Bruno Perazzo Pedro So Barbosa

7/25/2019 Bruno Perazzo Pedro So Barbosa

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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






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 paraLaboratórios de Pesquisa com Biossegurança/ Bruno

Perazzo Pedroso Barbosa. - Rio de Janeiro:

UFRJ/COPPE, 2011.

XXIV,163p.:il.; 29,7cm.


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 debiossegurança 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, apoioe 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.)




Setembro / 2011


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 sepermitir 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


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 energyconsumption. 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. E STIMATIVA DA C ARGA T ÉRMICA DOS L ABORATÓRIOS .............................................................................. 67

5.3. A NÁLISE DO D ESEMPENHO DES ERPENTINAS A LETADAS NO C ONTROLE DE T EMPERATURA E U MIDADE 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


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


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 6.17 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


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 dedicadodo 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


tratamento de ar de ventilação para Cabine de Segurança Biológica Classe II-B2-comrecuperador 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


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 deBiossegurança ............................................................................................................ 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 deBiossegurança ............................................................................................................ 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-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


Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo Proposto conforme “Protótipo-EUA” 117



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


Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo Proposto ......................................... 151



xviii

SIMBOLOGIA

A→ Área [m²];

F A → Área total das aletas da serpentina [m²];

face A → Área de Face da serpentina [m²];

o A → Área total externa da serpentina [m²];

i p A , → Área interna dos tubos da serpentina [m²];

ACH → Air changes per hour ; Trocas horárias do ar [ 1

h ];

r b 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];

)(t C si → 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)];

ar c Calor específico do ar úmido [kJ/(kg.K)];

wc Calor específico do refrigerante [kJ/(kg.K)];

21,C C → 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];

o

dA Área diferencial da superfície externa da serpentina considerada;

ff E → Eficiência de Filtragem considerada;

EPC → Equipamento de proteção coletiva

EPI → Equipamento de proteção individual

area f → Razão entre a área total de troca e de face da serpentina;

h F → Altura equivalente da aleta [m];

lum F Fator de Diversificação de uso das Luminárias do recinto; percentual

daquelas efetivamente em uso;

s F → Espaçamento entre aletas [m];

sa F Fator de Aplicação Especial; taxa entre o consumo total da luminária,

envolvendo reatores e lâmpadas, e o consumo apenas das lâmpadas;

t F → Espessura da Aleta [m];

)(, t F 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];

ef ar h , Entalpia do ar úmido saturado calculado à temperatura da entrada fluido

frigorífico na serpentina;

sf ar h , 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;

w sh , Entalpia do ar úmido saturado, em equilíbrio térmico com o filme de

condensado da superfície da serpentina;

mw sh ,, 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)];

ar m → vazão mássica de ar [kg/s];

wm → vazão mássica de água [kg/s];

n número de equipamentos envolvidos;

rows N → 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];

.

T P f → Potência frigorífica total produzida pela serpentina [W];

.

S P f → Potência frigorífica Sensível produzida pela serpentina [W];

.

fan P Potência elétrica operacional do ventilador considerado, em carga parcial [W];

load full P .

Potência elétrica efetiva do chiller em carga total [W];

.

rated P Potência elétrica operacional do equipamento considerado, em carga total

[W];

.

reheat P Potência elétrica operacional da resistência elétrica considerada, em carga

parcial [W];

Pr → Número de Prandtl;

Re → Número de Reynolds;

j RTF Fator n˚. j da Série Temporal Radiante;

Q→ Totalização horária da transferência de calor [W];

Q → Fluxo de calor [W];

)(t Qcond Totalização horária da transferência de calor por condução através da

superfície envolvida [W];



xxii

)(t Qconv Totalização horária da parcela convectiva dos ganhos de calor [W];

load full Q.

Potência frigorífica efetiva do chiller em carga total [W];

load partial Q.

Potência frigorífica efetiva do chiller em carga parcial [W];

)(t Q rad Totalização horária da parcela radiante dos ganhos de calor [W];

)(t qequip 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];

f S Fração da energia dissipada pelas luminárias que é direcionada para oambiente 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;

drytotal U , 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];

w y → Espessura do filme de condensado [m];

)( jt T e 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];

load partial V Vazão do ventilador considerado, em carga parcial [L/s];

load full V 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 deconforto 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 pelanecessária 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 consumoenergético 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 pelomanuseio, 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 condicionamentode 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, hámedidas 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 obrigatoriamentemanter 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 AgentesPatogênicos

Condutas Técnicas Equipamentos deProteção (BarreirasPrimárias)

Infra-estruturaLaboratorial(BarreirasSecundárias)

1 Não causadoresde doenças àadultos saudáveis

Práticas Padrões deMicrobiologia

Nenhum Requisito Disponibilidade de Autoclave

2 Associados àdoençashumanas. Riscode Transmissãovia auto-

Práticas do NB-1acrescidas de:- Acesso Restrito;- Sinalização de RiscoBiológico;

-Uso de CSB classe Iou II para conduçãode experimentos compotencial deaerosolização de

Instalações do NB-1 acrescidas de:

-Pia parahigienização das



8

inoculação,ingestão e contatocom membranas

- Procedimento deDescarte de Resíduos;

materialcontaminado;-Uso de EPIs;-Uso de Jalecos;-Uso de Luvas;-Uso de Protetores

faciais em algunscasos;

mãos;

-Lava-olhos deemergência;

3 Associados àdoenças humanasque causamsérios agravos àsaúde e/ou letais .Risco deTransmissão viaaerosol

Práticas do NB-2acrescidas de:-Controle de Acesso;-Descontaminação detodos os resíduos;-Descontaminação dasvestimentas laboratoriaisantes da lavagem;

-Uso de CSB classe Iou II para conduçãode quaisquerexperimentos comagentes biológicos;-Uso de EPIs;-Uso de Vestimentasespeciais;-Uso de Luvas;-Uso de Respiradoresem alguns casos;

Instalações do NB-2 acrescidas de:-Separação físicados corredores deacesso;-Ante-câmara deacesso com portasautofechantes;- 100% derenovação de ar;-Manutenção do

Laboratório emPressurizaçãonegativa;-Filtragem HEPAdo ar de extraçãoem alguns casos;

4 Agentes Exóticoscausadores dedoenças de altorisco de morte aoser humano.Elevado Risco deTransmissão viaaerosol noLaboratório

Práticas do NB-3acrescidas de:-paramentação especialantes da entrada;-Ducha químicadescontaminante na saída;-Descontaminação de todoo material envolvido;

-Uso de CSB classeIII para qualquerprocedimentoenvolvendo agentesbiológicos. (Podemser usadas CSBsclasse I ou II casohaja trajepressurizado desuporte à vida)

Instalações do NB-3 acrescidas de:-EdificaçãoDedicada ou zonaisolada deedificação comum;-Necessidade defiltragem HEPAdupla em série dofluxo 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 AgentesPatogênicos

Condutas Técnicas Equipamentos deProteção (Barreiras

Primárias)

Infra-estruturaLaboratorial

(BarreirasSecundárias)

1 Não causadoresde doenças àadultos ouanimais

Manejo e procedimentospadrões preconizados paraanimais pela VigilânciaSanitária

Aqueles normalmentepreconizados paraalojamento dasespécies animais

- BiotérioConvencional;- Sem recirculaçãode ar;-A pressurizaçãorelativa érecomendada;

2 Associados àdoenças humanasou animais. Risco

de Transmissãovia auto-inoculação,ingestão e contatocom membranas

Práticas do NBA-1acrescidas de:- Acesso Restrito;

- Sinalização de RiscoBiológico;- Manual comProcedimentos deBiossegurança;- Descontaminação detodo material contaminadoe gaiolas de animais antesda lavagem;

Equipamentos doNBA-1 acrescidas de:-Uso de

equipamentos decontençãoapropriados porespécie;-Uso de EPIs;- Protetores faciais erespiratórios, emalguns casos;

Instalações doNBA-1 acrescidasde:

-Disponibilidade de Autoclave;

-Pia parahigienização dasmãos à saída dobiotério;

3 Associados àdoenças humanase animais quecausam sérios

agravos à saúdee/ou letais . Riscode Transmissãovia aerosol

Práticas do NB-2acrescidas de:-Controle de Acesso;-Descontaminação de

todos os resíduos;-Descontaminação dasvestimentas laboratoriaisantes da lavagem;-Descontaminação dasgaiolas antes da remoçãodas “camas”;-Desinfecção de calçados;

Equipamentos doNBA-2 acrescidas de:-Uso de CSB classe Iou II para condução

de quaisquerexperimentos comagentes biológicos;-Uso de EPIs;-Uso de Vestimentasespeciais;-Uso de Luvas;-Uso deRespiradores;

Instalações doNBA-2 acrescidasde:-Separação física

dos corredores deacesso;-Autoclave nobiotério;-Ante-câmara deacesso com portasautofechantes;-Manutenção doLaboratório emPressurizaçãonegativa;-Filtragem HEPAdo ar de extraçãoem alguns casos;

4 Agentes Exóticoscausadores dedoenças de altorisco de morte aoser humano eanimais. ElevadoRisco deTransmissão viaaerosol noLaboratório

Práticas do NBA-3acrescidas de:-paramentação especialantes da entrada;-Ducha químicadescontaminante na saída;-Descontaminação de todoo material envolvido;

-Uso de CSB classeIII para qualquerprocedimentoenvolvendo agentesbiológicos. (Podemser usadas CSBsclasse I ou II casohaja trajepressurizado desuporte à vida)

Instalações do NB-3 acrescidas de:-EdificaçãoDedicada ou zonaisolada deedificação comum;-Necessidade defiltragem HEPAdupla em série dofluxo 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 funçãoda 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 dimensionadospara 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 nomercado 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 deVigilância 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.


em projeto, instalação e operação de sistemas elétricos para estabelecimentos

assistenciais de saúde.



14


em projeto, instalação e operação de sistemas de ventilação para cozinhas

profissionais.


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 fogode 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 B IOSSEGURANÇA

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 pelaespécie 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 B IOSSEGURANÇA

Tabela 3.3 Vazões mínimas de ar exterior a serem adotados em Laboratórios de

Biossegurança

Vazãomínima dear exterior


Laborat. ABNT (b) ANVISA (c) ASHRAE (d) NIH (e) NFPA (f) OSHA (g)

NB-26 m³/h/m²

2 ACH (h)

27 m³/h/pessoa

2 ACH (a) 6 ACH 4 ACH 4 ACH

NB-318 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 deQualidade 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 hazardchemicals in Laboratories” ;

h) Valor convertido para ACH, para critério de análise comparativa, se relativo a um ambiente compé-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 ecapelas de exaustão.

Tabela 3.4 Vazões mínimas de ar total a serem adotados em Laboratórios de

Biossegurança

Vazãomínima de

ar totalNORMAS BRASILEIRAS NORMAS AMERICANAS

Laborat. ABNT (b) ANVISA (c) ASHRAE (d) NIH (e) NFPA (f) OSHA (g)

NB-218 m³/h/m²

6 ACH (h)na 6 ACH (a) 6 ACH 4 ACH 4 ACH

NB-318 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) –


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 deFiltragemmínima


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 GeneralVentilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size;

c) Conforme NBR-7256- “Tratamento de Ar em Estabelecimentos Assistenciais de Saúde (EAS) –


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


Laborat. ABNT (a) ANVISA ASHRAE (b) NIH (c) NFPA (d) ISO (e)

NB-2 Neutra na Negativa Negativa Negativa Negativa

NB-3Negativa

(-40 Pa)na Negativa

Negativa

(-12,5 Pa)Negativa Negativa

Notas:

a) Conforme NBR-7256- “Tratamento de Ar em Estabelecimentos Assistenciais de Saúde (EAS) –


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


Laborat. ABNT (a) ANVISA ASHRAE (b) NIH (c) NFPA (d) ISO (e)

NB-2 Permite (f) naNão

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) –


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 suafamiliaridade 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 deescritórios (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 QUALIDADEDO 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 queo 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 sãodeterminados 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%, podendoapresentar 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 NOALCANCE 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 deUnidade 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 ( 2 N ) 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 PARTICULADOSAÉREOS

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. O RIGEM DOS P ARTICULADOS E XTERNOS

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. C ARACTERÍSTICA S DOS P ARTICULADOS E XTERNOS

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 doparticulado 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 deventiladores 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 I NFLUÊNCIA DA I NFILTRAÇÃ O E XTERNA DE C ONTAMINANTES

P ARTICULADOS F INOS NA Q UALIDADE DO AR I NTERIOR 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 destecontaminante.

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, ff E , 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)

ff E

(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):

sot ACH a so si C abeC abt C ...)( .. (4.1)

SA

RA ff

SA

OA

V

V E

V

V a . (4.2)

SA

OA ff V

V E b ).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 20 240

30

60

90

C s i ( t

)

[ m g / m 3 ]

t [h]

sem filtro G F-5 F-6 F-7 F-8 F-9 limitelimite

US-EPA


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 20 240

20

40

60

80

100

C s i ( t

) [ m g / m 3 ]

t [h]

sem filtro G F-5 F-6 F-7 F-8 F-9 EPAlimite

US-EPA


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 dadiminuição 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 organismosvivos 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 doorganismo 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. O RIGENS DO B IOARESOL E XTERNO

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 daexistência 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, denominadosde 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. F ONTES C OMUNS A Q UALQUER AMBIENTE O CUPADO

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. F ONTES E SPECÍFICA S R ELACIONADAS À APLICAÇÃ O 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, umavez 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 dobioaerosol 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. C ONTROLE DA I NFILTRAÇÃ O E XTERNA

A filtragem do ar exterior de ventilação é o mecanismo mais eificiente para aprevenção 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. C ONTROLE DA AMPLIFICAÇÃ O I NTERNA

A estratégia para controle da amplificação interna consiste em minimizar ascondições 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. C ONTROLE DA G ERAÇÃ O I NTERNA

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 dosexperimentos 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 proteçãodo 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 serrigidamente 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 (UnidadesFormadoras 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;



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 80

1000

2000

3000

4000

5000

C s i ( t

) [ u f c ]

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 18 200

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 modificaçõesno 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 2,50

1000

2000

3000

4000

5000

C s i ( t )

[ u f c ]

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 90 950,54

0,56

0,58

0,60

0,62

0,64

0,66

t ( h )

Eff - Eficiência de Filtragem (%)


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 eredução 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 àpresença 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 exemplosde 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 ( 2 NO ), 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 fósseisque contenham enxofre, comoóleo combustível, carvão minerale óleo diesel.

Ação irritante nas viasrespiratórias; agravo nossintomas de asma e bronquite

2 NO Queima de combustíveis em altatemperatura em veículos, aviões,fornos e incineradores.

Ação irritante nas viasrespiratórias; pode vir a causaredema pulmonar quando emaltas concentrações

CO Queima incompleta de derivadosde petróleo.

Provoca dificuldadesrespiratórias e asfixia.

3O Formado na atmosfera pelareação química de compostosorgânicos voláteis e óxidos denitrogênio, na presença de luzsolar.

Ação irritante nas viasrespiratórias e nos olhos; agravonos sintomas de asma ebronquite



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 processosindustriais. Na Região Metropolitana do Rio de Janeiro, a indústria petroquímica foi a

maior fonte fixa de emissão de2SO ,

2 NO , 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. G ERAÇÃ O DE C ONTAMINANTES Q UÍMICOS A P ARTIR DE F ONTES N Ã O -

C ONTROLÁVEIS

As fontes não-controláveis compreendem os materiais construtivos, mobiliáriose 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. G ERAÇÃ O DE C ONTAMINANTES Q UÍMICOS A P ARTIR DE F ONTES

C ONTROLÁVEIS

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 adequadado 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. C ONTROLE DE C ONTAMINANTES Q UÍMICOS A P ARTIR DE F ONTES N Ã O -

C ONTROLÁVEIS

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 de2CO devido aos ocupantes é um bom indicativo da eficiência

de ventilação para controle de concentração de VOCs.

4.8.4.2. ANÁLISE DA E FICIÊNCIA DA V ENTILAÇÃ O G ERAL D ILUÍDORA NO C ONTROLE DA

C ONCENTRAÇÃ O DE VOC S N Ã O -C ONTROLÁVEIS G ERADOS 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 às17:00h;





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 Cou ncil 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, umdecaimento 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. C ONTROLE DE C ONTAMINANTES Q UÍMICOS A P ARTIR DE F ONTES

C ONTROLÁVEIS

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 potencialde 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 dedefletores 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 velocidadede face.



61

4.8.4.4. ANÁLISE DA E FICIÊNCIA DA V ENTILAÇÃ O G ERAL D ILUÍDORA NO C ONTROLE DA

C ONCENTRAÇÃ O DE C ONTAMINANTES Q UÍMICOS G ERADOS POR ACIDENTE NO

LABORATÓRIO

Com objetivo de se analisar a eficiência da técnica de ventilação geraldiluidora 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 laboratóriocom 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 taxa de ventilação será avaliada variando-se de 1 a 20 ACH (Trocas horáriasdo ar da sala);




de concentração;

O gráfico da figura a seguir apresenta a variação da concentração de acetona nointerior do Laboratório:



62

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

200

400

600

800

1000

1200

1400

C s i ( t

) [ p p m ]

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 nazona 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 defuncionamento 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 acarga 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 apressão 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 premissade 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 daradiação solardireta e difusa

incidente em cadasuperfície exposta

envolvida

Cômputo datransferência decalor oriunda daradiação solar

direta e difusa emcada superícietransparente

envolvida

Cômputo datransferência decalor oriunda da

condução emcada superícietransparente

envolvida

Cômputo datransferência decalor oriunda da

condução emcada superície

opaca envolvida

Cômputo datransferência decalor oriunda dasfontes internas

Divisão datransferência de

calor total emsuas parcelas

radiantes econvectivas

Processamentodas parcelas

radiantes comRTF apropriadospara determinar a

contribuiçãodestas parcelas

Soma dasparcelas

convectivas para

determinar acontribuiçãodestas parcelas

Soma

Carga térmicahorária

Entradas:

- Localidade;

- Dia e hora decálculo;

- Característicasda 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. C ÔMPUTO H ORÁRIO DA T RANSFERÊNCIA DE C ALOR PELA C ONDUÇÃ O DE C ALOR

ATRAVÉS DE S UPERFÍCIES O PACAS

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

ie jcond T jt T AU CTSF t Q (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. C ÔMPUTO H ORÁRIO DA T RANSFERÊNCIA DE C ALOR O RIUNDA DE F ONTES

I NTERNAS

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

f saul lumlum S F F W q ...

(5.2)

A totalização horária da dissipação de calor devido aos equipamentos

Laboratoriais é calculada por (SPITLER, 2009):

)(.)( ,,

1

t F W t q nul nequip

n

i

equip

(5.3)

5.2.2.3. D IVISÃ O DO C ÔMPUTO H ORÁRIO DA T RANSFERÊNCIA DE C ALOR EM S UAS

P ARCELAS C ONVECTIVAS E R ADIANTES

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 édificultada 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. C ONVERSÃ O DAS P ARCELAS R ADIANTES EM C ARGA T ÉRMICA

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

rad jconvtotal jt Q RTF t Qt CL (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. C ARACTERIZAÇÃ O DAS S ERPENTINAS 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. P ROCESSO DE R ESFRIAMENTO E D ESUMIDIFICAÇÃ O COM S ERPENTINAS

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. D IMENSIONAMENTO DE S ERPENTINAS ALETADAS PARA R ESFRIAMENTO E

D ESUMIDIFICAÇÃ O

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 edesumidificação é dada por:

mtotal

total total

hU

Q A

. (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

)()(

,

,

,,

ef ar sa

sf ar ea

ef ar sa sf ar ea

m

hh

hh

hhhhh (5.7)

O coeficiente global de transferência de calor sensível e latente é calculadopor:

fou ling

wc

w

w F o pwc

ww

r i p

or total

Rb

A A

b

A

AbU

,,,, )/(

)1.(

.

.

1

(5.8)

Onde:

w

w

d ocw

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

r b e wb . Após o cálculo do coeficiente total U , as temperaturas adotadas podem ser

checadas e corrigidas pela equação abaixo:

ef ar ea

i pr

destotal r

ocmw

wwcar

eamw s hh A

U Ab

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. I MPLEMENTAÇÃ O DE UM P ROGRAMA C OMPUTACIONAL PARA

D IMENSIONAMENTO DE S ERPENTINAS DE R ESFRIAMENTO E D ESUMIDIFICAÇÃ O

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 daserpentina considerada seca ( CHUAH et al,1998):

3/2,,Pr .. J

cG pad oc (5.11)

2Re.1C

C J (5.12)

065,0141,0

1 ..101,0

t

h

h

t

F

D

F

F C (5.13)

54,0

2

077,0149,0

2 ...323,0

S

F

F

F

F

F C 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 www Nu (Equação de Dittus-Boelter) (5.15)

w

www

d

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

d ocw

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:Calculademais

propriedadesdo ar

Calcula Calor Total,Sensível e Latente

envolvidos;Calcula vazão de

refrigerante;

Subrotina Auxiliar:Calcula propriedades

saturadas do ar natemperatura do

refrigerante

Calcula ΔHm

CalculaCoeficiente Globalpara Serpentina

Seca

EstimaTemperatura

média da parededos tubos


Úmida

Calcula Temperaturamédia do filme de

condensado

resultante

Converge?

EstimaTemperatura

média do filme decondensado

Subrotina Auxiliar:Calcula br

(Curvaajustada)

Subrotina Auxiliar:

Calcula bw(Curva

ajustada)

Calcula área detroca

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 decondensado;

Subrotina Auxiliar:Calcula Ф

(Curvaajustada)

NÃOSIM

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:

ef sa

in p

o

w

drytotal ef ef p t t

A AU t t

,

,, .

(5.18)

sf ea

in p

o

w

drytotal

sf sf p t t A

AU t t

,

,

, .

(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 e g 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. M ODELAGEM DA V ARIAÇÃ O DA P ERFORMANCE DAS S ERPENTINAS DE

R ESFRIAMENTO E D ESUMIDIFICAÇÃ O EM C ARGA P ARCIAL

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):

)(.

,

.

w s

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

massadesU .

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

mw s

saec

echehh

(5.21)

Onde:

r

ww

ar b

cm

mc

..

.

1

(5.22)

..2

....

ar

desrowsarea face

ar

destotal

m

U N f A

m

U Ac

(5.23)

ef ar ea

i pr

destotal r

ocmw

wwcar

eamw s hh A

U Ab

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:Calculademais

propriedadesdo ar

Calcula Calor Total,Sensível e Latente

envolvidos

Subrotina Auxiliar:Calcula propriedades

saturadas do ar natemperatura do

refrigerante

EstimaTemperatura

média superficial

CalculaCoeficiente Globalserpentina seca

EstimaTemperatura

média do filme

Há filme decondensado?

NÃO

SIM

Calcula Temperaturade saída do ar

Subrotina Auxiliar:Calcula br

(Curvaajustada)

Subrotina Auxiliar:

Calcula bw(Curva

ajustada)

Subrotina Auxiliar:Calcula Ф

(Curvaajustada)


Úmida

Calcula Temperaturamédia do filme de

condensadoresultante

Converge?

NÃO

SIM

Calcula Entalpia desaída 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. I NFLUÊNCIA DAS V ARIAÇÕES DAS C ONDIÇÕES O PERACIONAIS DAS

S ERPENTINAS ALETADAS NA C APACIDADE DE R ESFRIAMENTO E

D ESUMIDIFICAÇÃ O

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,

f v ,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/s1,5 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 31,44T efetiva tubos (˚C) 12,75 12,84 13,20 13,22 13,36 13,48 13,60 13,72T 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 3,212

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

U o

[ W / m 2 . d e g

C ]

T t u b o s

; T

f i l m e

[ d e g C ]

R a l e t a s

/ R t o t a 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:


do Coeficiente global U em função da temperatura de alimentação do fluidorefrigerante (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/sv 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 27,66T efetiva tubos (˚C) 8,06 8,83 9,59 10,34 11,08 11,82 12,55 13,20T 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 / m 2 . d e g C ]

T t u b o s , T

f i l m e

[ d e g C ]

R a l e t a s

/ R t o t a l

[ % ]

Talimentação refrigerante

[degC]

U (W/m².degC) T

tubos

(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:


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/s0,7 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 31,48T efetiva tubos (˚C) 15,00 14,70 14,37 14,12 13,69 13,20 12,62 11,92T efetiva filme (˚C) 23,50 23,00 22,80 22,60 22,40 22,30 22,00 21,50% Resist. gua 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

2628

30

32

34

36

38

40

42

44

U [ W / m 2

. d e g C ]

T t u b o s ,

T f i l m

e [ d e g C ]

R t w

/ R t o

t a l

[ % ]

vw [m/s]

U (W/m².degC)

Ttubos (degC) T

filme (degC)

Rtw

/Rtotal

(%)

Figura 5.12 Variação da Velocidade de Escoamento do Fluido Refrigerante no CoeficienteGlobal 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:


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 1,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

P ' f

/ P ' f

, t o t a 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 comprometera 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 ésignificativa 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 doCoeficiente 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 métodosdiretos 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 onúmero 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 22,11:00 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 23,511:00 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. Dias50 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. M ETODOLOGIA PARA E STIMATIVA DE P ERFORMANCE DE S ERPENTINAS EM C ARGA

P ARCIAL

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:


- Característicasserpentina;

Calcula condiçõesdo ar à entrada da

serpentina

Aquisição dedados de

carga térmica

Aquisição dedados

climáticos

Setagem dascondições

necessárias desaída do ar

Aquisição dedados

condiçõesinternas

Subrotinaauxiliar:

Calculacondições do

ar à saída daserpentina

Converge?NÃO

SIM

Setagem da vazãode água gelada

Necessita

reaquecimento?

Calculareaquecimento

necessário

FIM

SIM

NÃODados de saída:

- Condições do arà saída;

- Vazão águagelada;

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:



Calcula a vazão

de ar necessária

Aquisição dedados de

carga térmica

Aquisição dedados

climáticos



Aquisição dedados

condiçõesinternas

Subrotinaauxiliar:

Calculacondições doar à saída da

serpentina

Converge?NÃO

SIM

Setagem da vazão

de água gelada

Necessitareaquecimento?


necessário

FIM

SIM

NÃODados de saída:



Calcula condiçõesdo 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. M ETODOLOGIA PARA E STIMATIVA DO C ONSUMO DE E QUIPAMENTOS EM C ARGA

P ARCIAL

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:

oaoaoaoaload full T PLC cT PLC cT cT c PLC c PLC cc P P ..........( 2

65

2

43

2

210

22

8

2

7 .... oaoa T PLC cT PLC c

(6.1)

.load full

load partia l

Q

Q PLC

(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:

load full

load partial

fanrated fanV

V

f P P .

..

(6.3)

Onde fan f , 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. fan fan fanrated fan PLR PLR PLR P P

(6.4)

Onde:

load full

load partial

fan

V

V PLR

(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:

..

. rated reheat P P

(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 entreas 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:



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 de25 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. P REMISSAS B ÁSICAS DE P ROJETO

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 B ÁSICO DO S ISTEMA

O arranjo básico do sistema consiste na aplicação de um condicionador de artipo “fan-coil” para cada recinto atendido, conforme a ilustração da figura abaixo:


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. E STIMATIVA DE C ARGA T ÉRMICA DO S ISTEMA

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 eocupação do Laboratório.

A demanda térmica dos sistemas envolvidos ao longo de um dia típico de verão

está representada no gráfico abaixo:

0 5 10 15 200

1

2

3

4

5

6

7

Q

[ T R ]

t [h]

isolamento lab. central

período de ocupação

pico pela operação da autoclave


Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil”

6.2.5.4. D IMENSIONAMENTO B ÁSICO DO S ISTEMA

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


Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil”

SistemaLaboratório

Central

Sistema da Salade 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. F ILOSOFIA DE C ONTROLE ADOTADA PARA AS S IMULAÇÕES

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 15 200

10

20

30

40

50

60

70

T B S

r a

[ d e g C ]

U R

r a

[ % ]

t [h]

TBSra

URra


limite superior UR=60%

carga total(vazão águamáxima)

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 15 200

5

10

15

20

25

30

35

40

4550

55

60

65

T B S

r a

[ d e g C ]

U R

r a

[ % ]

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. P REMISSAS B ÁSICAS DE P ROJETO

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 B ÁSICO DO S ISTEMA

O arranjo básico do sistema está demonstrado na ilustração da figura abaixo:


Proposto conforme “Protótipo-EUA”

6.2.6.3. E STIMATIVA DE C ARGA T ÉRMICA DO S ISTEMA

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 20 250

5

10

15

20

Q

[ T R ]

t [h]


pico operação autoclave


Modelo Proposto conf orme “Protótipo-Brasil”

6.2.6.4. D IMENSIONAMENTO B ÁSICO DO S ISTEMA

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:


Modelo Proposto conforme “Protótipo-EUA”

Sistema CentralLaboratório

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. F ILOSOFIA DE C ONTROLE ADOTADA PARA AS S IMULAÇÕES

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 B ÁSICO DA P LANTA DE Á GUA G ELADA

A planta de água gelada será modelada operando em arranjo primário e

secundário de circuitos hidráulicos. A principal vantagem deste arranjo é odesacoplamento 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 ganhosde 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”



Chillers(kWh)

Bombas(kWh)

Ventiladores(kWh)

Aquecimento(kWh)

Total(kWh)

VERÃO 18.062 1.255 1.836 15.527 36.679OUTONO 12.682 761 1.836 18.517 33.796INVERNO 10.318 572 1.836 22.310 35.036PRIMAVERA 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

761572

934

1.836

1.836

1.836

1.836

15.527

18.517 22.31015.468

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000


k W h

aquecimento

ventiladores

bombas

chillers


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 deCondicionamento 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 31.565OUTONO 12.860 574 1.327 5.255 20.017INVERNO 10.053 376 1.211 6.005 17.645PRIMAVERA 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


k W h

aquecimento

ventiladores

bombas

chillers


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 20 250

1

2

3

4

5

6

7

P f t ,

P f s ,

G T H ,

R S H

[ T R ]

t [h]

Pft

GTH RSH P

fs

0 5 10 15 20 250

1

2

3

4

5

6

7

REAQUECIMENTO NECESSÁRIO

diferença de desempenhoem carga parcial hora 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 “f ace-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 doar 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:



modificado para operação em VAV

Chillers(kWh)

Bombas(kWh)

Ventiladores(kWh)

Aquecimento(kWh)

Total(kWh)

VERÃO 14,594 821 1,020 3,254 19,689OUTONO 9,820 479 956 2,945 14,200INVERNO 7,960 359 911 3,695 12,925PRIMAVERA 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


k W h

aquecimento

ventiladores

bombas

chillers


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 aosistema.

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 Biomédicaestruturado 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 jácausa 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 condicionadordedicado 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 doar 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 térmicavariável 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 M DIATBSm (˚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 23.59TBUm (˚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 doar 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:



Calcula ascondições do ar à

entrada da 1ªserpentina

Aquisição dedadosclimáticos



Aquisição dedados

condiçõesinternas

Subrotinaauxiliar:

Calculacondições doar à saída da2 ª serpentina

Converge?

NÃO

SIM


Necessitareaquecimento?

Calcula

reaquecimentonecessário

FIM

SIM

NÃO

Dados de saída:




Subrotinaauxiliar:

Calculacondições doar à saída da1 ª serpentina

Necessita 2ºestágio?

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 queinterliga 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 umaestimativa 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:



Aquisição dedados

climáticos

Setagem datemperatura do

fluido térmico nopré-resfriador

Converge?

NÃO

SIMNecessita

reaquecimento?


necessário

FIM

SIM

NÃO

Dados de saída:



Subrotinaauxiliar:

Calculacondições doar à saída daserpentina dopré-resfriador

Subrotinaauxiliar:

Calculacondições do

ar à saídadas 2

serpentinasde

resfriamentoe desumidif.

Subrotinaauxiliar:

Calculacondições doar à saída daserpentina deregeneração

Calculatemperatura desaída do fluido

térmico doregenerador

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 consumonão 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 naestimativa 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 16 180

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

P ' f t , P ' r e

a q u e c i m e n t o

[ k W ]

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:



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

VER O OUTONO INVERNO PRIMAVERA

k W h

aquecimento

ventiladores

chillers


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 pormês. 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 fatoé 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 tratamentode 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 esegregação 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 umaprogramação 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.



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 osresultados de desempenho ao longo de um ano-típico, para a cidade do Rio de

Janeiro, encontram-se no quadro e gráfico abaixo:


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 13.245INVERNO 7.601 336 1.916 547 10.400PRIMAVERA 12.295 711 1.911 421 15.339

Totalização 45.491 2.561 7.792 2.271 58.115

15.261

10.334 7.601 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


k W h

aquecimento

ventiladores

bombas

chillers


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 projetoproposto 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 contaminantesaéreos 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 podeproporcionar 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.



156

ASHRAE, 2001b, “Energy Estimating and Modeling Methods”. In: Handbook ofFundamentals, 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-ConditioningEngineers, 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 Manu al for Hospitals and Clinics , Atlanta, AshraeInc .

ASHRAE, 2007, Method o f Testing General Venti lat ion Air -Cleaning Devices forRemoval Eff ic iency by Part ic le Size . Standard 52.2 .

BAKER, K., 2002, Na Ban cad a-Manual d e Inic iação Científic a em Labo ratório s dePesqui sas B iomédicas , Rio de Janeiro, Editora Artmed .

BRASIL. Lei nº. 8.974, de 5 de janeiro de 1995. Estabelece o uso de normas técnicasde engenharia genética e liberação no meio-ambiente de organismos geneticamentemodificados, autoriza o Poder Executivo a criar, no âmbito da Presidência daRepública, a Comissão Técnica Nacional de Biossegurança, e dá outras providências.Diário Oficial da República Federativa do Brasil, Brasília, 6 de janeiro de 1995. Seção1, PP. 337-46

BURROUGHS, H. E., HANSEN, S. J., 2008, Managing Indoor A ir Qual i ty , 4 thedition, Lilburn, Fairmont Press.

CAPLAN, K., KNUSTON, G., 1978, “Laboratory Fume Hoods: Influence of Air Supply ”,ASHRAE Transact ions , 84.

CALDEIRA, L. P. R. D., 2005, Análise de Redes Hidrônicas em Sistemas deCondicionamento de Ar. Dissertação de M.Sc. , COPPE-UFRJ, Rio de Janeiro, RJ,

Brasil.

CARVALHO, P. R., 2009. “Segurança Química em Laboratórios que ManipulamOGMs”. In: Costa, M.A.F. & Costa, M.F.B. (Ed.), Biossegurança de OGM: Uma VisãoIntegrada, 2ª edição, Rio de Janeiro, Publit.

CHUAH, Y. K., HUNG, C. C., TSENG, P. C., 1998, “Experiments on theDehumidification Performance of a Finned Tube Heat Exchanger”, HVAC&RResearch , 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 andBSL-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 atBerkeley.

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 , Acessoem 20 Fev. 2011.

EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION, 2002, European Standard forCoarse and Fin e Filters . Standard EN779.

EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION, 2009, Test Method s 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, AmericanPublic Health Association.

FANGER, P.O., 1970, Thermal Comfort Analysis and Appl icat ions inEnvironmental Engineering , New York, McGraw-Hill .

GRAUDENZ, G. S., DANTAS, E., 2008, “Poluição dos Ambientes Interiores: Doenças

e Sintomas-Parte I”, Cimat ização & Refriger ação , Edição nº.95, pp. 32-39,Julho2008.

HEGBERG, M. C., 2000, “Control Valve Selection for Hydronic Systems”, ASHRAEJournal , Vol.42, n.11, pp. 24-42.

HESS-KOSA, K., 2002, Indoor Air Qual i ty: Samp ling Methodolog ies , 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 Abril2011.

ISO, 1994, Moderate Thermal Environments – Determin at ion of the PMV and PPDindices and Specif icat ion of the Condit ions for Thermal Comf ort . Standard 7730 .

JONES, W.P., 1973, Air Condit ioning Engin eering , 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”, Appl ied Microbio logy , Vol.16, pp. 1146-1150, Agosto 1968.

http://www.eia.doe.gov/tools/faqs/faq.cfm?id=97&t=3


http://www.epa.gov/oar/particlepollution/naaqsrev2006.html


http://www.inea.rj.gov.br/downloads/relatorios/qualidade_ar_2009.pdf







158

LAURENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY , High Performance Buildings forHigh-Tech Industries. Disponível em: http://hightech.lbl.gov/fh-calc.html , Acesso em10 Maio 2011.

LIU, C. W., CHUAH, Y. K., Using Annual Building Energy Analysis for the Sizing ofCooling 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 Prátic as em Bio térios e B io ss egu rança , Rio deJaneiro, Editora Interciência.

MEMARZADEH, F., 1998, “Ventilation Design Handbook on animal researchfacilities 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 doMinistério da Saúde.

Ministério do Trabalho, 1978, Atividades e Operações Insalubres. NormaRegulamentadora n˚15.

MUMMA, S.A., 2009, “Contaminant Transport and Filtration Issues with DOAS.”,ASHRAE Transact ions , 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 Protect ion for Laboratories Using Chemicals. Standard n˚45

NSF / ANSI, 2009, Biosafety Cabinetry: Design, Construct io n, Performance, andField Cert i f icat ion. Standard n˚49

ORDENES, M., PEDRINI, A., GHISI, E., LAMBERTS, R., 2003, “Metodologia utilizadana elaboração da biblioteca de materiais e componentes construtivos brasileiros parasimulações 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

http://hightech.lbl.gov/fh-calc.html


http://www.cc.ntut.edu.tw/~wwwoaa/oaa-nwww/oaa-bt/bt-data/std/13/paper_01.pdf






159

Geral: Para cursos técnicos da área de saúde, 1ª edição, Rio de Janeiro, EditoraPublit.

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 Solut ions to: Design Problems in Air Condit io ningand Refrigerat ion , New York, Industrial Press.

RAPPARINI, C., CARDO, D. M., 2005. “Principais Doenças InfecciosasDiagnosticadas 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 parl’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 daCiência, 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, SãoPaulo, 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 Transact ions , 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 onEstablishment of Theoretical Basis and Lab Validation”, ASHRAE Transact ions , 116.

TIAN, L., AHMADI, G., HOPKE, P.K., CHENG, Y.S., 2010, “CFD study of HumanRespiratory Dose to Indoor Particular Contanimants.”, ASHRAE Transact ions , 116.

THRELKELD, J.W., KUEHN, T.H., RAMSEY, J.W., 1998, Thermal EnvironmentalEngineering , 3rd ed., New York, McGraw-Hill .

TRONVILLE, P., RIVERS, R. D. 2006, “Global Standards for Filter Testing ”, ASHRAEJournal , Vol.8, pp. 58-62.

CARLO, J.C., LAMBERTS, R., 2005, “Processamento de Arquivos Climáticos paraSimulação do Desempenho Energético de Edificações”, Laboratório de EficiênciaEnergética de Edificações, UFSC, Relatório LabEE -200504.

UNDERWOOD, C.P., YIK, F.W.H., 2004, Model ing Methods for Energy inBui ld ings , Malden, Blackwell Publishing .

VIEIRA, V. M., SALGADO, M. S. 2008, “Indicadores da Margem de Incerteza dasDecisões Arquitetônicas para Laboratórios NB3 a Partir de Estudo de Casos.”, Ges tão& Tecnolo gia de Projetos , Vol.3, nº.2, pp. 78-105, Novembro 2008.

http://www.phac-aspc.gc.ca/lab-bio/res/psds-ftss/index-eng.php



http://www.jornaldaciencia.org.br/Detalhe.jsp?id=33346







160

VIITANEM, H., RITSCHKOFF, A.C., 1991, “Mould Growth in Pine and SpruceSapwood in Relation to Air Humidity and Temperature”, Department of ForestProducts- Swedish University of Agricultural Sciences, Report No. 221.

WHO, 2004. Laboratory Biosafety Manual. Geneva, 3rd ed., WORLD HEALTHORGANIZATION.

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 forLaboratories.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 forVentilation 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 andDiurnal Variations of Ambient PM 2.5 Concentration in Urban & Rural enviromments inBeijing ”, Atmos pher ic Envi ronment , Vol.43, pp. 2893-2900.

http://www.epa.gov/lab21gov/pdf/bp_lowpressure_508.pdf



http://www.epa.gov/lab21gov/pdf/bp_recovery_508.pdf






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 rea nec.(m²): 31,35 - 257,32 237,30 -

no. Filas 6 6 6 6 6 vel. gua (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

OPERAÇ O

Calor Total Envolvido (kW):

Vazão de água necessária (m³/h): Difer. Média de Entalpias (kJ/kg):

AR SA DA

DIMENSIONAL

GUA

AR 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 24,96TBU(˚C): 21,46 21,40 19,16 19,16 16,82 16,82 19,12 19,12W(g/kg) 13,39 - 11,98 10,83 11,52UR (%) 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 13,89TBU(˚C): 14,30 14,45 14,35 13,30 12,75 12,22 13,86 13,33W(g/kg) 10,08 10,13 9,14 9,79UR (%) 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 0,53vel. 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 - 0,30α 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):

A R À S A Í D A

D I M E N S I O N A L

ÁGUA

A R À E N T R A D A

DIFERENÇA % CAPACIDADE:DIFERENÇA % TEMP. INSUFLAM.:

LAB. CENTRAL-VERÃO LAB. CENTRAL-OUTONO

9% -10%

AR O P E R A Ç Ã O

Calor Total Envolvido (kW):

Vazão de água necessária (m³/h):

5%

LAB. CENTRAL-PRIMAVERA

-4%0%0% 4%

PROJETO BASE BRASILLAB. CENTRAL-INVERNO

-1%



ANEXO C

Validação dos Resultados Estimados pelo simulador para as condições de saída das

serpentinas-"Protótipo EUA"

Simulador Software Simulador Software Simulador Software Simulador SoftwareTBS(˚C): 35,00 35,00 24,00 24,00 18,10 18,10 25,80 25,80TBU(˚C): 25,90 25,90 20,20 20,20 16,40 16,40 22,50 22,50W(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 12,78TBU(˚C): 14,18 13,90 12,93 12,78 12,82 12,22 12,84 12,78W(g/kg) 9,32 8,71 9,21UR (%) 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 35,7611,43 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 0,53vel. 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

LAB. CENTRAL-INVERNO LAB. CENTRAL-PRIMAVERA

A R À E N T R A D A

A R À S A Í D A

PROJETO BASE EUALAB. CENTRAL-VERÃO LAB. CENTRAL-OUTONO

O

Calor Total Envolvido (kW):Vazão de água necessária (m³/h):

Difer. Média de Entalpias (kJ/kg):

D I M E N S I O N A L

Bruno Perazzo Pedro So Barbosa

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