Desempenho Térmico de edificações Aula 2: Conforto Térmico

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1 Desempenho Térmico de edificações PROFESSOR Roberto Lamberts ECV 5161 UFSC FLORIANÓPOLIS

2 + definição + importância + termoregulação + trocas térmicas + humanas + ambientais + outras + medição + cálculos + modelos + cálculos + normas estrutura introdução variáveis cálculo 2

3 INTRODUÇÃO + definição + importância + termo-regulação + trocas térmicas + conforto térmico é o estado da mente que expressa satisfação do homem com o ambiente térmico que o circunda. ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers) 3

4 A insatisfação com o ambiente térmico pode ser causada pela sensação de desconforto por calor ou frio quando o balanço térmico não é estável, ou seja, quando há diferenças entre o calor produzido pelo corpo e o calor perdido para o ambiente 4

5 Neutralidade térmica: Estado físico no qual todo o calor gerado pelo organismo através do metabolismo é trocado na mesma proporção com o ambiente ao redor, não havendo nem acúmulo de calor, nem perda excessiva do mesmo, mantendo a temperatura corporal constante Conforto térmico Neutralidade térmica 5

6 Neutralidade térmica é uma condição necessária mas não suficiente para que uma pessoa esteja em conforto térmico. Um indivíduo que estiver exposto a um campo assimétrico de radiação, pode muito bem estar em neutralidade térmica, porém não estará em conforto térmico Ambiente Real Neutralidade Térmica Temp. da pele e taxa secreção dentro dos padrões Desconforto Localizado Conforto Térmico 6

7 Importância Fatores pelos quais os estudos de conforto térmico são importantes: 1. A satisfação do homem permitindo-lhe se sentir termicamente confortável 2. A performance humana: As atividades intelectuais, manuais e perceptivas, geralmente apresentam um melhor rendimento quando realizadas em conforto térmico 3. A conservação de energia: Ao conhecer as condições e os parâmetros relativos ao conforto térmico dos ocupantes do ambiente, evitam-se desperdícios com aquecimento e refrigeração, muitas vezes desnecessários. 7

8 Mecanismos de termo-regulação Diagrama da regulação térmica humana autônoma e comportamental Variável controlada: valor integrado de temperaturas internas (próximas do sistema nervoso central e núcleo) e as temperaturas da pele. Sistema controlado: influenciado pela temperatura interna (geração interna de calor/metabolismo) e externa (calor ou frio originado pelo ambiente). As perturbações na temperatura de um ambiente são rapidamente detectadas pelos termorreceptores da pele. 8

9 Temperatura Corporal Mecanismos de termo-regulação Zonas de respostas fisiológicas 43 C 39 C 37 C 35 C Vasodilatação Vasoconstrição Acima de 43 C Situação Letal Acima de 39 C Ocorre a perda da eficiência no trabalho Acima de 37 C Inicia-se o fenômeno do suor Abaixo de 36 C Inicia-se o reflexo de arrepio Abaixo de 35 C Ocorre a perda da eficiência no trabalho 31 C Abaixo de 31 C Situação Letal Temperatura Corporal Aproximadamente 36,5 C 9

10 Os mecanismos termorreguladores são ativados quando as condições térmicas do meio ultrapassam certas faixas de frio ou calor. Frio: Evitar perdas térmicas do corpo e aumentar a produção interna de calor. Perdas de calor por radiação e convecção Pele mais rugosa orgão interno Perdas de calor por convecção Vasoconstrição periférica Arrepio Aumento do metabolismo 10

11 Mecanismos instintivos e culturais para proteção do frio Mecanismos instintivos Mecanismos culturais 11

12 Calor: Incrementar as perdas térmicas do corpo e reduzir a produção interna de calor Perdas de calor por radiação e convecção Boa evaporação Pouca evaporação Vasodilatação periférica Suor Redução do metabolismo 12

13 Mecanismo instintivos e culturais para proteção contra o calor Mecanismos instintivos Mecanismos culturais 13

14 Trocas térmicas entre o corpo e o ambiente A quantidade de calor liberado pelo organismo ocorre em função da atividade desenvolvida. Este calor será dissipado através de mecanismos de trocas térmicas entre o corpo e o ambiente envolvendo: - Trocas secas: condução, convecção, radiação. (calor sensível) - Trocas úmidas: evaporação. Respiração e Transpiração (calor latente) 14

15 VARIÁVEIS DE CONFORTO + humanas + ambientais + outras + medição + cálculos variáveis humanas variáveis ambientais Outras... + As variáveis de conforto térmico estão divididas em humanas e ambientais. Além disso, são considerados outros fatores de influência MET: Metabolismo CLO: Vestimenta Tar: Temperatura do ar Trad: Temp. radiante média Vel: Velocidade do ar RH: Umidade relativa do ar Idade Raça Hábitos alimentares Altura Sexo Etc.. 15

16 Através do metabolismo o organismo adquire energia a partir de elementos combustíveis orgânicos. A quantidade de energia liberada depende da quantidade de atividade muscular (Quanto maior a atividade física, maior o metabolismo). MET: unidade utilizada para descrever a energia produzida por unidade de área de uma pessoa em repouso (1 MET = 58W/m²) Atividade Metabolismo (W/m 2 ) Deitado, Reclinado 46 Sentado, relaxado 58 Atividade sedentária (escritório, escola etc.) 70 Atividade leve em pé (fazer compras, atividades 93 laboratoriais, etc) Atividade média em pé (trabalhos domésticos, 116 balconista, etc) Caminhando em local plano a 2 km/h 110 Caminhando em local plano a 3 km/h 140 Caminhando em local plano a 4 km/h 165 Caminhando em local plano a 5 km/h 200 Taxa metabólica para diferentes atividades segundo ISO 7730 (2005) 16

17 A vestimenta impõe uma resistência térmica entre o corpo e o meio, representando uma barreira para as trocas de calor por convecção CLO: Unidade de medição da resistência térmica da roupa. (1 clo = 0.155m² C/W) Vestimenta Índice de resistência térmica I cl (clo) Meias 0,02 Meia calça grossa 0,10 Meia calça fina 0,03 Calcinha e sutiã 0,03 Cueca 0,03 Cuecão longo 0,10 Camiseta de baixo 0,09 Camisa de baixo mangas 0,12 compridas Camisa manga curta 0,15 Camisa fina mangas comprida 0,20 Camisa manga comprida 0,25 Camisa flanela manga comprida 0,30 Blusa com mangas compridas 0,15 Saia fina 0,15 Saia grossa 0,25 Vestido leve manda curta 0,20 Vestido grosso manga comprida 0,40 Suéter 0,28 Jaqueta 0,35 Bermuda 0,06 Calça fina 0,20 Calça média 0,25 Calça flanela 0,28 Botas 0,10 Sapatos 0,04 Índice de resistência térmica para vestimentas segundo ISO 7730 (2005) 17

18 Vestimenta 18

19 Temperatura do ar: Chamada de TBS (temperatura de bulbo seco) A sensação de conforto baseia-se na perda de calor do corpo através da diferença de temperatura entre a pele e o ar. As massas de ar são aquecidas em virtude do contato com a pele, permitindo a perda de energia do corpo. O ar mais quente torna-se mais leve e sobe enquanto o mais frio desce, proporcionando uma sensação de resfriamento do ambiente graças a movimentação do ar conhecida como convecção natural. Pei-Chun Liu (et al) Evaluation of buoyancy-driven ventilation in atrium buildings using computational fluid dynamics and reduced-scale air model. 19

20 Temperatura média radiante: Temperatura uniforme de um ambiente imaginário no qual a troca de calor por radiação é igual ao ambiente real não uniforme. Trocas entre um ambiente real e o corpo e entre um ambiente imaginário e o mesmo corpo, através da temperatura radiante média. Fonte: innova.dk Trocas de calor entre diferentes corpos 20

21 Umidade relativa do ar (UR): fornece a quantidade de vapor de água no ar em relação à quantidade máxima que pode conter, a uma determinada temperatura e pressão. À medida que a temperatura do meio se eleva, dificultando as perdas por convecção e radiação, o organismo aumenta sua eliminação por evaporação. Quanto maior a UR, menor a eficiência da evaporação na remoção do calor. A UR é utilizada para determinar a umidade absoluta (expressa em termos de pressão parcial de vapor), parâmetro que permite determinar as trocas por evaporação entre o homem e o ambiente. 21

22 Velocidade do ar: O valor deste parâmetro modifica as trocas de calor por convecção e evaporação de uma pessoa, retirando o ar quente e a água em contato com a pele com mais eficiência e assim, reduzindo a sensação de calor. (quanto maior for, maior será a sensação de perda de calor). UMIDADE RELATIVA DO AR VELOCIDADE DO AR PERDA DE CALOR POR EVAPORAÇÃO 22

23 Outras variáveis Idade Raça Hábitos alimentares Altura Sexo 23

24 Equipamentos para medição das variáveis ambientais Anemômetro de paletas sensor Termo anemômetro Termômetro de globo. Psicrômetro giratório para medição de TBS e TBU Temperatura do ar Velocidade do ar Temp. de Globo Umidade relativa 24

25 Cálculo da temperatura radiante média: pode se calcular através da T. globo e T. do ar Onde: Hcg ΔT D V é o coeficiente de troca de calor por convecção do globo; é a diferença de temperatura (tg - ta) é o diâmetro do globo (normal/ 15cm) é a Velocidade do ar (m/s) Coeficiente de troca de calor por convecção: Utiliza se para definir a equação a ser adotada no cálculo da temperatura radiante média Onde: tg ta V * * * * * * é a temperatura de termômetro de globo (C ); é a temperatura do ar ( C); é a Velocidade do ar (m/s) Dependendo do Coeficiente de troca de calor que for maior, adota se a temperatura radiante média para a forma de convecção correspondente a esse coeficiente 25

26 Cálculo da temperatura radiante média Exemplo: * * * Calcule a temperatura radiante média do ambiente, considerando a temperatura do ar de 29 C, a temperatura de termômetro de globo de 33 C e a velocidade do ar de 2 m/s < 26

27 A carta psicrométrica Estudo da mistura ar seco e vapor d água Relaciona as propriedades do ar úmido Para uma determinada pressão barométrica, permite obter a umidade relativa do ar a partir de TBS e de TBU 27

28 Cálculo da umidade relativa: carta psicrométrica Determinar a umidade relativa (UR), para 101,325 kpa, nas seguintes condições: a) TBS= 35 C e TBU= 24 C Resposta: UR= 40% b) TBS= 22 C e TBU= 19 C Resposta: UR= 75% c) TBS= 27 C e TBU= 25 C Resposta: UR= 85% 28

29 CÁLCULO + + modelos + cálculos + normas Pesquisas em Câmaras Climatizadas (Método PMV/PPD) Pesquisas de Campo (método adaptativo) Existem vários índices de conforto térmico, os quais se dividem em dois grandes grupos Baseado no balanço de calor. Considera o homem como receptor passivo do ambiente térmico Considera o home como agente ativo, que interage com o meio de acordo com suas sensações e preferências térmicas 29

30 Pesquisas câmaras climatizadas x campo 30 Exemplos de estudos em câmaras climatizadas: experiências com ocupantes (OLESEN, 1982); manequim térmico (CIOP/PIB); medição de conforto com dresseman (FRAUNHOFER). Exemplos de estudos em campo: fonte Tecnical University of Denmark; Calvino et al, 2004

31 Índices de conforto térmico Modelo Estático... Para dado nível de atividade, a temperatura média da pele (ts) e a taxa de secreção do suor (Esw) podem ser consideradas como as únicas variáveis fisiológicas que influem sobre o equilíbrio de calor na equação do conforto térmico... (Ole Fanger, 1970) Modelo Adaptativo... A temperatura de conforto não é uma constante, e sim varia de acordo com a estação, e temperatura a que as pessoas estão acostumadas... (Michael A.Humphreys, 1979) 31

32 Estático x Adaptativo Método estático x adaptativo com dados provenientes do banco de dados da ASHRAE 32

33 Modelo Estático PMV: O voto médio predito é um índice que prevê um valor médio de sensação térmica de um grande grupo de pessoas, segundo a escala de de 7 pontos (ASHRAE). Foi criado através de análises estatísticas de acordo com resultados obtidos por Fanger (1972) em estudos na Dinamarca em câmaras climatizadas. Nesses estudos as pessoas registravam seus votos através da escala sétima Muito quente Quente Levemente quente Neutro Levemente frio Frio Muito frio A escala sétima da ASHRAE, ou escala de sete pontos é utilizada para determinação real das sensações térmicas das pessoas A sensação térmica de um indivíduo é representada pela equação do PMV Onde: PMV= voto médio estimado, ou voto de sensação de conforto térmico M= Atividade desempenhada pelo individuo L= Carga térmica atuante sobre o corpo 33

34 Modelo Estático Substituindo o valor de L a equação do PMV fica da forma a seguir: Onde: M = Taxa metabólica, em W/m2, W = Trabalho mecânico, em W/m2, sendo nulo para a maioria das atividades, Icl = Resistência térmica das roupas, em m2.ºc/w, fcl = Razão entre a área superficial do corpo vestido, pela área do corpo nú, ta = Temperatura do ar, em ºC, tr = Temperatura radiante média, em ºC, var = Velocidade relativa do ar, em m/s, pa = Pressão parcial do vapor de água, em Pa, hc = Coeficiente de transferência de calor por convecção, em W/m2.ºC, tcl = Temperatura superficial das roupas, em ºC. Pode ser obtida a partir do MET (1MET=58,2W/m²) Pode ser obtida a partir do CLO (1CLO=0,155m².C/W) 34

35 Modelo Estático Devido à variação biológica entre as pessoas, é impossível que todos os ocupantes de um ambiente se sintam termicamente confortáveis ao mesmo tempo. O PPV (porcentagem de pessoas insatisfeitas) estabelece a quantidade estimada de pessoas insatisfeitas dentro de um ambiente. O PPD se baseia na percentagem de um grande grupo de pessoas que gostariam que o ambiente estivesse mais quente ou mais frio (voto +3, +2 ou -3 e -2, na escala sétima de sensações). Ele pode ser determinado analiticamente (conforme a equação abaixo em função do PMV), ou extraído da figura a seguir: PMV e PPD 35

36 Desconforto localizado: Assimetria de radiação Correntes de ar Diferença na temp. do ar no sentido vertical Pisos aquecidos ou resfriados 36

37 Desconforto localizado Assimetria da radiação: Pode ser causada por janelas frias, superfícies não isoladas, bocas de fornos, calor gerado por máquinas e outros Correntes de ar: Prevalece quando o voto de sensação térmica acontece abaixo de neutro e é um dos fatores mais incômodos em escritórios Diferença de temperatura no sentido vertical: A temperatura do ar normalmente aumenta com a altura em relação ao piso e a estratificação térmica resultante das situações onde a temperatura do ar no nível da cabeça é maior do que àquela ao nível do tornozelo pode gerar desconforto térmico local Piso aquecido/ resfriado: Devido ao contato direto dos pés com o piso 37

38 Aceitabilidade de ambientes térmicos Devido a prioridades locais e nacionais, desenvolvimento técnico e regiões climáticas, uma qualidade térmica mais alta ou qualidade mais baixa pode ser aceita. Em tais casos, o PMV e PPD, o modelo de corrente de ar, e a relação entre os parâmetros de desconforto térmico local, podem ser usados para determinar diferentes intervalos de parâmetros ambientais para a avaliação e projeto do ambiente térmico. Categori a Sensação térmica do corpo como todo PPD % PMV Correntes ar rio Desconforto local % de insatisfeitos Diferença temperatura ar vertical Piso quente/ frio Assimetria radiação A < 6-0,2<PMV<+0,2 < 10 < 3 < 10 < 5 B < 10-0,5<PMV<+0,5 <20 < 5 < 10 < 5 C < 15-0,7<PMV<+0,7 < 30 < 10 < 15 < Categoria de aceitabilidade do ambiente térmico segundo ISO 7730 (2005)

39 Modelo Adaptativo 39

40 Modelo Adaptativo Dúvidas quanto a aplicação do modelo estático em ambientes reais, e em regiões quentes e úmidas, iniciaram as discussões que deram origem ao modelo adaptativo. Adaptação ao clima interno Princípio básico do modelo adaptativo: ao ocorrer uma mudança de temperatura que gere desconforto térmico, as pessoas reagem de maneira a restaurar seu conforto. Ajustes Comportamentais/ Tecnológicos Aclimatação Adaptação fisiológica ao clima Os 3 componentes de adaptação ao clima interno. Adaptado de: de Dear, Brager e Cooper (1997) Habituação Adaptação psicológica/difere ntes expectativas Neste modelo são considerados outros fatores além dos da física e fisiologia: demografia (gênero, idade, classe social), contexto (composição da edificação, estação, clima) e cognição (atitudes, preferências e expectativas). 40

41 Três categorias de adaptação: Ajustes Comportamentais: Modificações conscientes ou inconscientes - Ajustes pessoais: roupa, atividade, postura; - Ajustes Tecnológicos ou Ambientais: Fechar/Abrir janelas, ligar o ventilador; Ajustes Fisiológicos: Mudanças nas respostas fisiológicas - Adaptações genéticas: herança genética de um indivíduo ou grupo de pessoas; - Aclimatação: mudanças inerentes ao sistema termo-regulador; Ajustes Psicológicos: Percepções e reações das informações sensoriais - Habituação, exposição repetitiva ou crônica, que conduz a uma diminuição da intensidade da sensação evocada anteriormente. 41

42 Modelo Adaptativo A nova versão da norma americana ASHRAE Standard apresenta um método opcional para determinação condições térmicas aceitáveis em espaços naturalmente ventilados. Limites aceitáveis da temperatura operativa para espaços condicionados naturalmente. ASHRAE

43 Avaliação de Conforto Térmico Os índices de conforto térmico podem ser estimados com o auxílio de softwares, ou através de calculadoras online: Ex.: Universidade de Berkeley TC Tool ( tool) 43

44 Avaliação de Conforto Térmico Ex.: Universidade de Berkeley TC Tool ( 44

45 O PMV também pode ser calculado pelas tabelas do anexo E da norma ISO Elas se aplicam em ambientes com umidade relativa do ar (UR) de 50% 45

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47 ASHRAE 55: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy Última publicação: 2013 ISO 7730: Ergonomics of the thermal environment Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria. Última publicação: 2005 ISO 7726: Ergonomics of the thermal environments - instruments for measuring physical quantities. Última publicação: 1998 NORMA BRASILEIRA:?? NBR Instalações de ar condicionado Sistemas centrais e unitários - Parte 2: Parâmetros de conforto térmico (2008). Está previsto que a revisão desta norma contemple atualizações de acordo com as últimas pesquisas e revisões das principais normais internacionais