Estudo de caso: CFD para cálculo de conforto térmico (ASHRAE 55 / ISO:7933)

O que você lerá neste artigo:

• um estudo de caso: cálculo de conforto térmico e avaliação do sistema de ventilação através de análise CFD em um prédio industrial de empresa brasileira da Indústria Metal-Mecânica
• entenderá qual a norma de conforto térmico mais adequada para aplicar em fábricas: ASHRAE55 ou ISO:7933?
• verá os benefícios das simulações CFD para avaliação de normas de conforto térmico e avaliação de sistemas de ventilação industrial
• entenderá os benefícios de um software CFD open-source como o HELYX

O PROBLEMA

Projetos de HVAC devem levar em consideração uma série de fatores, dentre eles:

• nível de conforto/estresse térmico das pessoas
• consumo de energia do sistema de ar-condicionado/ventilação
• renovação do ar (evidenciado recentemente devido à pandemia do COVID-19)

Para avaliação do nível de conforto/estresse térmico, projetistas baseiam-se em normas técnicas, como por exemplo:

• ISO 7730:2005 / ASHRAE 55:20017 (conforto térmico)
• ISO 7243:2017 / ISO 7933:2004 / ISO 9886:2004 (estresse térmico)

Trataremos em especial das normas destacadas acima que se baseiam em cálculos analíticos para obtenção de índices de conforto térmico como o PMV e o PPD. A ASHRAE 55:20017 deve ser utilizada para avaliação de conforto térmico em aplicações como salas de aula, salas comerciais e esritórios, shopping-centers, etc. Já a norma ISO 7933:2004 calcula o nível de estresse térmico e é mais adequada para ambientes fabris, onde não se tem necessariamente demanda por conforto térmico, mas sim por condições de trabalho que não causem danos psico-fisiológicos aos trabalhadores.

ASHRAE 55:2017

A norma ASHRAE 55:2017 aplica uma correção aos índices PPD e PMV conhecidos da ISO 7730:2005 através do modelo SET - Standard Effective Temperature. Esta correção torna a norma ASHRAE 55:2017 menos conservativa que a ISO 7730:2005, permitindo níveis mais elevados de temperatura máxima/mínima, enquanto mantém um nível de conforto térmico aceitável. A consequência direta do uso de cálculos mais realistas por esta norma é a redução do consumo de energia dos sistemas de ar-condicionado/ventilação, enquanto o conforto térmico das pessoas é mantido.

PMV (Predicted Mean Vote): é o índice de avaliação do estado de conforto térmico médio de um grupo de pessoas. O PMV é uma escala quantitativa da sensação de calor e de frio que varia de -3 (frio) a +3 (quente) sendo 0 (zero) a zona de conforto neutra. A norma estabelece como limites de conforto valores de PMV entre -0.5 e +0.5.

PPD (Predicted Percentage Dissatisfied): fornece uma previsão quantitativa do número de pessoas que estarão insatisfeitas em um determinado ambiente. A porcentagem de pessoas desconfortáveis termicamente é uma correlação dependente do PMV e está representada graficamente na figura abaixo:

ISO 7933:2004

A norma ISO 7933:2004 tem como objetivo principal a avaliação do estresse térmico em condições que possam levar a um aumento excessivo da temperatura corporal interna ou perda de água corporal. Esta norma determina os tempos de exposição máximo até o qual o estresse fisiológica é aceitável (no qual nenhuma dano é esperado). A consequência direta é uma diminuição ainda maior no consumo de energia em ambientes industriais, visto que a aplicação da norma ASHRAE 55:20017 nestes ambientes (por ser mais conservativa) resultaria em custos mais elevados com sistema de ar-condicionado.

ESTUDO DE CASO

Este projeto foi realizado para uma empresa brasileira do setor metal-mecânico (nome ocultado por questões de confidencialidade). No projeto de um novo prédio da fábrica, foi requisitado à ENGYS uma análise CFD para avaliar o projeto de HVAC. Os objetivos principais da análise eram:

• avaliação do conforto/estresse térmico dos trabalhadores
• avaliação dos ventiladores industriais utilizados para ventilação natural (sem ar-condicionado)
• verificação do cálculo de renovação de ar feito pelo projetista de HVAC
• avaliação do fluxo de ar em regiões específicas do prédio (haviam limites de velocidade do ar estipuladas para não prejudicar certos processos produtivos)

Este prédio é dividido em 3 partes: setor de pintura, setor de processo e setor de montagem. A área total simulada foi de aproximadamente 11.000 m². Por questões de confidencialidade, serão ocultados os resultados obtidos no setor de processo e também detalhes da geometria, como o design dos ventiladores e o posicionamento das máquinas. A geometria base da fábrica é apresentada abaixo (sem os equipamentos, ventiladores, etc.):

SOLUÇÃO CFD COM O HELYX

LIMPEZA DO ARQUIVO CAD & GERAÇÃO DA MALHA

Uma das grandes vantagens do HELYX, software CFD open-source da ENGYS, é seu gerador de malha rousto e com defeaturing automático. Por que isso é um benefício? Porque estamos falando de um projeto de 11.000 m² de área útil, com uma malha total de aproximadamente 300M de volumes. Se tivéssemos que fazer uma limpeza CAD de cada detalhe que não queremos modelar, o custo e tempo da análise CFD no mínimo triplicaria.

Imagens da malha resultante podem ser observadas na sequência. Algumas informações sobre a malha (e quem trabalha com CFD sabe que se trata de um problema relativamente grande):

• Casa de pintura: 4,8 milhões de volumes
• Setor de Montagem: 127 milhões de volumes
• Setor de Processo: 160 milhões de volumes

A primeira figura abaixo mostra a malha superficial do setor de montagem, enquanto a figura seguinte mostra a malha volumétrica em um corte do domínio computacional.

SETUP DA SIMULAÇÃO CFD

O setup foi realizado com o HELYX, desde a etapa de pré-processamento, até o pós-processamento. A modelagem foi feita assumindo-se regime permanente, escoamento incompressível, turbulento (k-w SST), efeitos de transferência de calor (aproximação de Boussinesq) e radiação térmica (Método das Ordenadas Discretas).

SOLUÇÃO CFD

As simulações foram realizadas em cluster próprio da ENGYS, em 256 processadores, e levaram (geração de malha + solução CFD das 3 regiões da fábrica) aproximadamente 60 horas - 15.360 core-hours.

RESULTADOS

• Setor de Pintura

O projeto de HVAC foi feito para que houvesse uma pressão média positiva no interior do Setor de Pintura, o que foi confirmado na simulação CFD. A imagem abaixo mostra diferentes planos com os campos de pressão e temperatura, os quais também tinham valores máximos permitidos por projeto que também foram verificados com a simulação.

Outro resultado muito útil de simulações CFD para aplicaçoes HVAC é o Age of Air, que calcula o tempo de residência do ar desde sua entrada no domínio. Este resultado é útil para avaliação da posição dos insufladores e exaustores e sua influência efetiva na renovação de ar. Muito embora os valores de vazão de projeto sejam suficientes para trocar todo o ar do ambiente na frequência estipulada, muitas vezes existem regiões de recirculação impossíveis de serem previstas em projetos sem o uso de CFD. A imagem abaixo mostra os campos de Age of Air em diferentes planos, onde os valores em vermelho são os valores nos quais o ar está recirculano no ambiente. Estes valores podem ser comparados então com o tempo estimado para troca de de todo o ar do domínio: valores de Age of Air maiores que este valor indicam a necessidade de troca da posição dos insufladores/exaustores.

A figura abaixo mostra o campo "DimLoss95", que representa o tempo de exposição máximo permitido para que se atinja a perda de água máxima para 95% das pessoas, estipulada em 5% da massa corporal. Esta é uma medida do tempos de exposição máximo que os trabalhadores podem estar submetidos com os quais o estresse fisiológica é aceitável. No caso, valores maiores significam que tempos maiores de exposição são permitidos (idealmente, 480 minutos, que representa uma carga horária de 8h diárias).

• Setor de Montagem

Uma análise semelhante à que foi feita no Setor de Pintura foi feita para o Setor de Montagem, mas por questões de confidencialidade do projeto somente algumas imagens serão mostradas.

Nesta região da fábrica, ventiladores industriais de pás com aproximadamente 6 metros de diâmetro foram instaladas e incluídas na simulação CFD através de modelos MRF (Multiple Reference Frame). As imagens abaixo mostram o perfil de velocidades em uma vista isométrica e em uma vista superior, onde é possível observar mais atentamente o efeito dos big-fans no escoamento:

CONCLUSÕES - TAKE HOME MESSAGES

• Simulações CFD são uma ótima ferramenta auxiliar de projeto HVAC, pois fornecem informações detalhadas do escoamento que seriam impossíveis de serem obtidas sem CFD.
• A utilização de CFD para aplicação de normas de conforto/estresse térmico traz informações muito úteis, visto que é possível aplicar os cálculos analíticos da norma ponto a ponto no domínio, pois temos a informação dos valores de velocidade, temperatura do ar, temperatura radiante e humidade relativa em todos os pontos do domínio.
• O uso de uma ferramenta CFD com tenologia open-source como o HELYX permite realizar este tipo de projeto com um custo muito reduzido em comparação a outras soluções do mercado. Exemplo: a malha total das 3 regiões simuladas foi em torno de 300 milhões de volumes e levou 60 horas para rodar em 256 processadores. No HELYX, licenças HPC não são cobradas, ou seja, não há nenhum custo adicional de licença para rodar simulações com 1, 50 ou 500 processadores.
• Outro grande exemplo de benefício da tecnologia open-source neste projeto foi a implementação da norma ISO 7933:2004 durante a realização do mesmo. A flexibilidade de customização as ferramentas open-source permitem atender este tipo de demanda até mesmo em projetos em andamento.

CONTATO

Para saber mais informações sobre a ENGYS e o HELYX, entre em contato através do e-mail info@engys.com, ou pode me contatar diretamente via LinkedIn.

Lisandro Maders - Gerente ENGYS Brasil, Engenheiro Mecânico com Mestrado pela UFRGS, Porto Alegre, RS.