Análise CFD de DCV para instalações laboratoriais
D.R.
O principal objetivo dos sistemas de ventilação laboratorial é proporcionar um ambiente seguro e confortável para os trabalhadores. Geralmente é especificada uma elevada taxa de Renovações de Ar Por Hora (Air Change per Hour – ACH) que chega a ser de 12 para espaços laboratoriais e até 20 para biotérios, de forma a satisfazer esses objetivos. No entanto, os sistemas de Ventilação Controlada pela Procura (DCV de Demand-Control Ventilation, no original em inglês) podem ajudar a reduzir as elevadas exigências energéticas e os custos operacionais dos sistemas de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado (AVAC) para laboratórios, aumentando seletivamente o caudal de renovação de ar apenas quando necessário, em eventos críticos, como o derrame acidental ou a fuga de produtos químicos, em vez de operar os laboratórios constantemente com elevadas taxas de renovação de ar. Este estudo, com o auxílio de simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD), avalia o impacto da DCV nas condições ambientais de um laboratório num cenário de derrame acidental.
Os elevados valores de ACH especificados na literatura são, na sua maioria, consensos baseados em abordagens simplistas que envolvem condições ideais de mistura perfeita de contaminantes com o ar insuflado. No entanto, tais condições de mistura instantânea perfeita raramente são alcançáveis, mesmo com os layouts de laboratório mais simples.
Para compensar uma variedade de incertezas, incluindo a mistura imperfeita, têm sido utilizados, tradicionalmente, fatores de segurança na especificação das taxas de ACH, o que resulta frequentemente na especificação de valores elevados. Uma vez que as instalações são concebidas para tais condições, muitas vezes continuam a operar com esses valores elevados de ACH, o que acarreta um elevado consumo de energia, elevadas emissões de carbono e elevados custos operacionais.
De acordo com a norma ANSI/ASSP Z9.5-2002, Laboratory Ventilation, a taxa mínima de ventilação recomendada deve ser baseada na procura de ventilação necessária para satisfazer as necessidades dos ocupantes e é determinada em função da perigosidade através de uma análise de riscos. Esta norma refere ainda que "tanto o valor do caudal de ar de renovação como os padrões de escoamento resultantes nos espaços devem ser considerados ao avaliar a eficácia da diluição e da remoção de contaminantes." Embora as elevadas taxas de renovação de ar possam reduzir a concentração global de contaminantes, pode não ser necessário operar continuamente os laboratórios com um caudal elevado. Estudos de vários laboratórios mostraram que o número de eventos em que a concentração de contaminantes excedeu os valores limite mínimos e exigiu mais do que o caudal de ar mínimo de diluição foi de cerca de 1 % a 2 %.4 Em situações críticas, como no caso de, um derrame acidental, é importante controlar a propagação de contaminantes presentes no ambiente laboratorial para reduzir a concentração de poluentes para níveis aceitáveis, especialmente na “zona de respiração” dos ocupantes – Breathing Zone (BZ), no original. Nestas condições, torna-se essencial aumentar a taxa ACH para além dos valores normais de funcionamento.
O papel de ACH
O ACH é definido como o quociente entre o caudal total de ar insuflado no espaço e o volume do próprio espaço. No entanto, no que respeita à diluição de contaminantes, é apenas o caudal de ar novo (ou ar limpo efetivamente introduzido no espaço) que determina a eficácia dessa diluição. A componente relativa ao volume só se torna relevante quando a taxa de purga (remoção rápida) é crítica, como no caso de um derrame acidental. Assim, nas condições normais de operação, em que o objetivo principal é a diluição contínua dos contaminantes, o caudal de ar novo constitui uma métrica mais adequada do que o ACH. O ACH apenas ganha relevância em cenários de emergência, quando é necessário remover rapidamente o contaminante acumulado no volume da sala.
Tradicionalmente, os caudais de ar de insuflação para os espaços laboratoriais são sempre especificados em termos de ACH, independentemente da finalidade da ventilação, o que resulta em valores mais elevados da renovação de ar, face às necessidades efetivas.
As condições térmicas e ambientais internas nos laboratórios são dinâmicas, o que sugere não operar os sistemas constantemente com elevada taxa ACH. A ventilação controlada pela procura (DCV) envolve a variação dessa taxa, monitorizando as condições internas dos laboratórios e modulando os caudais de renovação de ar em conformidade. Estes sistemas de DCV geralmente monitorizam as concentrações nas condutas de extração/retorno com um conjunto de sensores e fornecem feedback ao sistema de controlo do edifício para aumentar ou diminuir a velocidade do ventilador do sistema de ar condicionado para ajustar os caudais de insuflação de ar. Por exemplo, num cenário de derrame acidental, a taxa ACH pode ser aumentada relativamente à de funcionamento normal para melhorar a diluição e permitir a remoção rápida de contaminantes. Já em condições normais de funcionamento, os laboratórios podem operar valores de caudal de ar inferiores aos valores especificados para satisfazer as exigências térmicas e de diluição do espaço. (...)
Autor Kishor Khankari, Membro da ASHRAE
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