A norma brasileira de ar condicionado ABNT NBR 16401-3 está em revisão, e possivelmente será apresentada em breve para apreciação pública. A metodologia de cálculo de vazão de ar exterior adotada na nova norma sofreu modificações, e desta forma apresentamos aos profissionais do setor os novos critérios de cálculo para que se familiarizem com os mesmos.

Houve um grande avanço no cálculo da vazão de ar exterior tratado a fim de promover a renovação de ar interior com o propósito de manter a concentração de CO₂ metabolizado no nível estabelecido pelo profissional de projetos. Doravante será possível definir qual a concentração de dióxido de carbono desejada para o ambiente climatizado, e desta forma garantir que o resultado seja alcançado.

A fonte de ar externo disponível será de fundamental importância, visto que a concentração de dióxido de carbono varia a depender do local de sua captação. Quando a única fonte disponível de ar exterior estiver contaminada por determinados poluentes como, por exemplo, em centros urbanos, terminais aeroportuários e rodoviários, e certas indústrias químicas e petroquímicas, a instalação de dispositivos específicos para retirar estes poluentes do ar de renovação deve ser avaliada e decidida em comum acordo entre o projetista e o contratante.

As novas vazões de ar de renovação a serem estabelecidas na ABNT NBR 16401-3 independem da capacidade ou do tipo de instalação, isto quer dizer que todas as instalações de ar condicionado, sem exceção, devem adotar renovação de ar exterior.

As instalações de ar condicionado residencial não faz parte do escopo da nova norma.

O dióxido de carbono CO₂, gás pouco reativo, tornou-se um parâmetro de controle da qualidade de ar interno, sua efetiva concentração alcança média mundial de 400 ppm, podendo alcançar níveis superiores a 500 ppm nos centros urbanos. Podemos inferir que o dióxido de carbono é um marcador químico cuja quantificação é um indicador da presença de outros contaminantes típicos de ambientes internos climatizados, como odores de efluentes biológicos emitidos pelos ocupantes do ambiente.

Segue orientação da metodologia de cálculo para as novas vazões de ar exterior a partir das seguintes informações:
– concentração de dióxido de carbono do ar externo;
– características físicas do ambiente (comprimento, largura e altura);
– quantidade de pessoas que ocupam o ambiente;
– atividade física dos ocupantes do ambiente;
– fator de diversidade de ocupação;

1.Vazão de ar exterior

A vazão de ar exterior requerida é determinada como estipulado em 1.1 a 1.3 ou através dos cálculos analíticos apresentados nos Anexos C e D.

A vazão de ar exterior deve ser aplicada também em sistemas sem condicionamento de ar.

1.1.Vazão eficaz

A vazão eficaz de ar exterior Vef₁ é diretamente relacionada à quantidade de pessoas presentes.

A vazão eficaz de ar exterior Vef₂ é diretamente relacionada à área do ambiente.

São calculadas pelas equações abaixo:

Vef₁ = Pz * Fp * D (1)
Ou
Vef₂ = Az * Fa (2)

Onde:

Vef é a maior vazão eficaz de ar exterior adotada entre Vef₁ e Vef₂, expressa em litros por segundo (L/s);

Fp é a vazão por pessoa, expressa em litros por segundo por pessoa (L/s*pessoa);

Fa é a vazão por área útil ocupada, expressa em litros por segundo por área útil ocupada (L/s*m²);

Az é a área útil ocupada pelas pessoas, expressa em metros quadrados (m²);

D é o fator de diversidade de ocupação (que corrige somente a fração do ar exterior relacionada às pessoas).

Os valores a adotar para Fp e Fa constam na Tabela 1.

Tabela 1 – Taxas mínimas de ventilação na zona de respiração (nota 1)

Nota 1 – as vazões de ar exterior foram calculadas para CO₂ externo de 500 ppm. Para outros valores de CO₂ externo utilize metodologia de cálculo analítica com a equação da diluição. Consulte Anexo C2.
Nota 2 – V_C volume de dióxido de carbono produzido pela respiração de uma pessoa em L/s.
Nota 3 – verifique a tabela de exaustão.
Nota 4 – não recircular para outros recintos.
Nota 5 – tratamento especial do ar exterior pode ser necessário para remover odores ou vapores nocivos.
Nota 6 – tratamento especial do ar exterior pode ser necessário para remover elementos prejudiciais às obras de arte.
Nota 7 – a vazão estipulada não contempla controle de umidade. “Área de Deck” se refere à área ao redor da piscina que é possível de ser molhada durante o uso da piscina, ou quando a piscina está ocupada. “Área de Deck” que não se espera seja molhada deve ser considerada como uma categoria de ocupação.
Nota 8 – não há valores estabelecidos da vazão de ar exterior necessária para diluir a fumaça de tabaco a níveis aceitáveis.
A vazão de exaustão estipulada visa apenas evitar uma concentração excessiva de fumaça no recinto e sua propagação para recintos vizinhos.
Nota 9 – vazão por vaso, mictório ou ambos. Use a maior vazão onde houver períodos de uso intenso são esperados de ocorrer. É permitida a menor vazão para ser utilizada em outros casos.
Nota 10 – vazão é para sanitário com intenção de ser usado por uma pessoa de cada vez. Para operação de sistemas de uso contínuo durante horas de uso, será permitida a menor vazão. Caso contrário a maior vazão deve ser utilizada.
Nota 11 – não será necessária exaustão onde dois ou mais lados compreendem paredes que são pelo menos 50% abertas para o exterior.
Nota 12 – ar de ventilação para esta categoria de ocupação pode ser reduzida a zero quando o espaço não estiver sendo ocupado.

Notas gerais:

a) Densidade do ar – vazões de ar exterior calculadas são baseadas na densidade do ar seco de 1,2 kg_da/m³, na pressão barométrica de 1 atm (101,3 kPa) e na temperatura de 21°C. Vazões de ar exterior podem ser ajustadas para a densidade real.
b) Ambientes não listados – onde a categoria ocupacional para determinado espaço ou zona não está listada, a necessidade de ar exterior deve levar em consideração aplicações similares em termos de atividade física (met) e densidade ocupacional.
c) A aplicação desta tabela está condicionada à obediência a todos os demais requisitos desta parte da ABNT 16401.
d) As vazões de ar exterior estipuladas são baseadas na proibição de fumar nos recintos (exceto local reservado).
e) Densidade ocupacional padrão – a densidade ocupacional padrão pode ser utilizada onde a densidade de pessoas é desconhecida.
f) Vazão de ar exterior por pessoa – a vazão de ar exterior por pessoa independe da densidade ocupacional padrão.

Fonte – adaptada da ANSI/ASHRAE Standard 62.1:2016

1.2.Vazão a ser suprida na zona de ventilação

É a vazão eficaz corrigida pela eficiência da distribuição de ar na zona.

É calculada pela seguinte equação (3):

V_z = V_ef / E_z (3)

Onde:

V_z é a vazão de ar exterior a ser suprida na zona de ventilação;

E_z é a eficiência da distribuição de ar na zona.

A Tabela 2 estipula os valores a adotar para E_z.

Tabela 2 – Eficiência da distribuição de ar nas zonas de ventilação

1.3.Vazão de ar exterior a ser suprida pelo sistema

A vazão de ar exterior Vs, na tomada de ar, a ser suprida pelo sistema é calculada conforme Equações 1.3.1 a 1.3.3.

1.3.1.Sistema com zona de ventilação única

Para sistemas de ventilação onde um ou mais climatizadores insuflam uma mistura de ar exterior e ar recirculado para somente uma zona de ventilação, a vazão na tomada de ar exterior (Vs) deve ser determinada de acordo com a Equação 4.
Vs = Vz (4)

1.3.2.Sistema com zonas múltiplas suprindo 100% de ar exterior

Para sistemas de ventilação onde um ou mais climatizadores insuflam somente ar exterior para uma ou mais zonas de ventilação, a vazão da tomada de ar exterior (Vs) deve ser determinada de acordo com a Equação 5.
Vs = ∑ Vz (5)

1.3.3.Sistema com zonas múltiplas suprindo mistura de ar exterior e ar recirculado

Para sistemas de ventilação onde um ou mais climatizadores insuflam uma mistura de ar exterior e ar recirculado para mais do que uma zona de ventilação, a vazão da tomada de ar exterior (Vs) deve ser determinada de acordo com as Equações 6 e 7.

1.3.3.1.Fração primária de ar exterior

Fração de ar exterior primária (Zae) deve ser determinada para as zonas de ventilação de acordo com a equação 6.

Zae = Vz / Vt (6)

O valor de Zae adotado é o maior valor encontrado em todas as zonas de ventilação.

Para sistemas VAV, Vt é a vazão mínima de projeto.

Quando a fração de ar exterior primária Zae apresentar resultado maior que 0,55 em alguma zona de ventilação, aumentar a vazão mínima de projeto na respectiva zona de ventilação para reduzir o valor de Zae, de forma a ficar ≤ 0,55.

1.3.3.2.Eficiência do sistema de ventilação

O valor da eficiência do sistema de ventilação (Ev) deve ser determinado de acordo com a tabela 3.

Tabela 3 – Eficiência do sistema de ventilação em suprir a vazão eficaz de ar exterior requerida em cada zona de ventilação

1.3.3.3.Vazão de ar exterior

A vazão de ar exterior (Vs) deve ser determinada de acordo com a equação 7.
Vs = ∑ Vz / Ev (7)

ANEXO C.1 – Parâmetros fisiológicos

Estimar as taxas metabólicas é difícil. A fonte original das taxas metabólicas pode ser encontrada na tabela 4, ASHRAE Fundamentals Handbook, 2016, página 9.6.

Os valores fornecidos indicam taxas metabólicas somente para certas atividades específicas. Algumas possuem uma faixa de valores, e outras um único valor, dependendo da fonte de dados. O nível de exatidão depende do valor da taxa metabólica, bem como a atividade possa ser definida.

Para atividades metabólicas < 1,5 met, por exemplo: leitura, a Tabela 4 é adequada para a maioria dos fins da engenharia.

Para atividades metabólicas > 3, onde as tarefas são mal definidas, ou onde existam várias maneiras de execução das tarefas (por exemplo, com máquina de trabalho pesado), os valores podem apresentar margem de erro de até ± 50% para uma dada aplicação.

Cálculos de engenharia devem, assim, permitir potenciais variações.

Os cálculos de engenharia permitem uma boa precisão dentro de certa relatividade, e diante das razões apresentadas recomendamos sempre que possível à aplicação de controle automático da vazão do ar exterior a partir de sensores de CO₂, e controle de volume de ar variável (VAV).

Para sustentar o metabolismo, o organismo consome oxigênio e produz dióxido de carbono (CO₂) e vapor de água, eliminados pela respiração. O quociente respiratório QR é a relação volumétrica do CO₂ produzido para o oxigênio consumido. Para uma dieta normal equilibrada, QR á aproximadamente igual a 0,83.

A taxa de oxigênio consumido e de CO₂ produzido depende da taxa de respiração correspondente ao nível de atividade física, portanto do metabolismo, conforme indicado na Figura C.1. (vide ABNT NBR 16401, parte 3, anexo C, página 21).

Quando as taxas metabólicas devem ser determinadas com mais precisão do que é possível com os dados tabulados, medições fisiológicas com seres humanos podem ser necessárias. A taxa de calor metabólico produzido pelo corpo é medida com maior precisão pela taxa respiratória de consumo de oxigênio e produção de dióxido de carbono.
Uma equação empírica para a taxa metabólica é dada por Nishi (1981), vide ASHRAE HANDBOOK, Fundamentals, 2016, página 9.7:

Determina-se o volume de CO₂ produzido pela respiração humana, conforme segue:

Q_O2 = AD x M / 21 x (0,23 x QR + 0,77)

Q_CO2= 0,83 x Q_O2

Onde:

Q_O2 = taxa volumétrica de consumo de oxigênio nas condições (CNTP) de 0°C, 101,325 kPa, em mL/s;

QCO2 = produção de CO2 em mL/s;

Ad = área do corpo humano adulto com 1,8 m², em crianças e adolescentes há variação de 0,8 a 1,4 m²;

M = taxa de metabolismo em W/m² (1 met = 58,1 W/m²);

QR = quociente respiratório, razão molar do QCO2 exalado para QO2 inalado, adimensional;

Exemplo para atividade em escritório com 1,1 met:

Q_O2 = 1,8 x 1,1 / 21 x (0,23 x 0,83 + 0,77) / 1.000 = 0,005701 L/s

Q_CO2 = 0,83 x 0,005701 = 0,004732 L/s

ANEXO C.2 – CO₂ e taxa de ar exterior

A equação abaixo permite que seja calculada a concentração interna de dióxido de carbono (CO₂) para qualquer ambiente com pessoas.
Equação da diluição:

c = concentração de dióxido de carbono em ppm;

Vc = volume de dióxido de carbono produzido pela respiração dos ocupantes em L/s x pessoa;

Fp = taxa de insuflação de ar exterior em L/s x pessoa;

c_a = concentração de dióxido de carbono presente no ar insuflado em ppm;

c_o = concentração de dióxido de carbono presente no ar ambiente em ppm;

n = número de vezes que o conteúdo da sala é mudado, adimensional;

t = tempo em segundos

V = volume do ambiente em m³ / pessoa

curva 1 – ambiente com alta concentração de CO₂, sem pessoas, sendo diluído com ar exterior sem CO₂. Equação – c = C_o x e ^-n
curva 2 – ambiente livre de CO₂, sem pessoas. A concentração da sala irá variar ao longo da curva, segundo a equação – c = Ca x (1 – e ^-n)
curva 3 – Se estiverem presentes pessoas no ambiente inicialmente livre de CO₂ teremos a equação – c = (10⁶ x V_c / F_p + C_a) x (1 – e ^-n), e o valor final da concentração será
[(10⁶ V_c / F_p) + C_a]
curva 4 – Se a concentração no ambiente fosse C_o e estivessem presentes pessoas, e o ar de ventilação tivesse a concentração ca a curva seguiria a equação
c = (10⁶ x V_c / F_p + C_a) x (1 – e ^-n) + c_a x e ^-n, e a concentração se aproximaria de
[(10⁶ V_c / F_p) + C_a]
No exemplo definimos a concentração de CO₂ a ser atingida, então para os cálculos adotamos a equação [(10⁶ V_c / F_p) + C_a]

Exemplo (considerando Z1 do anexo D.1) :

– quantidade de pessoas no ambiente = 3
– fator ocupacional = 0,8
– pessoas x fator ocupacional = 3 x 0,8 = 2,4
– área do ambiente = 40 m²
– pé direito do ambiente = 3 m
– volume do ambiente = 120 m³
– t = tempo desde o início da ocupação do ambiente em 24 horas x 3600 = 86.400 segundos
– c_a = concentração de dióxido de carbono presente no ar insuflado = 500 ppm
– c_o = concentração de dióxido de carbono presente no ar ambiente = 500 ppm
– Vc = volume de dióxido de carbono produzido pela respiração dos ocupantes em L/s x pessoa
– Vc = 0,004732 L/s x pessoa
– V = volume do ambiente dividido por pessoas = 120 m³ / 2,4 = 50 m³ / pessoa
– Fp = taxa de insuflação de ar exterior = 9,46 L/s x pessoa

Metodologia de cálculo:

Adotando a expressão:

Resultado:
– c = 1.000 ppm

Para calcular o taxa de insuflação de ar exterior poderemos considerar:

Fp = 9,5 L/s conforme tabela 1

ANEXO D.1 – Dados de entrada para os exemplos

Os exemplos nos ANEXOS D.2 e D.3 foram baseados nos ambientes abaixo, idênticos aos adotados na atual ABNT NBR 16401-3.

ANEXO D.2 – Vazões de ar exterior para atingir diferencial de 500 ppm

A seguir a metodologia de cálculos para os três sistemas com objetivo de calcular a vazão de ar exterior com valor final de 1.000 ppm de concentração interna de CO₂.

Tabela D.2 – Vazões de ar exterior para atingir diferencial de 500 ppm

ANEXO D.3 – Vazões de ar exterior para atingir diferencial de 700 ppm

A seguir a metodologia de cálculos para os três sistemas com objetivo de calcular a vazão de ar exterior com valor final de 1.200 ppm de concentração interna de CO₂.

Conclusão

A nova metodologia de cálculo acima apresentada permitirá que o projetista de ar condicionado possa determinar o resultado do nível de concentração de CO₂ interno que será obtido em cada um dos ambientes condicionados.

Naturalmente haverá maior segurança para os contratantes; visto que, atendidas as premissas iniciais que caracterizam os ambientes (quantidade de pessoas, dimensões etc.), e a partir da concentração de dióxido de carbono externo, o resultado será garantido pela precisão dos cálculos desenvolvidos.

A metodologia apresentada é um passo garantido na obtenção da qualidade do ar interno a partir do nível de CO₂ que é um bom marcador para os bioefluentes (odores) emitidos por humanos, e que são indesejáveis para o conforto em geral dentro dos espaços condicionados.

Mário Sérgio de Almeida
Diretor da MSA e Presidente do DNPC – Departamento Nacional de Projetistas e Consultores da ABRAVA.