CONFORTO AMBIENTAL: ERGONOMIA E ANTROPOMETRIA AULA 8 CLIMA CONFORTO TÉRMICO

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1 Universidade Ibirapuera Arquitetura e Urbanismo CONFORTO AMBIENTAL: ERGONOMIA E ANTROPOMETRIA AULA 8 CLIMA CONFORTO TÉRMICO Profª Claudete Gebara J. Callegaro - Mestranda em Arquitetura e Urbanismo claudete.callegaro@ibirapuera.edu.br

2 A cultura de cada povo é praticamente toda construída em função da adaptação do meio ao homem, e vice-versa, e o clima é um dos aspectos principais a considerar. As variações climáticas são percebidas há milhares de anos. Desde a pré-história, já se tinha uma noção das estações do ano, dos ventos auspiciosos, de como se prevenir quanto às secas, de como aproveitar o regime das águas.

3 Egito Antigo, cerca de 3500 a.c. Fonte: MILLARD, 1992:14-15.

4 O vento, p. ex., abranda o calor em lugares quentes (palácio), mas nem sempre é bem vindo em lugares frios (nevasca). Percebemos, ao longo de milênios, que o vento se relaciona com outros fatores climáticos e aprendemos a ler seu comportamento para nos prepararmos para tempestades, tornados, calmarias. (Ver Twister, filme de 1996) Figura 7- Onda de frio na Europa. Obtido em Figura 7- Palácio dos Ventos em Jaipur (Índia). Obtido em

5 A criatividade humana agrega outros significados aos elementos naturais e, com isso, o vento, ainda nosso exemplo, ganha muitas vezes outros significados: tempo (nuvens correndo), música, conversa com os deuses, recurso energético. Figura 8 - Moinho de vento primitivo. Obtido em Figura 6- Campanário com veleta em Villalbilla, Espanha. Obtido em File:Campanario_con_veleta_en_Villalbilla.jpg Figura 9 - Usina eólica contemporânea. Obtido em

6 ... E continuamos aperfeiçoando as formas de apropriação desse elemento, transformando-o em arte. Figura 10 - Windswept de Charles Sowers - escultura cinética que mostra 612 setas rotativas que mostram o movimento do vento. Fachada do Randall Museum em San Francisco (EUA). Figura 11 - Dynamic Tower projeto conceitual de David Fischer para Dubai (Emirados Árabes Unidos). Ver: Ver:

7 A arquitetura e a engenharia estão repletas de outros exemplos de apropriação da natureza, além do vento. Várias dessas soluções dão personalidade aos lugares e às épocas e são bastante valorizadas e até mesmo exploradas como atrações turísticas. As coisas, no entanto, têm se modificado e as tipicidades se perdem. O século XIX foi palco de muitas transformações culturais, em grande parte decorrentes de novas tecnologias, novas atividades, mobilidade demográfica intercontinental. Esses processos vêm se intensificando desde então e muitas práticas construtivas típicas de cada região se mesclaram, se perderam ou deixaram de ser expressivas. Os movimentos de arquitetura com vistas à universalização, internacionalização, de soluções estéticas e de processos construtivos, contribuíram para essa mudança de cultura. Sendo assim, aspectos de conforto e adaptação, que antes nem precisavam ser estudados, porque já faziam parte da tradição de cada lugar, passaram a ser objeto de pesquisa.

8 Os primeiros estudos a respeito das condições termo-higrométricas foram feitos com vistas a otimizar a força de trabalho. Em 1916, a Comissão Americana da Ventilação divulgou estudos e pesquisas sobre a influência da temperatura e da umidade no rendimento do trabalho. Visava-se na época, principalmente, avaliar o desempenho físico dos operários no ambiente fabril e em situações especiais de guerra, quando as tropas são deslocadas para regiões de diferentes tipos de clima. Dentre as observações, verificou-se a relação entre acidentes de trabalho e redução de rendimento em ambientes desconfortáveis. A partir de então, outras pesquisas se dedicaram à análise de diversos cruzamentos de fatores de conforto térmico, incluindo variáveis não climáticas.

9 FATORES CLIMÁTICOS

10 A radiação solar é a causa de todos os fenômenos climáticos e tem efeito substancial na vida humana. O posicionamento relativo das áreas terrestres em relação ao Sol é o principal fator de diversificação climática. Figuras 11 e 12- FROTA e SCHIFFER, 1997:54, 56

11 fácil medição difícil medição e interpretação PRINCIPAIS FATORES CLIMÁTICOS: temperatura pressão umidade movimentação do ar radiação solar eletricidade atmosférica ionização atividade solar Fatores controláveis pela arquitetura A arquitetura busca e cria meios de controle dos fatores climáticos, de maneira a propiciar o equilíbrio entre o meio humano e o meio natural, e isso se dá em várias escalas e níveis. Segundo os preceitos da arquitetura bioclimática, visa-se, ainda, a menor troca de energia possível entre esses meios, desde que suficiente para nos precavermos de dor ou medo e suportarmos confortavelmente o inevitável.

12 Os climas, na escala do globo terrestre (macro-clima), são classificados em: Quente-seco regiões desérticas >> construção pesada, com poucas aberturas, pouca circulação de ar (poeira) Quente-úmido equatorial e costeiro tropical >> construção leve, aberta, com proteção contra sol e chuva, grande circulação de ar Temperado com muitas variações (4 estações) Polar frio é o fator dominante De altitude (ou de montanha) com variação de pressão O desconforto em cada caso é decorrente de combinações variadas de fatores e se manifesta de maneiras específicas. P. ex.: clima quente-seco >> sensação de intenso calor e desidratação ( pele seca ). clima quente-úmido >> sensação ( grudenta ) de suor mantido sobre a pele, impedido de evaporar por causa da saturação de vapor d água no ar.

13 A proximidade do Sol e o ângulo de incidência das radiações solares sobre a Terra, em cada época do ano, determina a temperatura, do ponto de vista macro-climático. Figura 13 - Curva isotérmica Janeiro. FROTA e SCHIFFER, 1997:58 Figura 14 - Curva isotérmica Julho. FROTA e SCHIFFER, 1997:59

14 O movimento de rotação da Terra provoca uma força que desvia os ventos (Força de Coriolis), tornando mais complexo o comportamento climático. Figura15 - FROTA e SCHIFFER, 1997:64

15 A umidade do ar é fator fundamental para a saúde física e para a sensação de conforto. Umidade é a quantidade de vapor de água na atmosfera. Se condensarmos a água de 1m³ de ar num recipiente, esse volume de água corresponderá à umidade absoluta do ar >>> [kg (água) / (m³) ar], [g (água) / kg (ar)] e outras relações de peso e volume. Umidade relativa é a quantidade de vapor de água presente numa porção da atmosfera, proporcionalmente à quantidade máxima de vapor de água que essa atmosfera pode suportar a uma determinada temperatura. A umidade relativa é traduzida em porcentagem (%) e bastante utilizada na previsão do tempo (chuva, neve, orvalho, nevoeiro). A Organização Mundial da Saúde (OMS) considera como ideal que a umidade relativa do ar esteja entre 30 e 60%. UR <30% CRITICO 12% < UR < 19% ALERTA UR < 12% EMERGÊNCIA

16 A movimentação do ar (brisa, vento) também é fator climático que interfere diretamente na sensação de conforto térmico. Além da troca de energia (calor) entre Polos e Equador, também a relação entre terra e mar influencia no movimento do ar. A diferença de composição de cada um desses meios provoca desequilíbrios energéticos ao se aquecerem ou resfriarem, gerando fluxos de energia tais que tendam ao equilíbrio. Figuras 16 e 17 - FROTA e SCHIFFER, 1997:61

17 A altitude é importante para a formação do clima e para a sensação de conforto, tanto pela temperatura e ação dos ventos, como pela pressão atmosférica e a densidade de oxigênio no ar. Figura 18 - Mont Blanc Alpes entre França e Itália Figura 19 Praia do nordeste brasileiro. praias-no-brasil-10-no-exterior/

18 A Norma Brasileira NBR de 2005 (correção em 2008) parte III, elaborada pela ABNT, trata do Desempenho Térmico das Edificações e apresenta o Zoneamento Bioclimático Brasileiro. São 8 zonas em que alguns fatores climáticos servem de elementos em comum: radiação solar (latitude), pressão atmosférica (altitude), temperatura do ar, umidade relativa do ar. Com base nesse zoneamento, a Norma faz algumas recomendações que facilitam o trabalho da construção civil.

19 zona 1, refere-se a climas mais frios (latitude e altitude), com invernos mais acentuados e maior necessidade de aquecimento nesse período. zonas 2 e 3, consideram diferenças acentuadas entre verão e inverno. zonas 4, 5 e 6, demandam estratégias diferentes para enfrentamento do verão e do inverno, porém pouco acentuadas. Na zona 4, ainda se considera importante o aquecimento solar passivo (natural, sem artifícios) da edificação para inverno, enquanto nas zonas 5 e 6 não é mais recomendada esta estratégia. zonas 7 e 8, representadas pelo Nordeste e Norte do País, apresentam necessidade de estratégias somente para o calor ao longo do ano todo. Figura 26 - JOHN e PRADO, 2010:58

20 CONFORTO TÉRMICO

21 O homem é um animal endotérmico (ou homeotérmico), como os demais mamíferos e as aves; ou seja, nosso organismo é mantido a uma temperatura interna sensivelmente constante, por meio de absorção de energia do meio (alimento) e modificação da mesma no interior do organismo. Nossa temperatura corporal é de cerca de 37 Celsius em condição de saúde, variando de 1 abaixo a 5 acima disso em situação de enfermidade; porém, nós trabalhamos melhor quando a temperatura externa está entre 10 e 15 Celsius abaixo de nossa temperatura corporal.

22 Nosso calor interior é produzido pelos processos metabólicos, que transformam alimentos em energia. PERCEPÇÕES O calor exterior provém de várias fontes, especialmente da radiação solar. O meio externo nos bombardeia com energia, que por nós é pensada na forma de imagens, sons, odores, movimento. Temos uma quantidade imensa de terminais nervosos altamente sensíveis espalhados pelo corpo, alguns internos e outros externos. Nossos órgãos dos sentidos são aglomerados compactos desses terminais nervosos e captam a energia do meio de maneiras específicas: olho - estímulos eletromagnéticos, paladar e olfato - estímulos químicos, ouvido - vibrações mecânicas (ondas) tato contato físico, pressão, calor, frio, dor Conforme o bombardeio de energia, os receptores nervosos são (ou não) estimulados produzindo impulsos, também conhecidos como sensações: tontura, peso no estômago, vitalidade, calor, frescor... As sensações podem (ou não) gerar resposta interior, dependendo da percepção de cada um. Conforto Ambiental I: Ergonomia e Antropometria - Profª Claudete Gebara J. Callegaro - Universidade Ibirapuera Arquitetura e Urbanismo - Versão de 26/02/2013 Slide de aulas anteriores.

23 Cerca de 75% da energia que produzimos (interior) é trocada diretamente com o meio (exterior) por: convecção (troca ocorre pela movimentação de moléculas, como a água em ebulição) irradiação (ondas termomagnéticas, como as do Sol) condução (troca por transferência de energia de molécula para molécula desde a fonte de calor até o objeto com temperatura menor. Os demais 25% da energia são trocados indiretamente com o meio pela evaporação da água de nosso corpo através de: respiração, perspiração (pelos poros, imperceptível), transpiração (exterior da pele) >>> a umidade do ar e o vento interferem nesse processo

24 Tipos de trocas de calor. Fonte:

25 Nós nos aclimatamos de várias maneiras, todas tendo como objetivo a regulação térmica do corpo, ou seja, o equilíbrio entre ganhos e perdas térmicas com o ambiente. Existe um nível ótimo para o fluxo de perda de calor, no qual a temperatura da pele se mantém em torno dos 35 C e a pessoa se sente em neutralidade térmica.

26 Recebimento de calor do exterior para o organismo (climas quentes): 1. aumento de temperatura interna e alteração do batimento cardíaco >>> sensação de stress. 2. aclimatação paulatina >>> sensação de desconforto diminui >>> aumento de produção de suor. Esse suor precisa ser removido da pele para que mais suor venha à superfície. Porém, a sudorese continuada e intensa pode levar à desidratação. A submissão do organismo a temperaturas altas por muito tempo é danosa. 3. vasos sanguíneos da pele se dilatam para facilitarem a passagem de sangue e o resfriamento das células (termostato). 4. excesso de sangue na superfície deixa carentes de oxigenação o interior do corpo, inclusive a cabeça. Isso reduz o desempenho geral do organismo e provoca exaustão pelo calor: dor de cabeça, náusea, lassitude, tontura, agitação, desmaio.

27 Em climas frios, há perda de calor do organismo para o exterior. 1. Essa transferência de energia é evitada com a ativação dos processos metabólicos, que provocam vasoconstrição periférica, aumento na respiração e no batimento cardíaco, piloereção, estímulo glandular, tremor. 2. Essa condição dificulta o sono e pode levar a problemas crônicos gerais, sendo bastante comuns os reumáticos. Isso não significa que precisemos ficar o tempo todo em climas controlados. Em turismo, p. ex., buscamos vivenciar situações diferentes das cotidianas, inclusive quanto ao clima. Num escritório, muitas vezes queremos sair para tomar um ar fresco. As saunas trabalham com extremos de temperatura para estimular nossa circulação e limpar nossos poros.

28 FATORES DE CONFORTO TÉRMICO

29 VARIÁVEIS FÍSICAS DO CONFORTO TÉRMICO URBANO: Para obtenção de conforto térmico em áreas construídas, deve-se considerar o macroclima como premissa, ou seja, como condição pré-estabelecida invariável ou com variabilidade relativamente conhecida. Atua-se, então, sobre adaptação em relação ao mesoclima e ao microclima, considerando-se: Atividades predominantes (extensão e tipo) em relação ao campo circunvizinho Intervenções sobre a natureza (drenagem, impermeabilização) Massa edificada (materiais de construção, volumetria, implantação) Equipamentos termoelétricos e de combustão (produção, transporte, consumo) Poluição gerada (química, odores) Radiação solar direta (posicionamento relativo das edificações vizinhas) A atuação humana sobre o meio pode provocar modificações microclimáticas em áreas urbanizadas: Ilhas de Calor, baixadas de concentração de poluentes e consequente aumento de precipitações de chuva, canyons de vento.

30 A sensação de conforto térmico depende da conjugação de vários fatores: Temperatura do ar, Umidade do ar, Movimentação do ar, Características das superfícies do entorno, e de outros fatores, como: Idade: A sensação de calor ou de frio é mais intensa em velhos e bebês. Crianças entre 1 e 12 anos e parte dos adolescentes sentem menos calor do que os adultos. Eficiência mecânica ao se fazer um trabalho: Menor gasto energético para o movimento, menos efeitos colaterais, dentre eles o calor interno. Saúde física e mental: Quando em boas condições, o organismo tem mais facilidade de adaptação metabólica ao meio. Vestimentas: Devem ser adequadas ao meio e à atividade.

31 Figura 21 - CORBELLA e YANNAS, 2003:31

32 Observe-se que uma pessoa com pouca roupa e em descanso sente-se confortável numa temperatura ambiente de 29 C quando em calmaria. Consegue, contudo, suportar até 33 C, sentindo-se confortável, desde que haja vento. Figuras 18 e 19 - CORBELLA e YANNAS, 2003:33, 34 Contudo, os fatores climáticos são as variáveis mais significativas ao se tratar de conforto térmico do ponto de vista bioclimático.

33 EXEMPLOS DE ALGUMAS RELAÇÕES ENTRE FATORES CLIMÁTICOS E INTERVENÇÕES ARQUITETÔNICAS POSSÍVEIS, CONFORME O CLIMA: -Radiação solar dado fixo (latitude do lugar). Modos de controle em climas quentes: isolação construção >> amortecimento da onda térmica e diminuição da temperatura radiante média da superfície interna do edifício sombreamento bloqueio da entrada de sol direto no edifício (quebra-sol) e da insolação direta das faces externas (volumetria do edifício, vegetação, projeções do entorno) Em climas frios >> possibilitar o máximo de exposição direta possível - Temperatura do ar dado não manipulável por meios naturais. Modos de controle em climas quentes: sombreamento ventilação natural (exceto em clima quente-seco, quando a corrente de ar também carrega poeira) Em climas frios: ventilar o mínimo possível necessário para boas condições de higiene, renovando-se o ar com certa frequência (1 hora) de modo a que o ar frio do exterior não agrida o usuário interno (trocas por aberturas altas).

34 EXEMPLOS DE ALGUMAS RELAÇÕES ENTRE FATORES CLIMÁTICOS E INTERVENÇÕES ARQUITETÔNICAS POSSÍVEIS, CONFORME O CLIMA (cont.): -Umidade do ar dado que pode ser manipulado em casos específicos. Modos de controle em climas quentes: espelhos d água, fontes, lagos Em climas frios: A sensação de frio aumenta quando a umidade é alta >> reduzir ventilação e aumentar insolação. -Relação entre temperatura radiante e temperatura do ar deve-se evitar a somatória de calor ou de frio, ou seja, quando uma é alta é preciso que se promova a redução da outra. Modo de controle em climas quentes: cortina d água, materiais refletivos. Em climas frios: maior exposição da construção ao sol direto. -Relação entre temperatura do ar, temperatura radiante e umidade do ar quando a temperatura do ar aumenta, a umidade do ar diminui. utilizar a evaporação (água, vegetais) para o refrescamento -Relação entre velocidade do ar, temperatura do ar e umidade do ar quando a temperatura do ar é baixa o vento nos incomoda quando a temperatura do ar é alta, o vento ajuda na evaporação e na melhoria da sensação de conforto.

35 Na NBR de 2005 (correção em 2008) parte III, da ABNT, que trata do Desempenho Térmico das Edificações, são feitas recomendações para cada tipo de clima: tamanho das aberturas para ventilação, proteção das aberturas, vedações externas (tipo de parede externa e tipo de cobertura material, espessura, sistema), estratégias de condicionamento térmico passivo (sem equipamentos artificiais eletromecânicos). Por exemplo, observe-se as recomendações de paredes e coberturas para as zonas 1, 3, 7 e 8 adiante apresentadas, extraídas do projeto da norma, obtido em

36 Figura 29 Recomendações da NBR para ventilação natural permanente do vão entre teto e telhado na zona bioclimática 8. Obtida em

37 Sensação de temperatura depende também dos próprios materiais de construção, como: condutividade térmica (k) P. ex.: ao pisarmos com um pé descalço num piso de madeira e o outro pé num piso de mármore, ambos à mesma temperatura ambiente, sentimos que a madeira é mais quente do que o mármore. Isso, porém, é uma ilusão. Nossa pele (normalmente a 35 C) em geral é mais quente do que o ambiente (p. ex. 25 C) e, portanto, doamos energia ao meio, pois a temperatura entre 2 corpos tende a se equilibrar. O mármore é bom condutor térmico e, portanto, absorve nossa energia com maior rapidez e a distribui pelo meio. A madeira é mais resistente à condução de calor, sendo, portanto, mais lenta a dissipação de nosso calor para o meio. espessura do material (e) - influi diretamente na velocidade de condução do calor.

38 Figura 30 Comportamento de diferentes tipos e espessuras de paredes quanto ao conforto térmico, conforme NBR Obtida em pdf

39 Portanto, pode-se dizer que, quanto ao conforto térmico, para uma atividade definida, com a vestimenta usada pelas pessoas e num determinado ambiente, a sensação de bem-estar experimentada por uma pessoa é resultado da combinação satisfatória de, pelo menos, os seguintes fatores: temperatura radiante média (trm), umidade relativa (UR), temperatura do ambiente (ta), velocidade relativa do ar (vr).

40 ÍNDICES DE CONFORTO TÉRMICO

41 índices biofísicos baseiam-se nas trocas de calor entre o corpo e o ambiente, correlacionando os elementos do conforto com as trocas de calor que dão origem a esses elementos; índices fisiológicos baseiam-se nas reações fisiológicas originadas por condições conhecidas de temperatura seca do ar, temperatura radiante média, umidade do ar e velocidade do ar; índices subjetivos baseiam-se nas sensações subjetivas de conforto experimentadas em condições em que os elementos de conforto térmico variam.

42 VARIÁVEIS FÍSICAS DO CONFORTO TÉRMICO HUMANO: temperatura do ar e das superfícies que rodeiam as pessoas, umidade relativa do ar (água que está contida no ar) radiação infravermelha provida das superfícies que rodeiam as pessoas, velocidade e direção do vento (movimentação do ar) radiação solar. Equação de balanço de calor: (M + W) (Cd + CV + CR + E) = D onde: M = metabolismo (calor produzido pelo corpo a partir dos alimentos, variando com a idade, atividade, massa corporal, condição de saúde, tempo passado desde a última refeição) W = energia usada para realizar trabalho mecânico (depende da atividade) Cd = energia dissipada por condução (depende da superfície do corpo em contato com outras superfícies, resistência à passagem de calor das roupas e calçados) Cv = energia dissipada por convecção (depende da área da pele, da resistência à passagem de calor das roupas entre a pele e o ar, da movimentação do ar, da temperatura do ar) Cr = energia dissipada por radiação (depende da área e da temperatura das superfícies externas que rodeiam o corpo, de suas características de cor e textura, da área da pele descoberta, das roupas) E = energia dissipada por evaporação de água sobre a superfície da pele (depende da área nua do corpo ou da condição de evaporação da mesma roupas de tecidos porosos ou absorventes -, da umidade relativa da camada de ar vizinha da pele) D = termo de balanço de acumulação, que pode se traduzir em sensação de frio (se for negativo) ou em sensação de calor (se for positivo). D igual a zero corresponderá à sensação de bem-estar, definida como conforto térmico, desde que a pessoa esteja com a temperatura da pele em torno de 35 C.

43 Segundo Frota e Schiffer (1997), existem perto de 30 índices de conforto térmico. Aqui trataremos apenas da Carta Bioclimática, por ter sido o instrumento selecionado pela ABNT na confecção da NBR 15220, que cuida de Desempenho Térmico das Edificações. Essa ferramenta foi selecionada por ser a mais adequada aos climas brasileiros e às condições de desenvolvimento das várias regiões, especialmente as consideradas sub-desenvolvidas. Trata-se de um instrumento relativamente recente, que inter-relaciona vários fatores climáticos radiação solar (latitude), temperatura do ar, umidade do ar, movimentação do ar (ventos), altitude - fornecendo o que se denomina zona de conforto e sugerindo procedimentos para redução do desconforto nas demais zonas. A carta bioclimática se baseia em dados anuais tomados numa determinada região e normalmente não se aplica a outras regiões. A Carta Bioclimática da NBR evoluiu a partir de outras ferramentas desenvolvidas principalmente por Olgyay e por Givoni.

44 Figura 23 - Autoria: LAMBERTS. Obtido em %20Avalia%C3%A7%C3%A3o%20bioclim%C3%A1tica_0.pdf

45 Figura 24 - Autoria: LAMBERTS. Obtido em %20Avalia%C3%A7%C3%A3o%20bioclim%C3%A1tica_0.pdf A Psicrometria é a parte da termodinâmica que tem por objetivo o estudo das propriedades do ar úmido.

46 Umidade relativa do ar = aprox. 30% Figuras 27 e 28 Cartas bioclimáticas para zona 1 e zona 3, conforme NBR Obtido em

47 FONTES PESQUISADAS CORBELLA, Oscar; YANNAS, Simos. Em busca de uma Arquitetura Sustentável para os trópicos - conforto ambiental. Rio de Janeiro: Revan, FROTA, A. B; SCHIFFER S. R. Manual de conforto térmico. São Paulo: Nobel, (7ª edição lançada em 2003) JOHN, Vanderley Moacyr; PRADO, Racine Tadeu Araújo (organizadores). Manual Selo Casa Azul: Boas práticas para habitação mais sustentável. Caixa Econômica Federal. São Paulo: Páginas & Letras, Obtido em saoweb.pdf LAMBERTS, Roberto. Desempenho Térmico de Edificações. Universidade Federal de Santa Catarina. Florianópolis: Labee, MILLARD, Anne. Os egípcios. Coleção Povos do Passado. São Paulo: Melhoramentos, RUAS, Álvaro César. Conforto Térmico no Ambiente de Trabalho. Ministério do Trabalho, Fundacentro: Disponível em 0Trabalho.pdf %20Avalia%C3%A7%C3%A3o%20bioclim%C3%A1tica_0.pdf %20Avalia%C3%A7%C3%A3o%20bioclim%C3%A1tica_0.pdf Conforto Ambiental I: Ergonomia e Antropometria - Profª Claudete Gebara J. Callegaro - Universidade Ibirapuera Arquitetura e Urbanismo - Versão de 14/05/2013