VENTILAÇÃO DE EDIFÍCIOSFenómenos de ventilação natural

António Moret RodriguesIST

Ventilação: Qualidade do ar interior (6 slides)Conforto térmico (2 slides)Riscos de condensação (3 slides)

Ventilação natural:Princípios (4 slides)Acção térmica (4 slides)Acção do vento (9 slides)

ÍNDICE

VENTILAÇÃO: qualidade do ar interior I No interior dos edifícios exige-se que o ar se mantenha em condições satisfatórias para a sanidade dos utentes, não devendo conter proporções excessivas de gases tóxicos, poeiras, aerossóis nocivos, etc.Todos os fumos ou gases nocivos ou de cheiro incómodo devem poder ser rapidamente evacuados.Estas exigências seriam cumpridas com altos caudais de renovação. Porém, por razões energéticas, os caudais devem ser os mínimos que garantam condições não prejudiciais à saúde.

VENTILAÇÃO: qualidade do ar interior II Tipo de poluentes em edifícios

FONTES

Partículas

Formal-deídos

Gases Orgânicos

Amianto

Radão

Monóxidode carbono

Dióxido de carbono

Dióxido de azoto

Materiais do edifício e solo de fundação

♦

♦

♦

♦

Aparelhos de aquecimento por combustão

♦

♦

♦

♦

Fumo de tabaco

♦

♦

♦

♦

Presença humana

♦

♦

VENTILAÇÃO: qualidade do ar interior III Concentrações limites de poluentesEncontram-se grandes variações entre fontes.

POLUENTE LIMITE MÁXIMO (mg/m3)Partículas suspensas no ar (PM10) 0,15

Dióxido de Carbono (CO2) 1800

Monóxido de carbono (CO) 12,5

Ozono (O3) 0,2

Formaldeído 0,1

Compostos orgânicos Voláteis Totais 0,6

Microrganismos – bactérias, fungos [1] 500 UFC

Legionella 100 UFC

Radon [2] 400 Bq/m3

[1] - UFC - (unidades formadoras de colónia) é a unidade padrão estabelecida pela OMS para medir o desenvolvimento das colónias formadas pelos microrganismos.

[2] - O Becquerel (Bq) é uma unidade de medida para a radioactividade: mede a taxa de decaimento de uma substância radioactiva (1 Bq corresponde a uma desintegração nuclear por segundo).

Fonte: RSECE

VENTILAÇÃO: qualidade do ar interior IVNecessidades de ventilação (V) por exigências de qualidade do ar interiorObjectivo: manutenção das cargas poluentes em níveis considerados admissíveis para a saúde.Equação de conservação do volume de poluente (Vp):

Vpe

P

Vpi

Ci ≤ CLIMCeVpe + P = Vpi (m3/h)

Com Vp=C×V vem:

ei CCPV−

=&

&P - Produção de poluente (m3/h)Vp - Caudal de poluente (m3/h)V - Caudal de ar (m3/h)C - Concentração de poluente (-)

ÍNDICESi - interiore - exteriorp – poluenteLIM - limite

VENTILAÇÃO: qualidade do ar interior VAvaliação experimental da taxa de ventilação média de uma sala

Um dos processos para estimar as taxas de renovação do ar em salas fechadas (mas não estanques) recorre aos chamados gases traçadores.

O processo consiste em injectar na sala uma dada porção de gás e medir as suas concentrações,depois, em pelo menos 2 instantes diferentes no tempo.

Ci

t

C1

C2

t1 t2

instante da injecção

t0

C0

instantes da medição

VENTILAÇÃO: qualidade do ar interior VITaxa de ventilação média (n) de uma salaEquação de conservação do volume do gás

Sendo fica . Como a injecção de gás é anterior aos instantes de medição (F(t)=0) e a sua concentração é nula no exterior (Ce=0), então:

Quantidade de gásintroduzido na sala

Variação de gásna sala

Quantidade de gásque deixa a sala= −

dtdCiϑ [ ])t(FC.)t(V e +& )t(C.)t(V i&−=

ϑ= .)t(n)t(V& [ ]eii C)t(C/

dtdC)t(F)t(n −⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ −ϑ

=

∫∫ −= 2

1

2

1

CC i

itt C

dCdt)t(n

12

21tt

ClnClnn−−

= F(t)– Quantidade de gás traçador injectada na sala (m3/h)(F(t0)≠0 e F(t)=0 para t≠t0)

ϑ – Volume da sala (m3)

VENTILAÇÃO: conforto térmico I

A ventilação é um recurso muito utilizado na estação quente por razões de conforto térmico, com os seguintes objectivos:

aumento da velocidade do ar, de calmo (≤ 0,2m/s) para cerca de 2 a 3 m/s, permitindo uma sensação de arrefecimento na pele da ordem dos 3 a 4 °C (taxas de renovação por hora de 3 a 5).

varrimento no período nocturno das cargas térmicas acumuladas durante o dia (estratégia solar passiva que combina inércia térmica com ventilação nocturna).

VENTILAÇÃO: conforto térmico IINecessidades de ventilação (V) por exigências de conforto térmicoObjectivo: contribuir para as condições de conforto por arrefecimento passivo do ar.Equação de conservação da energia (H):

He

Hi

θi ≤ θLIM

θeHe + Q = Hi (J/h)

Com H=ρVcpθ vem:

( )eipcQV

θ−θρ=&

Q - Calor libertado pela massa (J/h)cp - Calor específico do ar (J/Kg.ºC)V - Caudal de ar (m3/h) ρ - Massa específicaθ - Temperatura (ºC) do ar (kg/m3)

Q

VENTILAÇÃO: riscos de condensação INão sendo poluente, a concentração de vapor de água é um parâmetro que é levado em conta para o dimensionamento dos caudais, por motivo de risco de condensações, em compartimentos deserviços (instalações sanitárias, cozinhas).

ACTIVIDADEPRODUÇÃO DE VAPOR

DE ÁGUA (g/dia)

Cozinhar 2000 a 3000

Lavagem de louça 400

Banho (por pessoa) 200

Lavagem de roupa 500

Secagem de roupa no interior 1500

VENTILAÇÃO: riscos de condensação IINecessidades de ventilação (V) por exigências de prevenção de condensaçõesObjectivo: manter a humidade do ambiente interior em níveis abaixo do respeitante à condensação.Equação de conservação da massa de vapor (Mw):

Mwe

Mwi

ρwi ≤ ρw ρweMwe + Wp = Mwi (kgH2O/h)

Com Mw=ρwV vem:

wewi

pWV

ρ−ρ=& V - Caudal de ar (m3/h)

ρw - Humidade absoluta (kgH2O/m3)

Wp

LIM

VENTILAÇÃO: riscos de condensação IIIPara condições correntes o caudal ou número de renovações requerido pode ser facilmente estimado por recurso a um ábaco simples.

(Kg/m3)3p 10V

W×

&

VENTILAÇÃO NATURAL: princípios IRelação Caudal (V) - diferença de pressão (Δp)

1 2 Energia por unidade de peso (m)

g2vpzH

211

11 +γ

+=

g2vpzH

222

22 +γ

+=p - Pressão estática (Pa) v - Velocidade (m/s) γ =ρg - Peso específico (N/m3)g - aceleração da gravidade (m/s2)A - Área (m2)Δp=p1-p2 (Pa)

Teorema de Bernoulli: H1=H2

Conservação do caudal: A1v1= A2v2

A relação pretendida obtém-serecorrendo a:

Modelo hidráulico Escoamento através duma aberturaem contacto com meio semi-infinito

Meiosemi-infinito

VENTILAÇÃO NATURAL: princípios IITeorema de Bernoulli: H1=H2

Conservação do caudal: A1v1= A2v2

Com: z1=z2, Δp=p1-p2, γ=ρ.g, vem

Na hipótese: A2<<A1 fica

Finalmente:ρΔ

=p2AV 2

&

g.2.g.2

vppzzv2121

2122 ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

γ−

+−=

g.2.g.2

vAAppzzv

22

2

1

22121

22 ⎟⎟

⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

γ−

+−=

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−ρ

Δ=

2

1

22

AA1.

p.2v

ρΔ

=p.2v2

VENTILAÇÃO NATURAL: princípios IIINa dedução não foi contabilizada a perda de carga na abertura. A sua inclusão faz-se através de um coeficiente Cd (coeficiente de descarga) que toma valores entre 0 e 1:

A diferença de pressão pode ser causada por acção térmica ou por acção do vento, tomando a expressão acima formas diferentes para um e outro caso.

(m3/s) (1)ρΔ

=p2ACV d

&

VENTILAÇÃO NATURAL: princípios IV

Lei de variação da pressão em altura

Equilíbrio das forças na vertical

A integração fornece:

zρ.g.ϑ

p

dzzpp∂∂

+

dx

dz ϑ=dx.dz

dz.dx.g.dx.dz.zppdx.p ρ+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

+= g.dzdp

ρ−= ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ≡∂∂

dzd

z

Hipótese:ρ constante em altura

z.g.pp 0 ρ−=

0

Lei de variação linearem altura

VENTILAÇÃO NATURAL: acção térmica ICaso de inexistência de aberturasAdmitindo a lei de variação linear em altura para a pressão hidrostática:

Não há lugar à ocorrência de caudal entre os ambientes interior e exterior.

z

pe(z)=p0e− ρe· g · z

pi(z)=p0i− ρi· g · z

p0ep0i

pe(z)

pi(z)

θi , ρiθe , ρe

VENTILAÇÃO NATURAL: acção térmica IICaso de existência de 2 aberturas (iguais)A uma altura (z) a diferença de pressões que se estabelece é:Ao nível das aberturas tem-se:

Para determinar introduz-se a condição de conservação do caudal (V1=V2), donde:

Δp(z)=pe−pi= p0e− p0i− (ρe− ρi) g · z

z

2

θi , ρiθe , ρe

Δp2

Δp11

z1

h

Δp1= p0e− p0i − (ρe− ρi) g · z1

Δp2= p0e− p0i − (ρe− ρi) g · (z1+h)

(p0e− p0i)

Δp2= − Δp1

VENTILAÇÃO NATURAL: acção térmica III

Expressão Geral em função das densidades

Introduzindo a condição Δp2= −Δp1 na expressão de Δp2,obtém-se:

Substituindo p0e-p0i na equação de Δp1 (ou Δp2) e substituindo esta na expressão (1) do caudal, fica:

Esta expressão em função das densidades não éprática, uma vez que as condições do problema aparecem normalmente em temperaturas.

A=A1=A2

( ) ( ) g.2/hz.pp 1iei0e0 +ρ−ρ=−

( )ρρ−ρ

=h.g..A.CV ie

d&( ) 2/ie ρ+ρ=ρ

VENTILAÇÃO NATURAL: acção térmica IVExpressão Geral em função das temperaturasDa relação dos gases perfeitos, substituindo ρe=p/(RTe), e ρi=p/(RTi), na expressão anterior:

No caso de aberturas com áreas diferentes:

A=A1=A2

T=(T1+T2)/2

( ) ( )( )

Thg

112ACV ei

2d⋅θ−θ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ε+ε+ε

=&ε = A1/A2

A = A1 + A2

( ) T.T.T

h.g.TT.A.CVei

eid

−=& Como 2

ei TT.T ≈ , vem:

( )T

hgACV eid

⋅θ−θ=&

VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento IAcção do vento sobre os edifícios

A análise dos caudais de ar através das aberturas da envolvente pressupõe um estudo dos campos de pressões originados pela incidência do vento sobre o edifício.

Estes campos traduzem-se em pressões e sucções (depressões) sobre as diferentes superfícies.

É o desequilíbrio de distribuições de pressão que gera as forças que provocam os movimentos do ar através dos compartimentos do edifício.

VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento IIAcção do vento sobre os edifíciosNo caso de uma forma paralelepipédica simples, quando o vento incide perpendicularmente a uma das faces, geram-se sobrepressões (+) sobre esta e depressões (-) na face oposta.

VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento IIICirculação no interior dos edifíciosO fluxo de ar toma o caminho mais fácil, que é aquele em que a diferença de pressões é mais elevada ou as resistências à sua passagem (perda de carga) são menores. Podem assim existir zonas em que o ar não circula.Os vãos devem ser localizados em fachadas diferentes de forma a aproveitar a diferença de pressões e aumentar a eficácia da ventilação.

VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento IVPressão dinâmica do vento pd (Pa)Num ponto distante:

Sobre a parede:

Aplicando o teorema de Bernoulli, admitindo que não existem perdas (H=H0), tem-se, na parede:

hp0 p

g2vphH

20

0 +γ

+=

γ+=

phH

d0 ppp += Pressão dinâmica2

vp2

d⋅ρ

=com

VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento VVelocidade do vento v (m/s)Para efeitos de velocidade do vento, o território nacional é dividido em 2 zonas geográficas:Zona A: todo o território excepto a zona BZona B: Ilhas, faixa litoral (≤ 5 km), zonas altas (≥ 600m)

Para cada zona geográfica, a velocidade do vento depende ainda da rugosidade do terreno:Tipo I: interior de zonas urbanas (edifícios de certo porte);Tipo II: restantes locais: periferia e zonas rurais;Para a zona A e rugosidade tipo I: 14

10h18v

28.0

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛×= h – altura do

edifício (m)

VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento VICoeficiente de pressão δpPara ter em conta a forma do edifício e a direcção do vento, a pressão dinâmica éafectada dum factor δp que é obtido experimentalmente:

2vpp

2

P0⋅ρ

δ+=

h – altura do edifício a – maior dimensão em planta b – menor dimensão em planta

VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento VIICaso de 2 aberturas (iguais)

Abertura da fachada (f):

Abertura do tardoz (t):Conservação do caudal para Af=At ⇒

fachada

v

2vpp

2

Pf0f⋅ρ

δ+=

tardoz

2vpp

2

Pt0t⋅ρ

δ+=pi

i

2

Pf0f p)2vp(p −⋅ρ

δ+=Δ

)2vp(pp

2

Pf0it⋅ρ

δ+−=Δ

Δpt= Δpf

VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento VIII

Expressão GeralFazendo Δpt= Δpf e resolvendo em ordem a p0-pi, obtém-se:

Substituindo p0-pi na equação de Δpf (ou Δpt) e substituindo esta na expressão (1) do caudal, fica:

Caso de mais aberturas e com áreas diferentes:

ptpfd v2

ACV δ−δ⋅⋅=& A=Af=At

A1ptpfd vACV δ−δ⋅⋅=&

243

221

2 )AA(1

)AA(1

A1

++

+= A2

A3

A4

( ) 4/v.pp ptpf2

i0 δ+δρ−=−

VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento IXEfeito combinado da acção do vento e térmicaNo caso do vento e diferença térmica actuarem em simultâneo, o caudal gerado é dado por:

Em que Vv e Vt são, respectivamente, os caudais gerados pelo vento e pela acção térmica em caso de actuação isolada.Aplica-se o sinal (+) quando a acção térmica tem um efeito aditivo (sentido do caudal igual ao gerado pelo vento), e o sinal (-) em caso contrário.

2t

2v VVV &&& ±=