Marcio Alves Ferreira O USUÁRIO E A PERCEPÇÃO DE CONFORTO TÉRMICO EM BANCOS AUTOMOTIVOS VENTILADOS. São Paulo

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1 Marcio Alves Ferreira O USUÁRIO E A PERCEPÇÃO DE CONFORTO TÉRMICO EM BANCOS AUTOMOTIVOS VENTILADOS São Paulo 2008

2 ii Marcio Alves Ferreira O USUÁRIO E A PERCEPÇÃO DE CONFORTO TÉRMICO EM BANCOS AUTOMOTIVOS VENTILADOS Trabalho de conclusão de curso apresentado à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre Profissional em Engenharia Automotiva Área de Concentração: Engenharia Automotiva Orientador: Prof. Dr. Arlindo Tribess São Paulo 2008

3 iii Ferreira, Marcio Alves O usuário e a percepção de conforto térmico em bancos automotivos ventilados / M.A. Ferreira. -- São Paulo, p. Trabalho de conclusão de curso (Mestrado Profissional em Engenharia Automotiva) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. 1.Conforto térmico 2.Ventilação 3.Ar condicionado 4.Bancos automotivos 5.Tecnologia I.Universidade de São Paulo. Escola Politécnica II.t.

4 iv DEDICATÓRIA Dedico este trabalho ao meu filho Gabriel Giancoli Ferreira Papai, você vai estudar de novo. À minha esposa Ana Paula pelo incentivo, paciência e compreensão. Agradeço de coração aos meus pais Nelson e Dirce por tudo que fizeram nesta vida por mim, vocês sempre terão a minha gratidão. Aos meus irmãos Fernando, Mauricio e Daniel que sempre me apoiaram e incentivaram na minha vida. A todos os meus familiares e amigos que tenho certeza, torcem muito por mim.

5 v AGRADECIMENTOS Ao meu orientador Prof. Dr. Arlindo Tribess, que certamente me guiou, orientou e me ensinou o que é ser um orientador, muito obrigado sinceramente. À Profa. Dra. Brenda Chaves Coelho Leite pelo apoio e orientação na realização deste trabalho e, principalmente, para a definição dos experimentos. Aos participantes dos ensaios experimentais que dedicaram seu tempo, permitindo que meus objetivos neste trabalho fossem alcançados. Aos meus amigos do mestrado que me ajudaram em todos os momentos nesta etapa da minha vida, vocês já fazem parte desta história, para sempre. Aos meus superiores na empresa, José Carlos Lima e Sérgio Mitsuo Hatano, pelo apoio e incentivo para atingir este objetivo. Aos meus amigos do trabalho que sempre me incentivaram e ajudaram muito para a conclusão deste curso. Aos professores da Escola Politécnica da USP pelos momentos de troca de experiência nos trabalhos desenvolvidos. Ao atendimento recebido na Secretaria do Curso, que sempre, atenciosamente me ajudou muito. Por último e não menos importante, agradeço a Deus por cuidar de mim.

6 vi RESUMO Com o passar dos anos os usuários de veículos automotivos passaram a ficar cada vez mais exigentes em relação ao conforto nesses veículos. Um dos principais fatores é que nos grandes centros urbanos muitas pessoas passam horas em seus veículos, devido ao tráfego intenso em vias e rodovias e à quantidade de veículos que circulam pelas cidades. Paralelamente, um fator muito importante para todas as montadoras de veículos é poder fornecer o melhor conforto para seus clientes e sair na frente de seus concorrentes, provendo soluções técnicas viáveis e seguras para seus automóveis. Neste contexto, o conforto dentro do veículo ainda é um campo a ser explorado, principalmente no que se refere aos bancos em nosso clima tipicamente tropical. Os bancos têm uma contribuição extremamente importante no nível de conforto em um veículo automotivo. As superfícies do corpo que estão em contato com o banco experimentam um comportamento térmico completamente diferente das superfícies que estão expostas ao ambiente. Para melhorar as condições de conforto é necessário prover melhores condições de troca de calor do corpo humano com o banco; o que pode ser conseguido com a utilização de bancos ventilados resfriados ou aquecidos, dependendo das condições climáticas. No presente trabalho foi realizado estudo da influência de banco automotivo ventilado com resfriamento por efeito Peltier, na percepção de conforto térmico do usuário. Foram realizados testes com a utilização de banco normal de produção e de banco ventilado em um veículo dotado de sistema de ar condicionado. Os ensaios foram realizados em túnel de vento e o procedimento experimental consistiu de medições de temperaturas e avaliações subjetivas (questionário). A avaliação dos voluntários que participaram dos testes experimentais, mostrou que a utilização deste sistema resultou em melhora perceptível nas condições de conforto térmico, com melhora significativa na troca de calor entre o usuário e o banco do veículo, que foi comprovada com as medições de temperatura apresentando diminuição de até 3 o C no banco ventilado.

7 vii Abstract With passing the years users of automotive vehicles began to be more and more demanding in relation to the comfort in their vehicles. One of the main factors is that in great urban centers many people pass hours in their vehicles, due to the intense traffic in roads and highways and to the amount of vehicles circulating through the cities. In parallel, a very important factor for all the OEMs is to be able to supply the best comfort for their customers and to leave in front of their competitors, providing viable and safe technical solutions for their automobiles. In this context, the comfort inside vehicles is still a field to be explored, mainly as for the seats in our typically tropical climate. The seats have an extremely important contribution in the comfort level in an automotive vehicle. The body surfaces in contact with the seat try a completely different thermal behavior than the body surfaces exposed to the environment. To improve comfort conditions it is necessary to provide better heat change conditions of the human body with the seat; what can be gotten with the use of cold or heat ventilated seats, depending on the climatic conditions. In the present work was accomplished a study of the influence of an automotive ventilated seat, with Peltier cooling effect, in the perception of the user's thermal comfort. Tests were performed with the use of a normal production seat and of a ventilated seat in a vehicle equipped with air conditioning system. The tests were carried out in wind tunnel and the experimental procedure consisted of measurements of temperatures and subjective evaluations (questionnaire). The test volunteers' evaluation showed that the use of this kind of system resulted in perceptible improvement in the thermal comfort conditions, with significant improvement in the change of heat between the user and the vehicle seat, which was proven with the temperature measurements presenting decrease of 3 o C in the ventilated seat.

8 viii LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Trocas térmicas em veículos de passeio (Hucho, 1987) 2 Figura 1.2 Figura 2.1 Figura 2.2 Veículos com ar condicionado de fábrica vendidos no Brasil (Denso, 2005) Esquema do sistema termorregulador do corpo humano (Candas 1999) Diagrama psicrométrico com a indicação da zona de conforto segundo a norma ASHRAE 55:2004 Figura 2.3 Manequins térmicos (ISO , 2004) 14 Figura 2.4 Manequins com sensores aquecidos (ISO , 2004) 15 Figura 2.5 Arranjo com sensores de conforto (ISO , 2004) 15 Figura 3.1 Questionário subjetivo (Cengiz e Babalik, 2006) 18 Figura 3.2 Representação gráfica da sensação térmica (Leite, 2003) 19 Figura 3.3 Representação gráfica da percepção de movimentação do ar (Leite, 2003) Figura 3.4 Escala de sensação térmica normalizada (ISO 10551, 1995) 20 Figura 3.5 Figura 3.6 Figura 4.1 Lay-out de um túnel de vento típico (Calsonic Kansei Europe, 2002 apud Santos 2005) Célula de testes de um túnel de vento (Ransco Industries, 1999 apud Santos 2005). Banco automotivo com sistema de aquecimento (W.E.T. 2002) Figura 4.2 Campo de temperaturas no banco aquecido (W.E.T. 2002) 23 Figura 4.3 Banco automotivo ventilado (Madsen, 1994) 24 Figura 4.4 Figura 4.5 Aumento da perda de calor nas costas e coxas (Madsen, 1994) Aumento da perda de calor e queda da temperatura da pele (Madsen, 1994) Figura 4.6 Esquema do banco ventilado (Lutsbader, 2005) 27 Figura 4.7 Câmara climática e veículo de teste (Lutsbader, 2005) 28 Figura 4.8 Figura 4.9 Figura 4.10 Escala de conforto e sensação térmica U. C. Berkeley (Lutsbader, 2005) Redução média da temperatura de contato do encosto do banco (Lutsbader, 2005) Banco com sistema de resfriamento e aquecimento (Zhang et al., 2007) Figura 4.11 Banco ventilado, com pressão negativa (W.E.T. 2002) 30 Figura 4.12 Sistemas de resfriamento e aquecimento integrados (CSM,

9 ix Figura ) Banco ventilado com resfriamento (ou aquecimento) por efeito Peltier (auto blog, 2006) Figura 4.14 Semi-condutores tipo-n e tipo-p (Strazza F. e Riberi. R, 2004) Figura 4.15 Exemplo de pastilha termoelétrica (Strazza F. e Riberi. R, 2004) Figura 5.1 Sistema de ventilação do assento de teste 35 Figura 5.2 Sistema de ventilação do encosto de teste 36 Figura 5.3 Sistema montado na espuma do assento de teste 36 Figura 5.4 Sistema montado na espuma do encosto de teste 36 Figura 5.5 Duto de ventilação do encosto de teste 37 Figura 5.6 Duto de ventilação do assento de teste 37 Figura 5.7 Figura 5.8 Espuma do encosto com adaptação para montagem do duto de ventilação Espuma do assento com adaptação para montagem do duto de ventilação Figura 5.9 Duto de ventilação montado na espuma do encosto 39 Figura 5.10 Duto de ventilação montado na espuma do assento 39 Figura 5.11 Figura 5.12 Figura 5.13 Potenciômetro de controle de velocidade do ventilador do encosto Potenciômetro de controle de velocidade do ventilador do assento Chicote elétrico para controle do acionamento dos ventiladores do assento e do encosto Figura 5.14 Inserto em couro e fibras de poliéster 41 Figura 5.15 Couro perfurado da capa do teste 42 Figura 5.16 Face B do inserto da capa do teste 42 Figura 5.17 Manta de medição de distribuição de pressão do encosto 43 Figura 5.18 Manta de medição de distribuição de pressão do assento 43 Figura 5.19 Figura 5.20 Computador e cabos de conexão das mantas do encosto e assento Instalação da manta para medição da distribuição de pressão no assento e no encosto do banco Figura 5.21 Escala de medição da distribuição de pressão na manta 45 Figura 5.22 Distribuição de pressão do ocupante 1 45 Figura 5.23 Distribuição de pressão do ocupante 2 46 Figura 5.24 Distribuição de pressão do ocupante

10 x Figura 5.25 Figura 5.26 Marcação das posições de instalação de termopares no assento do banco Marcação das posições de instalação de termopares no encosto do banco Figura 6.1 Termopares instalados nos bancos do veículo 49 Figura 6.2 Vista dianteira do veículo no túnel de vento 50 Figura 6.3 Vista traseira do veículo no túnel de vento 50 Figura 7.1 Voto térmico dos motoristas referente à temperatura do ar 56 Figura 7.2 Voto térmico dos passageiros referente à temperatura do ar 56 Figura 7.3 Figura 7.4 Figura 7.5 Figura 7.6 Figura 7.7 Figura 7.8 Figura 7.9 Figura 7.10 Voto térmico dos motoristas referente à temperatura do banco Voto térmico dos passageiros referente à temperatura do banco Voto térmico dos motoristas referente à temperatura entre as pernas e o assento do banco Voto térmico dos passageiros referente à temperatura entre as pernas e o assento do banco Voto térmico dos motoristas referente à temperatura entre as nádegas e o assento do banco Voto térmico dos passageiros referente à temperatura entre as nádegas e o assento do banco Voto térmico dos motoristas referente à temperatura entre as costas e o encosto do banco Voto térmico dos passageiros referente à temperatura entre as costas e o encosto do banco Figura 7.11 Voto térmico dos motoristas referente ao movimento do ar 61 Figura 7.12 Voto térmico dos passageiros referente ao movimento do ar 61 Figura 7.13 Figura 7.14 Voto térmico dos motoristas referente ao desejo quanto a velocidade do ar no ambiente Voto térmico dos passageiros referente ao desejo quanto a velocidade do ar no ambiente Figura 7.15 Voto térmico médio referente à temperatura do ar 63 Figura 7.16 Voto térmico médio referente à temperatura nos bancos 63 Figura 7.17 Figura 7.18 Figura 7.19 Voto térmico médio referente à temperatura entre as pernas e o assento Voto térmico médio referente à temperatura entre as nádegas e o assento Voto térmico médio referente à temperatura entre as costas e o encosto Figura 7.20 Voto térmico médio referente à percepção do movimento do

11 xi Figura 7.21 ar Voto térmico médio referente ao desejo dos usuários sobre a velocidade do ar Figura 7.22 Temperaturas médias dos assentos motorista e passageiro 67 Figura 7.23 Temperaturas médias dos encostos motorista e passageiro 67 Figura 7.24 Temperaturas médias no interior do veículo 68 66

12 xii LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Metabolismos para diferentes atividades ( Tabela 2.2 Escala de sensação térmica (ISO 7730: 1994) Tabela 2.3 Determinação do voto médio estimado - PMV (ISO 7730, 1994) Atividade sedentária (MET=1.0) e umidade relativa do ar de 50% Tabela 6.1 Dados dos participantes do teste Tabela 7.1 Tabela B.1 Tabela B.2 Tabela B.3 Correspondência entre a representação por letras e por números nas escalas de sete pontos utilizados no questionário Tabela com os votos térmicos dos participantes Tabela com os votos térmicos médios dos participantes Média das temperaturas nos bancos e do ar ambiente no veículo 55

13 xiii LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS HVAC SNC Heating, Ventilating and air Conditioning Sistema nervoso central Set point Ponto de ajuste PMV PPD MF F LF C LQ Q MQ MD D LD I LA A MA VT VTM Predicted mean vote Predicted Percentage of Dissatisfied Muito frio Frio Ligeiramente frio Confortável Ligeiramente quente Quente Muito quente Muito desagradável Desagradável Ligeiramente desagradável Não faz diferença Ligeiramente agradável Agradável Muito agradável Voto térmico Voto térmico médio

14 xiv LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo Variável Unidade Ta Temperatura do ar ºC Tr Temperatura radiante média ºC Va Velocidade do ar m/s Φ Umidade relativa do ar % To Temperatura operativa ºC ω Umidade absoluta g/m³ Teq Temperatura equivalente ºC DC Corrente contínua Ampére

15 xv SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS LISTA DE TABELAS LISTA DE ABREVIATURAS E SÍGLAS LISTA DE SÍMBOLOS RESUMO ABSTRACT 1. INTRODUÇÃO 1.1 Motivação do trabalho 1.2 Objeto do trabalho e objeto de estudo 1.3 Estrutura do trabalho 2. CONFORTO TÉRMICO 2.1 Fisiologia do corpo humano 2.2 Conforto térmico Condições de conforto de Fanger Desconforto térmico local 2.3 Avaliação de conforto térmico em veículos automotivos 3. AVALIAÇÃO DE CONFORTO TÉRMICO EM AUTOMÓVEIS 3.1 Avaliações com pessoas 3.2 Avaliação de conforto térmico em automóveis com bancos ventilados: aplicação de questionário 3.3 Avaliação em túneis de vento 4. RESFRIAMENTO E AQUECIMENTO DE BANCOS AUTOMOTIVOS 4.1 Aquecimento de bancos 4.2 Resfriamento de bancos 4.3 Tecnologias de aquecimento e resfriamento de bancos ventilados em aplicação na indústria automobilística Bancos simplesmente ventilados Bancos simplesmente ventilados com sistema de aquecimento

16 xvi Bancos ventilados com resfriamento (ou aquecimento) por efeito Peltier Pastilhas termoelétricas 5. DESENVOLVIMENTO E PREPARAÇÃO DO PROTÓTIPO DE TESTE 5.1 Os componentes e detalhes de montagem do banco com sistema de ventilação e resfriamento 5.2 Instalação dos termopares 6. PROCEDIMENTO DE ENSAIO 6.1 Veículo utilizado 6.2 Bancos de teste 6.3 Preparação do veículo 6.4 O túnel de vento 6.5 Condições de ensaio 6.6 O procedimento de ensaio 6.7 Os participantes 7. RESULTADOS DOS ENSAIOS E ANÁLISES 7.1 Resultados de percepção de conforto térmico 7.2 Resultados de temperaturas 8. CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS 8.1 Trabalhos futuros 9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO A Questionário ANEXO B Tabelas

17 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO Ao se falar de conforto em veículos, pode-se ter várias maneiras de observar esse conforto; seja ele relacionado com aspectos ergonômicos de assentos, conforto térmico, design de interiores, ruído, entre outros. Os projetos de veículos automotivos atuais visam garantir, além da segurança, todos esses requisitos de conforto. Prover condições de conforto tornou-se um importante diferencial de marketing e de vendas (Gameiro da Silva, 2002). Quando se está desenvolvendo o veículo é muito importante se ter a definição dos padrões a serem utilizados para cada veículo, como sua capacidade de carga e/ou de passageiros, tamanho entre eixos, espaço interno, condições de conforto, entre outros. A importância de se ter esses fatores bem definidos, desde o início do desenvolvimento é garantir que, ao final da concepção do projeto e da realização do produto, os objetivos iniciais sejam atingidos em todos os aspectos de segurança, dirigibilidade e conforto. Porém, sabe-se que não é tão simples assim executar os projetos para se garantir que 100% dos usuários estejam satisfeitos com o produto final, pois existe uma grande influência da percepção de cada usuário. Cada ser humano tem a sua própria percepção do ambiente, ou seja, o que para um indivíduo está confortável para outro pode estar desconfortável. Alguns fatores que levam a essa avaliação diferenciada de conforto por parte dos ocupantes de veículos está relacionado com a expectativa de cada um, o grau de exigência, o sexo, a idade, entre outros. Daí a importância em se realizar avaliações considerando o voto das pessoas quanto à sensação que estão experimentando; o que é feito no presente trabalho. Os automóveis apresentam características diferenciadas com relação a muitos outros ambientes a serem desenvolvidos, pois constituem habitáculos com dimensões reduzidas e possuem uma área envidraçada considerável, que possibilita

18 2 a passagem de raios solares e a transferência de calor com uma maior intensidade que nas partes metálicas do veículo (Fig. 1.1) Essas características dificultam sobremaneira a obtenção de condições de conforto, por resultarem em elevadas assimetrias de radiação, correntes de ar com velocidades diferenciadas em diferentes partes do corpo e entre os ocupantes, e uma influência maior do isolamento térmico dos bancos automotivos na troca de calor com o ambiente de cabine. Radiação solar w vidros w cabine banco Figura 1.1 Trocas térmicas em veículos de passeio (Hucho, 1987) Os fatores acima discriminados são responsáveis por gerar situações de desconforto localizado em diferentes partes do corpo. Como exemplo mais claro, pode-se destacar a incidência de radiação solar no braço esquerdo do motorista, enquanto o outro braço encontra-se na sombra. Isso pode causar uma sensação de desconforto significativa nessa região. Por outro lado, o interior do automóvel é um ambiente que permite intervenções por parte do ocupante. O usuário pode atuar na abertura e fechamento dos vidros das janelas, na vazão e no direcionamento do ar nos difusores instalados no painel de instrumentos, ou mesmo alterar parâmetros do sistema de climatização. A possibilidade de intervenção do usuário pode minimizar os efeitos de condições inadequadas de conforto térmico nos automóveis; o que normalmente é mais difícil em ambientes de edificações, principalmente em edifícios de escritórios, onde sistemas de distribuição de ar fixos não permitem essa flexibilidade.

19 3 Com a evolução da tecnologia aplicada a veículos automotivos, observou-se que a utilização de sistemas de ar condicionado em automóveis diminui muito a sensação de desconforto geral dos ocupantes. Um estudo realizado pela Denso (2005) estima que a quantidade de veículos vendidos com ar condicionado de série atinja cerca de 80% do mercado brasileiro até o ano de 2010 (Figura 1.2). Figura 1.2 Veículos com ar condicionado de fábrica vendidos no Brasil (Denso, 2005). De fato, o objetivo dos sistemas de climatização, os sistemas de HVAC 1 de um veículo automotivo, é criar condições de conforto térmico para os ocupantes, independentemente das condições climáticas exteriores, e de manter as condições de conforto térmico durante todo o período de utilização do sistema (Gomes, 2005). No entanto, mesmo com a utilização de sistemas de climatização nos veículos, a questão do conforto térmico ainda apresenta muitos problemas. Um dos principais problemas está relacionado com o sistema de distribuição de ar, que não consegue corrigir as assimetrias de radiação e ainda causa problemas de correntes de ar (Gomes, 2005; Gimenez, 2006). Um outro problema importante está relacionado com o isolamento dos bancos automotivos (Lima, 2006) e com os aspectos ergonômicos a eles associado (Lima, 2007). Ao isolar termicamente as costas, nádegas e partes das pernas, os bancos 1 HVAC Heating, Ventilating and Air Conditioning

20 4 automotivos dificultam a troca de calor com o ambiente da cabine (climatizado ou não). E se, além disso, os bancos não forem confortáveis do ponto de vista ergonômico, a sensação de desconforto é amplificada. No caso dos automóveis, o efeito perverso dos bancos no conforto é bastante mais significativo que nos ambientes de edificações, pois o usuário tem condições muito mais limitadas de alterar a sua posição no banco e é impossibilitado de se levantar. Em geral o banco age como um isolante térmico, aumentando a temperatura da pele e reduzindo o resfriamento do corpo por evaporação do suor. Mas, os bancos podem ser meios adequados para controlar termicamente o ambiente em função da grande área de contato e proximidade com o passageiro. Adicionalmente, o controle térmico do banco pode ser uma boa alternativa ao ar condicionado convencional, reduzindo o consumo de energia enquanto melhora o conforto térmico (Lutsbader, 2005) Motivação do trabalho O desenvolvimento deste trabalho foi motivado, principalmente, pelo fato de ser um assunto ainda não explorado pelas montadoras no Brasil, e que pode trazer benefícios significativos no aumento do conforto e na diminuição do consumo de energia pelo menor uso do sistema de ar condicionado. Os domínios da tecnologia e da aplicação de sistemas de bancos automotivos ventilados podem trazer um conforto personalizado aos ocupantes e, potencialmente, uma redução no consumo de combustível dos veículos, ao se considerar que uma menor carga do sistema de ar-condicionado do veículo necessite ser utilizada para que o usuário alcance um estado de conforto mais rapidamente. Este trabalho também pode incentivar as iniciativas de empresas fabricantes de bancos automotivos a proporem às montadoras produtos de maior valor agregado nos veículos nacionais, com aplicação de tecnologias para projetos futuros, e criar parcerias na pesquisa e desenvolvimento para o aprofundamento desse assunto.

21 Objetivo do trabalho e objeto de estudo Este trabalho tem como objetivo estudar a percepção de conforto térmico do usuário em banco automotivo ventilado com resfriamento por efeito Peltier. O estudo compreende a avaliação da sensação térmica dos usuários com relação ao ambiente térmico da cabine e às áreas de contato do corpo com os bancos automotivos. Para tal foram realizados testes com a utilização de banco normal de produção e de banco ventilado em um veículo dotado de sistema de climatização. Os ensaios foram realizados em túnel de vento e o procedimento experimental consistiu de medições de temperaturas e avaliações subjetivas (questionário) Estrutura do trabalho Após uma breve introdução sobre o conforto em automóveis e a apresentação da motivação e objetivos do trabalho, o desenvolvimento do estudo está organizado em capítulos, conforme segue. No capítulo 2 é apresentada uma revisão da teoria de conforto térmico e uma breve discussão sobre a avaliação de conforto térmico. A seguir, no capítulo 3 é discutida a avaliação de conforto térmico em automóveis com ênfase na avaliação subjetiva realizada por pessoas e a utilização de túneis de vento para a realização dos ensaios. No capítulo 4 é apresentada a revisão da literatura relacionada ao aquecimento e resfriamento de bancos para a melhora das condições de conforto de cabine em veículos automotivos. No capítulo 5 são apresentadas as fases de desenvolvimento do protótipo, com o detalhamento da montagem do sistema de ventilação e preparação dos bancos para a realização dos testes experimentais. No capítulo 6 são descritos os procedimentos de ensaio e a instrumentação do banco protótipo e do banco normal de produção, que foram utilizados na realização do presente trabalho. No capítulo 7 são apresentados os resultados subjetivos e objetivos dos testes experimentais.

22 6 No capítulo 8 são apresentadas as conclusões do experimento, de percepção do usuário na utilização de bancos ventilados, e considerações finais referentes ao trabalho. Finalmente, no capítulo 9 é apresentada a relação do material bibliográfico de referência. Fazem parte ainda deste trabalho, dois anexos onde são apresentados o questionário utilizado (Anexo A), e algumas tabelas com os votos dos participantes e de temperaturas medidas durante os ensaios (Anexo B).

23 7 CAPÍTULO 2 CONFORTO TÉRMICO 2.1. Fisiologia do corpo humano Os seres humanos têm que enfrentar o clima diariamente buscando, freqüentemente, proteção nas condições micro climáticas: sombra no verão e radiação solar direta durante dias frios de inverno. Assim como os movimentos produzem calor no frio, reduções de atividades físicas são observadas nos períodos mais quentes do dia. Enquanto a temperatura interna do corpo humano (retal, esofágica ou do tímpano) é geralmente perto de 37 C, podendo variar entre 36 C durante a noite a 39 C quando em atividades físicas pesadas, a temperatura da pele humana é mais suscetível às condições externas. Por exemplo, a temperatura do pé pode ser de 30 C quando a temperatura da testa for de 34 C. Milhões de sensores cutâneos mantêm informado o sistema nervoso central (SNC) do estado térmico de todas as partes do corpo. Esses sensores são sensíveis tanto ao nível da temperatura (condição estática) quanto às mudanças térmicas (condições dinâmicas) O sistema nervoso central (SNC) possui duas funções básicas: A de estimar o estado térmico global do corpo, executada pelo hipotálamo, funcionando como um termostato, com set point de 37 C para a temperatura interna e 33 C para a pele, A de desencadear as sensações térmicas conhecidas, executadas pelo córtex. Quando o SNC é informado de variações em comparação com esses valores de referência, reações são desencadeadas: Reações comportamentais: mudanças repentinas de temperatura da pele implicam respostas rápidas (afastar-se de superfícies quentes, colocar roupa no caso de frio, etc.) visando preservar a integridade. Reações fisiológicas: as variações de temperatura podem induzir à hipotermia (queda da temperatura) ou à hipertermia (aumento da temperatura). O sistema

24 8 termorregulador reage então contra o desequilíbrio do balanço térmico, atuando na dilatação ou contração dos vasos sanguíneos para aumentar ou diminuir o fluxo de calor através da superfície da pele, atividades musculares que ao contraírem os músculos produzem calor (tiritar) ou ainda as glândulas sudoríparas são estimuladas para secreção do suor resfriando a pele através da evaporação. Em atividade sedentária a atividade metabólica resulta em cerca de 100W de calor a ser dissipado ao ambiente por condução, convecção, radiação e evaporação. Se a vestimenta e as condições do ambiente estiverem adequadas, a mesma quantidade de calor será perdida ao ambiente. Ocorrerá um balanço de calor adequado para o corpo como um todo e a pessoa se sentirá termicamente neutra. Nessa condição a temperatura do núcleo do corpo humano será de aproximadamente 37 C e a temperatura da pele será de 34,1 ºC (Fanger, 1972). Fora dessa condição o organismo atua para manter a temperatura no caso das perdas de calor serem maiores do que a produção de calor ou para reduzir o aumento de temperatura provocado pela troca de calor menor com o ambiente. Uma representação esquemática dos mecanismos fisiológicos do corpo humano é apresentada na figura 2.1 e uma revisão muito boa do assunto pode ser encontrada em Ferreira (1997) e Ferreira (2001). Figura 2.1 Esquema do sistema termorregulador do corpo humano (Candas 1999)

25 Conforto térmico Admite-se que o conforto térmico corresponde ao estado de espírito em que os indivíduos expressam satisfação com o ambiente (ASHRAE 55:2004). Em muitas situações as pessoas são expostas a ambientes térmicos criados artificialmente (climatizados) para que se sintam em conforto e possam produzir melhor as suas tarefas. Se o objetivo é atingido, a pessoa tem uma sensação de bem estar, expressa pela sua satisfação com aquele ambiente térmico. Sabe-se que o estado térmico geral e as sensações locais estão intimamente ligados com o grau de conforto ou desconforto. A exposição excessiva a um ambiente quente ou frio pode levar ao estresse térmico (ISO 7243:1989; ISO 7933:1989), proveniente de condições micro-climáticas desfavoráveis que requerem a intervenção excessiva do sistema termorregulador. Na segurança veicular o conforto térmico é um aspecto importante, pois motoristas sonolentos devido ao calor, ou com sinais de hipotermia devido ao frio, estão mais sujeitos a sofrerem ou causarem acidentes. Conforme apresentado em Ávila (2001), pesquisa realizada pelo Departamento de Psicologia da Universidade de Amsterdam, mostra que as melhores temperaturas do ar para quem está dirigindo um automóvel vestido normalmente se situam entre 18,5ºC Ta 21,5ºC. Nessa faixa de temperaturas, abaixo da condição de conforto, o motorista fica mais atento por estar sentindo um pouco de frio Condições de conforto de Fanger A partir do balanço térmico do corpo humano, Fanger (1972) mostra que o conforto térmico depende de: a) parâmetros pessoais: a taxa de metabolismo, função do nível de atividade física da pessoa, (MET) 2, e o tipo de vestimenta (CLO) 3, b) parâmetros ambientais: a temperatura do ar, T a, a temperatura média radiante, T r, a velocidade do ar, V a, e a umidade relativa do ar, φ. Na Tabela 2.1 são apresentados valores de metabolismo para diferentes 2 1 met = 58,2 W/m 2 (metabolismo referente à atividade sedentária) 3 1 clo = 0,155 m 2 C/W (vestimenta típica de inverno, pesada)

26 10 atividades. Por meio de medições dos parâmetros de conforto térmico e de ensaios realizados com pessoas, Fanger (1972) concebeu um modelo de conforto térmico baseado no voto médio estimado PMV- Predicted Mean Vote, que varia de muito frio (-3) a muito quente (+3). Além disso, Fanger (1972) estabeleceu uma relação entre o PMV e o percentual de pessoas insatisfeitas PPD Predicted Percentage of Dissatisfied, apresentada no tabela 2.2. Tabela 2.1 Metabolismos para diferentes atividades ( Atividade Taxa metabólica Sentado reclinado 46 W/m 2 0,8 met Sentado relaxado 58 W/m 2 1,0 met Reparador de relógios 65 W/m 2 1,1 met Em pé relaxado 70 W/m 2 1,2 met Dirigindo automóvel 80 W/m 2 1,4 met Em pé, atividade leve 93 W/m 2 1,6 met Em pé, atividades moderadas (trabalho doméstico) 116 W/m 2 2,0 met Caminhando horizontalmente, 5 km/h 200 W/m 2 3,4 met Trabalhadores da construção civil 275 W/m 2 4,7 met Esportes correndo a 15 km/h 550W/m 2 9,5 met Tabela 2.2 Escala de sensação térmica (ISO 7730, 1994) Escala de sensação térmica PMV muito frio Frio leve sensação de frio neutro leve sensação de calor quente Muito Quente PPD 100% 78% 26% 5% 26% 78% 100% Observa-se na tabela 2.2 que, mesmo na condição de neutralidade térmica (PMV igual a zero), existem 5% de insatisfeitos. O trabalho de Fanger (1972) é a base da norma ISO 7730:1994 de conforto térmico.

27 11 O cálculo do voto médio estimado é relativamente trabalhoso, razão pela qual Fanger (1972) e a ISO 7730:1994 apresentam uma rotina para utilização em microcomputador e tabelas, como aquela apresentada na tabela. 2.3, que permitem determinar o PMV para diferentes atividades, tipos de vestimenta e condições ambientais. A ASHRAE 55:2004 também apresenta gráficos para a determinação das condições de conforto térmico em ambientes condicionados - as Cartas de Conforto da ASHRAE. A figura 2.2 mostra uma carta psicrométrica com a zona de conforto representada pela área hachurada. Verifica-se na tabela 2.3 e na figura 2.2 que os resultados são apresentados em função da temperatura operativa, T o 4, que é uma função da temperatura média radiante, T r, e da temperatura do ar, T a, dado pela equação 5 : T o a ( a) T r = a T + 1 (2.1) onde a constante a varia de acordo com a velocidade do ar (V a ): V a (m/s) 0 0,2 0,2 0,6 0,6 1,0 A 0,5 0,6 0,7 A norma ISO 7726:1998 apresenta procedimentos de medição e métodos para a obtenção das variáveis ambientais: velocidade média do ar, V a, temperatura radiante média, umidade absoluta, ω, e umidade relativa, φ Desconforto térmico local T r, da temperatura do ar, T a, e umidade do ar: O método de Fanger (1972) determina condições de conforto térmico para o corpo como um todo. Assim, uma pessoa pode estar em neutralidade térmica para o corpo como um todo (PMV = 0), mas pode não estar confortável se existirem variações em partes do corpo. Portanto, o conforto também requer que não haja desconforto local (quente ou frio) para qualquer parte do corpo. 4 T o = temperatura operativa (ºC): a temperatura de um meio imaginário (envolvendo ar e superfícies) com o qual a pessoa troca a mesma quantidade de calor por convecção e radiação que aquela trocada com o meio real. 5 ANSI/ASHRAE 55:2004 e ISO 7730:1994

28 12 Tabela 2.3 Determinação do voto médio estimado - PMV (ISO 7730, 1994) Atividade sedentária (MET=1.0) e umidade relativa do ar de 50% Vestimenta CLO m 2 ºC W Temperatu ra Operativa ºC Velocidade Relativa do ar m/s < OBS: 1) Valores de PMV em torno de zero indicam condições de conforto térmico. 2) Valores de CLO igual a 0,5 representam uma vestimenta leve de verão (calça comprida com camisa de mangas curtas), enquanto valores de CLO igual a 1,0 representam uma vestimenta pesada de inverno.

29 13 Figura 2.2 Diagrama psicrométrico com a indicação da zona de conforto segundo a norma ASHRAE 55:2004. Esse desconforto local pode ser causado por: Assimetria de radiação; Diferença vertical de temperatura do ar entre os pés e a cabeça; Correntes de ar ( draft ou draught ). Diferença de temperatura entre os pés e o piso. Nas normas ASHRAE 55:2004 e ISO 7730:2004 são previstos limites máximos para cada uma das causas de desconforto acima. A exemplo do trabalho de Fanger (1972), os limites de desconforto local foram obtidos em ensaios realizados em câmaras climatizadas para condições de trocas de calor em edificações, isto é, para ambientes que podem ser considerados homogêneos ou próximos de homogêneos Avaliação de conforto térmico em veículos automotivos Para ambientes não homogêneos, onde diferentes partes do corpo experimentam diferentes condições térmicas, o conceito mais amplamente utilizado (Nilsson, 2004) é o de temperatura equivalente (t eq ), definida como sendo a temperatura uniforme de um ambiente imaginário com velocidade do ar igual a zero, no qual a pessoa troca a

30 14 mesma quantidade de calor sensível, por radiação e convecção, que no ambiente real. Devido à interação complexa dos fluxos de calor por radiação e convecção, insolação direta, grandes assimetrias de temperatura e velocidade do ar, mesmo em condições de regime permanente, a aplicação do conceito de temperatura equivalente é particularmente útil no espaço confinado de compartimentos de passageiros de veículos. Nessas condições o uso dos índices PMV (ISO 7730:1994) ou das cartas da ASHRAE (ASHRAE 55:2004) não são os mais apropriados (Madsen et al, 1986; Gameiro da Silva, 2002; Guan et al., 2003; Nilsson, 2004). A determinação de temperaturas equivalentes, t eq, na avaliação de conforto térmico em automóveis é prevista na norma ISO :2004. Nessa norma são previstas três possibilidades de determinação de temperaturas equivalentes: utilizando manequim térmico, com sensores em diferentes segmentos ou zonas (Fig. 2.3), manequim com sensores aquecidos (Fig. 2.4), arranjo com sensores de conforto (Fig. 2.5). Masculino, 33 zonas Feminino, 16 zonas Figura Manequins térmicos (ISO , 2004)

31 15 Figura Manequins com sensores aquecidos (ISO , 2004) Figura Arranjo com sensores de conforto (ISO , 2004). Porém, a melhor e mais confiável maneira de se avaliar as condições de conforto térmico em um veículo ainda é a de se utilizar a resposta subjetiva de grupos de pessoas submetidas às condições térmicas no interior desse veículo (Nilsson, 2004, Han e Huang, 2004); que será utilizada no presente trabalho.

32 16 CAPÍTULO 3 AVALIAÇÃO DE CONFORTO TÉRMICO EM AUTOMÓVEIS O conforto térmico em ambiente veicular tem se tornado crítico, principalmente devido à tendência de maior utilização de vidros e à restrição de aumento no consumo de combustível. A busca pela redução dos ganhos de calor tornou-se fator importante no desenvolvimento de veículos, pois não se pode aumentar a capacidade do sistema de HVAC na mesma proporção que a área envidraçada está aumentando. Assim, tornou-se necessário desenvolver ferramentas que possam prever e avaliar o impacto de diferentes opções de projeto no conforto térmico do usuário e de prover mecanismos que melhorem a sensação de conforto no interior do veículo. Para melhorar as condições de conforto térmico, uma das formas é a de se atuar na melhora das trocas de calor nos bancos automotivos, objeto de estudo do presente trabalho, e a sua interação com o usuário; o que a cada dia se torna um fator mais importante no que se refere à melhora do conforto térmico dos ocupantes (Cengiz e Babalik, 2006). Em alguns países já se tem a aplicação de dispositivos de aquecimento e resfriamento de bancos automotivos, porém no Brasil ainda é uma tecnologia nova e ainda não explorada pelas montadoras de veículos locais. A seguir é apresentada uma abordagem sobre a avaliação de conforto térmico em veículos automotivos com pessoas considerando, particularmente, os bancos automotivos e seus ocupantes. 3.1 Avaliação com pessoas As vantagens de se utilizar o método subjetivo é que os dados são simples para administrar e estão diretamente relacionados com os fenômenos psicológicos das pessoas (ISO , 2006). As avaliações com pessoas têm também algumas desvantagens caso não se

33 17 utilize dados objetivos, pois somente dados subjetivos podem induzir a uma conclusão errônea, ou seja, votos de participantes do experimento sem a devida coerência. Esse erro deve ser minimizado ao máximo com perguntas muito bem direcionadas aplicadas em um questionário e também com a medição de variáveis de cabine relevantes para o estudo em questão. Alguns trabalhos foram realizados recentemente em veículos automotivos envolvendo a participação de pessoas na avaliação da influência de bancos automotivos no conforto térmico: Lutsbader (2005), Cengiz e Babalik (2006) e Zhang et al. (2007). Lutsbader (2005) realizou avaliação com pessoas no estudo da influência de bancos automotivos ventilados no conforto térmico em veículo com ar condicionado. Os ensaios foram realizados em câmara climática, com radiação solar. Maiores detalhes desse trabalho são discutidos no Capítulo 4. Cengiz e Babalik (2006) realizaram experimento com o objetivo de avaliar a influência de diferentes tipos de tecidos de recobrimento dos bancos automotivos no conforto térmico em climas frios. Os ensaios foram realizados com a participação de 10 pessoas em um teste de veículo em estrada em um período de 1 hora. Os participantes ficaram submetidos a uma temperatura de 25ºC com velocidade do ar de 0,15 a 0,20 m/s dentro da cabine do veículo, controlada por sistema de ar-condicionado eletrônico do próprio veículo. Foram instalados 8 pontos de medição da temperatura da pele distribuídos nas costas, peito, nádegas e coxas. Os participantes desse experimento tinham uma média de idade de 31,8 anos, peso médio de 70,13 kg, altura média de 1,74 m e massa corporal de 22,95 kg/m². As roupas utilizadas pelos participantes foram calça e camisa branca, meias e sapatos com uma isolação média de 1,5 clo e considerada uma atividade metabólica constante de 1,7 met. Os participantes responderam a um questionário de 15 questões, conforme mostrado na Figura 3.1, em intervalos de 5 em 5 minutos.

34 18 QUESTIONÁRIO PARÂMETROS SUBJETIVOS QUESTÕES ESCALA 1 T1s Neste momento Como você sente seu Embaixo da perna? (1) Muito frio 2 T2s No meio das pernas? (2) Frio 3 T3s Na região do estomago? (3) Ligeiramente frio 4 T4s Ao lado do corpo? (4) Neutro 5 T5s No peito? (5) Ligeiramente quente 6 T6s Na cintura? (6) Quente 7 T7s Nas costas? (7) Muito quente 8 T8s Nas nádegas? 9 Cabeça Cabeça? 10 Geral Como você está se sentindo No geral? 11 Torso Frontal Como você está se sentindo quanto ao suor No peito? (1) Seco 12 Torso Traseiro Nas costas? (2) Ligeiramente molhado (3) Úmido (4) Molhado 13 Encosto do banco Como é o conforto no Encosto de banco? (1) Pouco 14 Assento do banco Assento do banco? (2) Médio (3) Bom 15 Suor Como é o seu Nível de suor? (1) Ausente (2) Pouco (3) Médio (4) Muito Figura Questionário subjetivo (Cengiz e Babalik, 2006) Zhang et al. (2007) realizaram trabalho bastante extenso de avaliação da influência de bancos aquecidos ou ventilados na faixa de aceitabilidade de temperaturas do ar na cabine. Nos ensaios realizados com pessoas, os autores também salientam a importância das características pessoais como a idade, o peso, a massa corporal e o tipo de vestimenta utilizada. Maiores detalhes desse trabalho também são discutidos no Capítulo Avaliação de conforto em automóveis com bancos ventilados: aplicação de questionário A aplicação de questionários em ensaios experimentais deve ser conduzida com muito cuidado para que não se tenha respostas que não permitam atingir os objetivos desejados. Para tal, as perguntas devem ser bem formuladas e apresentadas de forma clara aos participantes. A norma ISO (2006) apresenta recomendações relacionadas à avaliação subjetiva de condições de conforto térmico em veículos na obtenção de diagramas de sensação térmica, utilizando temperaturas equivalentes (ISO , 2004). Nessa norma são enfocados aspectos referentes à seleção do júri, escalas subjetivas, seleção das condições de operação, análise e interpretação de resultados, e um método de teste com exemplo de questionário a ser aplicado.

35 19 Essa norma, contudo, não se mostrou adequada para aplicação na avaliação de condições de conforto personalizado com a utilização de bancos ventilados. Nessa situação, o questionário e o procedimento de ensaios desenvolvidos por Leite (2003), na avaliação de conforto personalizado em ambientes de escritórios, mostraram-se mais adequados e foram utilizados como referência no presente trabalho. Adicionalmente, o trabalho de Cengiz e Babalik, (2006), comentado no item 3.1, também foi considerado na elaboração do questionário. Quando da avaliação de conforto personalizado faz-se necessário, inicialmente, criar condições tais que o ambiente seja desconfortável, para que o usuário perceba alterações na sensação de conforto térmico quando do uso do sistema personalizado (Leite, 2003). Por outro lado, as questões a serem respondidas devem enfocar as diferenças de percepção entre o usuário com e sem sistema de ventilação no banco, bem como com relação às condições ambientais de cabine. O questionário desenvolvido para a presente aplicação encontra-se no Anexo A. A seguir são apresentados alguns detalhes desse questionário: a) O questionário possui uma capa, onde o participante do ensaio informará os seus dados: o nome, o sexo, a idade, o peso e a altura, a identificação da data de realização do ensaio e a indicação do banco que ocupará, qual seja, o banco do motorista ou o banco do passageiro. b) Na parte referente ao questionário propriamente dito, foram utilizadas escalas de sete pontos. Na figura 3.2 é apresentada a representação da escala de sensação térmica com letras para indicar as sensações de muito frio, frio, confortável, ligeiramente quente, quente e muito quente. Figura 3.2 Representação gráfica da sensação térmica (Leite, 2003) O mesmo conceito foi aplicado para a percepção em relação ao movimento do ar, utilizando letras para indicar a preferência do usuário quanto à percepção de muito desagradável, desagradável, ligeiramente desagradável, não faz diferença para

36 20 você, ligeiramente agradável, agradável e muito agradável, respectivamente, conforme mostrado na figura 3.3. Figura 3.3 Representação gráfica da percepção de movimentação do ar (Leite, 2003) A vantagem na utilização dessa representação é que os usuários associam mais fácil e rapidamente letras (ou siglas) ao invés de números. De toda forma, na confecção dos gráficos serão utilizados números relacionados às letras utilizadas nas escalas de sensação térmica. Para a tabulação das respostas será utilizada numeração positiva, para sensações de aquecimento e de condições agradáveis, e numeração negativa, para as sensações de frio e de condições desagradáveis. Esta escala é definida como uma escala bipolar simétrica de 7 graus, tendo o ponto 0 como indecisão e duas vezes três graus de intensidade crescente. A figura 3.4 mostra a escala normalizada. Graus de intensidade Ponto de indecisão Graus de intensidade Polo A Polo B Figura 3.4 Escala de sensação térmica normalizada (ISO 10551, 1995) 3.3 Avaliação em túneis de vento A forma mais adequada de se realizar avaliações em cabines de automóveis com manequins ou com pessoas é com a utilização de túneis de vento, que reproduzam as condições ambientais às quais os veículos estarão sujeitos ao rodarem nas estradas. Esses túneis de vento devem ser capazes de simular ambientes externos com diferentes temperaturas e umidades do ar, diferentes níveis de radiação solar e diferentes velocidades do veículo. As vantagens na utilização de túneis de vento são as condições de repetitividade dos resultados, a possibilidade de executar os ensaios independentemente das condições climáticas e a possibilidade de coletar vários dados com boa precisão.

37 21 A Figura 3.5 mostra um lay-out de um túnel de vento típico para testes em automóveis, enquanto a Figura 3.6 mostra a célula de testes de um túnel de vento. Figura 3.5 Lay-out de um túnel de vento típico (Calsonic Kansei Europe, 2002 apud Santos 2005). Figura 3.6 Célula de testes de um túnel de vento (Ransco Industries, 1999 apud Santos 2005).

38 22 CAPÍTULO 4 RESFRIAMENTO E AQUECIMENTO DE BANCOS AUTOMOTIVOS Com o aumento da busca pelo conforto nas cabines dos veículos, os especialistas em bancos automotivos trabalham para propor uma maior variedade de soluções para as montadoras desses veículos. Contudo, raros são os estudos encontrados na literatura que envolvem o aquecimento ou resfriamento de bancos na melhoria da sensação de conforto térmico em cabines de veículos automotivos. O primeiro estudo de aquecimento de bancos para o conforto térmico é do início da década de 1990 (Burch et al., 1991). Posteriormente, Madsen (1994) e Lutsbader (2005), desenvolveram estudos de resfriamento em bancos ventilados somente; Brooks e Parsons (1999), de aquecimento, e Zhang et al. (2007) apresentaram resultados de um estudo englobando bancos aquecidos e resfriados. 4.1 Aquecimentos de bancos automotivos O primeiro trabalho relacionado ao aquecimento de bancos automotivos, realizado por Burch et al (1991), objetivou a melhoria das condições de conforto térmico sob condições severas de inverno. Esses autores instalaram almofadas com aquecimento elétrico de baixa potência no assento e no encosto para reduzir o tempo necessário para atingir condições de conforto térmico durante o período de aquecimento da cabine (warm up). Mais tarde, Brooks e Parsons (1999) investigaram o desempenho de bancos aquecidos em ambientes frios e concluíram que o nível de desconforto pode ser reduzido, tornando aceitáveis temperaturas de cabine até próximo de 5 C. Até os dias de hoje o sistema de aquecimento de bancos automotivos é um sistema relativamente simples, que utiliza resistências elétricas. A energia para aquecimento das resistências é proveniente da bateria do automóvel e o controle da temperatura é realizado pelo usuário em comandos disponíveis no banco.

39 23 Cuidado especial deve ser tomado com a instalação das resistências elétricas (Fig. 4.1) para que nenhuma parte da resistência fique exposta e o usuário possa sofrer choque elétrico. Um exemplo de campo de temperaturas resultante com sistema de infra-vermelho é mostrado na figura 4.2. Figura 4.1 Banco automotivo com sistema de aquecimento (W.E.T. 2002) Figura 4.2 Campo de temperaturas no banco aquecido (W.E.T. 2002) Essa aplicação, contudo, não é comum para os veículos no mercado nacional, sendo aplicada somente em veículos fabricados no exterior ou destinados à exportação (climas frios).

40 Resfriamento de bancos automotivos O primeiro trabalho relacionado com o resfriamento de bancos automotivos foi o de Madsen (1994), que estudou a influência de bancos ventilados utilizando um ventilador que soprava o ar através do banco, na parte inferior e superior, em direção à pessoa sentada, conforme mostrado na figura 4.3. Capa de poliéster 30mm de espessura em fibra Tubo de ventilação Figura 4.3 Banco automotivo ventilado (Madsen, 1994) O sistema de ventilação apresentado na figura 4.3 foi desenvolvido por uma empresa da Dinamarca e consistia de uma camada de 30,0 mm de pelos de porco, que permitiam uma boa distribuição de ar. O encosto e uma parte do assento eram cobertos com um forro, que permitia a passagem de ar, e dotados de tubos conectados a um ventilador. O sistema permitia controle de fluxo de ar insuflado pelo banco. Nos ensaios foram testados dois tipos de revestimentos, um feito de lã e o outro feito de fibra de poliéster. A eficiência do sistema de ventilação foi testada com um manequim térmico de 35 kg dotado de medidores de fluxo de calor e de sensores de temperatura na região lateral das costas, na altura dos ombros e nas coxas esquerda e direita; que são as partes que tocam o banco quando o manequim está sentado. O manequim utilizado tinha 16 seções e possibilidade de controle independente em cada seção. Além disso, o manequim térmico era equipado com duas glândulas de suor, uma nas costas abaixo do ombro e a outra na coxa que está em contato com a parte do assento do veículo. As glândulas de suor consistiam de 2 tubos de pequeno

41 25 diâmetro conectados a duas pequenas bombas com capacidade de 15 ml/h, garantindo 0,025 m² de área molhada abaixo da roupa para cada tubo. O sistema de aquecimento do manequim consistia de uma fissura em torno de cada seção inter-espaçada por menos de 2,0 mm; o que estabelecia uma distribuição extremamente uniforme de calor em cada seção. O manequim foi vestido com uma roupa com isolação de 0,6 clo e colocado no banco do veículo em uma câmara climática com temperatura constante e umidade relativa também constante. Na figura 4.4 são apresentados resultados do aumento na perda de calor para as costas e coxas. Uma comparação entre os resultados dos bancos em lã e em poliéster, apresentados na figura 4.5, mostra que o banco em poliéster apresenta um resfriamento maior do que o banco em lã. Pode ser visto também que a perda de calor nas coxas é menor do que nas costas; o que pode ser devido a problemas de contato do manequim com o banco. Aumento da perda de calor (percentual) Encosto Banco lã Banco poliéster Aumento da perda de calor (percentual) Coxas Banco lã Banco poliéster ventilação suor Ventilação + suor Figura 4.4 Aumento da perda de calor nas costas e coxas (Madsen, 1994).

42 26 Aumento da perda de calor em percentual lã Poliéster Descréscimo da temperatura lã Poliéster ventilação suor Ventilação + suor Figura 4.5 Aumento da perda de calor e queda da temperatura da pele (Madsen, 1994) Os resultados obtidos mostram que esse tipo de banco poderia ser uma solução efetiva e de baixo custo para a indústria automotiva, com a diminuição do desconforto do usuário após o carro estar estacionado e exposto ao sol. E, no inverno o sistema poderia diminuir o tempo de desconforto do ocupante se fosse utilizado, adicionalmente, um sistema de aquecimento elétrico no encosto e na base do banco (Madsen, 1994). Lutsbader (2005) utilizou uma combinação de testes experimentais e modelagem para estimar o impacto da utilização de bancos automotivos ventilados no conforto térmico e na economia de energia. Segundo o autor, a melhora nas condições de conforto resultou em redução de 4% na necessidade de resfriamento do sistema de ar condicionado e uma economia de 0,3 a 0,5% no consumo total de combustível do veículo quando o sistema está ligado. O autor enfatiza que, embora esta economia seja pequena para um usuário individualmente, torna-se significativo em um nível nacional. Para a realização dos ensaios, Lutsbader (2005) modificou um banco automotivo existente e instalou sistema de ventilação, conforme mostrado na

43 27 figura 4.6. Foram instalados dois ventiladores no encosto do banco. Os dois ventiladores juntos consomem no máximo 9 W. Espuma Ventilador Espaçador Difusor fino Capa perfurada Figura 4.6 Esquema do banco ventilado (Lutsbader, 2005). Nas avaliações realizadas por Lutsbader (2005) foi utilizado um simulador solar com 963 W/m², mostrado na figura 4.7. A temperatura ambiente da sala foi controlada em 31,6ºC ± 0,4 ºC e 30% ± 5% de umidade relativa. O banco do veículo foi equipado com oito sensores para a coleta da temperatura de contato do banco com o ocupante. O sistema de ar-condicionado do veículo foi ligado após 45 segundos da entrada do ocupante. A sensação térmica e a sensação de conforto em algumas partes do corpo do ocupante, como a cabeça, o peito, as costas, as pernas, os braços e os pés sem distinção do lado esquerdo do direito, foram solicitadas a cada 2 minutos. As roupas utilizadas pelos ocupantes foram as mesmas e padronizadas, sendo calça, camisa pólo, meias e sapatos. A figura 4.8 ilustra a escala utilizada por Lutsbader (2005) nas avaliações subjetivas. Os resultados apresentados por Lutsbader (2005) mostram que a utilização de bancos ventilados permite se chegar a uma diminuição da temperatura de contato do banco com o ocupante em aproximadamente 3,5ºC ± 0,9 ºC, conforme apresentado na figura 4.9 e que a sensação de conforto no encosto do banco nesse caso apresentou uma queda de temperatura em torno de 4ºC.

44 28 Figura 4.7 Câmara climática e veículo de teste (Lutsbader, 2005) Muito frio Frio Fresco Sensação Térmica Ligeiramente Ligeiramente fresco Neutro aquecido Aquecido Quente Muito quente Conforto desconfortável confortável muito pouco pouco muito Figura 4.8 Escala de conforto e sensação térmica U. C. Berkeley (Lutsbader, 2005) Tanto no trabalho de Madsen (1994) quanto no de Lutsbader (2005) não foi utilizado resfriamento adicional no banco. O resfriamento era conseguido somente com a sucção do ar da cabine, dotada de sistema de ar condicionado. Ou seja, são bancos ventilados somente. Ainda mais recentemente, Zhang et al. (2007) realizaram avaliações experimentais em câmara climatizada utilizando quatro bancos idênticos ao apresentado na figura Foram utilizados bancos convencionais de produção em série, com superfícies de contato experimentais conectadas a dispositivos comercialmente disponíveis de aquecimento e resfriamento.

45 29 As superfícies de contato do assento e encosto de cada banco consistem em uma manta simples formada de tubos plásticos de pequeno diâmetro, através dos quais ocorria a circulação de água de aquecimento ou resfriamento. AC ligado, vent. banco desligado AC 96%, vent. banco ligado AC 90%, vent. banco ligado Temperatura ºC Tempo de resfriamento (min) Baseado na capacidade de resfriamento Figura 4.9 Redução média da temperatura de contato do encosto do banco (Lutsbader, 2005) Figura 4.10 Banco com sistema de resfriamento e aquecimento (Zhang et al., 2007) Zhang et al. (2007) realizaram ensaios com a utilização de 11 câmaras climáticas com variação de temperatura entre 15ºC e 45ºC. Para uniformização dos testes, os participantes eram colocados em ambientes climatizados, onde permaneciam em torno de 20 minutos antes da realização dos testes.