conforto termico

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Manual de Sustentabilidade em Conjuntos de HabitaçõesUnifamiliares de Interesse Social – Turma Poli PCC 2540 2005

Equipe 10 -Carlos Gustavo Maria de Bedia

Mario H. V. MelloPedro Henrique Cerento de LyraRafael Bronzatto Lourençon

Professor Orientador:Dr. Racine T. A. Prado

Escola Politécnica - PCC-2540 - O edifício e o ambiente

Conforto e qualidade sanitária dos ambientes internos



CONCEITO DE CONFORTO

É um estado de espírito que reflete a satisfação com oambiente que envolve a pessoa.

O Conforto é classificado em:

Acústico;Antropométrico;Olfativo;

Tátil;Térmico;Visual.







Neste trabalho estudaremos o conforto térmico porque está

relacionado com a qualidade do ar interno (QAI).Um edifício tem uma boa qualidade interior do ar, através douso de adequadas taxas de ventilação.



Definição:

Conforto térmico é definido pela norma ASHRAE 55-64como um estado de espírito que reflete satisfação com oambiente térmico que envolve as pessoas.

CONFORTO TÉRMICO

Conforto térmico é um conceito subjetivo, isto é, depende

de cada pessoa.O conforto deve ter como objetivo a obtenção de condiçõesambientais que propiciem neutralidade térmica a um maiornúmero de pessoas possível um determinado tipo de

atividade.





A neutralidade térmica depende dos seguintes parâmetros, denominadosde parâmetros de conforto:

Atividade associada à produção de energia no interior do corpo

humano.

Resistência térmica das roupas.

Temperatura do ar ambiente.

Temperatura radiante media do meio.

Velocidade relativa do ar.

Pressão parcial do vapor d’água do ar ambiente (umidade).





Uma situação de bem-estar pode ser obtida por distintas

combinações dos parâmetros de conforto. Estudosencomendados pela ASHRAE, por meio de experiências,definiram um índice que caracteriza a combinação de trêsparâmetros (temperatura, umidade e velocidade do ar)denominado Temperatura Efetiva (TE)





Porém, o estabelecimento da escala de temperatura efetiva(TE) não foi suficiente para a análise do conforto térmico,

devido as seguintes razões:

Faltava definir o intervalo de temperatura que propiciavaconforto a um número significativo de pessoas.

As experiências não levaram em consideração os efeitosda atividade e roupas trajadas pelos indivíduos.





BALANÇO TÉRMICO DO CORPO HUMANOO corpo humano é um sistema termodinâmico aberto, comgeração interna de energia que interage termicamente com omeio que o circunda, relacionados pelo 1º principio da

termodinâmica:

U = M – W + C + R – E – REU: variação de energia com o tempo

M: metabolismoW: trabalhoC: convecçãoR: radiaçãoE: evaporaçãoRE: respiração





TAXA DE VARIAÇÃO DA ENERGIA INTERNA DOCORPO (U)

O sistema termorregulador do corpo tende a manterconstante a energia interna do corpo, a partir de umacondição de equilíbrio (U = 0).

Quando, o ambiente externo sofre alguma mudança

térmica, a energia interna do corpo tenderia a sofrer umavariação que não acontece graças a ação do sistematermorregulador.





METABOLISMO (M)

O metabolismo depende exclusivamente do tipo de atividade:





TRABALHO (W)

O trabalho realizado pelo corpo é considerado positivo, assimcomo o levantamento de um peso ou ascensão de um aclive.O corpo humano é considerado uma máquina térmica e, comotal, apresenta uma eficiência mecânica definida por ( = W/M)





CALOR TROCADO POR CONVECÇÃO COM O MEIO (C)

A troca de calor entre uma superfície sólida e o meio fluido queo circunda é quantificada pela Lei do Resfriamento de

Newton:





Quando se considera pessoas vestidas, a resistência àtransferência de calor do corpo, exercida pela vestimenta, deveser introduzida. Esse sistema térmico de transferência tem um

análogo elétrico aplicado na Lei de Ohm: q = Ta – TpReq.





Na literatura de conforto térmico a equação é escritaformalmente como:

q = FR . hC . AEXT . (Ta – Tp)

E, neste caso, como C é o fluxo de calor por convecção porunidade de área superficial:

C = q/A (W/m²)

O fator de resistência térmica da roupa (FR) é dado pela expressão:FR = 1 .

1 + 0,155 . IROUPA . hC . (AEXT / AD)





CALOR TROCADO POR RADIAÇÃO COM O MEIO (R)

Em ambientes confinados, a temperatura superficial das

paredes pode diferir da temperatura do ar e da temperaturada superfície do corpo, havendo uma troca de calor porradiação entre a superfície do corpo e as superfícies dasparedes.Associando às superfícies circundantes uma temperatura

uniforme ( a Temperatura Radiante Média – TRM) a trocade calor por radiação será dada por:

R = qr = (TRM - TP ) (W/m²)AD

4 4





A equação pode ser linearizada: R = hr (TRM – TP)

Onde o coeficiente de transferência de calor, hr, é dado por:

hr = (TRM² + TP²) (W/m² ºC)





CALOR LIBERADO POR EVAPORAÇÃO ATRAVÉS DA PELE (E)

Alguns estudos mostraram que a máxima quantidade de calor

eliminada por evaporação na superfície da pele ocorre quando asuperfície está completamente coberta de suor. Neste caso, ocalor eliminado por unidade de área da superfície do corpo édado por:

EMÁX = 2,2 hc (Pp – ØaPa) . FRU (W/m²)

FRU: fator de permeabilidade da roupa à difusão do vapor

Pp: Pressão parcial do vapor no ar junto à pele

ØaPa: Pressão parcial do vapor no ar ambiente





Na zona de regulação contra o calor, as glândulas sudoríparaspromovem o suor junto à pele. Porém, nem toda a superfície é cobertapor suor, sendo o calor liberado por unidade de área superficial dadopor:

Ere = SMR . Emáx

E = (0,06 + 0,94 SMR) Emáx = SM . Emáx

O índice de superfície molhada do corpo na Zona de Regulação Contrao Calor (SMR) pode ser considerado como a fração da superfície docorpo coberta pelo suor. Mesmo que não apresente suor, ainda ocorreevaporação por difusão provenientes das camadas internas da pele.Esse calor liberado não passa de 0,06xEmáx ocorrendo somente emregiões da pele não cobertas pelo suor, sendo na zona de regulaçãocontra o calor a liberação de calor dado por:





CALOR LIBERADO PELA RESPIRAÇÃO (RE)

O ar externo aspirado, ao circular pelos pulmões, recebe calore umidade. Esse processo eleva a temperatura do ar (calor

sensível) e a adição de vapor pela evaporação da água contidanos pulmões que aumenta a umidade (calor latente). Atemperatura do ar na saída dos pulmões é de 34ºC, logo:

qsensível = mres cp (Ts – Ta) = mres cp (34 – Ta)

qlatente = mres hLV (s - e)

A ventilação pulmonar depende diretamente do metabolismo:

mres = 0,0060 (M . AD) (kg/h)





Desenvolvendo as equações, obtém-se:

qsensível /AD = 0,0014M (34 – Ta) (W/m²)

qlatente /AD = 0,0023M (44 – ØaPa) (W/m²)

Assim, o calor total liberado pelo corpo por unidade de áreasuperficial através da respiração (RE) é igual a:

RE = 0,0014M (34 – Ta) + 0,0023M (44 – ØaPa)





Tendo o desenvolvimento de cada uma das variáveis da taxa devariação da energia interna do corpo, pode-se concluir que osparâmetros de conforto são:

Tipo de atividade – M

Tipo de vestimenta – FR, FRU, (AEXT /AD)

Velocidade relativa do ar ambiente – h, hc

Temperatura do ar ambiente – Ta

Umidade do ar ambiente – Øa

Temperatura radiante média





AVALIÇÃO DO CONFORTO PELO MÉTODO ASHRAE

Baseados no balanço térmico e em um modelo do sistema

termorregulador do corpo, foram obtidos os valores datemperatura media da pele (Tp), do índice de superfíciemolhada do corpo (SM) e de outros parâmetros fisiológicos.Com esse modelo foi possível obter as linhas de SM

constante em uma carta psicrométrica modificada paraincluir no eixo das ordenadas a pressão parcial do vapor. Atemperatura radiante media (TRM) foi admitida igual àtemperatura do ar.





Posteriormente, foi incluída a temperatura equivalente em meioseco ( TEMS), como mostra a figura:

Carta psicométricamodificada, contendo aslinhas de SM.





Algumas conclusões podem ser tiradas da figura anterior:

Na região de neutralidade térmica, SM = 0,06, o índice desuperfície molhada não é afetado sensivelmente pela umidaderelativa do meio, uma vez que a curva é praticamente vertical.

À medida que o teor de suor pelo corpo aumenta, o efeito da

umidade se acentua, como o comprovam as linhas de SMconstante que tendem a tornar-se mais horizontais.





Tendo adotado SM como parâmetro de avaliação da sensaçãotérmica, a Temperatura Efetiva (TE*) é definida como o valor datemperatura equivalente em meio seco, correspondendo à

intersecção da linha de particular valor de SM com a linha de 50%de umidade relativa do ambiente. O significado físico dessa TE*corresponde à temperatura uniforme de um ambiente imaginário,de ar com velocidade nula e umidade relativa de 50%, com o quala pessoa trocaria a mesma quantidade de calor, por radiação,convecção e evaporação, que no ambiente real, considerando omesmo teor de superfície de pele molhada e mesma temperaturamédia da pele.





A avaliação da TE* para distintas condições pode ser feita através da fig.12 (ASHRAE, 1981). Nesses gráficos indica-se o critério de confortoestabelecido pela norma ASHRAE 55-74, o qual se baseia na exigência deque uma porcentagem maior que 80% das pessoas esteja satisfeita.





A Figura 13 apresenta uma cartapsicométrica com as linhas deTE* constante. A zona deconforto de acordo com a normaASHRAE 55-74 é a regiãohachureada.





Exemplo:Em uma habitação sabe-se que a temperatura de

bulbo seco do ar é de27°C e a umidaderelativa de 50%. Essacondição ambientalobedece ao critério deconforto da ASHRAE ?





Admitindo que a velocidade relativa do ar seja da ordem de 1,2m/s, TRM = Ta e 0,6 CLO, da figura obtém-se uma TE* de

aproximadamente 27,5°C, fora da faixa de conforto. No gráficoda figura 12 poder-se-ia obter uma porcentagem maior que 40%de pessoas insatisfeitas. Nessa estimativa deve-se considerar queos padrões americanos de conforto foram utilizados. Para o

Brasil seria razoável esperar uma porcentagem menor de pessoasinsatisfeitas.





AVALIAÇÃO DO CONFORTO PELO METODO DE FANGER

Fanger estabeleceu as condições de conforto de um modo mais

conceitual que o da ASHRAE.O importante é atingir a condição de neutralidade térmica, onde avariação de energia interna é nula,U=0Uma situação de conforto térmico é caracterizada por dois

parâmetros:

Temperatura media da pele ( Tp)Calor eliminado por evaporação do suor ( Ere)





A variação desses parâmetros em função do metabolismo, foiobtida experimentalmente, resultando:

Tp= 35,7 – 0,0275M (I) Ere= 0,42 – (M-58,2) (II)

Sendo M e Ere em W/m2 e Tp em °C.





No método Fanger é necessário conhecer os valores de U(nulo), Tpe Ere dados pelas equações I e II, e calculando os outros termos daEquação de Balanço Térmico, chega- se à Equação de Conforto de

Fanger, que relaciona os parâmetros de conforto:M, velocidade relativa do ar, TRM, Ta, umidade e tipo devestimenta.

Qualquer combinação dos parâmetros que satisfaça a Equação deConforto, deve produzir uma sensação de neutralidade térmica.





Exemplo: Uma habitação com parede externa do lado oesteapresenta: TRM=28 ºC, temperatura e umidade do ar de 25 ºC e50%, respectivamente, às 17:00 horas, atividade sedentária e

vestimentas leves. Qual a velocidade doar para que o confortotérmico seja atingido?

As roupas leves podem ser admitidas como tendo uma resistênciatérmica de 0,5 CLO. Assim, do gráfico apropriado (14 b), obtém –

se uma velocidade de 0,2 m/s, que corresponde ao ar quaseestagnado.





Fig.14





AVALIAÇÃO DE UM AMBIENTE TÉRMICO

Os métodos ASHRAE e Fanger apresentados tratam

exclusivamente de situações de conforto e combinações dosparâmetros da neutralidade térmica. Sendo assim a ASHRAEestabeleceu uma escala de sensação térmica envolvendo osseguintes níveis:





À medida em que um ambiente térmico se afasta das condiçõesnas quais a maioria das pessoas se sentiria confortável, o sistematermorregulador age com maior intensidade para preservar a

temperatura interna das variações. Essa ação gera uma sensaçãode desconforto, gerando um índice do grau de afastamento dascondições de conforto chamado de Índice de Atividade Térmica(IAT):

IAT = M (1 - ) – RE – (-C – R + E) (W/m²)

IAT é nulo em condições de neutralidade térmica e cresce àmedida que o ambiente se afasta das condições de neutralidade.



l li é i 2 40 d f b



É de se esperar, portanto, que a sensação térmica para umacerta atividade, seja função do IAT representado por ,então:

= (IAT , M)

E através de experiências:

= [0,303exp(-0,036M) + 0,028] IAT



E l P li é i PCC 2540 O difí i bi



Como essa equação foi obtida através do voto de indivíduos, ovalor de é denominado de Voto Médio Estimado (VME),

assim Fanger preparou uma série de tabelas para distintascombinações dos parâmetros de conforto:



E l P li é i PCC 2540 O difí i bi





E l P lité i PCC 2540 O difí i bi



EXEMPLO:

Uma habitação à temperatura de 27ºC, 50% de umidaderelativa e velocidade do ar de até 0,10m/s, deve ser ocupadapor pessoas em atividades sedentárias (1MET) e trajandoroupas leves (0,5 CLO).



E l P lité i PCC 2540 O difí i bi



Se a TRM = Ta, então, o VME pode ser obtido da Tabelaabaixo resultando em 0,42



E l P lité i PCC 2540 O difí i bi t



Se a TRM for aumentada de 2,5ºC:

Do gráfico ao lado obtém-seVME/ºCTRM = 0,17

Logo, o VME na nova situaçãoserá:

VME = 0,42 + 0,17x2,5 = 0,85

(percebe-se um acréscimo dasensação de calor)






Se a umidade relativa se elevar de 5%:

Do gráfico, obtém-se:VME/%UR = 0,089

VME = 0,42 + 0,0089x5 = 0,465

O ambiente apresentará umVME dado por:

(percebe-se que o aumento daumidade afetou sensivelmente ovalor de VME)






EXEMPLO2:

Uma habitação apresenta um ambiente térmico com asseguintes características:Temperatura ambiente............................................27ºCUmidade relativa.....................................................60%Temperatura radiante média...................................29ºCVelocidade do ar................................................<0,1m/s

Pessoas em atividades sedentária (1MET), levemente vestidas(0,5 CLO)

Essa habitação obedece à norma ISO de conforto?



Escola Politécnica PCC 2540 O difí i bi t



Inicialmente determina-se o VME. Da tabela 3 resulta:

VME = 0,42(UR = 50%, TRM = Ta = 27°C)

Considerando que a umidade relativa é diferente de 50% e aTRM não é igual a Ta, o valor acima deve ser corrigido.

As correções podem ser obtidas nas figuras 16 e 17, resultando:

VME = 0,42 + 10 x 0,0089 + 0,17 x 2 = 0,85



Escola Politécnica PCC 2540 O edifício e o ambiente



Note-se que uma TRM superiorem 2 °C à temperatura ambienteafetou significativamente o

VME. Nessas condições oambiente não satisfaz o critérioISO/DIS 7730(-0,5<VME<0,5),proporcionando uma estimativade pessoas insatisfeitas daordem de 20%. Se, por outrolado, a TRM fosse igual àtemperatura ambiente, ascondições da habitação

satisfariam a norma ISO.








CONCLUSÃO

A maioria das edificações não tem uma boa qualidade do ar e

um conforto térmicoA escassez de literatura e insipiência da pesquisa sobre essetema no Brasil

Edificações projetadas em função de tendências estéticas ouexigências técnicas de produção






REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CARMO, Adriano T.; PRADO, Racine T. A. Qualidade do ar interno.Texto Técnico da Escola Politécnica da USP – TT/PCC/21. EPUSP, SãoPaulo, 1999. TT/PCC (ISSN 1413-0383).

JABARDO, José M. S. Conforto Térmico. Comunicação Técnica – 348IPT, São Paulo, 1984.

LAMBERTS, Roberto; DUTRA, Luciano Eficiência Energética naArquitetura. São Paulo, PW ed., 1997.

LIDDAMENT, Martin W. A Guide To Energy Efficient Ventilation. AIVC

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