EFEITOS DA TEMPERATURA OPERATIVA E DO NÍVEL DE CO 2 NO CONSUMO DE ENERGIA EM AMBIENTES ARTIFICIALMENTE CLIMATIZADOS

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1 EFEITOS DA TEMPERATURA OPERATIVA E DO NÍVEL DE CO 2 NO CONSUMO DE ENERGIA EM AMBIENTES ARTIFICIALMENTE CLIMATIZADOS Elaine G Ferreira (1) ; Eliane H Suzuki (2) ; Racine T A Prado (3) (1) Escola Politécnica Universidade de São Paulo, Brasil elainegf@usp.br (2) Escola Politécnica Universidade de São Paulo, Brasil eliane.suzuki@usp.br (3) Escola Politécnica Universidade de São Paulo, Brasil racine.prado@poli.usp.br Resumo Nos últimos anos tem havido um aumento no interesse pelo conforto térmico e qualidade do ar de ambientes internos associado aos sistemas de ventilação mecânica e condicionamento do ar. Desta forma, este trabalho teve como finalidade relacionar os níveis dos principais parâmetros dos referenciais nacionais e internacionais de conforto térmico e qualidade do ar e a influência dos mesmos no consumo de energia. Assim, verificou-se a situação em que se encontram esses ambientes por meio de uma investigação de campo em ambientes internos públicos climatizados artificialmente. Foram coletados os parâmetros ambientais de conforto térmico, tais como: temperatura, umidade relativa e velocidade do ar, e como indicador de qualidade do ar, a concentração de CO 2. Os dados coletados foram analisados segundo a conformidade com os referenciais técnicos e as consequências para o consumo de energia quando os parâmetros extrapolam os limites estabelecidos. Observou-se um aumento no consumo energético associado à temperatura operativa fora das faixas recomendadas e uma diminuição desse consumo relacionado ao aumento da concentração de dióxido de carbono e, consequentemente, uma diminuição da qualidade do ar. O estudo desenvolvido pode contribuir para uma melhoria das condições de operação dos edifícios climatizados artificialmente proporcionando conforto térmico e qualidade do ar aos usuários, além da utilização eficiente dos sistemas de climatização relacionada à diminuição no consumo energético. Palavras-chave: conforto térmico, qualidade do ar interior, consumo energético. Abstract In recent years there has been an increased interest in thermal comfort and air quality of indoor environments associated with mechanical ventilations system and air conditioning. Thus, this study aimed to relate the levels of the main parameters of national and international standards for thermal comfort and air quality and their influence on energy consumption. So, the situation in those environments had been checked by means of a field research in indoor air conditioned environments. It was collected environmental thermal comfort parameters such as temperature, relative humidity and air velocity, and also CO 2 as an indicator of indoor air quality. The collected data were analyzed according to compliance with technical references and the consequences of energy consumption when the parameters go beyond the limits. It was found that there was as an increase in energy use associated with the operative temperature outside the ranges recommended and that there is a reduction in consumption related to CO 2 concentration and hence, a decrease in air quality. This study may improve the operating conditions of mechanically ventilated buildings due to provide users thermal comfort and air quality, as efficient use of air conditioning systems related to energy consumption decrease. Keywords: thermal comfort, indoor air quality, energy consumption. 1025

2 1. INTRODUÇÃO 1.1. Eficiência Energética Nos edifícios corporativos, o custo com manutenção e operação é relativamente alto se comparado ao custo total do empreendimento. Nesta fase, a possibilidade de intervenção é pequena se comparada à fase de projeto e por isso, as medidas de eficiência energética e conservação de insumos deveriam ser idealmente empregadas na concepção do projeto, a fim de evitar gastos excessivos durante a operação do edifício. Para cumprir as exigências atuais das grandes empresas, os edifícios devem contar com fornecimento suficiente de energia para iluminação, sistema de condicionamento de ar, uso simultâneo de microcomputadores e outros equipamentos de informática, além de prover o sistema de automação do edifício, de elevadores e de segurança. Dentre os sistemas prediais, o ar condicionado constitui um uso final responsável por elevados consumos de energia em edifícios de escritórios e hospitais. Embora dispendioso, é um item indispensável neste tipo de edificação, sobretudo por afetar diretamente a sensação térmica e o rendimento dos usuários. As principais razões para a demanda crescente de energia para condicionamento de ar, no verão, são as crescentes cargas térmicas, crescentes padrões de vida e demandas por conforto dos ocupantes, assim como as características e tendências arquitetônicas dos edifícios, como a crescente razão entre superfícies transparentes e opacas no envelope do edifício até os populares edifícios de vidro (HENNING, 2007). Para Lombard et al. (2008), a intensificação do consumo de energia para os sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado tornou-se quase tão indispensável quanto à expansão da demanda por conforto térmico, fazendo com que tais sistemas correspondam em um maior uso de energia tanto no setor residencial quanto não residencial. De acordo com a Eletrobrás, calcula-se que cerca de 50% da energia elétrica produzida no Brasil seja utilizada na operação e manutenção de edifícios, e nos sistemas artificiais, tais como ar condicionado, iluminação e aquecimento de água. Segundo Simmonds (1993) apud Corgnati et al. (2008) tem havido um aumento no interesse na avaliação da demanda energética nos edifícios tanto para aquecimento quanto para resfriamento. Isso é devido ao fato de que uma redução na demanda de energia pode também levar a uma diminuição do nível de conforto; porém, está claro que uma maior demanda energética deve ser prevista para um aumento da procura pelo conforto. Este fato deve-se ao acesso às novas tecnologias que proporcionam conforto e qualidade de vida, tendência dos países em desenvolvimento, como é o caso do Brasil, por exemplo Conforto térmico e qualidade do ar Os referenciais técnicos de conforto térmico e de qualidade do ar têm como objetivo prover ambientes adequados, respeitando os usos e atividades exercidas em cada caso. Com relação ao conforto térmico, as normas ISO 7730 (2005) e a ASHRAE 55 (2004) se basearam no estudo de Fanger (1972) para quantificar e qualificar a sensação térmica a partir da equação de conforto, que relaciona parâmetros ambientais como temperatura de bulbo seco, umidade relativa, velocidade do ar e temperatura radiante média. Em algumas edificações, como as hospitalares, por exemplo, o controle desses parâmetros é importante não somente para fornecer conforto, ele auxilia em uma variedade de funções médicas, tais como: controle de infecção, controle ambiental para tratamentos médicos específicos, controle de riscos químicos e segurança de pessoas na detecção e contenção de 1026

3 fumaça e incêndios (ASHRAE, 2003). Nesse sentido, os sistemas de ventilação e de ar condicionado tornam-se importantes aliados no controle das condições do ar interno, fornecendo renovação, por meio de trocas com o ar externo e filtragem adequada, reduzindo partículas do ar recirculado. Dessa forma, a qualidade do clima interno é afetada igualmente pelo sistema HVAC (Heating, ventilation and air conditioning), qualidade da construção, material e operação do edifício. Estes aspectos devem ser levados em consideração durante as etapas de projeto, construção e manutenção do edifício (ISAIQ-CIB TG42, 2004). Hoje, os bons sistemas de ventilação e ar condicionado são concebidos de forma a fornecer níveis adequados de temperatura e umidade, livre de concentrações nocivas de poluentes, proporcionando sensações de conforto aos usuários. Entretanto, a falta de manutenção pode afetar a qualidade do ar interior quando a ventilação nos ambientes não for adequada, isto é, quando os processos relacionados à tomada de ar externo, condicionamento e mistura do ar interno, boa distribuição do ar no ambiente e renovação do ar apresentarem deficiências de operação. Isso é especialmente fundamental em hospitais, onde a transmissão da contaminação pelo ar é a segunda causa mais comum de aquisição de doenças por pacientes, profissionais de saúde e visitantes (CHEONG et al., 2006). A norma brasileira NBR (2008) de projetos de sistemas de ar condicionado estabelece faixas ideais de operação para conforto térmico e qualidade do ar interior, adaptadas à realidade brasileira. Outra referência muito utilizada neste quesito é a Resolução n 9 da ANVISA, da Agência Nacional de Vigilância Sanitária, que oferece informações a respeito de níveis de concentração de poluentes e método de medição em ambientes públicos. A Tabela 1 relaciona os principais parâmetros das normas nacionais e internacionais de conforto térmico e qualidade do ar: ISO 7730 (2005), ASHRAE 55 (2004), ABNT NBR (2008) e Resolução nº9 da ANVISA (2003). Tabela 1 Critérios de projeto estabelecidos pelos referenciais normativos para atividade sedentária (70 W/m²) durante o verão. Categoria da edificação T o (ºC) UR (%) V ar (m/s) CO 2 (ppm) ISO 7730, 2005 / ASHRAE 55, 2004 A 24,5 ± 1,0 0,12 B 24,5 ± 1,5 40 a 60 0,19 C 24,5 ± 2,5 0,24 - NBR 16401, ,5 a 25,5 65 0,20 (distribuição de convencional) - 23,0 a 26,0 35 0,25 (distribuição de ar por sistema de fluxo de deslocamento) - R9 ANVISA, a 26 < 65 0,25 <

4 2. OBJETIVO O trabalho teve como objetivo relacionar os níveis dos principais parâmetros dos referenciais nacionais e internacionais de conforto térmico, tais como: temperatura, umidade relativa e velocidade do ar, e como indicador de qualidade do ar, a concentração de CO 2 e a influência dos mesmos no consumo de energia, quando esses parâmetros extrapolam os limites estabelecidos. 3. MATERIAIS E MÉTODOS São descritos, nos próximos itens, o critério de escolha da amostra, a instrumentação utilizada e como foi feita a investigação de campo, de modo geral. As medições foram realizadas com o mesmo conjunto de equipamentos, devidamente calibrados. O tempo de medição e os pontos de coleta dos parâmetros ambientais foram determinados de acordo com análise estatística a partir dos desvios encontrados nas medições das primeiras amostras e em locais indicados pelos gerentes de facilidades com maior número de reclamações Composição da amostra Utilizaram-se as amostras de duas pesquisas realizadas (Suzuki, 2010; Ferreira, 2012) em ambientes climatizados artificialmente que consistiram na coleta de informações em ambientes térmicos, a partir de medições in loco. A amostragem foi, então, constituída de cinco edifícios de escritório, com elevada tecnologia e representativos das correntes arquitetônicas contemporâneas, denominados E1, E2, E3, E4 e E5, e cinco salas de espera, para pacientes, em edifícios hospitalares, denominados H1, H2, H3, H4 e H5, na cidade de São Paulo. Os sistemas de condicionamento de ar encontrados nos locais foram os do tipo expansão direta, Split System, e do tipo expansão indireta, central de água gelada constituída de chiller e fan coils, com sistema de distribuição do ar do tipo VAV (volume de ar variável) e VAC (volume de ar constante) Instrumentação As medições em campo tiveram como finalidade a avaliação de ambientes térmicos de um modo geral e, para isto, foram utilizados dois instrumentos de medição, o medidor de dióxido de carbono e o confortímetro. Para medição do CO 2, utilizou-se um monitor da marca TSI, modelo 7535, do tipo infravermelho não dispersivo com comprimento de onda duplo (dual-wavelenght NDIR), a tecnologia mais difundida ultimamente para aplicações em qualidade do ar interior (ASHRAE, 2009). O confortímetro da marca DeltaOhm, modelo HD 32.1, foi utilizado para análise microclimática. O equipamento é constituído de um tripé, hastes de apoio para sondas, cabos e sondas para medição dos parâmetros ambientais e de desconforto local. Possui dois sistemas operacionais: (A) Análise de microclima e (B) Análise de desconforto. Entre as variáveis coletadas pelo equipamento de conforto, foram utilizados, neste trabalho, os dados de temperatura de bulbo seco e umidade relativa do ar. 1028

5 3.3. Investigação de campo A instrumentação, no local, foi instalada após verificação do sistema de ar condicionado e dos problemas apontados pelos gerentes de facilidades de ambos os ambientes. As atividades e vestimentas foram definidas através de observação visual da rotina dos edifícios corporativos e do movimento de pessoas nas salas de espera. A investigação de campo foi realizada durante os meses de dezembro de 2009, janeiro e fevereiro de 2010, nos edifícios de escritórios, e nos meses de novembro e dezembro de 2011, janeiro e fevereiro de 2012, em edifícios hospitalares Simulação Com base nos resultados obtidos, nos edifícios de escritório, foram feitas simulações considerando ambientes hipotéticos, porém com geometrias semelhantes, utilizando os dados coletados como dados de entrada para simulação. Para isso, foi utilizado o software EnergyPlus, desenvolvido pelo Departamento de Energia dos EUA. Em salas de espera para pacientes, em edifícios hospitalares, utilizaram-se as equações da Britsh Standard, 1991, variando-se a concentração de CO 2, do ambiente interno, utilizada como indicador de qualidade e renovação do ar interno. 4. ANÁLISE DOS RESULTADOS A partir da coleta dos dados, observou-se que em ambientes hospitalares, a temperatura operativa encontrada estava dentro da faixa de conforto estipulada pelas normas de conforto térmico. No entanto, os níveis de dióxido de carbono, na maioria das amostras, estavam acima da concentração de 1000 ppm determinada pela Resolução nº 9 da ANVISA. Já nos ambientes de escritório, a situação encontrada foi inversa: na maioria dos casos, a concentração de CO 2 estava abaixo dos 1000 ppm, enquanto que a temperatura operativa, muitas vezes estava abaixo da temperatura de setpoint, conforme podem ser observadas nas Figuras 1 e 2. Figura 1 Valores da concentração de CO 2 em cinco salas de espera de edifícios hospitalares. 1029

6 As temperaturas operativas monitoradas nos edifícios de escritórios são apresentadas na Figura 2, com a reta ideal de 24,5 C e as retas dos limites da ISO 7730 (2005) e ASHRAE 55 (2004). Os limites máximo e mínimo dos dados encontrados foram, respectivamente, de 25,3 C e 21,7 C. Figura 2 Valores de temperatura operativa em cinco edifícios de escritório. A partir do processamento dos dados, tanto de temperatura operativa para ambientes de escritório, como para concentração de dióxido de carbono para ambientes hospitalares, foram feitas simulações a fim de detectar o impacto dessas informações no consumo de energia. A simulação foi feita com sistema de ar condicionado compacto, de expansão direta, com equipamento de COP (Coefficient of performance) de 3,5. A fim de verificar tal potencial de economia de energia, no caso dos edifícios de escritório da amostra, foi feita uma simulação no software EnergyPlus 5.0 com modelagem de um edifício de escritórios hipotético utilizado na pesquisa de Bessa (2010), com cerca de 1000 m 2, pé direito de 2,70 m. A Erro! Fonte de referência não encontrada., a seguir, mostra o resultado da simulação de Suzuki (2010), em termos de consumo de energia total pelo sistema de ar condicionado (HVAC). Foram simuladas 3 temperaturas diferentes de setpoint, 19,1 C, que foi a menor média encontrada nas suas amostras; 23,5 C, que correspondia ao maior número de ocorrências de registro e 24,5 C, que é a temperatura de conforto, recomendada pela ISO Tabela 2 Resultado da simulação de um edifício hipotético, demonstrando o consumo anual de energia pelo sistema de ar condicionado. Consumo de energia total (kwh) Setpoint de 19,1 C Setpoint de 23,5 C Setpoint de 24,5 C Total (anual)

7 Considerando a diferença de consumo de energia anual para os setpoints de 19,1 C e 24,5 C, a economia de energia obtida com o acréscimo de temperatura pode ser de até 35%. Para a simulação do consumo energético associado à vazão de ar para renovação em salas de espera, para pacientes, em edifícios hospitalares, utilizaram-se as equações 01 e 02 da Britsh Standard (1991), variando-se a concentração de CO 2, do ambiente interno, utilizada como indicador de qualidade e renovação do ar interno. Considerou-se, para um caso de um ambiente hipotético, temperatura externa de 27ºC, umidade relativa do ar externo de 60% e concentração de CO 2 no ambiente externo de 400 ppm. Para o ambiene interno, considerou-se 24º C de temperatura e 55% de umidade relativa. Foi levado em consideração apenas o tempo em que o ambiente é plenamente ocupado, isto é, durante o dia, atingindo uma concentração de 100 pessoas durante 8h por dia. [Eq. 01] [Eq. 02] Sendo: Q ren = vazão de ar para renovação (kcal/h); Δh = variação de entalpia do ar externo e interno (kcal/kg ar seco); Q = vazão de ar exterior (l/s); q = vazão de poluentes (l/s); C E = taxa de equilíbrio dos poluentes (kg/kg); C e = concentração de poluentes no ar exterior (kg/kg). Tabela 3 - Resultado da simulação do consumo de energia pelo sistema de renovação de ar do sistema de ar condicionado, em uma sala de espera para paciente, em edifício hospitalar. Concentração de CO 2 no ambiente interno (ppm) Consumo de energia total anual (kwh)

8 O consumo de energia apresentado na Tabela 3 refere-se à taxa de renovação do ar necessária para a redução da concentração de dióxido de carbono no ambiente interno. Apesar do acréscimo considerável no consumo de energia, em mais de 75%, com a renovação de ar, para manter a concentração de CO 2 abaixo dos níveis recomendados pela Resolução nº 9 da ANVISA (2003), essa medida é fundamental para fornecer a qualidade do ar interno, especialmente em ambientes hospitalares. 5. CONCLUSÃO Os resultados encontrados nos ambientes térmicos, de edifícios de escritório e de salas de espera de hospitais, das amostras estudadas, caracterizam diferentes situações e demandas do ponto de vista do conforto térmico e da qualidade do ar interior. Em ambientes de escritório, foram encontradas temperaturas operativas abaixo da temperatura de conforto estabelecido pela ASHRAE 55 (2004) e ISO 7730 (2005). Em salas de espera de hospitais, encontrou-se temperatura dentro das faixas especificadas nos referenciais, entretanto, a concentração de CO 2 ultrapassava o limite estabelecido pela Resolução nº 9 da ANVISA, especialmente em ambientes com alta concentração de pessoas associado ao sistema de climatização do tipo split system. Diante do exposto, percebe-se que enquanto se tem um excesso de consumo de energia mantendo baixas temperaturas, em outros locais, ou nos mesmos, não se considera importante a renovação do ar interno, atingindo elevadas concentrações de CO 2, que acabam comprometendo a saúde das pessoas, especialmente em salas de espera, para paciente, onde a condição clínica dessa população pública não é controlada. Com a ausência de manutenção preventiva, e mesmo a corretiva, por falta de conhecimento técnico e dos males que estas condições podem causar, o sistema pode operar em desconformidade com o especificado em projeto, acarretando em um aumento na concentração de poluentes no ambiente interno, além de um aumento também no gasto energético. Desta forma, no caso do sistema de expansão indireta, a manutenção inadequada em cada componente pode contribuir para a diminuição da eficiência do sistema: Com os dampers (caixas VAV) desregulados, o desempenho da vazão do ar do sistema diminui e, consequentemente, a temperatura e a renovação podem não operar conforme o projetado; O sistema, no geral, pode também estar desregulado, causando um desbalanceamento das pressões, assim, o desempenho da vazão em cada saída do insuflamento pode estar comprometido. É necessário fazer um balanceamento e comissionamento do sistema. A falta de calibragem do sensor de temperatura na saída do difusor pode acusar temperatura diferente da temperatura real. Além disso, o sistema pode estar operando sem o retorno da automação. A falta de verificação do nível de gás refrigerante no condensador, tanto do chiller ou do Split, também pode comprometer a eficiência energética do sistema. Com nível de gás abaixo do recomendado, as trocas de calor podem não ocorrer de forma adequada. Assim, atenção com o desperdício de energia e a qualidade do ar de ambientes internos deve ser considerada não somente na fase de projeto, mas, especialmente, nas fase de operação e uso de uma edificação. 1032

9 REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 16401: Instalações de ar-condicionado Sistemas centrais e unitários. Rio de Janeiro, p. ANSI/ASHRAE 55. American National Standards Institute. American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers. Thermal Environmental Conditions of Human Occupancy. Atlanta: ASHRAE, p. ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers. Handbook of Fundamentals. Atlanta: ASHRAE, HVAC. Design Manual for Hospital and Clinics. Atlanta: ASHRAE, 2003.BRASIL. Agência Nacional de Vigilância Sanitária ANVISA. Resolução nº 9 de 16 de janeiro de Dispõe sobre os Padrões Referenciais de Qualidade do Ar Interior em Ambientes Climatizados Artificialmente de Uso Público e Coletivo, e dá outras providências. Brasília, BESSA, V. M. T. Contribuição à metodologia de avaliação das emissões de dióxido de carbono no ciclo de vida das fachadas de edifícios de escritórios p. Tese (Doutorado) Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, BRASIL. Agência Nacional de Vigilância Sanitária ANVISA. Resolução nº 9 de 16 de janeiro de Dispõe sobre os Padrões Referenciais de Qualidade do Ar Interior em Ambientes Climatizados Artificialmente de Uso Público e Coletivo, e dá outras providências. Brasília, BRITISH STANDARD. Code of Practice for Ventilation Principles and Designingfor Natural Ventilation. BS 5925: BSI, U.K. CORGNATI, S. P.; FABRIZIO, E.; FILIPPI, M. The impact of indoor thermal conditions, system controls and building types on the building energy demand. Energy and Buildings, v. 40, n. 4, p , CHEONG, K. W. D.; PHUA, S. Y.; Development of ventilation design strategy for effective removal of pollutant in the isolation room of a hospital. Building and Environment nº 4, p , FANGER, O. Thermal comfort Analysis and application in environmental engineering. Copenhagen: McGraw-Hill, p. FERREIRA, E. G. Avaliação do conforto térmico e da qualidade do ar, por meio do nível de CO 2, em salas de cirurgias e salas de espera de pacientes, climatizadas artificialmente Exame de qualificação (Mestrado) Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. ISO 7730: Ergonomics of thermal environment Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria. Genebra, p. ISAIQ-CIB TG 42. Performance criteria of buildings for health and comfort. CIB, nº 292, p. Disponível em: Acesso em: 30 jun LOMBARD, L.P.; ORTIZ, J.; POUT, C. A review on buildings energy consumption information. Energy and Buildings 40, 2008, p HENNING, H.M. Solar assisted air conditioning of buildings an overview. Applied Thermal Engineering 27, 2007, p SUZUKI, E. H. Avaliação do conforto térmico e do nível de CO 2 em edifícios de escritório com climatização artificial na cidade de São Paulo p. Dissertação (Mestrado) Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelo financiamento dos recursos necessários à realização das pesquisas. 1033