desempenho térmico de edificações -...

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 + normas

variáveis

+ humanas + ambientais + outras

42

de

finição


”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)

42

de

finição


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

42

de

finição


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

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 estar em neutralidade térmica, porém não estará em conforto térmico

Conforto térmico

Neutralidade térmica

42

de

finição


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.

42

variáveis –

cálculo

7

variáveis de conforto

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

variáveis humanas

MET: Metabolismo

CLO: Vestimenta

variáveis ambientais

Tar: Temperatura do ar

Trad: Temp Média Rad.

Vel: Velocidade do ar

RH: Umidade relativa

Outras...

Idade

Altura

Sexo

Peso

42

VA

RIÁ

VEI

S D

E C

ON

FOR

TO -

HU

MA

NA

S

+

A temperatura interna do corpo humano é praticamente

constante,

variando aproximadamente de 36 a 37°


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:

. MET

. CLO

- Trocas secas: condução, convecção, radiação. (calor sensível) - Trocas úmidas: evaporação. Respiração e Transpiração (calor latente)

42

SIST

EMA

TER

MO

RR

EGU

LAD

OR

HU

MA

NO

+ 9 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico

Diagrama da regulação térmica humana autônoma e comportamental

Adaptado de:Hensen (1991)

• Variável controlada: valor integrado de temperaturas internas (próximas do sistema nervoso central e núcleo) e as temperaturas da pele.

• Sistema controlado: é 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.

42


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

Adaptado de: Longman, Inc., (2001)

SIST

EMA

TER

MO

RR

EGU

LAD

OR

HU

MA

NO

+ 42

11

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

orgão interno Perdas de calor por convecção

Vasoconstrição periférica Arrepio Aumento do metabolismo

Pele mais rugosa

v. hu

man

as – v. amb

ientais – o

utras v. – cálcu

lo

42


Mecanismos instintivos e culturais para proteção do frio

Mecanismos instintivos Mecanismos culturais

v. hu

man

as – v. amb

ientais – o

utras v. – cálcu

lo

42

13

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

v. hu

man

as – v. amb

ientais – o

utras v. – cálcu

lo

42


Mecanismos instintivos Mecanismos culturais

Mecanismo instintivos e culturais para proteção contra o calor v. h

um

anas – v. am

bien

tais – ou

tras v. – cálculo

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v. hu

man

as – v. amb

ientais – o

utras v. – cálcu

lo

Taxa metabólica para diferentes atividades. 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)

42


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

v. hu

man

as – v. amb

ientais – o

utras v. – cálcu

lo

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)

42


v. hu

man

as – v. amb

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utras v. – cálcu

lo

42

VA

RIÁ

VEI

S D

E C

ON

FOR

TO -

AM

BIE

NTA

IS

+

O corpo humano não sente a temperatura

de um quarto, e sim a perda ou ganho de energia do corpo no espaço


As condições do ambiente relacionadas com o conforto são:

+ Temperatura do ar + Temperatura média radiante + Umidade relativa do ar + Velocidade do ar

A influência dos quatro parâmetros na perda ou ganho de energia não é igual, sendo que a temperatura do ar e temperatura média radiante tem a maior importância. Porem não é suficiente medir só um deles.

42

19

Temperatura do ar: Também chamada TBS (temperatura de bulbo seco)


v. hu

man

as – v. am

bie

ntais – o

utras v. – cálcu

lo

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”. 42


v. hu

man

as – v. am

bie

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utras v. – cálcu

lo

Trocas entre um ambiente real e o corpo e entre um ambiente imaginário e o mesmo corpo, através da temperatura média radiante. 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

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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.


v. hu

man

as – v. am

bie

ntais – o

utras v. – cálcu

lo

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.

42


v. hu

man

as – v. am

bie

ntais – o

utras v. – cálcu

lo

+

Parâmetro que 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 maior eficiência, 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

=

Velocidade do ar

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23

Equipamentos para medição das variáveis ambientais


v. hu

man

as – v. am

bie

ntais – o

utras v. – cálcu

lo

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

sensor

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24

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


v. hu

man

as – v. am

bie

ntais – o

utras v. – cálcu

lo

Onde:

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

ΔT é a diferença de temperatura (tg - ta)

D é o diametro 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

* * *

* * *

42

25

Cálculo da umidade relativa: carta psicrométrica


v. hu

man

as – v. am

bie

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utras v. – cálcu

lo

Temperatura bulbo seco (°C)

Umidade relativa

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VA

RIÁ

VEI

S D

E C

ON

FOR

TO -

OU

TRA

S

+ 26


+ Idade + Raça + Hábitos alimentares + Altura + Sexo

42

Mét

od

os

de

Ava

liaçã

o d

e C

on

fort

o

+ + Modelo Estático

+ Modelo Adaptativo

27


As pesquisas de conforto térmico e os métodos de avaliação estão divididos em dois grandes grupos:

Pesquisas em Câmaras Climatizadas (Método Estático)

Pesquisas de Campo (Método Adaptativo)

Realizadas no interior de

ambientes totalmente

controlados pelo pesquisador,

onde as variáveis ambientais e

pessoais podem ser o

manipuladas

Realizadas em situação real,

onde o pesquisador não

interfere no andamento das

atividades e nas variáveis

ambientais

42

+ Modelo Estático

+ Modelo Adaptativo

28


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)

Mét

od

os

de

Ava

liaçã

o d

e C

on

fort

o

+

42


v. hu

man

as – v. am

bien

tais – ou


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.

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

Modelo Estático – Baseado no balanço de calor, modelo utilizado nas avaliações em ambientes

condicionados artificialmente.

42


v. hu

man

as – v. am

bien

tais – ou


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

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v. hu

man

as – v. am

bien

tais – ou


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 PPD (porcentagem

de pessoas insatisfeitas) estabelece a quantidade estimada de pessoas insatisfeitas dentro de um mesmo ambiente.

Modelo Estático

42

32

Princípio básico do modelo adaptativo: ao ocorrer uma mudança de temperatura que gera desconforto, as pessoas reagem de forma a restaurar o conforto térmico.

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).


v. hu

man

as – v. am

bien

tais – ou


Adaptação ao clima interno

Ajustes

Comportamentais/ Tecnológicos

Aclimatação

Adaptação fisiológica ao

clima

Habituação

Adaptação psicológica/diferentes expectativas

Dúvidas quanto a validação dos resultados aplicando o modelo estático em regiões quentes e úmidas iniciaram 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

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v. hu

man

as – v. am

bien

tais – ou


Modelo Adaptativo

42

34

Categorias da adaptação:


v. hu

man

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bien

tais – ou


• 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.

Modelo Adaptativo

42

35

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


Limites aceitáveis da temperatura operativa (zona de conforto) para espaços condicionados naturalmente. ASHRAE 55-2010

v. hu

man

as – v. am

bien

tais – ou


Modelo Adaptativo

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Co

nfo

rto Té

rmico


Conforto Térmico

Desconforto Localizado

Temp. da pele e taxa secreção dentro dos padrões

Neutralidade Térmica

Ambiente Real

Condições Básicas de Conforto Térmico

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Co

nfo

rto Té

rmico


Desconforto localizado:

Diferença na temp. do ar no sentido vertical

Correntes de ar Pisos aquecidos

ou resfriados Assimetria de radiação

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Os Índices de Conforto Térmico podem ser estimados com o auxílio de Softwares...

O software da ASHRAE calcula os índices: - PMV/PPD - Temperatura Efetiva (ET) - Temperatura Efetiva Padrão (SET) - Temperatura neutra dos modelos adaptativos de Humphreys e Auliciems.

Avaliação de Conforto Térmico

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Ou através de calculadoras onlines: Ex.: Universidade de Berkley: http://cbe.berkeley.edu/comforttool/

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Avaliação de Conforto Térmico


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man

as – v. am

bien

tais – ou


A ISO 7730 (Anexo E) disponibiliza tabelas para uma estimativa rápida dos valores de PMV/PPD, que se aplicam em ambientes condicionados artificialmente com umidade relativa (UR) de 50%

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v. hu

man

as – v. am

bien

tais – ou


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42

ASHRAE 55: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy

(em constante revisão)

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 revisão publicada: 2005)

ISO 7726: Ambientes Térmicos - Instrumentos e Métodos para medições

das quantidades físicas. Última revisão publicada: 1998)

NORMA BRASILEIRA??


v. hu

man

as – v. am

bien

tais – ou


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desempenho térmico de edificações -...

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