Módulo 6 Conforto Térmico III Março/2010
Cronograma HORÁRIO MATÉRIA Sexta 18:00 20:00 Desempenho térmico: Processos de transmissão de calor. 20:05 23:00 Propriedades térmicas dos materiais. Exercício de avaliação. Sábado 08:00 10:00 Aplicação da NBR.15220 10:00 11:30 Aplicação da NBR.15220 11:30 13:00 Aplicação da NBR 15220 14:00 17:00 Exercício de Avaliação 17:05 18:00 Ventilação Domingo 08:00 10:00 Cálculo da Ventilação 10:00 13:00 Avaliação e correção da avaliação Pág.: 2
Índice 1 DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES...... 4 1.1 Processos de transferência de calor... 4 1.1.1 Condução, convecção e radiação... 4 1.2 Propriedades térmicas dos materiais... 5 1.3 Cálculo para paredes, coberturas e janelas: Aplicação da NBR-15.220...11 2 VENTILAÇÃO... 18 2.1 Ventilação nos espaços internos...19 2.1.1 Cálculo de ventilação...20 3 BIBLIOGRAFIA...21 ANEXOS Pág.: 3
DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES Para a sustentabilidade e eficiência energética das construções, o desempenho térmico do edifício é um dos principais elementos a serem considerados, determinando o conforto térmico do usuário. Uma edificação, sujeita às variações climáticas externas, deve promover o conforto térmico do homem em seu ambiente interno. Porém, uma edificação é uma estrutura rígida que não se auto-regula, como é o caso dos seres vivos, e por isso mesmo é necessário conhecer os princípios termodinâmicos que agem sobre ela, para que as trocas de calor proporcionem ambientes internos apropriados ao desenvolvimento das atividades humanas no seu interior. O estudo do desempenho térmico de edificações requer, portanto, o conhecimento de processos de transmissão de calor e das propriedades térmicas dos materiais. 1.1 Processos de transferência de calor Na transferência de calor, um dos principais conceitos envolvidos é a temperatura. O conceito de temperatura pode ser descrito como o grau de calor contido em um sistema, corpo ou meio fluido. A condição para que haja transferência de calor é haver diferença de temperatura entre os corpos (ou parte deles) ou meio. Havendo diferença de temperatura (ou gradiente de temperatura em um mesmo corpo), haverá fluxo de calor do corpo (ou parte dele) de maior temperatura para aquele de menor temperatura. Como essa transferência depende diretamente da diferença de temperatura, à medida que o corpo de menor temperatura se aquece, diminui essa diferença e a velocidade de transmissão do calor se reduz. O tempo é, portanto, uma variável importante no processo de transmissão de calor. Quando é considerado que o processo de transmissão de calor depende não só da temperatura, mas também do tempo, adota-se a denominação de regime transitório ou transiente. Em condições normais, sob as condições de variações climáticas externas, o edifício está sujeito ao regime transitório de transmissão de calor. No entanto, por razões didáticas, para efeitos de simplificação de cálculos, muitas vezes adotam-se procedimentos que assumem que as temperaturas são mantidas constantes durante um tempo indeterminado. Esse regime constante é denominado regime permanente de transferência de calor. A transferência de calor ocorre por três tipos de mecanismos, que podem agir separadamente ou em conjunto (o que é mais habitual). São eles: condução, convecção e radiação. 1.1.1 Condução, Convecção e Radiação A condução é o processo de transmissão de energia térmica em corpos sólidos que estejam em contato, exigindo, portanto, continuidade física da matéria. É feita pelo movimento vibratório de moléculas aquecidas, que se colidem e transportam energia para as mais frias, sem que haja deslocamento de matéria. Como a taxa de transferência de calor é proporcional ao gradiente de temperatura, a transmissão de calor por condução pode ser equacionada pela Lei de Fourier: Q = - λ.a.t/x OBS: O sinal negativo da expressão é uma indicação do fluxo de calor no sentido da maior temperatura para a menor temperatura. onde: Q é a taxa de transferência de calor (W) λ é a condutividade térmica característica de cada material (W/m.K) A é a área da superfície considerada (m 2 ) T/x é o gradiente de temperatura na direção do fluxo (K/m) Pág.: 4
radiação convecção condução Figura 1 Condução, convecção e radiação A convecção é a passagem de calor em meios fluidos ou gases, pela diferença de temperatura e de densidade entre duas regiões, envolvendo transporte de matéria. Quando as moléculas entram em contato entre si, a transferência de calor que se produz no interior desse fluido é um processo de condução, mas a troca de energia ocorre por transferência de massa. A convecção pode ser natural ou forçada. Quando ocorre espontaneamente por diferenças de densidades provocadas pelas diferenças de temperaturas, chama-se convecção natural; quando ocorre por meios mecânicos, produzidos artificialmente, chama-se convecção forçada. O calor transmitido por convecção pode ser expresso pela Lei de Newton: onde: h é o coeficiente de convecção (W/m2. o C) Tp é a temperatura da superfície ( o C) T é a temperatura do fluido ( o C) q = h.a.(tp - T) O coeficiente h indica a quantidade de calor que se transfere da superfície até o fluido, por unidade de tempo e unidade de área, quando a diferença de temperatura entre a superfície e o fluido é de 1 o C. No caso da convecção natural, esse valor depende de diferenças de temperaturas, do tipo de superfície, da posição e da dimensão. Quando se trata de convecção forçada, depende principalmente da velocidade do ar. A radiação é uma emissão de energia em forma de ondas eletromagnéticas. A radiação é um processo que não requer contato entre os corpos, podendo ocorrer mesmo no vácuo. Nas trocas de calor por radiação é importante verificar que cada corpo possui seu fator de emissividade e nem toda a radiação emitida por um corpo chega ao outro, pois depende da posição (visibilidade) entre eles. A quantidade de calor por radiação emitida por um corpo é regida pela Lei de Stefan- Boltzmann: onde: q = Fe.Fg..A (T 1 4 - T 2 4 ) Fe é a função emissividade, que leva em conta dimensões e emissividade das superfícies Pág.: 5
Fg é o fator de forma, que relaciona uma superfície com a outra é a constante de Stefan-Boltzmann, que vale 5,669 x 10-8 W/m 2. K 4 T 1 e T 2 são as temperaturas em K A radiação recebida por um corpo pode ser proveniente do Sol, sendo denominada radiação de ondas curtas, ou ser originária da emissão de superfícies em função da temperatura alcançada; nesse caso denominada radiação de ondas longas. Uma parte da energia radiante que incide sobre um corpo é perdida em função da sua capacidade de absorver, refletir e transmitir calor. Para as ondas longas, a quantidade absorvida pode ser considerada igual à quantidade emitida. 1.2 Propriedades térmicas dos materiais Os materiais apresentam características térmicas que influem nas trocas de calor (como pode ser verificado nas expressões matemáticas que exprimem os processos de transmissão de calor anteriormente abordados) e, por consequência, determinam o desempenho térmico do edifício. O parâmetro denominado condutividade térmica (W/m.K) é um coeficiente, que inclui as trocas envolvidas no interior do material e que define a capacidade do mesmo de conduzir o calor. A condutividade térmica determina a quantidade de calor que atravessa um metro linear do material, em uma unidade de tempo, para cada unidade de temperatura diferente entre dois pontos considerados. O valor alcançado para a condutividade térmica permite classificar os materiais como isolantes ou condutores, ou seja, se sua capacidade de conduzir calor é alta, eles são bons condutores; sendo baixa, os materiais são isolantes. Em geral, essa propriedade guarda determinada relação com a densidade de massa aparente do material (kg/m3). Quanto mais denso, melhor condutor, pois apresenta mais partes sólidas. Quanto mais porosos, melhores isolantes, porque apresentam maior quantidade de ar, que, por sua vez, quando parado é menos condutor. No entanto, o aumento da porosidade do material tem um limite ótimo, acima do qual, há um aumento das trocas de calor por convecção, dentro do material, que podem aumentar a sua condutividade, pelo ganho de calor causado por essas trocas. O valor da condutividade aumenta com o incremento da umidade no material, porque a água é melhor condutor do que o ar, e como passa a preencher os poros do material, esse passa a ter maior condutividade. Normalmente, os valores de condutividades encontrados em bibliografias são relativos ao material seco. Na prática, é mais comum que seja tomada a razão entre a espessura do elemento construtivo e a condutividade térmica, revelando a capacidade do material em resistir à passagem de calor e possibilitando assim a melhor comparação entre os elementos construtivos. Esse parâmetro é denominado resistência térmica de elementos e componentes e é expresso por: e R onde: R é a resistência térmica do elemento (m 2.K/W) e é a espessura do material (m) λ é a condutividade térmica (W/m.K) Quanto maior é a espessura do elemento, maior é a resistência e, quanto maior é a condutividade, menor é a resistência. A resistência térmica R acima mencionada considera apenas o material propriamente dito, porém, devem ser ainda levadas em conta as resistências superficiais exercidas pelas faces do material (camada limite). Essas são devidas à resistência da própria camada de ar adjacente à superfície, que promovem coeficientes de radiação e de convecção, que são traduzidos pelos coeficientes de convecção externa e interna. Além disso, o material pode apresentar diversas camadas com diferentes resistências, que também devem ser levadas em conta. Desse modo, a resistência térmica total de uma Pág.: 6
superfície é a soma das resistências superficiais (interna e externa) e das resistências de todas as camadas que compõem o material propriamente dito. Assim sendo é definida por: R T R se R R t si convecção condução convecção R se R t R si Figura 2 Resistência térmica onde: RT é a resistência térmica total (m 2.K/W) R se é a resistência superficial externa R si é a resistência superficial interna R t é resistência resultante de todas as camadas do material e cuja forma de cálculo varia em função do componente apresentar camadas homogêneas ou camadas homogêneas e não homogêneas. No caso de componentes com apenas camadas homogêneas, a resistência térmica resultante do componente é calculada por: R t = R 1 +R 2 +...+R n Ou seja, é a soma das resistências de cada camada homogênea, inclusive aquelas que corresponderem a camadas de ar. No caso de componentes com camadas homogêneas e não homogêneas, a resistência térmica resultante é: a b n R = A + A +...+ A t Aa Ab An... Ra Rb Rn onde: Ra, Rb,..., Rn são as resistências térmicas de cada seção (a, b,...n) Aa, Ab,..., An são as áreas de cada seção O inverso da resistência térmica total determina a transmitância térmica ou ainda o coeficiente global de transferência de calor: U 1 R T Pág.: 7
Onde: U é a transmitância térmica (W/m 2.K) R T é a resistência térmica total (m 2.K/W) Para o regime transitório, é importante ainda lembrar que a condutividade térmica influi também no gradiente de temperatura. Nesse caso a característica da difusividade térmica permite identificar essa influência:.c onde: α é a difusividade térmica (m 2 /s) λ é a condutividade térmica característica de cada material (W/m.K) ρ é a densidade de massa aparente (kg/m 3 ) c é o calor específico do material (J/kg.K) A capacidade térmica e o calor específico por sua vez determinam a variação de temperatura de uma superfície. A capacidade térmica é a quantidade de calor necessária para variar a temperatura do sistema em uma unidade (J/K), enquanto o calor específico é o quociente da capacidade térmica pela massa (J/kg.K). É o calor específico de cada material que provoca as diferenças que podem ser alcançadas entre as temperaturas de dois materiais distintos, porém submetidos a uma mesma fonte de calor (madeira e metal, por exemplo, quando submetidos a uma mesma orientação e incidência solar). A capacidade térmica para camadas homogêneas é expressa por: C n n T i.r i.c i. i e i.c i. i1 i1 i Pág.: 8
Para camadas homogêneas e não homogêneas, a capacidade térmica é calculada por: C T Aa A Aa A C C T a b b T b... An A... C n T n onde: C Ta,..., C Tn são as capacidades térmicas de cada seção A a, A b,..., A n são as áreas de cada seção Tomando-se um componente sujeito à radiação solar direta, por exemplo, é possível ainda observar que a temperatura atingida pela sua superfície externa, em determinado instante, não é igual àquela alcançada pela superfície interna, no mesmo instante. Como a superfície externa está sujeita diretamente à fonte de calor, o fluxo de energia tenderá a assumir o sentido externointerno (da maior temperatura para a menor temperatura) e levará um tempo para alcançar a parte interna do fechamento. Assim a diferença térmica não será notada instantaneamente pela face interna, revelando um atraso térmico. Para camadas homogêneas esse pode ser estimado por: 1,382.e. ρ.c 3,6.λ ou ainda por: 0,7284. R t.c T sendo: φ o atraso térmico (h) e a espessura da placa (m) λ condutividade térmica do material (W/m.K) ρ é a densidade de massa aparente do material (kg/m 3 ) c é o calor específico do material (J/kg.K) R t é a resistência térmica de superfície a superfície (m 2.K/W) C T é a capacidade térmica do componente (J/K) Para n camadas de diferentes elementos perpendiculares ao fluxo o valor pode ser estimado por: 1,382.R t. B B 1 2 Pág.: 9
onde B 1 e B 2 são calculados por: B 1 =0,226.B o /R T B o = C T -C Text B,205. c 2. R 0 ext ext R t R ext 10 sendo ext uma referência à última camada do componente. Além do atraso térmico, as variações térmicas ocorridas em uma das faces não se manifesta com valores iguais na face oposta, ou seja, ao ser submetido um fechamento a uma variação de temperatura, haverá um amortecimento na amplitude desta variação. Assim, chama-se capacidade de amortecimento à propriedade do fechamento de diminuir a amplitude de variações térmicas. O amortecimento para elementos homogêneos num período de 24 horas é expresso por: amortecimento 1 0,36. L ( ) v ( 2,72) onde: L é a espessura (m) v é a difusividade térmica (m 2 /s) A estas duas propriedades em conjunto - atraso e amortecimento - dá-se o nome de inércia térmica. Deste modo, uma construção terá maior inércia térmica, quanto maior for a espessura de suas paredes. Em termos construtivos, para adaptação da edificação ao clima, a espessura da parede depende das condições climáticas apresentadas pelo local. Te Ti Figura 3 Inércia térmica: atraso e amortecimento Os materiais também possuem características próprias diante da radiação solar (considerada radiação de ondas curtas): absortância à radiação solar, transmitância à radiação solar e refletância à radiação solar. Observa-se que, quando a energia solar atinge uma superfície, parte da radiação é absorvida, outra parte refletida e/ou transmitida. A soma dessas três parcelas é igual à unidade (refletância à radiação solar + transmitância á radiação solar+ absortância à radiação solar = 1). Pág.: 10
A refletância à radiação solar é um fator que depende diretamente da cor e polimento da superfície. Apesar do nosso olho nem sempre conseguir distinguir entre as cores que absorvem mais ou menos calor, normalmente superfícies com cores mais claras e mais polidas são mais refletora que aquelas escuras e mais texturizadas. As cores mais escuras normalmente contribuem para maior quantidade de radiação solar absorvida, elevando a temperatura do componente. A transmitância à radiação solar só tem valor para superfícies transparentes ou translúcidas. Para superfícies opacas seu valor é nulo (refletância à radiação solar + absortância à radiação solar = 1). A absortância à radiação solar, juntamente com a transmitância térmica e a resistência superficial tem sua grande influência em um parâmetro denominado fator solar. O fator solar representa a razão entre a taxa de radiação solar transmitida através de um componente e a taxa de radiação solar total incidente em sua superfície externa. Para superfícies opacas o fator solar é estimado por: FS o = 100.U.α.Rse onde: FS o é o fator solar de superfícies opacas (porcentagem) α é absortância à radiação solar (função da cor) Rse é a resistência superficial externa (admitida constante 0,04) U é a transmitância térmica do componente Para superfícies transparentes ou translúcidas o fator solar é: FSt = U.α.Rse + τ onde: FSt é o fator solar de elementos transparentes ou translúcidos (porcentagem) U é a transmitância térmica do componente Rse é a resistência superficial externa τ é a transmitância à radiação solar α é a absortância à radiação solar função da cor Por outro lado, diante da radiação térmica de ondas longas, os materiais são capazes de emitir calor decorrente das temperaturas atingidas em suas superfícies. A taxa de radiação emitida por uma superfície em relação à taxa emitida por um corpo negro à mesma temperatura é denominada emissividade. Esta é uma característica que independe da cor, mas que guarda determinada relação com o polimento da superfície. Em geral as superfícies polidas têm baixa emissividade. Nas trocas de calor envolvidas no ambiente construído cabe ainda lembrar a influência do conteúdo de água no ar e nos materiais. A água, por estar sujeita à mudanças de estado (líquido e vapor), quando presente no ar, promoverá trocas por evaporação ou por condensação. A mudança de estado requer o envolvimento de determinada quantidade de calor. Portanto, para passar de líquida para gasosa (evaporação), a água retira calor da superfície que está em contato. A velocidade de evaporação dependerá do grau higrométrico e da velocidade do ar. O ar, por sua vez, tem uma capacidade máxima de reter vapor d'água a uma determinada temperatura. Quanto maior a temperatura, maior a capacidade do ar em reter vapor d'água. Quando o ar está saturado (umidade relativa = 100%) significa que está na sua capacidade máxima de reter vapor d'água. Desta forma, qualquer queda na temperatura acarreta a condensação de uma quantidade de água, que é acumulada nas superfícies mais frias e acompanhada de um dispêndio de energia. Pág.: 11
A condensação de água pode ocorrer também no interior dos materiais, conforme a sua porosidade. Os materiais de construção oferecem resistência à passagem de vapor d'água, caracterizando sua permeabilidade (termo usado para materiais delgados) ou porosidade (termo usado para materiais de espessura considerável). A resistência à passagem do vapor d'água Rv é dada por: onde: L é a espessura do material é a porosidade do material Rv = L/ Para uma parede com diversas camadas, a resistência total à passagem de vapor é a soma das resistências parciais: Rv = Rv 1 + Rv 2 +...+Rv n Pág.: 12
1.3 Cálculo para paredes, coberturas e janelas: Aplicação da NBR15.220 da ABNT Para o cálculo do desempenho de componentes a ABNT, a NBR-15.220 de Desempenho térmico de edificações indica um método de cálculo baseado na determinação dos parâmetros de transmitância térmica, atraso térmico e fator solar. Estes parâmetros são indicados pela norma para classificar as paredes e coberturas. As paredes podem ser classificadas em: Paredes leves, quando U <=3 φ<=4,3 FS <=5; Paredes Leves refletoras, quando U <=3,6 φ<=4,3 FS <=4; Paredes pesadas, quando U <=2,2 φ>=6,5 FS <=3,5. As coberturas podem ser classificadas em: Cobertura leve isolada, quando U <=2 φ<=3,3 FS <=6,5; Cobertura leve refletora, quando U <=2,3 φ<=3,3 FS <=6,5; Cobertura pesada, quando U <=2 φ>=6,5 FS <=6,5. Quanto às aberturas para ventilação, a norma as classifica em: Pequenas, quando são de 10 % a 15% da área de piso; Médias, quando são de 15% a 25% da área de piso; Grandes, quando são maior que 40% da área de piso. Pág.: 13
Para a identificação desses parâmetros, o método adota as fórmulas já referenciadas no tópico anterior. De uma forma resumida, o método pode ser esquematizado em alguns passos, considerando-se as tabelas fornecidas pela NBR-15.220: R T = R si +R t +R se Consultar tabela A.1 para R se e R si U = 1/R T C n n T i.r i.c i. i e i.c i. i1 i1 ou sua equivalente se for composta por camadas não homogêneas i Consultar tabela B.3 para λ, ρ, c 0,7284. R t.c T Se opaco FS o = 100.U.α.Rse Consultar tabela B.2 para α Se translúcido ou tranparente FS t = U.α.R se + Pág.: 14
Para o cálculo de R T e de C T é importante lembrar as diferenças de cálculo entre componentes de camadas homogêneas e aqueles de camadas homogêneas e não homogêneas (ou hetergêneas), conforme as fórmulas já demonstradas no item anterior. Além disso, no caso das camadas serem referentes a camadas de ar, é necessário verificar se essas camadas são ventiladas e que tipo de ventilação. Nesse caso o procedimento para cálculo da resistência térmica da camada de ar deve seguir o esquema abaixo: Não ventilada Obter valor de R ar na tabela B.1 Componentes com camadas de ar Se parede, S/L <500. Se cobertura, S/A<30. Pouco ventilada Ventilada * * Se parede, S/L >= 500. Se cobertura, S/A>=30. S = área total de ventilação em cm 2 L = comprimento da parede em m A = altura da cobertura Muito ventilada inverno verão Desconsiderar camada externa R T =2R si +R t Cabe salientar também que no caso de superfícies translúcidas ou transparentes, como vidros, seu comportamento revela transparência à passagem de radiações visíveis. Nos vidros comuns, por exemplo, cerca de 80% dos comprimentos de onda entre 0,4 e 2,8 µm são transmitidos através das suas superfícies, porém, para comprimentos de onda acima de 4 µm, o vidro se comporta de maneira opaca à transmissão desses raios. Por esta razão, o vidro promove o efeito estufa. Uma vez que a quantidade de radiação solar é transmitida através do vidro, as superfícies internas da edificação (paredes, móveis, pisos, etc) a absorvem, se aquecem e passam a emitir em comprimentos de onda que não conseguem atravessar o vidro (cerca de 9 µm). Ocorre, portanto, um aquecimento do ar interno. Por esta razão, o cálculo do fator solar de superfícies transparentes é diferenciado daquele de superfícies opacas. Este fator representa a razão entre a quantidade de radiação solar que atravessa e aquela que incide sobre a superfície transparente. O valor do fator solar depende do tipo das superfícies transparentes (vidro, policarbonato, acrílico, etc), pois estas podem possuir pigmentação ou mesmo influência de protetores solares, o que pode alterar transmitância, refletância e absortância à radiação solar. Todo o cálculo do desempenho de componente pode ser facilmente realizado através do freeware Transmitância desenvolvido pelo Labeee-UFSC, disponível para download no site www.labeee.ufsc.br. Pág.: 15
Na norma é estabelecido ainda um zoneamento bioclimático para todo o Brasil, no qual o território é dividido em 8 zonas bioclimáticas e são apontadas as recomendações para a adequação do edifício ao clima local. São elas (todas as imagens desta tabela foram adaptadas da NBR-15.220): ZONA 1 Aberturas médias Sombreamento com sol no inverno Parede leve Cobertura leve isolada Inverno: aquecimento solar inércia térmica interna Passivo insuficiente no frio ZONA 2 Aberturas médias Sombreamento com sol no inverno Parede leve Cobertura leve isolada Verão: ventilação cruzada Inverno: aquecimento solar inércia térmica Passivo insuficiente no frio Pág.: 16
ZONA 3 Aberturas médias Sombreamento com sol no inverno Parede leve refletora Cobertura leve isolada Verão: ventilação cruzada Inverno: aquecimento solar inércia térmica Passivo insuficiente no frio ZONA 4 Aberturas médias Sombreamento Parede pesada Cobertura leve isolada Verão: resfriamento evaporativo e massa térmica ventilação seletiva Inverno: aquecimento solar inércia térmica interna Pág.: 17
ZONA 5 Aberturas médias Sombreamento Parede leve refletora Cobertura leve isolada Verão: ventilação cruzada Inverno: inércia térmica interna ZONA 6 Aberturas médias Sombreamento Parede pesada Cobertura leve isolada Verão: resfriamento evaporativo e massa térmica ventilação seletiva Inverno: inércia térmica interna Pág.: 18
ZONA 7 Aberturas pequenas Sombreamento Parede pesada Cobertura pesada Verão: resfriamento evaporativo e massa térmica ventilação seletiva ZONA 8 Aberturas grandes Sombreamento Parede leve refletora Cobertura leve refletora (ático ventilado) Verão: Ventilação cruzada Pág.: 19
VENTILAÇÃO A ventilação é um dos fatores que influi no desempenho térmico de uma edificação. A infiltração através de portas, janelas ou fendas é normalmente uma ocorrência natural nos edifícios. No entanto, a ventilação para o conforto deve ser controlada, permitindo as trocas de calor do usuário, a renovação para oxigenação, remoção de odores, retirada do excesso de vapor d água e resfriamento das superfícies aquecidas. A ventilação representa a troca de ar entre o ambiente interno e o ambiente externo. A origem da ventilação terrestre está no topo da atmosfera (termosfera), onde chega a radiação solar em uma quantidade chamada de "constante solar" e que governa o aquecimento da camada atmosférica. Quanto menor o caminho percorrido pelos raios solares na atmosfera, em geral, maior a quantidade de radiação que atinge o solo terrestre, ocasionando aquecimento diferenciado entre as regiões do globo terrestre. Este aquecimento diferenciado gera correntes convectivas, pois a atmosfera tende a igualar as suas diferentes áreas de pressão e temperatura. O movimento de ar é gerado sempre da região de maior pressão para a de menor pressão, resultando assim em movimentos convectivos globais. Observam-se ainda movimentos gerados pela presença das massas de água e terra e as diferentes coberturas do solo. Sempre que há uma diferença de temperatura e pressão, origina-se o movimento do ar. Assim, o aquecimento diferenciado entre o mar e a terra provoca brisas marinhas (normalmente diurnas) e brisas terrestres (normalmente noturnas); pelo mesmo motivo, são geradas as brisas de vale (normalmente diurnas) e de montanha (normalmente noturnas). A configuração das cidades pode causar alterações na velocidade e direção dos ventos. O aumento da densidade construtiva ocasiona, normalmente, uma diminuição da velocidade do ar, pelo aumento da superfície de atrito. Por outro lado, a concentração das edificações em zona urbana origina movimentos locais (microclima). Sob este aspecto, a altura das edificações é um importante fator, pois em prédios de grandes alturas, o fluxo de ar de maior velocidade existente acima das edificações pode ser desviado para baixo, aumentando a velocidade do vento naquele local. A forma como a edificação é implantada na rede urbana determina maior ou menor possibilidade de ventilação. Quando os corredores urbanos formados são paralelos à direção do vento, são formados canais livres de obstáculos, proporcionando maior ventilação às edificações. Quando estes corredores são perpendiculares à direção do vento, menores são as condições de ventilação gerada. Assim como, edificações compactas são obstáculos para aquelas implantadas a sotavento, enquanto as edificações mais porosas podem criar maior possibilidade de ventilação a sotavento. As construções produzem vários efeitos aerodinâmicos no vento: efeito de pilotis, efeito de esquina, efeito de barreira, efeito de Venturi, efeito de canalização, efeito de esteira, efeito de redemoinho, efeito das zonas de pressão diferente, efeito de malha e efeito de pirâmide. No contexto urbano é importante ressaltar ainda as influências da vegetação no movimento do ar. A velocidade do vento pode aumentar com a presença de grandes áreas de vegetação rasteira e pode diminuir com a presença de bosques densos. Além disso, a presença de vegetação provoca diferentes temperaturas, podendo gerar movimento do ar por diferenças térmicas (efeito chaminé). A vegetação pode ser utilizada para controle do vento, obstruindo-o, defletindo-o, filtrando-o ou direcionando-o, porém sua eficiência está diretamente ligada a sua permeabilidade e suas dimensões. 1.4 VENTILAÇÃO NOS ESPAÇOS INTERNOS Pág.: 20
A necessidade de ventilação dos espaços internos ocorre devido às exigências higiênicas e térmicas do ser humano. As exigências higiênicas referem-se a: odores, respiração e vapor d'água no ar. As exigências térmicas referem-se à eliminação do calor ganho através dos elementos construtivos. Normalmente, em épocas frias são requeridas exigências higiênicas, para haver apenas renovação do ar, eliminando-se odores e otimizando-se a respiração dos usuários. Em épocas quentes são requeridas as exigências térmicas, para retirada do calor das superfícies e para proporcionar o conforto térmico do usuário. Existem formas naturais e artificiais para se ventilar o ambiente e deve ser sempre considerado que o fluxo do ar apresenta inércia, produz fricção ou atrito e ocorre por diferença de pressão. A ventilação natural pode ser feita por princípios baseados na diferença de pressão e temperatura ou no aproveitamento do vento, enquanto que a ventilação artificial é promovida através de aparelhos e equipamentos. A ventilação natural pode ser dividida em térmica e dinâmica. A térmica é também chamada de efeito chaminé e a dinâmica efetua-se por ação dos ventos. O efeito chaminé ocorre quando há diferença térmica entre duas massas de ar tanto em áreas urbanas, como já foi mencionado, como no caso do interior de edificações. As diferenças de temperatura entre o ar interno e o externo causam diferenças de densidade e pressão, provocando assim o movimento do ar no caso de existirem aberturas em diferentes alturas da edificação. A ventilação natural dinâmica pode ser exemplificada através da incidência do vento sobre uma placa. O aumento da pressão do ar sobre essa placa e a diminuição de pressão à sotavento, produz zona positiva e zona negativa de pressão, promovendo diferenças de pressão. Assim ocorrerá um aumento da velocidade do ar nas extremidades da placa e uma zona de sucção na zona posterior. Como as diferentes formas de posicionamento de aberturas nas construções resultam em diferentes direções e caminhos percorridos pelo ar, não basta que a edificação esteja submetida ao vento para que ocorra a ventilação adequada. A ventilação para conforto por diferença de pressão deve permitir que o fluxo de ar atravesse o ambiente, configurando-se no que se chama ventilação cruzada. Para que ela ocorra é necessário que haja aberturas, tanto em zona de alta pressão, como em zona de baixa pressão, promovendo a entrada e a saída de ar. A configuração do fluxo de ar no interior de uma edificação é influenciada pelo local e tamanho das aberturas de entrada do ar, pelo tipo e forma da abertura e pela localização de superfícies e componentes próximas a essas aberturas. Para melhor aproveitamento da ventilação cruzada, normalmente as aberturas devem ser posicionadas de forma a captar a maior incidência dos ventos dominantes, promovendo maior número de trocas de calor. Em geral, quanto mais próxima da perpendicular é a direção do vento em relação à entrada de ar, maior a diferença de pressão através da edificação. As aberturas de entrada sendo menores que as aberturas de saída aumentam a taxa de ventilação. 1.4.1 CÁLCULO DA VENTILAÇÃO Para o cálculo da ventilação Lamberts et al (2007) descrevem um algoritmo simplificado. Nele o fluxo de ar em m 3 /s para ventilação cruzada gerado por vento pode ser estimado por: Pág.: 21
Q vento 0,6 AV. C sendo: V a velocidade do vento em m/s na altura de interesse, podendo ser calculada por V A V 10 K Z, onde: V 10 é a velocidade do vento a 10m (normalmente fornecida pelas estações meteorológicas); Z é a altura da cumeeira para edificações de 2 andares ou a altura da janela para aquelas mais altas; K e A são coeficientes dados em função da localização da edificação (campo aberto K=0,68 e A=0,17; campo com algumas barreiras K=0,52 e A=0,20; ambiente urbano K=0,40 e A=0,25, centro de cidade K=0,31 e A=0,33) A área útil equivalente de aberturas em m 2 calculada por 1 1 A, para a qual, quando existirem áreas de portas intermediárias entre a 2 2 A entrada A saída área de entrada e a de saída, deve ser acrescentado ainda o termo 1 Aporta ΔC é o coeficiente de pressão do vento, que é dado em função do ângulo de incidência (θ) sobre a abertura. Seu valor pode ser extraído de tabelas como aquelas encontradas em Bittencourt & Cândido (2005 anexo B.1 a B.6), que apresentam o coeficiente para algumas tipologias simples. Ou ainda, conforme simplificado por Lamberts et al. (2007) (Para campo aberto: se 0<θ<30 o ΔC =1,2, se 30 o < θ<90 o ΔC =0,1+0,0183. (90-θ). No caso de loteamentos são aplicadas correções em função da distância entre casas, sendo: a correção para o caso de uma casa igual a 0,30. ΔC e para o caso de duas casas igual a 0,60. ΔC). 2. O número de trocas de ar por hora é então calculado pela expressão: N Q.3600 V As expressões acima sofrem algumas alterações se a ventilação for gerada por diferença de temperatura ou, tanto por vento, quanto por diferença de temperatura. Para maiores detalhes consultar Lamberts et al. (2007). Pág.: 22
BIBLIOGRAFIA ASSOCIAÇÃO Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NBR15220-1 - Desempenho térmico de edificações - Parte 1: Definições, símbolos e unidades. Rio de Janeiro, ABNT, 2005. ASSOCIAÇÃO Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NBR15220-2 - Desempenho térmico de edificações - Parte 2: Métodos de cálculo da transmitância térmica, da capacidade térmica, do atraso térmico e do fator solar de elementos e componentes de edificações. Rio de Janeiro, ABNT, 2005. ASSOCIAÇÃO Brasileira de Normas Técnicas (ABNT). NBR15220-3 - Desempenho térmico de edificações - Parte 3: Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social. Rio de Janeiro, ABNT, 2005. BITTENCOURT, L.; CÂNDIDO, C. Introdução à ventilação natural. MACEIÓ: EDUFAL, 2005. LAMBERTS, R.; GHISI, E.; ABREU, A.L.P.; CARLO, J.C.; BATISTA, J.O.; MARINOSKI, D.L. Desempenho tèrmico de edificaçôes. Florianópolis, LABEEE, 2007. (Apostila da disciplina ECV 5161) disponível em: www.labeee.ufsc.br EGAN, M. D. Concepts in Thermal Comfort. New Jersey, Prentice-Hall, 1975. FROTA, A. B. & SCHIFFER, S. Manual de Conforto Térmico. São Paulo, Nobel, 1 ª edição, 1988. GIVONI, B. Comfort, climate and building design guidelines, Energy and Buildings, 18 (1992), 11-23. MASCARÓ, L. R. Energia na Edificação: estratégia para minimizar seu consumo. São Paulo: Projeto, 1985. OLGYAY, V. & OLGYAY, A. Design with Climates: bioclimatic approach to architectural regionalism. Princeton, Princeton University Press, 1963. RIVERO, R. Arquitetura e Clima: condicionamento térmico natural. Porto Alegre, D. C. Luzzatto Editores, 1986, 2 a edição. Pág.: 23
ANEXOS PARTE DOS VALORES FORNECIDOS PELA ABNT NA TABELA A.1, B.1, B.2 e B.3 DA NBR-15.220 A.1 Resistência térmica superficial interna e externa (Fonte: adaptada da NBR- 15.220) Fluxo Resistência Interna (m 2.K)/W Resistência Externa(m 2.K)/W Horizontal 0,13 0,04 Vertical Ascendente 0,10 0,04 Vertical Descendente 0,17 0,04 B.1 Resistência térmica de câmaras de ar não ventiladas com largura muito maior que a espessura (valores válidos para temperatura média entre 0 e 20 o C), com diferença de temperatura menor que 15 o C (Fonte: adaptada da NBR-15.220) Natureza Emissividade > 0,8 Emissividade < 0,2 Espessura da câmara Resistência Térmica da câmara (m 2.K/W) Horizontal Ascendente Descendente 1,0 <= e <= 2,0 0,14 0,13 0,15 2,0 < e <=5,0 0,16 0,14 0,18 e > 5,0 0,17 0,14 0,21 1,0<=e<=2,0 0,29 0,23 0,29 2,0<e<=5,0 0,37 0,25 0,43 e >5,0 0,34 0,27 0,61 Pág.: 24
B.2 Absortância à radiação solar e Emissividade (ondas longas). (Fonte: adaptada da NBR-15.220) Absortância (α) Tipo de superfície Emissividade (є) Chapa de alumínio nova 0,05 0,05 Chapa de alumínio oxidada 0,15 0,12 Caiação nova 0,12 a 0,15 0,90 Concreto aparente 0,65 a 0,80 0,85 a 0,95 Telha de barro 0,75 a 0,80 0,85 a 0,95 Tijolo 0,65 a,80 0,85 a 0,95 Asfalto 0,85 a 0,98 0,90 a 0,98 Vidro incolor 0,06 a 0,25 0,84 Pintura branca 0,20 0,90 Pintura amarela 0,30 0,90 Pintura vermelha 0,74 0,90 Pintura preta 0,97 0,90 Pintura alumínio 0,40 0,90 B.3 Propriedades térmicas dos materiais. (Fonte: adaptada da NBR-15.220) Materiais λ Densidade de massa aparente (kg/m 3 ) c Condutividade térmica (W/m.K) Ρ Calor específico (kj/kg.k) Argamassa comum 1800-2100 1,15 1,00 Tijolo ou telha de 1300-1600 0,90 0,92 barro Concreto normal 2200-2400 1,75 1,00 Gesso cartonado 750-1000 0,35 0,84 Lã de rocha 20-200 0,045 0,75 Alumínio 2700 230 0,88 Vidro comum 2500 1,00 0,84 Pág.: 25