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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CTC - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
LABORATÓRIO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM EDIFICAÇÕES
DESEMPENHO TÉRMICO
DE EDIFICAÇÕES
Enedir Ghisi, M.Eng. Ana Lígia Papst de Abreu, M. Eng. Joyce C. Carlo, M. Eng. Juliana Oliveira Batista, M. Eng Deivis Luis Marinoski, M. Eng Alejandro
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL
LABORATÓRIO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM EDIFICAÇÕES
DISCIPLINA: ECV 5161
DESEMPENHO TÉRMICO
DE EDIFICAÇÕES
Roberto Lamberts, PhD Enedir Ghisi, M.Eng. – 1a^ edição, 1994 Ana Lígia Papst de Abreu, M. Eng. – 2a^ edição, 1999 Joyce C. Carlo, M. Eng. – 3a^ edição, 2005 Juliana Oliveira Batista, M. Eng – 4a^ edição, 2006 Deivis Luis Marinoski, M. Eng – 5a^ edição, 2007 Alejandro Naranjo, Arq. - 6a^ edição, 2011
Florianópolis, maio de 2011
LABORATÓRIO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM EDIFICAÇÕES
SUMÁRIO
Apresentação
Esta apostila, preparada para a Disciplina ECV 5161 - Desempenho Térmico de Edificações - do Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina está estruturada de forma a tratar do tema Desempenho Térmico de Edificações através de 8 diferentes módulos. O primeiro deles está relacionado às variáveis de conforto térmico humano em edificações e aos índices de avaliação de conforto. A seguir, ressalta-se a importância da adoção de padrões arquitetônicos relacionados ao clima no qual se insere a edificação através da bioclimatologia. O projeto e a avaliação de proteções solares são apresentados no terceiro módulo. No quarto e quinto módulo avalia-se o desempenho térmico de paredes, coberturas e janelas como forma de alertar para a escolha adequada de componentes construtivos. No sexto módulo discute-se a necessidade de ventilação do ambiente construído e apresenta-se um algoritmo para cálculo das condições de ventilação em ambientes. No sétimo módulo apresentam se as diretrizes construtivas existentes no Brasil. O oitavo e ultimo modulo apresenta uma série de temas relacionados como a sustentabilidade de modo geral e algumas iniciativas que estão sendo implementadas no Brasil.
Ementa
Conforto térmico: variáveis e índices de conforto. Arquitetura bioclimática. Desempenho térmico de paredes, coberturas e janelas. Proteções solares: diagramas solares e projeto de brises. Ventilação: ventilação de inverno e verão, mecanismos de ventilação, cálculo de ventilação natural por efeito do vento. Consumo e uso final de eletricidade em edificações: simulações computacionais.
Fotos da capa: Centro Cultural Jean Marie Tjibaou – Nova Caledonia (Esquerda) Council House CH2 Building – Melbourne (Centro) National Renewable Energy Laboratory – Colorado (Direita)
CONFORTO TÉRMICO
Define-se Conforto Térmico como o estado mental que expressa a satisfação do homem com o ambiente térmico que o circunda. A não satisfação pode ser causada pela sensação de desconforto pelo calor ou pelo frio, quando o balanço térmico não é estável, ou seja, quando há diferenças entre o calor produzido pelo corpo e o calor perdido para o ambiente (Figura 1). A norma internacional para averiguar o conforto térmico em ambientes é a ISO 7730 (1994).
Figura 1. Equilíbrio no balanço térmico gera a sensação de conforto. Fonte: www.innova.dk
1.1 MECANISMOS DE TERMO-REGULAÇÃO
Reação ao calor Com o verão existem dificuldades para eliminar o calor devido a alta temperatura do meio. Desta forma, origina-se a vasodilatação. Esta aumenta o volume de sangue, acelerando o ritmo cardíaco e provocando a transpiração.
Reação ao frio Com o frio existem as dificuldades para manter o calor devido a baixa temperatura do meio. Desta forma origina-se a vasoconstrição. Esta provoca a diminuição do volume de sangue e do ritmo cardíaco. O arrepio e o tiritar provocam atividade, gerando calor.
1.2 A PELE
Em função do que já foi visto, pode-se afirmar que é através da pele que se realizam as trocas de calor, ou seja, a pele é o principal órgão termo-regulador do organismo humano. A temperatura da pele é regulada pelo fluxo sangüíneo que a percorre, ou seja, quanto mais intenso o fluxo, mais elevada sua temperatura. Ao sentir desconforto térmico, o primeiro mecanismo fisiológico a ser ativado é a regulagem vasomotora do fluxo sangüíneo da camada periférica do corpo, a camada
Calor produzido
Calor perdido
Quando o organismo, sem recorrer a nenhum mecanismo de termo-regulação, perde para o ambiente o calor produzido pelo metabolismo compatível com a atividade realizada, experimenta-se a sensação de conforto térmico. A Tabela 1 apresenta dados relativos ao calor dissipado pelo corpo em função da atividade do indivíduo. O metabolismo pode ser expresso em W/m^2 de pele ou em Met, unidade do metabolismo cujo valor unitário corresponde a uma pessoa relaxada. Assim, 1 Met=58,15W/m^2 de área de superfície corporal. A Figura 2 apresenta algumas atividades expressas em Met.
Tabela 1. Taxa metabólica para diferentes atividades segundo ISO 7730 (1994). Atividade Metabolismo (W/m^2 ) Reclinado 46 Sentado, relaxado 58 Atividade sedentária (escritório, escola etc.) 70 Fazer compras, atividades laboratoriais 93 Trabalhos domésticos 116 Caminhando em local plano a 2 km/h 110 Caminhando em local plano a 3 km/h 140 Caminhando em local plano a 4 km/h 165 Caminhando em local plano a 5 km/h 200
Figura 2. Atividades metabólicas e suas taxas expressas em Met. Fonte: www.innova.dk
0.8 Met
1 Met
8 Met
4 Met
0.8 Met
1 Met
8 Met
4 Met
1.4.2 A vestimenta
A vestimenta equivale a uma resistência térmica interposta entre o corpo e o meio, ou seja, ela representa uma barreira para as trocas de calor por convecção. A vestimenta funciona como isolante térmico, pois mantém junto ao corpo uma camada de ar mais aquecido ou menos aquecido, conforme seja mais ou menos isolante, conforme seu ajuste ao corpo e a porção do corpo que cobre. Em climas secos (desertos), onde se atinge elevadas temperaturas, poder-se-ia pensar que a ausência de roupas poderia garantir condições mais confortáveis para os habitantes destas regiões. No entanto, em climas secos, vestimentas adequadas podem manter a umidade advinda do organismo pela transpiração e evitar a desidratação. A vestimenta reduz o ganho de calor relativo à radiação solar direta, as perdas em condições de baixo teor de umidade e o efeito refrigerador do suor. A vestimenta reduz também a sensibilidade do corpo às variações de temperatura e de velocidade do ar. Sua resistência térmica depende do tipo de tecido, da fibra, do ajuste ao corpo, e deve ser medida através das trocas secas relativas a quem usa. Sua unidade é o clo, originada de clothes.
Assim: 1 clo = 0,155 m^2 .oC/W = 1 terno completo.
A Tabela 2 apresenta o índice de resistência térmica (Icl) para as principais peças de roupa, sendo que o índice de resistência térmica (I) para a vestimenta de uma pessoa será, segundo a ISO 7730 (1994) , o somatório de Icl (figura 3), ou seja, I = ΣIcl
Tabela 2. Índice de resistência térmica para vestimentas segundo ISO 7730 (1994). Vestimenta Índice de resistência térmica – Icl (clo) Meia calça 0, Meia fina 0, Meia grossa 0, Calcinha e sutiã 0, Cueca 0, Cuecão longo 0, Camiseta de baixo 0, Camisa de baixo mangas compridas 0, Camisa manga curta 0, Camisa fina mangas comprida 0, Camisa manga comprida 0, Camisa flanela manga comprida 0, Blusa com mangas compridas 0, Saia grossa 0, Vestido leve 0, Vestido grosso manga comprida 0, Jaqueta 0, Calça fina 0, Calça média 0, Calça flanela 0, Sapatos 0,
Figura 4. Trocas entre um ambiente real e o corpo e entre um ambiente imaginário e o mesmo corpo, através da temperatura radiante média. Fonte: www.innova.dk
Para definir a equação a ser utilizada deve-se determinar o coeficiente de troca de calor por convecção do globo apresentado nas equações 3 e 4 e adotar-se a temperatura radiante média para a forma de convecção que apresentar o maior coeficiente de troca de calor.
Convecção natural
h
T
D
cg =^ 1 4,.^4
Convecção forçada
h V cg (^) D = 6 3
0 6 , 0 4
, ,
Onde hcg é o coeficiente de troca de calor por convecção do globo; ∆T é a diferença de temperatura (tg - ta); D é o diâmetro do globo (normalmente 15 cm); V é a velocidade do ar (m/s).
Figura 5. Termometro de globo, utilizado para medição da temperatura de globo. Fonte: www.labcon.ufsc.br
Ambiente real Ambiente Imaginário
R
R’
Ambiente real Ambiente Imaginário
R
R’ tt 11
t 2
t 2
ttrr
t 3
t 4
Calor trocado por radiação: R=R’
1.4.4 Temperatura do ar
A temperatura do ar é a principal variável do conforto térmico. A sensação de conforto baseia-se na perda de calor do corpo pelo diferencial de temperatura entre a pele e o ar, complementada pelos outros mecanismos termo-reguladores. O calor é produzido pelo corpo através do metabolismo e suas perdas são menores quando a temperatura do ar está alta ou maiores quando a temperatura está mais baixa. A diferença de temperatura entre dois pontos no ambiente provoca a movimentação do ar, chamada de convecção natural: a parte mais quente torna-se mais leve e sobe enquanto a mais fria, desce, proporcionando uma sensação de resfriamento do ambiente. A temperatura do ar, chamada de temperatura de bulbo seco, TBS, costuma ser medida com a temperatura de bulbo úmido através do psicrômetro giratório. A temperatura de bulbo úmido é medida com um termômetro semelhante ao usado para medir a TBS, porém com um tecido no bulbo do termômetro de forma que a umidade seja considerada. Este par forma o psicrômetro giratório (Figura 6), ou par psicrométrico. O giro manual do psicrômetro, que pode ser substituído por um pequeno ventilador, visa retirar a umidade excessiva do tecido que envolve o bulbo de forma que TBU possa ser medida sob os efeitos naturais da perda de calor para evaporação da água do tecido. Assim, a TBU é sempre menor que TBS. Para o conforto, é interessante conhecer também a temperatura operativa. A temperatura operativa resume as perdas da temperatura do corpo, que está submetido a um ambiente real com efeitos desiguais por todos os lados. A temperatura operativa é uma temperatura teórica que provoca uma perda de calor equivalente a todos os fenômenos que provocam esta perda caso o corpo estivesse em um ambiente imaginário submetido apenas a uma temperatura homogênea.
Figura 6. Psicrômetro giratório, utilizado para medição da temperatura de bulbo seco e temperatura de bulbo úmido. Fonte: www.labcon.ufsc.br
1.4.5 Velocidade do ar
A velocidade do ar, que costuma ser abaixo que 1m/s, ocorre em ambientes internos sem necessariamente a ação direta do vento. O ar se desloca pela diferença de temperatura no ambiente, onde o ar quente sobe e o ar frio desce (convecção natural). Quando o ar se desloca por meios mecânicos, como um ventilador, o coeficiente de convecção aumenta, aumentando a sensação de perda de calor (convecção forçada). O deslocamento do ar também aumenta os efeitos da evaporação no corpo humano, retirando a água em contato com a pele com mais eficiência e assim, reduzindo a sensação de calor.
a ganhar mais calor assim que a temperatura do ar seja superior a da pele. No caso em que o ar está seco, as perdas continuam ainda com as temperaturas mais elevadas. Assim, a umidade absoluta representa o peso de vapor d’água contido em uma unidade de massa de ar (g/kg) e a umidade relativa , a relação entre a umidade absoluta do ar e a umidade absoluta do ar saturado para a mesma temperatura. A Figura 9 apresenta uma carta psicrométrica, onde pode-se obter a umidade relativa do ar em função das temperaturas de bulbo úmido (TBU) e seco (TBS).
1.5 ÍNDICES DE CONFORTO
Com o intuito de avaliar o efeito conjunto das variáveis de conforto térmico, alguns pesquisadores sugerem diferentes índices de conforto térmico. De forma geral, estes índices são desenvolvidos fixando um tipo de atividade e a vestimenta do indivíduo para, a partir daí, relacionar as variáveis do ambiente e reunir, sob a forma de cartas ou nomogramas, as diversas condições ambientais que proporcionam respostas iguais por parte dos indivíduos. Existem vários índices de conforto térmico, os quais podem ser divididos em dois grandes grupos: Os que estão baseados no balanço de calor (sendo o voto médio predito o mais conhecido deles) e os que têm uma abordagem adaptativa.
1.5.1 O voto médio predito
Este método foi desenvolvido por Fanger (FANGER, 1972) e é considerado o mais completo dos índices de conforto pois analisa a sensação de conforto em função das 6 variáveis. Faz uma relação das 6 unidades com o voto médio predito (PMV – Predicted Mean Vote ) deste com a porcentagem de pessoas insatisfeitas (PPD – Predicted Percentage of Dissatisfied ). É o método usado na ISO 7730. Este prevê o voto de um grande grupo de pessoas através da escala mostrada na Tabela
Tabela 3. Escala térmica de Fanger. Escala Sensação +3 muito quente +2 quente +1 levemente quente 0 neutro -1 levemente frio -2 frio -3 muito frio
Porém, este índice deve ser usado apenas para valores entre –2 e +2, pois acima destes limites teríamos aproximadamente mais de 80% das pessoas insatisfeitas (ISO 7730, 1984) , como se pode perceber na Figura 10.
Figura 9. Carta psicrométrica.
Figura 11. Tela de entrada das variáveis climáticas para avaliação no módulo de conforto térmico do Analysis CST.
Figura 12. Tela do resultado gráfico de PMV e PPD no módulo de conforto térmico do Analysis CST.
Figura 13. Tela da ilustração das trocas térmicas no módulo de conforto térmico do Analysis CST, para as variáveis Met= 70W/m^2 , Vestimenta= 1.85clo, Tar= 27oC , Tglobo= 32oC , TBU= 25oC, Var= 0,7m/s.
1.5.3 A teoria adaptativa A partir de 1984, várias pesquisas foram realizadas com o intuito de testar o modelo adotado pela ISO 7730, já que existiam dúvidas quanto à validade de seus resultados para algumas aplicações de campo e diferentes regiões climáticas. Os experimentos realizados por Fanger em 1984 dentro de câmaras climatizadas que deram origem a equações de PMV e PPD, encontradas nas normas internacionais ASHRAE 55 (1992) e ISO 7730 (1994), induziam-nos a crença de que os limites confortáveis de temperatura eram universais, e os efeitos de um determinado ambiente térmico aconteciam exclusivamente pelas trocas físicas de calor com a superfície do corpo, enquanto a manutenção da temperatura interna do corpo necessitava de alguma resposta fisiológica.
O conceito de que as pessoas interagem com o ambiente, de forma a buscar conforto térmico, originou uma segunda corrente de pensamento, conhecida como “adaptativa”, e que considera fatores além dos das físicas fundamentais e fisiologia, interatuando com a percepção térmica. Estes estudos têm como base conceitos de aclimatação, e os fatores considerados podem incluir características inerentes à demografia (gênero, idade, classe social), contexto (composição da edificação, estação, clima) e cognição (atitudes, preferências e expectativas).
Os modelos adaptativos propostos recentemente são basicamente equações de regressão que relacionam a temperatura de neutralidade do ambiente a uma única variável que é a temperatura média do ambiente externo e isso restringe o seu uso a condições similares àquelas em que essas equações foram obtidas.
FANGER & TOFTUM (2002) afirmam que uma deficiência óbvia do modelo adaptativo é não incluir a vestimenta e a atividade e nem os quatro clássicos parâmetros térmicos (que tem um impacto indiscutível sobre o balanço térmico humano e, portanto, sobre a sensação térmica).
Os autores acreditam que o resultado obtido no ASHRAE RP 884, de que o PMV superestima a sensação térmica das pessoas acostumadas em climas quentes e em prédios sem ar condicionado, deve-se a dois motivos principais:
O primeiro destes está relacionado à expectativa diferente das pessoas que vivem em climas amenos e/ou costumam frequentar prédios com ar condicionado, enquanto o segundo está relacionado à existência de uma inconsciente diminuição da atividade física das pessoas que estão sentindo calor e que não foi contabilizada nos experimentos anteriores.
Assim, os autores propuseram um fator de expectativa “e”, que multiplicado ao PMV, faz com que essas variáveis psicológicas sejam consideradas (Tabela 4) Fonte:FANGER & TOFTUM, 2002
.
Tabela 4. Fator de expectativa (e)
Expectativa Classificação das edificações Valor de e
Alta
Edificações sem ar condicionado, localizadas em região onde o ar condicionado é comum. O período de calor é breve e só ocorre durante o verão
Média
Edificações sem ar condicionado, localizadas numa região onde existem alguns prédios com ar condicionado. O período de calor ocorre durante o verão
Baixa
Edificações sem ar condicionado, localizadas numa região onde existem poucos prédios com ar condicionado. O período de calor ocorre durante todo o ano.
1.6 EXERCÍCIOS
1.6.1 Exercício 1 Um estudante de medicina da UFSC encaminha-se ao auditório para defender seu TCC. É fevereiro, e a semana permaneceu chuvosa, com uma chuva fina e constante. No caminho para o auditório, entretanto, ele é surpreendido com uma torrente de água que molha sua roupa. Telefona então para a namorada, estudante de engenharia, pedindo para levar roupas secas. Ela pergunta quantos clo de roupa ele deseja. Com pressa, ele responde 1,4 clo, ficando depois sem escolha ao ver o que a namorada lhe trouxe. Os amigos, ao ver seus trajes, avaliam que o auditório estará climatizado e também vestem o equivalente a 1,4 clo. Chegando ao auditório, o ar-condicionado está quebrado e não altera, portanto, a temperatura do ar de 27oC. Considerando a temperatura de globo de 25,5oC e a velocidade do ar de 0,5m/s, indique, usando o Analysis CST:
a) O PMV do apresentador do TCC; b) O percentual de pessoas insatisfeitas na platéia; c) A temperatura que o ar-condicionado deveria manter para proporcionar conforto à platéia, ao reduzir a umidade relativa a 75% (temperatura de globo de 22oC).
Resposta :
a) Inserindo os dados no Analysis CST:
1,4clo = cuecão, macacão, jaqueta térmica e calças, meias, sapatos O apresentador está exercendo uma atividade leve, equivalente a 93W/m^2. Dia de chuva, UR ambiente interno = 90% Pressão do nível do mar
PMV do apresentador é 1,61, com uma sensação térmica de levemente quente a quente.
b) O provável PPD da platéia.
1,4 clo = cuecão, macacão, jaqueta térmica e calças, meias, sapatos A platéia está exercendo uma atividade sedentária, equivalente a 70W/m^2. Dia de chuva, UR no ambiente interno = 90% Pressão do nível do mar
PPD= 45,71% (figura 13), para um PMV de 1,40.
