansão é servir como referência de pressão ao
sistema, além da reposição de água em função de perdas por vazamentos
(principalmente em válvulas) (CALDEIRA, 2005). Estas perdas, assim como os ganhos
de calor em tubulações isoladas serão desprezadas nas simulações realizadas.
116
6.3. RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES
As simulações são realizadas de acordo com os métodos e modelos
apresentados, para cada um dos cenários comparativos propostos, implementados em
linguagem FORTRAN.
6.3.1. SIMULAÇÃO OPERACIONAL ANUAL DO SISTEMA DE
CONDICIONAMENTO DE AR PROJETADO DE ACORDO COM O
“PROTÓTIPO-BRASIL”
Tabela 6.8 Resultados da Simulação do Consumo Elétrico dos Sistemas de
Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil”
Chillers (kWh)
Bombas (kWh)
Ventiladores (kWh)
Aquecimento (kWh)
Total (kWh)
VERÃO 18.062 1.255 1.836 15.527 36.679
OUTONO 12.682 761 1.836 18.517 33.796
INVERNO 10.318 572 1.836 22.310 35.036
PRIMAVERA 14.591 934 1.836 15.468 32.829
totalização 55.653 3.522 7.344 71.821 138.340
18.062
12.68210.318
14.591
1.255
761
572
934
1.836
1.836
1.836
1.836
15.527
18.517 22.310
15.468
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
VERÃO OUTONO INVERNO PRIMAVERA
kW
h
aquecimento
ventiladores
bombas
chillers
Figura 6.19 Simulação do Consumo Elétrico Anual do Sistema de Condicionamento de
Ar do Laboratório-Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil”
117
6.3.2. SIMULAÇÃO OPERACIONAL ANUAL DO SISTEMA DE
CONDICIONAMENTO DE AR PROJETADO DE ACORDO COM O
“PROTÓTIPO-EUA”
Tabela 6.9 Resultados da Simulação do Consumo Elétrico dos Sistemas de
Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo Proposto conforme “Protótipo-EUA”
Chillers (kWh)
Bombas (kWh)
Ventiladores (kWh)
Aquecimento (kWh)
Total (kWh)
VERÃO 23.358 1.526 1.757 4.923 31.565
OUTONO 12.860 574 1.327 5.255 20.017
INVERNO 10.053 376 1.211 6.005 17.645
PRIMAVERA 15.021 722 1.392 4.881 22.016
Totalização 61.293 3.199 5.687 21.065 91.243
23.358
12.86010.053
15.021
1.526
574
376
722
1.757
1.327
1.211
1.392
4.923
5.255
6.005
4.881
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
VERÃO OUTONO INVERNO PRIMAVERA
kW
h
aquecimento
ventiladores
bombas
chillers
Figura 6.20 Simulação do Consumo Elétrico Anual do Sistema de Condicionamento de
Ar do Laboratório-Modelo Proposto conforme “Protótipo-EUA”
118
6.4. ANÁLISE DOS RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES
Analisando-se os resultados, observa-se que há uma elevada necessidade de
reaquecimento no “Protótipo-Brasil”. Tal necessidade não é observada de forma tão
impactante no “Protótipo-EUA”. Este fato resulta numa diferença de 52% entre o
consumo total do “Protótipo-Brasil” em relação ao “Protótipo-EUA”. Tal fato é explicado
por diversos autores, como DELUGA (1997) e RAMSEY (1966), que o definem como
uma “penalidade” derivada da necessidade de controle de umidade e da escolha pelo
regime de operação em vazão de ar constante.
Este fenômeno ocorre em função de que nem sempre há uma perfeita
combinação entre área de troca, temperatura superficial e taxa de vazão de ar nas
serpentinas, que possa produzir simultaneamente a necessária desumidificação e
resfriamento do ar até o ponto em que se possa satisfazer simultaneamente as cargas
sensíveis e latentes (RAMSEY, 1966). A solução adotada envolve então o
resfriamento do ar até uma temperatura abaixo daquela necessária para satisfazer as
cargas sensíveis, visando também satisfazer a carga latente. Tal fato pode ser
observado representando-se o perfil de demanda e consumo do sistema “Protótipo-
Brasil”, para um dia típico de verão, conforme a figura abaixo:
0 5 10 15 20 25
0
1
2
3
4
5
6
7
Pft, P
fs , G
TH
, R
SH
[T
R]
t [h]
Pft
GTH
RSH
Pfs
0 5 10 15 20 25
0
1
2
3
4
5
6
7
REAQUECIMENTO NECESSÁRIO
diferença de desempenho
em carga parcialhora de pico
(condições de projeto)
Figura 6.21 Simulação da Variação Diária da Demanda de Verão de Reaquecimento no
Sistema de Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo Proposto conforme
“Protótipo-Brasil”
119
O sistema é dimensionado para a máxima carga, mas opera no restante do
tempo em carga parcial. Observa-se que as cargas sensíveis variam ao longo do
período, mas a carga latente permanece praticamente constante. Entretanto, a
capacidade de modulação da serpentina em carga parcial acompanha a carga térmica
total, e quanto maior for a redução de carga sensível, maior será a necessidade de
reaquecimento. Podemos também identificar que o ar exterior de ventilação representa
uma importante e constante fonte de calor latente, principalmente no caso estudado,
em que o clima tropical implica em umidade do ar exterior elevada e com pouca
variação diária.
RAMSEY (1966) sugere a aplicação da técnica “face-by-pass” para a
minimização do reaquecimento em cargas parciais para sistemas com controle de
umidade e vazão de ar constante. O arranjo do condicionador neste caso está
mostrado na figura a seguir:
Figura 6.22 Condicionador de ar com “by-pass” do ar de retorno
A técnica consiste em desviar um percentual de ar de retorno da serpentina, de
forma que o ar de insuflação seja uma mistura entre este ar desviado e o ar de saída
da serpentina.
120
Figura 6.23 Representação dos Processos Envolvidos no Diagrama Psicrométrico-verão
Observando-se os processos no diagrama psicrométrico, o ponto de insuflação
resultante estará na reta sa→ra, que é a reta de processo da sala. A temperatura de
insuflação é ajustada em função do percentual de ar desviado.
Podemos deduzir, pela análise do diagrama psicrométrico, que a aplicação do
ar exterior de ventilação em sistemas convencionais (sem “by-pass”) reduz a
flexibilidade de controle de umidade das serpentinas, em função de sua característica
não-linear de controle. Este fato determina um consumo excessivo de reaquecimento.
No caso ideal de inexistência de ar exterior de ventilação teríamos as duas retas
coincidindo.
Verificamos, portanto, que o desacoplamento do tratamento do ar exterior de
ventilação é uma técnica que aumenta a flexibilidade de controle e reduz os gastos
operacionais dos sistemas. Tal fato também é relatado por MUMMA (2009).
Como os resultados do estudo de casos foram consideravelmente impactados
pela escolha do regime de operação do “Protótipo-Brasil” em vazão constante (CAV),
enquanto que o “Protótipo-EUA” foi modelado operando em vazão variável (VAV), uma
última análise se torna necessária. Esta deve ser realizada para que os resultados
sejam representações de estudos em condições similares. Tal análise será feita
modificando-se o regime de operação do “Protótipo-Brasil” para operação em vazão
variável (VAV), de forma que as comparações tenham uma base similar.
121
A escolha inicial da operação do “Protótipo-Brasil” operando em vazão
constante (CAV) se deve à sua simplicidade de controle. De acordo com DELUGA
(1997), a grande maioria dos sistemas opera sob este regime. Não se sabia, naquele
momento, que esta escolha seria determinante nos resultados de consumo.
A escolha do “Protótipo-EUA” operando em vazão variável (VAV) teve por
objetivo refletir uma técnica comum para sistemas com 100% de ar exterior, que é
fortemente encorajada pela norma Z 9.5 – Laboratory Ventilation (ANSI et AIHA,
2003).
Assim, procedendo-se a simulação do “Protótipo-Brasil” operando em regime
de vazão variável (VAV), chegamos aos resultados reproduzidos a seguir:
Tabela 6.10 Resultados da Simulação do Consumo Elétrico dos Sistemas de
Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil”
modificado para operação em VAV
Chillers (kWh)
Bombas (kWh)
Ventiladores (kWh)
Aquecimento (kWh)
Total (kWh)
VERÃO 14,594 821 1,020 3,254 19,689
OUTONO 9,820 479 956 2,945 14,200
INVERNO 7,960 359 911 3,695 12,925
PRIMAVERA 10,643 526 958 3,206 15,332
Totalização 43,017 2,185 3,844 13,100 62,146
122
14,594
9,820 7,96010,643
3,254
3,206821
479359
526958
911
1,020
9562,945
3,695
0
5,000
10,000
15,000
20,000
25,000
30,000
35,000
40,000
45,000
VERÃO OUTONO INVERNO PRIMAVERA
kW
h
aquecimento
ventiladores
bombas
chillers
Figura 6.24 Simulação do Consumo Elétrico Anual do Sistema de Condicionamento de
Ar do Laboratório-Modelo Proposto “Protótipo-Brasil” modificado para operação em
VAV
Analisando-se os resultados, observa-se que esta solução promove uma
redução de 55% no consumo global estimado. As principais reduções de consumo
global envolveram a necessidade de reaquecimento (82%) e ventiladores (48%).
Podemos concluir que a aplicação de sistemas de VAV em Laboratórios com controle
de umidade promove uma considerável economia global de consumo.
Comparando-se finalmente os dois cenários dentro das mesmas bases,
verificamos que o sistema projetado de acordo com as normas brasileiras (“Protótipo-
Brasil-Modificado”) apresenta um consumo global 32% menor do que o mesmo
sistema projetado de acordo com as normas americanas (“Protótipo-EUA”). Tal fato é
explicado pela demanda da operação deste sistema em regime de 100% de ar
exterior.
123
7. ESTUDO DE CASO – PROPOSTA DE MODELO DE PROJETO
ENERGETICAMENTE RACIONAL PARA SISTEMAS DE
CLIMATIZAÇÃO DE LABORATÓRIOS COM
BIOSSEGURANÇA
7.1. OBJETIVO
Foram analisadas, nos capítulos anteriores, as divergências entre as premissas
de projeto normativas brasileiras e americanas. Foi verificado que estas apresentam
um maior rigor, explicado por CRANE et RILEY (1997) em função do caráter rígido e
litigioso da sociedade americana. Também foi verificado que a concepção de um
projeto com as premissas americanas promove um maior custo operacional global ao
sistema.
Por outro lado, algumas instituições de referência, como o CDC-NIH e a
ASHRAE recomendam a adoção destas premissas. Esta precaução é explicada por
DELUGA (1997) quando afirma que não há como se conhecer, à priori (durante a
etapa de projeto), todos os contaminantes químicos ou substâncias nocivas aero
transportáveis, bem como suas concentrações, que estarão presentes ao longo da
vida útil da maioria dos Laboratórios de pesquisa. CRANE et RILEY (1997) sugerem
que o engenheiro deve utilizar e seguir os conhecimentos específicos que estão
delineados por estas organizações especializadas, a menos que compelido por razões
imperiosas para desconsiderá-las
Dados de VIEIRA et SALGADO (2008) demonstram que a aplicação dos
Laboratórios NB-3 no Brasil, cujas premissas de projeto são idênticas às americanas,
apresentou problemas operacionais em grande parte das instalações, principalmente
devido à sua complexidade.
124
Por fim, no mundo Globalizado, em que há um intercâmbio científico cada vez
maior, passa a ser necessário que um laboratório construído no Brasil seja certificado
de acordo com normas internacionais, em função de projetos de cooperação científica
internacional.
A escolha das premissas de projeto se torna então uma árdua tarefa ao
projetista, visto que a adoção de um maior rigor se reflete em um maior consumo
operacional, e numa maior complexidade. A adoção de um menor rigor pode vir a
potencializar o risco de exposição dos pesquisadores à concentrações perigosas de
contaminantes aéreos, ou impedir a certificação do laboratório para convênios
internacionais.
Desta forma, o objetivo deste capítulo é propor uma metodologia de projeto dos
sistemas que potencialize a segurança proporcionada pelas premissas americanas, e
que mantenha a simplicade operacional compatível com a realidade brasileira. O uso
otimizado das técnicas de controle dos contaminantes e propriedades psicrométricas
do ar será aplicado, baseado nas análises procedidas nos capítulos anteriores. A
proposta será direcionada para Laboratórios com Nível 02 de Biossegurança (NB-2),
em função de que as premissas projetuais para Laboratórios NB-03 são universais.
Esta proposta é baseada nas seguintes estratégias:
Formação de uma equipe multi-disciplinar para racionalização dos projetos;
Realização de uma análise de antecipação de riscos ocupacionais;
Segregação das fontes principais de riscos ocupacionais em áreas separadas;
Desacoplamento do tratamento do ar exterior de ventilação para os
laboratórios;
Subdivisão da tarefa de resfriamento e desumidificação do ar exterior de
ventilação em 02 estágios discretos, acionados de acordo com a demanda;
Zoneamento individualizado dos condicionadores de ar por recinto, para
permitir a aplicação de sistemas operando em VAV, visando potencializar a
eficiência e simplificar o controle,
Aplicar estratégias de aumento da eficiência energética, como recuperadores
de calor;
125
PESSOA et al (2009) consideram que entender uma instalação laboratorial é a
etapa que deve anteceder o ato de projetá-la, o que geralmente demanda a
participação de uma equipe multi-disciplinar. Estas autoras também consideram que
esta equipe deve ser composta por arquitetos e engenheiros especializados, além de
profissionais da área de segurança do trabalho e dos representantes do laboratório.
Neste mesmo conceito é englobada a análise de antecipação de riscos ocupacionais,
visando-se a caracterização qualitativa e quantitativa dos riscos associados ao
trabalho com agentes infecciosos. A avaliação da eficiência das técnicas e controles
de engenharia envolvidos só se torna possível a partir desta análise.
Embora cada projeto possua uma caracterização individualizada, será
considerada, para efeito deste trabalho, a continuação do estudo de caso abordado no
capítulo anterior. Naquele caso, é modelado um Laboratório de Pesquisa Biomédica
estruturado para trabalho em Nível 02 de Biossegurança (NB-2). As metodologias de
modelagem e análise também serão as mesmas.
7.2. SEGREGAÇÃO DAS FONTES PRINCIPAIS DE RISCOS
OCUPACIONAIS EM ÁREAS SEPARADAS
Esta solução consiste na estratégia de isolamento das fontes. Assim, a partir
da análise de antecipação de riscos ocupacionais, o leiaute do laboratório é revisado,
com objetivo de segregar fisicamente as áreas dos riscos principais. Este novo leiaute
proposto está representado na figura a seguir:
126
Figura 7.1 Novo Leiaute Proposto para o Laboratório-Modelo
O novo Leiaute tem como premissa respeitar o mesmo programa de
necessidades do laboratório, promover um fluxo interno adequado de pessoas e
materiais, e segregar os riscos principais em áreas diferentes, visando minimizar o
tempo e a quantidade de pessoas expostas a cada risco. A implantação desta tarefa já
causa um impacto no projeto por demandar um aumento do espaço ocupado pelo
mesmo Laboratório em 21%.
O laboratório é subdividido em duas áreas de ocupação: crítica e semi-crítica.
A área crítica envolve os maiores riscos químicos e biológicos. A semi-crítica envolve
procedimentos e equipamentos com menor risco. Estas duas áreas são separadas
fisicamente por uma antecâmara pressurizada (air-lock).
127
A área crítica é composta pela sala de preparo de meios e soluções e pela sala
de isolamento de microorganismos. A segregação dos produtos químicos voláteis em
uma sala separada minimiza a quantidade de pessoas possivelmente expostas, além
de racionalizar o consumo elétrico, pois permite aplicar uma maior taxa de ventilação
apenas nestes recintos críticos.
A área semi-crítica envolve os recintos onde serão realizados procedimentos
com menor risco potencial. Não haverá manipulação de produtos químicos voláteis
nesta área, apenas soluções de concentração desprezível que foram preparadas na
área crítica. Caso seja necessário algum procedimento com maior risco potencial, o
mesmo será conduzido na área crítica. Todo o controle dos procedimentos deverá ser
documentado e gerenciado pelo chefe do laboratório.
É criada uma área separada para recebimento e preparo de amostras, tal qual
preconizado por CRANE et. RILEY (1997), com objetivo de minimizar a contaminação
cruzada de espécies e aparelhos analíticos entre preparo e análise.
7.3. DESACOPLAMENTO DO TRATAMENTO DO AR EXTERIOR PARA
VENTILAÇÃO DOS RECINTOS
Esta solução consiste na aplicação de um condicionador de ar dedicado ao
pré-tratamento do ar exterior de ventilação (DOAS), e sua distribuição para os
condicionadores dedicados a cada ambiente, como demonstrado na figura a seguir:
128
Figura 7.2 Arranjo do Sistema com tratamento dedicado do ar exterior
O pré-tratamento é composto pelos processos de resfriamento,
desumidificação e filtragem do ar. A solução ideal envolve o fornecimento do ar com
propriedades idênticas àquelas a serem mantidas no ar interior climatizado,
configurando-se num tratamento “neutro”. Com isto, retira-se do condicionador
dedicado a cada ambiente a tarefa deste pré-tratamento, de modo que os mesmos
passam a ser dimensionados para combater apenas as cargas internas. Esta
estratégia, associada à capacidade de modulação dos condicionadores confere ao
sistema características equivalentes aqueles que operam em regime de “face-by-
pass”. Por outro lado, apresentam uma menor complexidade, por não depender do
correto dimensionamento da autoridade do damper de by-pass, e de seu dispositivo de
modulação.
Entretanto, equipamentos operando com serpentinas de resfriamento e
desumidificação não possuirão capacidade de fornecer o ar exterior pré-tratado em
condição “neutra” (nas mesmas condições do ar interior), sem que se torne necessário
um reaquecimento.
Este fato é explicado porque não há uma temperatura de superfície de
serpentina que possibilite a saída do ar nas condições desejadas, e pode ser
visualizado graficamente no diagrama psicrométrico da figura a seguir.
129
Figura 7.3 Pré-tratamento dedicado do ar exterior representado no diagrama
psicrométrico
Traçando-se uma reta entre as condições de projeto do ar exterior e a condição
interna a ser mantida (oa→ra), verifica-se que a mesma não intercepta a curva de
saturação. Assim, para fornecimento do ar exterior, originalmente em oa, na condição
final ra, torna-se necessária uma capacidade frigorífica suplementar (ΔQ) e um
reaquecimento da corrente do ar, refletindo-se em uma dupla “penalidade” energética.
Duas soluções serão implantadas, visando a minimização desta penalidade
energética. A primeira será a aplicação de recuperadores de calor, e a segunda será o
desacoplamento total do ar exterior, que passará a ser fornecido direto aos recintos,
ao invés de na caixa-de-mistura dos condicionadores a eles dedicados, como na figura
a seguir:
130
Figura 7.4 Arranjo do Sistema modificado de tratamento dedicado do ar exterior
Esta modificação remaneja ao sistema de condicionamento de cada laboratório
a potência extra de resfriamento do ar exterior, que é reduzida da potência necessária
por estes na realização de combate às cargas internas. Desde que o ar exterior pré-
tratado seja sempre fornecido à uma temperatura abaixo da de orvalho do ar interior,
este excesso de resfriamento do ar exterior não causa impacto na umidade relativa do
ar dos recintos, e é abatido do calor sensível interno a ser retirado pelos
condicionadores dedicados de cada ambiente. Desta forma, praticamente elimina-se a
necessidade de reaquecimento do ar exterior pré-tratado.
7.4. SUBDIVISÃO DA SERPENTINA DE RESFRIAMENTO E
DESUMIDIFICAÇÃO DO AR EXTERIOR EM 02 ESTÁGIOS
Esta subdivisão tem como objetivo proporcionar uma área de troca térmica
variável que é utilizada em estágios discretos de acordo com a necessidade
instantânea de resfriamento e desumidificação do ar exterior. Esta variação tem como
objetivo principal adequar a resposta do sistema à variação diária e sazonal das
condições do ar exterior. A justificativa reside no fato de que esta variação externa
pode ser bastante significativa entre o verão e o inverno, de forma que o
dimensionamento pelas condições de verão pode vir a causar problemas de controle
ou excesso de reaquecimento no inverno. No caso, a serpentina que maneja ar
131
exterior passa a ser subdividida em 02 estágios discretos, que são acionados em
função da demanda. A figura abaixo representa esta tática no diagrama psicrométrico:
Figura 7.5 Representação no Diagrama Psicrométrico dos 2 estágios do Sistema de
tratamento dedicado do ar exterior
A escolha do ponto intermediário para dimensionamento é feita levando-se em
consideração as temperaturas médias de bulbo seco e úmido, que são
disponibilizadas em dados estatísticos, como os divulgados pelo LabEEE (CARLO et
LAMBERTS, 2005):
Tabela 7.1 Médias estatísticas das condições do ar exterior para a cidade do Rio de
Janeiro
JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ MÉDIA
TBSm (˚C) 27.22 25.78 26.89 24.06 21.83 20.56 20.5 21.06 22.94 23.06 24.61 24.61 23.59
TBUm (˚C) 24.22 23.06 23.61 21.61 19.78 18.44 18.78 19.06 20.61 21.56 22.39 21.83 21.25
A filosofia de comando envolve a aquisição dos dados do ar exterior,
processamento da entalpia associada e modulação da vazão de água gelada no 1º
estágio em função da diferença de set-point. A modulação do 2º estágio é realizada
em função da temperatura de insuflação. A temperatura ambiental interior é corrigida
pelo reaquecimento proporcional. Este sistema está representado na figura a seguir:
132
Figura 7.6 Filosofia de Comando dos 2 estágios do Sistema de tratamento dedicado do
ar exterior
O algoritmo utilizado na modelagem matemática do desempenho deste sistema
de 02 estágios para pré-tratamento do ar exterior está demonstrado a seguir:
133
Dados de entrada:
- Dia e hora de
cálculo;
- Características
serpentina;
Calcula as
condições do ar à
entrada da 1ª
serpentina
Aquisição de
dados
climáticos
Setagem das
condições
necessárias de
saída do ar
Aquisição de
dados
condições
internas
Subrotina
auxiliar:
Calcula
condições do
ar à saída da
2ª serpentina
Converge?
NÃO
SIM
Setagem da vazão
de água gelada
Necessita
reaquecimento?
Calcula
reaquecimento
necessário
FIM
SIM
NÃO
Dados de saída:
- Condições do ar
à saída;
- Vazão água
gelada;
Setagem da vazão
de água gelada
Subrotina
auxiliar:
Calcula
condições do
ar à saída da
1ª serpentina
Necessita 2º
estágio?
SIM
NÃO
Figura 7.7 Algoritmo para Simulação Operacional do Sistema de tratamento dedicado do
ar exterior com 2 estágios de resfriamento e desumidificação
134
7.5. APLICAÇÃO DE RECUPERADORES DE CALOR NO AR EXTERIOR
PARA VENTILAÇÃO DOS RECINTOS
De acordo com o Guia de Boas Práticas para Recuperação de Energia em
Ventilação de Laboratórios (WIRDZEK et Al, 2003), há um grande potencial de
recuperação de calor entre fluxos de ar envolvidos na ventilação de laboratórios. Esta
recuperação envolve geralmente transferência de calor entre uma corrente de
processo e outra de rejeito, sendo a energia útil transferida de forma a minimizar a
potência necessária no tratamento da corrente de processo. As técnicas mais comuns
estão listadas abaixo (WIRDZEK et Al, 2003):
Rodas Entálpicas: Recuperadores de calor sensível e latente entre as correntes
envolvidas, com eficiência média da ordem de 75%, mas que apresentam o
inconveniente de propiciar a contaminação cruzada entre as correntes. Este
inconveniente pode vir a ser um limitador na aplicação usando-se o ar de
descarga de recintos potencialmente contaminado com produtos químicos e/ou
biológicos.
Tubos de Calor: Esta solução envolve a aplicação de um banco de tubos que
interliga as duas correntes de ar. Há um meio de transporte no interior dos
tubos, e a troca ocorre por convecção natural. Trata-se de um recuperador de
calor sensível que apresenta a vantagem de não possuir peças móveis, mas
que demanda uma configuração de proximidade entre as correntes de ar, e
apresenta baixa eficiência global, da ordem de 45% a 65%.
Run-Around-Coil: é um recuperador de calor sensível que envolve a aplicação
de serpentinas trocando calor com as duas correntes de ar, envolvendo um
meio de transferência que é bombeado. As duas serpentinas são interligadas
por tubulações, e a troca ocorre por convecção forçada. A eficiência global é da
ordem de 65%, maior do que no caso dos tubos de calor, e em função do
bombeamento, não há a necessidade de proximidade entre as correntes
envolvidas.
A ausência de possibilidade de contaminação cruzada é uma premissa na
aplicação laboratorial. Assim, será analisada a aplicação de recuperadores do tipo
Run-Around-Coil no pré-tratamento de ar exterior. Neste caso, as serpentinas são
135
dispostas em série à montante e a jusante da serpentina tradicional de resfriamento e
desumidificação. Este arranjo é denominado Wrap-Around-Coil, e reduz a potência
necessária de resfriamento e desumidificação do ar exterior (RAMSEY, 1966,
WIRDZEK et Al, 2003), e possui um campo de aplicação em regiões de clima tropical
úmido (WIRDZEK et Al, 2003). As figuras a seguir ilustram a disposição de aplicação
dos recuperadores e a representação no diagrama psicrométrico com a economia
envolvida.
Figura 7.8 Arranjo do Sistema de tratamento dedicado do ar exterior com recuperador de
calor tipo Wrap--Around-Coil
136
Figura 7.9 Representação no Diagrama Psicromátrico do Sistema de tratamento
dedicado do ar exterior com recuperador de calor tipo Wrap--Around-Coil
A modelagem matemática da operação deste sistema envolve um processo
iterativo em que a temperatura do fluído de transporte é reajustada a partir de uma
estimativa inicial até que o critério de convergência seja atendido. Este critério envolve
o erro entre o calor absorvido pelo fluido na serpentina de reaquecimento e o calor
rejeitado na serpentina de pré-resfriamento. O algoritmo para simulação da operação
deste sistema está representado a seguir:
137
Dados de entrada:
- Dia e hora de
cálculo;
- Características
serpentina;
Aquisição de
dados
climáticos
Setagem da
temperatura do
fluido térmico no
pré-resfriador
Converge?
NÃO
SIMNecessita
reaquecimento?
Calcula
reaquecimento
necessário
FIM
SIM
NÃO
Dados de saída:
- Condições do ar
à saída;
- Vazão água
gelada;
Subrotina
auxiliar:
Calcula
condições do
ar à saída da
serpentina do
pré-resfriador
Subrotina
auxiliar:
Calcula
condições do
ar à saída
das 2
serpentinas
de
resfriamento
e desumidif.
Subrotina
auxiliar:
Calcula
condições do
ar à saída da
serpentina de
regeneração
Calcula
temperatura de
saída do fluido
térmico do
regenerador
Figura 7.10 Algoritmo para Simulação Operacional do Sistema de tratamento dedicado
do ar exterior com recuperador de calor tipo Wrap--Around-Coil
138
7.5.1. ESTIMATIVA DA CAPACIDADE DE REDUÇÃO DO CONSUMO DOS
RECUPERADORES DO TIPO WRAP-AROUND-COIL NO PRÉ-
TRATAMENTO DO AR EXTERIOR DE VENTILAÇÃO
Com intuito de se avaliar de forma individualizada a capacidade de redução do
consumo dos recuperadores de calor, será procedida a simulação de um sistema que
atende a um componente Laboratorial, que de acordo com dados do Lawrence
Berkeley National Laboratory, é responsável por intenso consumo energético em
Laboratórios de pesquisa: As capelas de exaustão e cabines de segurança biológica.
De acordo com estes dados, o consumo de uma única capela de exaustão nos
Estados Unidos é 3,5 vezes maior do que o de uma residência familiar. Este consumo
não contabiliza apenas a potência dos ventiladores para movimentação do ar, mas
também a potência frigorífica e o reaquecimento necesssário ao resfriamento e
desumidificação do ar exterior de reposição (make up air).
Assim, será procedida a análise sobre o seguinte sistema modelado: O sistema
de exaustão e fornecimento de make-up air para uma cabine de segurança biológica
classe II-B2 ou capela de exaustão química grande. Ambos os equipamentos
demandam uma vazão de exaustão de 1.500 m³/h (417 L/s). O sistema será
dimensionado para fornecimento “neutro” de make-up air (às mesmas condições do ar
interior), a partir de um condicionador dedicado operando em regime de 100% de ar
exterior (DOAS). Não serão consideradas cargas internas ao recinto, para efeito de
avaliação isolada do impacto energético do pré-tratamento do ar de reposição. Tal
hipótese não diverge de algumas situações práticas, nas quais a capela é instalada
em uma sala fechada, fazendo fronteira com ambientes climatizados, e possuindo
apenas um ocupante e uma lâmpada como fontes de calor.
139
Figura 7.11 Arranjo do Sistema de exaustão e ventilação para Cabine de Segurança
Biológica Classe II-B2
Serão realizadas duas simulações: A primeira consiste na estimativa do
desempenho do condicionador de ar tradicional, usando água gelada e reaquecimento
elétrico proporcional, sem qualquer tipo de recuperador. A segunda consiste na
estimativa do desempenho deste mesmo condicionador com a aplicação de um
recuperador do tipo Wrap-Around-Coil.
A modelagem será realizada com base na implantação do sistema na cidade
do Rio de Janeiro, operando diariamente de 08:00h às 18:00h.
O gráfico a seguir apresenta o desempenho comparativo de um dia típico de
verão.
140
8 10 12 14 16 18
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
P' ft, P
' rea
qu
ecim
en
to [kW
]
t [h]
P'ft, com recuperador
P'ft, sem recuperador
P'reaquecimento
, com recuperador
P'reaquecimento
, sem recuperador
Figura 7.12 Desempenho do Sistema de pré-tratamento de ar de ventilação para Cabine
de Segurança Biológica Classe II-B2
Na hora de pico de verão, a redução estimada na capacidade de resfriamento e
desumidificação é da ordem de 25%, enquanto que a redução na capacidade de
reaquecimento é da ordem de 95%.
Os resultados da simulação anual de desempenho para o caso tradicional (sem
recuperador) estão demonstrados no gráfico a seguir:
141
5.309
3.257
0
4.194
705
705
705
705
4.661
3.951
3.537
4.208
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
VERÃO OUTONO INVERNO PRIMAVERA
kW
h
aquecimento
ventiladores
chillers
Figura 7.13 Simulação anual do Consumo Elétrico do Sistema de exaustão e pré-
tratamento de ar de ventilação para Cabine de Segurança Biológica Classe II-B2
Os resultados da simulação anual de desempenho para o caso em que há
aplicação do recuperador estão demonstrados no gráfico a seguir:
142
4.274
2.815
0
3.624
743
743
743
743
1.489
2.571
2.827
2.435
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
VERÃO OUTONO INVERNO PRIMAVERA
kW
h
aquecimento
ventiladores
chillers
Figura 7.14 Simulação anual do Consumo Elétrico do Sistema de exaustão e pré-
tratamento de ar de ventilação para Cabine de Segurança Biológica Classe II-B2-com
recuperador de calor
O consumo anual estimado para o caso sem recuperador é de 31.936 kWh,
enquanto que a aplicação do recuperador de calor reduz este consumo para 23.245
kWh (redução de 27%). Considerando-se um consumo médio de uma casa popular de
família de baixa renda de 220 kWh / mês (ANEEL, 2010), verificamos que o consumo
operacional desta cabine é equivalente ao consumo de 12 casas populares brasileiras.
A aplicação de um recuperador de calor no sistema de uma cabine disponibiliza, para
o sistema elétrico brasileiro, uma economia de energia capaz de abastecer 3 casas
populares. Dados do EIA - U.S. Energy Information Administration estimam que o
consumo médio de energia de uma família americana em 2008 era de 920 kWh por
mês. Assim, o consumo de energia de uma capela de exaustão é equivalente ao
consumo de 3 famílias americanas, tal qual os dados do Lawrence Berkeley Nacional
Lab. Quando traduzido para a realidade brasileira, este consumo equivale ao de 12
famílias brasileiras de baixa renda.
143
7.6. SOLUÇÃO TÉCNICA DE CLIMATIZAÇÃO A SER ADOTADA NO
PROJETO PROPOSTO
As características técnicas básicas do sistema de climatização proposto no
projeto energeticamente racional estão listadas abaixo:
7.6.1. SISTEMA DE VENTILAÇÃO MECÂNICA COM PRÉ-TRATAMENTO DE
AR EXTERIOR
Todo ar exterior envolvido no projeto será pré-resfriado, pré-desumidificado e
filtrado por um equipamento dedicado (DOAS) antes de ser fornecido diretamente aos
recintos envolvidos. A classe final de filtragem proposta será F-9 (MERV 15), de forma
a garantir a pureza do ar mesmo em condições externas de elevada poluição. Tal fato
é justificado por DELUGA (1997), que considera como objetivo fundamental do
sistema a manutenção das condições internas dentro dos parâmetros necessários
para validação das pesquisas. Ressalta-se, entretanto, que esta classe de filtragem
deve ser revisada em função da concentração média de poluentes externos ao local
de implantação. Está sendo considerada nesta análise a implantação em ambiente
urbano próximo a zona industrial e a avenidas de alto tráfego, com picos de
concentração de particulado PM 2,5 da ordem de 90 μg/m³ (ZHAO et al, 2009). Com
intuito de aumentar a vida útil deste filtro, e reduzir os custos de reposição prematura,
serão aplicados pré-filtros de menor custo com função de reter o particulado grosso.
Como medida de aumento da autoridade de controle, a serpentina principal de
resfriamento e desumidificação será subdivida em 02 estágios, acionados de acordo
com a demanda. Serão adotadas duas medidas de racionalização do uso de energia:
A aplicação de recuperador de calor do tipo Wrap-Around-Coil e a aplicação de
inversor de freqüência no motor de ventilador. Esta última medida tem por objetivo
reduzir o consumo devido à movimentação do ar nos períodos em que os filtros não
estão saturados. Tal solução é justificada pelos guias de boas práticas dos
Laboratories for the 21st Century (WEALE et Al, 2005), que identificam alto potencial
de redução de consumo energético nos sistemas de movimentação de ar em
laboratórios. Também é justificada pela alta perda de carga destes filtros, quando
saturados. Como os sistemas são dimensionados para uma condição extrema, esta
solução possibilita uma redução de consumo na maior parte de vida útil operacional
destes filtros, quando apresentarão perda menor do que a de projeto. Assim, a função
do sistema de controle será modular a rotação do ventilador de acordo com a curva do
144
sistema (variável principalmente em função do nível de saturação dos filtros), de forma
a proporcionar uma vazão constante de ar exterior de ventilação. Para o alcance desta
premissa, deverão ser aplicadas caixas terminais de controle de vazão constante,
independentes de pressão. Estas caixas possuem um tubo de pitot interno e um
processador incoporado, que permitem a leitura da vazão e o ajuste de um registro de
modo a corrigi-la de acordo com o set-point desejado.
No modelo proposto, seriam fornecidos 02 equipamentos dedicados ao ar
exterior, um para cada ala, crítica e semi-crítica. O que atende à esta área seria
dimensionado para prover uma taxa de ar exterior compatível com o uso racional da
ventilação geral diluidora. As taxas propostas são:
Preparo e Análise de Amostras: 4 ACH (Valor mínimo exigido pelas normas
americanas, e compatível com o desempenho racional da ventilação diluidora);
Armazenagem de Amostras: 2 ACH (Área em que não são realizados
procedimentos, apenas estoque);
O que atende à área crítica seria dimensionado em função da vazão
demandada pelas cabines de segurança e capelas, conforme será detalhado
posteriormente.
A figura abaixo ilustra a disposição dos equipamentos dedicados ao tratamento
de ar exterior (DOAS) a serem aplicados:
Figura 7.15 Arranjo do Sistema Dedicado de Pré-Tratamento de Ar (DOAS) proposto
145
7.6.2. SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO DOS RECINTOS SEMI-CRÍTICOS
Os recintos semi-críticos serão zoneados individualmente, sendo cada recinto
atendido por um equipamento dedicado. Tal solução se justifica pelo
acompanhamento da solução arquitetônica de compartimentalização dos recintos e
segregação dos riscos. Reduz, portanto, a possibilidade de contaminação cruzada e
exposição a riscos entre recintos diferentes. Como a segregação dos espaços resulta
na ausência de produtos químicos e aerosol biológico na zona respirável destes
recintos, será permitida a recirculação do ar para estes sistemas. Ressalta-se que
serão manipuladas amostras em pequena quantidade e com procedimentos de baixo
potencial de aerosolização. Estes, por sua vez, serão consuzidos no interior de
cabines de segurança biológica, se eliminando, portanto o risco da presença de
aerosol biológico no ar respirável dos ambientes. Caso haja um risco maior envolvido
nos processos, estes deverão ser conduzidos na área crítica. Esta solução atende
integralmente às normas americanas e brasileiras.
Os equipamentos operarão em regime de V.A.V. (Vazão de Ar Variável). Tal
solução é uma exigência da norma americana ASHRAE Std. 90.1 (WEALE et Al, 2005)
e contribui com a redução do consumo em carga parcial. A sua aplicação é
extremamente simplificada em função do desacoplamento do ar exterior e do
atendimento dedicado a um único recinto.
A classe de filtragem de ar recirculado no condicionador será F-5 (MERV-10),
justificada pela ausência de fontes produtoras de particulado fino no laboratório e pela
elevada eficiência contra particulado grosso. Tal solução também evita a entrada de
esporos de fungos na serpentina e bandeja do condicionador, reduzindo-se a
possibilidade de Amplificação e contribuindo-se para a qualidade do ar-interior.
Como o ar exterior será pré-tratado e insuflado diretamente nos recintos
envolvidos, os equipamentos não precisam ser dimensionados para combater à carga
devido ao ar-externo, e funcionarão apenas recirculando o ar laboratorial. Sua
serpentina passa a ser dimensionada apenas para as cargas internas, que possui um
perfil com menor variação, e proporciona, então um controle mais simples e preciso.
Dependo do tamanho da serpentina, a válvula de controle pode ser do tipo “on-off”,
uma vez que não há o risco do aumento da umidade em cargas parciais devido ao
pré-tratamento do ar exterior de ventilação. Esta solução confere ao sistema
características operacionais similares ao sistema com “face by-pass”, mas com a
vantagem da simplificação de controle operacional.
146
Finalmente, os equipamentos envolvidos não necessitam de elevado rigor de
estanqueidade construtiva, já que os filtros de maior eficiência estarão no sistema
desacoplado de pré-tratamento de ar exterior, resultando no fato de que as pressões
envolvidas não serão elevadas. Esta solução possibilita, portanto, a aplicação de
equipamentos comerciais leves, que apresentam menor custo, dimensão e maior
simplicidade de manutenção.
A figura abaixo ilustra a disposição típica dos equipamentos a serem aplicados
nos recintos semi-críticos:
Figura 7.16 Arranjo Típico do Sistema Proposto para Climatização dos Recintos Semi-
Críticos
O controle dos sistemas destes recintos semi-críticos será de acordo com o
fluxograma a seguir:
147
Figura 7.17 Fluxograma de Controle Proposto para Sistemas Dedicados aos Recintos
Semi-críticos
7.6.3. SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO DOS RECINTOS CRÍTICOS
Os recintos críticos serão dotados de EPCs (Equipamentos de Proteção
Coletiva) que demandam operação dos equipamentos de climatização em regime de
100% de ar exterior. Tal solução se justifica pelo objetivo de compor uma solução com
máximo rigor na segurança ocupacional, e pelo caráter de maior dificuldade na
antecipação de riscos. A aplicação do regime de 100% de ar exterior também se
justifica pelo fato de que nestes recintos serão realizados procedimentos com maior
potencial de aerosolização de material biológico, e haverá manipulação de produtos
químicos voláteis. Não se torna possível, portanto, garantir a ausência total de
produtos químicos e aerosol biológico na zona respirável destes recintos, requisito
exigido pelas normas americanas e brasileiras para possibilitar a recirculação de ar. A
vantagem da segregação dos espaços é que se possibilita a aplicação deste regime
mais rigoroso apenas em parte da instalação laboratorial, e não em sua totalidade.
148
As Salas de Isolamento de Células (Maior Risco Biológico) e de Preparo de
Meios e Soluções (Maior Risco Químico) serão mantidas em nível de pressurização
negativa em relação à atmosfera. O acesso à elas será através de uma antecâmara
pressurizada (air-lock), com controle de acesso e sistema de intertravamento de
portas. A sala de isolamento será equipada com uma CSB (Cabine de Segurança
Biológica) classe II-B2, e a Sala de Preparo de Soluções será equipada com uma
Capela de Exaustão. Estes recintos e a antecâmara também serão dotados de um
sistema de renovação mínima de ar, que possibilitem um nível mínimo de trocas
horárias (ACH) e pressurização relativa constante. O conjunto destas soluções de
engenharia possibilita o uso racional das técnicas de ventilação geral diluídora,
exaustão local e isolamento das fontes, maximizando-se a segurança dos
trabalhadores, dos demais setores da edificação e do meio-ambiente externo.
Como os sistemas que operam em regime de 100% de renovação são intensos
consumidores de energia, serão propostas algumas técnicas de racionalização,
conforme listado abaixo:
a) Aplicação de Sistemas Dedicados de Pré-Tratamento de ar (DOAS) para o ar
de reposição (make up air) das Cabines e Capelas:
Este sistema possuirá as mesmas características dos DOAS já
discutidos, contendo, inclusive, os recuperadores de calor do tipo wrap-
around-coil. Serão dimensionados com vazão compatível com as das cabines e
capelas envolvidas, objetivando-se o fornecimento de ar neutro aos recintos.
b) Diversificação de uso das Capelas e Cabines:
Como a CSB e a Capela de Exaustão possuem vazão similar, é
proposto o uso do mesmo DOAS para fornecimento do make-up air de ambas.
Tal solução possibilita a redução da carga instalada, por aplicar um
equipamento dimensionado para metade da vazão total. Demanda uma
programação horária de uso alternado das salas. Esta solução de uso racional
necessita da aprovação e controle do chefe de laboratório, mas se demonstra
factível, uma vez que o horário disponibilizado ao preparo de soluções e
reagentes pode ser programado junto aos usuários. Sua aplicação demanda a
instalação de um registro de bloqueio estanque nos dutos de suprimento de
cada ambiente. Estes registros são intertravados eletricamente, de forma que o
ar exterior pré-tratado é fornecido para um ambiente ou outro, de acordo com a
escolha do usuário.
149
c) Aplicação de Sistema de Climatização Dedicado Complementar Apenas à Sala
de Isolamento:
Esta solução contempla o controle rigoroso de temperatura e umidade
apenas na Sala de Isolamento, onde o tempo de ocupação é maior. O sistema
dedicado, também em regime de operação em 100% de ar exterior, é
dimensionado para suprir uma vazão mínima necessária ao combate das
cargas térmicas envolvidas e a mínima taxa de renovação de ar. Como esta
vazão é desacoplada daquela necessária à reposição do ar de exaustão da
cabine, é possível uma redução na carga instalada.
Como a Sala de Preparo é um recinto de curto tempo de exposição, a
climatização da mesma será mantida de forma menos rigorosa pelo sistema
DOAS apenas.
d) Subdivisão da Tarefa de Resfriamento e Desumidificação em 2 serpentinas
discretas:
A tarefa de resfriamento e desumidificação do condicionador de ar da
Sala de isolamento, operando em regime de 100% de ar exterior, será
subdividida em duas serpentinas, acionadas de acordo com a demanda. Tal
solução, já discutida anteriormente, promove um controle mais preciso em
cargas parciais, e reduz a potência necessária com reaquecimento.
e) Aplicação de Inversor de Frequência nos Ventiladores Envolvidos:
Esta solução contempla a redução do consumo de energia em função
do grau de saturação dos filtros. Os sistemas são dimensionados para
operação em vazão constante (CAV). Para controle preciso da vazão, serão
aplicadas caixas terminais de vazão constante, independentes de pressão.
A figura a seguir ilustra a disposição típica dos equipamentos a serem
aplicados nos recintos semi-críticos:
150
Figura 7.18 Arranjo Típico do Sistema Proposto para Climatização dos Recintos Críticos
151
7.7. RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES
As simulações foram realizadas de acordo com os métodos e modelos já
apresentados nos capítulos anteriores, implementados em linguagem FORTRAN.
Foram aplicadas as mesmas premissas de desempenho de equipamentos, e os
resultados de desempenho ao longo de um ano-típico, para a cidade do Rio de
Janeiro, encontram-se no quadro e gráfico abaixo:
Tabela 7.2 Resultados da Simulação do Consumo Elétrico dos Sistemas de
Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo Proposto
Chillers (kWh)
Bombas (kWh)
Ventiladores (kWh)
Aquecimento (kWh)
Total (kWh)
VERÃO 15.261 962 2.072 837 19.132
OUTONO 10.334 551 1.893 466 13.245
INVERNO 7.601 336 1.916 547 10.400
PRIMAVERA 12.295 711 1.911 421 15.339
Totalização 45.491 2.561 7.792 2.271 58.115
15.261
10.3347.601
12.295
962
551336
711
2.072
1.893
1.916
1.911
837
466
547
421
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
VERÃO OUTONO INVERNO PRIMAVERA
kW
h
aquecimento
ventiladores
bombas
chillers
Figura 7.19 Simulação do Consumo Elétrico Anual do Sistema de Condicionamento de
Ar do Laboratório-Modelo Proposto
152
7.8. ANÁLISE DOS RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES
Analisando-se os resultados, observa-se que o sistema proposto apresenta
uma redução de consumo de 6% em relação ao “Protótipo-Brasil”, já modificado para
operação em VAV. Entretanto, torna-se mais correta uma comparação com o
“Protótipo-EUA”, que possui um rigor compatível em termos de segurança
ocupacional. Procedendo-se esta comparação, a redução estimada de consumo
energético é da ordem de 36%.
Os critérios de comparação também devem envolver os custos iniciais e as
áreas técnicas necessárias. Embora não seja escopo deste trabalho, foi feita uma
estimativa destes parâmetros.
A área técnica necessária para implantação dos equipamentos do projeto
proposto é de cerca de 75% da área laboratorial. No caso da implantação do
“Protótipo-EUA”, esta área é de cerca de 50% da área laboratorial. Em ambos os
casos, observa-se o impacto na área construída, resultante da adoção de um maior
rigor nos sistemas de climatização. Verifica-se, portanto, que a aplicação de um
pavimento técnico corrido, imediatamente acima dos laboratórios torna-se imperiosa.
O custo de implantação do sistema proposto é cerca de 55% maior do que
aquele para implantação do “Protótipo-EUA”, principalmente em função da maior
quantidade de equipamentos envolvidos.
Entretanto, se comparamos os custos iniciais dos sistemas elétricos, o
Laboratório Proposto apresenta uma redução de 30% da carga elétrica instalada em
relação ao “Protótipo-EUA”, refletindo-se, portanto, em uma economia no custo inicial
das instalações elétricas.
O desacoplamento do ar exterior reduz a complexidade de controle, assim
como a aplicação das caixas terminais de controle de vazão, microprocessadas e com
controle independente de pressão promove um balanceamento automático da
instalação, reduzindo, portanto, o tempo de comissionamento.
Por fim, procedendo-se uma estimativa do tempo de retorno simples do
investimento (sem taxa de juros), encontramos um valor aproximado entre 5 a 8 anos.
A vida útil estimada deste sistema é de 23 anos (ASHRAE, 2000).
153
8. CONCLUSÃO
Em função das análises comparativas efetuadas, podemos observar que:
A técnica de Ventilação Geral Diluídora apresenta eficiência limitada na
proteção dos pesquisadores à concentrações perigosas de contaminantes
aéreos químicos e biológicos.
Quanto maior for o percentual de ar exterior envolvido, maior será a
complexidade de controle de temperatura e umidade aplicando-se os sistemas
tradicionais, assim como os gastos energéticos para o alcance destas tarefas.
O desacoplamento do tratamento do ar exterior em uma unidade dedicada
reduz o consumo do sistema e simplifica o sistema de controle, permitindo,
também o uso racional da filtragem de ar com eficiência elevada.
A aplicação de recuperadores de calor no sistema de tratamento de ar exterior
apresenta um significativo potencial de redução de consumo energético.
A segregação dos riscos envolvidos em ambientes separados, atendidos por
equipamentos dedicados, simplifica o sistema de controle e permite o alcance
de redução de consumo energético.
Uma análise criteriosa envolvendo uma equipe multidisciplinar pode
proporcionar a execução de uma instalação com características compatíveis
com normas internacionais de Biossegurança, mantendo-se um perfil
simplificado e um consumo racional de energia.
Podemos destacar também a dificuldade envolvida na elaboração das
premissas de projeto de um laboratório de pesquisa em Microbiologia, e a quantidade
de informações que se tornam necessárias para este feito. Ressalta-se que o alcance
de um projeto racional só se torna viável com a participação de uma equipe
154
multidisciplinar. Tal fato é justificado em função de que a solução proposta de
segregação dos riscos só é alcançada com uma participação estreita entre arquitetos,
pesquisadores, engenheiros de segurança de trabalho e projetistas mecânicos.
Podemos concluir que a análise de antecipação de riscos passa a ser uma ferramenta
fundamental para o alcance desta solução racional.
Como sugestão para trabalhos futuros, podemos considerar a implantação de
experimentos em laboratório, envolvendo condicionadores de ar dedicados ao pré-
tratamento de ar exterior, com e sem economizador tipo wrap-around-coil, para se
mensurar a efetiva redução de consumo elétrico oriunda deste elemento.
155
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AAAAI,1993, U.S. Pollen Calender, Milwaukee, American Academy of Allergy, Asthma, and Imunnology.
ABNT-ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2005, Tratamento de ar em estabelecimentos assistenciais de saúde (EAS)-Requisitos para projeto e execução das instalações. Norma 7256.
ABNT-ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2005, Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares e de interesse social. Norma 15220-3.
ABRAVA, 2011, “Termômetro para a saúde do ambiente.”, Revista Abrava, Edição nº.288, pp. 22-26, Fevereiro 2011.
ANEEL- AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA, Informações Gerenciais 2010. Disponível em: http://www.aneel.gov.br/arquivos/PDF/informacoes_gerenciais_novo.pdf , Acesso em 10 Maio 2011.
ANSI / AIHA, 2003, Laboratory Ventilation. Standard Z 9.5.
ANSI / ASHRAE / IESNA, 2004, Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings. Standard 90.1.
ANVISA-AGÊNCIA NACIONAL DE VIGILÂNCIA SANITÁRIA, 2002, Regulamento Técnico para planejamento, elaboração e avaliação de projetos físicos de estabelecimentos assistenciais de saúde. Resolução RDC n˚50.
ANVISA-AGÊNCIA NACIONAL DE VIGILÂNCIA SANITÁRIA, 2003, Padrões Referenciais de qualidade do ar interior em ambientes climatizados artificialmente de uso público e coletivo. Resolução RE n˚9.
AHRI, 1998, Standard for Water Chilling Packages Using the Vapor Compression Cycle. Standard 550 / 590, Air-conditioning, Heating and Refrigeration Institute.
ASHRAE, 2000, “Air Cleaners for Particulate Contaminants”. In: Handbook of Systems and Equipment, Chapter 24, Atlanta, American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Inc.
ASHRAE, 2001a, “Air Contaminants”. In: Handbook of Fundamentals, Chapter 12, Atlanta, American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Inc.
156
ASHRAE, 2001b, “Energy Estimating and Modeling Methods”. In: Handbook of Fundamentals, Chapter 31, Atlanta, American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Inc.
ASHRAE, 2001c, “Energy Resources”. In: Handbook of Fundamentals, Chapter 17, Atlanta, American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Inc.
ASHRAE, 2001d, “Indoor Envirommental Health”. In: Handbook of Fundamentals, Chapter 9, Atlanta, American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Inc.
ASHRAE, 2001e, “Nonresidential Cooling and Heating Load Calculation Procedures”. In: Handbook of Fundamentals, Chapter 29, Atlanta, American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Inc.
ASHRAE, 2003a, “Laboratories”. In: Handbook of Applications, Chapter 14, Atlanta, American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Inc.
ASHRAE,2003b, HVAC Design Manual for Hospitals and Clinics, Atlanta, Ashrae Inc.
ASHRAE, 2007, Method of Testing General Ventilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size. Standard 52.2.
BAKER, K., 2002, Na Bancada-Manual de Iniciação Científica em Laboratórios de Pesquisas Biomédicas, Rio de Janeiro, Editora Artmed.
BRASIL. Lei nº. 8.974, de 5 de janeiro de 1995. Estabelece o uso de normas técnicas de engenharia genética e liberação no meio-ambiente de organismos geneticamente modificados, autoriza o Poder Executivo a criar, no âmbito da Presidência da República, a Comissão Técnica Nacional de Biossegurança, e dá outras providências. Diário Oficial da República Federativa do Brasil, Brasília, 6 de janeiro de 1995. Seção 1, PP. 337-46
BURROUGHS, H. E., HANSEN, S. J., 2008, Managing Indoor Air Quality, 4 th edition, Lilburn, Fairmont Press.
CAPLAN, K., KNUSTON, G., 1978, “Laboratory Fume Hoods: Influence of Air Supply”, ASHRAE Transactions, 84.
CALDEIRA, L. P. R. D., 2005, Análise de Redes Hidrônicas em Sistemas de Condicionamento de Ar. Dissertação de M.Sc. , COPPE-UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
CARVALHO, P. R., 2009. “Segurança Química em Laboratórios que Manipulam OGMs”. In: Costa, M.A.F. & Costa, M.F.B. (Ed.), Biossegurança de OGM: Uma Visão Integrada, 2ª edição, Rio de Janeiro, Publit.
CHUAH, Y. K., HUNG, C. C., TSENG, P. C., 1998, “Experiments on the Dehumidification Performance of a Finned Tube Heat Exchanger”, HVAC&R Research, Vol.4, nº.2, pp. 167-178, Abril 1998.
CONSIGLIERI, V. O., 2002. “Riscos Ocupacionais Devidos aos Agentes Químicos”. In: Hirata, M. H., e Filho, J. M., (Ed.), Manual de Biossegurança, capítulo 7, 1ª edição, São Paulo, Editora Manole.
157
CRANE, J. T., RILEY, J. F., 1997. “Design Issues in the Comprehensive BSL-2 and BSL-3 Laboratory”. In: Richmond, J., Y., (Ed.), Designing Modern Microbiological / Biomedical Labs, chapter 5, Washington, American Public Health Association.
DELUGA, G. F., 1997. “Designing Laboratory Ventilation”. In: Richmond, J., Y., (Ed.), Designing Modern Microbiological / Biomedical Labs, chapter 8, Washington, American Public Health Association.
DITTUS, F. W., BOELTER, L.M.K., 1930, Publ. Eng., 2:443 , University of California at Berkeley.
EIA- U.S. ENERGY INFORMATION ADMINISTRATION, How Much Energy Does an American Home Use? Disponível em: http://www.eia.doe.gov/tools/faqs/faq.cfm?id=97&t=3 , Acesso em 10 Maio 2011.
ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, PM Standards Revision-2006. Disponível em: http://www.epa.gov/oar/particlepollution/naaqsrev2006.html , Acesso em 20 Fev. 2011.
EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION, 2002, European Standard for Coarse and Fine Filters. Standard EN779.
EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION, 2009, Test Methods for EPA/ HEPA/ ULPA Filters. Standard EN1822.
FABRICK, J., 1997. “Planning Laboratory Layouts”. In: Richmond, J., Y., (Ed.), Designing Modern Microbiological / Biomedical Labs, chapter 6, Washington, American Public Health Association.
FANGER, P.O., 1970, Thermal Comfort Analysis and Applications in Environmental Engineering, New York, McGraw-Hill.
GRAUDENZ, G. S., DANTAS, E., 2008, “Poluição dos Ambientes Interiores: Doenças e Sintomas-Parte I”, Cimatização & Refrigeração, Edição nº.95, pp. 32-39,Julho 2008.
HEGBERG, M. C., 2000, “Control Valve Selection for Hydronic Systems”, ASHRAE Journal, Vol.42, n.11, pp. 24-42.
HESS-KOSA, K., 2002, Indoor Air Quality: Sampling Methodologies, Boca Raton, CRC Press.
HIGGINS, L.T.T., 1983, “What is an adverse health effect?”, APCA Journal, 33.
INEA - INSTITUTO ESTADUAL DO AMBIENTE, Relatório Anual da Qualidade do Ar do Estado do Rio de Janeiro de 2009. Disponível em: www.inea.rj.gov.br/downloads/relatorios/qualidade_ar_2009.pdf . Acesso em 01 Abril 2011.
ISO, 1994, Moderate Thermal Environments – Determination of the PMV and PPD indices and Specification of the Conditions for Thermal Comfort. Standard 7730.
JONES, W.P., 1973, Air Conditioning Engineering, New York, McGraw-Hill.
KENNY, M. T., SABEL, F. L. 1968, “Particle Size Distribution of Serratia Marcescens Aerosol Created During Common Laboratory Procedures and Simulated Laboratory Accidents”, Applied Microbiology, Vol.16, pp. 1146-1150, Agosto 1968.
158
LAURENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY , High Performance Buildings for High-Tech Industries. Disponível em: http://hightech.lbl.gov/fh-calc.html , Acesso em 10 Maio 2011.
LIU, C. W., CHUAH, Y. K., Using Annual Building Energy Analysis for the Sizing of Cooling Tower for Optimal Chiller-Cooling Tower Energy Performance. Disponível em: http://www.cc.ntut.edu.tw/~wwwoaa/oaa-nwww/oaa-bt/bt-data/std/13/paper_01.pdf, Acesso em 29 Abr. 2011.
MAHY, B. W. J., KANGRO, H. O., 1996. “Biosafety in the Virology Laboratory”. In: Virology Methods Manual, Appendix A, London, Academic Press, pp.357-62 .
MAJEROWICZ, J., 2008, Boas Práticas em Biotérios e Biossegurança, Rio de Janeiro, Editora Interciência.
MEMARZADEH, F., 1998, “Ventilation Design Handbook on animal research facilities using static Microisolators”, Bethesda, ORF Publication.
Ministério da Saúde, 2000. Biossegurança em Laboratório Biomédicos e de Microbiologia. Brasília, Fundação Nacional de Saúde, Editora do Ministério da Saúde.
Ministério da Saúde, 2010. Classificação de risco dos agentes biológicos. Brasília, 2ª. ed., Secretaria de Ciência, Tecnologia e Insumos Estratégicos, Editora do Ministério da Saúde.
Ministério do Trabalho, 1978, Atividades e Operações Insalubres. Norma Regulamentadora n˚15.
MUMMA, S.A., 2009, “Contaminant Transport and Filtration Issues with DOAS.”, ASHRAE Transactions, 115.
NATIONAL INSTITUTES OF HEALTH, 2010, NIH Design Requirements Manual, Bethesda, Division of Technical Resources.
NEUENSCHWANDER, W., 1997. “Designing for the Facilities Staff”. In: Richmond, J., Y., (Ed.), Designing Modern Microbiological / Biomedical Labs, chapter 3, Washington, American Public Health Association.
NFPA, 2011, Fire Protection for Laboratories Using Chemicals. Standard n˚45
NSF / ANSI, 2009, Biosafety Cabinetry: Design, Construction, Performance, and Field Certification. Standard n˚49
ORDENES, M., PEDRINI, A., GHISI, E., LAMBERTS, R., 2003, “Metodologia utilizada na elaboração da biblioteca de materiais e componentes construtivos brasileiros para simulações no VISUAL DOE-3.1”, Laboratório de Eficiência Energética de Edificações, LabEE - UFSC , Florianópolis.
OSHA - OCCUPATIONAL SAFETY AND HEALTH ADMINISTRATION, 2006, Ocuppational exposure to hazard chemicals in laboratories. Standard n˚1910.1450.
PESSOA, M. C. T. R., 2005. “Estrutura e Organização no Laboratório”. In: Mastroeni, M., F., (Ed.), Biossegurança Aplicada a Laboratórios e Serviços de Saúde, capítulo 5, 2ª edição, São Paulo, Editora Atheneu.
PESSOA, M. C. T. R., LAPA, R. C. C., VIEIRA, V. M., 2009. “Biossegurança e Arquitetura em Laboratórios”. In: Costa, M. A. F., Costa, M. F. B. (Ed.), Biossegurança
159
Geral: Para cursos técnicos da área de saúde, 1ª edição, Rio de Janeiro, Editora Publit.
PUBLIC HEALTH AGENCY OF CANADA, Pathogen Safety Data Sheets and Risk Assessment. Disponível em: http://www.phac-aspc.gc.ca/lab-bio/res/psds-ftss/index-eng.php, Acesso em 25 Nov. 2010.
RAMSEY, M. A., 1966, Tested Solutions to: Design Problems in Air Conditioning and Refrigeration, New York, Industrial Press.
RAPPARINI, C., CARDO, D. M., 2005. “Principais Doenças Infecciosas Diagnosticadas em Profissionais de Saúde”. In: Mastroeni, M., F., (Ed.), Biossegurança Aplicada a Laboratórios e Serviços de Saúde, capítulo 12, 2ª edição, São Paulo, Editora Atheneu.
REINMUTH, F., 1999, Climatisation & Conditionnement d’air modernes par l’exemple, Paris, Éditions PYC Livres.
RICHMOND, J. Y., HOWARD, W., 1997. “Bio-Risk Assessment in Laboratory Design”. In: Richmond, J., Y., (Ed.), Designing Modern Microbiological / Biomedical Labs, chapter 4, Washington, American Public Health Association.
SBPC-SOCIEDADE BRASILEIRA PARA O PROGRESSO DA CIÊNCIA, Jornal da Ciência, edição de 28 de Novembro de 2005. Disponível em: http://www.jornaldaciencia.org.br/Detalhe.jsp?id=33346 . Acesso em 30 Nov. 2010.
SIMÕES MOREIRA, J. R., 1999, Fundamentos e Aplicações da Psicrometria, São Paulo, RPA editorial ltda.
SPITLER, J.D., 2009. Load Calculation Applications Manual. Atlanta, 3rd ed., ASHRAE Inc.
SUN, W., 2002, “Development of pressurization airflow design criteria for spaces under required pressure differentials.”, ASHRAE Transactions, 109.
SUN, W., MITCHELL, J., FLYZIK, K., HU, S.C., LIU, J., VIJAYAKUMAR, R., FUKUDA, H., 2010, “Development of Cleanroom Required Airflow Rate Model Based on Establishment of Theoretical Basis and Lab Validation”, ASHRAE Transactions, 116.
TIAN, L., AHMADI, G., HOPKE, P.K., CHENG, Y.S., 2010, “CFD study of Human Respiratory Dose to Indoor Particular Contanimants.”, ASHRAE Transactions, 116.
THRELKELD, J.W., KUEHN, T.H., RAMSEY, J.W., 1998, Thermal Environmental Engineering, 3rd ed., New York, McGraw-Hill.
TRONVILLE, P., RIVERS, R. D. 2006, “Global Standards for Filter Testing”, ASHRAE Journal, Vol.8, pp. 58-62.
CARLO, J.C., LAMBERTS, R., 2005, “Processamento de Arquivos Climáticos para Simulação do Desempenho Energético de Edificações”, Laboratório de Eficiência Energética de Edificações, UFSC, Relatório LabEE -200504.
UNDERWOOD, C.P., YIK, F.W.H., 2004, Modeling Methods for Energy in Buildings, Malden, Blackwell Publishing.
VIEIRA, V. M., SALGADO, M. S. 2008, “Indicadores da Margem de Incerteza das Decisões Arquitetônicas para Laboratórios NB3 a Partir de Estudo de Casos.”, Gestão & Tecnologia de Projetos, Vol.3, nº.2, pp. 78-105, Novembro 2008.
160
VIITANEM, H., RITSCHKOFF, A.C., 1991, “Mould Growth in Pine and Spruce Sapwood in Relation to Air Humidity and Temperature”, Department of Forest Products- Swedish University of Agricultural Sciences, Report No. 221.
WHO, 2004. Laboratory Biosafety Manual. Geneva, 3rd ed., WORLD HEALTH ORGANIZATION.
WHO, 2009. WHO Guidelines for Indoor Air Quality: Dampness and Mould. Copenhagen, 3rd ed., WORLD HEALTH ORGANIZATION Regional Office for Europe.
WEALE, J., SARTOR, D., LOCK, L.E., 2005. Low-Pressure-Drop HVAC Design for Laboratories.Disponível em:http://www.epa.gov/lab21gov/pdf/bp_lowpressure_508.pdf, Acesso em 16 Fev. 2011.
WIRDZEK, P., LINTNER, W., VAN GEET, O., REILLY, S., 2003. Energy Recovery for Ventilation Air in Laboratories. Disponível em: http://www.epa.gov/lab21gov/pdf/bp_recovery_508.pdf , Acesso em 18 Fev. 2011.
ZHAO, X., ZHANG, X., XU, X., XU, J., WENG, W., PU, W., 2009, “Seasonal and Diurnal Variations of Ambient PM 2.5 Concentration in Urban & Rural enviromments in Beijing”, Atmospheric Environment, Vol.43, pp. 2893-2900.
161
ANEXO A
Validação do Simulador de Serpentinas Desenvolvido em Linguagem FORTRAN.
Validação pelo Software Validação pela solução do exemplo 10.2 de seleção do Fabricante Livro Engenharia Ar Cond- W.P. Jones Simulador Software Fabr. Simulador Solução WPJ Software Fabric.
TBS(oC): 35,00 35,00 28,00 28,00 28,00 TBU(oC): 27,16 27,16 19,50 19,50 19,50 W(g/kg) 19,70 19,70 10,77 10,65 11,00 UR (%) 55,27 55,27 45,60 45,60 45,30
h (kJ/kg) 85,48 - 55,51 55,36 - Torv.(oC): 24,70 - 15,16 15,16 - TBS(oC): 15,00 15,00 12,00 12,00 12,00 TBU(oC): 14,50 14,50 11,30 11,30 11,99 W(g/kg) 10,10 10,10 8,04 8,06 - UR (%) 94,94 - 92,25 92,25 99,80
h (kJ/kg) 40,62 - 32,36 32,41 - Torv.(oC): 14,17 - 10,76 10,76 -
21,53 22,77 134,49 125,50 139,40 3,70 3,70 21,03 19,58 20,90 31,80 - 15,89 15,89 -
área face (m²): 0,21 0,20 1,80 1,80 1,90 vel. Face(m/s) 2,04 2,04 2,64 2,64 2,90
altura (m): 0,38 0,38 1,20 1,20 1,20 Comp. (m): 0,56 0,53 1,50 1,50 1,60
Área nec.(m²): 31,35 - 257,32 237,30 - no. Filas 6 6 6 6 6
vel. Água (m/s): 0,74 0,72 1,26 1,17 0,86 α tubos (W/m².K) 2832,63 - 4545,05 4545,45 - α aletado (W/m².K) 144,22 - 94,00 89,00 -
eficiência aletas 0,85 - 0,88 - - U global (W/m².K) 21,60 - 32,90 33,28 -
AR
OPERAÇÃO
Calor Total Envolvido (kW): Vazão de água necessária (m³/h):
Difer. Média de Entalpias (kJ/kg):
AR À SAÍDA
DIMENSIONAL
ÁGUA
AR À ENTRADA
162
ANEXO B
Validação dos Resultados Estimados pelo simulador para as condições de saída das
serpentinas-"Protótipo Brasil"
Simulador Software Simulador Software Simulador Software Simulador Software
TBS(˚C): 28,10 28,10 24,00 24,00 19,74 19,74 24,96 24,96
TBU(˚C): 21,46 21,40 19,16 19,16 16,82 16,82 19,12 19,12
W(g/kg) 13,39 - 11,98 10,83 11,52
UR (%) 56,17 - 63,86 75,03 58,06
h (kJ/kg) 62,32 - 54,47 - 47,22 - 54,30 -
Torv.(˚C): 18,53 - 16,65 - 15,10 - 16,05 -
TBS(˚C): 14,50 14,50 14,40 13,90 12,80 12,22 13,90 13,89
TBU(˚C): 14,30 14,45 14,35 13,30 12,75 12,22 13,86 13,33
W(g/kg) 10,08 10,13 9,14 9,79
UR (%) 97,90 - - - -
h (kJ/kg) 40,08 - 40,17 - 36,05 - 38,83 -
Torv.(˚C): 14,15 - - - -
23,57 21,70 11,35 12,60 6,37 6,45 12,64 13,19
4,05 3,86 2,84 3,15 2,00 2,15 3,00 3,36
22,39 - - - - - - -
área face (m²): 0,48 0,53 0,48 0,53 0,48 0,53 0,48 0,53
vel. Face(m/s) 2,00 1,65 1,38 1,65 1,00 1,65 1,42 1,65
altura (m): 0,61 - 0,61 - 0,61 - 0,61 -
Comp. (m): 0,78 - 0,78 - 0,78 - 0,78 -
Área nec.(m²): 40,10 - - - - - - -
n˚. Filas 4 4 4 4 4 4 4 4
vel. Água (m/s): 0,63 0,30 - 0,30 - 0,30 - 0,30
α tubos (W/m².K) 2758,80 - - - - - - -
α aletado (W/m².K) 64,31 - 51,68 - 39,40 - 39,40 -
eficiência aletas 0,88 - - - - - - -
U global (W/m².K) 26,25 - - - - - - -
Difer. Média de Entalpias (kJ/kg):
AR
À S
AÍD
AD
IME
NS
ION
AL
ÁGUA
AR
À E
NT
RA
DA
DIFERENÇA % CAPACIDADE:
DIFERENÇA % TEMP. INSUFLAM.:
LAB. CENTRAL-VERÃO LAB. CENTRAL-OUTONO
9% -10%
AR
OP
ER
AÇ
ÃO
Calor Total Envolvido (kW):
Vazão de água necessária (m³/h):
5%
LAB. CENTRAL-PRIMAVERA
-4%
0%0% 4%
PROJETO BASE BRASILLAB. CENTRAL-INVERNO
-1%
163
ANEXO C
Validação dos Resultados Estimados pelo simulador para as condições de saída das
serpentinas-"Protótipo EUA"
Simulador Software Simulador Software Simulador Software Simulador Software
TBS(˚C): 35,00 35,00 24,00 24,00 18,10 18,10 25,80 25,80
TBU(˚C): 25,90 25,90 20,20 20,20 16,40 16,40 22,50 22,50
W(g/kg) 17,89 -
UR (%) 52,98 -
h (kJ/kg) 79,83 - - - -
Torv.(˚C): 23,01 - - - -
TBS(˚C): 14,19 13,90 12,94 12,78 12,83 12,22 12,85 12,78
TBU(˚C): 14,18 13,90 12,93 12,78 12,82 12,22 12,84 12,78
W(g/kg) 9,32 8,71 9,21
UR (%) 99,00 - - - -
h (kJ/kg) 39,78 - - - -
Torv.(˚C): 14,10 - - - -
66,43 62,72 27,44 25,79 11,33 10,84 37,30 35,76
11,43 12,00 4,72 3,63 1,95 1,98 6,42 4,54
29,67 - - - - - - -
área face (m²): 0,66 0,53 0,66 0,53 0,66 0,53 0,66 0,53
vel. Face(m/s) 2,00 2,50 1,51 1,90 1,00 1,65 1,57 1,65
altura (m): 0,61 - 0,61 - 0,61 - 0,61 -
Comp. (m): 1,07 - 0,78 - 0,78 - 0,78 -
Área nec.(m²): 98,00 - - - - - - -
n˚. Filas 8 8 8 8 8 8 8 8
vel. Água (m/s): 1,03 0,30 - 0,30 - 0,30 - 0,30
α tubos (W/m².K) 3718,00 - - - - - - -
α aletado (W/m².K) 80,60 - - - -
eficiência aletas 0,88 - - - - - - -
U global (W/m².K) 26,10 - - - - - - -
LAB. CENTRAL-INVERNO LAB. CENTRAL-PRIMAVERA
AR
À E
NT
RA
DA
AR
À S
AÍD
A
PROJETO BASE EUALAB. CENTRAL-VERÃO LAB. CENTRAL-OUTONO
OP
ER
AÇ
ÃO ÁGUA
AR
DIFERENÇA % CAPACIDADE:
Calor Total Envolvido (kW):
Vazão de água necessária (m³/h):
Difer. Média de Entalpias (kJ/kg):
DIM
EN
SIO
NA
L
1%DIFERENÇA % TEMP. INSUFLAM.: 2% 1% 5%
6% 6% 5% 4%
top related