Estudo de Conforto Térmico e Análise de Projeto - Por Hiandara Maria e Matheus Sampaio

O objeto de pesquisa do presente trabalho é o conjunto composto de 3 salas de aula do bloco de engenharia mecânica da Universidade Federal do Piauí localizada em Teresina, Piauí. Para o cálculo de carga térmica foi utilizado o trabalho de Silva (2019), em seu estudo o autor determina o valor estimado para o bloco de engenharia mecânica da mesma universidade em consonância com o item 6.1.3.3 da NBR 16401-1 (2008), considerando o espaço com um número relativamente pequeno de zonas térmicas. Ademais, na dissertação foi adotado o método da ASHRAE CLTD/CLF – Cooling Load Temperature Difference/Cooling Load Factor (Diferença de temperatura da carga de resfriamento/Fator de carga de resfriamento). Tal método é efetuado para uma determinada hora do dia (hora de pico) de um determinado mês. Ele destina-se a estimativas para cálculo de carga térmica de apenas um ambiente ou do conjunto de poucos ambientes e que, de preferência, sejam pertencentes à mesma zona térmica. É utilizado preferencialmente na determinação da capacidade de sistemas de expansão direta, visto que nesse método os condicionadores e o sistema devem ser dimensionados para a carga de pico (CRISPIM, 2020). Com o valor encontrado, em toneladas de refrigeração, é possível realizar a seleção de equipamentos e componentes de sistemas de condicionamento de ar adequados para tentar reduzir a propagação de doenças infecciosas, a exemplo da COVID-19, além da posterior análise comparativa com o sistema vigente. 3.1.1 Dados de climatização para ambientes A realização dos cálculos foi por meio de inserção das Equações 1, 2, 3, 4, 5 e 8, encontradas na literatura em uma planilha no Excel®. É válido ressaltar que no estudo realizado por Silva (2019) a carga térmica devido à condução e à insolação foi analisada como única, sendo denominada como cargas externas. A edificação escolhida localiza-se no Hemisfério Norte com valores para latitude e longitude de respectivamente -5.057 e -42.799 e altitude de 69m. Os dados médios de condições externas para projeto estão conforme a NBR 16401, onde encontra-se uma temperatura de bulbo seco de 37,9 °C, temperatura de bulbo úmido de 27,9 °C e pressão atmosférica de 100,5 kPa. Nessa conjuntura, foram consideradas as condições de conforto de acordo com a Figura 10, e para a condição de projeto proposto por Silva (2019), estima-se que a temperatura do ambiente deve ser de 23 °C e a umidade relativa de 50% tendo em vista que o cálculo foi realizado no mês de outubro.

Utilizando-se a carta psicrométrica, é possível determinar os valores de umidade absoluta para o ambiente climatizado (8,8201 g/kg) e para o externo (19,9211 g/kg). 3.1.2 Áreas Climatizadas Com as informações coletadas anteriormente se torna possível definir o valor de carga térmica das salas de aula presentes no bloco 10 onde está presente o departamento de engenharia mecânica.

Trata-se de 3 salas de dimensões idênticas, o pé direito apresenta 3,08m e a área individual de cada sala vale 62,39 m² . Salienta-se que cada sala apresenta capacidade para 50 alunos sentados e um professor, para o cálculo foi utilizado o horário de 15h com uma ocupação média de 12h durante o dia. Para o cálculo de carga referente à iluminação foram utilizadas 16 lâmpadas fluorescentes de 40W presentes em cada sala. Além disso, para a carga relativa aos equipamentos elétricos foi utilizado um retroprojetor, um computador e um monitor. Outras informações estão presentes nas planilhas disponibilizadas por Silva (2019) nos apêndices A, B e C.

Por meio dos cálculos utilizados e pela análise da Tabela 6, e ainda, considerando-se as perdas que ocorrem nos dutos de insuflamento de ar, nos motores e ventiladores, foi acrescentado um coeficiente de segurança para as trocas de calor latente. Dessa forma, o total de carga térmica necessária para as salas de aula é de 85205,76 kcal/h, ou 28,16 TR. Em seguida, faz-se necessário determinar a quantidade total de ar a ser insuflado para determinar o modelo específico que será escolhido. Para isso, utiliza-se a equação a seguir de acordo com Creder (2004),

Onde: Qins = Vazão de insuflamento, em m3/h; Qsen = Calor Sensível total do ambiente, em kcal/h; Ti = Temperatura interna do ambiente climatizado, em C; Tins = Temperatura de insuflamento, em C; Em seguida, faz-se necessário determinar a razão de calor sensível (RCS), ou seja o percentual de calor sensível para o calor total. Conhecida a RCS, através da carta psicrométrica acima, pode-se obter as condições do ar ao entrar no recinto (CREDER,2004).

Foi considerado uma umidade relativa de 90% do ar após passar pelas serpentinas, dessa forma é possível determinar o valor de 10 ºC para a temperatura de bulbo seco de insuflamento de ar. Por fim, ao aplicar o valor de temperatura encontrado na equação 10 tem-se:

3.1.3 Composição atual do ambiente

Atualmente as salas de aula do Departamento de engenharia mecânica contam com 3 splits do tipo “piso teto R-410A"modelo KOP 60FC da marca KOMECO, com uma capacidade de refrigeração de 60000 BTU/h e vazão de ar de 2000 m³/h, sendo cada split interligada a sua própria unidade condensadora, como mostrado nas imagens a seguir.

Ademais, com o auxílio do software SketchUp, foi realizado modelos 3D da atual composição das salas de aula contemplando a localização do aparelho split e do retroprojetor, bem como a disposição dos alunos, como mostrado a seguir.

De acordo com as condições expostas anteriormente, selecionou-se uma condicionador Self Contained de 30 TR da fabricante TOSI do modelo STRAT 30, com 2 condensadores remotos de ar modelo CRTA 15 e uma vazão de ar de 20400 m³/h. Além disso, esse modelo conta com a opção de utilizar filtros de ar classes G4+F8, esses filtros possuem formato plano e elemento filtrante constituído por manta de fibras sintéticas não toxicas.

3.2 Análise da Qualidade do Ar

O split e um equipamento com recirculação de ar interna que não promove a renovação

do ar. Esses sistemas de ar-condicionado possuem filtros que tem a função de reter partículas, em que após um tempo de funcionamento, acumulam sujidades e, por isso, devem ser limpos ou substituídos conforme recomenda o PMOC (Plano de Manutenção, Operação e Controle) regulamentado pela Portaria no 3.523 de 1998.

Outrossim, a norma ABNT NBR 16401-2 de 2008 e a Resolução no 09 da ANVISA estabelecem métodos de medições de parâmetros relativos à conservação da qualidade do ar interior, em que se propõe a avaliação, a localização dos pontos de medição, a instrumentação e o manuseio adequado para as análises.

3.2.1 Análise Microbiológica

Realizou-se a análise microbiológica dos filtros dos equipamentos de ar-condicionado das

três salas de aula dispostas na área superior do bloco de Engenharia Mecânica. Tendo em vista que cada sala utiliza um único sistema de ar-condicionado Split Komeco modelo KOP 60FC que possui quatro filtros por equipamento, a coleta para a análise microbiológica foi efetuada por absorção de partículas nos filtros do ar-condicionado utilizando-se suabes esterilizados por oxido de etileno.

Nesses parâmetros, foi utilizado um suabe para cada conjunto de filtros de cada equipamento, e dessa forma, esse procedimento foi repetido para todos os tres equipamentos analisados.

Além disso, utilizou-se duas placas por equipamento com a finalidade de garantir amostras viáveis.

Dessa forma, foram coletadas duas amostras de cada equipamento em que depositou-se a

coleta contida no suabe na placa de Petri contendo o meio de cultura Sabouraud (da marca

KASVI), propicio para análise fúngica. Essas placas foram incubadas por um período de 7 dias a temperatura ambiente (25 °C). A partir disso, a contagem das colonias foi quantificada 51em unidades formadoras de colônias por metro cúbico de ar (UFC/m3) a fim de contabilizar as coletas e caracterizar em nível taxonômico os gêneros de fungos contidos nas amostras. As placas contendo o material coletado foram acondicionadas e levadas ao LPM (Laboratório de Pesquisas em Microbiologia da UFPI) para a realização das análises microbiológicas.

Placas de Petri para Coleta de Amostras

Fonte: Elaborado pelos autores, 2022

3.2.2 Análise de Gases

O gás mais comum encontrado nos ambientes e o dióxido de carbono (CO₂), que é um gás proveniente do processo de respiração humana. Quando inalado a taxas acima do recomendo pela norma, o dióxido de carbono causa desconforto e sintomas como sonolência, dores de cabeça, falta de concentração e redução de desempenho. (RAMOS DE ARAUJO et al., 2018). Ou seja, o acúmulo de gases no ambiente pode afetar o rendimento dos alunos ao diminuir a concentração causados por seus efeitos físico-químicos. A Resolução nº 9, de 2003, da ANVISA estabelece que o indicador de renovação do ar respeite o limite de 1000 ppm de dióxido de carbono(CO₂) e de 80 μg/m³ de aerodispersóides totais no ar que indica o grau de pureza do ar e limpeza do recinto. Com taxa de renovação de ar em ambientes climatizados de 27 m³/h pessoa, e em locais com alta rotatividade de indivíduos, ficou estabelecido a taxa mínima de 17 m3/h pessoa.

Na análise do sistema atual de condicionamento de ar presentes nas salas do bloco de engenharia mecânica da Universidade Federal do Piauí observou-se que tal sistema poderá não suprir a necessidade de climatização e de conforto térmico para o bloco 10 em momentos de carga de refrigeração máxima, tendo em vista que a potência frigorifica do sistema está abaixo da carga térmica apresentada neste trabalho. Esse fato e justificado uma vez que os 3 ar-condicionado do tipo split da marca Komeco podem suprir uma carga térmica de até 15 toneladas de refrigeração e o valor encontrado neste trabalho, com o auxílio da dissertação de Silva (2019), foi de 28,16 toneladas de refrigeração, 46,73% acima do indicado para esses aparelhos, como mostrado na tabela a seguir.

Carga térmica total dos 3 ambientes

Sala de aula Carga térmica total (TR) Capacidade do sistema atual (TR)

520 9,038 5  |   521 8,647 5   |    522 9,182 5

Fonte: Elaborado pelos autores, 2022

Segundo ASHRAE (2020), os edifícios não utilizados para cuidados de saúde devem melhorar a filtragem central de ar e outros tipos de filtragem do sistema de HVAC para MERV-13 ou superior, que como demonstrado (...), referente a NBR 16101 (2012).O equipamento modelo (...),  deverá atender a demanda necessária  para o conjunto de salas além de assegurar o nível de filtragem recomendado pela ASHRAE uma vez que o seu grau de eficiência media (G4+F8) encontra-se acima do mínimo indicado.

Outrossim, de acordo com Dietz Leslie et al.(2020) a implantação de filtros MERV e HEPA de classificação elevada pode desempenhar um papel substancial na captura de partículas infectados pelo SARS-CoV-2, dessa forma, a aplicação desse tipo de categoria de filtragem e capaz de reduzir o risco de transmissão de doenças em todo o ambiente construído.

4.2 Análise Microbiológica

Após o crescimento nas placas coletadas, foi feita a separação das colônias para isolamento dos gêneros. Esse isolamento procedeu-se com a retirada de porções das colônias crescidas para novas placas contendo meio Sabouraud (KASVI). A partir disso, as placas foram acondicionadas em temperatura ambiente (mais ou menos 28 ºC) e foram acompanhadas diariamente por um período de 7 dias.

A identificação de gêneros em nível taxonômico foi realizada por meio da observação macroscópica das colônias, associando-se a analise microscópica pela técnica de micro cultivo em que o fungo e semeado em Sabouraud entre uma lâmina e uma lamínula que após o crescimento e examinada diretamente no microscópio para a análise do tipo de micélio e estruturas de reprodução.

Os micro cultivos foram observados em microscópio ótico, em objetiva de 40X, apos

coloração com lacto fenol azul de algodão para a visualização de características microscópicas individuais de cada espécie fúngica, utilizando critérios descritos em chaves de identificação. (BARNETT HUNTER, 1987; SAMSON FRISVAD, 2004; SAMSON, VARGA FRISVAD, 2011; BENSCH, 2012)

Tendo em vista que foram coletadas duas placas por sala de aula, a análise do material coletado revelou a presença de pelo menos cinco gêneros de fungos nos filtros do ar-condicionado das salas de aulas. Com isso os principais gêneros coletado nos aparelhos foram Aspergillus (47%), seguido de Penicillium (22%), Cladosporium (12%) e Tricoderma (8%). Vale salientar que muitas colônias não apresentaram o desenvolvimento de estruturas microscópicas, como tais conidióforos ou outras estruturas de reprodução que permitissem a identificação do gênero, sendo estas identificadas como Mycelia sterilia (11%).

Os microrganismos do gênero Aspergillus são fungos filamentosos anemofilos importantes para a avaliação da qualidade do ar interior pois tem potencial para ocasionar asma, sinusite, rinite. Já os gêneros Penicillium e Cladosporium são considerados cosmopolitas, no qual o primeiro, dependendo da espécie, pode ser um produtor de micotoxinas cujos seus esporos estão presentes na flora fúngica do ar com capacidade de causar rinite e agravar asma, enquanto o segundo pode propagar-se em diversos ambientes, podendo acarretar rinite, sinusite e asma brônquica. (CONCEICAO DE OLIVEIRA; BORGES-PALUCH, 2015)

O gênero Trichoderma possui característica filamentosa e e popularmente conhecido como mofo ou bolor. Esse microrganismo é bastante utilizado para controle biológico na agricultura mas pode gerar riscos para a saúde quando se trata de promover infecções oportunistas em pessoas que estão com imunidade afetada.

4.3 Controle de Gases

Tendo em vista que o QR (coeficiente respiratório) para uma dieta equilibrada em condições moderadas corresponde a 0,83 como e afirmado na norma ABNT NBR 16401-3 (2008), pode-se estipular uma média de QR por sala considerando que cada sala comporta em média de 40 a 50 alunos. Isto e, a curva de liberação de CO₂ versus a atividade metabólica e linear e proporcional, portanto, para uma atividade metabólica muito leve, se tem uma produção de CO₂ na média de 0,5 L/min por pessoa.

Logo, a análise do gráfico permite realizar uma aproximação da produção de CO₂ por pessoa com base nos dados teóricos do ambiente.

Vale ressaltar, também, que uma baixa umidade relativa (UR) aumenta a evaporação das

membranas mucosas do sistema respiratório enquanto uma UR elevada são muito prejudiciais ao conforto humano, produtividade e saúde.

Nesse contexto, estudos epidemiológicos relatados em ASHRAE (2016) sugerem o controle da umidade relativa no ambiente para a conformidade com os parâmetros de conforto térmico e para mitigação dos efeitos de microrganismos, afinal, e evidenciada uma faixa de umidade ideal, entre 40% a 60% de umidade relativa (UR), para colaboração com a saúde dos ocupantes pois nesta faixa, tanto o crescimento de bactérias e organismos biologicos, quanto a velocidade em que as interações químicas ocorrem são minimizadas.

5 Conclusão

Com o advento da pandemia causada pelo novo coronavírus, Sars-CoV-2, em marco de

2020 no Brasil, o debate sobre formas de mitigação de doenças infecciosas foi estimulado.

Diversos estudos apontam a influência de sistemas de condicionamento de ar na propagação do vírus. Nessa conjuntura, protocolos de controle de transmissão do vírus pelos sistemas de ar-condicionado foram fornecidos por entidades especificas, como a ASHRAE (2020). Entre as medidas sugeridas, destacam-se a utilização de filtros de classe MERV 13 ou superior, controle de temperatura e umidade relativa, além do controle do fluxo de ar.

De forma geral, o uso de aparelhos tipo split apresenta limitações quanto ao controle de

infecções. Apesar de serem consideravelmente mais baratos em relação a outros sistemas de condicionamento de ar, eles não são seguros do ponto de vista de controle de infecção microbiológica e, portanto, de qualidade do ar interior.

O presente trabalho se propôs a selecionar um sistema de climatização adequado as recomendações da ASHRAE (2020) em tempos de COVID-19, tomando como referência o mês de maior necessidade de carga térmica nas salas de aula do bloco de Engenharia Mecancia da Universidade Federal do Piaui (UFPI), além de realizar uma comparação entre o atual sistema empregado e um novo sistema proposto neste trabalho.

Na análise do sistema atual de condicionamento de ar presentes no bloco 10 observou-se

que tal sistema não poderá suprir a necessidade de climatização e de conforto térmico para os ocupantes, uma vez que além de não fornecer um sistema de filtragem eficiente, não esta corretamente dimensionado para a carga térmica encontrada.

Ademais, constata-se que a velocidade do ar no interior de recintos pode transportar partículas ou microrganismos a distancias maiores em comparação ao ar inerte. Isto posto, Ministério da Saúde (2020) afirma que o vírus SARS-COV-2(Covid-19) pode ser transportado a uma distância de três a seis metros antes de se depositar sobre uma superfície. Com isso, a concentração de partículas no ar pode ser reduzida com maior recirculação de ar exterior ou por filtragem do ar através de filtros adequados para esse tipo de microrganismo como o citado acima.

Além disso, a análise microbiológica foi satisfatória quanto a identificação dos gêneros fúngicos que podem impactar na saúde dos ocupantes como potencial causadores de alergias respiratórias e na redução no desempenho em sala de aula, respeitando a Resolução no 9/2003 da ANVISA.

Referente ao controle de gases, é necessário o aumento da renovação de ar externo utilizando-se equipamento do tipo self contained para garantia do seguimento dos padrões impostos na Resolução no 9/2003 da ANVISA. Recomenda-se, também, o monitoramento da umidade ambiental e possíveis infiltrações, além da devida higienização das salas de aula, incluindo mesas e cadeiras, e dos componentes do equipamento de ar-condicionado utilizado.

Ainda que seja escolhido um sistema de condicionamento de ar que contemple os níveis recomendados de filtragem e renovação de ar, não há como garantir que não haverá contaminação por doenças infecciosas, como a COVID-19. Entretanto, desde que o sistema de condicionamento de ar seja projetado e instalado de maneira apropriada, e que contemple um plano de manutenção, com limpeza e troca de filtros adequadas com adoção dos protocolos de saúde nos ambientes, pode-se então garantir que o sistema poderá reduzir as chances de contaminação.