ANÁLISE DAS CONDIÇÕES DE CONFORTO TÉRMICO E DA INÉRCIA TÉRMICA A QUE PROFESSORES DAS ESCOLAS MUNICIPAIS DE JOÃO PESSOA - PB ESTÃO SUBMETIDOS

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1 XXIX ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO. ANÁLISE DAS CONDIÇÕES DE CONFORTO TÉRMICO E DA INÉRCIA TÉRMICA A QUE PROFESSORES DAS ESCOLAS MUNICIPAIS DE JOÃO PESSOA - PB ESTÃO SUBMETIDOS Daniel Augusto de Moura Pereira (UFPB) o_baterista@hotmail.com Antonio Souto Coutinho (UFPB) coutinho@ct.ufpb.br Luiz Bueno da Silva (UFPB) bueno@ct.ufpb.br Estudos sobre a exposição ocupacional a ambientes que são termicamente desconfortáveis têm sido cada vez mais comuns, em virtude das possíveis conseqüências negativas que os parâmetros ambientais podem provocar, tanto no desempenho profissiional quanto na saúde dos trabalhadores. Esta pesquisa tem como objetivo analisar as condições de conforto térmico e da inércia térmica a que os professores das escolas municipais de João Pessoa estão submetidos. Os resultados do PMV e do PPD revelaram uma situação de desconforto térmico. Os resultados da análise da inércia térmica indicaram um amortecimento de 48,84% da carga térmica gerada pela radiação solar e uma defasagem de 4,13 horas. Esses resultados reforçam a idéia de que os professores estão sujeitos a condições de trabalho adversas. Palavras-chaves: Conforto térmico, Inércia térmica, Professores

2 1. Introdução Estudos sobre a exposição ocupacional a ambientes que são termicamente desconfortáveis têm sido cada vez mais comuns, tanto no âmbito acadêmico como no empresarial. Isto se deve às possíveis conseqüências negativas que os parâmetros ambientais podem provocar, tanto no desempenho profissional quanto na saúde dos trabalhadores. Segundo Iida (2005), uma grande fonte de tensão no trabalho são as condições ambientais desfavoráveis, como excesso de calor, ruídos, pouca iluminação e vibrações. Esses fatores causam desconforto, aumentam os riscos de acidentes e podem provocar danos consideráveis à saúde. De acordo com Grandjean (1998), perturbações no conforto ambiental são acompanhadas de alterações funcionais que atingem todo o organismo. Percebe-se que a maioria das escolas públicas no Brasil não oferece condições de conforto térmico adequadas para o desenvolvimento das atividades intelectuais lá exercidas. Estas condições inadequadas podem comprometer o processo de ensino-aprendizagem e a saúde física e psicológica dos alunos e professores. Deste modo, há necessidade iminente de investimentos continuados na área de educação pública no Brasil. Mas, paralelamente a isso, estudos nesta área podem proporcionar aos gestores um panorama sobre a atual condição de trabalho dos operadores da educação, sob o ponto de vista do trabalhador, bem como fornecer uma idéia do estado geral de seus funcionários. Acredita-se que a abordagem dessa temática - circunscrita e aplicada a várias escolas da rede municipal de João Pessoa - é uma maneira de chamar a atenção dos gestores e autoridades educacionais para a necessidade de proporcionar aos usuários e aos trabalhadores das escolas condições ambientais adequadas ao processo de educação, como uma forma de melhorar a qualidade do ensino e da aprendizagem. Neste contexto, esta pesquisa tem como objetivo analisar as condições de conforto térmico e da inércia térmica a que os professores das escolas municipais de João Pessoa estão submetidos. 2. Conforto térmico De acordo com Fanger (1970), conforto térmico é uma condição da mente que expressa satisfação com o ambiente térmico. O estudo do conforto térmico tem como objetivo diagnosticar e analisar as condições de um ambiente, de modo que se possam obter as condições térmicas adequadas à ocupação humana e às atividades desempenhadas. O conforto térmico está dividido em dois índices: o Predicted Mean Vote (PMV) e o Predicted Percentage of Dissatisfied (PPD). O PMV representa a sensação térmica que o indivíduo está sentindo em um determinado ambiente. Esta sensação é obtida através de um voto na escala sétima, de acordo com a Figura 1: 2

3 Figura 1 Escala sétima Fonte: Adaptado da Norma ISO 7730/94 O PPD representa a porcentagem de pessoas insatisfeitas termicamente com o ambiente, conforme a Equação (1). PPD = exp -(0,03353 PMV 4 + 0,2179PMV2 ) (1) Essa equação é representada pela curva de probabilidade da Figura 2, que tem um valor mínimo na abscissa PMV = 0, representando a condição de conforto. Isso mostra que não se deve esperar 100% de pessoas termicamente satisfeitas, mesmo em ambientes dotados de bons sistemas de climatização. A Norma ISO 7730/94 recomenda uma insatisfação máxima de 10%, ou seja, um índice PPD a 10%. 3. Inércia Térmica Figura 2 - PPD como função do PMV Fonte: Adaptado da Norma ISO 7730/94 Toda edificação ou estrutura possui uma inércia térmica. Ou seja, apresenta uma capacidade de armazenamento térmico e certo intervalo para serem atravessadas pelo fluxo de calor. Esse comportamento é representado por dois parâmetros: amortecimento e defasagem. De acordo com Coutinho (2005), o amortecimento (m) é a relação entre os picos de temperatura na face interna e na face externa, representado pela Equação (2). O amortecimento indica a percentagem de calor que foi absorvida com relação a que foi recebida do exterior. m t x t e x m (2) Onde: 3

4 X = espessura; m = tempo de realização de um ciclo; = difusividade térmica. Quando a radiação solar incide sobre a superfície externa da envoltória, parte é absorvida e o restante é perdido por convecção ou reflexão. A parte absorvida avança na direção da face interna, mas não a atinge senão algum tempo depois, dependendo do material e da espessura do mesmo. Quanto mais espessa uma parede, maior é o intervalo de tempo para que o calor que atingiu a face externa, no instante t 1, chegar à face 2, no instante t 2. O pico de radiação solar ocorre ao meio dia solar, que é diferente do meio dia oficial, já que depende da longitude do local, da distância do meridiano de referência e do dia do ano. Após o pico, a radiação diminui e, a partir de certo momento, a temperatura interna da parede passa a ser maior que as temperaturas de ambas as faces. Em conseqüência, uma parte do calor volta para o exterior, e o restante avança para o interior, onde ocorre ganho máximo em determinado momento. De acordo com Rivero (1986), atraso térmico é o tempo que leva uma diferença térmica ocorrida num dos meios para manifestar-se na superfície oposta do fechamento. É definido pela Equação (3): Onde: X = espessura; m = tempo de realização de um ciclo (considerado 24 horas); = difusividade térmica. 4. Metodologia X m (3) 2 Esta pesquisa é classificada como quantitativa, do tipo descritiva. O modelo utilizado foi o estudo de caso. A população deste estudo foi formada por 50 professores, do sexo feminino, do ensino fundamental I, de 16 escolas da rede municipal de João Pessoa PB. Os professores selecionados para a amostra foram os que trabalhavam dois turnos consecutivos na mesma instituição, a fim de se avaliar toda a jornada de trabalho destes profissionais. As escolas municipais de João Pessoa estão divididas por pólos, conforme a Figura 3. Foi selecionada, pelo menos, uma escola de cada pólo, representando, assim, todo o perímetro do município. O agente calor teve como suporte a Norma ISO 7730/94 Moderate thermal environments Determination of the PMV and PPD índices and specification of the conditions for thermal comfort e a Norma de Higiene Ocupacional (NHO) 06. Os materiais que foram utilizados para a coleta, tabulação e análise dos dados foram os seguintes: Questionário sobre a percepção térmica; 4

5 Medidor de estresse térmico modelo TGD 300, marca Instrutherm. Esse medidor é composto pelos termômetros de globo, bulbo seco e de bulbo úmido, conjunto IBUTG, tendo todos os termômetros a exatidão de ±0,5 o C, os quais indicam, respectivamente, a radiação térmica do ambiente, a temperatura do ar e a umidade do ar; Software de conforto térmico Conforto A coleta dos dados foi efetuada durante os meses de agosto, setembro, outubro e novembro. Foram realizadas oito medições por dia, com intervalos de uma hora entre as avaliações, cobrindo, desta maneira, toda a jornada de trabalho do indivíduo. Para determinação do PMV e PPD, foram cumpridas as seguintes tarefas: Aplicação do questionário de percepção térmica; Medição das temperaturas em um ponto próximo ao professor na sala de aula; Classificação da resistência das vestes conforme as tabelas da Norma ISO 7730/94. Classificação da energia metabólica consumida pelos professores conforme as tabelas da Norma ISO 7730/94. Foram observadas as características técnico-construtivas das salas de aula das 16 edificações escolares estudadas. 5

6 PPD(%) XXIX ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO 5. Resultados e discussão Figura 3 Mapa com a divisão dos pólos das escolas municipais de João Pessoa Fonte: Prefeitura Municipal de João Pessoa (2008) Os professores declararam estar termicamente insatisfeitos com seus ambientes de trabalho. De acordo com a escala sétima da ASHRAE, 36% dos docentes consideraram as salas de aula de Levemente Quente a Quente, e 64% consideraram as salas de aula Quente a Muito Quente, conforme a Figura 4. Como dito na Fundamentação Teórica, para que um ambiente esteja dentro da zona de conforto térmico estabelecida pela ISO 7730/94, o PMV deve estar no intervalo de - 0,5 a + 0,5, correspondendo ao máximo de 10% de pessoas insatisfeitas, ou seja, um índice PPD a 10%. PMV Figura 4 Histograma do PMV O PPD apontou uma variação entre 61 e 92% de professores termicamente insatisfeitos nas salas de aula, conforme o Gráfico ,5-2 -1,5-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 PMV Gráfico 1 - PPD dos professores em função do PMV 6

7 Temperatura ( C) XXIX ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO O trabalho sob as condições de calor encontradas pode implicar numa redução dos desempenhos físico e mental dos docentes. O prolongado estresse térmico leva à perda de fluidos corporais e deteriora as funções mental e psicomotora. (ASTRAND et al., 2006). Essas constatações de insatisfação térmica dos professores e de desconforto em salas de aula corroboram com alguns estudos realizados no Brasil (NOGUEIRA, 2005; PEREIRA, 2006; RODRIGUES et al., 2006; COUTINHO FILHO et al., 2007) e no exterior (KWOK, 1998; KWOK, 2003; WONG e KHOO, 2003). Essas condições de desconforto térmico podem ser atribuídas a diversos fatores, principalmente ao próprio clima, fatores de ordem arquitetônica da edificação e pela inércia térmica da mesma. Nem todas as salas de aula foram dotadas de entradas e saídas de ar eficientes. Em diversas salas, as aberturas de entrada, com vedação em elementos vazados, além de subdimensionadas, situam-se na parte superior das paredes que as contém, opostas às da saída de ar. Como já foi dito, a tipologia das esquadrias não favorece a ventilação natural, em virtude de as aberturas efetivas serem muito pequenas. Com isso, praticamente inexiste a ventilação cruzada, tornando o pano de elementos vazados pouco operante, com reflexos negativos na capacidade de dissipação térmica da sala. A cobertura é um elemento da envoltória que recebe calor por radiação durante todo o período de insolação, e com maior intensidade que os demais. Nesse período, ela absorve energia radiante pela face externa e a emite para a superfície interna. Em conseqüência, a temperatura desta superfície pode se tornar muito elevada, aumentando a taxa de calor recebido por radiação e, portanto, a sensação de desconforto. Essa sensação não é mais intensa quando há um colchão de ar formado entre a laje e o telhado. Tal colchão representa uma resistência térmica que reduz o fluxo de calor e, consequentemente, a temperatura interna da laje. Como a radiação térmica emitida por uma superfície, neste caso, a laje, é proporcional à temperatura de globo, os valores dessa temperatura foram, aproximadamente, iguais aos da temperatura bulbo seco, indicando que o interior das salas de aula das escolas avaliadas não absorviam tanto o calor emitido pela radiação solar ao longo do dia, conforme o Gráfico Temperatura de Globo Temperatura de Bulbo Seco Gráfico 2 Temperaturas de Globo e de Bulbo Seco De acordo com a Figura 5, os valores médios de mínimos (28,0 o C), máximos (32,0 o C) e das medianas (29,5 o C) referentes às variáveis T g e T bs são semelhantes, onde 98,831509% da variação de T g é devido a T bs. O fator que leva a essa situação é a presença do colchão de ar. 7

8 Figura 5 Aspectos descritivos e linear entre T g e T bs Para demonstrar essa afirmação, apresenta-se, a seguir, o cálculo da carga térmica através do teto, para se estimar a temperatura da superfície interna, que troca calor por radiação com as pessoas. Não se fez o mesmo cálculo com relação às paredes, porque estas recebem menos calor que o teto. O fluxo de calor é dado pela equação: Sendo: Q A U(t t) (4) as Q fluxo de calor, W/m 2 A U = coeficiente global de transmissão de calor, W/m 2 o C t as = temperatura ar-sol, o C; t bs = temperatura de bulbo seco, o C. O coeficiente global de transmissão de calor representa o inverso da resistência térmica total ao fluxo de calor, dado por: Onde: U 1 h e Δx k h e = coeficiente de convecção externo: 22,7 W/m 2 o C; h i = coeficiente de convecção interno: 8,29 W/m 2 o C; k t = condutividade térmica da telha: 0,93 W/m o C; t t Δx h i h i k l k l = condutividade térmica da laje de concreto: 1,75 W/m o C; Δ xt = espessura da telha: 1,5 cm W/m 2 o C; 2l 1 h i (5) (6) 8

9 Δ xl = espessura da laje: 10 cm W/m 2 o C. Substituindo os valores obteve-se o coeficiente global igual a 2,09 W/m 2 o C. A temperatura ar-sol leva em conta a radiação solar absorvida por uma superfície, sendo dada pela equação: Onde: t sol-ar = temperatura sol-ar, o C; t αr h εσ h t e = temperatura de bulbo seco do ar externo, o C; t sup = temperatura da superfície externa, o C; = absortividade da superfície, adimensional; R = Radiação incidente, W/m 2 ; 4 4 sol ar te Te Tv (7) h = coeficiente combinado de convecção e radiação (h c + h r ), W/m 2o C; T e = temperatura absoluta do ar externo, K; T v = temperatura absoluta das superfícies vizinhas, K. O segundo termo do segundo membro representa o acréscimo de temperatura devido à radiação solar, e o terceiro representa troca de calor por radiação com as superfícies vizinhas. Geralmente, adota-se para o terceiro termo o valor 4 o C para superfícies horizontais ou inclinadas, e 0 o C para superfícies verticais. Para a absortividade, adotam-se os seguintes valores: a) superfícies claras: = 0,45; e b) superfícies escuras: = 0,90. No presente caso, considerou-se o valor médio = 0,40. Considerou-se, ainda, a radiação média de 600 W/m 2 e a temperatura de bulbo seco do ar externo em torno de 30 o C. Desta forma, substituindo em (7), obteve-se: t ar 30 - sol 0,40 x (8) Donde, t ar-sol = 40,1 o C. As substituições levaram ao fluxo de calor: Q A 2 2,09 (40,1 30) 21,11 W/m = 21,11 W/m 2 (9) A temperatura da superfície interna, que afeta a temperatura de globo, é dada pela equação: Ou seja, t s = ,11/8,29 = 32,5 o C t s t i Q h A Observa-se que essa temperatura ligeiramente superior à do ar (t s = 32,5 o C > t bs = 30 o C) implicou em temperaturas de globo muito próximas da de bulbo seco. i (10) 9

10 Esse resultado mostra que o desconforto térmico não pode ser atribuído somente ao material da envoltória, mas, acima de tudo, ao clima, pois não é possível reduzir a temperatura do ar ao nível de conforto sem a utilização de meios artificiais. Porém, o desconforto pode ser atenuado por meio de uma ventilação adequada, que aumente as perdas de calor por convecção e evaporação por parte dos usuários. A difusividade térmica das envoltórias das edificações estudadas é α = 0,00162m 2 /h. Para uma parede de 12 cm de espessura, tem-se um atraso térmico = 4,13 horas e um amortecimento m = 48,84%. Estes resultados indicam que, aproximadamente, 50% da carga térmica gerada pela radiação solar durante o dia é absorvida pela edificação. Considerando que o pico da carga térmica ocorre entre 11:00 e 12:00h e que a defasagem foi de aproximadamente 4 horas, espera-se que entre 15:00 e 16:00h a temperatura do ar interna seja correspondente a máxima do período, justamente no meio da tarde, quando professores e alunos estão em sala de aula. 5. Conclusão Essas condições de desconforto térmico podem ser atribuídas a diversos fatores, principalmente ao próprio clima. A única maneira de reduzir-se a temperatura e a umidade do ar no litoral é a aplicação de sistemas mecânicos de ar condicionado, o que implicaria altos custos para o município. A situação pode ser amenizada, provocando o movimento do ar com uma velocidade capaz de aumentar as perdas de calor por convecção e evaporação. Isto é possível através de ventiladores de teto, que permitem um movimento mais homogêneo que os de parede. Todavia, estes ventiladores não alcançam todos os pontos da sala, além de elevarem o nível de ruído. A ventilação natural deve ser buscada com ou sem ventilação mecânica. Portanto, as edificações deveriam ter as aberturas para entrada de ar, localizadas nas partes inferiores das fachadas, tão grandes quanto possíveis, voltadas para a direção dos ventos predominantes, o que nem sempre é possível. As aberturas de saída deveriam ser localizadas na parte superior da fachada oposta a da abertura para entrada de ar, além de estarem dimensionadas de acordo com o tamanho da edificação, de modo que o efeito chaminé possa funcionar eficientemente. No caso dessas escolas, os fatores de ordem arquitetônicos da edificação (má orientação e subdimensionamento das aberturas de entrada e saída de ar, falta de proteção solar, fechamentos ineficientes) contribuem diretamente para a situação de desconforto térmico dos professores. Os resultados da análise da inércia térmica indicaram que, aproximadamente, 50% da carga térmica gerada pela radiação solar durante o dia é absorvida pelo ambiente, e que, pouco mais de 4 horas depois, a temperatura do ar do interior da sala de aula atinge o pico máximo do período. Convém salientar que, se a espessura das paredes fosse de 40 centímetros, o amortecimento seria de 2,7 %, e o pico interno de temperatura só iria ocorrer no entorno das 24:00 horas. Ou seja, parte do calor armazenado na estrutura refluiria durante parte da noite, em virtude de a temperatura externa ser menor que a interna. A deficiência de ventilação na sala de aula e o conseqüente desconforto térmico são condições ambientais adversas à execução das atividades escolares. Esses fatores tornam o ambiente desconfortável, incômodo e intranqüilo para professores e alunos, requerendo maior esforço e 10

11 maior exigência física e mental com repercussões negativas sobre a saúde. Esses resultados reforçam a idéia de que os professores estão sujeitos a condições de trabalho adversas. Referências ASTRAND P-O, et al. Tratado de Fisiologia do Trabalho: bases fisiológicas do exercício. 4a. ed. Porto Alegre: Artmed, COUTINHO, Antonio Souto. Conforto e Insalubridade Térmica em Ambientes de Trabalho. João Pessoa: Ed. Universitária/UFPB, COUTINHO FILHO, E. F.; Silva, E.; COUTINHO, A. S.; SILVA, Luiz Bueno da. Avaliação do conforto ambiental em uma escola municipal em João Pessoa. In: IX Encontro de Extensão, 2007, João Pessoa (PB). IX Encontro de Extensão. João Pessoa : Editora Universitária, p FANGER, P. O. Thermal Comfort. New York: McGraw-Hill Book Company, IIDA, I. Ergonomia :projeto e produção. São Paulo : Edgard Blucher, GRANDJEAN, Etiene. Manual de ergonomia adaptando ao homem. Tradução João Pedro Stein. Artes Médicas. Porto Alegre, ed. 4ª, INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. Moderate thermal environments - Determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort, ISO Genebra, KWOK, Alison G, CHUN, Chungyoon. Thermal comfort in Japanese schools. Elsevier, Solar Energy, vol. 74, p. KWOK, A. G. Thermal comfort in tropical schools. ASHRAE Transactions, v. 104 (pt. 1), p. Also published in ASHRAE Technical Data Bulletin, v. 14 (n. 1), p. NOGUEIRA, Marta Cristina de Jesus Alburquerque, NOGUEIRA, José de Souza. Conforto térmico na escola pública em Cuiabá-MT: estudo de caso. Revista Eletrônica do Mestrado em Educação Ambiental. v. 14, jan./jun NORMA DE HIGIENE OCUPACIONAL Procedimento técnico Avaliação da exposição ocupacional ao calor NHO 06 - São Paulo: Fundacentro, 2002 PEREIRA, Daniel Augusto de Moura. Características acústicas, térmicas e lumínicas da Escola Estadual Alice Carneiro, em Manaíra, João Pessoa, PB: estudo de caso. Monografia de conclusão do Curso de Graduação em Engenharia de Produção Mecânica. Universidade Federal da Paraíba, PREFEITURA MUNICIPAL DE JOÃO PESSOA. Disponível em: < Acesso em 28. abr RIVERO, Roberto. Arquitetura e Clima: Acondicionamento Térmico Natural. Porto Alegre: D.C. Luzzato Editores, RODRIGUES, R. DA S. ; COSTA, A. C. L. ; PORTELA, B. T. T. ; GONÇALVES, Paulo Henrique Lopes. Estudo do conforto térmico diurno em escolas públicas no município de Bragança-PA. In: XIV Congresso Brasileiro de Meteorologia, 2006, Florianópolis. A meteorologia a serviço da sociedade, WONG, N. & S. KHOO. Thermal comfort in classrooms in the tropics. Energy and Buildings. 35: ,

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