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
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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
SISTEMAS DE VENTILAÇÃO E AR-CONDICIONADO PARA LABORATÓRIOS DE
PESQUISA COM BIOSSEGURANÇA
Bruno Perazzo Pedroso Barbosa
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO
LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE)
DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM
CIÊNCIAS EM ENGENHARIA MECÂNICA.
Examinada por:
________________________________________________
Prof. Nísio de Carvalho Lobo Brum, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Manuel Ernani de Carvalho Cruz, Ph.D.
________________________________________________
Prof. Antonio Luis de Campos Mariani, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
SETEMBRO DE 2011
iii
Barbosa, Bruno Perazzo Pedroso
Sistemas de Ventilação e Ar-Condicionado para
Laboratórios de Pesquisa com Biossegurança/ Bruno
Perazzo Pedroso Barbosa. - Rio de Janeiro:
UFRJ/COPPE, 2011.
XXIV,163p.:il.; 29,7cm.
Orientador: Nísio de Carvalho Lobo Brum
Dissertação (Mestrado) – UFRJ/ COPPE/
Programa de Engenharia Mecânica, 2011.
Referências Bibliográficas: p. 155-160.
1. Ar Condicionado. 2. Laboratórios. 3.
Biossegurança. I. Brum, Nísio de Carvalho Lobo. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE,
Programa de Engenharia Mecânica. III. Título.
iv
DEDICATÓRIA
Este trabalho é dedicado ao meu
pai, Leonardo Perazzo Barbosa,
pelo exemplo de integridade e
caráter, pelo apoio incondicional
na batalha da Vida, e pelo
incentivo, só comparável ao de
uma “ torcida organizada” .
v
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Nísio de Carvalho Lobo Brum, pela orientação do trabalho, e pelo incentivo,
apoio e companheirismo ao longo deste período.
Às Dras. Maria Cristina Troncoso Ribeiro Pessoa e Valéria Michielin Vieira,
engenheiras de segurança do trabalho da Fiocruz, pelo suporte nas áreas de
arquitetura, biossegurança e análise de riscos ocupacionais, pela revisão dos textos e
pelo constante apoio e incentivo.
À Dra. Elba Regina Sampaio de Lemos, pesquisadora-chefe do Laboratório de
Referência em Hantaviroses e Rickettsioses da Fiocruz, pelo suporte na área de
biossegurança e rotina laboratorial, e pelo auxílio na concepção dos laboratórios
modelados nas análises deste estudo.
Ao Eng. Ricardo Barbosa Silveira de Souza, da Integrar Climatização ltda., pelo auxílio
na revisão geral dos cálculos e resultados, e pelo incentivo e companheirismo.
Aos meus colegas e amigos de trabalho da Fiocruz, pelo companheirismo, incentivo e
auxílio na revisão e formatação dos textos.
A Fiocruz, pela liberação em tempo parcial para que este trabalho pudesse ser
realizado.
Aos professores do PEM-Programa de Engenharia Mecânica da COPPE, pelos
preciosos ensinamentos ao longo das disciplinas cursadas na pós-graduação.
Finalmente, à minha esposa Dani, cujo apoio e serenidade nos anos dedicados a este
trabalho foram vitais; ao meu filho João Victor, por entender, mesmo que ainda
pequeno, que “papai precisa estudar...”; e ao meu pai, Leonardo, pelo incentivo, apoio
e torcida.
vi
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE / UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
SISTEMAS DE VENTILAÇÃO E AR-CONDICIONADO PARA LABORATÓRIOS DE
PESQUISA COM BIOSSEGURANÇA
Bruno Perazzo Pedroso Barbosa
Setembro / 2011
Orientador: Nísio de Carvalho Lobo Brum
Programa: Engenharia Mecânica
Este estudo propõe um modelo para nortear a concepção dos projetos de
ventilação e condicionamento de ar para laboratórios de pesquisa com biossegurança.
Este modelo tem como premissas o atendimento às bases de projeto nacionais e
internacionais e a minimização de consumo energético. A confecção deste modelo é
baseada em análises visando determinar a eficiência das técnicas disponíveis de
engenharia na minimização da contaminação dos usuários envolvidos nestes
laboratórios. As técnicas são: a ventilação geral diluídora; a ventilação local exaustora;
o isolamento das fontes poluidoras; a filtragem do ar. Esta pesquisa também
apresenta estudos de caso em que um Laboratório típico é modelado de forma a se
permitir o processamento de simulações termoenergéticas do desempenho e consumo
energético de várias soluções testadas, visando-se determinar a faixa de aplicação
racional das mesmas.
vii
Abstract of Dissertation presented to COPPE / UFRJ as a partial fulfillement of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
VENTILATION AND AIR-CONDITIONING SYSTEMS FOR BIOSAFETY RESEARCH
LABORATORIES
Bruno Perazzo Pedroso Barbosa
September / 2011
Advisor: Nísio de Carvalho Lobo Brum
Department: Mechanical Engineering
This study proposes a model to guide the design of ventilation and air-
conditioning systems applied to biosafety research laboratories. The basic goals are to
meet brazilian and international codes and standards with minimum energy
consumption. This study is based on an analysis which is focused in the effectiveness
of the available engineering control techniques in order to avoid human contamination.
The techniques are: General Ventilation; Local Exhaust Ventilation; Containment of
Contamination Sources and Air Filtering. This work also presents case-studies in wich
a typical Lab is modeled to simulate the energy consumption of several tested
solutions, in order to establish their range of rational applicability.
viii
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................................... X
LISTA DE TABELAS ................................................................................................................. XV
SIMBOLOGIA ........................................................................................................................ XVIII
3. ANÁLISE COMPARATIVA DAS PREMISSAS DE PROJETO DETERMINADAS PELAS
NORMAS BRASILEIRAS E AMERICANAS ...................................................................................... 12
3.1. DESCRIÇÃO DAS NORMAS BRASILEIRAS ....................................................................................... 12
3.2. DESCRIÇÃO DAS NORMAS E RECOMENDAÇÕES AMERICANAS ............................................ 14
3.3. ANÁLISE DAS DIFERENÇAS NORMATIVAS NA DEFINIÇÃO DAS BASES DE PROJETO DE
SISTEMAS DE VENTILAÇÃO E AR-CONDICIONADO (VAC) PARA LABORATÓRIOS .......................... 17
4. ANÁLISE DOS PARÂMETROS QUE INFLUENCIAM A QUALIDADE DO AR INTERIOR
DOS LABORATÓRIOS ........................................................................................................................ 24
4.1. BREVE HISTÓRICO DA QUALIDADE DO AR INTERIOR .............................................................. 24
4.2. EFEITOS ADVERSOS À SAÚDE DEVIDO A FALTA DE QUALIDADE DO AR INTERIOR ..... 25
4.3. PARÂMETROS INDICATIVOS DA QUALIDADE DO AR INTERIOR............................................ 26
4.4. O PAPEL DO SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR NO ALCANCE DA QUALIDADE
DO AR INTERIOR .................................................................................................................................................... 27
4.5. DESCRIÇÃO GERAL DOS CONTAMINANTES AÉREOS ................................................................ 29
4.6. GERAÇÃO, INFILTRAÇÃO E CONTROLE DE PARTICULADOS AÉREOS ................................ 30
4.7. GERAÇÃO, INFILTRAÇÃO E CONTROLE DE BIOAEROSOL ...................................................... 38
4.8. GERAÇÃO, INFILTRAÇÃO E CONTROLE DE GASES E VAPORES ............................................ 51
5. ANÁLISE DE CARGA TÉRMICA E DE DESEMPENHO DE SERPENTINAS ALETADAS NO
CONTROLE DE TEMPERATURA E UMIDADE ............................................................................... 63
5.1. CONTROLE DE TEMPERATURA E UMIDADE RELATIVA ........................................................... 63
5.2. ESTIMATIVA DA CARGA TÉRMICA DOS LABORATÓRIOS .............................................................................. 67
5.3. ANÁLISE DO DESEMPENHO DE SERPENTINAS ALETADAS NO CONTROLE DE TEMPERATURA E UMIDADE 71
6. ESTUDO DE CASO - ANÁLISE COMPARATIVA DA OPERAÇÃO DOS SISTEMAS DE
CLIMATIZAÇÃO PROJETADOS DE ACORDO COM AS NORMAS BRASILEIRAS E
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
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
2 Associados à doenças humanas. Risco de Transmissão via auto-
Práticas do NB-1 acrescidas de: - Acesso Restrito; - Sinalização de Risco Biológico;
-Uso de CSB classe I ou II para condução de experimentos com potencial de aerosolização de
Instalações do NB-1 acrescidas de: -Pia para higienização das
8
inoculação, ingestão e contato com membranas
- Procedimento de Descarte de Resíduos;
material contaminado; -Uso de EPIs; -Uso de Jalecos; -Uso de Luvas; -Uso de Protetores faciais em alguns casos;
mãos; -Lava-olhos de emergência;
3 Associados à doenças humanas que causam sérios agravos à saúde e/ou letais . Risco de Transmissão via aerosol
Práticas do NB-2 acrescidas de: -Controle de Acesso; -Descontaminação de todos os resíduos; -Descontaminação das vestimentas laboratoriais antes da lavagem;
-Uso de CSB classe I ou II para condução de quaisquer experimentos com agentes biológicos; -Uso de EPIs; -Uso de Vestimentas especiais; -Uso de Luvas; -Uso de Respiradores em alguns casos;
Instalações do NB-2 acrescidas de: -Separação física dos corredores de acesso; -Ante-câmara de acesso com portas autofechantes; - 100% de renovação de ar; -Manutenção do Laboratório em Pressurização negativa; -Filtragem HEPA do ar de extração em alguns casos;
4 Agentes Exóticos causadores de doenças de alto risco de morte ao ser humano. Elevado Risco de Transmissão via aerosol no Laboratório
Práticas do NB-3 acrescidas de: -paramentação especial antes da entrada; -Ducha química descontaminante na saída; -Descontaminação de todo o material envolvido;
-Uso de CSB classe III para qualquer procedimento envolvendo agentes biológicos. (Podem ser usadas CSBs classe I ou II caso haja traje pressurizado de suporte à vida)
Instalações do NB-3 acrescidas de: -Edificação Dedicada ou zona isolada de edificação comum; -Necessidade de filtragem HEPA dupla em série do fluxo de exaustão;
Alguns experimentos envolvem a inoculação dos microorganismos em cobaias
de experimentação, e a manutenção destas em condições controladas durante o
período de realização dos testes. Isto se deve ao fato de que há muitas semelhanças
entre a fisiologia e a genética dos animais quando comparada com a dos seres
humanos (MAJEROWICZ, 2008). Na maioria dos casos as diferenças são
suficientemente pequenas, de modo que os animais podem servir como modelos
adequados para o homem. Nestes casos, o laboratório recebe a designação de
biotério de experimentação, e recebe uma classificação similar aos laboratórios de
pesquisa, através do nível de biossegurança animal, que varia de 1 a 4 (NBA-1 a NBA-
4).
Os Requisitos básicos dos laboratórios de biossegurança animal estão listados
na Tabela 2.2 (MAJEROWICZ, 2008):
9
Tabela 2.2 “Requisitos básicos dos Laboratórios de Biossegurança Animal” (fonte:
MAJEROWICZ, 2008)
NBA Agentes Patogênicos
Condutas Técnicas Equipamentos de Proteção (Barreiras Primárias)
Manejo e procedimentos padrões preconizados para animais pela Vigilância Sanitária
Aqueles normalmente preconizados para alojamento das espécies animais
- Biotério Convencional; - Sem recirculação de ar; -A pressurização relativa é recomendada;
2 Associados à doenças humanas ou animais. Risco de Transmissão via auto-inoculação, ingestão e contato com membranas
Práticas do NBA-1 acrescidas de: - Acesso Restrito; - Sinalização de Risco Biológico; - Manual com Procedimentos de Biossegurança; - Descontaminação de todo material contaminado e gaiolas de animais antes da lavagem;
Equipamentos do NBA-1 acrescidas de: -Uso de equipamentos de contenção apropriados por espécie; -Uso de EPIs; - Protetores faciais e respiratórios, em alguns casos;
Instalações do NBA-1 acrescidas de: -Disponibilidade de Autoclave; -Pia para higienização das mãos à saída do biotério;
3 Associados à doenças humanas e animais que causam sérios agravos à saúde e/ou letais . Risco de Transmissão via aerosol
Práticas do NB-2 acrescidas de: -Controle de Acesso; -Descontaminação de todos os resíduos; -Descontaminação das vestimentas laboratoriais antes da lavagem; -Descontaminação das gaiolas antes da remoção das “camas”; -Desinfecção de calçados;
Equipamentos do NBA-2 acrescidas de: -Uso de CSB classe I ou II para condução de quaisquer experimentos com agentes biológicos; -Uso de EPIs; -Uso de Vestimentas especiais; -Uso de Luvas; -Uso de Respiradores;
Instalações do NBA-2 acrescidas de: -Separação física dos corredores de acesso; -Autoclave no biotério; -Ante-câmara de acesso com portas autofechantes; -Manutenção do Laboratório em Pressurização negativa; -Filtragem HEPA do ar de extração em alguns casos;
4 Agentes Exóticos causadores de doenças de alto risco de morte ao ser humano e animais. Elevado Risco de Transmissão via aerosol no Laboratório
Práticas do NBA-3 acrescidas de: -paramentação especial antes da entrada; -Ducha química descontaminante na saída; -Descontaminação de todo o material envolvido;
-Uso de CSB classe III para qualquer procedimento envolvendo agentes biológicos. (Podem ser usadas CSBs classe I ou II caso haja traje pressurizado de suporte à vida)
Instalações do NB-3 acrescidas de: -Edificação Dedicada ou zona isolada de edificação comum; -Necessidade de filtragem HEPA dupla em série do fluxo de exaustão;
10
Os laboratórios de nível 4 (NB-4) e biotérios de biossegurança animal de nível
4 (NBA-4) apresentam elevada complexidade construtiva e operacional, e rígido
controle funcional. Apenas poucos países já possuem este tipo de instalação (Estados
Unidos, Rússia, França, Inglaterra, Alemanha, Japão, Austrália e África do Sul). Por
este motivo, estes tipos de laboratórios não farão parte deste estudo.
A maior parte dos laboratórios brasileiros são estruturados para o trabalho em
nível 2 de biossegurança (NB-2). Algumas poucas instituições são estruturadas para
trabalho em nível 3. De acordo com VIEIRA et SALGADO (2008), estavam
estruturados 31 Laboratórios deste tipo no Brasil em 2007, sendo 20 na região
sudeste. O Jornal da Ciência, em sua edição de 28 de Novembro de 2005, relata que,
naquela época, apenas 1 dos 13 laboratórios NB-3 concebidos para formar o Sistema
Nacional de Laboratórios de Saúde Pública operava de forma certificada, em função
da complexidade envolvida (SBPC, 2005).
Pela análise das características necessárias aos Laboratórios, descritas nas
Tabelas 1 e 2, podemos verificar que:
Os laboratórios de pesquisa biomédica geralmente desenvolvem
procedimentos envolvendo agentes microbiológicos patogênicos que devem
ser conduzidos em Cabines de Segurança Biológica (CSB). Estas impactam
nos projetos dos sistemas de ar-condicionado, que devem ser dimensionados
para suprir as vazões de ar exterior necessárias a repor a demanda de
extração das CSBs.
Os Laboratórios de nível 3 de biossegurança (NB-3), assim como todos os
tipos de biotérios (NBA-1 a NBA-4) devem ser dotados de sistemas com 100%
de renovação. Tal especificação impacta no dimensionamento e controle dos
sistemas de climatização, fato que é ainda mais complexo nos países tropicais.
Portanto, se faz necessário analisar todas as opções tecnológicas disponíveis no
mercado visando à otimização da instalação física. Esta atitude viabiliza a diminuição
de custo de operação e manutenção dessas instalações. Como exemplo, pode-se citar
a aplicação de equipamentos como as estantes ventiladas para animais, que, de
acordo com as recomendações do NIH-National Institutes of Health publicadas por
MEMARZADEH (1998), permite a redução do número de trocas de ar da sala.
A demanda de análise em relação a sustentabilidade na área laboratorial tem
uma justificativa quando são considerados os números fornecidos pelo LAWRENCE
11
BERKELEY NATIONAL LABORATORY (2011), quando afirma que o uso de energia e
água em um laboratório típico é cinco vezes maior do que em escritórios.
12
3. ANÁLISE COMPARATIVA DAS PREMISSAS DE PROJETO
DETERMINADAS PELAS NORMAS BRASILEIRAS E
AMERICANAS
3.1. DESCRIÇÃO DAS NORMAS BRASILEIRAS
No Brasil, as premissas básicas das instalações de ventilação e ar
condicionado (VAC) para laboratórios de nível 2 e 3 de biossegurança são
determinadas pela norma NBR-7256 da ABNT-Associação Brasileira de Normas
Técnicas, “Tratamento de Ar em Estabelecimentos Assistenciais de Saúde (EAS) –
Requisitos para Projetos e Execução das Instalações” (ABNT, 2005). Esta Norma foi
originalmente editada em 1982 e revisada em 2005 (última versão).
Esta norma não é restrita aos laboratórios, abordando os estabelecimentos de
assistência à saúde (EAS) em geral, seguindo-se a estruturação da Resolução RDC
nº. 50 da ANVISA – Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA, 2002). Esta
dispõe sobre o regulamento técnico para planejamento, programação, elaboração e
avaliação de projetos físicos de estabelecimentos assistenciais de saúde.
A norma NBR-7256 apresenta uma classificação própria de risco de eventos
adversos à saúde por exposição ao ar ambiental dos recintos envolvidos.
Os laboratórios NB-2 são classificados como áreas de nível 1, “ onde não foi
constatado risco de ocorrência de agravos à saúde relacionados à qualidade do ar,
porém, algumas autoridades, organizações ou investigadores sugerem que o risco
seja considerado” (ABNT, 2005).
Os laboratórios NB-3 são classificados como áreas de Nível 3, “ onde existem
fortes evidências de alto risco de ocorrência de agravos sérios à saúde relacionados à
qualidade do ar, de seus ocupantes ou pacientes que utilizarão produtos manipulados
13
nestas áreas, baseadas em estudos experimentais, clínicos ou epidemiológicos bem
delineados” (ABNT, 2005).
A norma apresenta os requisitos mínimos de projeto, instalação, operação e
testes relacionados aos sistemas.
As seguintes referências normativas são listadas na norma e consideradas
prescrições para a mesma:
Resolução RDC nº. 50 da ANVISA, de 21 de fevereiro de 2002
Resolução RE nº 9 de 16 de janeiro de 2003 da ANVISA: Determina Padrões
Referenciais de Qualidade do Ar Interior em Ambientes Climatizados
Artificialmente de Uso Público e Coletivo.
Portaria Interministerial nº. 482 de 16 de abril de 1998 da Secretaria de
Vigilância Sanitária do Ministério da Saúde: Determina Regulamento técnico
para Instalação e uso de gás óxido de etileno e suas misturas em unidades de
esterilização.
Portaria nº. 272 de 08 de abril de 1998 da Secretaria de Vigilância Sanitária do
Ministério de Saúde: Estabelece regulamento técnico para terapia de nutrição
parenteral.
Norma Regulamentadora NR 15 do Ministério do Trabalho e Emprego:
Estabelece os limites de exposição à atividades e operações insalubres.
NBR 5410:2004 da ABNT: Estabelece os critérios técnicos a serem aplicados
em projeto, instalação e operação de sistemas elétricos de baixa tensão.
NBR 16.401:2008 da ABNT: Estabelece os critérios técnicos a serem aplicados
em projeto, instalação e operação de sistemas convencionais de climatização
para conforto. Estabelece parâmetros de projeto para alcance de premissas de
Qualidade do Ar Interior.
NBR 9442:1986 da ABNT: Estabelece critérios de resistência ao fogo de
materiais de construção.
NBR 10719:1989 da ABNT: Estabelece critérios para apresentação de
relatórios técnico-científicos.
NBR 13534:1995 da ABNT: Estabelece os critérios técnicos a serem aplicados
em projeto, instalação e operação de sistemas elétricos para estabelecimentos
assistenciais de saúde.
14
NBR 14518:2000 da ABNT: Estabelece os critérios técnicos a serem aplicados
em projeto, instalação e operação de sistemas de ventilação para cozinhas
profissionais.
NBR 14880:2002 da ABNT: Estabelece os critérios técnicos a serem aplicados
em projeto, instalação e operação de sistemas de pressurização de escadas de
segurança usadas como saídas de emergência em edifícios.
Recomendações da SMACNA (Sheet Metal and Air-Conditioning Contractors’
National Association) para construção de dutos e dampers, e para os
procedimentos de testes, ajustes e balanceamento.
Recomendações da UL (Underwriters Laboratories) para construção de
dampers.
Recomendações da norma alemã DIN 4102-6:1977 para resistência ao fogo
de dutos.
Recomendações da norma européia EN 779:2002 para testes de classificação
de filtros de ar grossos e finos.
Recomendações da norma americana USA MIL STD 282:1995 para testes de
classificação de filtros de ar absolutos.
NN 3.05, de 19 de abril de 1996, da Comissão Nacional de Energia Nuclear:
Estabelece requisitos de Radioproteção e segurança para serviços de medicina
nuclear.
Verifica-se que não há uma norma brasileira exclusiva para projetos de
sistemas de climatização de Laboratórios de pesquisa biomédica. Estes estão
inseridos em uma norma que abrange estabelecimentos de assistência à saúde.
Na classificação de risco da área, implementada e definida pela norma NBR-
7256, a mesma apresenta uma subjetividade, ao definir que nos Laboratórios NB-2
não há evidências de risco devido à qualidade do ar, embora algumas autoridades,
organizações ou investigadores sugerem que o risco seja considerado.
3.2. DESCRIÇÃO DAS NORMAS E RECOMENDAÇÕES AMERICANAS
Os Estados Unidos da América (EUA) são formados por 50 estados, e apesar
destes respeitarem a uma constituição federal, cada um tem autonomia para
desenvolver sua legislação.
15
A OSHA (Occupational Safety and Health Administration) é uma organização
federal que faz parte do Departamento do Trabalho. A sua jurisdição envolve
legislação de segurança ocupacional para os trabalhadores do setor privado dos 50
estados americanos. Os trabalhadores do setor público estadual estarão cobertos pela
legislação estadual, que deverá promover um programa estadual aprovado pela
OSHA. Este programa deve ser minimamente tão efetivo quanto o programa federal.
Uma das normas aplicáveis da OSHA é a número 1910.1450, “Occupational
exposure to hazardous chemicals in laboratories” (OSHA, 2006), que determina os
limites de tolerância de concentração de produtos químicos voláteis em laboratórios,
através dos limites permissíveis de exposição (PEL – Permissible Exposure Limits) e
do valor limite de exposição (TLV – Threshold Limit Values).
O NIOSH (National Institute for Occupational and Safety Health) é um orgão do
CDC (Centers for Disease Control), responsável pela pesquisa e desenvolvimento de
mecanismos para redução da exposição dos trabalhadores ao risco ocupacional. Suas
recomendações são amplamente adotadas na legislação da OSHA.
O NIH (National Institutes of Health) é uma organização do Departamento de
Saúde, formado por 27 institutos de pesquisa, cujo objetivo é o desenvolvimento de
pesquisa em saúde e prevenção de doenças. O CDC faz parte do NIH e promove
pesquisa microbiológica e vigilância em epidemias. Em função do pioneirismo e
excelência no campo de conhecimentos acerca de pesquisa microbiológica, a sua
norma “Biosafety in Microbiological and Biomedical Laboratories” é usada
internacionalmente. No Brasil, esta foi traduzida pela FUNASA – Fundação Nacional
da Saúde (MINISTÉRIO DA SAÚDE, 2000). As recomendações técnicas para as
atividades de projeto, construção e reforma dos laboratórios do CDC estão reunidas
no “NIH Design Requirements Manual”, editado pela Divisão de Recursos Técnicos do
NIH (2010).
A ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning
Engineers) é uma organização de desenvolvimento tecnológico em sistemas de
climatização, ventilação e refrigeração, que gera normas em todos os campos
aplicáveis, dentre as quais a ASHRAE/ANSI STD 110: "Method of Testing
Performance of Laboratory Fume Hoods”, e as recomendações técnicas do
“Handbook of Applications” para sistemas dedicados a laboratórios (ASHRAE, 2003a).
A ANSI (American National Standards Institute) possui duas normas de
aplicação direta em sistemas de ventilação e climatização de laboratórios: A norma
16
ANSI / AIHA Z9.5 – 2003, “Laboratory Ventilation”, em conjunto com a AIHA -
American Industrial Hygiene Association, e a norma NSF / ANSI 49 – 2009, “Biosafety
Cabinetry: Design, Construction, Performance, and Field Certification”, em conjunto
com a NSF- National Sanitation Foundation.
Os projetos devem ainda atender aos códigos do BOCA –Building Officials &
Code Administrators , da EPA – Environmental Protection Agency (principalmente com
relação ao gerenciamento de resíduos) e da NFPA – National Fire Protection
Association (principalmente com relação à prevenção de incêndios).
Nos Estados Unidos, há uma distinção entre Código, Norma e Recomendação
Técnica (NEUENSCHWANDER, 1997):
Código: Especificado por lei ou competência regulamentar. Cumprimento
obrigatório.
Norma: Especificado por associação profissional de acreditação técnica.
Cumprimento obrigatório, com exceção de acordo mútuo entre empreendedor
e construtores.
Recomendação Técnica: Especificado por associação profissional de
acreditação técnica. Cumprimento à critério do empreendedor.
De acordo com CRANE et RILEY (1997), mesmo que o cumprimento das
recomendações técnicas não seja obrigatório, a lei americana define um “padrão de
cuidado razoável” para profissionais como engenheiros. Neste caso, o engenheiro
deve utilizar e seguir os conhecimentos específicos que estão delineados por estas
recomendações redigidas por Organizações especializadas, a menos que compelido
por razões imperiosas para desconsiderá-las.
17
3.3. ANÁLISE DAS DIFERENÇAS NORMATIVAS NA DEFINIÇÃO DAS
BASES DE PROJETO DE SISTEMAS DE VENTILAÇÃO E AR
CONDICIONADO (VAC) PARA LABORATÓRIOS
3.3.1. COM RELAÇÃO À DEFINIÇÃO DAS CONDIÇÕES PSICROMÉTRICAS
INTERNAS
3.3.1.1. LABORATÓRIOS DE BIOSSEGURANÇA
Tabela 3.1 Condições Internas a Serem Mantidas em Laboratórios de Biossegurança
NORMAS BRASILEIRAS NORMAS AMERICANAS
ABNT ANVISA ASHRAE NIH NFPA ISO
TBS (˚C) 21 a 24 20 a 26 Conf. ISO 23 +/- 1 na 21 a 25
UR (%) 40 a 60 40 a 65 Conf. ISO 50 +/- 5 na 45 a 60
Para o caso do cálculo conforme ISO 7730 (1994), foi considerada a
paramentação padrão em laboratórios de pesquisa, constituída por jaleco fechado de
mangas longas sobre camisa de mangas longas e calça comprida, com sapatos
fechados, resultando em 1,14 clo1. O metabolismo considerado foi de 1,0 met2. A
máxima velocidade adotada para correntes de ar foi de 0,25 m/s na zona de
ocupação. Foi desconsiderada a possibilidade de fontes assimétricas e excessivas de
radiação.
As condições prescritas pelas normas Brasileiras e Americanas não
apresentam divergência para estas especificações.
3.3.1.2. LABORATÓRIOS DE BIOSSEGURANÇA ANIMAL
Neste caso, as condições internas a serem mantidas são determinadas pela
6.1.1.2.3 Resistências Elétricas para Reaquecimento
Serão aplicadas resistências de reaquecimento cuja potência dissipada é
linearmente controlada de 0 a 100%, através de módulos de potência eletrônicos.
Nesta modelagem o consumo elétrico será:
..
. ratedreheat PP
(6.6)
6.2. LABORATÓRIO-MODELO A SER ADOTADO NAS ANÁLISES
Será modelado um laboratório geral de análises em Microbiologia, estruturado
para trabalho em nível 02 de biossegurança. Apesar de diferenças específicas entre
as diversas áreas da Microbiologia e de seus procedimentos, a modelagem se propõe
a representar as características usuais da maioria dos laboratórios.
6.2.1. LEIAUTE DO LABORATÓRIO-MODELO PROPOSTO
O leiaute do laboratório foi desenvolvido de forma modular, adotando as
dimensões, folgas e áreas mínimas propostas por FABRICK (1997), para um
laboratório geral. As dimensões adotadas respeitam as folgas e dimensões mínimas
determinadas pelas normas brasileiras.
Cada módulo de projeto apresenta dimensões de 3,0m x 8,5m (largura x
profundidade). Cada laboratório-modelo utiliza 02 módulos de projeto.
O leiaute do laboratório-modelo está representado na figura a seguir:
101
Figura 6.6 Leiaute Proposto para o Laboratório-Modelo
Em função da localização contida exigida, não serão consideradas paredes e
lajes de cobertura no envelope do prédio, expostas à radiação solar.
6.2.2. CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DO LABORATÓRIO-MODELO
PROPOSTO
As características técnicas dos elementos construtivos estão lisatados na
Tabela a seguir:
102
Tabela 6.5 Características Técnicas dos Elementos Construtivos do Laboratório-Modelo
Elemento Descrição
Lajes de Piso e Cobertura
Laje de concreto, 15cm espessura; revestimento com 2,5cm de espessura de argamassa, em ambas as faces; entreforro estanque de 50cm e forro monolítico estanque em placas de gesso-acartonado com 12mm. Coeficiente Global de Transferência de Calor adotado de 2,1 W/m².ºC.
Paredes Parede Convencional, de tijolos cerâmicos furados, 9cm esp., revestida em ambos os lados com argamassa com 2,5cm de espessura. Coeficiente Global de Transferência de Calor adotado de 2,3 W/m².ºC.
No caso estudado, as superfícies limítrofes do laboratório serão consideradas
abrigadas da radiação solar, em função da localização interna contida do laboratório
exigida pelas premissas de biossegurança. Neste caso, para cada hora, a temperatura
sol-ar será numericamente igual à temperatura de bulbo seco do ar exterior.
Para a determinação dos fatores da série temporal condutiva (CTSF), foi
utilizado o aplicativo generate_CTSF, elaborado por SPITLER (2009), usando-se a
metodologia preconizada por ORDENES et al (2003) para os materias brasileiros. Os
coeficientes gerados estão representados no gráfico da figura abaixo:
0.000
0.050
0.100
0.150
0.200
0.250
0.300
0.350
0.400
0 5 10 15 20 25
t [h]
CT
SF
(t) paredes
laje de teto
Figura 6.7 – Coeficientes da série temporal condutiva (CTSF) gerados para aplicação no
caso estudado. Fonte: Aplicativo generate_CTSF (SPITLER, 2009)
103
Para a determinação dos fatores da série temporal radiante (nonsolar RTF),
foram utilizados os valores tabulados por SPITLER (2009),para uma classe de
construção de massa térmica média (MW).
Para o cômputo da carga devido à iluminação, será adotada uma taxa de
25 W/m² para a densidade de carga elétrica instalada, com fator de diversificação
de uso unitário, fator de aplicação especial também unitário e fração da energia
direcionada para o ambiente igual a 0,45 (SPITLER, 2009).
6.2.3. REGIME DE UTILIZAÇÃO DO LABORATÓRIO-MODELO PROPOSTO
O programa de necessidades proposto prevê as atividades de recepção,
análise e armazenagem de amostras de microorganismos de classe de risco 2. O
laboratório será utilizado no horário comercial, estipulado entre 08:00h e 18:00h, mas
os freezers de baixa temperatura necessitam de climatização ininterrupta para seu
funcionamento. Às 17:00h de cada dia será realizada a desinfecção de todo o material
contaminado, de forma que será considerada a operação da Autoclave apenas no
horário entre 17:00h e 18:00h.
6.2.4. ANÁLISE DE ANTECIPAÇÃO DE RISCOS DO LABORATÓRIO-MODELO
PROPOSTO
A análise de riscos biológicos enquadra o laboratório em nível 02 de
biossegurança (NB-2), envolvendo riscos de inoculação acidental e exposição à
aerosol. O procedimento de isolamento de células será realizado em ambiente à parte.
Todo procedimento com potencial de formação de aerosol será conduzido no interior
das Cabines de Segurança Biológica.
A análise de riscos químicos aponta para presença de riscos na manipulação
de produtos tóxicos voláteis em ambos os recintos envolvidos. Todo procedimento
com possibilidade de produção de vapores voláteis será conduzido no interior da
capela de exaustão do Laboratório central.
A análise de riscos físicos aponta para presença de exposição ao frio e calor
dos equipamentos laboratoriais, como freezers e autoclaves.
A figura a seguir representa o Mapa de Riscos do Laboratório:
104
Figura 6.8 Mapa de Riscos do Laboratório-Modelo Proposto
6.2.5. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR
PROJETADO DE ACORDO COM O “PROTÓTIPO-BRASIL”
Neste protótipo, as premissas de projeto serão baseadas nas normas
brasileiras (NBR-7256 da ABNT e RE-09 da ANVISA).
6.2.5.1. PREMISSAS BÁSICAS DE PROJETO
As premissas básicas de projeto são:
Vazão de ar constante (CAV), com possibilidade de recirculação de ar;
Sistemas dedicados, sendo um para o Laboratório Central e outro para a Sala
de Isolamento;
Vazão mínima de ar exterior igual a 6,0 m³/h/m²;
105
Filtragem classe G-3 da NBR-7256 da ABNT (2005);
6.2.5.2. ARRANJO BÁSICO DO SISTEMA
O arranjo básico do sistema consiste na aplicação de um condicionador de ar
tipo “fan-coil” para cada recinto atendido, conforme a ilustração da figura abaixo:
Figura 6.9 Arranjo Geral do Sistema de Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo
Proposto conforme “Protótipo-Brasil”
O arranjo do sistema da Sala de Isolamento é similar a este, com a diferença
de que não há a exaustão da capela.
106
6.2.5.3. ESTIMATIVA DE CARGA TÉRMICA DO SISTEMA
A carga térmica foi calculada de acordo com o método RTS-Radiant Time
Series, proposto pela ASHRAE (2001e), e implementada em linguagem FORTRAN,
utilizando as premissas de construção e ocupação do prédio e de operação e
ocupação do Laboratório.
A demanda térmica dos sistemas envolvidos ao longo de um dia típico de verão
está representada no gráfico abaixo:
0 5 10 15 20
0
1
2
3
4
5
6
7
Q [T
R]
t [h]
isolamento
lab. central
período de ocupação
pico pela operação da autoclave
Figura 6.10 Demanda Térmica do Sistema de Condicionamento de Ar do Laboratório-
Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil”
6.2.5.4. DIMENSIONAMENTO BÁSICO DO SISTEMA
O dimensionamento básico dos sistemas foi realizado a partir da máxima
demanda térmica calculada.
As características básicas das serpentinas de resfriamento e desumidificação
foram dimensionadas a partir do programa em FORTRAN, e estão listadas na Tabela
a seguir:
107
Tabela 6.6 Características dos Sistemas de Condicionamento de Ar do Laboratório-
Modelo Proposto conforme “Protótipo-Brasil”
Sistema Laboratório
Central
Sistema da Sala de Isolamento
Vazão de ar envolvida (L/s) 883 473
Vazão de ar exterior envolvida (L/s) 363 106
Condições do ar à entrada TBS / TBU (˚C) 28,1 / 21,5 26,7 / 20,0
Condições do ar à saída TBS / TBU (˚C) 14,5 / 14,3 14,6 / 14,5
Capacidade Frigorífica Total Necessária (kW) 24,0 9,5
A filosofia de comando envolve a aquisição dos dados do ar exterior,
processamento da entalpia associada e modulação da vazão de água gelada no 1º
estágio em função da diferença de set-point. A modulação do 2º estágio é realizada
em função da temperatura de insuflação. A temperatura ambiental interior é corrigida
pelo reaquecimento proporcional. Este sistema está representado na figura a seguir:
132
Figura 7.6 Filosofia de Comando dos 2 estágios do Sistema de tratamento dedicado do
ar exterior
O algoritmo utilizado na modelagem matemática do desempenho deste sistema
de 02 estágios para pré-tratamento do ar exterior está demonstrado a seguir:
133
Dados de entrada:
- Dia e hora de
cálculo;
- Características
serpentina;
Calcula as
condições do ar à
entrada da 1ª
serpentina
Aquisição de
dados
climáticos
Setagem das
condições
necessárias de
saída do ar
Aquisição de
dados
condições
internas
Subrotina
auxiliar:
Calcula
condições do
ar à saída da
2ª serpentina
Converge?
NÃO
SIM
Setagem da vazão
de água gelada
Necessita
reaquecimento?
Calcula
reaquecimento
necessário
FIM
SIM
NÃO
Dados de saída:
- Condições do ar
à saída;
- Vazão água
gelada;
Setagem da vazão
de água gelada
Subrotina
auxiliar:
Calcula
condições do
ar à saída da
1ª serpentina
Necessita 2º
estágio?
SIM
NÃO
Figura 7.7 Algoritmo para Simulação Operacional do Sistema de tratamento dedicado do
ar exterior com 2 estágios de resfriamento e desumidificação
134
7.5. APLICAÇÃO DE RECUPERADORES DE CALOR NO AR EXTERIOR
PARA VENTILAÇÃO DOS RECINTOS
De acordo com o Guia de Boas Práticas para Recuperação de Energia em
Ventilação de Laboratórios (WIRDZEK et Al, 2003), há um grande potencial de
recuperação de calor entre fluxos de ar envolvidos na ventilação de laboratórios. Esta
recuperação envolve geralmente transferência de calor entre uma corrente de
processo e outra de rejeito, sendo a energia útil transferida de forma a minimizar a
potência necessária no tratamento da corrente de processo. As técnicas mais comuns
estão listadas abaixo (WIRDZEK et Al, 2003):
Rodas Entálpicas: Recuperadores de calor sensível e latente entre as correntes
envolvidas, com eficiência média da ordem de 75%, mas que apresentam o
inconveniente de propiciar a contaminação cruzada entre as correntes. Este
inconveniente pode vir a ser um limitador na aplicação usando-se o ar de
descarga de recintos potencialmente contaminado com produtos químicos e/ou
biológicos.
Tubos de Calor: Esta solução envolve a aplicação de um banco de tubos que
interliga as duas correntes de ar. Há um meio de transporte no interior dos
tubos, e a troca ocorre por convecção natural. Trata-se de um recuperador de
calor sensível que apresenta a vantagem de não possuir peças móveis, mas
que demanda uma configuração de proximidade entre as correntes de ar, e
apresenta baixa eficiência global, da ordem de 45% a 65%.
Run-Around-Coil: é um recuperador de calor sensível que envolve a aplicação
de serpentinas trocando calor com as duas correntes de ar, envolvendo um
meio de transferência que é bombeado. As duas serpentinas são interligadas
por tubulações, e a troca ocorre por convecção forçada. A eficiência global é da
ordem de 65%, maior do que no caso dos tubos de calor, e em função do
bombeamento, não há a necessidade de proximidade entre as correntes
envolvidas.
A ausência de possibilidade de contaminação cruzada é uma premissa na
aplicação laboratorial. Assim, será analisada a aplicação de recuperadores do tipo
Run-Around-Coil no pré-tratamento de ar exterior. Neste caso, as serpentinas são
135
dispostas em série à montante e a jusante da serpentina tradicional de resfriamento e
desumidificação. Este arranjo é denominado Wrap-Around-Coil, e reduz a potência
necessária de resfriamento e desumidificação do ar exterior (RAMSEY, 1966,
WIRDZEK et Al, 2003), e possui um campo de aplicação em regiões de clima tropical
úmido (WIRDZEK et Al, 2003). As figuras a seguir ilustram a disposição de aplicação
dos recuperadores e a representação no diagrama psicrométrico com a economia
envolvida.
Figura 7.8 Arranjo do Sistema de tratamento dedicado do ar exterior com recuperador de
calor tipo Wrap--Around-Coil
136
Figura 7.9 Representação no Diagrama Psicromátrico do Sistema de tratamento
dedicado do ar exterior com recuperador de calor tipo Wrap--Around-Coil
A modelagem matemática da operação deste sistema envolve um processo
iterativo em que a temperatura do fluído de transporte é reajustada a partir de uma
estimativa inicial até que o critério de convergência seja atendido. Este critério envolve
o erro entre o calor absorvido pelo fluido na serpentina de reaquecimento e o calor
rejeitado na serpentina de pré-resfriamento. O algoritmo para simulação da operação
deste sistema está representado a seguir:
137
Dados de entrada:
- Dia e hora de
cálculo;
- Características
serpentina;
Aquisição de
dados
climáticos
Setagem da
temperatura do
fluido térmico no
pré-resfriador
Converge?
NÃO
SIMNecessita
reaquecimento?
Calcula
reaquecimento
necessário
FIM
SIM
NÃO
Dados de saída:
- Condições do ar
à saída;
- Vazão água
gelada;
Subrotina
auxiliar:
Calcula
condições do
ar à saída da
serpentina do
pré-resfriador
Subrotina
auxiliar:
Calcula
condições do
ar à saída
das 2
serpentinas
de
resfriamento
e desumidif.
Subrotina
auxiliar:
Calcula
condições do
ar à saída da
serpentina de
regeneração
Calcula
temperatura de
saída do fluido
térmico do
regenerador
Figura 7.10 Algoritmo para Simulação Operacional do Sistema de tratamento dedicado
do ar exterior com recuperador de calor tipo Wrap--Around-Coil
138
7.5.1. ESTIMATIVA DA CAPACIDADE DE REDUÇÃO DO CONSUMO DOS
RECUPERADORES DO TIPO WRAP-AROUND-COIL NO PRÉ-
TRATAMENTO DO AR EXTERIOR DE VENTILAÇÃO
Com intuito de se avaliar de forma individualizada a capacidade de redução do
consumo dos recuperadores de calor, será procedida a simulação de um sistema que
atende a um componente Laboratorial, que de acordo com dados do Lawrence
Berkeley National Laboratory, é responsável por intenso consumo energético em
Laboratórios de pesquisa: As capelas de exaustão e cabines de segurança biológica.
De acordo com estes dados, o consumo de uma única capela de exaustão nos
Estados Unidos é 3,5 vezes maior do que o de uma residência familiar. Este consumo
não contabiliza apenas a potência dos ventiladores para movimentação do ar, mas
também a potência frigorífica e o reaquecimento necesssário ao resfriamento e
desumidificação do ar exterior de reposição (make up air).
Assim, será procedida a análise sobre o seguinte sistema modelado: O sistema
de exaustão e fornecimento de make-up air para uma cabine de segurança biológica
classe II-B2 ou capela de exaustão química grande. Ambos os equipamentos
demandam uma vazão de exaustão de 1.500 m³/h (417 L/s). O sistema será
dimensionado para fornecimento “neutro” de make-up air (às mesmas condições do ar
interior), a partir de um condicionador dedicado operando em regime de 100% de ar
exterior (DOAS). Não serão consideradas cargas internas ao recinto, para efeito de
avaliação isolada do impacto energético do pré-tratamento do ar de reposição. Tal
hipótese não diverge de algumas situações práticas, nas quais a capela é instalada
em uma sala fechada, fazendo fronteira com ambientes climatizados, e possuindo
apenas um ocupante e uma lâmpada como fontes de calor.
139
Figura 7.11 Arranjo do Sistema de exaustão e ventilação para Cabine de Segurança
Biológica Classe II-B2
Serão realizadas duas simulações: A primeira consiste na estimativa do
desempenho do condicionador de ar tradicional, usando água gelada e reaquecimento
elétrico proporcional, sem qualquer tipo de recuperador. A segunda consiste na
estimativa do desempenho deste mesmo condicionador com a aplicação de um
recuperador do tipo Wrap-Around-Coil.
A modelagem será realizada com base na implantação do sistema na cidade
do Rio de Janeiro, operando diariamente de 08:00h às 18:00h.
O gráfico a seguir apresenta o desempenho comparativo de um dia típico de
verão.
140
8 10 12 14 16 18
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
P' ft, P
' rea
qu
ecim
en
to [kW
]
t [h]
P'ft, com recuperador
P'ft, sem recuperador
P'reaquecimento
, com recuperador
P'reaquecimento
, sem recuperador
Figura 7.12 Desempenho do Sistema de pré-tratamento de ar de ventilação para Cabine
de Segurança Biológica Classe II-B2
Na hora de pico de verão, a redução estimada na capacidade de resfriamento e
desumidificação é da ordem de 25%, enquanto que a redução na capacidade de
reaquecimento é da ordem de 95%.
Os resultados da simulação anual de desempenho para o caso tradicional (sem
recuperador) estão demonstrados no gráfico a seguir:
141
5.309
3.257
0
4.194
705
705
705
705
4.661
3.951
3.537
4.208
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
VERÃO OUTONO INVERNO PRIMAVERA
kW
h
aquecimento
ventiladores
chillers
Figura 7.13 Simulação anual do Consumo Elétrico do Sistema de exaustão e pré-
tratamento de ar de ventilação para Cabine de Segurança Biológica Classe II-B2
Os resultados da simulação anual de desempenho para o caso em que há
aplicação do recuperador estão demonstrados no gráfico a seguir:
142
4.274
2.815
0
3.624
743
743
743
743
1.489
2.571
2.827
2.435
0
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
VERÃO OUTONO INVERNO PRIMAVERA
kW
h
aquecimento
ventiladores
chillers
Figura 7.14 Simulação anual do Consumo Elétrico do Sistema de exaustão e pré-
tratamento de ar de ventilação para Cabine de Segurança Biológica Classe II-B2-com
recuperador de calor
O consumo anual estimado para o caso sem recuperador é de 31.936 kWh,
enquanto que a aplicação do recuperador de calor reduz este consumo para 23.245
kWh (redução de 27%). Considerando-se um consumo médio de uma casa popular de
família de baixa renda de 220 kWh / mês (ANEEL, 2010), verificamos que o consumo
operacional desta cabine é equivalente ao consumo de 12 casas populares brasileiras.
A aplicação de um recuperador de calor no sistema de uma cabine disponibiliza, para
o sistema elétrico brasileiro, uma economia de energia capaz de abastecer 3 casas
populares. Dados do EIA - U.S. Energy Information Administration estimam que o
consumo médio de energia de uma família americana em 2008 era de 920 kWh por
mês. Assim, o consumo de energia de uma capela de exaustão é equivalente ao
consumo de 3 famílias americanas, tal qual os dados do Lawrence Berkeley Nacional
Lab. Quando traduzido para a realidade brasileira, este consumo equivale ao de 12
famílias brasileiras de baixa renda.
143
7.6. SOLUÇÃO TÉCNICA DE CLIMATIZAÇÃO A SER ADOTADA NO
PROJETO PROPOSTO
As características técnicas básicas do sistema de climatização proposto no
projeto energeticamente racional estão listadas abaixo:
7.6.1. SISTEMA DE VENTILAÇÃO MECÂNICA COM PRÉ-TRATAMENTO DE
AR EXTERIOR
Todo ar exterior envolvido no projeto será pré-resfriado, pré-desumidificado e
filtrado por um equipamento dedicado (DOAS) antes de ser fornecido diretamente aos
recintos envolvidos. A classe final de filtragem proposta será F-9 (MERV 15), de forma
a garantir a pureza do ar mesmo em condições externas de elevada poluição. Tal fato
é justificado por DELUGA (1997), que considera como objetivo fundamental do
sistema a manutenção das condições internas dentro dos parâmetros necessários
para validação das pesquisas. Ressalta-se, entretanto, que esta classe de filtragem
deve ser revisada em função da concentração média de poluentes externos ao local
de implantação. Está sendo considerada nesta análise a implantação em ambiente
urbano próximo a zona industrial e a avenidas de alto tráfego, com picos de
concentração de particulado PM 2,5 da ordem de 90 μg/m³ (ZHAO et al, 2009). Com
intuito de aumentar a vida útil deste filtro, e reduzir os custos de reposição prematura,
serão aplicados pré-filtros de menor custo com função de reter o particulado grosso.
Como medida de aumento da autoridade de controle, a serpentina principal de
resfriamento e desumidificação será subdivida em 02 estágios, acionados de acordo
com a demanda. Serão adotadas duas medidas de racionalização do uso de energia:
A aplicação de recuperador de calor do tipo Wrap-Around-Coil e a aplicação de
inversor de freqüência no motor de ventilador. Esta última medida tem por objetivo
reduzir o consumo devido à movimentação do ar nos períodos em que os filtros não
estão saturados. Tal solução é justificada pelos guias de boas práticas dos
Laboratories for the 21st Century (WEALE et Al, 2005), que identificam alto potencial
de redução de consumo energético nos sistemas de movimentação de ar em
laboratórios. Também é justificada pela alta perda de carga destes filtros, quando
saturados. Como os sistemas são dimensionados para uma condição extrema, esta
solução possibilita uma redução de consumo na maior parte de vida útil operacional
destes filtros, quando apresentarão perda menor do que a de projeto. Assim, a função
do sistema de controle será modular a rotação do ventilador de acordo com a curva do
144
sistema (variável principalmente em função do nível de saturação dos filtros), de forma
a proporcionar uma vazão constante de ar exterior de ventilação. Para o alcance desta
premissa, deverão ser aplicadas caixas terminais de controle de vazão constante,
independentes de pressão. Estas caixas possuem um tubo de pitot interno e um
processador incoporado, que permitem a leitura da vazão e o ajuste de um registro de
modo a corrigi-la de acordo com o set-point desejado.
No modelo proposto, seriam fornecidos 02 equipamentos dedicados ao ar
exterior, um para cada ala, crítica e semi-crítica. O que atende à esta área seria
dimensionado para prover uma taxa de ar exterior compatível com o uso racional da
ventilação geral diluidora. As taxas propostas são:
Preparo e Análise de Amostras: 4 ACH (Valor mínimo exigido pelas normas
americanas, e compatível com o desempenho racional da ventilação diluidora);
Armazenagem de Amostras: 2 ACH (Área em que não são realizados
procedimentos, apenas estoque);
O que atende à área crítica seria dimensionado em função da vazão
demandada pelas cabines de segurança e capelas, conforme será detalhado
posteriormente.
A figura abaixo ilustra a disposição dos equipamentos dedicados ao tratamento
de ar exterior (DOAS) a serem aplicados:
Figura 7.15 Arranjo do Sistema Dedicado de Pré-Tratamento de Ar (DOAS) proposto
145
7.6.2. SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO DOS RECINTOS SEMI-CRÍTICOS
Os recintos semi-críticos serão zoneados individualmente, sendo cada recinto
atendido por um equipamento dedicado. Tal solução se justifica pelo
acompanhamento da solução arquitetônica de compartimentalização dos recintos e
segregação dos riscos. Reduz, portanto, a possibilidade de contaminação cruzada e
exposição a riscos entre recintos diferentes. Como a segregação dos espaços resulta
na ausência de produtos químicos e aerosol biológico na zona respirável destes
recintos, será permitida a recirculação do ar para estes sistemas. Ressalta-se que
serão manipuladas amostras em pequena quantidade e com procedimentos de baixo
potencial de aerosolização. Estes, por sua vez, serão consuzidos no interior de
cabines de segurança biológica, se eliminando, portanto o risco da presença de
aerosol biológico no ar respirável dos ambientes. Caso haja um risco maior envolvido
nos processos, estes deverão ser conduzidos na área crítica. Esta solução atende
integralmente às normas americanas e brasileiras.
Os equipamentos operarão em regime de V.A.V. (Vazão de Ar Variável). Tal
solução é uma exigência da norma americana ASHRAE Std. 90.1 (WEALE et Al, 2005)
e contribui com a redução do consumo em carga parcial. A sua aplicação é
extremamente simplificada em função do desacoplamento do ar exterior e do
atendimento dedicado a um único recinto.
A classe de filtragem de ar recirculado no condicionador será F-5 (MERV-10),
justificada pela ausência de fontes produtoras de particulado fino no laboratório e pela
elevada eficiência contra particulado grosso. Tal solução também evita a entrada de
esporos de fungos na serpentina e bandeja do condicionador, reduzindo-se a
possibilidade de Amplificação e contribuindo-se para a qualidade do ar-interior.
Como o ar exterior será pré-tratado e insuflado diretamente nos recintos
envolvidos, os equipamentos não precisam ser dimensionados para combater à carga
devido ao ar-externo, e funcionarão apenas recirculando o ar laboratorial. Sua
serpentina passa a ser dimensionada apenas para as cargas internas, que possui um
perfil com menor variação, e proporciona, então um controle mais simples e preciso.
Dependo do tamanho da serpentina, a válvula de controle pode ser do tipo “on-off”,
uma vez que não há o risco do aumento da umidade em cargas parciais devido ao
pré-tratamento do ar exterior de ventilação. Esta solução confere ao sistema
características operacionais similares ao sistema com “face by-pass”, mas com a
vantagem da simplificação de controle operacional.
146
Finalmente, os equipamentos envolvidos não necessitam de elevado rigor de
estanqueidade construtiva, já que os filtros de maior eficiência estarão no sistema
desacoplado de pré-tratamento de ar exterior, resultando no fato de que as pressões
envolvidas não serão elevadas. Esta solução possibilita, portanto, a aplicação de
equipamentos comerciais leves, que apresentam menor custo, dimensão e maior
simplicidade de manutenção.
A figura abaixo ilustra a disposição típica dos equipamentos a serem aplicados
nos recintos semi-críticos:
Figura 7.16 Arranjo Típico do Sistema Proposto para Climatização dos Recintos Semi-
Críticos
O controle dos sistemas destes recintos semi-críticos será de acordo com o
fluxograma a seguir:
147
Figura 7.17 Fluxograma de Controle Proposto para Sistemas Dedicados aos Recintos
Semi-críticos
7.6.3. SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO DOS RECINTOS CRÍTICOS
Os recintos críticos serão dotados de EPCs (Equipamentos de Proteção
Coletiva) que demandam operação dos equipamentos de climatização em regime de
100% de ar exterior. Tal solução se justifica pelo objetivo de compor uma solução com
máximo rigor na segurança ocupacional, e pelo caráter de maior dificuldade na
antecipação de riscos. A aplicação do regime de 100% de ar exterior também se
justifica pelo fato de que nestes recintos serão realizados procedimentos com maior
potencial de aerosolização de material biológico, e haverá manipulação de produtos
químicos voláteis. Não se torna possível, portanto, garantir a ausência total de
produtos químicos e aerosol biológico na zona respirável destes recintos, requisito
exigido pelas normas americanas e brasileiras para possibilitar a recirculação de ar. A
vantagem da segregação dos espaços é que se possibilita a aplicação deste regime
mais rigoroso apenas em parte da instalação laboratorial, e não em sua totalidade.
148
As Salas de Isolamento de Células (Maior Risco Biológico) e de Preparo de
Meios e Soluções (Maior Risco Químico) serão mantidas em nível de pressurização
negativa em relação à atmosfera. O acesso à elas será através de uma antecâmara
pressurizada (air-lock), com controle de acesso e sistema de intertravamento de
portas. A sala de isolamento será equipada com uma CSB (Cabine de Segurança
Biológica) classe II-B2, e a Sala de Preparo de Soluções será equipada com uma
Capela de Exaustão. Estes recintos e a antecâmara também serão dotados de um
sistema de renovação mínima de ar, que possibilitem um nível mínimo de trocas
horárias (ACH) e pressurização relativa constante. O conjunto destas soluções de
engenharia possibilita o uso racional das técnicas de ventilação geral diluídora,
exaustão local e isolamento das fontes, maximizando-se a segurança dos
trabalhadores, dos demais setores da edificação e do meio-ambiente externo.
Como os sistemas que operam em regime de 100% de renovação são intensos
consumidores de energia, serão propostas algumas técnicas de racionalização,
conforme listado abaixo:
a) Aplicação de Sistemas Dedicados de Pré-Tratamento de ar (DOAS) para o ar
de reposição (make up air) das Cabines e Capelas:
Este sistema possuirá as mesmas características dos DOAS já
discutidos, contendo, inclusive, os recuperadores de calor do tipo wrap-
around-coil. Serão dimensionados com vazão compatível com as das cabines e
capelas envolvidas, objetivando-se o fornecimento de ar neutro aos recintos.
b) Diversificação de uso das Capelas e Cabines:
Como a CSB e a Capela de Exaustão possuem vazão similar, é
proposto o uso do mesmo DOAS para fornecimento do make-up air de ambas.
Tal solução possibilita a redução da carga instalada, por aplicar um
equipamento dimensionado para metade da vazão total. Demanda uma
programação horária de uso alternado das salas. Esta solução de uso racional
necessita da aprovação e controle do chefe de laboratório, mas se demonstra
factível, uma vez que o horário disponibilizado ao preparo de soluções e
reagentes pode ser programado junto aos usuários. Sua aplicação demanda a
instalação de um registro de bloqueio estanque nos dutos de suprimento de
cada ambiente. Estes registros são intertravados eletricamente, de forma que o
ar exterior pré-tratado é fornecido para um ambiente ou outro, de acordo com a
escolha do usuário.
149
c) Aplicação de Sistema de Climatização Dedicado Complementar Apenas à Sala
de Isolamento:
Esta solução contempla o controle rigoroso de temperatura e umidade
apenas na Sala de Isolamento, onde o tempo de ocupação é maior. O sistema
dedicado, também em regime de operação em 100% de ar exterior, é
dimensionado para suprir uma vazão mínima necessária ao combate das
cargas térmicas envolvidas e a mínima taxa de renovação de ar. Como esta
vazão é desacoplada daquela necessária à reposição do ar de exaustão da
cabine, é possível uma redução na carga instalada.
Como a Sala de Preparo é um recinto de curto tempo de exposição, a
climatização da mesma será mantida de forma menos rigorosa pelo sistema
DOAS apenas.
d) Subdivisão da Tarefa de Resfriamento e Desumidificação em 2 serpentinas
discretas:
A tarefa de resfriamento e desumidificação do condicionador de ar da
Sala de isolamento, operando em regime de 100% de ar exterior, será
subdividida em duas serpentinas, acionadas de acordo com a demanda. Tal
solução, já discutida anteriormente, promove um controle mais preciso em
cargas parciais, e reduz a potência necessária com reaquecimento.
e) Aplicação de Inversor de Frequência nos Ventiladores Envolvidos:
Esta solução contempla a redução do consumo de energia em função
do grau de saturação dos filtros. Os sistemas são dimensionados para
operação em vazão constante (CAV). Para controle preciso da vazão, serão
aplicadas caixas terminais de vazão constante, independentes de pressão.
A figura a seguir ilustra a disposição típica dos equipamentos a serem
aplicados nos recintos semi-críticos:
150
Figura 7.18 Arranjo Típico do Sistema Proposto para Climatização dos Recintos Críticos
151
7.7. RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES
As simulações foram realizadas de acordo com os métodos e modelos já
apresentados nos capítulos anteriores, implementados em linguagem FORTRAN.
Foram aplicadas as mesmas premissas de desempenho de equipamentos, e os
resultados de desempenho ao longo de um ano-típico, para a cidade do Rio de
Janeiro, encontram-se no quadro e gráfico abaixo:
Tabela 7.2 Resultados da Simulação do Consumo Elétrico dos Sistemas de
Condicionamento de Ar do Laboratório-Modelo Proposto
Chillers (kWh)
Bombas (kWh)
Ventiladores (kWh)
Aquecimento (kWh)
Total (kWh)
VERÃO 15.261 962 2.072 837 19.132
OUTONO 10.334 551 1.893 466 13.245
INVERNO 7.601 336 1.916 547 10.400
PRIMAVERA 12.295 711 1.911 421 15.339
Totalização 45.491 2.561 7.792 2.271 58.115
15.261
10.3347.601
12.295
962
551336
711
2.072
1.893
1.916
1.911
837
466
547
421
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
45.000
VERÃO OUTONO INVERNO PRIMAVERA
kW
h
aquecimento
ventiladores
bombas
chillers
Figura 7.19 Simulação do Consumo Elétrico Anual do Sistema de Condicionamento de
Ar do Laboratório-Modelo Proposto
152
7.8. ANÁLISE DOS RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES
Analisando-se os resultados, observa-se que o sistema proposto apresenta
uma redução de consumo de 6% em relação ao “Protótipo-Brasil”, já modificado para
operação em VAV. Entretanto, torna-se mais correta uma comparação com o
“Protótipo-EUA”, que possui um rigor compatível em termos de segurança
ocupacional. Procedendo-se esta comparação, a redução estimada de consumo
energético é da ordem de 36%.
Os critérios de comparação também devem envolver os custos iniciais e as
áreas técnicas necessárias. Embora não seja escopo deste trabalho, foi feita uma
estimativa destes parâmetros.
A área técnica necessária para implantação dos equipamentos do projeto
proposto é de cerca de 75% da área laboratorial. No caso da implantação do
“Protótipo-EUA”, esta área é de cerca de 50% da área laboratorial. Em ambos os
casos, observa-se o impacto na área construída, resultante da adoção de um maior
rigor nos sistemas de climatização. Verifica-se, portanto, que a aplicação de um
pavimento técnico corrido, imediatamente acima dos laboratórios torna-se imperiosa.
O custo de implantação do sistema proposto é cerca de 55% maior do que
aquele para implantação do “Protótipo-EUA”, principalmente em função da maior
quantidade de equipamentos envolvidos.
Entretanto, se comparamos os custos iniciais dos sistemas elétricos, o
Laboratório Proposto apresenta uma redução de 30% da carga elétrica instalada em
relação ao “Protótipo-EUA”, refletindo-se, portanto, em uma economia no custo inicial
das instalações elétricas.
O desacoplamento do ar exterior reduz a complexidade de controle, assim
como a aplicação das caixas terminais de controle de vazão, microprocessadas e com
controle independente de pressão promove um balanceamento automático da
instalação, reduzindo, portanto, o tempo de comissionamento.
Por fim, procedendo-se uma estimativa do tempo de retorno simples do
investimento (sem taxa de juros), encontramos um valor aproximado entre 5 a 8 anos.
A vida útil estimada deste sistema é de 23 anos (ASHRAE, 2000).
153
8. CONCLUSÃO
Em função das análises comparativas efetuadas, podemos observar que:
A técnica de Ventilação Geral Diluídora apresenta eficiência limitada na
proteção dos pesquisadores à concentrações perigosas de contaminantes
aéreos químicos e biológicos.
Quanto maior for o percentual de ar exterior envolvido, maior será a
complexidade de controle de temperatura e umidade aplicando-se os sistemas
tradicionais, assim como os gastos energéticos para o alcance destas tarefas.
O desacoplamento do tratamento do ar exterior em uma unidade dedicada
reduz o consumo do sistema e simplifica o sistema de controle, permitindo,
também o uso racional da filtragem de ar com eficiência elevada.
A aplicação de recuperadores de calor no sistema de tratamento de ar exterior
apresenta um significativo potencial de redução de consumo energético.
A segregação dos riscos envolvidos em ambientes separados, atendidos por
equipamentos dedicados, simplifica o sistema de controle e permite o alcance
de redução de consumo energético.
Uma análise criteriosa envolvendo uma equipe multidisciplinar pode
proporcionar a execução de uma instalação com características compatíveis
com normas internacionais de Biossegurança, mantendo-se um perfil
simplificado e um consumo racional de energia.
Podemos destacar também a dificuldade envolvida na elaboração das
premissas de projeto de um laboratório de pesquisa em Microbiologia, e a quantidade
de informações que se tornam necessárias para este feito. Ressalta-se que o alcance
de um projeto racional só se torna viável com a participação de uma equipe
154
multidisciplinar. Tal fato é justificado em função de que a solução proposta de
segregação dos riscos só é alcançada com uma participação estreita entre arquitetos,
pesquisadores, engenheiros de segurança de trabalho e projetistas mecânicos.
Podemos concluir que a análise de antecipação de riscos passa a ser uma ferramenta
fundamental para o alcance desta solução racional.
Como sugestão para trabalhos futuros, podemos considerar a implantação de
experimentos em laboratório, envolvendo condicionadores de ar dedicados ao pré-
tratamento de ar exterior, com e sem economizador tipo wrap-around-coil, para se
mensurar a efetiva redução de consumo elétrico oriunda deste elemento.
155
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