desempenho térmico de edificações - labeee · corpo e o meio, representando uma barreira para as...

Desempenho Térmico de edificações Aula 2: Conforto Térmico

PROFESSOR

Roberto Lamberts

ECV 5161 UFSC FLORIANÓPOLIS

estru

tura

2 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico

cálculo

+ modelos + cálculos + normas

variáveis

+ humanas + ambientais + outras + medição + cálculos

introdução

+ definição + importância + termo-regulação + trocas térmicas

47

INTR

OD

UÇ

ÃO

+ ”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)


+ definição + importância + termo-regulação + trocas térmicas

47


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

Intro

du

ção – variáveis – cálcu

lo

47


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

Intro

du


lo

47


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

Intro

du


lo Conforto

Térmico

Desconforto Localizado

Temp. da pele e taxa secreção dentro dos padrões

Neutralidade Térmica

Ambiente Real

47


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.

Intro

du


lo

Importância

47


Intro

du


lo

Mecanismos de termo-regulação

• 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.

Diagrama da regulação térmica humana autônoma e comportamental

47


Intro

du


lo

Mecanismos de termo-regulação

31° C

35° C

37° C

39° C

43° C

Tem

per

atu

ra C

orp

ora

l

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

Abaixo de 31°C – Situação Letal

Vasoconstrição

Vasodilatação

Aproximadamente 36,5°C

Zonas de respostas fisiológicas

Temperatura Corporal

47

10

Os mecanismos termorreguladores são ativados quando as condições térmicas do

meio ultrapassam certas faixas de frio ou calor.

Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico

Frio: Evitar perdas térmicas do corpo e aumentar a produção interna de calor.

Perdas de calor por radiação e convecção

orgão interno Perdas de calor por convecção

Vasoconstrição periférica Arrepio Aumento do metabolismo

Pele mais rugosa

Intro

du


lo

47


Mecanismos instintivos e culturais para proteção do frio

Mecanismos instintivos Mecanismos culturais

Intro

du


lo

47

12

Calor: Incrementar as perdas térmicas do corpo e reduzir a produção interna de calor


Vasodilatação periférica Suor Redução do metabolismo

Boa evaporação

Pouca evaporação

Perdas de calor por radiação e convecção

Intro

du


lo

47


Mecanismos instintivos Mecanismos culturais

Mecanismo instintivos e culturais para proteção contra o calor In

trod

ução

– variáveis – cálculo

47


Intro

du


lo

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)

47

VA

RIÁ

VEI

S D

E C

ON

FOR

TO

+ As variáveis de conforto térmico estão divididas em humanas e ambientais. Além disso, são considerados outros fatores de influência


variáveis humanas

MET: Metabolismo

CLO: Vestimenta

variáveis ambientais

Tar: Temperatura do ar

Trad: Temp. radiante média

Vel: Velocidade do ar

RH: Umidade relativa do ar

Outras...

Idade

Raça

Hábitos alimentares

Altura

Sexo

Etc..

+ humanas + ambientais + outras + medição + cálculos

47


Taxa metabólica para diferentes atividades segundo ISO 7730 (2005)

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)

Intro

du

ção – variáve

is – cálculo

Atividade Metabolismo (W/m2)

Deitado, Reclinado 46

Sentado, relaxado 58

Atividade sedentária (escritório, escola etc.) 70

Atividade leve em pé (fazer compras, atividades laboratoriais, etc)

93

Atividade média em pé (trabalhos domésticos, balconista, etc)

116

Caminhando em local plano a 2 km/h 110




47


A vestimenta impõe uma resistência térmica entre o corpo e o meio, representando uma barreira para as trocas de calor por convecção

Índice de resistência térmica para vestimentas

segundo ISO 7730 (2005)

CLO: Unidade de medição da resistência térmica da roupa. (1 clo = 0.155m²°C/W)

Intro

du

ção – variáve

is – cálculo

Vestimenta Índice de resistência térmica – Icl (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 compridas

0,12

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

47


Intro

du

ção – variáve

is – cálculo

Vestimenta

47

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”.

Intro

du

ção – variáve

is – cálculo

47


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

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 de calor entre diferentes corpos

Intro

du

ção – variáve

is – cálculo

47

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.

Intro

du

ção – variáve

is – cálculo

47

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

Intro

du

ção – variáve

is – cálculo

47


• Idade

• Raça

• Hábitos alimentares

• Altura

• Sexo

Intro

du

ção – variáve

is – cálculo

Outras variáveis

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Equipamentos para medição das variáveis ambientais


Termômetro de globo. Termo anemômetro

Psicrômetro giratório para medição de TBS e TBU

Temp. de Globo Velocidade do ar Umidade relativa Temperatura do ar

Anemômetro de paletas

sensor

Intro

du

ção – variáve

is – cálculo

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25

Cálculo da temperatura radiante média: pode se calcular através da T. globo e T. do ar


Onde:

Hcg é o coeficiente de troca de calor por convecção do globo;

ΔT é a diferença de temperatura (tg - ta)

D é o diâmetro do globo (normal/ 15cm)

V é a Velocidade do ar (m/s)

Onde:

tg é a temperatura de termômetro de globo (C°);

ta é a temperatura do ar (°C);

V 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

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

* * *

* * *

Intro

du

ção – variáve

is – cálculo

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26

Cálculo da temperatura radiante média


* * *

Intro

du

ção – variáve

is – cálculo

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

<

47

27

A carta psicrométrica


Intro

du

ção – variáve

is – cálculo

• 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

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28

Cálculo da umidade relativa: carta psicrométrica


Intro

du

ção – variáve

is – cálculo

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%

47

CÁ

LCU

LO

+


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

+ modelos + cálculos + normas

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Intro

du


lo

Pesquisas câmaras climatizadas x campo

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 47


Intro

du


lo

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)

47


Intro

du


lo

Estático x Adaptativo

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

47


Onde:

PMV= voto médio estimado, ou voto de sensação de conforto térmico

M= Atividade desempenhada pelo individuo

L= Carga térmica atuante sobre o corpo

•Muito quente +3

•Quente +2

•Levemente quente +1

•Neutro 0

•Levemente frio -1

•Frio - 2

•Muito frio -3

A escala sétima da ASHRAE, ou escala de sete pontos é utilizada para determinação real das sensações térmicas das pessoas

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.

A sensação térmica de um indivíduo é representada pela equação do PMV

Modelo Estático

Intro

du


lo

47


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)

Modelo Estático

Intro

du


lo

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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

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.

Modelo Estático

Intro

du


lo

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Desconforto localizado:

Diferença na temp. do ar no sentido vertical

Correntes de ar Pisos aquecidos ou resfriados

Assimetria de radiação

Intro

du


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• 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

• 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

Intro

du


lo

Desconforto localizado

• Piso aquecido/ resfriado: Devido ao contato direto dos pés com o piso

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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.

Intro

du


lo

Aceitabilidade de ambientes térmicos

Categoria

Sensação térmica do corpo como todo

Desconforto local % de insatisfeitos

PPD % PMV Correntes

ar rio

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 < 10

Categoria de aceitabilidade do ambiente térmico segundo ISO 7730 (2005) 47


Modelo Adaptativo In

trod

ução


47

40

Princípio básico do modelo adaptativo: ao ocorrer uma mudança de temperatura que gere desconforto térmico, as pessoas reagem de maneira a restaurar seu conforto.

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).


Adaptação ao clima interno

Ajustes

Comportamentais/ Tecnológicos

Aclimatação

Adaptação fisiológica ao

clima

Habituação

Adaptação psicológica/diferentes expectativas

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.

Os 3 componentes de adaptação ao clima interno. Adaptado de: de Dear, Brager e Cooper (1997)

Modelo Adaptativo

Intro

du


lo

47

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.

Intro

du


lo

47


Limites aceitáveis da temperatura operativa para espaços condicionados naturalmente. ASHRAE 55-2013

A nova versão da norma americana ASHRAE Standard 55-2010 apresenta um método opcional para determinação condições térmicas aceitáveis em espaços naturalmente ventilados.

Modelo Adaptativo In

trod

ução


47

43 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts

Os índices de conforto térmico podem ser estimados com o auxílio de softwares , ou através de calculadoras online: Ex.: Universidade de Berkeley TC Tool (http://smap.cbe.berkeley.edu/comforttool)

Avaliação de Conforto Térmico

Aula 2: Conforto Térmico

Intro

du


lo

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44 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts

Ex.: Universidade de Berkeley TC Tool (http://smap.cbe.berkeley.edu/comforttool)

Avaliação de Conforto Térmico

Aula 2: Conforto Térmico

Intro

du


lo

47


O PMV também pode ser calculado pelas tabelas do anexo E da norma ISO 7730. Elas se aplicam em ambientes com umidade relativa do ar (UR) de 50%

Intro

du


lo

47


Intro

du


lo

47

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 16401 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


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Intro

du


lo

desempenho térmico de edificações - labeee · corpo e o meio, representando uma barreira para as...

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