Manual de Conforto Térmico

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2 Manual de Conforto Térmico

3 ANÉSIA BARROS FROTA Arquiteta pela Universidade de Brasília, Estágio Técnico no Laboratório Nacional de Engenharia Civil de Lisboa (LNEC), Divisão de Conforto da Habitação, 197/71. Mestre (1982) e Doutora (1989) em Arquitetura, pela Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo. Professora de Conforto Ambiental da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo, desde Consultora Técnica em Conforto Térmico a nível do projeto. SUELI RAMOS SCHIFFER Arquiteta pela Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo, Mestre (1983), Doutora (1989) e Livre-Docente (1992) em Arquitetura, pela Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo. Professora de Conforto Ambiental da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo, desde Dados de Catalogação na Publicação (CIP) Internacional (Câmara Brasileira do Livro, SP, Brasil) Frota, Anésia Barros. Manual de conforto térmico : arquitetura, urbanismo / Anésia Barros Frota, Sueli Ramos Schiffer. 5. ed. São Paulo : Studio Nobel, 21. Bibliografia. ISBN Arquitetura e clima 2. Arquitetura e radiação solar 3. Planejamento urbano Fatores climáticos I. Schiffer, Sueli Ramos. II. Título CDD Índice para catálogo sistemático: 1. Arquiteura : Radiação solar Radiação solar : Arquitetura 72.47

4 Anésia Barros Frota Sueli Ramos Schiffer Manual de Conforto Térmico 5ª edição Studio Nobel

5 da 1ª edição 1987 Livraria Nobel S.A. Ilustração da capa Relógios de Sol, Rudimenta Mathematica. Basel, In Olgay, V. & Olgay, A. Solar Control and Shaving Devices. New Jersey, Princeton University, Livros Studio Nobel Ltda. Al. Ministro Rocha Azevedo, 177 cj São Paulo SP Fone/Fax: (11) Distribuição/Vendas Livraria Nobel S.A. Rua da Balsa, São Paulo SP Fone: (11) Fax: (11) É PROIBIDA A REPRODUÇÃO Nenhuma parte desta obra poderá ser reproduzida sem a permissão por escrito dos editores por qualquer meio: xerox, fotocópia, fotográfico, fotomecânico. Tampouco poderá ser copiada ou transcrita, nem mesmo transmitida por meios eletrônicos ou gravações. Os infratores serão punidos pela lei 5.988, de 14 de dezembro de 1973, artigos Impresso no Brasil / Printed in Brazil

6 6XPiULR Prefácio Introdução Capítulo 1 Exigências Humanas Quanto ao Conforto Térmico O organismo humano e a termorregulação Organismo humano e metabolismo A termorregulação Reação ao frio Reação ao calor Catabolismo, anabolismo e fadiga higrotérmica Mecanismos de trocas térmicas entre corpo e ambiente Pele, principal órgão termorregulador O papel da vestimenta Variáveis do conforto térmico Índices de conforto térmico Aspectos históricos dos índices de conforto térmico Classificação dos índices de conforto Escolha do índice de conforto A Carta Bioclimática Índice de Temperatura Efetiva Índice de Conforto Equatorial (I.C.E.) Zona de conforto Capítulo 2 Trocas Térmicas Mecanismos de trocas térmicas Trocas térmicas secas Convecção

7 2.1.3 Radiação Condução Trocas térmicas úmidas Evaporação Condensação Condutância térmica superficial Espaço de ar confinado Coeficiente Global de Transmissão Térmica (K) Determinação de K para paredes homogêneas Determinação de K para paredes heterogêneas Determinação de K para paredes heterogêneas em superfície Comportamento térmico da construção Trocas de calor através de paredes opacas Trocas de calor através de paredes transparentes ou translúcidas Elementos de proteção solar ( brise-soleil ) Proteção solar de paredes opacas Proteção solar de paredes transparentes ou translúcidas Inércia térmica de um componente da envolvente Inércia térmica da construção Capítulo 3 Noções de Clima e Adequação da Arquitetura Noções de Clima Elementos climáticos e arquitetura Fatores climáticos Radiação solar Movimento aparente do Sol Longitude Latitude Posições aparentes do Sol Influência da latitude Distribuição continentes e oceanos Isotérmicas do globo

8 Brisas terra-mar Topografia Revestimento do solo Umidade atmosférica Ponto de orvalho Precipitação atmosférica Nebulosidade Ventos Adequação da arquitetura aos climas Mapa climático do Brasil Clima urbano Arquitetura e clima Influência da umidade relativa dor ar Clima quente seco: a Arquitetura e o Urbano Clima quente úmido: a Arquitetura e o Urbano Climas quentes e circulação de pedestres Climas quentes e revestimento do solo Climas quentes e cores externas da arquitetura Climas temperados Capítulo 4 Controle da Radiação Solar Geometria da insolação Insolação e arquitetura Movimento aparente do Sol Esfera celeste Zênite e Nadir Pólos celestes Pontos cardeais Altura e azimute Altura e azimute solar Movimento aparente das estrelas Trajetória aparente do Sol Latitude (Equador) Latitude S (Trópico de Capricórnio)

9 Latitudes entre o Equador e o Trópico Latitudes superiores a Latitude 9 S (Pólo Sul) Cartas solares Projeções das trajetórias aparentes do Sol Determinação de Cartas Solares Horários de insolação Determinação gráfica dos dispositivos de proteção solar Ângulo de sombra Transferidor auxiliar Máscara produzida por placa horizontal infinita Placas infinitas com idênticos ângulos de sombra vertical Máscara produzida por placa vertical infinita Placas infinitas com idênticos ângulos de sombra horizontal Placas horizontais finitas Placas verticais finitas Associação de placas horizontais e verticais Dimensionamento de um dispositivo de proteção a partir da máscara Máscaras produzidas por obstáculos externos às aberturas Traçado de sombras Sombras de uma haste vertical Sombra de uma haste vertical em épura Sombra de volumes sobre o plano horizontal Sombra de um volume sobre outro Sombra de um volume ao longo do dia Penetração do Sol pelas aberturas Área ensolarada sobre o piso do recinto Área ensolarada sobre superfície interna paralela à abertura Área ensolarada sobre superfície interna perpendicular à abertura

10 Capítulo 5 Climatização Natural das Edificações Fontes de calor Ganhos de calor devidos à presença humana Ganhos de calor devidos ao sistema de iluminação artificial Ganhos de calor devidos a motores e equipamentos Ganhos de calor advindos de processos industriais Ganhos de calor solar Ventilação natural Carga térmica pela ventilação Critérios de ventilação dos ambientes Ventilação por Ação dos Ventos Fluxos de ar através dos recintos Ventilação por efeito chaminé Efeito simultâneo: chaminé e ação dos ventos Método de avaliação do desempenho térmico das edificações Método do C.S.T.B Conforto térmico de inverno Dados climáticos para conforto térmico de inverno Conforto térmico de verão Dados climáticos para conforto térmico de verão Limites da climatização natural Itens de verificação para adequação entre arquitetura e clima Capítulo 6 Exercícios Resolvidos Máscaras Desempenho térmico das edificações e as exigências humanas

11 Capítulo 7 Bibliografia Básica Anexos 1 Calor cedido ao ambiente (W), segundo a atividade desenvolvida pelo indivíduo Carta Bioclimática para habitantes de regiões de clima quente, em trabalho leve, vestindo 1 clo Nomograma de Temperatura Efetiva para pessoas normalmente vestidas, em trabalho leve Carta Psicrométrica para cidades ao nível do mar Carta Psicrométrica para a cidade de São Paulo Índice de Conforto Equatorial Figura 1 Nomograma Figura 2 Gráfico de conforto para indivíduos residentes em Cingapura Características térmicas dos materiais Valores de condutância (h e, h i ) e resistências térmicas superficiais (1/h e, 1/h i ) Tabela 1 para paredes exteriores Tabela 2 para paredes interiores Tabela 1 Variação da Condutância Térmica Superficial Externa (h e ) Tabela 2 Valores de Resistência Térmica de Espaços de Ar (R ar ) confinado entre duas lâminas paralelas Tabela 1 Valores de Coeficientes de Absorção (α) e Emissividade (ε) Tabela 2 Valores de Coeficiente de Absorção da Radiação (α), específico de pintura Tabela 1 Fator Solar (S tr ) de vidros Tabela 2 Fator Solar das proteções das vidraças (para vidros simples com S tr =,85)

12 12 Mapa climatológico simplificado do Brasil Cartas Solares Latitudes 4 S 8 S 12 S 16 S 2 S 24 S 28 S 32 S Transferidor Auxiliar Potências aproximadas de aparelhos eletrodomésticos Dados de Intensidade de Radiação Solar Direta sobre plano normal e Difusa sobre plano horizontal, segundo a altura do sol, para diversas condições de céu Dados de Radiação Solar Incidente (I g ) sobre Planos Verticais e Horizontais (W/m 2 ) Latitudes: 4 S 8 S 13 S 17 S 2 S 23 3 S 25 S 3 S Radiação solar global (Ig), direta (ID) e difusa (Id), para planos expostos a diversas orientações. São Paulo latitude Sul Tabela 1 março Tabela 2 junho Tabela 3 setembro Tabela 4 dezembro Variação da intensidade de radiação solar segundo a variação da altitude do local com relação ao nível do mar Taxas de ventilação recomendadas Gráfico de Irminger e Nokkentued para determinação dos coeficientes de pressão para modelos de seção quadrada Figura 1 anteparo maciço com altura = h Figura 2 anteparo maciço com altura = 1/3h Dados climáticos de cidades brasileiras Tabela de Conversão de Unidades para o Sistema Internacional (S.I.) Nomenclatura e Unidades dos Coeficientes e Variáveis

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14 3UHIiFLR Ao aceitar o convite para escrever este prefácio, pensei estar assumindo uma tarefa muito fácil devido ao conhecimento do trabalho e, principalmente, da seriedade das autoras. Começando a fazê-lo, estou me dando conta de que se trata de algo mais difícil por uma série de particularidades. O leitor distante da FAU-USP deve encarar este Manual como um instrumento de trabalho e estudo que contém uma certa quantidade de informações úteis. Alguns poderão reclamar por não encontrarem mais material de algum assunto específico. Outros poderão julgar que o tema tenha sido mais valorizado do que o desejado. Enfim, isso é normal que aconteça, porém, justamente por isso, me sinto na obrigação de prestar um pequeno depoimento. Desde a fundação da FAU-USP tem havido um esforço da parte de alguns professores em colocar à disposição dos alunos material de apoio didático. Aqueles que se dedicam ao ensino e, principalmente, ao ensaio de arquitetura sabem que tal atitude envolve outras questões ainda mais primordiais, pois a produção de um material didático está comprometida com a própria tarefa de participação do ensino e este tem sido muito discutido nas últimas décadas, principalmente no âmbito do grupo de disciplinas de Conforto Ambiental da FAU-USP. A idéia central que tem guiado esse grupo de disciplinas é oferecer aos alunos de arquitetura instrumentos de compreensão dos fenômenos que relacionam os objetos arquitetônicos com o meio ambiente e com os usuários desses objetos. Dentre os fenômenos existentes, são selecionados principalmente aqueles que envolvem a luz, o som e o calor. Este livro foi escrito para ser o livro-texto da disciplina de Conforto Térmico; assim sendo, serve também como documento-proposta para esta disciplina, endossado pelo noso Grupo de Conforto Ambiental. As autoras reuniram as informações que compõem a disciplina, provenientes da bibliografia adotada, de estudos de antigos professores e de estudos inéditos, como é o caso da Geometria da Insolação, de autoria da profª Anésia Barros Frota. 13

15 Nesta segunda edição estão sendo introduzidas correções, o que demonstra a atenção das autoras para com os leitores. Considero este trabalho importante, pois a sua existência facilita a tarefa de quem esteja ministrando um curso semelhante ao nosso e propicia aos alunos uma ajuda valiosa no aprendizado. Trata-se de uma das raras obras em língua portuguesa a abordar o assunto e, principalmente, com a preocupação de destacar as questões da arquitetura que deve ser implantada nas regiões de clima tropical. Quero agradecer a gentileza do convite para escrever este prefácio e agradecer as autoras por terem escrito e atualizado este Manual, visto ser eu próprio um dos beneficiários desta tarefa nas minhas atividades didáticas. Luiz Carlos Chichierchio 14

16 ,QWURGXomR A Arquitetura deve servir ao homem e ao seu conforto, o que abrange o seu conforto térmico. O homem tem melhores condições de vida e de saúde quando seu organismo pode funcionar sem ser submetido a fadiga ou estresse, inclusive térmico. A Arquitetura, como uma de suas funções, deve oferecer condições térmicas compatíveis ao conforto térmico humano no interior dos edifícios, sejam quais forem as condições climáticas externas. Por outro lado, a intervenção humana, expressa no ato de construir seus espaços internos e externos, altera as condições climáticas locais, das quais, por sua vez, também depende a resposta térmica da edificação. As principais variáveis climáticas de conforto térmico são temperatura, umidade e velocidade do ar e radiação solar incidente. Guardam estreitas relações com regime de chuvas, vegetação, permeabilidade do solo, águas superficiais e subterrâneas, topografia, entre outras características locais que podem ser alteradas pela presença humana. As exigências humanas de conforto térmico estão relacionadas com o funcionamento de seu organismo, cujo mecanismo, complexo, pode ser, grosso modo, comparado a uma máquina térmica que produz calor segundo sua atividade. O homem precisa liberar calor em quantidade suficiente para que sua temperatura interna se mantenha da ordem de 37 C homeotermia. Quando as trocas de calor entre o corpo humano e o ambiente ocorrem sem maior esforço, a sensação do indivíduo é de conforto térmico e sua capacidade de trabalho, desse ponto de vista, é máxima. Se as condições térmicas ambientais causam sensação de frio ou de calor, é porque nosso organismo está perdendo mais calor ou menos calor que o necessário para a manutenção da homeotermia, a qual passa a ser conseguida com um esforço adicional que sempre representa sobrecarga, com queda do rendimento no trabalho, até o limite, sob condições de rigor excepcionais, perda total de capacidade para realização de trabalho e/ou problemas de saúde. Considerando que as diferenças climáticas da Terra são basicamente advindas da energia solar, torna-se indispensável a posse de elementos para 15

17 avaliar qual a carga térmica que determinada edificação ou espaço ao ar livre receberá nas diversas horas do dia e nas várias épocas do ano. A Geometria da Insolação fornece um instrumental, a partir de gráficos simplificados, para mensurar os horários de insolação para distintas orientações de paredes em cada latitude particular. A determinação gráfica de sombras é importante, principalmente em áreas urbanas, visto que em grande parte do dia os raios solares diretos podem ser barrados pelas construções vizinhas, modificando, portanto, o horário real de insolação. Não menos importante é a orientação das aberturas e dos elementos transparentes e translúcidos da construção, que permitem o contato com o exterior e a iluminação dos recintos. A proteção solar das aberturas por meio de brise-soleil ou quebra-sol é também um indispensável recurso para promover os controles térmicos naturais. Estabelecer os parâmetros relativos às condições de conforto térmico requer incorporar, além das variáveis climáticas citadas, as temperaturas das superfícies presentes no ambiente e a atividade desenvolvida pelas pessoas. O conhecimento das exigências humanas de conforto térmico e do clima, associado ao das características térmicas dos materiais e das premissas genéricas para o partido arquitetônico adequado a climas particulares, proporciona condições de projetar edifícios e espaços urbanos cuja resposta térmica atenda às exigências de conforto térmico. Como no processo criativo está sempre implícita uma nova proposta, um método para a previsão do desempenho térmico, em nível quantitativo, é um instrumento indispensável para verificação e possíveis ajustes ainda na etapa de projeto. A racionalização do uso da energia apresenta estreitos laços com a adequação da arquitetura ao clima, evitando ou reduzindo os sistemas de condicionamento artificial de ar, quer com a finalidade de refrigerar, quer com a de aquecer os ambientes. Os controles térmicos naturais propiciam a redução do excesso de calor resultante no interior dos edifícios, minimizando, por vezes, os efeitos de climas excessivamente quentes. O conhecimento do clima, aliado ao dos mecanismos de trocas de calor e do comportamento térmico dos materiais, permite uma consciente intervenção da arquitetura, incorporando os dados relativos ao meioambiente externo de modo a aproveitar o que o clima apresenta de agradável e amenizar seus aspectos negativos. 16

18 Imprimir a um edifício características que proporcionem uma resposta térmica ambiental conveniente não implica um acréscimo obrigatório de custo de construção, mas, ao contrário, deve resultar em redução do custo de utilização e de manutenção, além de propiciar condições ambientais internas agradáveis aos ocupantes. 17

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20 &DStWXOR ([LJrQFLDV+XPDQDV4XDQWRDR&RQIRUWR 7pUPLFR 2RUJDQLVPRKXPDQRHDWHUPRUUHJXODomR 2UJDQLVPRKXPDQRHPHWDEROLVPR O homem é um animal homeotérmico. Seu organismo é mantido a uma temperatura interna sensivelmente constante. Essa temperatura é da ordem de 37 C, com limites muito estreitos entre 36,1 e 37,2 C, sendo 32 C o limite inferior e 42 C o limite superior para sobrevivência, em estado de enfermidade. O organismo dos homeotérmicos pode ser comparado a uma máquina térmica sua energia é conseguida através de fenômenos térmicos. A energia térmica produzida pelo organismo humano advém de reações químicas internas, sendo a mais importante a combinação do carbono, introduzido no organismo sob a forma de alimentos, com o oxigênio, extraído do ar pela respiração. Esse processo de produção de energia interna a partir de elementos combustíveis orgânicos é denominado metabolismo. O organismo, através do metabolismo, adquire energia. Cerca de 2% dessa energia é transformada em potencialidade de trabalho. Então, termodinamicamente falando, a máquina humana tem um rendimento muito baixo. A parcela restante, cerca de 8%, se transforma em calor, que deve ser dissipado para que o organismo seja mantido em equilíbrio. Tanto o calor produzido como o dissipado dependem da atividade que o indivíduo desenvolve. Em repouso absoluto metabolismo basal, o calor dissipado pelo corpo, cedido ao ambiente, é de cerca de 75 W. $WHUPRUUHJXODomR A manutenção da temperatura interna do organismo humano relativamente constante, em ambientes cujas condições termo-higrométricas são as mais 19

21 variadas e variáveis, se faz por intermédio de seu aparelho termorregulador, que comanda a redução dos ganhos ou o aumento das perdas de calor através de alguns mecanismos de controle. A termorregulação, apesar de ser o meio natural de controle de perdas de calor pelo organismo, representa um esforço extra e, por conseguinte, uma queda de potencialidade de trabalho. O organismo humano experimenta sensação de conforto térmico quando perde para o ambiente, sem recorrer a nenhum mecanismo de termorregulação, o calor produzido pelo metabolismo compatível com sua atividade. 5HDomRDRIULR Quando as condições ambientais proporcionam perdas de calor do corpo além das necessárias para a manutenção de sua temperatura interna constante, o organismo reage por meio de seus mecanismos automáticos sistema nervoso simpático, buscando reduzir as perdas e aumentar as combustões internas. A redução de trocas térmicas entre o indivíduo e o ambiente se faz através do aumento da resistência térmica da pele por meio da vasoconstrição, do arrepio, do tiritar. O aumento das combustões internas termogênese se dá através do sistema glandular endócrino. 5HDomRDRFDORU Quando as perdas de calor são inferiores às necessárias para a manutenção de sua temperatura interna constante, o organismo reage por meio de seus mecanismos automáticos sistema nervoso simpático, proporcionando condições de troca de calor mais intensa entre o organismo e o ambiente e reduzindo as combustões internas. O incremento das perdas de calor para o ambiente ocorre por meio da vasodilatação e da exsudação. A redução das combustões internas termólise se faz através do sistema glandular endócrino. 2

22 &DWDEROLVPRDQDEROLVPRHIDGLJDKLJURWpUPLFD O organismo humano passa diariamente por uma fase de fadiga catabolismo e por uma fase de repouso anabolismo. O catabolismo, sob o ponto de vista fisiológico, envolve três tipos de fadiga: a) física, muscular, resultante do trabalho de força; b) termo-higrométrica, relativa ao calor ou ao frio; c) nervosa, particularmente visual e sonora. A fadiga física faz parte do processo normal de metabolismo. A fadiga termo-higrométrica é resultante do trabalho excessivo do aparelho termorregulador, pela existência de condições ambientais desfavoráveis, no tocante à temperatura do ar, tanto com relação ao frio quanto ao calor, e à umidade do ar. HFDQLVPRVGHWURFDVWpUPLFDVHQWUHFRUSRHDPELHQWH Ao efetuar trabalho mecânico, os músculos se contraem. Tal contração produz calor. A quantidade de calor liberado pelo corpo, por essa razão, será função do trabalho desenvolvido, podendo chegar a um máximo da ordem de 12 W, desde que por pouco tempo. Esse calor é dissipado através dos mecanismos de trocas térmicas entre o corpo e o ambiente, envolvendo as trocas secas condução, convecção e radiação e as trocas úmidas evaporação. O calor perdido para o ambiente através das trocas secas é denominado calor sensível e é função das diferenças de temperatura entre o corpo e o ambiente. Já o calor perdido para o ambiente através das trocas úmidas é denominado calor latente e envolve mudança de estado de agregação o suor, líquido, passa para o estado gasoso, de vapor, através da evaporação. Assim, o organismo perde calor para o ambiente sob duas formas: calor sensível e calor latente. O Anexo 1 apresenta dados relativos ao calor dissipado pelo corpo, cedido ao ambiente, em função da atividade do indivíduo considerado médio e sadio. Quando se considera que o indivíduo está vestido e calçado, o calor dissipado por condução é pequeno. Se a superfície dos corpos presentes no ambiente estiver a uma temperatura inferior à do sistema corpo-vestimente, há dissipação de calor por radiação (cerca de 4%). 21

23 As trocas de calor por convecção dependem da diferença entre a temperatura do ar e a do sistema corpo-vestimenta e da velocidade do ar em contato com o sistema (cerca de 4%). A transpiração à superfície da pele e nos pulmões, que constitui um fenômeno normal, e a exsudação, que é um recurso termorregulador, absorvem calor do corpo. A possibilidade de perder calor por evaporação está limitada por duas condições: a quantidade máxima de suor que o organismo pode segregar na unidade de tempo; a quantidade máxima de suor que, na unidade de tempo, pode ser evaporada. A quantidade de suor que pode ser segregada, na unidade de tempo, varia de indivíduo para indivíduo, inclusive com o grau de aclimatação e com o biotipo. A quantidade de suor que pode evaporar na unidade de tempo depende da umidade relativa e da velocidade do ar. As perdas de energia representadas pelo calor latente correspondem à dissipação através das perdas de vapor d água pela respiração ou pela perspiração, ou através da evaporação do suor, e equivalem ao calor que se libertaria proporcionando a condensação dessa quantidade de vapor d água que se mantém no ar. Segundo Gomes (3), através da respiração e da perspiração, para o adulto médio, a uma temperatura de 2 C, são retiradas as seguintes quantidades de vapor d água, fornecidas ao ambiente: em repouso em trabalho leve 45 g/h 11 g/h Mas, segundo Givoni (27), em casos extremos, e por um período de cerca de meia hora, o corpo humano pode chegar a suar até 2,5 l/h. 3HOHSULQFLSDOyUJmRWHUPRUUHJXODGRU Sendo a pele o principal órgão termorregulador do organismo humano a temperatura da pele, é através dela que se realizam as trocas de calor. A temperatura da pele é regulada pelo fluxo sangüíneo que a percorre quanto mais intenso o fluxo, mais elevada sua temperatura. Ao sentir desconforto térmico, o primeiro mecanismo fisiológico a ser ativado é a regulagem vasomo- 22

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