Conforto Ambiental e Automação em salas de aulas para mitigar a disseminação do COVID-19

Nos últimos anos, as grandes preocupações acerca de adaptações e soluções nas edificações se estabeleceu motivada pelas consequências do aquecimento global. De fato, o IPCC[1] mostrou projeções futuras das mudanças climáticas e seus impactos em diferentes cenários, uma estimativa de aumento da temperatura média global. Guarda (2019) mostra em suas investigações que os efeitos do aquecimento global modificará as variáveis climatológicas, aumentando gradualmente a temperatura do ar e a radiação solar e reduzindo a umidade relativa do ar.

Em 2020 surge a COVID-19 uma doença infecciosa causada por uma nova cepa da família dos coronavirus SARS-CoV-2 que pertence à mesma família do SARS-CoV-1 responsável pela severa pandemia de síndrome respiratória aguda (SARS) em 2003 (WILDER-SMITH et al., 2020). Consequentemente, para combater a sua disseminação adotou-se então o isolamento social por um período de quarentena, com inúmeras prorrogações, cujos retornos só foram sendo estabelecidos conforme os dados estatísticos baseados no número de infectados, curados e óbitos, deixando a população sem acesso a atividades que requerem contato com pessoas. No Brasil, as regras estabelecidas destes isolamentos sociais foram distintas em cada estado, por conta de sua diversidade geográfica, populacional e de dados estatísticos acerca da propagação do vírus.

As portarias de suspensão de aulas no Estado de Mato Grosso, seguiram diversas orientações. O Decreto n°407, de 16 de março de 2020, que suspendeu as atividades escolares da rede pública estadual, municipal e de ensino superior. Depois dele, houveram outras prorrogações. O Ministério da Educação (MEC), em 16 de junho de 2020, por meio da portaria n°544, dispôs a substituição das aulas presenciais por aulas em meios digitais, recentemente prorrogado até 2020.

Em meio a diminuição dos casos nos Estados, em Várzea Grande – MT não foi diferente. Houve uma curva acentuada no número de casos de COVID-19 nos meses de maio e junho e uma diminuição ao final de julho de 2020, conforme Boletim Epidemiológico do Estado de Mato Grosso. Assim, surgiram diversas portarias de liberação gradual do comércio para estabelecer critérios de prevenção a contaminação como: afastamentos de 1,50m, número de pessoas por estabelecimentos, uso de álcool e gel e lugares para higienização.

Com a redução da contaminação causada pela COVID-19, houveram autorizações de retorno às aulas em diversos estados. Dessa forma, com o decreto n°61 de 09 de setembro de 2020, Foi autorizada a retomada das atividades presenciais nas unidades de ensino privadas de Várzea Grande, tão somente no que se refere a educação infantil nas modalidades berçário I e II e maternal I, desde que observados os 50% da capacidade máxima das salas de aula e respeitado o limite de 15 alunos por turma.

Em meio a um cenário promissor de retorno às aulas presenciais a ASHRAE[2] assumiu a posição de como a transmissão do SARS-CoV-2 pelo ar é suficientemente provável, as exposições aéreas ao vírus devem ser controladas. Dessa maneira, se faz necessário adotar mudanças nas operações dos edifícios, incluindo aquecimento, ventilação e sistemas de ar condicionado (HVAC) visando reduzir as exposições através do ar. Como parte desta decisão, a ASHRAE criou um guia orientativo para reabertura de escolas e universidades.

Diante ao exposto, se faz necessário estudos que venham a trazer soluções integradas, onde atende-se não apenas a questão de conforto térmico e luminico, mas da saúde nas edificações em meio a pandemia. De fato, o emprego de edifícios sustentáveis, o retrofit[3] em edificações existentes e a adoção da automação, capaz de gerir e evitar a proliferação de vírus no ambiente, são soluções imediatas a serem pensadas, a fim de promover segurança dos alunos no retorno às aulas presenciais.

[1] Painel Intergovenamental sobre Mudanças Climáticas.

[2] Associação Americana de Engenheiros de Aquecimento, Refrigeração e Ar Condicionado [3]Retrofit: Reforma buscando eficiência energética nas edificações.

Contexto Histórico das Pandemias e suas influências no ambiente Construído

Ao longo dos anos as edificações sofreram diversas mudanças influenciadas por questões sanitárias. No século 14, a peste bubônica motivou melhorias nas áreas urbanas, com cidades superlotadas, a cidade se expandiu e abriram-se grandes espaços públicos. No século 20 arquitetos modernistas adotaram seus designs às estratégias de cura para a doenças devido a superlotação das cidades, onde a tuberculose, febre tifoide, poliomielite e surtos de gripe espanhola estavam presentes. Houve um planejamento urbano encorajador com eliminação de favelas, reforma de cortiços e gestão de resíduos (CHANG, LUBELL, 2020).

Epidemias como a cólera e a febre tifoide contribuíram para o desenvolvimento de sistemas de tratamento de água e esgoto para combater os patógenos, levando a uma inovação sanitária que exigia ruas mais retas e amplas para a instalação de sistemas de tubos subterrâneos (GHONEIM, MEGAHED, 2020). Já a terceira pandemia de peste, em 1855, mudou o desenho dos tubos para canos de esgoto, soleiras de portas e fundações de edifícios (BUDDS, 2020; KLAUS, 2020; WAINNWRIGHT,2020).

Assim como a estética limpa do modernismo pode ser atribuída à tuberculose, os projetos foram inspirados na pureza da forma, geometrias estritas, materiais modernos e sem ornamentações. Os arquitetos modernistas adotaram ambientes curativos com o uso de cores claras, iluminação natural e integração com a natureza. Edifícios com grandes janelas, varandas, a horizontalidade e planificação enfatizava a sensação de limpeza (GHONEIM, MEGAHED, 2020).

Em contexto similar, os projetos arquitetônicos pós-pandemia receberão uma influência significativa, com: adoção de espaços de higienização, afastamentos de mesas de trabalho, carteiras em salas de aula ou mesas de restaurantes, uso mais constante da iluminação natural, serão algumas das influências. O emprego de sistemas de refrigeração ou aquecimentos que promovam renovação de ar e o uso de sistemas mistos, podem ser considerados como alternativas.

A contribuição da Arquitetura Bioclimática

A arquitetura sempre teve a missão de proteger o homem de seu ambiente externo, enquanto a arquitetura bioclimática tenta alcançar o conforto térmico equilibrando o clima exterior com o interior. Como ferramentas, são usados diferentes bioclimáticos para determinar os níveis de conforto. Os mais utilizados incluem o diagrama desenvolvido por Olgyay (1967) para determinar o conforto exterior e exterior, incluindo um índice de conforto térmico (ou temperatura efetiva), que pode ser calculado usando a umidade relativa e a temperatura interna, valores estes também adotados pela ASHRAE com base nos mesmos parâmetros, do diagrama de Givoni (1969).

Alguns dos intervalos para os valores do parâmetro de conforto externo que interagem para determinar o conforto térmico, são mostrados em diagramas matemáticos e incluem uma temperatura do ar ambiente entre 18 e 26°C, uma temperatura radiante média em superfícies de construção entre 18 e 26°C, uma velocidade do ar entre 0 e 2 m / s e um umidade relativa entre 40% e 65% (ORTEGA, et al. 2015).

O diagrama de Givoni, conforme Figura 1, é um diagrama bioclimático dividido em diferentes zonas para as quais é necessário usar estratégias que visam alcançar o conforto térmico dentro de um edifício. Nele o eixo X representa a temperatura de bulbo seco e o eixo y mostra a umidade do ar fresco. As curvas psicométricas do gráfico representam a umidade relativa (ORTEGA, et al. 2015).

Figura 1: Carta Bioclimatica de Givoni (1969)

Conforme indicado na figura acima, são definidas 12 zonas com base na temperatura do bulbo e umidade do ar fresco. Nela a zona 1 é o conforto ideal, onde podemos assim definir que as condições climáticas associadas às estratégias arquitetônicas podem mudar as condições ambientais na zona de conforto em um ambiente. Sempre que possível, a adoção de estratégias passivas deve ocorrer, pois consomem zero energia. Por outro lado, quando não é possível, essas estratégias são aplicadas para ajudar a reduzir o uso de dispositivos consumidores de energia para os níveis mais baixos possíveis (ORTEGA, et al. 2015).

Assim, para adotar estratégias da arquitetura bioclimática é necessário, primeiramente, avaliar as condições da edificação, qual a sua localização, temperaturas, umidades, ou seja, suas características ambientais para coloca-la dentro de uma zona no diagrama de Givoni (1969). Se estes dados nos garantem que estamos dentro de uma zona de conforto, não será necessário realizar nenhuma correção térmica. Se estiver fora, estratégias arquitetônicas devem ser adotadas (ORTEGA, et al. 2015).

Falando de iluminação, o emprego de iluminação natural nos ambientes está diretamente relacionada a saúde dos usuários. É necessário que o ser humano passe pelo círculo circadiano, que é o período de cerca de 24 horas sobre o qual o ciclo biológico de quase todos os seres vivos se baseia. Ele é influenciado pela luz, temperatura, movimento das marés, vento, dia e noite. Ele regula a atividade física, química, fisio e psicológica do organismo, influenciando a digestão, o estado de vigília, o sono, a regulação das células e a temperatura corporal (LEGNAIOLI, 2017).

Durante et al. (2009) apontam que a satisfação dos alunos com o ambiente físico das salas de aula está mais diretamente relacionada às condições de temperatura do que de iluminação. Assim como, o uso prolongado da iluminação artificial aumenta o período do dia ou da fase claro, ou a permanência em espaços com baixos níveis de iluminação, os indivíduos estão sofrendo alterações na sua saúde (MARTAU, 2009).

Em pesquisa, David Berson (BERSON et al., 2002 apud MARTAU, 2009), detectou a relação da luz com um terceiro tipo de fotorreceptor na retina dos mamíferos, sendo o elo que faltava para descrever o mecanismo dos efeitos biológicos controlados pelo ciclo claro e escuro.

Esse receptor recém-descoberto é responsável pela forma com que o olho recebe a luz e a converte em um sinal elétrico, para, então, ser interpretado no cérebro. Esse receptor não está relacionado com a visão, mas, juntando-se a outro fotopigmento, chamado melaptosin, e através de um processo bioquímico, ele controla a glândula pineal (localizada no cérebro) para produzir um importante hormônio chamado melatonina, que controla muitas funções biológicas. O sistema circadiano, que regula as funções corporais, baseia-se nos sinais enviados por esse receptor (MARTAU, 2020).

Essa descoberta revolucionou as pesquisas que exploravam o espectro, a intensidade, a duração e o tipo de luz que influencia as respostas biológicas (EDELSTEIN et al., 2008 apud MARTAU, 2009). Consequentemente, a atual prática da iluminação e a legislação sobre iluminação artificial, baseadas apenas em atender aos requisitos visuais, podem estar totalmente inadequadas para atender aos requisitos de estimulação biológica (BEGEMANN et al., 1997 apud MARTAU,2009).

A grande questão é que os ambientes de sala de aula estão cada vez mais sem iluminação natural, deixando o aluno em ambientes enclausurados com iluminação e climatização artificial, afetando não apenas o desempenho nos estudos, mas também na sua saúde.

As condições de iluminação determinantes na regulação do relógio biológico estão associadas ao espectro, intensidade e duração (período e padrão temporal) da luz (BRAINARD et al., 2000; CAJOCHEN et al., 2005 e ZEITZER et al., 2000, apud MARTAU,2009). A aparência de cor, possibilidade de controle do sistema e a presença ou não de janelas (iluminação natural), bem como os tipos de lâmpadas, também podem influenciar tanto os aspectos fisiológicos como os comportamentais (EDWARDS e TORCELLINI, 2002; VAN BOMMEL, 2004 e TONELLO, 2008 apud MARTAU, 2009).

Emprego da automação em salas de aula

A automação proporciona controle automático de diversos sistemas de uma edificação. Dessa forma, em um edifício onde as funções operacionais e administrativas, ocorrem por meio de sensores e lógicas de decisão para promover a integração das funcionalidades de seus subsistemas, seja elétrica, iluminação ou climatização, otimizando seus sistemas é o que conhecemos de automacão. Nele o controle é realizado por dispositivos controladores e sensores, conjunto este denominado sistema de supervisão e controle predial (SSCP). Esses dispositivos são organizados em uma arquitetura de rede organizada, em vários níveis de controladores e processadores de acordo com a Figura 2.

Figura 2 - Arquitetura do SSCP.

Fonte:BRAGA (2007).

O primeiro nível deste diagrama é denominado gerencial por ser responsável pela supervisão do SSCP. É formado por microprocessadores dotados de um software supervisório, que realiza o monitoramento e a gestão de todas as funções vitais do edifício como, por exemplo, a água e a energia. Já o segundo nível, que pode existir ou não, dependendo do grau de sofisticação necessário, é denominado nível de sistema. Este nível é composto por controladores interligados entre si responsáveis, cada um, por um determinado setor, como por exemplo: o setor do sistema de segurança ou do controle da energia que integra dados vindos de outros controladores. O terceiro patamar, chamado nível de campo, é composto por controladores de pequeno porte, utilizados para o controle de sistemas de serviço da instalação, como os da iluminação, da ventilação e do condicionamento de ar, por exemplo. No nível inferior estão os sensores e os dispositivos de medição (BRAGA, 2007).

O termo eficiência energética diz respeito ao menor consumo de energia para um mesmo produto final e está geralmente associado a novas tecnologias e a melhor organização e gestão de recursos. O emprego de sistemas economizadores de energia, como a automação, por exemplo, permitem controlar o funcionamento dos equipamentos, sem afetar a qualidade e o conforto do produto final (MORAES, 2013).

As edificações possuem um lugar de destaque no consumo total da energia elétrica. Investimentos focados neste setor são justificados pelo aumento cada vez maior no consumo da energia elétrica. Em pesquisa, Kasinski et al (2010) afirmam que o setor de construção civil é responsável pelo consumo de 30% de todos os recursos extraídos da natureza, representando globalmente 40% de toda energia consumida, 25% do consumo de água e 12% do uso da terra, além de gerar 25% dos resíduos sólidos e ser causador de cerca de 30% das emissões de GEE[1] no planeta. O autor afirma ainda que a longevidade dos prédios faz com que 80 a 90% do consumo de energia durante o uso, ou operação dos edifícios seja para iluminação, aquecimento, resfriamento ou ventilação. Para minimizar tal consumo algumas tecnologias podem ser empregadas, como é o caso do uso da automação que será tratada no presente trabalho.

Bassetto et al. (2006), realizaram um estudo sobre a viabilidade econômica da retrofitting do sistema hídrido[2], da refrigeração e da iluminação do prédio da FEM – UNICAMP, por tecnologias novas e mais eficientes. Os seus resultados mostraram um payback de 35 anos para o sistema híbrido, 9 anos para a iluminação e no sistema de refrigeração chegou-se a uma economia anual de seiscentos mil reais, mostrando a viabilidade de atualização de cada sistema.

Moraes (2013) realizou a implantação de automação residencial em salas de aula através de duas estratégias de automação em condicionadores de ar. Ao analisar as diferentes possibilidades de automação e controle para condicionadores de ar observou-se que o emprego do sistema de automatização que permite o acionamento e desligamento, de acordo somente com o horário normal das aulas, representou uma economia de 39,17%. Por outro lado, a automatização dos condicionadores de ar de acordo com o cronograma de uso das salas alcançou uma economia de 51,88%, nos períodos medidos, sendo assim muito mais eficiente.

Em futuras edificações, com a entrada do uso de fontes renováveis e melhores ferramentas de gestão, a inteligência artificial vem sendo aplicada em pesquisas. O consumo dos sistemas de ar condicionado é tão impactantes nas edificações de uso energético quase zero que Alamin et al. (2018) utilizam Redes Neurais Artificiais para predição do perfil de consumo de energia elétrica de uma central de ar condicionado em uma edificação pertencente a uma universidade na Espanha, a fim de manter o conforto térmico e aproveitar ao máximo a energia solar fotovoltaica gerada na mesma edificação.

Vizzotto (2015) realizou um estudo sobre a melhoria da eficiência energética e conforto em edificações com o emprego de sistema de automação predial-residencial. Na análise comparativa das simulações percebeu-se que alterando o horário de funcionamento do sistema de climatização foi possível manter a sala 100% do tempo na faixa de conforto térmico durante as aulas, porém com um aumento no consumo de energia. Com o uso dos softwares EnergyPlus e Matlab, foi desenvolvido um algoritmo utilizando um modelo computacional a fim de ajustar o valor de setpoint de resfriamento do sistema de climatização integrado ao sistema de automação da sala com o objetivo de reduzir o consumo de energia elétrica. Os resultados mostraram uma redução de aproximadamente 17%.

Dessa forma, é possível empregar sistemas de automação no controle de acionamentos de sistema como iluminação natural com artificial, controle de temperatura, aberturas de janelas e uso de sistemas mistos, conforme a época e horas do dia, de acordo com as estratégias identificadas pelas cartas bioclimáticas.

Assim, a busca de soluções que atendam a saúde do usuário onde a automação será capaz de controla-las é o desafio neste cenário de pandemia, estudos já conhecidos acerca do conforto ambiental em salas de aula é sabido, porém, dificilmente empregado na prática. Se faz necessário que os ambientes sejam projetados e executados seguindo critérios de conforto ambiental de maneira que o vírus não encontre margens para sua proliferação, o uso de ventilação, renovação do ar e iluminação natural são sistemas diretrizes iniciais para que isso ocorra.

[1]Gases de Efeito Estufa

[2] Sistemas que apresentam simultaneamente comportamentos dinâmicos de tempo contínuo e de tempo discreto

Estratégias de controle na proliferação do vírus

Os impactos causados pela pandemia COVID-19 tiveram efeitos positivos e negativos diante deste cenário. Afetou a economia através da redução das atividades econômicas, da qual se espera uma recessão de 3%, e positiva em relação ao meio ambiente, por exemplo, considerando as reduções no consumo de energia, emissões de gases de efeito estufa e poluição (PAITAL, 2020) devido às limitações impostas nas atividades.

As alterações projetuais que podem ser estabelecidas no campo da arquitetura devido a pandemia do COVID -19, podem ser incialmente: na organização dos espaços, construções de barreiras físicas, uso mais acentuado de aberturas e varandas para efeito de renovação natural do ar, melhoria na qualidade do ar, redução no uso de energia através de aproveitamentos dos recursos naturais por meio da iluminação natural, ventilação, emprego de materiais com capacidades térmicas adequadas conforme sua zona bioclimática, ou seja, o aumento de critérios de sustentabilidade (PINHEIRO, LUIS, 2020).

Acerca da análise de conforto, sugere-se a que haja uma análise do edifício onde encontram-se as salas de aula, para coleta de dados climáticos locais, utilizando o arquivo climático "epw" da cidade de Cuiabá, obtido do Departamento de Energia dos Estados Unidos, disponível em "http://www.eere.energy.gov". Através de análise estatística, com uso do software IR pode ser encontrado ano climático e um dia típico, onde é possível reconhecer quais estratégias podem ser adotadas para sanar o desconforto, quantas horas do dia e quais dias ao longo do ano. Através destes dados, pode-se automatizar o uso destas estratégias. Bem como, análise da radiação solar incidente nas aberturas e quais melhores horários para o aproveitamento de luz natural, uso de superfícies envidraçadas com características e fator solar que permitam a entrada de luz e bloqueiam o calor.

Consequentemente, é possível chegar a soluções como, por exemplo, o uso de resfriamento evaporativo no período seco do ano, e o uso de condicionadores de ar em apenas algumas horas do dia, bem como, a integração da iluminação natural com a artificial para que assim o usuário possa desenvolver o seu círculo circadiano. É possível programar, através da automação predial a escolha destas estratégias conforme a época do ano, ou até mesmo ao longo do dia. Com estes sistemas, é possível analisar, utilizando simulações computacionais com o uso do software energyplus.

Para conhecer tais estratégias, se faz necessário esta análise inicial, já que elas serão distintas, conforme a zona biclimática pela qual seja localizado o edifício, os dados climáticos, enfim, as condicionantes locais. Porém, seguindo os rigores dos critérios de segurança adotados no ambiente, pode-se chegar a uma sala ideal que possui conforto e atende diretrizes de segurança.

Como rotina, antes do início da aula, é possível pré-climatizar as salas realizando, inicialmente, renovação do ar através da abertura das janelas com automação, uso de ventilação e somente após isso, são ligados os aparelhos de condicionadores de ar, que podem ser utilizados somente nas horas estremas de desconforto identificadas na análise dos dados encontrados no levantamento inicial.

Para diminuição da carga térmica do edifício, é possível realizar o retrofit, que nada mais é que a adequação dos elementos construtivos e sistemas elétricos como troca de luminárias e equipamentos, por mais eficientes, com os quais se chega não só à diminuição no consumo de energia como se atende ao conforto térmico.

Considerações Finais

Diante do exposto, neste trabalho pode-se concluir que a arquitetura e o urbanismo tem ainda muito a aprender diante da pandemia COVID-19. É necessário a revisão das estratégias projetuais conforme as medidas preventivas a disseminação do vírus, quais influencias podem acarretar diretamente nas habitações, em projetos comerciais, industriais, serviços e educacionais.

A pandemia ensina que o ambiente construído deve atentar-se a natureza, ao uso de ventilação natural como: ventilação cruzada, efeito chaminé. O emprego da iluminação natural, evitando o uso constante de iluminação artificial ao longo do dia. Conforme mencionado, um ambiente que não possua a iluminação natural onde o indivíduo não presencia as mudanças da luz ao longo do dia afeta diretamente a sua saúde, o desenvolvimento do círculo circadiano que promove desenvolvimento das células, mas também afeta a produção de melatonina (hormônio do sono), ou seja, o indivíduo pode adquirir problemas como insônia.

A integração de sistemas atua como uma ferramenta eficiente que agrega: eficiência nos sistemas, diminuição de desperdícios, controle nas aberturas para promover renovação do ar, integração de iluminação natural com artificial a fim de eliminar bactérias. A automação ainda pode evitar contato direto de aberturas de portas ou outros acionamentos, estes podendo ser por voz ou por horários, evitando “toques”.

Deve-se pensar em ambientes que tenham acesso a jardins internos, ampliação de corredores de ambientes a fim de obedecer as definições de afastamentos.

Referências

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