COMPORTAMENTO HIGROTÉRMICO DO CORPO HUMANO

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1 UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS DEPARTAMENTO DE ARTES E ARQUITETURA CURSO DE ARQUITETURA E URBANISMO "Escola Professor Edgar Albuquerque Greaff" COMPORTAMENTO HIGROTÉRMICO DO CORPO HUMANO António Manuel Corado Pombo Fernandes professor arquiteto fevereiro, 2002

2 APRESENTAÇÃO O presente texto expõe, de forma condensada e rápida, os principais aspectos que envolvem o conforto higrotérmico do corpo humano. Não esgota o assunto e deve remeter o estudante à leitura e estudo da bibliografia referida para obter-se profundidade suficiente no assunto e com isso permitir avançar para capítulos subsequentes do estudo do Conforto Térmico. Na Introdução apresentam-se algumas considerações iniciais importantes e preliminares ao estudo em questão. Em Atividade Física e Metabolismo refere-se a questão da produção de calor do corpo humano proveniente do metabolismo basal e muscular, sendo este último decorrente da atividade física desenvolvida pelo corpo. A seguir, em Equilíbrio Térmico, fala-se da necessidade do corpo de manter-se a uma temperatura constante equilibrando o balanço térmico com o meio ambiente. Em Mecanismos Termorreguladores, citam-se os referidos mecanismos explicando-os e mostrando seus objetivos. As formas de trocas de calor às quais o corpo recorre para manter-se em equilíbrio são explicadas no ítem Dispersão Térmica. Após, em Zona de Conforto Higrotérmico, explicitam-se as variações possíveis dos quatro componentes do meio ambiente que, interdependentemente, provocam a sensação de conforto ou desconforto térmico. No último ítem, Climas e Dispersão Térmica, mostra-se a adaptabilidade do comportamento higrotérmico do corpo humano frente aos diferentes tipos de clima. INTRODUÇÃO Os espaços arquitetônicos e suas ambiências são percebidos e sentidos não só pela visão (dimensão plástico-formal da forma arquitetônica) como também por outros sentidos, ou seja, o olfato, a audição e o tato. As sensações de calor e frio são percebidas pelo tato. Um espaço termicamente mal concebido provocando desconforto ao usuário terá sua forma arquitetônica (na sua dimensão tátil) comprometida e deficiente. Para exemplificar a questão colocada acima, poderíamos citar o seguinte: um "brise soleil", incorporado à fachada de um edifício, não só participa da dimensão plásticoformal, mas, também, da dimensão tátil da forma arquitetônica pois, ao reduzir a radiação incidente, reduz o efeito estufa, reduzindo a temperatura interna do ambiente, modificandoo e se tornando partícipe do tipo de sensação tátil que o usuário terá e que, em última instância, faz parte da forma arquitetônica. O usuário dos espaços arquitetônicos julga a qualidade do projeto, tanto do ponto de vista físico, como mental e emocional. As sensações acumuladas de bem-estar, ou incomodidade, irão formar seu veredito sobre a qualidade da casa em que mora, da escola, do escritório ou da fábrica em que trabalha. O objetivo do projetista ao conceber seus projetos é proporcionar ao usuário o conforto ótimo que se pode definir como a sensação de bem-estar completo, físico e 1

3 mental. Para tanto é importante conhecer o comportamento higrotérmico do corpo humano. Com o domínio desse conhecimento pode-se, com bastante segurança, trabalhar os recursos físico-arquitetônicos das construções para se alcançar o conforto desejado. Nosso ciclo vital diário compreende estados de atividade, fadiga e recuperação. É essencial que a mente e o corpo se recuperem por meio do descanso, sono e recreação para compensar a fadiga física e o desgaste mental que resultam das atividades da jornada de trabalho. Esse ciclo, às vezes, vê-se dificultado por condições climáticas desfavoráveis e pela tensão psicológica imposta pela atividade diária do trabalho, atuando, ambas, no corpo e na mente, produzindo incomodidade, perda da eficiência e, eventualmente, podendo conduzir a transtornos da saúde. Os efeitos do clima no homem são significativos e devem ser considerados em todas as suas conseqüências. A tarefa do arquiteto, entre as diversas responsabilidades de um projetista comprometido com sua razão social e ética, consiste em proporcionar ao usuário, seja nos edifícios, seja nas cidades, um microclima confortável e agradável. Para tanto deverá trabalhar seus projetos de forma a adequá-los o melhor possível ao clima da região e do local onde se inserem. Os recursos da climatização artificial devem ser entendidos e usados como sistema suplementar. O projetista maduro compreenderá tudo isto envolvido e permeado pela realidade cultural incluindo os hábitos e costumes da população. A resposta humana ao ambiente térmico não depende somente da temperatura do ar. Está provado que a temperatura de ar, a umidade relativa do ar, a radiação térmica que atinje o corpo humano e a velocidade do fluxo de ar que passa por ele produzem efeitos térmicos e devem considerar-se, simultaneamente, se se tem que predizer a resposta humana. Para apreciar o efeito desses fatores climático-ambientais é necessário examinar, brevemente, os processos térmicos básicos do corpo humano. METABOLISMO E ATIVIDADE FÍSICA Metabolismo é o processo bio-químico que converte o alimento em matéria viva e forma útil de energia. Esse metabolismo divide-se em: metabolismo basal, que está relacionado com os processos vegetativos automáticos do corpo humano e metabolismo muscular, relacionado com o trabalho mecânico do corpo em função de realização de determinada tarefa. O processo metabólico leva sempre à liberação de calor que deve ser dispersado pelo corpo humano para que não ocorra o aumento gradativo da temperatura do corpo que poderia levar ao desfalecimento ou mesmo à morte. Normalmente, da energia obtida pelo metabolismo, fruto da queima dos alimentos, apenas cerca de 20% é utilizada. O restante, 80%, é obrigatoriamente liberada sob a forma de calor. Pode-se dizer, parodiando o assunto, que a máquina humana tem um rendimento energético reduzido ou pouco eficaz. Esta constatação é essencial pois mostra a importância de se proporcionar ao corpo as mais favoráveis formas dele dispersar essa enorme quantidade de energia sem lhe causar desconforto. Em clima frio isso torna-se 2

4 fácil calor é sinônimo de aconchego e conforto - mas em clima quente a tarefa será sempre mais complexa e melindrosa. Um erro do projetista poderá ser comprometedor. Assim, dependendo da atividade que o ser humano executa a cada momento, haverá maior ou menor necessidade de dispersão do calor produzido pelo metabolismo. A tabela 1 (baseado em KOENIGSBERGER, 1977) mostra valores referentes ao nível energético envolvido em diversas situações do corpo. Dormindo Atividade TABELA 1 Watt (w) 70 (mínimo) Sentado, movimentos moderado (ex. digitação) Em pé, trabalho leve Sentado, com braços e pernas em movimento Em pé, trabalho moderado, às vezes andando Andando, levantando ou empurrando pesos moderados Carregando pesos pesados mas intermitentemente Trabalho pesado Trabalho muito pesado (máximo de 30 min. de duração) 1100 (máximo) Para se ter uma idéia comparativa dos quantitativos apresentados pela tabela referida pode-se dar a seguinte aproximação: o calor liberado pelo corpo de uma pessoa que esteja exercendo uma atividade física exigente e contínua, durante uma hora, é suficiente para elevar, de zero a cem graus, cerca de seis litros de água. EQUILÍBRIO TÉRMICO O homem é um animal homotérmico, isto é, independentemente das circunstâncias externas e da atividade que exerce, a temperatura interna de seu corpo mantem-se constante em 37 Celsius. Podem ocorrer, no entanto, algumas pequenas variações na temperatura da pele, principalmente nas extremidades dos membros inferiores e superiores. Para que a temperatura interna possa ser mantida constante, mesmo sob condições externas adversas ou atividades físicas diversas, o corpo humano lança mão de processos de equilíbrio térmico que lhe são inerentes. Esses processos são constituídos pela ativação dos mecanismos termorreguladores e pelas diferentes formas de dispersão térmica do corpo humano para o meio ambiente, dependendo das variações desse meio e do nível metabólico desenvolvido. Observe os quadros 1 e 2 (baseados em KOENIGSBERGER, 1977) e relacione-os com a tabela e a equação a seguir: 3

5 GANHOS TÉRMICOS Símbolos PERDAS TÉRMICAS Metabolismo M / E Evaporação Convecção / condução C Convecção / condução Radiação R Radiação M E +/- C +/- R = 0 (equação do equilíbrio térmico) MECANISMOS TERMO-REGULADORES Enquanto a equação apresentada (equação do equilíbrio térmico) for verdadeira, isto é, igual a zero, o corpo humano estará em equilíbrio térmico e a pessoa não sente, nem calor, nem frio. A partir do momento que essa equação se desiquilibrar, isto é, passar a ser superior a zero (o corpo sente calor) ou inferior a zero (sente frio), os mecanismos termorreguladores são automaticamente acionados procurando reequilibrá-la, ou seja, diminuindo ou eliminando o desconforto. Dos mecanismos termorreguladores os principais são a vasoconstrição, a vasodilatação e a sudação. A vasoconstrição é acionada quando da sensação de frio: há uma redução da circulação sangüínea junto à pele reduzindo a sua temperatura e tornando-a um bom isolante 4

6 térmico (semelhante à cortiça) e, consequentemente, diminuindo as perdas de calor para o meio ambiente. A vasodilatação, ao contrário, é acionada quando da sensação de calor (a equação apresenta valores acima de zero): há um incremento da circulação, ao contrário da anterior, diminuindo sua capacidade de isolamento e, portanto, elevando a temperatura da pele o que acarretará maiores perdas de calor para o meio ambiente. A partir de uma certa temperatura (35 C), as glândulas sudoríperas são ativadas e o corpo inicia o processo de sudação liberação de suor pelos poros da pele. A descarga de água pelo suor implica em perdas térmicas importantes para o reequilíbrio térmico quando a pessoa está sujeita a um ambiente quente ou em esforço físico exigente. Como informação podemos adiantar que, em certas modalidades desportivas mais exigentes, os atletas chegam a liberar cerca de 2 litros de suor em cerca de uma hora de atividade. Apenas como curiosidade cita-se, ainda, o tiritar e o arrepiar dos pelos que são mecanismos auxiliares de defesa contra o frio; o primeiro ativando compulsoriamente o metabolismo e aumentando a produção de calor; o segundo aumentando a espessura da camada de ar semi-parado junto à pele incrementando o isolamento térmico e reduzindo as perdas térmicas. DISPERSÃO TÉRMICA O corpo humano necessita dispersar para o meio ambiente o calor produzido e liberado pelo seu metabolismo basal e muscular para manter seu equilíbrio térmico como se viu anteriormente. Essa dispersão faz-se, em geral, de três formas: por radiação, por condução/convecção e por evaporação. Por radiação: o corpo humano pode dispersar calor por radiação quando os objetos e superfícies ao seu redor estiverem a temperaturas inferiores à temperatura superficial do seu corpo; quanto maior for a diferença entre as temperaturas maior será a quantidade de calor cedida. Se, ao contrário, a temperatura do entorno for maior haverá ganhos e não perdas! Este tipo de troca térmica independe do ar circundante ocorrendo inclusive no vácuo. Por condução/convecção: o corpo humano pode ceder calor por condução à camada de ar contígua à sua pele se o ar estiver a temperatura inferior à do corpo. Este ar aquecido, agora por convecção, desloca-se para cima (estando mais quente é menos denso e mais leve) possibilitando que outro volume de ar, à temperatura ambiente, ocupe seu lugar e assim processando-se continuamente. Evidentemente que o processo gera tanto maior dispersão quanto maior for a diferença de temperatura entre a pele e o ar ambiente. Se o ar estiver a temperatura superior à da pele, não haverá perdas mas sim ganhos de calor! Por evaporação: o corpo humano dispersa calor por evaporação por meio da transpiração, seja pela perspiração (liberação de vapor d água pelos poros) ou pela sudação (liberação de suor/água). A evaporação é a principal forma de dispersão térmica no enfrentamento das condições de climas quentes. Para ilustrar e como curiosidade podemos 5

7 citar que a evaporação ocorre também pela respiração que pode ser visível em situações de frio quando percebe-se uma nuvem de vapor saindo pela boca de quem está falando. ZONA DE CONFORTO HIGROTÉRMICO Admitindo-se que a resposta humana às condições térmicas externas depende da temperatura do ar, da umidade relativa do ar, da velocidade do movimento do ar junto ao corpo e da radiação térmica do contorno, é possível fazer-se um balizamento, com amostragens experimentais, das implicações de cada uma dessas quatro variáveis, interrrelacioná-las, e determinar-se uma zona dentro da qual se espera que a resposta humana, em geral, seja de conforto higrotérmico e bem-estar. É importante anotar que há outras variáveis que promovem alterações dessa resposta, tais como: a roupa, a atividade exercida, a adaptabilidade da pessoa ao clima. Além dessas, ainda há outras, de caráter puramente emotivo e circunstancial que podem, eventualmente, alterar a resposta em questão. Observe com atenção o quadro 3 (baseado em KOENIGSBERGER, 1977) que mostra a carta bioclimática (primeira versão proposta por Victor Olgyay) onde se pode verificar a correlação entre as quatro variáveis ambientais citadas e a zona de conforto identificada. Observe que com maior umidade relativa, o corpo humano aceita menos as temperaturas mais elevadas. CLIMAS E DISPERSÃO TÉRMICA Para finalizar este breve texto analisaremos como se dão as trocas térmicas entre o corpo humano e o meio ambiente em situações climáticas específicas e diferenciadas. 6

8 Assim, para um clima temperado, podemos admitir a seguinte situação térmica típica no interior dos edifícios: temperatura do ar a 18 C, umidade relativa entre 40 e 60%, ar calmo (v = 0,1 m/s) e a temperatura radiante média no mesmo valor da temperatura do ar; considerando um indivíduo exercendo uma atividade sedentária leve (150 w), a dispersão térmica necessária ocorrerá na seguinte proporção aproximada: 45% por radiação; 30% por condução/convecção e 25% por evaporação. Nestas condições a dispersão térmica faz-se com naturalidade e sem dificuldades para o corpo humano. No caso dos climas quentes temos que considerar três situações distintas: > em clima moderadamente quente, com temperaturas abaixo da temperatura da pele humana (cerca de 32 C), a dispersão por radiação diminue sensivelmente pois a diferença de temperatura é muito pequena; pelo mesmo motivo também diminue a dispersão por condução/convecção. A dispersão por evaporação, obrigatoriamente, aumenta pois tem que compensar a diminuiação ocorrida nas outras, chegando a representar 80% ou mais do total. As condições começam a ser certamente difíceis embora possa, ainda, haver conforto caso a umidade relativa não seja muito elevada; > em clima muito quente com temperaturas acima da temperatura da pele, as trocas térmicas por radiação e por condução/convecção poderão, caso o edifício não tenha uma grande inércia térmica, passar a fornecer calor ao corpo invés de ajudar a dispersá-lo. Dessa forma, a dispersão dar-se-á exclusivamente por evaporação. Na verdade, a evaporação, neste caso, será mais que 100% do valor do calor metabólico pois além de dispersá-lo ainda terá que encarregar-se de dispersar o calor advindo do meio ambiente por radiação e por condução/convecção. Felizmente, climas que apresentam temperaturas tão altas são normalmente muito secos favorecendo bastante as perdas de calor por evaporação. No caso de um clima quente e úmido a evaporação deverá ser responsável por boa parte da dispersão necessária. Essa evaporação, no entanto, será dificultada pelo elevado teor de umidade no ar. Para valores acima de 80% de umidade relativa, a capacidade da massa de ar absorver mais vapor d água é bastante reduzida pois falta-lhe pouco para atinjir a saturação (100%). Aumentar a velocidade do ar junto ao corpo humano será a única forma de corrigir o desconforto provocado pela sensação da pele suada. Pelo arrastamento mecânico, o ar, com certa velocidade, poderá afastar da pele o vapor d água liberado pelos poros aumentando a possibilidade do indivíduo ceder mais calor ao ambiente e conseguindo situar a resposta humana dentro da zona de conforto higrotérmico. Observe e analise o quadro 4 (adaptado de GOMES, 1967) levando em conta o que se acabou de referir quanto aos climas quentes. É composto por dois ábacos: o primeiro refere-se a situações com umidade relativa alta (95%) enquanto o segundo refere-se a umidade relativa baixa (20%). Ambos apresentam o desenvolvimento de três curvas: perdas caloríficas totais, perdas por evaporação e perdas por radiação e convecção. 7

9 PARA DISCUSSÃO Teste seu entendimento sobre o texto e discuta com os colegas: Quais as 4 variáveis ambientais que interferem na sensação térmica do corpo? Explique porque a evaporação só aparece no prato das perdas de calor (quadro 2). Você consegue explicar porque quando ocorre frio a pessoa procura encolher o corpo dobrando-o sobre si mesmo, aproximando-se da posição fetal? Explicou-se como se dá a dispersão térmica do corpo por condução/convecção quando o ar está a temperatura inferior à da pele (pg. 6). Diga o que acontecerá e descreva o fenômeno se o ar estiver a uma temperatura superior à da pele. Observe o quadro 3, discuta e explique a seguintes frases: a zona de conforto flutua para cima e para baixo! Se trocarmos as roupas por outras mais leves a flutuação será para baixo ou para cima? E se aumentarmos o nível metabólico do indivíduo? Observe os ábacos do quadro 4. Você consegue identificar o momento em que a dispersão por evaporação é maior que o próprio calor metabólico como citado no texto? Você poderia identificar, em cada ábaco, o intervalo de conforto? REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS KOENIGSBERGER, O. H.; INGERSOLL, T. G.; MAYHEW, A.; SZOKOLAY, S. V. Viviendas y edifícios em zonas cálidas y tropicales. Madrid: Paraninfo, RAMÓN, Fernando. Ropa, sudor y arquitecturas. Madrid: H. Blume, GOMES, Ruy José. O problema do conforto térmico em climas tropicais e subtropicais. Lisboa: Laboratório Nacional de Engenharia Civil,1967 8