Sistema de Ventilação de Laboratório Médico

A localização da sala de máquinas de ar condicionado da sala limpa afeta diretamente o custo do projeto, o ruído e o desempenho do ar condicionado, por isso o layout da sala de máquinas deve ser considerado de forma global durante a etapa de projeto da planta baixa. O ideal é que a sala de máquinas de ar condicionado da sala limpa fique próxima às salas limpas que demandam grandes volumes de ar de insuflação, de modo a manter os trajetos dos dutos os mais curtos possíveis. Contudo, para fins de prevenção de ruídos e vibrações, a sala de máquinas deve ser separada da sala limpa. Ambos os aspectos precisam ser levados em conta. Há diversas formas de realizar essa separação:

1. Separação Estrutural

• 1.1 Separação por junta de recalque: a junta de recalque passa entre a sala limpa e a sala de máquinas, atuando como divisor.
• 1.2 Separação por parede de cavidade: caso a sala de máquinas seja diretamente adjacente à sala limpa, em vez de compartilharem uma única parede divisória, cada lado conta com sua própria parede divisória, com uma cavidade de determinada largura entre as duas paredes.
• 1.3 Separação por sala auxiliar: uma sala auxiliar é posicionada entre a sala limpa e a sala de máquinas para atuar como zona de amortecimento.

2. Arranjo Distribuído

• 2.1 Distribuído no telhado ou acima de tetos suspensos.
• 2.2 Distribuído abaixo do nível do solo: a sala de máquinas está localizada no subsolo.

É desnecessário dizer que, devido aos grandes volumes de ar e aos equipamentos adicionais de filtragem de ar, a sala de máquinas de um sistema de ar condicionado de sala limpa é maior do que uma sala de máquinas de ar condicionado comum; a área limpa deve ser levada em consideração, o tamanho da unidade calculado e espaço adequado para a sala de máquinas reservado.

Seção 2 Sistema de Ventilação de Laboratório Médico

I. Conceitos Básicos de Ventilação

• 1. Conceitos de ventilação e capelas de exaustão: ventilação significa exaurir o ar interno contaminado para o exterior, diretamente ou após purificação, e insuflar ar fresco no ambiente, mantendo assim condições de ar interno que atendam aos padrões de higiene e aos requisitos do processo de produção; o primeiro processo é chamado de exaustão de ar, e o segundo de insuflação de ar. Uma capela de exaustão pode ser entendida de forma simples como uma caixa e um ventilador: os gases gerados no interior da caixa são exauridos pelo ventilador e descarregados com segurança na atmosfera.
• 2. Classificação da ventilação: por força motriz, os sistemas de ventilação podem ser divididos em ventilação natural e ventilação mecânica; a ventilação mecânica pode ser ainda subdividida em ventilação geral (de diluição) e ventilação local. A ventilação geral é um método de ventilação de toda a sala; a ventilação local limita o escopo da renovação de ar aos locais onde substâncias nocivas estão concentradas ou onde a equipe trabalha frequentemente, como capelas de exaustão, braços de extração articulados e capelas de absorção atômica.
• 3. Ventilação de laboratório: a ventilação de laboratório é a tecnologia de controle da influência e dos danos de substâncias perigosas de laboratório sobre os ambientes de ar interno e externo.

II. Finalidade e Requisitos da Ventilação

A ventilação de laboratório difere do projeto de ventilação de sistemas de ar condicionado de conforto; sua principal finalidade é fornecer um ambiente de trabalho seguro e confortável e reduzir a possibilidade de exposição do pessoal a ambientes perigosos. A ventilação atende principalmente às demandas de saúde e proteção trabalhista da equipe do laboratório no ambiente de trabalho.

III. Princípio do Ar Fresco

Um sistema de ar fresco funciona com o seguinte princípio: equipamentos dedicados fornecem ar fresco para um ambiente fechado por um lado, enquanto outros equipamentos dedicados exaurem o ar para o exterior por outro lado, criando um “campo de fluxo de ar fresco” no interior que atende à necessidade de troca de ar fresco interno. Sua implementação é a seguinte: um motor sem escovas de alta velocidade, corrente contínua, baixa potência, alta vazão e alta pressão aciona um ventilador centrífugo; o ar é forçado para dentro do ambiente por um lado por meio de energia mecânica, e um ventilador de exaustão de ar fresco especialmente projetado descarrega o ar para o exterior pelo outro lado, forçando a formação de um campo de fluxo de ar fresco no sistema. Durante o fornecimento de ar, o ar que entra é filtrado, esterilizado, desinfetado, enriquecido com oxigênio e pré-aquecido (no inverno). Conforme o ar de exaustão passa pela unidade principal, o calor é recuperado e trocado com o ar fresco, e a maior parte da energia recuperada é devolvida ao ambiente interno juntamente com o ar fresco. Adotando o esquema de formação de espaço limpo em grande área, garante-se que o ar que entra no ambiente esteja limpo, alcançando assim a purificação do ar interno.

Os sistemas de ar fresco podem ser divididos em: sistemas de ar fresco de fluxo unidirecional, sistemas de ar fresco de fluxo bidirecional e sistemas de ar fresco de troca de calor de fluxo bidirecional.

1. Sistema de Ar Fresco de Fluxo Unidirecional

Implementado com um ventilador e uma entrada de ar tipo janela: quando o ventilador é ligado, o ar interno contaminado é exaurido para o exterior, criando pressão negativa no interior; sob a ação da pressão atmosférica externa, o ar externo entra no ambiente pela entrada tipo janela, realizando a substituição do ar.

2. Sistema de Ar Fresco de Fluxo Bidirecional

Implementado com duas unidades principais: um ventilador exaure à força o ar interno contaminado para o exterior, enquanto o outro suga ar fresco para dentro do ambiente. A característica de um sistema de fluxo bidirecional é a admissão e exaustão forçada de ar, com um sistema de filtragem de ar (opcional) adicionado a montante da unidade de fornecimento para garantir que o ar fornecido ao interior esteja limpo — sendo adequado para laboratórios.

3. Sistema de Ar Fresco com Recuperação de Calor de Fluxo Bidirecional

Trata-se de uma unidade principal com recuperação de calor: em regiões de clima frio, onde a diferença de temperatura entre o interior e o exterior no inverno é grande e o ar fornecido ao ambiente é frio, a unidade de recuperação de calor realiza a troca térmica entre o ar exaurido para o exterior e o ar fresco que entra, visando economia de energia.

[Figura: Planta baixa da disposição de ar fresco e ar de exaustão de ar-condicionado de laboratório, incluindo salão de bioquímica, câmara fria, área de armazenamento de amostras, banheiros, área de escritórios, salas de reunião e treinamento, hall de recepção e várias zonas de amortecimento, área de eletroforese, área de sequenciamento, área de teste de biblioteca, área de amplificação, etc., com dimensões de grade de eixos e roteamento de dutos marcados]

Fig. 6-25 Planta Baixa da Disposição de Ar Fresco e Ar de Exaustão de Ar-Condicionado

IV. Composição Básica de um Sistema de Ventilação

• Equipamentos terminais de ventilação: incluem principalmente capelas de exaustão, braços de extração articulados, capelas de absorção atômica, capelas de exaustão push-pull, etc., conforme mostrado nas Figuras 6-26 e 6-27.

[Figura: Fotografia de um laboratório com vários braços de extração articulados vermelhos instalados acima das bancadas de laboratório]

Fig. 6-26 Braço de Extração Articulado

[Figura: Fotografia de um laboratório com várias capelas de absorção atômica de aço inoxidável instaladas acima de uma bancada de análise de instrumentos]

Fig. 6-27 Capela de Absorção Atômica

2. Sistema de rede de dutos de ventilação: inclui principalmente dutos, registros de duto, silenciosos, torres de tratamento de gases residuais, etc.

3. Unidades de ventiladores de ventilação: consistem principalmente em ventiladores.

V. Parâmetros de Projeto de Sistemas de Ventilação

1. Para clientes que necessitam de projeto de ventilação para laboratórios, o volume de troca de ar de ventilação pode ser determinado a partir da taxa de renovação de ar do ambiente; a taxa de renovação de ar de laboratório é de 10 a 12 trocas de ar por hora, podendo ser aumentada proporcionalmente em casos especiais. [Para a ventilação do ambiente, geralmente é selecionada uma coifa de chapa metálica de 500 mm × 500 mm como dispositivo terminal; cada coifa pode ventilar até 600 m³/h. Comprimento do ambiente × largura × altura × 10 (trocas de ar) = volume de ventilação horário do ambiente; dividir o volume de ventilação horário por 600 resulta no número de coifas; as velocidades dos dutos ramais e principais são calculadas em 6 m/s.]

2. A velocidade do duto ramal para coifas de exaustão de fumos é de 6 a 10 m/s (geralmente se utiliza 10 m/s para o cálculo); em casos especiais, ela pode exceder 10 m/s, mas não deve ultrapassar 12 m/s; a velocidade do duto principal é de 10 a 14 m/s (geralmente se utiliza 10 m/s; escolha 12 m/s para dutos longos e 14 m/s para grandes volumes de ar).

3. A velocidade de face da coifa de exaustão de fumos geralmente é controlada entre 0,375 e 0,75 m/s; o padrão de aceitação é geralmente de 0,5 m/s, e a velocidade de face ideal é de 0,508 m/s. (Ao medir a velocidade de face, a guilhotina geralmente é elevada até 5 cm; uma velocidade de 0,3 a 0,5 m/s é considerada aceitável. Se a abertura da guilhotina for muito grande, a velocidade medida 5 cm abaixo da guilhotina também pode ser aceita.) Consulte a Tabela 6-4.

Tabela 6-4 Parâmetros de Velocidade de Face de Coifas de Exaustão de Fumos

4. O ruído externo deve ser controlado em 70 dB(A), e o ruído interno do laboratório em 55 dB(A) (o limite da norma GB de 60 dB para ruído interno é excedido quando o ruído externo é de cerca de 75 dB). O ruído do ventilador pode ser dividido em ruído mecânico do próprio ventilador (causado principalmente por diferenças na qualidade do ventilador) e ruído do fluxo de ar (o ruído principal). Quando a potência do ventilador não é grande, o ruído do fluxo de ar pode ser reduzido adicionando uma coifa de proteção contra chuva acima do ventilador; para ventiladores de alta potência, geralmente são adicionados silenciadores na entrada e na saída do ventilador. O ruído mecânico é resolvido principalmente construindo paredes de isolamento acústico ou pequenos invólucros acústicos, ou adicionando conectores flexíveis na entrada e na saída do ventilador. O principal método de amortecimento de vibração é transformar a base do ventilador em uma base isolada de vibração e instalar isoladores de vibração ou almofadas de amortecimento.

5. Volume de ventilação (Q) = velocidade de face (vs) × área de abertura da coifa de exaustão de fumos. A função de uma válvula eletrônica de controle de volume de ar é ajustar o volume de ventilação de cada coifa de exaustão de fumos ajustando o raio do duto de cada coifa, para que a velocidade de face permaneça constante quando a área de abertura da coifa se altera.

6. Volume de exaustão (Q) = velocidade de face (vs) × área de abertura da coifa de exaustão de fumos. A função de um sistema de frequência variável (VFD) é alterar a velocidade do ventilador e, consequentemente, o volume de ventilação do ventilador; quando apenas algumas coifas de exaustão de fumos em um sistema de ventilação estão em operação, o sistema VFD ajusta automaticamente a velocidade do ventilador, alterando o volume de ventilação do ventilador e, dessa forma, mantendo constante a velocidade de face da coifa de exaustão de fumos. O sistema VFD tem função semelhante à de uma válvula de controle de volume de ar, mas se apenas válvulas de controle forem utilizadas, o ventilador ainda funcionará em velocidade máxima quando apenas algumas coifas estiverem em operação; com um sistema VFD, o ajuste da velocidade do ventilador economiza energia.

VI. Classificação e Requisitos de Materiais de Dutos de Ventilação

1. Classificação por material do duto: duto de aço galvanizado, duto de aço inoxidável, duto de fibra de vidro inorgânica (FRP), duto de placa de silicato, duto de painel isolante composto, duto flexível, etc.

Dutos de aço galvanizado são comumente utilizados em dutos de insuflamento e retorno de ar-condicionado (vantagens: vida útil longa, baixa resistência ao atrito, fabricação rápida e fácil; desvantagem: limitado por equipamentos de processamento, a espessura não deve exceder 1,2 mm). Dutos de aço inoxidável são comumente usados como dutos de insuflamento a jusante de filtros HEPA em sistemas ultralimpos, e para dutos que transportam gases corrosivos (vantagens: aparência atraente, parede interna lisa, baixa resistência, boa vedação de ar, alta resistência à pressão, resistência à corrosão, resistência a altas temperaturas; desvantagem: alto custo).

Dutos de fibra de vidro inorgânica (FRP) são comumente usados em sistemas de ar-condicionado e sistemas de controle de fumaça e exaustão de incêndio (vantagens: resistência à corrosão, longa vida útil, resistência relativamente alta, custo essencialmente igual ao de dutos de aço; desvantagens: qualidade instável, superfície interna rugosa, alta resistência, alta densidade, peso elevado e reparo difícil no local).

Dutos de placa de silicato são comumente usados como dutos de exaustão de fumaça (vantagens semelhantes às da placa de fibra de vidro inorgânica; a característica notável é o melhor desempenho ao fogo; desvantagem: custo geral relativamente alto).

Dutos comuns de painéis isolantes compostos incluem dutos isolantes de poliuretano com folha de alumínio, fenólico com folha de alumínio, poliuretano BBS e lã de vidro com folha de alumínio.

Dutos flexíveis são usados para conectar dutos de ventilação e ar-condicionado a dispositivos terminais.

Outros dutos incluem principalmente dutos de alvenaria, dutos de cimento e dutos de tecido.

[Figura: Dutos de aço inoxidável (cotovelos, tês e outros acessórios)]

Fig. 6-28 Dutos de Aço Inoxidável

[Figura: Duto de fibra de vidro inorgânica (duto retangular branco)]

Fig. 6-29 Duto de Fibra de Vidro Inorgânica

[Figura: Fotografia de dutos de folha de alumínio; várias seções de dutos retangulares e cotovelos dispostos no chão]

Fig. 6-30 Duto de Folha de Alumínio

[Figura: Imagem de produto de dutos de aço galvanizado; dutos retangulares com cotovelos, tês e outros acessórios]

Fig. 6-31 Duto de Aço Galvanizado

• Por função do duto: dutos de ar de insuflamento, ar de retorno, ar de exaustão, ar fresco, etc.
• Por pressão de trabalho do sistema de dutos: sistemas de baixa pressão, média pressão e alta pressão.
• Por formato do duto: dutos circulares e retangulares.

Dutos circulares têm alta resistência e baixo consumo de aço, mas ocupam mais espaço útil, e suas curvas e tês exigem trajetos mais longos; dutos de alta velocidade devem usar dutos espirais circulares.

Dutos retangulares ocupam menos espaço útil e são mais fáceis de dispor; a razão entre o lado longo e o lado curto de uma seção retangular não deve exceder 4, e em nenhum caso deve exceder 10.

VII. Dimensões de Dutos de Ventilação e Métodos de Cálculo

• Dimensões comuns de dutos circulares: ① uma única capela de absorção atômica usa principalmente tubo Φ160 (DN150); ② braços de extração articulados usam principalmente tubo Φ110 (DN100); ③ dutos ramificados e principais para uma ou duas capelas de exaustão usam principalmente tubo Φ315 (DN300).
• Dimensões comuns de dutos retangulares: se o sistema for mais complexo, ou se três ou mais capelas de exaustão estiverem instaladas em paralelo na mesma sala, ou se a altura do laboratório for limitada de forma que dutos circulares não possam ser instalados, dutos retangulares podem ser considerados. Os comprimentos laterais padrão de dutos retangulares (em mm) são: 120, 160, 200, 320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250. Como a largura da capela de exaustão é de 800 mm, o lado longo de um duto retangular não deve exceder 630 mm; dutos quadrados são preferidos — se as condições não permitirem, dutos retangulares podem ser usados, mas cada projeto deve ser uniforme.
• Métodos de dimensionamento de dutos: ① cálculo de duto circular: Q = (3600 × πd²v)/4 (Q — volume de exaustão, (truncado na parte inferior da página)

(continuação da página anterior) m³/h; d — diâmetro do duto, mm; v — velocidade do ar no duto, m/s); ② cálculo de duto retangular: Q = 3600 × a·b·v (Q — volume de exaustão, m³/h; a, b — comprimentos laterais do duto, mm; v — velocidade do ar no duto, m/s).

4. Padrões de espessura de dutos: de acordo com as normas nacionais, os sistemas de ventilação selecionados aqui são sistemas de média e baixa pressão. Os padrões de espessura para dutos circulares de PVC em sistemas de média e baixa pressão são mostrados na Tabela 6-5.

Tabela 6-5 Padrões de Espessura para Dutos Circulares de PVC em Sistemas de Média e Baixa Pressão

Os padrões de espessura para dutos retangulares de PVC em sistemas de média e baixa pressão são apresentados na Tabela 6-6.

Tabela 6-6 Padrões de espessura para dutos retangulares de PVC em sistemas de média e baixa pressão

Os padrões de espessura para dutos circulares de fibra de vidro (FRP) em sistemas de média e baixa pressão são apresentados na Tabela 6-7.

Tabela 6-7 Padrões de espessura para dutos circulares de fibra de vidro em sistemas de média e baixa pressão

VIII. Projeto de dutos de ventilação

1. Primeiro, determine a partir da planta baixa quantas capelas de exaustão cada sistema inclui; em seguida, determine o volume de ventilação aproximado do sistema com base no número de capelas de exaustão de cada sistema (o volume de ar de projeto de cada capela de exaustão de 1200 mm é de 1300 m³/h, (texto truncado no rodapé da página)

(continuação da página anterior) cada capela de exaustão de 1500 mm tem 1700 m³/h, cada capela de exaustão de 1800 mm tem 2100 m³/h, cada capela de absorção atômica tem 600 m³/h e cada braço de exaustão articulado tem 250 ou 300 m³/h); depois, selecione um ventilador com volume de ventilação ligeiramente superior ao volume de ventilação do sistema.

• Calcule a perda de carga no processo de ventilação: a resistência de um sistema com uma única capela de exaustão é de cerca de 80–100 Pa; cada metro de duto tem perda de 5–6 Pa; cada cotovelo tem perda de 40–50 Pa; a saída do ventilador e a entrada de exaustão têm, cada uma, perda de 60 Pa; um silencioso tem perda de 50 Pa. Em seguida, selecione um ventilador adequado a partir dos gráficos de curvas características, com base no volume de ventilação e na pressão calculados (no cálculo, apenas o diferencial de pressão da capela de exaustão mais distante é calculado, sendo reservada uma margem de 200–300 Pa).

• Em seguida, calcule o raio do duto a partir da relação: volume de ventilação = seção transversal do duto × velocidade do ar no duto (os dutos ramificados são selecionados com 315 mm de acordo com o tamanho da capela de exaustão).

IX. Classificação e seleção de ventiladores

• Classificação dos ventiladores: de acordo com o padrão de fluxo de ar, os ventiladores são divididos nos tipos centrífugo (geralmente instalados em ambientes externos), axial (geralmente instalados em ambientes internos) e de fluxo misto (fluxo diagonal); de acordo com o material, os ventiladores incluem principalmente ventiladores de aço comum, ventiladores de aço inoxidável, ventiladores de PVC e ventiladores de fibra de vidro (FRP). Ao selecionar um ventilador, a saída dele deve ser maior que o tamanho do duto principal.

• ① Características dos ventiladores axiais: baixo consumo de energia e custo operacional, mas alto ruído e baixa sucção do ventilador (baixa pressão de ar); adequados para sistemas simples, geralmente instalados em paredes ou dutos. ② Características dos ventiladores centrífugos: alto consumo de energia e custo operacional, ruído relativamente alto e forte sucção do ventilador (alta pressão de ar); adequados para sistemas complexos, instalados principalmente em ambientes externos ou telhados. ③ Características dos ventiladores de fluxo diagonal: consumo de energia, custo operacional e sucção do ventilador ficam entre os dois tipos anteriores; ruído mais baixo; adequados para sistemas simples, geralmente instalados em ambientes internos.

• Principais parâmetros do ventilador: ① Vazão (Q): volume de fluido que atravessa uma determinada seção transversal do duto por unidade de tempo. ② Velocidade do ventilador (n): velocidade do rotor do ventilador, em r/min. ③ Eficiência (η): a eficiência de trabalho do ventilador é η = (W_útil/W_total) × 100%. ④ Pressão (P): a pressão total (Pt) do ventilador é dividida em pressão dinâmica (Pd) e pressão estática (Ps). A pressão estática é a pressão que o ventilador deve ter para vencer a resistência de atrito de todo o sistema de ventilação, sendo determinada pelas características de todo o sistema — capelas de exaustão, persianas, válvulas de controle, dutos e ventilador. A pressão dinâmica é a parcela da pressão possuída pelo gás descarregado a uma determinada velocidade; em condições padrão, a fórmula é: Pd = 0,5ρV² (ρ — densidade do ar, geralmente 1,2; V — velocidade do ar, m/s).

• Seleção de ventilador: abaixo de 3,5F, abaixo de 4000 m³/h, e para até 2 capelas de exaustão, pode ser selecionado um ventilador de fluxo diagonal; acima desses valores, selecione um ventilador centrífugo. ① Para um único braço de exaustão articulado ou capela de absorção atômica, se o trajeto do duto for relativamente simples — passando diretamente pela parede ou janela para o exterior —, pode ser selecionado um ventilador de fluxo diagonal de fibra de vidro. O projetista pode selecionar os ventiladores de fluxo diagonal modelo FSJG-2.5F (potência do motor N = 0,09 kW) ou FSJG-3.0F (N = 0,18 kW) de acordo com as condições do sistema; se o trajeto do duto for mais complexo, com muitos cotovelos, podem ser selecionados os ventiladores centrífugos modelo F4-72-3.0A (N = 0,55 kW ou 0,75 kW) ou F4-72-3.2A (N = 0,55 kW ou 0,75 kW). ② Para uma única capela de exaustão, se o sistema de dutos for relativamente simples (truncado na parte inferior da página)