A norma ABNT NBR ISO 16890-1:2018 oferece ao projetista a possibilidade de selecionar filtros e calcular taxas de fluxo de ar
Resumo. As diretrizes globais de qualidade do ar da OMS, publicadas em 2021, e a recente pandemia de Covid-19 mostraram que a qualidade do ar é uma questão de saúde pública. A Qualidade do Ar Interior (QAI) deve ser um aspecto imperativo no projeto de sistemas de climatização para ambientes internos onde as pessoas passam a maior parte do tempo. A maior preocupação em relação aos efeitos nocivos à saúde humana é o PM2,5. Considerando a concentração de PM2,5 presente no ar externo na maioria dos centros urbanos, é óbvia a necessidade de purificar o ar externo, que raramente atende aos valores prescritos pela OMS. Portanto, dispositivos para purificação do ar de partículas estão se tornando cada vez mais importantes, e sua seleção é um dos aspectos críticos nos projetos de sistemas de climatização de ambientes internos. O cálculo dos componentes essenciais para garantir a qualidade do ar interno pode ser feito realizando um balanço de massa dos contaminantes de interesse. Esse cálculo torna-se mais complicado no caso de partículas, devido à dependência das propriedades e comportamentos em função do tamanho. No entanto, é possível calcular a concentração de PM2,5 após definir a distribuição do tamanho das partículas, reduzindo assim sua representação a um único número. A norma ABNT NBR ISO 16890-1:2018 oferece ao projetista a possibilidade de selecionar filtros e calcular taxas de fluxo de ar, dimensionando o sistema de ventilação ao escolher a bateria de filtros capaz de atender aos objetivos do projeto. A revisão da ABNT NBR 16401-3 (que deve ser publicada nos próximos meses) aproveita esse importante avanço e inclui uma metodologia de cálculo para a concentração interna de partículas, um parâmetro essencial para garantir um ambiente interno saudável.
Palavras-chave: Filtro de ar, PM2,5, QAI, Sistema de ventilação, ISO 16890, Qualidade do Ar Interior.
1- Introdução
A poluição do ar é uma mistura complexa de material particulado (PM), gases e outros poluentes liberados na atmosfera devido a diversas atividades humanas, como processos industriais, transporte e agricultura. Além disso, materiais de construção e atividades internas podem gerar poluentes dentro dos edifícios, aumentando as preocupações com a qualidade do ar interior (QAI). Os poluentes do ar podem ser gasosos (por exemplo, NOx, SOx, CO e compostos orgânicos voláteis), líquidos e sólidos (material particulado).
A exposição à poluição do ar tem sérias implicações para a saúde humana, afetando o sistema respiratório, cardiovascular e o bem-estar geral. Populações vulneráveis, como crianças, idosos e indivíduos com condições de saúde preexistentes, são particularmente suscetíveis aos impactos da poluição do ar. A Organização Mundial da Saúde (OMS), em suas diretrizes globais de qualidade do ar (2021), estima que milhões de mortes prematuras ocorrem anualmente devido à exposição a poluição do ar externo e interno.
Poluentes gasosos, como dióxido de nitrogênio e ozônio, podem irritar o sistema respiratório, agravando condições existentes e reduzindo a função pulmonar. O dióxido de nitrogênio aumenta a suscetibilidade a infecções respiratórias (Logue et al., 2012). O material particulado, especialmente o PM2,5 ou menor, pode penetrar profundamente no sistema respiratório. O PM2,5 é tóxico, e vários estudos (Dockery et al., 1993) demonstram seu impacto negativo na saúde humana. A inalação de PM2,5 causa doenças respiratórias, como asma, bronquite e doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC). Além disso, partículas finas podem entrar na corrente sanguínea, contribuindo para problemas cardiovasculares, como ataques cardíacos, derrames e hipertensão.
A definição de PM2,5 não é tão simples quanto pode parecer. As definições rigorosas de PM2,5 e PM10 diferem das partículas totais abaixo de 2,5 µm e 10 µm, respectivamente. O método de referência federal dos EUA (FRM) 40 CFR Apêndices J e L da Parte 50 (Office ofthe Federal Register, 2001) (Office ofthe Federal Register, 1999) e a Norma Europeia EN 123419 (EN 12341: 2014, 2014, definem PM10 e PM2,5 como o material particulado (PM) que penetra em uma entrada seletiva de tamanho com eficiência de 50% em diâmetros aerodinâmicos de 10 μm e 2,5 μm, respectivamente. O diâmetro aerodinâmico é o diâmetro da partícula esférica de densidade padrão com a mesma velocidade de assentamento da partícula real de interesse. No entanto, nem todas as partículas podem ser caracterizadas corretamente pelo diâmetro aerodinâmico. Para partículas menores (abaixo de 100 nm), o impacto da gravidade é insignificante. Portanto, é melhor usar o diâmetro físico (Tronville et al., 2023). Termos como PM0,3 ou PM0,1 não têm significado claro se não forem definidos adequadamente por quem os utiliza.
A pandemia de Covid-19 mostrou que a qualidade do ar é uma questão de saúde pública, enfatizando a relevância de focar em seu controle. Esforços para mitigar os impactos da poluição do ar na saúde envolvem medidas regulatórias, avanços tecnológicos no controle de emissões e campanhas de conscientização pública. Compreender a complexa relação entre qualidade do ar e saúde humana é crucial para o desenvolvimento de estratégias eficazes para enfrentar esse desafio global de saúde pública, de acordo com Pope III et al. (2002).
Portanto, podemos reconhecer a importância de controlar a concentração de PM2,5 no ambiente interno. A exposição a contaminantes em ambientes internos é mais relevante para a saúde humana do que a exposição ao ar externo, pois as pessoas passam a maior parte do tempo em ambientes confinados. O objetivo é garantir uma boa qualidade do ar interno, mesmo quando o ambiente externo contém PM2,5 acima dos limites da OMS. O valor mais recente do limite da OMS para a concentração média anual de PM2,5 é de 5 µg/m³. Assim, mais de 95% dos locais no planeta não atendem a esse limite, e o ar externo pode, às vezes, estar mais poluído do que o ar interno, trazendo PM2,5 para dentro do ambiente ocupado. Mesmo que não seja fácil satisfazer completamente o requisito da OMS, devemos fazer o possível para nos aproximar da menor concentração de PM2,5, tanto no ar externo quanto no interno, para minimizar os efeitos adversos à saúde.
Por essa razão, normas de QAI, como a Ansi/Ashrae na norma 62.1, definem qualidade do ar interno aceitável como “ar no qual não há contaminantes conhecidos em concentrações prejudiciais, conforme determinado por autoridades competentes, e com o qual a maioria substancial (80% ou mais) das pessoas expostas não expressa insatisfação”. QAI não se refere apenas ao mau cheiro do ar, mas também aos efeitos na saúde. Para controlar e manter uma boa QAI, devemos considerar as seguintes abordagens:
- Controlar a fonte de PM2,5 dentro de um ambiente confinado (por exemplo, proibição de fumar);
- Diluir a concentração de PM2,5 com ar externo, se ele for suficientemente limpo;
- Remover PM2,5 do ar externo e do ambiente interno, empregando tecnologias de purificação de ar.
O objetivo é alcançar conforto e produtividade para os ocupantes humanos e minimizar os efeitos adversos à saúde por meio de um cálculo de engenharia adequado e escolha do sistema de ventilação e seus componentes.
A remoção de PM2,5 do ar externo e do ambiente interno exige um cuidadoso projeto do sistema de climatização para limpar tanto o ar externo quanto o ar interno. Projetistas de AVAC estão acostumados a avaliar a carga térmica por meio de balanços de energia e calcular as cargas de resfriamento e aquecimento para dimensionar os componentes e a vazão de ar de insuflação para atender aos requisitos térmicos do ambiente. Dimensionar o sistema de climatização requer conhecimento das leis físicas que regem os mecanismos de transferência de calor e da dinâmica dos fluidos para alcançar a temperatura e a umidade relativa desejadas.
Da mesma forma, para atingir os níveis desejados de concentração de PM2,5, os projetistas de AVAC devem entender os mecanismos físicos, químicos e biológicos subjacentes que impulsionam a emissão, o transporte e o controle dos poluentes. Similar ao caso do projeto térmico, o projetista pode usar um balanço de massa de contaminantes para determinar o desempenho dos componentes e alcançar as metas de projeto, ou seja, a QAI aceitável. Uma vez que será utilizado o mesmo ar de insuflação para o controle térmico para atingiro segundo objetivo que é manter sob controlea poluição por partículas no ar em termos de concentração de massa de PM, dentro dos limites estabelecidos por autoridades competentes em todo o mundo (por exemplo, OMS).
2 – Sistemas de climatização convencionais com recirculação (Configuração 1)
O sistema de climatização esquematizado (Fig. 1) ventila mecanicamente uma sala. O ar entra na sala e sai principalmente através do duto de retorno, enquanto parte dele vaza devido à exfiltração (escape) por frestas e aberturas. Calculamos a concentração de PM2,5 como uma função do tempo (qualquer outro poluente seguiria o mesmo procedimento) dentro do espaço ocupado. Assumimos que a concentração de poluentes é uniforme no ambiente (modelo de dimensão zero). As premissas feitas para este estudo são:
- É possível misturar o ar fresco com uma fração do ar de retorno antes de fornecê-lo ao ambiente.
- O ambiente está pressurizado, e parte do ar vaza para fora (exfiltra).
- Há uma fonte de poluentes no ambiente (por exemplo, cigarros).
- Os Filtros 1, 2 e 3 têm uma certa eficiência ePM2,5.
Figura 1 –Sistema de Ar-Condicionado (Configuração 1)
Geralmente, a quantidade de ar a ser insuflada no ambiente é um dado de entrada. O projetista do sistema de ventilação calcula a vazão de ar de insuflação com base na atividade realizada pelos ocupantes, na carga térmica e na estratégia de difusão do ar. Para simplificar, expressaremos o fluxo de ar em termos de número de trocas de ar por hora (n):
Em seguida, podemos definir um conjunto de equações a partir do balanço de fluxo de ar nos principais pontos do sistema:
A taxa de vazamento depende da diferença de pressão entre a sala e o tamanho das frestas das janelas e portas. O engenheiro deve considerá-la no projeto. Neste estudo, ela é considerada como 4% do fluxo de ar fornecido. Usamos essa porcentagem para demonstrar como realizar o cálculo. No entanto, o engenheiro deve avaliá-la caso a caso.
Onde:
- V = Volume do ambiente [m3]
- QExh = Vazão de exaustão [m3/h]
- QLeak = Vazão de exfiltração (escape) [m3/h]
- QOA = Vazão de ar externo [m3/h]
- QRet = Vazão de ar de retorno [m3/h]
- QSup = Vazão de ar de insuflação [m3/h]
- QRec = Vazão de ar de recirculação [m3/h]
A vazão de ar de insuflação é a que também controla a temperatura e a umidade relativa dentro do ambiente. A quantidade de ar externo depende do número de ocupantes e deve ser calculado, e ambos são dados de entrada para o presente cálculo. A partir dessas informações, podemos dividir o fluxo de ar de retorno em recirculação (para ser misturado com o ar externo) e ar exaurido. Após obter os diferentes fluxos, podemos estudar a concentração de um poluente específico no ar e sua tendência ao longo do tempo. Para isso, calculamos o balanço de massa do contaminante no ambiente:
Onde:
- G = Taxa de geração de material particulado internamente ao ambiente [g/s];
- P = Penetração de PM2,5 do filtro (Cdownstream/Cupstream ) [-];
- E = Eficiência de remoção de partículas do filtro (1-P) [-];
- C = Concentração média do poluente dentro do ambiente [mg/m3].
Vamos agrupar alguns termos e rotulá-los para tornar a equação mais legível:
A equação de balanço de massa torna-se:
Obtivemos uma equação diferencial com variáveis separáveis.
Resolvendo para C:
Finalmente, para a condição de estado estacionário, consideramos o tempo como infinito e obtemos o seguinte:
3 – Sistemas convencionais com recirculação (Configuração 1.B)
Este esquema é muito semelhante ao anterior. A única diferença está na ausência do filtro que limpa o ar de recirculação (Fig. 2). Portanto, não há pré-filtragem do fluxo de ar recirculado, resultando em uma carga adicional para o filtro 3. As equações são semelhantes ao caso anterior, com a única suposição de que P2=1.
Figura 2 – Sistema de Ar-condicionado(Configuração 1.B)
Neste caso, a equação do balanço de massa é:
4 – Ar-condicionado sem ar de retorno (Configuração 2)
Nesta configuração (Fig. 3), a taxa de fluxo de ar de suprimento é 100% de ar externo, ou seja, ele vem de fora. O único filtro presente precisa remover mais partículas. Portanto, ele ficará mais obstruído rapidamente se tiver a mesma eficiência da Configuração 1.
Figura 3 – Sistema de Ar-condicionado(Configuração 2)
Nesta configuração, assume-se que:
A equação de balanço se torna:
5 – Ar-condicionado com recirculação sem exaustão de ar (Configuração 3)
Semelhante à configuração anterior, a diferença está no fluxo de recirculação de ar (Fig. 4). A seleção do filtro considera as proporções de fluxo de ar externo e recirculado.
Figura 4 – Sistema de Ar-Condicionado(Configuração 3)
Neste caso, as principais suposições são:
A equação de equilíbrio se torna:
6 – Ar-condicionado sem ar de retorno e com purificador de ar ambiente(RAC) (Configuração 4)
Esta configuração (Fig. 5) representa um caso sem ventilação mecânica. O ar entra no ambiente sem nenhuma filtragem por ventilação natural (por exemplo, janelas abertas). Neste caso, precisamos de um purificador de ar ambiente para melhorar a qualidade do ar interno, especialmente se o ar externo estiver poluído. O purificador de ar ambiente pode recircular o ar dentro do ambiente, filtrando as partículas. Sua eficiência depende da Taxa de Distribuição de Ar Limpo (CADR), o produto da vazão de ar processada pela eficiência do filtro. A eficácia dos purificadores de ar ambiente depende também da sua vazão de ar processado: quanto maior a taxa de fluxo, melhor o efeito de limpeza do ar. Em termos de balanço de massa, a vazão de ar de entrada é igual à vazão de ar de saída. Assumimos que a taxa de troca de ar com ventilação natural é metade daquela com ventilação mecânica.
Além disso, se não houver purificador de ar ambiente e, portanto, nenhuma limpeza de ar estiver presente, a configuração resulta em um novo layout (Configuração 0). Este caso pode ser útil para analisar e investigar o efeito da geração interna de aerossol no ambiente sem filtragem.
Figura 5 – Sistema de ar-condicionado(Configuração 4)
A equação de equilíbrio para a configuração 4 se torna:
Onde:
Na configuração 0, a equação (16) permanece a mesma sem o termo relacionado ao purificador de ar ambiente:
7 – Sistemas convencionais com recirculação e purificador de ar ambiente (configuração 5)
Esta configuração é a mais geral e completa que modelamos (Fig. 6). Tanto o sistema de ventilação quanto o purificador de ar ambiente podem limpar o ar no ambiente. Neste caso, seguindo o exemplo mostrado na Configuração 1, as suposições são as mesmas, e a equação de equilíbrio é:
Figura 6 – Sistema de ar-condicionado (Configuração 5)
8 – Resultados
Implementamos todas as configurações anteriores para avaliar a concentração de PM2,5 em função do sistema de filtragem e dos fluxos de ar. Além disso, calculamos a concentração de PM2,5 com ventilação natural e sem limpeza de ar (também chamada de configuração 0) para calcular a concentração de contaminantes quando os projetistas negligenciam os cálculos de IAQ. A Tab. 1 mostra os dados de entrada para o procedimento de cálculo.
A Tabela 2 relata os resultados expressos como a concentração de PM2,5 após 5 minutos (300 s) e em condições de estado estacionário. Os cálculos consideram uma taxa interna de geração de aerossol de 1,38 μg/s, ou seja, coerentemente com o valor sugerido pela ABNT NBR 16401-3 (2023). Entretanto, para fornecer condições mais realistas, dividimos a Configuração 0 em Configuração 0.A, onde a taxa de geração interna de aerossóis é igual à fornecida pelo projeto da norma brasileira, e Configuração 0.B, onde a geração de contaminantes é devida à fumaça de um cigarro por hora, com uma geração de 20 mg por cigarro de PM2,5.
Figura 7 – Sem sistema climatização (configuração 0.A geração NBR 16401-3 – 0.B com fumantes)
*A definição da vazão de ar de insuflação deve ser obtida com uso dos cálculos de engenharia como carga térmica, pressurização, distribuição etc. A apresentação indicada aqui neste trabalho de número de movimentações é uma simplificação que relaciona a vazão necessária calculada e o volume da sala.
As configurações 1, 1.b e 5 são muito semelhantes, embora as configurações 1 e 5 sejam equipadas com um filtro adicional no retorno de ar. O resultado é muito semelhante e na maioria dos casos eles podem ser dispensáveis. Eles seriam importantes em ambientes com muita geração de PM2,5.
Os resultados também mostram que é possível estimar a concentração interna de PM2,5 não apenas para instalações com sistemas de ar-condicionado, mas também em ambientes com purificadores de ar e sistemas de ventilação.
Note-se que, para a configuração 5 com purificador de ar e configuração semelhante 1, mas sem o purificador de ar, a influência do purificador é muito pequena e pode não ser justificada.
9 – Estudo de sensibilidade
Usando este método de cálculo, na Tabela 3 podemos observar a relação entre a concentração de PM2,5 emfunção da variação do fluxo de ar de insuflação após 300s (C300s) desde o acionamento do sistema AVAC, na condição estável (Csteady) e o tempo que o ambiente levou para atingir a concentração de 15 µg/m3, mantendo as demais variáveis iguais às do estudo acima para a configuração 1.b.
Nota-se que o fluxo de ar influencia muito no tempo decorrido até que a instalação atinja a concentração de 15 µg/m3, que seria a concentração sem influência na saúde dos ocupantes.
Da mesma forma, a Tabela 4 mostra a variação da concentração de PM2,5 após 300 segundos da instalação ligada (C300s), na condição estável (Csteady) e o tempo decorrido para o ambiente atingir uma concentração de 15 µg/m3, variando a Taxa de geração interna de aerossol (Gint), mas mantendo as outras variáveis as mesmas do estudo acima para a configuração 1.b.
Nota-se que a geração interna de PM2,5 influencia muito sua concentração final, e a concentração desejada pode não ser alcançada em nenhum momento.
10 – Conclusões
Este trabalho fornece aos projetistas de AVAC exemplos práticos para projetar um sistema de ventilação para gerenciar a qualidade do ar interno. A ABNT NBR ISO 16890-1:2018 e a revisão proposta da ABNT NBR 16401-3 (2024) fornecem o pano de fundo para os cálculos do projeto. A ABNT NBR ISO 16890-1:2018 classifica os filtros de ar com base em sua eficiência ePM2,5 na remoção de um aerossol urbano típico após fixar uma distribuição de tamanho de partícula específica. A partir da classificação do filtro, os projetistas podem facilmente escolher os filtros adequados para seu sistema com base no modelo proposto na revisão da ABNT NBR ISO 16890-1:2018, que mostra como calcular a concentração de contaminantes ao longo do tempo.
Além disso, este trabalho sugere que a seleção do filtro é fundamental e a escolha depende dos dados de desempenho do filtro de ar, o que permite avaliar a interação com outras variáveis, como: vazão de ar de insuflação, proporção de ar externo, concentração de PM2,5 externo, geração de PM2,5 interno pelo processo e tipo de ocupação no resultado final durante a ocupação.
Também mostra a necessidade de pesquisas que permitam determinar a geração de PM2,5 interno para cada tipo de atividade ou processo dada sua influência no resultado final.
A revisão proposta da ABNT NBR 16401-3 (2024) fornece informações sobre a melhor escolha do filtro, com base em uma concentração desejada de PM2,5 dentro do ambiente. Além disso, este algoritmo se mostra uma importante ferramenta de cálculo para projetistas de sistemas de ar-condicionado e ventilação na busca pela melhor qualidade do ar interno.
Luca Berardino – s301076@studenti.polito.it
Politécnico de Turim, www.polito.it
Wili Colozza Hoffmann – wili.hoffmann@anthares.eng.br
Anthares, www.anthares.eng.br
Paolo Tronville – paolo.tronville@polito.it
Politécnico de Turim, www.polito.it
- Referências
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