Filtragem de partículas em habitações energeticamente eficientes com MVHR

Os edifícios com elevada eficiência energética são muito estanques e necessitam normalmente da instalação de ventilação mecânica com recuperação de calor (MVHR, na sigla inglesa). Mas que classe de filtro de ar ambiente será uma escolha razoável, em termos de qualidade do ar interior e utilização energética, quando também é tida em consideração a geração interior?

Objetivos e metodologia do estudo

Os edifícios com elevada eficiência energética possuem envolventes muito estanques e utilizam sistemas de ventilação mecânica para garantir uma renovação de ar suficiente. Por exemplo, a norma Passivhaus, um regime de certificação para edifícios com elevada eficiência energética, exige a instalação de ventilação mecânica com recuperação de calor (MVHR) (PHI n.d.). Ao utilizar uma MVHR, os quartos (e as salas) recebem ar novo. A mesma quantidade de ar é extraída das divisões húmidas, como cozinhas e casas-de-banho, e escoada para o exterior depois de passar pelo permutador de calor.

Nas casas europeias com MVHR, não há recirculação de ar no interior da habitação (em contraste com as casas norte-americanas). Para proteger o permutador de calor contra sujidade, são necessários filtros. Para este efeito, um filtro grosso, como, por exemplo, o da classe G4 ou equivalente, é suficiente. Para reduzir a exposição dos ocupantes a partículas provenientes do exterior, várias unidades de MVHR preveem a instalação de um filtro de classe superior para a insuflação de ar novo. Por exemplo, a norma Passivhaus exige a utilização de um filtro de insuflação de ar novo com uma classificação de eficiência de, no mínimo, F7, em conformidade com a EN 779 (EN 2012) ou ePM1>50%, em conformidade com a mais recente ISO 16890. De notar que a EN 779 classificou o meio filtrante pela sua eficiência de filtragem média face a partículas com um diâmetro de 0,4 µm, ao passo que a ISO 16890 considera a eficiência de filtragem face a todo o espetro do tamanho da partícula. Normalmente, o filtro fica posicionado na entrada de ar novo, sendo que, desta forma, também protege o sistema de ventilação contra sujidade.

Desde que os potenciais efeitos para a saúde provocados pela exposição a partículas finas e ultrafinas são alvo de crescente atenção, levanta-se a questão sobre qual a classe de filtro recomendada para casas altamente estanques com MVHR. O atual requisito da Passivhaus é razoável ou fará mais sentido recomendar um filtro de classe superior ou inferior? Qual é a eficácia da filtragem, ou seja, a exposição efetiva dos ocupantes, e quais são os custos energéticos associados?

Leia também

Nova edição Novembro/Dezembro | O domínio do fotovoltaico

Para responder a estas questões é necessário ter em consideração determinados aspetos, tais como a infiltração/exfiltração através da envolvente do edifício, o depósito de partículas (por exemplo, sedimentação gravitacional, adesão) e a abertura de portas e janelas pelos ocupantes, que influenciam a concentração de partículas no interior. Para além disso, as fontes de partículas no interior, como cozinhar (considerada a principal fonte interior), podem contribuir substancialmente para a exposição dos ocupantes.

Para estimar a exposição dependendo da concentração no exterior, da atividade na cozinha e do conceito de ventilação, foi realizado um estudo de simulação em computador utilizando o software CONTAM. Foi gerado um modelo representando uma habitação austríaca típica com dois quartos e integrando todos os aspetos acima mencionados (Figura 1).

Figura 1 – Esboço da planta simulada representando uma habitação austríaca típica nova.

Parte do desafio prende-se com o facto de que partículas de diferentes tamanhos têm comportamentos bastante diferentes, pelo que todo o espetro de tamanhos de partículas relevantes tem de ser modelado e os parâmetros do modelo respetivo têm de ser fornecidos em função. Os parâmetros necessários foram extraídos de relatórios e publicações de outros estudos experimentais (Liu and Nazaroff 2003; Riley et al. 2002; Shi 2012). Foi levada a cabo uma análise de sensibilidade para parâmetros de modelo relevantes no sentido de garantir que uma variação nos parâmetros pressupostos não irá alterar totalmente os resultados e, consequentemente, as conclusões; consulte (Rojas 2019) para mais detalhes.

Principais resultados

A Figura 2 mostra a distribuição simulada do tamanho das partículas para quatro horas distintas de um dia de inverno: (a) horas da noite – estão apenas presentes partículas provenientes do exterior; (b) após o pequeno-almoço (com a atividade de fazer torradas) – a concentração em número aumentou significativamente por partículas provenientes do interior, no entanto, a concentração em massa continua a ser dominada por partículas provenientes do exterior (aumentando com a atividade de arejamento de manhã); (c) após o almoço – a atividade na cozinha (cozinhar um hambúrguer) aumenta substancialmente a concentração em número e em massa; (d) após o jantar – a concentração em número e em massa aumenta consideravelmente devido a outra atividade na cozinha (aquecer óleo). Também podemos verificar que não existe uma grande diferença entre os valores PM1, PM2.5 e PM10, ou seja, na maioria das vezes, a exposição interior é principalmente dominada por partículas na faixa dos submicrómetros.

Figura 2 – Distribuição lognormal do tamanho das partículas na sala em quatro horas diferentes do dia: durante a noite (a), após o pequeno-almoço (b), após o almoço (c), após o jantar (d). A distribuição da concentração em número e em massa proveniente do exterior também é traçada para diferenciar entre contribuições de fontes interiores e exteriores.

Os resultados da variação na classe do filtro de ar indicam que um filtro F7 (em conformidade com a EN 779, aproximadamente equivalente a MERV13, em conformidade com a Norma ASHRAE 55.2 ou ePM1>50 %, em conformidade com a ISO 16890) reduz a exposição média a PM2.5 de uma pessoa (que está em casa o dia todo) a partículas provenientes do exterior em 67 %, em comparação com o ar exterior. Isto resulta num consumo energético de eletricidade adicional relativamente baixo (a potência extra do ventilador necessária para vencer a resistência ao fluxo criada pelo filtro).

Comparativamente, a utilização de um filtro de classe inferior, como M5 (equivalente a MERV9/10), ou de um filtro de classe superior, como F9 (equivalente a MERV15), reduziria a exposição em 26 % ou 79 %, respetivamente. Consulte os triângulos/linha tracejada na Figura 3. De notar que os filtros simulados foram classificados em conformidade com a EN 779, uma vez que as curvas de eficiência fracionada para filtros em conformidade com a ISO 16890 ainda não estavam disponíveis para os autores.

Figura 3 – Exposição média a PM2.5 de uma pessoa que passa o dia todo em casa como uma função do consumo energético elétrico do ventilador devido à queda de pressão do filtro. “Urb. Elevado” representa zonas altamente poluídas com médias diárias de ~80 µg/m³, “Urb. Ref” representa zonas moderadamente poluídas com médias de ~40 µg/m³ e “Urb. Baixo” representa zonas urbanas de baixa poluição com uma média diária de ~8 µg/m³. A linha tracejada/triângulo mostra a exposição a partículas provenientes do exterior.

Dependendo da concentração de partículas de ar exterior e do nível de atividades na cozinha realizadas pelos ocupantes, a exposição a partículas geradas no interior poderá tornar-se numa fração substancial ou mesmo dominante da exposição total a partículas.

Para avaliar a exposição a partículas relacionadas com atividades na cozinha, foram simuladas diferentes estratégias de ventilação do fogão (sem hote, uma hote com recirculação de ar com filtro de carvão ativado e uma hote com extração de ar). Ao utilizar hotes com extração de ar em edifícios estanques, o fluxo de entrada de ar complementar tem de ser fornecido, por exemplo, através de uma abertura complementar específica ou de uma janela aberta. É por esta razão que a utilização de um dispositivo de extração não é necessariamente benéfica quando a concentração exterior é elevada ou moderada e a geração de partículas provenientes da cozinha é baixa ou moderada. No entanto, no caso de concentrações baixas de ar exterior, a utilização de hote com extração de ar reduzirá substancialmente a exposição a partículas provenientes da cozinha, em particular em atividades de forte emissão, como fritar.

Conclusões

Este é um estudo de simulação e, por conseguinte, os respetivos resultados são afetados por condições-limite pressupostas. Não obstante, este estudo apresenta perspetivas e tendências no que respeita à exposição a partículas em casas com eficiência energética elevada, ajudando na seleção de sistemas adequados de filtragem de partículas. Os resultados confirmam que a utilização de um filtro F7 (aproximadamente equivalente a ePM1 50 % ou MERV13) faz sentido como recomendação de precaução geral, uma vez que a relação entre a redução de exposição e a penalização energética associada é positiva. Os resultados também indicam que, para as concentrações de ar exterior normalmente encontradas em zonas urbanas de países desenvolvidos (identificadas como “baixas” neste estudo; consulte também (OMS 2016)), a exposição total a partículas poderá ser dominada por fontes interiores, como cozinhar (Figura 4). Neste caso, medidas eficazes, como a utilização de hotes, são recomendáveis para atividades intensas de cozinhar.

Figura 4 – Exposição média a PM2.5 de uma pessoa que passa o dia todo em casa face a diferentes concentrações exteriores, diferentes intensidades de fontes na cozinha e diferentes estratégias de ventilação do fogão (sem exaustor, exaustor com recirculação de ar e exaustor com extração de ar). As linhas horizontais mostram a exposição a partículas provenientes do exterior.

Relativamente a locais com concentrações moderadas ou elevadas de partículas provenientes do exterior, frequentemente encontradas em cidades asiáticas, a utilização de filtros de classes superiores, como F9 ou equivalente, é recomendável. Irão reduzir mais a exposição a partículas provenientes do exterior.

Nestes casos, a utilização de hotes com extração de ar poderá não ser aconselhável devido à introdução de partículas do exterior com o ar complementar. Perante condições com concentrações elevadas de partículas exteriores e forte intensidade de fontes na cozinha, frequentemente encontradas nas casas asiáticas, identifica-se a necessidade de desenvolvimento de novos produtos, como hotes com recirculação de ar ou aberturas para ar complementar com filtragem de partículas.

Agradecimentos

Este estudo foi realizado no âmbito do projeto IEA EBC Annex 68 como parte da cooperação no domínio da investigação da Agência Internacional de Energia, em nome do Ministério austríaco dos Transportes, Inovação e Tecnologia. Consulte também www.iea-ebc-annex68.org

EN. 2012. “EN 779:2012 Particulate Air Filters for General Ventilation – Determination of the Filtration Performance.”
Liu, De Ling and William W. Nazaroff. 2003. “Particle Penetration through Building Cracks.” Aerosol Science and Technology 37(7):565–73.
PHI. n.d. “About Passive House – What Is a Passive House?” Obtido a 29 de setembro de 2018 (https://passiv.de/en/02_informations/01_whatisapassivehouse/01_whatisapassivehouse.htm).
Riley, William J., Thomas E. McKone, Alvin C. K. Lai, and William W. Nazaroff. 2002. “Indoor Particulate Matter of Outdoor Origin: Importance of Size-Dependent Removal Mechanisms.” Environmental Science and Technology 36(2):200–207.
Rojas, Gabriel. 2019. “Ambient Air Filter Efficiency in Airtight, Highly Energy Efficient Dwellings – A Simulation Study to Evaluate Benefits and Associated Energy Costs.” in AIVC Proceedings 2019, AIVC.
Shi, Bingbing. 2012. “Removal of Ultrafine Particles by Intermediate Air Filters in Ventilation Systems – Evaluation of Performance and Analysis of Applications Ventilation Systems.” Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden.
WHO. 2016. “Concentration of PM2.5 in Nearly 3000 Urban Areas, 2008-2015.” Obtido a 9 de maio de 2019 (http://gamapserver.who.int/mapLibrary/Files/Maps/Global_pm25_cities_2008_2015.png).