Desempenho Térmico de edificações Aula 2: Conforto Térmico

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1 Desempenho Térmico de edificações PROFESSOR Roberto Lamberts ECV 5161 UFSC FLORIANÓPOLIS

2 + humanas + ambientais + outras + modelos + normas estrutura variáveis cálculo 2

3 definição conforto térmico é o estado da mente que expressa satisfação do homem com o ambiente térmico que o circunda. ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers) 3

4 A insatisfação com o ambiente térmico pode ser causada pela sensação de desconforto por calor ou 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 definição 4

5 Neutralidade térmica: Estado físico no qual todo o calor gerado pelo organismo através do metabolismo é trocado na mesma proporção com o ambiente ao redor, não havendo nem acúmulo de calor, nem perda excessiva do mesmo, mantendo a temperatura corporal constante definição Conforto térmico Neutralidade térmica neutralidade térmica é uma condição necessária, mas não suficiente para que uma pessoa esteja em conforto térmico. Um indivíduo que estiver exposto a um campo assimétrico de radiação, pode estar em neutralidade térmica, porém não estará em conforto térmico 5

6 definição Fatores pelos quais os estudos de conforto térmico são importantes: 1. A satisfação do homem, permitindo-lhe se sentir termicamente confortável 2. A performance humana: As atividades intelectuais, manuais e perceptivas, geralmente apresentam um melhor rendimento quando realizadas em conforto térmico 3. A conservação de energia: Ao conhecer as condições e os parâmetros relativos ao conforto térmico dos ocupantes do ambiente, evitam-se desperdícios com aquecimento e refrigeração. 6

7 variáveis de conforto variáveis humanas variáveis ambientais Outras... variáveis cálculo MET: Metabolismo Tar: Temperatura do ar Trad: Temp Média Rad. Idade Altura CLO: Vestimenta Vel: Velocidade do ar RH: Umidade relativa Sexo Peso 7

8 VARIÁVEIS DE CONFORTO - HUMANAS +. MET. CLO A temperatura interna do corpo humano é praticamente constante, variando aproximadamente de 36 a 37 A quantidade de calor liberado pelo organismo ocorre em função da atividade desenvolvida. Este calor será dissipado através de mecanismos de trocas térmicas entre o corpo e o ambiente, envolvendo: - Trocas secas: condução, convecção, radiação. (calor sensível) - Trocas úmidas: evaporação. Respiração e Transpiração (calor latente) 8

9 SISTEMA TERMORREGULADOR HUMANO Diagrama da regulação térmica humana autônoma e comportamental Variável controlada: valor integrado de temperaturas internas (próximas do sistema nervoso central e núcleo) e as temperaturas da pele. Sistema controlado: é influenciado pela temperatura interna (geração interna de calor/metabolismo) e externa (calor ou frio originado pelo ambiente). As perturbações na temperatura de um ambiente são rapidamente detectadas pelos termorreceptores da pele. + 9 Adaptado de:hensen (1991)

10 SISTEMA TERMORREGULADOR HUMANO Temperatura Corporal Zonas de respostas fisiológicas 43 C 39 C 37 C 35 C 31 C Vasodilatação Vasoconstrição Acima de 43 C Situação Letal Acima de 39 C Ocorre a perda da eficiência no trabalho Acima de 37 C Inicia-se o fenômeno do suor Abaixo de 36 C Inicia-se o reflexo de arrepio Abaixo de 35 C Ocorre a perda da eficiência no trabalho Abaixo de 31 C Situação Letal Temperatura Corporal Aproximadamente 36,5 C + 10 Adaptado de: Longman, Inc., (2001)

11 Os mecanismos termorreguladores são ativados quando as condições térmicas do meio ultrapassam certas faixas de frio ou calor. Frio: Evitar perdas térmicas do corpo e aumentar a produção interna de calor. Perdas de calor por radiação e convecção Pele mais rugosa orgão interno Perdas de calor por convecção Vasoconstrição periférica Arrepio Aumento do metabolismo 11

12 Mecanismos instintivos e culturais para proteção do frio Mecanismos instintivos Mecanismos culturais 12

13 Calor: Incrementar as perdas térmicas do corpo e reduzir a produção interna de calor Perdas de calor por radiação e convecção Boa evaporação Pouca evaporação Vasodilatação periférica Suor Redução do metabolismo 13

14 Mecanismo instintivos e culturais para proteção contra o calor Mecanismos instintivos Mecanismos culturais 14

15 Através do metabolismo o organismo adquire energia a partir de elementos combustíveis orgânicos. A quantidade de energia liberada depende da quantidade de atividade muscular (Quanto maior a atividade física, maior o metabolismo). MET: unidade utilizada para descrever a energia produzida por unidade de área de uma pessoa em repouso (1 MET = 58W/m²) Taxa metabólica para diferentes atividades. ISO 7730 (2005) 15

16 Vestimenta impõe uma resistência térmica entre o corpo e o meio, representando uma barreira para as trocas de calor por convecção CLO: Unidade de medição da resistência térmica da roupa. (1 clo = 0.155m² C/W) Índice de resistência térmica para vestimentas segundo ISO 7730 (

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18 VARIÁVEIS DE CONFORTO - AMBIENTAIS As condições do ambiente relacionadas com o conforto são: + Temperatura do ar + Temperatura média radiante + Umidade relativa do ar + Velocidade do ar + O corpo humano não sente a temperatura de um quarto, e sim a perda ou ganho de energia do corpo no espaço A influência dos quatro parâmetros na perda ou ganho de energia não é igual, sendo que a temperatura do ar e temperatura média radiante tem a maior importância. Porem não é suficiente medir só um deles. 18

19 Temperatura do ar: Também chamada TBS (temperatura de bulbo seco) A sensação de conforto baseia-se na perda de calor do corpo através da diferença de temperatura entre a pele e o ar. As massas de ar são aquecidas em virtude do contato com a pele, permitindo a perda de energia do corpo. O ar mais quente torna-se mais leve e sobe enquanto o mais frio desce, proporcionando uma sensação de resfriamento do ambiente graças a movimentação do ar conhecida como convecção natural. Pei-Chun Liu (et al) Evaluation of buoyancy-driven ventilation in atrium buildings using computational fluid dynamics and reduced-scale air model. 19

20 Temperatura média radiante: Temperatura uniforme de um ambiente imaginário no qual a troca de calor por radiação é igual ao ambiente real não uniforme. Trocas entre um ambiente real e o corpo e entre um ambiente imaginário e o mesmo corpo, através da temperatura média radiante. Fonte: innova.dk Trocas de calor entre diferentes corpos 20

21 Umidade relativa do ar (UR): fornece a quantidade de vapor de água no ar em relação à quantidade máxima que pode conter a uma determinada temperatura. À medida que a temperatura do meio se eleva, dificultando as perdas por convecção e radiação, o organismo aumenta sua eliminação por evaporação. Quanto maior a UR, menor a eficiência da evaporação na remoção do calor. A UR é utilizada para determinar a umidade absoluta (expressa em termos de pressão parcial de vapor), parâmetro que permite determinar as trocas por evaporação entre o homem e o ambiente. 21

22 Velocidade do ar Parâmetro que modifica as trocas de calor por convecção e evaporação de uma pessoa, retirando o ar quente e a água em contato com a pele com maior eficiência, reduzindo a sensação de calor. (quanto maior for, maior será a sensação de perda de calor). + = UMIDADE RELATIVA DO AR VELOCIDADE DO AR PERDA DE CALOR POR EVAPORAÇÃO 22

23 Equipamentos para medição das variáveis ambientais Anemômetro sensor Termo anemômetro Termômetro de globo. Psicrômetro giratório para medição de TBS e TBU Temperatura do ar Velocidade do ar Temp. de Globo Umidade relativa 23

24 Cálculo da temperatura radiante média: pode se calcular através da T. globo e T. do ar Onde: Hcg ΔT D V é o coeficiente de troca de calor por convecção do globo; é a diferença de temperatura (tg - ta) é o diametro do globo (normal/ 15cm) é a Velocidade do ar (m/s) Coeficiente de troca de calor por convecção: Utiliza se para definir a equação a ser adotada no cálculo da temperatura radiante média Onde: tg ta V * * * * * * é a temperatura de termômetro de globo (C ); é a temperatura do ar ( C); é a Velocidade do ar (m/s) Dependendo do Coeficiente de troca de calor que for maior, adota se a temperatura radiante média para a forma de convecção correspondente a esse coeficiente 24

25 Cálculo da umidade relativa: carta psicrométrica Umidade relativa Temperatura bulbo seco ( C) 25

26 VARIÁVEIS DE CONFORTO - OUTRAS + + Idade + Raça + Hábitos alimentares + Altura + Sexo 26

27 Métodos de Avaliação de Conforto As pesquisas de conforto térmico e os métodos de avaliação estão divididos em dois grandes grupos: Pesquisas em Câmaras Climatizadas (Método Estático) Pesquisas de Campo (Método Adaptativo) + + Modelo Estático Realizadas no interior de ambientes totalmente controlados pelo pesquisador, onde as variáveis ambientais e pessoais podem ser o manipuladas + Modelo Adaptativo 27 Realizadas em situação real, onde o pesquisador não interfere no andamento das atividades e nas variáveis ambientais

28 Métodos de Avaliação de Conforto Modelo Estático... Para dado nível de atividade, a temperatura média da pele (ts) e a taxa de secreção do suor (Esw) podem ser consideradas como as únicas variáveis fisiológicas que influem sobre o equilíbrio de calor na equação do conforto térmico... (Ole Fanger, 1970) Modelo Adaptativo... A temperatura de conforto não é uma constante, e sim varia de acordo com a estação, e temperatura a que as pessoas estão acostumadas... (Michael A.Humphreys, 1979) + + Modelo Estático + Modelo Adaptativo 28

29 Modelo Estático Baseado no balanço de calor, modelo utilizado nas avaliações em ambientes condicionados artificialmente. PMV: O voto médio predito é um índice que prevê um valor médio de sensação térmica de um grande grupo de pessoas, segundo a escala de de 7 pontos (ASHRAE). Foi criado através de análises estatísticas de acordo com resultados obtidos por Fanger (1972) em estudos na Dinamarca em câmaras climatizadas Muito quente Quente Levemente quente Neutro Levemente frio Frio Muito frio A escala sétima da ASHRAE, ou escala de sete pontos é utilizada para determinação real das sensações térmicas das pessoas A sensação térmica de um indivíduo é representada pela equação do PMV Onde: PMV= voto médio estimado ou voto de sensação de conforto térmico M= Atividade desempenhada pelo individuo L= Carga térmica atuante sobre o corpo 29

30 Modelo Estático Substituindo o valor de L a equação do PMV fica da forma a seguir: Onde: M = Taxa metabólica, em W/m2, W = Trabalho mecânico, em W/m2, sendo nulo para a maioria das atividades, Icl = Resistência térmica das roupas, em m2.ºc/w, fcl = Razão entre a área superficial do corpo vestido, pela área do corpo nú, ta = Temperatura do ar, em ºC, tr = Temperatura radiante média, em ºC, var = Velocidade relativa do ar, em m/s, pa = Pressão parcial do vapor de água, em Pa, hc = Coeficiente de transferência de calor por convecção, em W/m2.ºC, tcl = Temperatura superficial das roupas, em ºC. Pode ser obtida a partir do MET (1MET=58,2W/m²) Pode ser obtida a partir do CLO (1CLO=0,155m².C/W) 30

31 Modelo Estático Devido à variação biológica entre as pessoas, é impossível que todos os ocupantes de um ambiente se sintam termicamente confortáveis ao mesmo tempo. O PPD (porcentagem de pessoas insatisfeitas) estabelece a quantidade estimada de pessoas insatisfeitas dentro de um mesmo ambiente. O PPD se baseia na percentagem de um grande grupo de pessoas que gostariam que o ambiente estivesse mais quente ou mais frio (voto +3, +2 ou -3 e -2, na escala sétima de sensações). Ele pode ser determinado analiticamente (conforme a equação abaixo em função do PMV), ou extraído da figura a seguir: PMV e PPD 31

32 Modelo Adaptativo Dúvidas quanto a validação dos resultados aplicando o modelo estático em regiões quentes e úmidas iniciaram discussões que deram origem ao modelo adaptativo... Ajustes Comportamentais/ Tecnológicos Adaptação ao clima interno Aclimatação Adaptação fisiológica ao clima Os 3 componentes de adaptação ao clima interno. Adaptado de: de Dear, Brager e Cooper (1997) Habituação Adaptação psicológica/difere ntes expectativas Princípio básico do modelo adaptativo: ao ocorrer uma mudança de temperatura que gera desconforto, as pessoas reagem de forma a restaurar o conforto térmico. Neste modelo são considerados outros fatores além dos da física e fisiologia: Demografia (gênero, idade, classe social), contexto (composição da edificação, estação, clima) e cognição (atitudes, preferências e expectativas). 32

33 Modelo Adaptativo 33

34 Modelo Adaptativo Categorias da adaptação: Ajustes Comportamentais: Modificações conscientes ou inconscientes - Ajustes pessoais: roupa, atividade, postura; - Ajustes Tecnológicos ou Ambientais: Fechar/Abrir janelas, ligar o ventilador; Ajustes Fisiológicos: Mudanças nas respostas fisiológicas - Adaptações genéticas: herança genética de um indivíduo ou grupo de pessoas; - Aclimatação: mudanças inerentes ao sistema termo-regulador; Ajustes Psicológicos: Percepções e reações das informações sensoriais - Habituação, exposição repetitiva ou crônica, que conduz a uma diminuição da intensidade da sensação evocada anteriormente. 34

35 Modelo Adaptativo A nova versão da norma americana ASHRAE Standard apresenta um método opcional para determinação condições térmicas aceitáveis em espaços naturalmente ventilados. Limites aceitáveis da temperatura operativa (zona de conforto) para espaços condicionados naturalmente. ASHRAE

36 Condições Básicas de Conforto Térmico Ambiente Real Neutralidade Térmica Temp. da pele e taxa secreção dentro dos padrões Conforto Térmico Desconforto Localizado Conforto Térmico 36

37 Desconforto localizado: Assimetria de radiação Correntes de ar Diferença na temp. do ar no sentido vertical Pisos aquecidos ou resfriados Conforto Térmico 37

38 Avaliação de Conforto Térmico Os Índices de Conforto Térmico podem ser estimados com o auxílio de Softwares... O software da ASHRAE calcula os índices: - PMV/PPD - Temperatura Efetiva (ET) - Temperatura Efetiva Padrão (SET) - Temperatura neutra dos modelos adaptativos de Humphreys e Auliciems. 38

39 Avaliação de Conforto Térmico Ou através de calculadoras onlines: Ex.: Universidade de Berkley: 39

40 A ISO 7730 (Anexo E) disponibiliza tabelas para uma estimativa rápida dos valores de PMV/PPD, que se aplicam em ambientes condicionados artificialmente com umidade relativa (UR) de 50% 40

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42 ASHRAE 55: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy (em constante revisão) ISO 7730: Ergonomics of the thermal environment -- Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria. (Última revisão publicada: 2005) ISO 7726: Ambientes Térmicos - Instrumentos e Métodos para medições das quantidades físicas. Última revisão publicada: 1998) NORMA BRASILEIRA??