Aula P: Qualidade de Ar Interior

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1 Aula P: Qualidade de Ar Interior A ventilação cumpre, na maioria dos edifícios de serviços, um duplo papel: - Garantir a qualidade do ar - Remover cargas térmicas No caso da qualidade de ar interior (QAI) podemos distinguir três grupos de poluentes: - Devido aos ocupantes (CO2, humidade, odores) - Devido aos materiais de construção (COV, etc.) - Provenientes do exterior (partículas, radão, CO, etc.) 1

2 Previsão de concentração de poluentes Concentração = Quantidade de Poluente Quantidade de ar Concentração = Interior Caudal de poluente Caudal de ar + Concentração Exterior 2

3 Qual o caudal de ar adequado? Caudal de = Ventilação Caudal de poluente introduzido Concentração máx. - Concentração ext. Nesta expressão é preciso atenção à coerência de unidades: as unidades utilizadas para o caudal nos dois lados da equação têm de ser idênticas Faz-se esta análise para os diferentes poluentes e o contaminante mais exigente...manda! 3

4 Aula P: Qualidade de Ar Interior Correlação para previsão de quantidade de CO 2 Produzido por ocupante Para níveis de metabolismo normais (dentro do âmbito de aplicação do modelo Fanger) a relação entre o nível metabólico e o consumo de O 2 é a seguinte (Emmerich & Persily 2001):. V AD M o 2 = l / 0.23RQ s Em que: AD é a área de superfície corporal (correlação de DuBois), M é o nível metabolico em Met, RQ é o rácio entre consumo de O 2 e produção de CO 2 (0.83). Aplicando valores standard obtém-se: V O 2 = = l / s De acordo com a correlação proposta por DuBois (m em kg e h em metros): A D = m h 4

5 Aula O: Qualidade de Ar Interior Correlação para previsão de quantidade de CO 2 Produzido por ocupante A correlação apresentada no slide anterior prevê para um homem adulto uma produção de CO 2 de 18.5 l/h. Utilizando a expressão de DuBois em conjunto com o nível metabólico (em Met) é possível obter outros volumes de emissão. Quando se fazem cálculos de concentração de CO 2 tipicamente opta-se por utilizar partes por milhão ou mg/m3. Tendo em conta que a imprecisão introduzida pela aproximação de Boussinesq (ar incompressível) é negligenciável: as duas abordagens são equivalentes. Neste caso a conversão entre mg/m 3 e ppm obtém-se (ρ= kg/m 3, CO 2 =44.01 g/mol, Ar=28.98 g/mol): 1800 mg/m 3 = 1495 mg/kga = 28.98/44.01 x 1495 = ppm 1000 ppm 5

6 Aula O: Qualidade de Ar Interior Correlação para previsão de quantidade de CO 2 Produzido por ocupante Método de Cálculo Para obter prever o nível de CO 2 utiliza-se a solução analítica da equação de conservação de CO 2 no interior de um compartimento (neste caso em ppm, nesta expressão um espaço entre variáveis equivale a uma multiplicação): Em que: Vs é o volume da sala em m 3. CO2 é a concentração interior de CO 2 (ppm). ML é a produção de CO 2 por ocupante (em mililitros). Occ é o numero de ocupantes. F é o fluxo de ar devido a infiltração (m 3 /s). Na solução utilizam-se renovações por hora (RPH) CO2e é a concentração exterior de CO 2. A solução desta equação para o caso CO 2 [0]= CO 2 e é a seguinte: 6

7 Caudal de ar necessário para um ocupante (CO 2 ) Para remover o CO 2 produzido por uma pessoa de forma a limitar a concentração interior a 1400 ppm quando temos 400 ppm no exterior: Caudal Necessário = 18 l/h ( ) 10-6 = = 18'000 l/h= 18 m 3/h 7

8 Caudal de ar necessário para um ocupante (CO 2 ) Para remover o CO 2 produzido por uma pessoa de forma a limitar a concentração interior a 5000 ppm quando temos 400 ppm no exterior: Caudal Necessário = 18 l/h ( ) 10-6 = = 3900 l/h = 4 m 3 /h 8

9 Para além da necessidade de controlar o nível de CO 2, existe também a necessidade de quantificar a concentração de odor produzido pelos ocupantes Neste caso, o nariz é o aparelho de medida: Um olf: é o debito de odor produzido por uma pessoa...típica. É o equivalente a uma potência de odor. Um pol = é o resultado da diluição de um olf num caudal igual a um litro de ar limpo por segundo. 9

10 O Olf e o pol foram propostos por Fanger, que propôs também uma relação entre pol (na horizontal do gráfico) e percentagem de pessoas insatisfeitas (no eixo vertical) Pourcentage d'insatisfaits 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Concentration [pol] 10

11 Caudal de ar necessário para um ocupante controle de odores Para remover os odores produzidos por um ocupante de forma a limitar o odor interior a 0,3 pol quando temos 0,1 pol no exterior: Caudal Necessário = 1 olf 0,2 pol = 5 l s 0,005 m3 5 l = = ,005 = 18 m 3/h s 1/3600 h 11

12 Caudal de ar necessário para um ocupante controle de humidade Para remover o vapor de água produzido por um ocupante, de forma a manter uma HR de 40% (temperatura interior de 22 C) em condições de ambiente exterior de 0 C e 100% de HR: 22 C et 40% HR corresponde a 7 g/kg d air 0 C et 100% HR corresponde a 4 g/kg d air Caudal Necessário = 72 g/h (7-4) g/kg = 24 kg h ou 20 m3 /h 12

13 Caudal de ar necessário para um ocupante controle de temperatura Caudal necessário para remover o calor sensível introduzido por um ocupante quando estão 22 C no interior e 0 C no exterior: Caudal Nacessário = 120 W (22-0) K!0,34 Wh/(m 3 K) = 16 m 3 h 13

14 Resumo dos resultados dos exemplos anteriores...qual o caudal de ar novo necessário (m 3 /h por ocupante)? Air inspiré Chaleur Vapeur d'eau CO² Odeur Débit requis [m³/h]

15 Caudal de ar necessário para um ocupante Poluente Odor CO2 Vapor Calor "Débito" 1 Olf 18 l/h 72 g/h 120 W "Concentração" 0.3 Pol 1400 ppm 7 g/kg 22 C Conc. ext. 0.1 Pol 400 ppm 4 g/kg 0 C Caudal de ar [m!/ Neste exemplo é o vapor de água que determina o caudal a utilizar 15

16 Aula Q Eficiência de Sistemas de Ventilação

17 Aula Q: Qualidade de Ar Interior Estratégias Base Existem vários regras para a promoção da Q.A.I.: Reduzir as fontes de poluição interior, em particular: evitar a utilização de materiais poluentes. Controlar as fontes de poluição interior através de exaustão localizada, junto a cada fonte. Posicionar cuidadosamente as admissões de ar novo exterior (>1.5m do pavimento, distanciada mais de 5-15m das exaustões). Utilizar sistemas de ventilação eficientes, com caudais de ar novo adequados. Quando necessário utilizar sistemas mecânicos com filtragem de eficiência adequada. 17

18 A regulamentação nacional sobre Qualidade de Ar Interior (QAI) RSECE impõe concentrações limite para vários poluentes Concentrações Máximas Os valores dos caudais mínimos de ar novo foram definidos a partir dos limites acima (maioritariamente a partir do limite de CO 2 )

19 Os limites do RSECE Qualidade de Ar Interior - CAUDAIS

20 Sistemas de ventilação mecânica Padrões e eficiência de ventilação A eficiência de um sistema de ventilação condiciona todas as funções que o sistema cumpre. Quanto menor for a eficiência, maior será o caudal de ar necessário para garantir um determinado caudal efetivo: Caudal efetivo= Caudal total x Eficiência De uma forma simplificada podemos dividir os sistemas de ventilação mecânica associados aos sistemas de climatização em duas famílias extremas : 1. Sistemas perfeitamente estratificados (ventilação por deslocamento) 2. Sistemas perfeitamente misturados (ventilação por mistura) Os sistemas de ventilação mecânica mais usuais e convencionais são do tipo 2. Os sistemas do tipo 1 surgem normalmente em grandes espaços, construídos de raiz. Na prática não existem sistemas perfeitos, pelo que nenhum sistema é do tipo 1 ou 2, sendo antes uma combinação dos dois. Por norma, a maior predominância de um dos casos permite enquadrar o sistema. O sistema mais corrente é do tipo parcialmente misturado (2). Curiosamente, uma das razões para a não obtenção de mistura perfeita é a estratificação (que está na base do sistema 1!). O tema da eficiência de ventilação é normalmente discutido para edifícios de serviços. No caso dos edifícios residenciais as necessidades de ar novo são menores, tornando este tema menos relevante. 20

21 Ventilação por deslocamento vertical Neste tipo de sistema o ar entra por baixo (mais frio do que a temperatura média da sala) e sai por cima (mais quente). É um sistema em que se utiliza insuflação a baixa velocidade de insuflação (<0.2m/s). O ar quente forma uma camada de mistura a nível superior, que não deverá penetrar na zona ocupada (se isso acontecer perde-se o benefício do sistema). Este sistema é muito eficaz em situações onde as fontes de poluentes interiores aquecem o ar (ou seja: também são cargas térmicas). Este sistema têm eficiência de ventilação máxima...desde que o ar de ventilação não esteja mais quente que a sala (para isso a sala tem de ter fontes de calor...e precisar de arrefecimento). Este tipo de sistema é muito interessante em espaços de grande altura: permite climatizar apenas a zona inferior (que é a que normalmente está ocupada). 21

22 Ventilação por deslocamento vertical 22

23 Ventilação por mistura Neste tipo de sistema o ar entra por cima e sai por cima ou por baixo (não faz grande diferença). É um sistema em que se utiliza insuflação a alta velocidade (> 3-4m/s). O sistema tenta promover uma mistura perfeita com o ar da sala. Este sistema é muito eficaz em situações de elevada carga térmica de arrefecimento (superior a 60W/m 2 ). Este sistema têm eficiência de ventilação variável, mas sempre inferior a 0.9. Este tipo de sistema é muito utilizado porque, por norma, não é fácil introduzir o ar a nível inferior (interfere demasiado com a flexibilidade de utilização dos espaços). Sistema mais comum (+90% dos casos). 23

24 Eficiência de Ventilação - Definição Constante de tempo nominal! n = Tempo de renovação do ar Τ r : dobro da idade média do ar Eficiência de ventilação: Volume ventilado Caudal! v = " n " r 24

25 Eficiência de Ventilação Idade média do ar τ Constante de tempo nominal! n = V V = 1 n L η v = 1 η v = 0,5 Rendimento do sistema de ventilação! v = " n " r = " n 2" η v < 0,5 25

26 Exemplo de melhoria de eficiência de sistema de ventilação: a duplicação da eficiência permite reduzir o caudal de ar novo para metade. Temps [s] Age moyen Constante de temps Efficacité Valeurs initiales Après amélioration Efficacité [%] 26