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Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP
Departamento de Engenharia de Construção Civil
ISSN 0103-9830
BT/PCC/560
Determinação das condições de operação de um sistema de
climatização com distribuição de ar pelo piso instalado em uma sala de
aula para a sua melhor efetividade da ventilação
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Departamento de Engenharia de Construção Civil
Boletim Técnico – Série BT/PCC
Diretor: Prof. Dr. José Roberto Cardoso
Vice-Diretor: Prof. Dr. José Roberto Piqueira
Chefe do Departamento: Prof. Dr. Alex Kenya Abiko
Suplente do Chefe do Departamento: Prof. Dr. Francisco Ferreira Cardoso
Conselho Editorial
Prof. Dr. Alex Kenya Abiko
Prof. Dr. Francisco Ferreira Cardoso
Prof. Dr. João da Rocha Lima Jr.
Prof. Dr. Orestes Marraccini Gonçalves
Prof. Dr. Vanderley Moacyr John
Prof. Dr. Cheng Liang Yee
Coordenadora Técnica
Profª. Drª. Silvia Maria de Souza Selmo
O Boletim Técnico é uma publicação da Escola Politécnica da USP/ Departamento de Engenharia de
Construção Civil, fruto de pesquisas realizadas por docentes e pós-graduados desta Universidade.
Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP
Departamento de Engenharia de Construção Civil
ISSN 0103-9830
BT/PCC/560
Determinação das condições de operação de um sistema de
climatização com distribuição de ar pelo piso instalado em uma sala de
aula para a sua melhor efetividade da ventilação
Renata Maria Marè Brenda Chaves Coelho Leite
São Paulo – 2010
O presente trabalho é parte da dissertação de mestrado apresentada por Renata Maria Marè, sob orientação da Profª Drª Brenda Chaves Coelho Leite. “Estudo de eficiência da ventilação em sistema de climatização com distribuição de ar pelo piso” defendida em 21/05/2010, na EPUSP.
A íntegra da dissertação encontra-se à disposição com o autor, na Biblioteca de Engenharia Civil da Escola Politécnica/USP e na página: http://www.teses.usp.br/.
A referência bibliográfica deste boletim deve ser feita conforme o seguinte modelo:
MARÈ, R. M.; LEITE, B. C. C. Determinação das condições de operação de um sistema de climatização com distribuição de ar pelo piso instalado em uma sala de aula para a sua melhor efetividade da ventilação. São Paulo: EPUSP, 2010. 14 p. (Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP, Departamento de Engenharia de Construção Civil, BT/PCC/560)
FICHA CATALOGRÁFICA
Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP. Departamento de
Engenharia de Construção Civil. – n.1 (1986) - . -- São Paulo,
1986-
Irregular.
Conteúdo deste número: Determinação das condições de operação de um sistema
de climatização com distribuição de ar pelo piso instalado em uma sala de aula
para a sua melhor efetividade da ventilação / R. M. Marè, B. C. C. Leite –
(BT/PCC/560)
ISSN 0103-9830
1.Construção civil I.Universidade de São Paulo. Escola Politécnica.
Departamento de Engenharia de Construção Civil
Determinação das Condições de Operação de um Sistema de
Climatização com Distribuição de Ar pelo Piso Instalado em uma Sala
de Aula para a sua Melhor Efetividade da Ventilação
Determination of the Operational Conditions of an Underfloor Air
Distribution System Installed in a Classroom for its Best Ventilation
Effectiveness
Renata Maria Marè1, Brenda Chaves Coelho Leite
1
1Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo.
E-mail: [email protected]; [email protected]
RESUMO
A efetividade da ventilação de um sistema de climatização com distribuição de ar pelo
piso (Underfloor Air Distribution System ou UFAD) foi avaliada, em termos da sua
capacidade de remover contaminantes do ar interior. O estudo foi realizado sob regime
transiente (condições reais de uso do ambiente), em uma sala de aula situada no
Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo. As concentrações de contaminantes medidas foram
referentes a partículas em suspensão e CO2, na zona de respiração para pessoas sentadas
(1,10 m) e na exaustão do ar simultaneamente. Variáveis relacionadas ao conforto
térmico como temperatura do ar e velocidade do ar também foram medidas, em seis
alturas diferentes e em 14 pontos do ambiente. As medições foram realizadas sob seis
diferentes condições de operação do sistema, variando-se a vazão de insuflamento,
temperatura do ar e umidade relativa do ar. Os resultados permitiram que se verificasse
a eficiência deste sistema na remoção de contaminantes do ar interior, e também que se
identificasse sob quais condições de operação do sistema ocorreu a melhor efetividade
da ventilação.
Palavras-chave: ar condicionado; distribuição de ar pelo piso; efetividade da
ventilação; qualidade do ar interior.
ABSTRACT
The ventilation effectiveness of an Underfloor Air Distribution System in terms of its
ability in removing indoor air contaminants was evaluated. The study was conducted in
a non-steady state condition, in a classroom located at the Civil Construction
Engineering Department of the Engineering School of the University of São Paulo,
Brazil. The contaminants concentrations measured were indoor air-borne particles and
CO2, at the breathing zone for seated people (1.10 m) and in the exhaust simultaneously.
Also variables related to thermal comfort were measured such as air temperature and air
velocity, at six different levels and 14 points of the ambient. The measures were taken
under six different air conditioning system operational conditions, varying the intake
airflow, air temperature, and relative air humidity. The results allowed verifying that
this system is efficient in removing indoor air contaminants, and also allowed
identifying under which operational conditions the best ventilation effectiveness occurs.
Keywords: air conditioning; underfloor air distribution system; ventilation
effectiveness; indoor air quality.
INTRODUÇÃO
A efetividade da ventilação de um sistema de climatização, pode ser avaliada pela sua
capacidade de renovação do ar e pela sua capacidade de remover contaminantes do ar
interior (MUNDT et al, 2004), a qual é expressa pelo índice de efetividade na remoção
de contaminantes (IERC). Este índice é obtido pela relação entre a concentração de
contaminantes no nível de exaustão do ar e a concentração de contaminantes na zona de
respiração, e é satisfatório quando superior à unidade. No sistema convencional, com
insuflamento de ar pelo teto, o IERC chega ao máximo valor de 1,0, mas para o sistema
com distribuição de ar pelo piso (Underfloor Air Distribution System ou UFAD), pode
chegar a 1,3 (CERMAK; MELIKOV, 2006).
No sistema UFAD, o ar filtrado e resfriado é distribuído por meio de um plenum
inferior, e insuflado diretamente na zona ocupada do ambiente através de difusores
situados no piso elevado. A exaustão do ar normalmente é feita por meio de grelhas
distribuídas pelo teto, e por um plenum superior.
Existem muitas dúvidas em relação à efetividade deste tipo de sistema, devido à
deposição de partículas no plenum inferior. Além disso, é conhecida a influência da
fonte contaminante sobre a efetividade da ventilação, bem como, a questão da
ressuspensão de partículas no piso elevado (MUNDT, 2001). Todas estas questões
mostram a importância de se estudar mais a fundo este sistema (ABE; INATOMI;
LEITE, 2006).
Se bem projetado, operado e mantido, este sistema tem muitas vantagens quando
comparado ao sistema com insuflamento de ar pelo teto (BAUMAN, 2003; LEITE,
2003), como por exemplo: o ar pode ser insuflado diretamente na zona de respiração
(1,10 m), proporcionando melhor qualidade do ar ao usuário; a estratificação da
temperatura e a convecção natural contribuem para a melhor efetividade da ventilação e
qualidade do ar interior; o ar é insuflado a temperaturas mais altas, o que corresponde ao
consumo reduzido de energia; este sistema comporta dispositivos de controle
individualizado de conforto térmico, o que proporciona maior satisfação aos usuários;
fácil reconfiguração de layout, devido às mudanças freqüentes de usuários do ambiente,
especialmente em edifícios de escritórios.
Os objetivos deste estudo foram prover dados a respeito da efetividade da ventilação
deste sistema UFAD, em particular no que concerne à capacidade de remoção de
contaminantes do ar interior, apontando ainda quais as condições de operação do
sistema para a melhor efetividade da ventilação.
MÉTODOS
A pesquisa foi desenvolvida em uma sala de aula destinada ao ensino de CAD, situada
no prédio da Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da Universidade de
São Paulo. De geometria retangular e área de 180 m2, possui piso elevado, com plenum
inferior de 28 cm de altura. Na parede dos fundos, 31 m2 de janelas que permitem a
radiação solar (Figura 1). Possui como principais fontes de calor, 25 estações de
trabalho destinadas a 49 pessoas desenvolvendo atividades leves.
Figura 1: Sala de aula objeto de estudo
O sistema UFAD em questão é do tipo expansão indireta. Possui um fan coil de 7,5 TR
e 5500 m3/h de capacidade de vazão de ar dedicado ao insuflamento de ar frio na sala. O
ar é distribuído pelo plenum pressurizado, e suprido ao ambiente por meio de 77
difusores com jato de ar do tipo espiralado (Ø 200 mm). A exaustão do ar é forçada por
um ventilador, e o ar de retorno passa por dezesseis grelhas metálicas fixadas no forro e
distribuídas homogeneamente. Visando a obtenção de temperaturas de insuflamento
mais altas, parte do ar do retorno passa por uma caixa de mistura com o ar frio provindo
do fan coil.
O sistema de automação permite o controle da temperatura do ar, vazão do ar e umidade
relativa do ar. Sua estratégia de controle foi elaborada a partir de cinco loops: a
freqüência de rotação do ventilador do fan coil varia para manter constante o diferencial
de pressão entre o plenum e o ambiente (ΔP), alterando a vazão de insuflamento do ar; a
freqüência de rotação do ventilador de retorno varia para manter constante o diferencial
de temperatura (ΔT) entre o ar de retorno e o de insuflamento (mistura); a válvula de
água gelada da serpentina do fan coil modula para que a temperatura do ar frio seja
mantida em torno de um determinado setpoint; o damper de bypass de retorno e o
damper de retorno para o fan coil modulam inversamente para que se atinja o setpoint
da temperatura de insuflamento; os dampers de expurgo e de ar externo modulam
diretamente e de acordo com os valores de entalpia do ar de retorno e do ar externo
calculados.
O método seguiu procedimentos baseados nas normas ISO 7726 (1998) e ASHRAE 55
(2004), e ainda em Leite (2003) e Ikeda (2008), considerando-se as seguintes condições
de conforto térmico: 21°C ≤ T ≤ 26°C para temperatura do ar (a 0,60 m), 0,10 < v <
0,30 m/s para velocidade relativa do ar e 50% para umidade relativa do ar.
As primeiras medições foram realizadas no período entre inverno e primavera de 2008,
e as medições finais, entre a primavera e o verão de 2009. Foram utilizados seis dias
alternados por período, variando-se o setpoint de temperatura do ar de acordo com o
intervalo apresentado acima. As concentrações de partículas em suspensão e os níveis
de CO2 foram medidos em oito pontos do ambiente, simultaneamente a 1,10 m (zona de
respiração para pessoas sentadas) e a 2,60 m (exaustão do ar) (Figura 2), para ambiente
ocupado e desocupado. Os valores medidos permitiram que se determinasse o IERC ou
εc, pela relação entre a concentração de contaminantes na exaustão (ce) e a concentração
de contaminantes na zona de respiração (c), tanto para partículas em suspensão como
para CO2:
c ec
c
Figura 2: Suporte para os contadores
de partículas
Figura 3: Hastes de suporte para os
sensores de temperatura e velocidade do ar
Na primeira parte do estudo, as concentrações de partículas foram avaliadas pelo seu
total, e na segunda parte, por cinco diferentes diâmetros de partículas (0,5, 1,0, 3,0, 5,0 e
10,0 µm), devido às características dos novos contadores de partículas utilizados. A
temperatura e a velocidade do ar foram medidas em 14 pontos do ambiente, e em seis
diferentes níveis: 0,10 m (nível do tornozelo), 0,60 m (nível do tronco para pessoa
sentada), 1,10 m (nível da cabeça para pessoa sentada), 1,70 m (nível da cabeça para
pessoa em pé), 2,00 m e 2,35 m (pé direito convencional) (Figura 3). Externamente ao
ambiente, sensores dedicados ao sistema de automação e controle coletaram dados
como temperatura do ar, umidade relativa do ar e outras variáveis relacionadas à
operação do sistema.
RESULTADOS
Algumas combinações de setpoints de variáveis foram estabelecidas para o sistema de
climatização, de modo que se atingissem os setpoints de temperatura do ar desejados (a
0,60 m). Os resultados para ambiente ocupado (na primeira etapa das medições) são
apresentados na Tabela 1:
Tabela 1: Condições operacionais: ambiente ocupado Variável / Setpoint de Temperatura (°C) 21 22 23 24 25 26
Temperatura do ar externo (°C) 21,9 23,7 27,1 18,6 28,9 30,6
Umidade relativa do ar externo (%) 62 58 46 74 47 47
Diferencial de pressão - ΔP (Pa) 4,50 5,07 4,01 3,01 5,87 3,69
Temperatura do ar insuflado (°C) 15,4 17,2 17,3 18,5 19,0 20,1
Temperatura do ar no plenum (°C) 17,9 19,4 19,4 19,6 22,5 22,3
Temperatura do ar de retorno (°C) 23,2 24,4 23,6 23,2 27,7 27,4
Diferencial de temperatura – ΔT (°C) 7,8 7,2 6,3 4,7 8,7 7,3
Umidade relativa do ar interno (%) 55 55 56 63 53 57
Umidade relativa do ar insuflado (%) 70 66 67 71 70 67
Umidade relativa do ar de retorno (%) 39 38 43 50 40 42
Para ilustrar os perfis de temperatura e velocidade do ar obtidos pelas medições
(ambiente ocupado), os resultados para a primeira etapa das medições são mostrados na
Figura 4 e na Figura 5 (resultados similares foram obtidos na segunda etapa das
medições). Os valores médios correspondem aos 14 pontos do ambiente onde
temperatura e velocidade do ar foram medidos. Os pontos a – 0,28 m correspondem aos
valores da temperatura do ar insuflado para cada setpoint de temperatura do ar. Os
perfis de temperatura mostram que entre os níveis 0,10 m e 0,60 m, a variação de
temperatura não foi significativa. A estratificação da temperatura, fenômeno típico deste
tipo de sistema de climatização (LEHRER; BAUMAN, 2003), mostrou um ganho ao
redor de 2°C de 0,10 m a 1,70 m, portanto, de acordo com a norma ISO 7730 (2005),
(inferior a 3°C), mantendo-se o conforto térmico. Os perfis de velocidade do ar mostram
que, na maioria dos pontos da zona ocupada, os valores foram inferiores a 0,10 m/s. Na
maioria dos casos, nos níveis 0,60 m e 2,00 m, grandes movimentações de ar foram
verificadas, provavelmente devido ao ganho de carga térmica e aos efeitos do ventilador
de retorno respectivamente.
Figura 4: Perfil de temperatura do ar: ambiente ocupado
Figura 5: Perfil de velocidade do ar: ambiente ocupado
As correlações entre Total de Partículas em Suspensão (TPS - mg/m3) a 1,10 m e 2,60
m, e temperatura do ar, para ambiente ocupado e desocupado, na primeira etapa das
medições, são representadas na Figura 6 e na Figura 7. TPS é o valor médio dos oito
pontos do ambiente onde esta grandeza foi medida. Comparando ambos, a influência da
presença de pessoas é notória pois, as concentrações de TPS foram maiores para
ambiente ocupado. A influência da temperatura do ar sobre TPS pode ser observada:
para os setpoints de 24°C, 25°C e 26°C, as concentrações foram maiores que as medidas
para 21°C, 22°C e 23°C em ambos os casos. Este fato leva a crer que há uma relação
direta do TPS com as vazões de insuflamento que, para temperaturas do ar insuflado
mais altas, são menores.
A Figura 8 e a Figura 9 representam a variação de TPS a 1,10 m e a 2,60 m com a
velocidade do ar, tanto para ambiente ocupado como desocupado. Para a mesma faixa
de velocidades do ar, aparentemente não há relação de TPS com esta variável,
especialmente pelos valores tão baixos observados nesta pesquisa, sempre inferiores a
0,10 m/s.
Figura 6: TPS X Temperatura do ar: ambiente ocupado
Figura 7: TPS X Temperatura do ar: ambiente desocupado
Figura 8: TPS X Velocidade do ar: ambiente ocupado
Figura 9: TPS X Velocidade do ar: ambiente desocupado
Os IERC para os seis diferentes setpoints de temperatura do ar, tanto para ambiente
ocupado como desocupado, estão representados na Figura 10 (primeira etapa das
medições). Na maior parte dos casos, os valores de IERC foram maiores para ambiente
ocupado, o que pode indicar uma relação deste índice com a presença de pessoas. Isso
pode ser justificado pelo processo de convecção natural que facilita o transporte de
partículas em suspensão para níveis mais altos do ambiente, o que corresponde a
concentrações mais elevadas de partículas no nível de exaustão do ar, comparativamente
aos valores observados na zona de respiração. O IERC característico deste tipo de
sistema de climatização, superior à unidade, foi atingido nos setpoints de 23°C
(ambiente ocupado) e 25°C (ambiente ocupado e desocupado).
Figura 10: IERC X Setpoint de temperatura do ar: ambiente ocupado e desocupado (1ª
etapa das medições)
Analisando-se os resultados de IERC para os cinco diferentes tamanhos de partículas
(segunda etapa das medições) (Figura 11), os valores mais altos foram observados para
ambiente ocupado, o que corrobora a observação prévia da influência de pessoas. Os
valores de IERC para partículas com 0,5 µm foram próximos ou inferiores à unidade.
Para partículas de 1,0 µm, foram sempre superiores à unidade. Os melhores valores
observados foram para partículas de10 µm, 5 µm, e 3 µm, o que indica que este sistema
é mais eficiente para remover partículas de diâmetros iguais ou superiores a 1,0 µm.
Para os setpoints de 22°C e 26°C, todos os valores de IERC foram superiores à unidade,
o que indica que, provavelmente, nestes dias foram adotadas as melhores condições de
operação do sistema.
Figura 11: IERC por tamanho de partícula X Setpoint de temperatura do ar: ambiente
ocupado (2ª etapa das medições)
Os valores médios de concentrações de CO2 , tanto a 1,10 m como a 2,60 m, foram
inferiores a 1000 ppm. Os resultados de IERCO2 (Figura 12) foram sempre superiores à
unidade, e melhores para ambiente desocupado. Isso pode ter ocorrido devido à
influência do teor de CO2 do ar externo (não medido neste estudo), ou mesmo devido ao
horário em que foram realizadas as medições em ambiente desocupado: logo após o
término da segunda aula, ou seja, é possível que o ar do ambiente não tenha se renovado
por completo. Os melhores valores de IERCO2 foram observados para o setpoint de
temperatura do ar de 22°C, tanto para ambiente ocupado como desocupado, o que indica
que neste dia as melhores condições de operação do sistema foram adotadas.
Figura 12: IERCO2 X Setpoint de temperatura do ar: ambiente ocupado e desocupado
(2ª etapa das medições)
DISCUSSÃO
Devido às baixas velocidades do ar e baixos valores absolutos de TPS medidos
(inferiores a 0,035 mg/m3) durante o período de ocupação do ambiente, é razoável se
inferir que este sistema de climatização não dispersa contaminantes no ar do ambiente.
Em relação à efetividade da ventilação em termos da capacidade de remoção de
contaminantes do ar interior (partículas em suspensão e CO2), este sistema teve a sua
eficiência comprovada, apresentando índices próximos ou superiores à unidade, típico
para sistemas com distribuição de ar pelo piso.
Para ambiente ocupado, o melhor IERC para TPS foi de 1,06 (primeira etapa das
medições – 23°C). O melhor IERCO2 foi de 1,07 (segunda etapa das medições – 22°C).
Em relação às condições de operação do sistema, o processo de ajuste dos setpoints
mostrou a grande influência exercida pelas condições climáticas. Portanto, as melhores
condições de operação do sistema para cada etapa das medições, devem ser
apresentadas com os valores correspondentes de temperatura do ar externo e umidade
relativa do ar externo (Tabela 2 e Tabela 3):
Tabela 2: Melhores condições de operação do sistema e condições climáticas
correspondentes (primeira etapa das medições) Variável/Setpoint de Temperatura (°C) 23
Diferencial de pressão do ar (Pa)
Temperatura do ar frio (°C)
Temperatura do ar insuflado (°C)
Diferencial de temperatura do ar (°C)
4,00
14,0
18,0
6,0
Temperatura do ar externo (°C)
Umidade relativa do ar externo (%)
27,1
46
Tabela 3: Melhores condições de operação do sistema e condições climáticas
correspondentes (segunda etapa das medições) Variável/Setpoint de Temperatura (°C) 22
Diferencial de pressão do ar (Pa)
Temperatura do ar frio (°C)
Temperatura do ar insuflado (°C)
Diferencial de temperatura do ar (°C)
5,00
13,0
15,5
8,0
Temperatura do ar externo (°C)
Umidade relativa do ar externo (%)
28,2
62
É patente que este tipo de sistema de climatização contribui para o uso sustentável de
energia em edificações, promovendo melhor qualidade do ar interior, sob condições de
conforto térmico. Portanto, outras pesquisas sobre o seu projeto e operação são
recomendadas a fim de que sua tecnologia seja disseminada ao redor do mundo.
AGRADECIMENTOS
A pesquisadora agradece o suporte financeiro provido pela CAPES – Coordenação de
Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior.
REFERÊNCIAS
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INDOOR ENVIRONMENT FOR PEOPLE, 2006, Lisboa, Portugal. Anais... Lisboa,
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BAUMAN, F. S. Underfloor Air Distribution (UFAD) Design Guide. United States
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CERMAK, R., MELIKOV, A. K. Air Quality and Thermal Comfort in an Office with
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LEITE, B.C.C. Sistema de Ar Condicionado com Insuflamento pelo Piso em
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MUNDT, E. Non-buoyant pollutant sources and particles in displacement ventilation.
Building and Environment, v. 36, n. 7, p. 829-836, Aug. 2001.
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