Influência na Qualidade do Ar Interior Resultante da Aglomeração de
Fumadores junto à Entrada dos Edifícios de Serviços
Nelson José Pinto Nogueira
Relatório de Dissertação do MIEM
Orientador: Professor José Luís Coelho Alexandre
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Por mais brilhante que seja qualquer acto, não deve ser considerado grande senão em função de um grande motivo.
Com a entrada em vigor a 1 de Janeiro de 2008 do DL1 37/2007, que visa a protecção à exposição involuntária ao fumo do tabaco, alteraram-se hábitos sociais. Assim verifica-se actualmente, com alguma frequência, aglomerações de fumadores junto às entradas dos edifícios de serviços, uma vez não haver permissão de fumo em espaços interiores, a menos que equipados para tal. Algumas questões têm sido levantadas quanto à QAI2 resultante desta acção repartida e continuada com resultado prático no DL 37/2007.
Este trabalho tem como objectivo dar resposta à questão base que assenta na troca de emissões de poluentes provocada pelos fumadores, devido ao efeito de difusão e diluição de partículas / poluentes para o interior do edifício.
O estudo baseia-se na prática corrente dos fumadores, que representam um consumo médio de 19,3 cigarros diários, com um tempo de duração de 3,9 minutos por cigarro, quando fumados à entrada dos edifícios. Para a análise, foi criado um modelo com base na tipologia típica de edifícios de serviços composto por quatro pisos e oito fracções autónomas, cujo principal mecanismo de renovação de ar é a ventilação natural. Neste sentido recorre-se a um software de modelação nodal, o CONTAM, que permite avaliar o efeito da migração dos poluentes nos edifícios de forma eficiente e rápida. Os resultados são obtidos para nove localizações climáticas segundo as classificações do RCCTE3 (DL 80/2006), três níveis de permeabilidade da fachada e direcção predominante do vento. Foi avaliado o efeito da orientação da fachada bem como as taxas de emissão dos poluentes.
Para todos os casos analisados constatam-se impactos na QAI provocados pelo fumo do tabaco, observando-se concentrações instantâneas máximas de 0,294 mg/m3, para o edifício com nível de permeabilidade mais elevado. Nas situações de permeabilidade média e mínima, os valores de máximos instantâneos de concentração observados são de 0,071 mg/m3 e 0,074 mg/m3, respectivamente. 1 Decreto-Lei 2 Qualidade do ar interior 3
Desta análise pode-se concluir que o DL 37/2007 é ineficaz na protecção dos não fumadores ao FAT4, principalmente quando apenas proíbe o acto de fumar no interior dos edifícios sem que encontre uma solução para esses mesmos fumadores.
Influence of indoor air quality due to the agglomeration of smokers near of buildings’ entrance
With the application at 1 of January 2008 of the Law-Decree 37/2007, that allows the protection of involuntary exposition to tobacco smoke, the social habits have been changed. Thus, there is currently, with some frequency, the agglomeration of smokers near the entrances of service buildings, due to the lack of permission to smoke in indoor spaces, unless equipped for it.
Some questions emerged about the IAQ5 as a result of this divided and continuous action with the practical outcome in LD6 37/2007.
This study’s aim is to answer a question that is based on the exchange of pollutant emissions caused by smokers, due to diffusion and dilution of particles/pollutants to the buildings’ indoor. The assessment is based on the smokers’ current practice that represent an average consumption of 19,3 cigarettes per day with a duration time of 3,9 minutes per cigarette, when smoked near buildings’ entrance. For this analysis, it was created a model based in typical typology of service buildings, composed by four floors and eight autonomous fractions, which the man mechanism of air renovation is natural ventilation. In this sense, it will be used a nodal modelling software, the CONTAM, which allows the assessment of the migration’s effect of pollutants in buildings efficient and quick. The results were obtained for nine locations according to the climate’s classifications of RCCTE7 (LD 80/2006), three permeability’s levels of the facade and prevailing wind direction. It assessed the effect of the orientation of the facade and the rates of pollutants’ emission.
For all the examined cases, there is IAQ’s impacts caused by tobacco smoke, showing maximum concentrations instant of 0,294 mg/m3 for the building with highest level of permeability. In situations of medium and minimum permeability, the maximum instantaneous values observed are 0,071 mg/m3 and 0,074 mg/m3, respectively.
5
Indoor air quality
6
Law-Decree
7
From this analysis we can conclude that the LD 37/2007 is inefficient on the protection of non-smokers to ETS8, especially when only prevent the act of smoking inside buildings without creating a solution for those smokers.
Agradecimentos
Quero agradecer em primeiro lugar ao meu orientador Professor José Luís Alexandre, pois ensinou-me a acreditar sempre na solução de todos os problemas e dificuldades, tornando-se assim num pilar fundamental no sucesso desta dissertação.
Um agradecimento especial à minha namorada Carina Sofia, pela compreensão e apoio prestado em todos os instantes do desenvolvimento do trabalho.
Agradeço também aos meus pais e família, pois sempre me apoiaram em todos os momentos, ajudando-me a tomar as melhores decisões e, assim, contribuindo directamente para o meu sucesso.
Índice de conteúdos:
Nomenclatura... xv
1 Introdução... 1
1.1 Enquadramento do Tema... 1
1.2 Apresentação da Dissertação ... 3
1.3 Organização dos Temas Abordados no Presente Trabalho ... 4
2 Principais Poluentes Atmosféricos e Contaminantes do Fumo do Tabaco ... 5
2.1 Contaminantes Atmosféricos... 5
2.2 O Tabaco e Principais Contaminantes... 7
2.2.1 Contaminantes do Fumo do Tabaco ... 9
2.2.2 Limitações Legislativas ... 10
3 Princípios Básicos de Ventilação Natural ... 13
3.1 Mecanismos de Ventilação Natural... 14
3.1.1 Efeito Térmico... 16
3.1.2 Efeito das Pressões ... 18
3.2 Coeficientes de Pressão (Cp) ... 21
3.3 Determinação da Taxa de Infiltrações ... 22
3.3.1 Modelos Empíricos... 23
3.3.2 Modelo Nodal ... 26
3.3.3 Modelo CFD ... 27
3.3.4 Métodos Experimentais ... 28
4 Ferramentas de Simulação e Previsão Nodais... 31
4.1 COMIS – Linhas Gerais ... 31
4.2 CONTAM – Linhas Gerais ... 31
4.3 Análise da Evolução dos Contaminantes em Cada Espaço com o CONTAM... 32
5 Condições Climáticas ... 35
5.1 Dados Climáticos... 35
5.1.1 Caracterização Geral do Clima de Portugal ... 35
5.1.2 Análise dos Dados Climáticos... 37
6 Caso Prático de Aplicação... 43
6.1 Definição do Edifício... 43
6.1.1 Ocupação ... 45
6.2 Definição da Permeabilidade do Edifício... 45
6.2.1 Janelas e Portas Fechadas ... 46
6.2.2 Janelas Inclinadas (Tilt window)... 47
6.2.3 Janelas e Portas Abertas ... 49
6.2.4 Escadaria como Elemento de Transferência entre Pisos ... 51
6.2.5 Grelhas de Admissão de Fachada com Auto-regulação ... 52
6.2.6 Grelhas de Transferência ... 53
6.2.7 Outras Infiltrações ... 54
6.2.8 Prumada de Exaustão da Casa de Banho... 57
6.3 Critério de Avaliação da Eficiência de Ventilação... 58
6.4 Coeficientes de Pressão do Modelo (Cp) ... 60
6.5 Análise do Efeito da Malha na Fachada do Edifício ... 61
7 Análise de Resultados... 65
7.1.1 Nível de Permeabilidade Alto ... 66
7.1.2 Nível de Permeabilidade Médio... 74
7.1.3 Nível de Permeabilidade Mínimo ... 75
7.2 Análise de Sensibilidade ... 77
8 Conclusões e Perspectivas de Trabalho Futuro... 81
9 Referências e Bibliografia... 83
ANEXO I - Análise da taxa de fumadores ... 87
ANEXO II - Caracterização Climática ... 89
ANEXO III - Caracterização da QAI para as diferentes localizações climáticas e níveis de permeabilidade, bem como resultados da análise de sensibilidade. ... 95
Nível de Permeabilidade Médio... 104
Nível de Permeabilidade Baixo... 105
Índice de Figuras: Figura 1-1 – Resultado da medição de partículas (PM) proveniente do fumo do tabaco ambiente (e) e do motor diesel (d)... 2
Figura 2-1 – Consumo anual de cigarros por pessoa ... 8
Figura 3-1 – Gradiente de pressões devido à diferença de temperaturas... 17
Figura 3-2 – Gradiente de pressões devido ao efeito do vento ... 19
Figura 3-3 – Alteração do perfil de velocidade do vento com a rugosidade ... 20
Figura 3-4 – Comparação entre os valores de coeficientes de pressão obtidos pelo túnel de vento e por um software CFD (FLOVENT®) ... 21
Figura 3-5 – Representação esquemática do modelo nodal... 27
Figura 4-1 – Modelo ilustrativo de transferência de poluentes... 32
Figura 5-1 – Zonas climáticas de Inverno... 36
Figura 5-2 – Zonas climáticas de Verão ... 36
Figura 5-3 – Regime de ventos do Weather Underground para o Porto para 2007 ... 39
Figura 5-4 – Regime de ventos do EnergyPlus para o Porto ... 39
Figura 5-5 – Regime de Ventos do METEONORM para o Porto ... 39
Figura 5-6 – Ocorrência da velocidade do vento ... 40
Figura 5-7 – Ocorrência da direcção do vento ... 40
Figura 5-8 – Ocorrência da temperatura ... 41
Figura 5-9 – Temperatura média diária... 41
Figura 6-1 - Edifício de serviços, fachada principal ... 43
Figura 6-2 – Edifício de serviços, fachada de trás ... 43
Figura 6-3 – Planta 2D de um piso ... 44
Figura 6-4 – Planta simplificada 3D de cada um dos pisos ... 44
Figura 6-5 – Ilustração dos níveis de ocupação ... 45
Figura 6-6 – Curva característica das janelas e portas fechadas ... 47
Figura 6-7 – Configuração esquemática das janelas na posição inclinada ... 48
Figura 6-8 – Curva característica das janelas inclinadas ... 49
Figura 6-9 – Esquema de fluxo em aberturas largas... 50
Figura 6-10 – Característica da abertura traduzida pela escadaria... 52
Figura 6-11 – Grelha auto-regulável... 53
Figura 6-12 – Grelha auto-regulável, débito constante... 53
Figura 6-18 – Grelha de extracção das casas de banho ... 58
Figura 6-19 – Frequência temporal com que a concentração absoluta de CO2 é atingida nos diferentes espaços ... 59
Figura 6-20 – Coeficientes de pressão aplicados ao modelo, 0º com a fachada principal ... 60
Figura 6-21 – Coeficientes de pressão aplicados ao modelo, 90º com a fachada principal ... 60
Figura 6-22 – Malha na fachada do edifício... 61
Figura 6-23 – Comparação do caudal entre o modelo real e o modelo com malha ... 62
Figura 6-24 – Dia 9 ao dia 12 de um mês típico de Inverno, Janeiro... 63
Figura 6-25 – Dia 9 ao dia 12 de um mês típico de Verão, Agosto ... 63
Figura 7-1 – Concentração de partículas no ar do espaço crítico interior (Hall/Escadas)... 66
Figura 7-2 – Concentração de partículas no ar do espaço crítico exterior (Local de fumo junto à entrada) ... 67
Figura 7-3 – Concentração de partículas no espaço crítico interior para dia 8 de Fevereiro ... 67
Figura 7-4 – Concentração de partículas no espaço crítico exterior para o dia 8 de Fevereiro... 67
Figura 7-5 – Concentração de partículas no ar para o espaço crítico interior ... 68
Figura 7-6 – Concentração de formaldeído no ar para o espaço crítico interior ... 68
Figura 7-7 – Concentração de VOC no ar para o espaço crítico interior ... 68
Figura 7-8 – Concentração de monóxido de carbono no ar para o espaço crítico interior... 68
Figura 7-9 – Frequência com que as concentrações de partículas são atingidas para as diferentes situações de análise (espaço cítrico interior/exterior e tempo de fumo/ocupação) na zona climática do Porto... 70
Figura 7-10 – Variação espacial da concentração das partículas no ar em mg/m3 relativamente aos diferentes pisos ... 71
Figura 7-11 – Transição de partículas entre os espaços ... 72
Figura 7-12 – Concentrações médias mensais de partículas no ar interior durante o tempo em que os fumadores estão à porta do edifício. ... 74
Figura 7-13 – Concentração de partículas, Porto ... 75
Figura 7-14 – Concentração de partículas, Porto ... 76
Figura 7-15 – Comparação ventilação do espaço crítico interior (Hall/Escadas) para janelas fechadas e abertas ... 77
Figura 7-16 – Comparação das concentrações médias mensais de partículas durante o tempo em que os fumadores estão à porta dos edifícios para as 3 taxas e emissão de fumo ... 78
Figura 7-17 – Comparação das concentrações médias mensais de partículas durante o tempo em que os fumadores estão à porta dos edifícios para as 4 orientações da fachada... 78
Índice de Tabelas Tabela 2-1 – Concentrações de alguns poluentes no ar ambiente em zonas típicas urbanas ... 6
Tabela 2-2 – Concentração de alguns poluentes no ar ambiente em zonas rurais... 7
Tabela 2-3 – Principais contaminantes existentes no fumo do tabaco ... 10
Tabela 2-4 – Concentrações limite e normalização aplicada para um período de exposição de 8 horas ... 11
Tabela 3-1 – Coeficientes de turbulência do vento ... 20
Tabela 3-2 – Coeficiente associado ao processo térmico, método ASHRAE ... 24
Tabela 3-3 – Coeficiente associado ao efeito do vento, método ASHRAE ... 24
Tabela 5-1 – Comparação entre os dados climáticos fornecidos pelo EnergyPlus e os fornecidos pelo METEONORM ... 38
Tabela 6-1 – Dimensão das zonas de cada Fracção Autónoma ... 44
Tabela 6-2 – Densidade de ocupação... 45
Tabela 6-3 – Níveis de ocupação ... 45
Tabela 6-4 – Classificação da permeabilidade segundo a norma prEN12207... 46
Tabela 6-5 – Dimensões para a caracterização da posição da janela inclinada ... 48
Tabela 6-6 – Caracterização da frincha da janela inclinada... 48
Tabela 6-7 – Característica das frinchas de ligação entre portas/janelas com as paredes ... 55
Tabela 6-8 – Característica das frinchas de ligação da parede com tecto/chão ... 56
Tabela 6-9 – Característica da permeabilidade da parede, chão e tecto ... 57
Tabela 7-1 – Dia médio de cada mês ... 73
Tabela 7-2 – Situação crítica de afectação da QAI para o espaço interior, janelas abertas ... 73
Tabela 7-3 – Situação crítica de afectação da QAI para o espaço interior, janelas inclinadas ... 75
Tabela 7-4 – Situação crítica de afectação da QAI para o espaço interior, janelas fechadas ... 76
Tabela 7-5 – Situação critica de afectação da QAI para o espaço interior, análise de sensibilidade ... 78
A – Área de aberturas [m2]
a – expoente de “Shear Factor” [-] Ae – Área efectiva [m2]
Af – Área da abertura das janelas inclinadas [m2] As – Área de implantação [m2]
B – Profundidade [m]
b – Coeficiente associado ao processo térmico [m6/(h2.cm4.K)] C – Concentração [ppm ; mg/m3]
c – Coeficiente associado ao processo eólico [m4s2/(h2.cm4)] Ca – Concentração estantânea do espaço [ppm]
Cd – Coeficiente de descarga [-]
Clim – Concentração limite do espaço [ppm]
Cp – Coeficiente de pressão [-]
CTexc – Integração no tempo do nível de CO2 em excesso [kppm/h]
d – Densidade de ocupação [pessoa/m2] •
G - Taxa de geração de poluente [mg/s] g – Aceleração da gravidade [m/s]
GD – Graus – Dias de aquecimento [ºC.dia] H – Altura [m]
He – Altura do edifício [m]
Hmet – Altura dos transdutores na estação climática [m]
k – Coeficiente de escoamento da lei de potência [-] L – Comprimento [m]
•
m - Caudal mássico de ar [kg/s]
n – Expoente de caudal da lei de potência [-] p – Pressão estática [Pa]
patm – Pressão atmosférica [Pa]
pi – Pressão interior [Pa]
Q – Caudal de ar [m3/s]
Q100 – Permeabilidade de ar de referência a 100 Pa [m3/h]
R – Constante dos gases perfeitos [J/(kg.K)] T - Temperatura média [ºC]
t – Tempo [s]
Tatm – Temperatura atmosférica [ºC]
Te – Temperatura exterior [ºC]
Ti – Temperatura interior [ºC]
U – Velocidade do ar [m/s]
Umet – Velocidade do vento na estação meteorológica [m]
Uvento – Velocidade do vento na localização do edifício [m/s]
V – Volume [m3]
ZEN – Altura do eixo neutro [m]
α – Ângulo de inclinação das janelas inclinadas [º] β – Coeficiente de expansão volumétrico [1/ºC]
ΔCp – Diferencial dos coeficientes de pressão entre as aberturas [-]
Δp – Diferencial de pressão [Pa] Δρ - Variação da densidade [kg/m3]
ΔT – Variação da temperatura [ºC]
Δph – Perda de carga devido à acção do atrito [Pa]
δe – Espessura da camada limite do vento na localização do edifício [m]
δmet – Espessura da camada limite de vento la localização da estação meteorológica [m]
ε – Coeficiente de fluxo turbulento [-] γ − Coeficiente de fluxo laminar [-]
θ – Ângulo do vento em relação à normal da abertura [º] μ - Viscosidade dinâmica [N.s/m2]
1 Introdução
1.1 Enquadramento do Tema
A exposição ao fumo ambiental do tabaco (FAT), também chamada de tabagismo passivo, continua a ser responsável por uma taxa de morbilidade e mortalidade excessiva na União Europeia (UE), com custos significativos para a sociedade. A Comissão Europeia incentiva todos os Estados membro a introduzirem medidas para proteger os cidadãos aos efeitos negativos do tabagismo passivo, criando legislação apropriada para o efeito [1].
De acordo com estimativas mais recentes, aliás conservadoras, da parceria entre a Sociedade Respiratória Europeia (European Respiuratory Society), a fundação de Investigação do Cancro do Reino Unido (Cancer Resersh UK) e o Instituto Nacional de Cancro (Institut National du Cancer) francês, morrem actualmente mais de 79000 adultos em consequência do tabagismo passivo nos 27 Países da UE. Sabe-se ainda que o tabagismo passivo no local de trabalho provocou mais de 7000 mortes na UE em 2002, enquanto a exposição em casa foi responsável por mais de 72000 mortes. Estas estimativas incidem na mortalidade devido a doenças respiratórias provocadas pelo tabagismo passivo. Omitem, porém, a mortalidade nos adultos devida a outras doenças relacionadas com a exposição ao FAT9 (tais como a pneumonia), a mortalidade infantil e ainda a significativa morbilidade, aguda e crónica, provocada pelo tabagismo passivo [2].
Estudos realizados em 2001 e 2002 em diferentes recintos fechados de sete cidades europeias revelou que o fumo do tabaco estava presente na maioria dos espaços estudados, incluído restaurantes, cafés, bares, espaços de lazer, transportes, hospitais e estabelecimentos educativos. As concentrações do FAT mais elevadas foram detectadas nos bares e discotecas, atingindo valores tais que uma exposição de 4 horas numa discoteca, equivale a viver um mês com um fumador [3].
Um outro estudo realizado por investigadores italianos revela que, a poluição emitida por cigarros, é dez vezes maior que a exaustão de um motor diesel [4]. A análise baseou-se na
9
comparação entre partículas emitidas por um carro, abastecido com diesel de baixo teor de enxofre, e as partículas do fumo produzidas pela queima de três cigarros, Figura 1-1.
O teste foi realizada numa garagem com um volume de 60 m3, na pequena cidade Alpina de Chiavenna em Itália, uma vez que apresenta um baixo nível de poluição do ar atmosférico. O motor diesel tinha uma cilindrada de 2000 cm3 (TDCi) e esteve em funcionamento durante um período de 30 minutos, ao mesmo tempo, em que um dispositivo portátil de medição de partículas retirava amostras de dois em dois minutos, dentro da garagem fechada. Finalmente a garagem foi ventilada por um período de 4 horas e novamente fechada para realizar o ensaio com os cigarros.
Figura 1-1 – Resultado da medição de partículas (PM10
) proveniente do fumo do tabaco ambiente (e) e do motor diesel (d).
Em Portugal, a partir do dia 1 de Janeiro de 2008, data da entrada em vigor o Decreto-Lei n.º 37 publicado em Diário de República a 14 de Agosto de 2007, são implementadas normas de protecção dos cidadãos à exposição involuntária ao fumo do tabaco e medidas para redução da procura, relacionadas com a dependência e a cessação do seu consumo [5]. Assiste-se, assim, a uma mudança nos hábitos dos fumadores, que dada a origem do fenómeno de comportamento social pode representar outro tipo de perigo para a QAI11 no interior dos edifícios. A presença sistemática de fumadores junto às entradas dos edifícios é um caso que pode ser colocado em questão.
Assim sendo, e uma vez que o artigo 29.º do Decreto-Lei n.º 79/2006 [6] impõem limitações no que refere às concentrações dos poluentes, sente-se a necessidade de quantificar o contributo dos fumadores para a degradação da qualidade do ar no interior dos edifícios.
Até à presente data, questões como a migração de poluentes entre o exterior e o interior dos edifícios [7] e o efeito do fumo do tabaco na qualidade do ar interior (RSECE12 que obriga a um mínimo de 60 m3/h por ocupante em locais onde seja permitido fumar) já foram analisadas no entanto verifica-se que esta nova problemática é algo ainda não explorada e que pode representar um aspecto importante na QAI dos edifícios de serviços com ventilação natural, dada a forte probabilidade de se encontrarem fumadores junto à entrada dos mesmos.
1.2 Apresentação da Dissertação
O objectivo deste trabalho consiste na análise e quantificação do efeito dos fumadores, junto às entradas dos edifícios de serviços na QAI, para diferentes climas (nove zonas climáticas segundo o RCCTE13 [8]) e três níveis de permeabilidade da fachada, ou seja: a) janelas e porta fechadas, b) janelas inclinadas e porta fechada e c) janelas e porta abertas. O modelo de edifício em estudo tem uma geometria simples, tipologia típica de edifício de serviços, composto por quatro pisos, oito fracções autónomas (FA), cujo principal mecanismo de renovação do ar é a ventilação natural.
Uma vez se tratar de uma questão de qualidade do ar, o fenómeno da ventilação, que para o caso de estudo ocorre de forma híbrida, é um factor fundamental de análise ao longo do desenvolvimento do trabalho, uma vez que é a própria ventilação que fará, também, a migração dos poluentes para o interior do edifício.
Para a análise sistemática do efeito identificado utilizou-se um software de simulação denominado de CONTAM, uma vez ser o software que actualmente incorpora a ferramenta de simulação EnergyPlus para a análise de ventilação. Este programa de simulação baseia-se em métodos nodais, é gratuito e de fácil utilização. Foi desenvolvido pelo Indoor Air Quality and Ventilation Group da NIST (National Institute of Standards and Technology), e permite a análise multizona estacionária e instacionária.
12
Regulamento de sistemas energético de climatização de edifícios
13
1.3 Organização dos Temas Abordados no Presente Trabalho
Numa fase inicial do desenvolvimento, foi feita a caracterização dos principais elementos poluentes presentes no ar atmosférico e no fumo resultante da queima de um cigarro. São apresentados algumas normas de QAI e é feita uma descrição comportamental dos fumadores Portugueses, que resulta da análise da percentagem de fumadores, do número de cigarros fumados por dia e o tempo médio por cigarro, quando fumado à porta do edifício.
Num ponto seguinte, são apresentados os princípios básicos de ventilação natural nomeadamente o efeito térmico e o efeito das pressões, assim como, uma simples descrição das expressões que permitem o fluxo de ar através das diferentes aberturas e tipos de escoamento. É ainda feita uma descrição dos modelos que permitem determinar a taxa de ventilação e infiltrações em edifícios. Num outro capítulo, é feita uma exposição das ferramentas de simulação nodal com uma breve descrição dos dois principais programas: o COMIS14 e o CONTAM, juntamente com uma caracterização do comportamento do CONTAM, no que respeita à análise de poluentes e à apresentação dos métodos numéricos usados para a simulação.
Para que análise da renovação de ar num edifício, que tenha como principal mecanismo de ventilação a ventilação natural, seja possível, é necessária uma cuidada avaliação dos dados climáticos. Assim, devido haver mais que uma fonte de dados, é feita uma análise de indicadores que permita a comparação com os valores tabelados no RCCTE.
Numa próxima etapa, e como uma simulação tem por base a construção e caracterização de um modelo que deve ser representativo das condições verificadas na prática, foi criado um capítulo que define todos os pontos importantes à caracterização do modelo em termos de ventilação, bem como, a apresentação de uma análise do efeito da introdução da malha na fachada principal do edifício onde é feita a dispersão dos poluentes por forma a poder aplicar a simulação nodal.
No capítulo de análise de resultados é avaliada a afectação da qualidade do ar associada à aglomeração de fumadores baseando-se, fundamentalmente, nas evoluções de concentração obtidas para o elemento crítico, bem como, na frequência temporal com que, certos patamares de concentração deste elemento são atingidos.
2 Principais Poluentes Atmosféricos e Contaminantes do Fumo do Tabaco
Através deste capítulo caracteriza-se o ar atmosférico, bem como, o fumo resultante da queima de um cigarro, avaliando a presença dos principais elementos poluentes. São apresentadas normas de QAI que estabelecem valores limite de concentração para ambientes interiores, assim como, também é feita uma descrição comportamental dos fumadores Portugueses, que resulta da análise da percentagem de fumadores, do número do cigarros fumados por dia e do tempo médio por cigarro quando fumado à porta de um edifício.
2.1 Contaminantes Atmosféricos
“ Hoje em dia, o ser humano apenas tem ante si três grandes problemas que foram ironicamente provocados por ele próprio: a super povoação, o desaparecimento dos recursos naturais e a destruição do meio ambiente. Triunfar sobre estes problemas, vistos sermos nós a sua causa, deveria ser a nossa mais profunda motivação.”
Jacques Yves Cousteau (1910-1997) O desenvolvimento industrial e urbano tem originado, em todo o mundo, um aumento crescente da emissão de poluentes atmosféricos, nomeadamente, os gases de efeito de estufa. Actualmente, está assinado um acordo internacional (protocolo de Kyoto, 1997) que, numa primeira fase, obriga os países a reduzir, em 5,2% a emissão dos gases poluentes entre os anos de 2008 e 2012. Os gases citados no acordo são: dióxido de carbono, gás metano, oxido nitroso, hidrocarbonetos fluorados, hidrocarbonetos perfluorados e hexafluoreto de enxofre. Estas medidas tem como expectativa a redução da temperatura global em 1,5 a 5,8 ºC até ao final do século XXI [9].
O acréscimo das concentrações atmosféricas dos vários poluentes químicos e sua consequente deposição no solo, nos vegetais e nos cursos de água é responsável por danos na saúde, redução da produção agrícola, danos nas florestas, degradação de construções e obras de arte e de uma forma geral origina desequilíbrios nos ecossistemas.
Os problemas de qualidade do ar não afectam o território Nacional de uma forma homogénea, encontram-se localizados em algumas áreas onde é maior a concentração urbana e a presença de grandes unidades industriais (Sines, Setúbal, Barreiro-Seixal, Lisboa, Estarreja e Porto).
No entanto, a poluição do ar atmosférico, devido às características da circulação atmosférica e à permanência de alguns poluentes por longos períodos de tempo, apresenta um carácter transfronteira e é responsável por diversas modificações ao nível planetário como o caso das alterações climáticas, com o aumento da temperatura e consequente degelo e alterações a nível genético dos seres vivos, o que obriga à a conjugação de esforços a nível internacional.
Deste modo, são exigidas acções para prevenir, ou reduzir, os efeitos da degradação da qualidade do ar, o que já foi demonstrado ser compatível com o desenvolvimento industrial e social. A gestão da qualidade do ar atmosférico envolve um conjunto de factores dos quais se destacam: a definição de limites de concentração e emissões dos poluentes para a atmosfera, a criação de estruturas de controlo da poluição em áreas especiais e os apoios na implementação de tecnologias menos poluentes.
Tabela 2-1 – Concentrações de alguns poluentes no ar ambiente em zonas típicas urbanas [10] [11]
Poluente Concentração [μg/m3] Poluente Concentração [μg/m3]
Acetaldeído 20 Ácido nítrico 6
Acetona 3 Oxido nítrico 10
Amónia 1,2 Dióxido de azoto 51
Benzeno 8 Ozono 40
2-Butanone (MEC) 0,3 Fenol 20
Dióxido de Carbono 612000 Propano 18
Monóxido de Carbono 3000 Dióxido de enxofre 240
Cloroforme 1 Ácido sulfúrico 6
Formaldeído 20 Tetraclorietileno 2,5
n-heptano 29 Tolueno 20
Mercúrio (vapor) 0,005 1,1,1-Tricloretano 4
Metano 1100 Tricloretileno 15
Cloreto de metilo 9 Cloreto de vinilo 0,8
Partículas PM10 50 COV15 0,25
Na Tabela 2-1 é dada informação das concentrações de alguns dos principais poluentes presentes no ar exterior. A informação disponibilizada é referente a zonas típicas urbanas. Para regiões de proximidade de refinarias, centrais térmicas e interior de cidades de intensa actividade, os valores de concentração ambiente são superiores aos tabelados. Para as zonas rurais os valores são maioritariamente inferiores.
Tabela 2-2 – Concentração de alguns poluentes no ar ambiente em zonas rurais [12] [13]
Poluente Concentração
[μg/m3] Poluente Concentração [μg/m3]
Formaldeído 14,25 Bemzeno 0,6
Acetaldeído 1,7 Dióxido de azoto 13,7
Partículas 15 Dióxido de enxofre 90,5
Monóxido de Carbono 1400 Ozono 59,6
Pela associação da Tabela 2-2 com Tabela 2-1 verifica-se que a concentração ambiental dos poluentes nas zonas urbanas toma, geralmente, em média, valores superiores às zonas rurais, como previsto, dada a menor concentração populacional e industrial. No entanto o mesmo não acontece com o caso do elemento Ozono, uma vez que, as elevadas concentrações de monóxido e dióxido de azoto (NO e NO2) reagem com o ozono, o que diminui a sua concentração.
2 2
3 NO O
O
NO+ → + ou ainda, NO2 +O3 →NO3+O2
2.2 O Tabaco e Principais Contaminantes
Em todo mundo, consome-se em média mais de dois cigarros por pessoa [14], diariamente, o que perfaz um total de mais de 15 biliões de cigarros fumados a cada dia, Figura 2-1. O seu consumo é mais acentuado nos países mais desenvolvidos, em especial na Europa, nos USA, no Norte da Ásia e na Austrália.
Figura 2-1 – Consumo anual de cigarros por pessoa [14]
Em Portugal há uma grande preocupação com as consequências do fumo do tabaco, bem como com a taxa de fumadores, uma vez, que os custos sociais e económicos assumem valores escandalosamente insustentáveis. Relutantemente, os governos tiveram que começar a aceitar que, os benefícios fiscais retirados são compensados com custos directos que o tabaco provoca. As despesas, cada vez mais elevadas no tratamento das doenças provocadas pelo tabagismo, dias de ausência ao trabalho, diminuição da produtividade, entre outras, são razões que levam à adopção de novas medidas [15].
Uma sondagem realizada pela Faculdade de Medicina da Universidade do Porto [16], a um universo aleatório de 1644 participantes válidos, 629 dos quais do sexo masculino e 1015 do sexo feminino revela, com um intervalo de confiança de 95%, a percentagem de fumadores de cada sexo, e mostra que a maioria dos fumadores, 55,1%, situa-se no sector masculino. No entanto, ultimamente, tem sido anunciada uma diminuição do numero de fumadores homens adultos e em contrapartida, um aumento por parte do universo jovem feminino.
Conclui-se, também, que a percentagem de fumadores, de entre o universo analisado, é de 24,3%, valor este que se localiza dentro do intervalo publicado pela Fundação Portuguesa de Cardiologia (20 a 26%) [17]. No ANEXO I, é feita uma apresentação com mais detalhe de como foram
Um outro factor de grande interesse à análise é número médio de cigarros fumados por cada fumador. Este indicador permite evidenciar o nível de vício associado á população fumadora bem como, juntamente com os dados referentes à taxa de fumadores, estimar a quantidade de poluentes que são libertados para o ambiente, devido a esta prática. Valores publicados no Inquérito Nacional de Saúde [18], revelam que são fumados diariamente cerca de 19,3 cigarros, por cada fumador, em que mais uma vez, o sector predominante é do sexo masculino, onde em média fumam 20,7 cigarros por dia, enquanto que o sexo feminino apresenta um valor de 14,5. Números elevadíssimos quando comparados com a média mundial de 15 cigarros por dia [19].
2.2.1 Contaminantes do Fumo do Tabaco
O fumo do tabaco é considerado uma preocupante fonte emissora de poluentes para o ar, em espaços fechados. O tabaco considerado inalável, ou seja, que entra para o organismo humano através do aparelho respiratório, pode ser apresentado sob três principais formas: cigarro, charuto e cachimbo, em que para além do formato, diferem também nas taxas de emissão. A análise seguinte centrar-se-á no cigarro, pois o seu uso é mais generalizado.
O fumo ambiental do tabaco (FAT) é composto pelo fumo inalado pelo fumador, que posteriormente é libertado para o exterior e o fumo que é produzido pelo cigarro entre inalações [20].
A Tabela 2-3 faz uma caracterização da quantidade mássica de cada composto libertado, em média, no processo normal de queima do cigarro, ou seja, a quantidade de poluentes libertada por um fumador quando fuma um cigarro.
Tabela 2-3 – Principais contaminantes existentes no fumo do tabaco [21]
Contaminante [mg/cigarro]Quantidade Contaminante [mg/cigarro] Quantidade
Oxidantes Heterocyclics
NOx 1,801 Nicotina (C10H14N2) 1
Oxido nítrico (NO) 1,647 Piridina 0,218
Dióxido de azoto (NO2) 0,198 Hidrocarbonetos aromáticos
Agentes redutores Benzeno (C6H6) 0,28
Monóxido de carbono (CO) 10 Tolueno (C7H8) 0,498
Compostos de azoto Xileno (C6H10) 0,297
Amónia (NH3) 4,148 Estireno (C6H5CHCH2) 0,094
Aldeídos Alcenos
Acetaldeído (C2H4O) 2,5 Isopreno (C5H8) 6,158
Formaldeído (CH2O) 1,33 1,3-Butadieno (C4H6) 0,372
Cetonas Partículas
Acetona (CH3(CO)CH3) 1,229 Respiráveis (PM10) 13,674
Terpenos Alcatrão 10
Limonene (C10H16) 0,261 COV 19,07
As quantidades referentes ao monóxido de carbono, à nicotina e ao alcatrão, encontram-se destacadas na Tabela 2-3, tendo sido corrigidas, uma vez que, por imposição do artigo 8.º do Decreto-Lei 37/2007 [5], são estabelecidos limites às tabaqueiras, fazendo com que o fumo resultante da queima de um cigarro tenha, obrigatoriamente, um máximo de 10 mg de alcatrão e monóxido de carbono e 1 mg por cigarro de nicotina.
É importante referir que nem todos os efluentes do fumo do tabaco estão representados na Tabela 2-3, como o caso do dióxido de carbono, devido à quantidade presente não ser tão perigosa para a saúde comparativamente aos apresentados.
2.2.2 Limitações Legislativas
A qualidade do ar interior assume, e assumirá sempre, uma grande importância na análise da ventilação dos edifícios. A sua degradação pode originar problemas de saúde principalmente ao nível respiratório. Com a preocupação de exigir boa qualidade do ar, foram publicadas algumas normas, ASHRAE 62 – 1999 [22], ASHRAE 62.1 – 2004 [23], NP 1796 – 1988 [24] e NP 1796 – 2007 [25] juntamente com uma tabela do Decreto-Lei 79/2006, onde constam valores limite de concentração no ar, de algumas das substâncias presentes no fumo do tabaco. Ao consultar as
tem vindo a diminuir. Este facto não se deve só a factores económicos de poupança de energia no tratamento do ar novo, mas também, à redução da necessidade devido à implementação de medidas como o caso do DL 37/2007.
Os valores limite seleccionados para cada um dos contaminantes são os mais restritivos do conjunto da associação das normas com a legislação actual.
Tabela 2-4 – Concentrações limite e normalização aplicada para um período de exposição de 8 horas
Contaminante limite [mg/mConcentração 3] Normalização Contaminante limite [mg/mConcentração 3] Normalização
Oxidantes Hidrocarbonetos aromáticos
NOx 5,5 NP1796-2007 Benzeno (C6H6) 1,6 NP1796-2007
Oxido nítrico (NO) 31 NP1796-2007 Tolueno (C7H8) 0,26 ASHRAE 62.1-2004
Dióxido de azoto (NO2) 8x10-3 ASHRAE 62.1-2004 Xileno (C6H10) 100 NP1796-2007
Agentes redutores Estireno (C6H5CHCH2) 86 NP1796-2007
Monóxido de carbono
(CO) 10 ASHRAE 62.1-2004 Alcenos
Compostos de azoto Isopreno (C5H8) - NP1796-2007
Amónia (NH3) 17,6 NP1796-2007 1,3-Butadieno (C4H6) 4,5 NP1796-2007
Aldeídos Heterocyclics
Acetaldeído (C2H4O) 45,4 NP1796-2007 Nicotina (C10H14N2) 3,3 NP1796-2007
Formaldeído (CH2O) 0,06 ASHRAE 62-1999 Piridina 3,3 NP1796-2007
Cetonas Partículas
Acetona (CH3(CO)CH3) 1197 NP1796-2007 Respiráveis (PM10) 0,1 ASHRAE 62-1999
Terpenos Alcatrão 0,2 NP1796-2007
Limonene (C10H16) - NP1796-2007 COV 0,6 DL 79/2006*
* Para o caso dos COV, o limite estabelecido pelo RSECE é para exposição contínua [26]
Admitindo, a título de exemplo que um fumador se encontra dentro de um espaço com ar inicialmente puro (ausência de qualquer elemento contido no fumo do tabaco) e área de 15 m2 e 3 m de altura, totalizando um volume de 45 m3
, com ventilação nula. Após ter fumado meio cigarro, já se encontra com um nível de concentração de partículas PM10 superior a 0,152 mg/m3,
que é acima do limite enunciado na Tabela 2-4, bem como, acima do limite imposto pelo RSECE. Assim sendo, dado que o mesmo não se verifica para os outros elementos, conclui-se que as partículas serão o constituinte crítico em análise.
3 Princípios Básicos de Ventilação Natural
Neste capítulo são apresentados os princípios básicos da ventilação natural, nomeadamente, o efeito térmico e o efeito das pressões, assim como, uma simples descrição das expressões usada que permitem avaliar o fluxo através das diferentes aberturas e tipos de escoamento. É ainda feita uma descrição dos modelos que permitem a determinação da taxa de ventilação e infiltrações num edifício.
A ventilação natural dos edifícios é um processo de renovação do ar de forma passiva, sem recurso a qualquer dispositivo mecânico, com o único objectivo de garantir a QAI, que tem de ser estudado e implementado no momento da construção do edifício, pois serve-se das aberturas estrategicamente colocadas na fachada para o efeito.
Um ar com qualidade é definido como ar livre de poluentes que possam causar irritação, desconforto e sensação de doença nos ocupantes. Como foi analisado no ponto 2.2.1, existem normas associadas à qualidade do ar, que em geral, são baseadas em análises de risco, sendo especificadas as concentrações máximas permitidas para períodos de curta, média e longa duração.
Para assegurar a ventilação necessária à QAI, é preciso ter em atenção um conjunto de parâmetros, tais como:
• Localização do edifício: qualidade do ar exterior, temperatura, humidade, nível de ruído, velocidade e direcção do vento e ainda, o tipo de configuração urbana.
• O edifício: fontes emissoras de poluentes, temperatura, fontes de calor, posicionamento e dimensões das aberturas, orientação do edifico, entre outros.
Dado que, os parâmetros associados ao edifício apenas podem ser avaliados numa fase mais avançada do projecto, é necessário, no início, disponibilizar um maior esforço na análise dos parâmetros da localização, por forma a poder garantir a QAI apenas com recurso à ventilação natural.
Este tipo de ventilação é usualmente aplicado em edifícios de reduzidas dimensões, como é o caso das habitações unifamiliares localizadas em climas temperados, com baixo custo no investimento inicial e manutenção. Dado o carácter aleatório e forte dependência das condições
climatéricas na ventilação, nem sempre é possível garantir as melhores condições de conforto. A obrigatoriedade a uma elevada permeabilidade para atingir níveis de ventilação aceitáveis, colide, muitas vezes, com os regulamentos de incêndio e segurança, quanto à permeabilidade entre zonas do mesmo edifício.
Note-se que, apesar da ventilação natural ser bastante atractiva, a concepção deste tipo de sistema obriga a consideração de um conjunto de fenómenos, e critérios que, nem sempre, são fáceis de tratar, pelo que, actualmente, é difícil de projectar um sistema de ventilação natural que cumpra na íntegra a norma NP 1037-1 [27] ou os requisitos de caudal mínimo, dentro do que a actual regulamentação obriga.
3.1 Mecanismos de Ventilação Natural
O movimentando de uma determinada massa de ar é originado pela existência de um diferencial de pressões entre dois pontos. Num edifico, a diferença de pressões entre os dois lados de uma abertura, quer sejam frinchas, portas, janelas, chaminés ou outras aberturas propositadamente criadas para a ventilação, faz com que haja um movimento de ar, criando-se assim a ventilação. Os mecanismos físicos (naturais), que permitem gerar o diferencial de pressões, são de dois tipos:
• Efeito das pressões – ocorre devido à conversão da energia cinética do vento em pressão estática, provocado pelo escoamento em torno do edifício;
• Efeito térmico – a diferença de temperatura provoca o aparecimento de massas específicas diferentes, o que origina um gradiente de pressões entre dois pontos;
Normalmente, a ventilação natural ocorre com a presença destes dois efeitos, no entanto, eles podem ocorrer separadamente.
Partindo da expressão da conservação de energia de um escoamento (equação de Bernoulli): = ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + U g z p ρ 2 ρ 2 1 Constante (1)
E, uma vez que, para que todo o escoamento real, viscosidade não nula, aconteça é necessário um consumo energia de forma a vencer as resistências que se lhe opõem, por acção directa das forças de atrito. Assim grande parte da energia é convertida em calor, passando a estar indisponível, o
modificada passando a incluir um termo “dissipativo”, que toma o nome de perda de pressão, ΔPh
e quantifica o consumo de energia perdida durante o escoamento [28]:
h p z g U p z g U p + ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ = + ⋅ ⋅ 2+ ⋅ ⋅ 2 +Δ 2 2 1 2 1 1 2 1 2 1 ρ ρ ρ ρ (2)
O caudal de ar que atravessa uma dada secção pode ser obtido a partir da expressão de conservação de energia modificada, em que o termo “dissipativo” já se encontra incluído, expressão (2), através do Cd, desta forma vem:
ρ p A C U A Q= ⋅ = d ⋅ ⋅ 2⋅Δ (3)
Em que, Cd corresponde a um factor “dissipativo” que, para orifícios de aresta afiada, é quase
independente do número de Reynolds, tomando um valor próximo de 0,61 [29]. Porém, em grande parte das aberturas dos edifícios, não se verifica um coeficiente Cd constante, dado que
vulgarmente a geometria das aberturas varia com a diferença de pressão e com as condições ambientais dentro e fora, do edifício. Desta forma, para aberturas de grande dimensão, estes efeitos podem ser desprezados. O uso da expressão (3) ocorre para aberturas tipicamente mais largas que 10mm. A área efectiva, Cd.A, pode ser determinada à custa de testes de pressurização e
despressurização ou então, pode tomar valores típicos fornecidos pela ASHRAE [29] para diferentes componentes dos edifícios.
Para aberturas extremamente pequenas, o escoamento na abertura é essencialmente laminar, ou viscoso, sendo determinado pela equação de Couette:
p B H L Q ⎥⋅Δ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⋅ ⋅ ⋅ = μ 12 3 (4)
Na expressão (4), L e H representam as dimensões das fendas enquanto o termo B corresponde à profundidade da frincha na direcção do escoamento. Na realidade, o que acontece é que o escoamento através das aberturas encontra-se na transição do regime turbulento para o regime laminar. Desta forma, as expressões (4) e (5) dão origem à seguinte lei de potência:
( )
p nL k
O termo k simboliza o coeficiente de escoamento, que é dependente da geometria, L o comprimento da frincha e n o expoente do escoamento. A variável n toma valores entre 0,5 e 1 para escoamentos totalmente turbulentos e laminares respectivamente. Na prática, os valores do coeficiente tendem a situar-se entre 0,6 e 0,7.
Dado que a expressão (5) não é dimensionalmente homogénea [29], é sugerida uma forma quadrática, expressão (6), que fornece uma avaliação mais exacta do fluxo através da abertura. A expressão tem o seguinte aspecto onde, γ e ε são coeficientes de fluxo:
2 Q Q
p= ⋅ + ⋅
Δ γ ε (6)
O primeiro termo do lado direito da expressão (6) representa o fluxo laminar, enquanto que o outro representa o fluxo turbulento. Desta forma, o primeiro termo torna-se mais significativo para escoamentos de baixo caudal e o segundo é mais significativo em escoamentos de grande caudal. Os valores de γ e ε podem ser obtidos experimentalmente ou, no caso de algumas aberturas, encontrados na bibliografia [30].
3.1.1 Efeito Térmico
A pressão gerada devido ao efeito térmico, também conhecido por efeito chaminé, é responsável por promover a passagem do ar através de aberturas na envolvente de um edifício. Este fenómeno acontece devido à existência de diferenças de temperatura e densidade entre o ar exterior e interior do edifício. A variação da densidade com a temperatura pode ser obtida pela expressão (7) [31], o que faz com que se formem gradientes de pressão ao longo da altura do edifício, tanto dentro como fora do mesmo.
T
atm⋅ ⋅Δ
=
Figura 3-1 – Gradiente de pressões devido à diferença de temperaturas
Quando o ar dentro do edifício está mais quente que o ar exterior (Ti>Te), o arrefecimento do
edifício dá-se através das infiltrações de ar nas zonas de menor cota da fachada e das exfiltrações que ocorrem nas zonas de maior cota. O inverso acontece quando a temperatura exterior é superior à temperatura existente no interior do edifico (Ti<Te).
A diferença de pressão de origem térmica, ΔPT
, entre as cotas z1 e z2 da Figura 3-1 pode ser
calculada através na equação de Bernoulli baseada nas respectivas pressões hidrostáticas, exterior e interior:
(
0 1) (
0 1)
0 1 1 1 1 p p p g z p g z p g z p = e − i = e − e⋅ ⋅ − i − i⋅ ⋅ =Δ −Δ ⋅ ⋅ Δ ρ ρ ρ (8)(
0 2) (
0 2)
0 2 2 2 2 p p p g z p g z p g z p = e − i = e − e⋅ ⋅ − i − i⋅ ⋅ =Δ −Δ ⋅ ⋅ Δ ρ ρ ρ (9)(
z z)
g H g p p pT =Δ −Δ =Δ ⋅ ⋅ − =Δ ⋅ ⋅ Δ 1 2 ρ 2 1 ρ (10)A expressão da variação da densidade com a temperatura é obtida pelo produto da densidade do ar com o coeficiente de expansão atmosférico e a diferença de temperaturas [31]:
T
atm ⋅ ⋅Δ
=
Δρ ρ β (11)
Com β =1Ti para uma gás perfeito, à temperatura interior do edifício, e ρatm =Patm
(
R⋅Tatm)
obtido a partir da equação dos gases perfeitos, dando origem à seguinte expressão:
(
e i)
i atm atm T T T T R P − ⋅ ⋅ ⋅ = Δρ 1 (12)Em que, para, Tatm = , Te ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⋅ ⋅ = Δ i e i atm T T T R p 1 1 1 ρ (13)
A diferença de pressões para uma altura H e uma temperatura exterior e interior (Te e Ti), pode
ser obtida por:
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⋅ ⋅ ⋅ = Δ i e atm T T R H g p p 1 1 (14)
Substituindo na expressão (14) os valores das propriedades do ar à pressão atmosférica, R e g por 287 J/(Kg.K) e 9.81 m/s2, respectivamente, resulta: ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⋅ ⋅ ⋅ = Δ i e atm T T H P p 0,0342 1 1 (15)
O plano em que diferencial de pressão entre o interior e o exterior toma o valor zero, é chamado de plano neutro, onde a pressão dentro e fora do edifico assume o mesmo valor, ou seja não há ventilação/infiltrações.
3.1.2 Efeito das Pressões
O escoamento do vento sobre a superfície exterior de um edifício gera um campo de pressões que é traduzido pelo expressão (16) em que, Cp, traduz-se no coeficiente de pressão adimensional, ρ a
densidade do ar expressa em kg/m3 e U a velocidade do vento em m/s, medida a uma altura de referência que geralmente corresponde à altura do edifico.
2 2 1 vento p vento C U p = ⋅ ⋅ ⋅ Δ ρ (16)
Na fachada que se encontra virada na direcção do vento (barlavento), gera-se um campo de pressões positivas (do exterior para o interior do edifício) enquanto que nas paredes laterais e na fachada oposta, o campo de pressões gerado é negativo, Figura 3-2. Assim, as infiltrações
ocorrem na fachada exposta à direcção do vento, enquanto que, as exfiltrações ocorrem nas outras fachadas.
Figura 3-2 – Gradiente de pressões devido ao efeito do vento
Para uma correcta avaliação do campo de pressões na fachada do edifício, a velocidade do vento é obtida com recurso a informação proveniente de estações meteorológicas que, em muitos casos, se encontram bastante distanciadas do local de implantação do edifício. Nesses sentido, o valor de velocidade do vento não pode ser utilizado directamente, pois é necessário proceder a uma correcção do valor obtido na estação meteorológica a uma altura de referência que é, normalmente, 10 m acima do nível do solo. A expressão que permite fazer a correcção é a seguinte: a e e a met met met vento H H U U met ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⋅ = δ δ (17)
Na expressão (17), H é a altura desde o solo até ao nível de referência do edifico, a o expoente do “Shear-Factor” e δ a espessura da camada limite. A Tabela 3-1 apresenta os valores limite para os coeficientes a e δ.
Tabela 3-1 – Coeficientes de turbulência do vento [10]
Descrição Expoente (a) camada limite, Espessura da δ
Grandes cidade com mais de 50% dos edifícios mais altos que 21,3 m, numa distância de no mínimo 0,8 km ou 10 vezes a altura da estrutura que encara o vento
0,33 460
Zonas urbanas ou arredores, áreas arborizadas ou outro terreno com obstruções com dimensão de habitações unifamiliares numa distância de no mínimo 460 m ou 10 vezes a altura da estrutura que encara o vento
0,22 370
Terreno aberto com obstruções pontuais de altura inferior a 9,1 m, incluindo zonas abertas planas à semelhança das zonas onde se encontram as estações meteorológicas
0,14 270
Plano, áreas sem obstrução, expostas ao vento ao longo de pelo menos 1,6 km, à distância de 460 m ou 10 vezes a altura
0,1 210
Figura 3-3 – Alteração do perfil de velocidade do vento com a rugosidade
Na Figura 3-3, a título ilustrativo, é apresentado o perfil de velocidades em três zonas de rugosidade distintas onde é fácil perceber que a exposição de um edifício ao vento está
fortemente dependente da localização de implantação. Este é o mesmo método para determinar o grau de exposição dos edifícios no actual RCCTE.
3.2 Coeficientes de Pressão (Cp)
O efeito do vento na envolvente de um edifício é dependente de um grande número de factores. Duas causas importantes que influenciam o efeito do vento numa determinada fachada, são: a orientação da própria fachada em relação à direcção do vento e as obstruções provocadas por outros edifícios, postes, árvores, etc.
Dado o carácter aleatório no posicionamento e nível de obstrução de alguns elementos, tais como pessoas, veículos e árvores de folha caduca, é impossível determinar com exactidão o valor dos coeficientes de pressão reais em torno de um determinado edifício. Uma solução, que permite algum rigor nesta análise, resulta de trabalhos experimentais em túnel de vento, com modelos à escala do edifício e das obstruções circundantes. Em contrapartida, esta envolve grandes custos, tempo de execução e teste. Uma outra forma de aferir os coeficientes de pressão consiste na criação de um modelo em software CFD16. Embora seja uma solução que envolva menos recursos, os resultados obtidos são bastantes similares aos do túnel de vento, como se pode analisar no exemplo da Figura 3-4 [32].
Figura 3-4 – Comparação entre os valores de coeficientes de pressão obtidos pelo túnel de vento e por um software CFD
(FLOVENT®) [32]
16
Tendo presentes as dificuldades e custos envolvidos para a obtenção destes termos (Cp), foram
criados documentos, como o Technical Note 44 da AIVC17 [33], baseados em conhecimentos empíricos, que fornecem informação dos coeficientes de pressão para dois tipos distintos de edifícios de geometria simples (paralelepipédica):
• Edifícios altos, com mais de 3 pisos; • Edifícios baixos, todos os restantes;
Recomenda-se, que estes valores devam ser apenas utilizados quando é desconhecida a informação referente às características da envolvente do edifício. A informação fornecida é para diferentes orientações da fachada e diferentes níveis de exposição consoante o local de implantação do edifício.
O cp generator [34] é uma ferramenta baseada em informação empírica, que permite obter os coeficientes de pressão para casos específicos, uma vez que, necessita como entrada dados referentes à orientação, delimitações do próprio edifício, posição das aberturas na fachada, características das obstruções e informação do local de inserção do edifício.
3.3 Determinação da Taxa de Infiltrações
Os processos físicos que estão envolvidos na ventilação natural são complexos, sendo muito difícil, ou mesmo impossível, determinar com exactidão a taxa de ventilação dos edifícios. A mecânica dos fluidos clássica descreve o escoamento de ar de acordo com as equações da quantidade de movimento, equações de Navier-Stokes [30], que combinadas com equação de conservação de massa fornecem uma descrição matemática completa do escoamento. Infelizmente, devido à grande complexidade das equações de Navier-Stokes (derivadas parciais não lineares de segunda ordem), a resolução do sistema de equações, que descreve o escoamento do ar torna-se bastante difícil. No entanto, é importante conhecer a taxa de ventilação de cada espaço dos edifícios para que a qualidade do ar interior não fique comprometida, salvaguardando sempre a saúde e bem-estar dos seus ocupantes. A correcta determinação dos caudais de ar permite, igualmente, determinar o efeito da propagação dos poluentes do exterior para o interior dos edifícios, bem como, a propagação apenas dentro do mesmo.
De acordo com a informação disponível e pretendida, existem vários modelos de cálculo. Desde modelos que assentam na resolução das equações de Navier-Stokes, recorrendo a técnicas de dinâmica dos fluidos computadorizada (CFD), até modelos baseados em simples dados empíricos, que permitem calcular a taxa de ventilação global.
Existe ainda a via experimental que permite determinar os caudais de ar num edifício, mas com o inconveniente de se aplicar a um caso específico, sendo necessária a extrapolação dos dados obtidos para situações futuras.
Seguidamente, serão abordados quatro tipos distintos de modelos que permitem descrever o escoamento de ar, em sistemas de ventilação natural:
• Modelos empíricos
• Modelos nodais multizona • Modelos CFD
• Resultados experimentais
3.3.1 Modelos Empíricos
Os modelos empíricos, como o próprio nome indica, são modelos matemáticos aferidos de um conjunto alargado de ensaios experimentais, que combinam efeitos de temperatura, velocidade do vento e, ainda, termos referentes às flutuações de outros parâmetros. Estes modelos, mais ou menos fiáveis, permitem obter uma primeira aproximação dos caudais envolvidos e são, fundamentalmente, aplicados a edifícios de uma única zona, como o caso de habitações, pequenos edifícios comerciais e industriais [29].
Método ASHREAE
Este método baseia-se numa expressão que permite calcular a taxa de ventilação através de toda a envolvente do edifício, combinando os efeitos da temperatura e do vento. A expressão (18) tem por base o conhecimento da área total efectiva das frinchas na fachada do edifício, bem como, alguns valores empíricos presentes nas Tabelas 3-2 e 3-3.
2 met U c T b A Q= ⋅ ⋅Δ + ⋅ (18) Onde,
A – Área total efectiva das frinchas da envolvente do edifício [cm2] b – Coeficiente associado ao processo térmico [m6/(h2.cm4.K)] c – Coeficiente associado ao processo eólico [m4.s2/(h2.cm4)]
ΔT – Diferença média de temperaturas entre o interior e o exterior do edifício [K] Umet – velocidade média medida na estação meteorológica local [m/s]
O coeficiente a pode assumir três valores distintos dependendo do número de pisos, tal como se apresenta na Tabela 3-2. O coeficiente b é dependente do número de pisos e também do nível de exposição do edifício ao vento, ou seja, das obstruções que tem em seu redor.
Tabela 3-2 – Coeficiente associado ao processo térmico, método ASHRAE [29]
Nº de Pisos
1 2 3
0,00188 0,00376 0,00376
Tabela 3-3 – Coeficiente associado ao efeito do vento, método ASHRAE [29]
Nº de Pisos Nível de exposição 1 2 3 I 0.00413 0.00544 0.0064 II 0.00319 0.00421 0.00495 III 0.00226 0.00299 0.00351 IV 0.00135 0.00178 0.00209 V 0.00041 0.00054 0.00063
Os níveis de exposição do edifício são classificados de I a V e variam, desde zonas sem quaisquer obstruções até cidades de forte densidade habitacional e com grandes edifícios.
Método British Standards
Trata-se de um método também empírico e baseia-se num conjunto de equações para o cálculo de infiltrações e ventilação natural. Assume fluxos bidimensionais através do edifício, e ignora a
cálculo da ventilação, com aberturas apenas numa fachada, ventilação unilateral, ou então com várias aberturas em fachadas opostas, ventilação cruzada.
Condições: Formulação Representação esquemática
Vento
( )
12 p w d w C A U C Q = ⋅ ⋅ ⋅ Δ Cd – Coeficiente de descarga [-](
) (
)
2 4 3 2 2 1 2 1 1 1 A A A A Aw = + + + Diferença de temperaturas 2 1 1 2 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅Δ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = T H g A C Qb d b θ g – Aceleração da gravidade [m/s]θ – Ângulo do vento em relação à normal da abertura [º]
(
) (
)
2 4 2 2 3 1 2 1 1 1 A A A A Ab = + + +(
Te Ti)
T = ⋅ + 2 1 - Temperatura média [ºC]Condições: Formulação Representação esquemática
Vento U A Q= 0250, ⋅ ⋅ A – Área da abertura [m2] U – Velocidade do vento [m/s] Diferença de temperaturas
(
)
(
)
2 1 1 2 1 2 1 1 2 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛Δ ⋅ ⋅ ⋅ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ∈ + ⋅ ∈ + ⋅ ∈ ⋅ ⋅ = T H g T A C Q d 2 1 2 1 ;A A A A A = + ∈= Efeito combinado de vento e diferença de temperatura 2 1 1 3 ⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛Δ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = T H g T A C Q d( )
12 2 3 ⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛Δ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = T H g T J A C Q d θ3.3.2 Modelo Nodal
Os modelos empíricos e teóricos simplificados, mencionados anteriormente, tem como princípio básico a análise do edifício como uma única zona, o que é inadequada, uma vez que, a interacção entre as diferentes zonas, em termos de ventilação, tem um impacto substancial. Nestas circunstâncias, dever-se-á utilizar modelos de rede multizona e/ou multinodal.
De acordo com este tipo de modelos, um edifício é representado por um conjunto de nós, estando cada um deles associado a uma zona, formando deste modo, uma malha. Cada nó da malha é representado pelo valor de pressão nessa mesma zona.
A malha e constituída por nós e ligações que caracterizam, respectivamente, as zonas/ambiente exterior e as aberturas existentes (portas, janelas, grelhas, frinchas) no próprio edifício.
Assim, um edifício com N zonas é representado por uma malha com N nós de pressão (Figura 3-5). Alguns deles comunicam com nós exteriores, cujas pressões são conhecidas, enquanto que, os outros comunicam apenas com nós interiores, com pressões desconhecidas. O cálculo destas últimas baseia-se na aplicação das equações de balanço de massa em cada nó, expressão (19).
∑
= = ⋅ i k ik i Q 1 0 ρ (19) Sendo,Qik – o caudal da zona i para a zona k [m3/s]
ρi .- a massa volúmica do ar na zona i [kg/m3]
A vantagem fundamental dos modelos multizona reside na facilidade de prever, simultaneamente, a taxa de infiltração de ar em grandes edifícios e, ainda, determinar a interacção do fluxo de massa. Alguns pontos que podem ser avaliados por este tipo de análise são:
• o fluxo de ar do exterior para o interior das diferentes zonas do edifico é fundamental para fenómenos de combustão ou para avaliar o caudal de ar fresco para os ocupantes;
• o transporte de contaminantes e de partículas, entre as diferentes zonas, reveste-se de elevada importância, nomeadamente, em hospitais e fábricas;
Figura 3-5 – Representação esquemática do modelo nodal [29]
3.3.3 Modelo CFD
Todos os modelos vistos anteriormente tratam cada zona como um espaço único, homogéneo, em que todos os pontos do espaço têm as mesmas condições. Na realidade isso não acontece e, desta forma, os resultados obtidos por estes processos ou métodos, são de exactidão questionável [35]. Os modelos CFD permitem a descretização do edifício em pequenos elementos de volume aos quais se aplicam as equações de conservação de massa, energia e quantidade de movimento, com o objectivo de obter campos de velocidades, temperaturas e pressões. O modelo CFD tem por base a descretização das equações diferenciais.
Equação da conservação de massa:
(
⋅)
=0 ∇ + ∂ ∂ V t ρ ρ (20)Equações da quantidade de movimento:
(
) (
)
fx x p V u x u ρ ρ ρ + ∂ ∂ − = ⋅ ⋅ ∇ + ∂ ⋅ ∂ (21)(
) (
)
fy y p V v y v ρ ρ ρ + ∂ ∂ − = ⋅ ⋅ ∇ + ∂ ⋅ ∂ (22)(
) (
)
fz z p V w z w ρ ρ ρ + ∂ ∂ − = ⋅ ⋅ ∇ + ∂ ⋅ ∂ (23)Este conjunto de expressões, depois da descretização das equações diferenciais, é aplicado a cada elemento de volume, dando origem a um sistema de equações, cuja resolução obriga a utilização de métodos numéricos, ou seja, iterativos.
Para a resolução deste tipo de sistemas de equações é fundamental o perfeito conhecimento das condições de fronteira.
3.3.4 Métodos Experimentais
Ao analisar a ventilação de um edifício, é necessário, logo à partida, diferenciar dois processos distintos:
• Caudal de ar entre o interior e o exterior do edifício, geralmente designado por infiltrações;
• Caudal de ar que circula entre cada um dos compartimentos do edifício, também conhecido como fluxos internos ou migração interna;
A determinação dos caudais de ar, através da envolvente do edifício, pode ser feita recorrendo a quatro métodos: o método do comprimento da frincha, o número de renovações horárias, o método dos gases traçadores e o método da pressurização [36]. Os dois primeiros, destinam-se, essencialmente, á contabilização das infiltrações, enquanto que os dois últimos são usados para determinar características inerentes aos edifícios, como é o caso da área de frinchas.
O método do comprimento das frinchas só é utilizável em casos simples e, mesmo assim, é difícil identificar e caracterizar todas as frinchas existentes na envolvente do edifício. Quanto muito, apenas será possível ter em conta as frinchas mais óbvias, por exemplo, as existentes na caixilharia e portas, bem como outras aberturas de maiores, dimensões eventualmente existentes na evolvente.
O método das renovações é um expedito na obtenção de valores para as infiltrações, uma vez que, recorre a valores típicos tabelados.
O método dos gases traçadores consiste na introdução de uma determinada massa se gás no espaço cuja taxa de renovação se pertence medir, gás traçador, que não se encontra presente no ar atmosférico, com posterior medição da concentração ao longo do tempo. É de implementação simples, com a limitação de medir apenas valores estantâneos (valores médios de curtos períodos
de tempo), uma vez que, só ser válido se caso as condições exteriores se mantiverem relativamente constantes.
O método da pressurização consta na imposição de diferenciais de pressão conhecidos entre os dois lados de uma frincha, medindo os caudais que se escapam. Tem algumas restrições, uma vez, que o estado das frinchas depende das condições climáticas a que estão sujeitas (temperatura e humidade).
