As influências do fluxo de ventos e das trocas térmicas por radiação nos registros da temperatura externa do ar

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1 As influências do fluxo de ventos e das trocas térmicas por radiação nos registros da temperatura externa do ar RESUMO ABSTRACT 1. INTRODUÇÃO Francisco Vecchia Marcos José de Oliveira Departamento de Hidráulica e Saneamento Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo EESC USP O presente artigo tem por principal objetivo mostrar a influência da velocidade do fluxo de ventos e das trocas térmicas por radiação no processo de monitoramento contínuo e de forma automática dos registros da temperatura externa do ar. O artigo procura também evidenciar a atuação dos abrigos meteorológicos destinados à proteção dos sensores de temperatura do ar. Observações de medições realizadas em estudos de clima urbano realizados por Modna & Vecchia (2005) evidenciaram a importância da posição dos pontos de medição, sensores e abrigos meteorológicos na leitura dos registros de temperatura que podem variar até 5 0 C, dependendo de cada caso. Na literatura científica são reduzidas as publicações que tratam do referido tema e, sobretudo das repercussões das possíveis variações (erros) nas leituras da temperatura do ar. O propósito deste artigo igualmente se deve à importância dos resultados obtidos que demonstram a influência das trocas térmicas por convecção e por radiação, respectivamente, determinadas pelo fluxo de ventos e pela radiação (pelos ganhos térmicos impostos pela radiação global incidente e pelas perdas por radiação noturna ). O experimento foi realizado em um conjunto de quatro sensores (termopares tipos T) introduzidos em quatro abrigos meteorológicos compostos por tubos de 100 mm de PVC, cor branca, com e sem isolamento térmico (foil) e, da mesma forma, com e sem aspiração forcada do ar. Os resultados obtidos permitiram chegar à conclusão de que a ventilação é o efeito atenuante mais significativo, confirmando a tendência esperada pelos resultados obtidos em etapa de pesquisa anterior.

2 A diferença máxima entre as temperaturas obtidas foi de 2,3ºC, entre o abrigo sem proteção (isolamento térmico) contra os efeitos da radiação solar direta e sem aspiração forçada quando comparado ao abrigo com proteção e com ventilação forçada em dia representativo de céu limpo, ensolarado. Os dados da radiação solar e da velocidade dos ventos foram coletados, consistidos e a, partir deles, foram realizadas estimativas da influência desses dois parâmetros tomados isoladamente. Verificou-se que as diferenças entre os valores das medições da temperatura do ar são diretamente proporcionais aos valores da radiação solar global e, inversamente, proporcionais aos valores da velocidade do vento. Isso significa que, quanto maior a intensidade de radiação solar global e quanto menor for a velocidade externa do ar, maiores são as diferenças da temperatura do ar registradas nos diferentes tipos de abrigos meteorológicos. Os quatro dispositivos de leitura da temperatura externa do ar foram expostos ao ar livre (exterior) a uma altura de 2 metros de solo gramado, com leituras tomadas a cada 20 segundo e totalizadas a cada meia hora, por meio de medição automática, com datalogger CR10X, Campbell Scientific Inc.. Os registros obtidos foram analisados por meio do conceito de episódios representativos do clima, de acordo com Vecchia (1997), que segue a definição de clima como encadeamento sucessivo e habitual de sistemas atmosféricos, proposto por Monteiro (1967), que é peculiar a determinadas regiões. A abordagem metodológica utilizada considerou, portanto, a relação entre o ritmo climático e o regime predominante de ventos, no Sudeste brasileiro, adotando-se a escala espacial de abordagem espacial microclimática. O experimento foi realizado na região de São Carlos, estado de São Paulo. O ritmo climático pode ser expresso por episódios climáticos, Vecchia (1997), e que obedecem à formulação de Monteiro (1967), que propõe duas etapas principais: a Pré e a Pós-Frontal que, por sua vez, se subdividem em duas fases, respectivamente, prenúncio e avanço, sucedidas pelo domínio e pela transição. Nessas duas etapas, de Pré e de Pós-Frontal, o deslocamento dos anticiclones Polar e Tropical dão origem a uma ruptura no regime de ventos predominantes, alterando a sua direção e a sua velocidade, de acordo com a posição geográfica, no Sudeste de nosso país, o que permite entender e definir o seu regime predominante.

3 Por meio de reduzidas séries de dados meteorológicos é então possível determinar os valores dos elementos climáticos, tomados de forma separada, no caso particular: radiação solar global e velocidade dos ventos. Para isso foi necessário acompanhar a penetração de frentes frias, verificando as variações da radiação solar global e do fluxo de ventos nas fases de prenúncio e avanço, assim como nas de domínio e de transição. As etapas de Pré e de Pós-Frontal descrevem o ritmo climático do regime de ventos predominantes, considerando-se a definição de Monteiro (1967) de que o clima pode ser entendido como o encadeamento sucessivo e habitual de tipos de tempo e da Organização Mundial de Meteorologia (OMM) que define o clima como a totalidade de elementos meteorológicos que, em suas sucessões habituais e em um dado período, caracteriza o estado da atmosfera. FIGURA 1 Localização da região de monitoramento situada entre as latitudes de & ; longitudes & e altitude de aproximadamente 980 metros. 2. MATERIAL E MÉTODOS Descrição do local da coleta de dados. Para avaliação dos objetivos propostos utilizou-se de um conjunto constituído por quatro tubos de PVC, de cor branca, 100 mm, dispostos horizontalmente em suporte tubular metálico à altura de 2 metros de solo gramado, típico destinado às estações meteorológicas, com os respectivos sensores termoelétricos (termopares cobre-constantin) no interior de cada

4 tubo. As Figuras 1 e 2 ilustram respectivamente a disposição e a composição desse conjunto, além de cada abrigo. Ventoinhas cm 45 cm O N S L 4 pol Suporte metálico Abrigos sem foil Abrigos com foil Figura 1 Representação esquemática do conjunto de medição com os quatro sensores e os respectivos abrigos meteorológicos, vista em planta, incluindo a disposição dos abrigos de proteção Figura 2 Representação gráfica do conjunto de termopares protegidos pelos diferentes abrigos de PVC de 4 polegadas. 1- Abrigo de PVC com aspiração interna natural e sem isolamento térmico; 2-Abrigo de PVC com aspiração interna artificial, que ocorre por meio da utilização de uma ventoinha de 12 Volts; 3- Abrigo de PVC com aspiração artificial e com isolamento térmico por barreira de radiação (foil); e, finalmente, 4- Abrigo de PVC com isolamento térmico e sem aspiração interna artificial. A Figura 3, a seguir, apresenta fotos do conjunto experimental no local, área externa do Laboratório Ecotecnologias: novos materiais e procedimentos, Departamento de Hidráulica e Saneamento, Escola de Engenharia de São Carlos (EESC USP), onde também se encontra instalado o dispositivo de aquisição de dados e estação meteorológica automática.

5 A B Os sensores de temperatura utilizados foram termopares do tipo T (cobre-constantin), conectados a um multiplexador AM 416/32 da Campbell Scientific Inc., de 32 canais, protegida dentro de uma caixa ambientalmente selada do meio exterior, conforme normativas para estações meteorológicas. Os dados obtidos foram registrados por meio de datalogger CR10X (sistema automático de aquisição e de armazenamento de dados meteorológicos) e coletados para análise de consistência e, posterior, elaboração de planilhas e gráficos. 3. RESULTADOS OBTIDOS Baseando-se na definição de episódios climáticos representativos, elaborados de acordo com VECCHIA (1997) e do conceito de dia típico representativo, de caráter experimental (VECCHIA, 2005), considerando-se ainda as necessidades de análise foi adotado um único dia representativo, típico de inverno para a análise dos resultados. Ressaltese que esse referido dia foi o escolhido dentre um conjunto mais amplo de dados meteorológicos, que compuseram vários episódios climáticos. Dessa forma, baseado nas diferenças de um único dia, foi realizado a comparação entre os quatro sistemas de abrigo meteorológico. Sob o conceito da abordagem dinâmica, em escala microclimática, a Figura 4 apresenta o comportamento da temperatura externa do ar, ao longo do dia 13 de maio de Esse dia foi o que apresentou a maior diferença de temperatura entre os abrigos, registrando uma diferença de 2,3 ºC entre o abrigo sem isolamento térmico (foil) e sem ventilação forçada (abrigo #1, representado pela cor vermelha) em comparação com o abrigo com isolamento térmico (foil) e com ventilação forçada (abrigo #3, representado pela cor azul). Observando-se os perfis de valor da temperatura do ar, pôde-se ainda verificar considerável diferença entre esses valores, melhor evidenciada no intervalo de máxima incidência de radiação solar do dia, que ocorre das 14 às 17 horas. Da mesma forma,

6 analisando-se, isoladamente, cada um dos parâmetros envolvidos, a radiação e o fluxo do ar, pode-se perceber uma redução mais acentuada da temperatura externa do ar no caso em que foi minimizado o efeito do fluxo de ar interno ao abrigo meteorológico de PVC, com a utilização da ventoinha sem foil/ ventila çã o natura l 2 - sem foil/ ventilação forçada 3 - com foil/ ventilação forçada 4 - com foil/ ventilação natural 19 T (ºC) Horário Figura 3 - Comportamento da temperatura externa do ar, tomado ao longo do dia 13 de maio de 2006, para os diferentes abrigos meteorológicos em estudo. 2,5 T1 - T3 2 T2 - T3 T4 - T3 1,5 T (ºC) 1 0,5 0-0, Horário Figura 4 Diferenças de temperatura ao longo do dia 13 de maio de 2006 para os diferentes abrigos em estudo. T1, T2, T3 e T4 correspondem respectivamente às temperaturas dos abrigos #1, #2, #3 e #4.

7 De outra forma, para o caso da minimização da ação exercida pela radiação solar global incidente, com a presença de isolante térmico (foi)l o efeito constatado é pouco considerável. Por meio da Figura 5 é possível observar as diferenças existentes entre as temperaturas do ar entre os distintos abrigos. Nota-se uma diferença máxima de 2,3 ºC entre os abrigos #1 e #3, além de um valor de cerca de 2,0 ºC entre os abrigos #2 e #3. Percebe-se igualmente uma diferença de e 0,6 ºC entre os abrigos #4 e #3. Portanto, por meios dessas curvas no gráfico, é possível inferir que a ventilação forçada (ventoinha) é o fator com maior influência atenuante das diferenças entre os valores de temperatura, sendo que a utilização do isolamento térmico (foil) representa influência de pouco significativa. Para a análise da Figura 5 foi tomado como referência o valor da temperatura registrada no abrigo #3 (com isolamento térmico e com ventilação forçada), de acordo com as recomendações que se têm observado na literatura específica da área de Meteorologia. A partir dessa consideração foi possível determinar o erro relativo dos demais abrigos. Analisando-se todo o intervalo de dados meteorológicos disponível, os gráficos de distribuição foram gerados, conforme apresentados, a seguir, na Figura 6. Nesse gráfico, por um lado, é possível observar, no histograma A, que ocorre maior concentração dos erros positivos para o abrigo #1 (sem isolamento térmico-foil e sem aspiração forçada), devido ao fato deste se apresentar sujeito às maiores interferências da ação da radiação solar global incidente sobre o abrigo. Por outro, verifica-se menor influência da velocidade do fluxo de ar interno sobre o sensor, na ponta do termopar e no interior do mesmo abrigo A B C Ocorrencia (nº casos) ,5-1,5-0,5 0,5 1,5 2,5 T1 - T3 (ºC) -2,5-1,5-0,5 0,5 1,5 2,5 T2 - T3 (ºC) -2,5-1,5-0,5 0,5 1,5 2,5 T4 - T3 (ºC) Figura 5 Histogramas: distribuição das diferenças relativas ao abrigo 3. A: Diferença de temperatura entre os abrigos 1 e 3; B: Diferença de temperatura entre os abrigos 2 e 3; C: Diferença de temperatura entre os abrigos 4 e 3. Obs.: escala vertical idêntica para os três gráficos; escala horizontal com subdivisões em 0,1ºC.

8 Comparando-se os histogramas se percebe, evidentemente, melhor desempenho do abrigo #2 (sem foil e com ventilação forçada) no gráfico B, da Figura 6, pois obteve maior concentração dos pontos acumulados em intervalos de diferenças pequenas. Para o gráfico A, 90% das diferenças relativas se encontram entre os valores 1,0 e 1,0ºC de temperatura do ar; enquanto que para o gráfico B, 90% das diferenças se encontram no intervalo entre 0,2 a 0,2 ºC. Finalmente no gráfico C, 90% das diferenças existentes podem ser notadas no intervalo de 0,8 a 0,8 ºC. O resultado dessa observação é compatível com a análise anterior do dia representativo, ou seja, pode-se perceber que a ventilação forçada é o fator de maior influência na atenuação das diferenças de valores da temperatura externa do ar. Ao contrário, a aplicação do isolamento térmico (foil) pouco atenua a influência da incidência da radiação solar global incidente no aquecimento indesejado da superfície do abrigo de PVC. Adotando-se como referência os valores da temperatura do ar registrados no abrigo #3, é possível estabelecer adequada correlação entre esses valores com a dos demais abrigos meteorológicos, resultando assim na obtenção dos gráficos mostrados na Figura A R 2 = 0,9888 B R 2 = 0,9986 C R 2 = 0, T3 (ºC) T1 (ºC) T2 (ºC) T4 (ºC) Figura 6 Correlação dos valores das medidas de temperatura. A: correlação entre os abrigos 3 e 1; B: correlação entre os abrigos 3 e 2; C: correlação entre os abrigos 3 e 4. Obs.: escala vertical idêntica para os três gráficos. Pela figura #6 é possível perceber que o gráfico B apresenta aceitável concordância entre os valores das temperaturas registradas no abrigo #1, de referência, e no abrigo #2. Fato que reforça a hipótese de que a influência da velocidade do ar no interior do abrigo, forçado pela utilização da ventoinha, tem maior relevância quando comparado à influência do uso de isolamento térmico (foil) na mitigação dos efeitos provocados pelo aquecimento dos abrigos devido a incidência da radiação solar global.

9 Dessa análise, uma última conclusão é fornecida pela Figura #8, na qual se nota que as diferenças entre os valores da temperatura do ar registradas nos abrigos são distribuídas ao longo dos horários do dia, utilizando-se todos os dados disponíveis no período de medições. Constata-se pelo gráfico B, dessa referida figura que, uma vez mais a hipótese de que a ventilação forçada é a medida mitigadora de maior eficiência na diminuição das diferenças entre os valores das temperaturas registradas nos distintos abrigos. O que vale tanto durante o dia quanto durante o período da noite. 3 2 T1 T3 T2 T3 A B C T4 T3 Diferença (ºC) Horário Horário Horário Figura 7 Correlação dos valores das medidas de temperatura. A: correlação entre os abrigos #3 e #1; B: correlação entre os abrigos #3 e #2; C: correlação entre os abrigos #3 e# 4. Observação: escala vertical idêntica para os três gráficos. É interessante observar o fato de que existem diferenças negativas consideráveis nos casos A e C, para o período noturno de aquisição dos dados, com diferença máxima negativa de 1,5 e 0,6ºC, respectivamente, nos abrigos #1 e #4. O abrigo #2, segundo o gráfico B, apresentou diferença máxima negativa de apenas 0,3 ºC. Essas diferenças negativas noturnas podem melhor ser entendidas por meio da abordagem dinâmica do clima, sob a ótica da sucessão habitual, encadeada e sucessiva, de sistemas atmosféricos, o que permite definir dos episódios climáticos representativos. Tal abordagem é ilustrada por um dado período de medições, da série total de dados meteorológicos coletados, e está apresentada pela Figura #9. Essa figura se refere às variações dos valores da temperatura externa do ar, diferenças dos valores de temperatura entre os abrigos, valores das velocidades, máxima e média, do vento exterior e, finalmente, pelos valores da radiação solar global.

10 T (ºC) ,5 1,5 T1 - T3 T2 - T3 T4 - T3 T (ºC) 0,5-0,5 Velocidade (m/ s) Radiação Solar (W/ m 2 ) -1,5 6,0 4,0 2,0 0, Máxima Média Dia Figura 8 Mês de maio, sob escala de abordagem de episódios climáticos. A: Perfis de temperatura para os diferentes abrigos; B: Diferenças de temperatura entre os abrigos; C: Velocidades máxima e média do vento exterior; D: Radiação solar local. Obs. Escala horizontal idêntica para os gráficos. 4. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS VECCHIA, F. (1997) Clima e Ambiente Construído. A abordagem dinâmica aplicada ao Conforto Humano. São Paulo, FFLCH USP Tese Doutoramento

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