Ventilacao

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Ventilacao

  1. 1. VENTILAÇÃO DE EDIFÍCIOS Fenómenos de ventilação natural António Moret Rodrigues IST
  2. 2. ÍNDICE 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)
  3. 3. 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.
  4. 4. VENTILAÇÃO: qualidade do ar interior II Tipo de poluentes em edifícios FONTES Materiais do edifício e solo de fundação Aparelhos de aquecimento por combustão Fumo de tabaco Presença humana Formal- Gases Partículas deídos Orgânicos Amianto Radão ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ Monóxido Dióxido Dióxido de de de carbono carbono azoto ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦
  5. 5. VENTILAÇÃO: qualidade do ar interior III Concentrações limites de poluentes Encontram-se grandes variações entre fontes. POLUENTE LIMITE MÁXIMO (mg/m3) Partículas suspensas no ar (PM10) 1800 Monóxido de carbono (CO) 12,5 Ozono (O3) 0,2 0,1 Compostos orgânicos Voláteis Totais RSECE Dióxido de Carbono (CO2) Formaldeído Fonte: 0,15 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).
  6. 6. VENTILAÇÃO: qualidade do ar interior IV Necessidades de ventilação (V) por exigências de qualidade do ar interior Objectivo: manutenção das cargas poluentes em níveis considerados admissíveis para a saúde. Equação de conservação do volume de poluente (Vp): Vpe + P = Vpi Vpi Ci ≤ CLIM (m3/h) Ce P Com Vp=C×V vem: & P & V= Ci − C e Vpe P - Produção de poluente (m3/h) Vp - Caudal de poluente (m3/h) V - Caudal de ar (m3/h) C - Concentração de poluente (-) ÍNDICES i - interior e - exterior p – poluente LIM - limite
  7. 7. VENTILAÇÃO: qualidade do ar interior V Avaliação 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 Ci traçadores. C0 O processo consiste em injectar na sala uma dada C1 porção de gás e medir as C 2 suas concentrações,depois, t0 t1 em pelo menos 2 instantes instante da diferentes no tempo. injecção t2 instantes da medição t
  8. 8. VENTILAÇÃO: qualidade do ar interior VI Taxa de ventilação média (n) de uma sala Equação de conservação do volume do gás Variação de gás na sala dCi ϑ dt = Quantidade de gás introduzido na sala − Quantidade de gás que deixa a sala = & [V(t ) .Ce + F(t )] − & V ( t ) . Ci ( t ) & ( t ) = n ( t ) . ϑ fica n ( t ) = ⎡ F( t ) − dCi ⎤ /[Ci ( t ) − Ce ] . Sendo V ⎢ ⎥ ⎣ ϑ dt ⎦ Como a injecção de gás é anterior aos instantes de medição (F(t)=0) e a sua concentração é nula t C dCi no exterior (Ce=0), então: n ( t )dt = − ln C1 − ln C 2 n= t 2 − t1 ∫t 2 1 ∫C 2 1 Ci 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)
  9. 9. 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).
  10. 10. VENTILAÇÃO: conforto térmico II Necessidades de ventilação (V) por exigências de conforto térmico Objectivo: contribuir para as condições de conforto por arrefecimento passivo do ar. Equação de conservação da energia (H): He + Q = Hi Com H=ρVcpθ vem: & V= Q ρc p (θi − θe ) (J/h) Hi Q θi ≤ θLIM θe He Q - Calor libertado pela massa (J/h) cp - Calor específico do ar (J/Kg.ºC) V - Caudal de ar (m3/h) ρ - Massa específica θ - Temperatura (ºC) do ar (kg/m3)
  11. 11. VENTILAÇÃO: riscos de condensação I Não 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 de serviços (instalações sanitárias, cozinhas). ACTIVIDADE Cozinhar PRODUÇÃO DE VAPOR DE ÁGUA (g/dia) 2000 a 3000 Lavagem de louça 400 Banho (por pessoa) 200 Lavagem de roupa 500 Secagem de roupa no interior 1500
  12. 12. VENTILAÇÃO: riscos de condensação II Necessidades de ventilação (V) por exigências de prevenção de condensações Objectivo: manter a humidade do ambiente interior em níveis abaixo do respeitante à condensação. Equação de conservação da massa de vapor (Mw): Mwe + Wp = Mwi (kgH2O/h) Mwi ρwi ≤ ρw LIM ρwe Wp Com Mw=ρwV vem: & V= Wp ρ wi − ρ we Mwe V - Caudal de ar (m3/h) ρw - Humidade absoluta (kgH2O/m3)
  13. 13. VENTILAÇÃO: riscos de condensação III Para condições correntes o caudal ou número de renovações requerido pode ser facilmente estimado por recurso a um ábaco simples. Wp × 103 (Kg/m3) & V
  14. 14. VENTILAÇÃO NATURAL: princípios I Relação Caudal (V) - diferença de pressão (Δp) Modelo hidráulico 1 Meio semi-infinito 2 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) Escoamento através duma abertura em contacto com meio semi-infinito Energia por unidade de peso (m) 2 p1 v1 H 1 = z1 + + γ 2g p2 v2 H2 = z2 + + 2 γ 2g A relação pretendida obtém-se recorrendo a: Teorema de Bernoulli: H1=H2 Conservação do caudal: A1v1= A2v2
  15. 15. VENTILAÇÃO NATURAL: princípios II Teorema de Bernoulli: H1=H2 2 ⎛ p1 − p 2 v1 ⎞ ⎟.2.g + v 2 = ⎜ z1 − z 2 + 2 ⎜ γ 2.g ⎟ ⎝ ⎠ Conservação do caudal: A1v1= A2v2 2 ⎛ ⎛ A2 ⎞ v2 ⎞ p − p2 ⎟ 2 ⎟. 2.g +⎜ v 2 = ⎜ z1 − z 2 + 1 2 ⎜ ⎜ A ⎟ 2.g ⎟ γ ⎜ ⎟ ⎝ 1⎠ ⎝ ⎠ Com: z1=z2, Δp=p1-p2, γ=ρ.g, vem v 2 = Na hipótese: A2<<A1 fica v 2 = 2Δp & Finalmente: V = A 2 ρ 2 . Δp ρ 2 . Δp ⎡ ⎛ A ⎞2 ⎤ ρ . ⎢1 − ⎜ 2 ⎟ ⎥ ⎢ ⎜ A1 ⎟ ⎥ ⎠ ⎦ ⎣ ⎝
  16. 16. VENTILAÇÃO NATURAL: princípios III Na 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: & = C A 2Δp V d ρ (m3/s) (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.
  17. 17. VENTILAÇÃO NATURAL: princípios IV Lei de variação da pressão em altura p+ ∂p dz ∂z z ρ.g.ϑ dz ϑ=dx.dz Hipótese: ρ constante em altura 0 p dx Equilíbrio das forças na vertical ∂p ⎛ ⎞ p . dx = ⎜ p + . dz ⎟ . dx + ρ . g . dx . dz ∂z ⎝ ⎠ dp = −ρ . g dz A integração fornece: p = p0 − ρ . g . z d ⎞ ⎛∂ ⎜ ≡ ⎟ ⎝ ∂z dz ⎠ Lei de variação linear em altura
  18. 18. VENTILAÇÃO NATURAL: acção térmica I Caso de inexistência de aberturas Admitindo a lei de variação linear em altura para a pressão hidrostática: p (z)=p − ρ · g · z e Não há lugar à ocorrência de caudal entre os ambientes interior e exterior. 0e e pi(z)=p0i− ρi· g · z z pe(z) θ e , ρe θ i , ρi pi(z) p0e p0i
  19. 19. VENTILAÇÃO NATURAL: acção térmica II Caso de existência de 2 aberturas (iguais) A uma altura (z) a diferença de pressões que se estabelece é: Δp(z)=p −p = p − p − (ρ − ρ ) g · z e Ao nível das aberturas tem-se: 0e 0i e i z Δp1= p0e− p0i − (ρe− ρi) g · z1 Δp2= p0e− p0i − (ρe− ρi) g · (z1+h) Para determinar (p0e− p0i) introduz-se a condição de conservação do caudal (V1=V2), donde: Δp2= − Δp1 i Δp2 2 h θ e , ρe 1 Δp1 z1 θ i , ρi
  20. 20. VENTILAÇÃO NATURAL: acção térmica III Expressão Geral em função das densidades Introduzindo a condição Δp2= −Δp1 na expressão de Δp2,obtém-se: p0e − p0i = (ρe − ρi ).(z1 + h / 2). g Substituindo p0e-p0i na equação de Δp1 (ou Δp2) e substituindo esta na expressão (1) do caudal, fica: & V = Cd . A . (ρe − ρi ). g . h ρ A=A1=A2 ρ = (ρe + ρi ) / 2 Esta expressão em função das densidades não é prática, uma vez que as condições do problema aparecem normalmente em temperaturas.
  21. 21. VENTILAÇÃO NATURAL: acção térmica IV Expressão Geral em função das temperaturas Da relação dos gases perfeitos, substituindo ρe=p/(RTe), e ρi=p/(RTi), na expressão anterior: & V = Cd . A . & V = Cd A (Ti − Te ). g . h .T Ti .Te (θi − θe ) g ⋅ h T Como Ti . Te ≈ T 2 , vem: T=(T1+T2)/2 A=A1=A2 No caso de aberturas com áreas diferentes: ⎛ ⎞ ε 2 & ⎟ V = C d A⎜ ⎜ (1 + ε ) (1 + ε 2 ) ⎟ ⎝ ⎠ (θi − θe ) g ⋅ h T ε = A1/A2 A = A 1 + A2
  22. 22. VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento I Acção 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.
  23. 23. VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento II Acção do vento sobre os edifícios No 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.
  24. 24. VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento III Circulação no interior dos edifícios O 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.
  25. 25. VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento IV Pressão dinâmica do vento pd (Pa) Num ponto distante: p0 v2 H0 = h + + γ 2g p Sobre a parede: p0 h p H=h+ γ Aplicando o teorema de Bernoulli, admitindo que não existem perdas (H=H0), tem-se, na parede: ρ ⋅ v2 Pressão p = p0 + pd pd = com dinâmica 2
  26. 26. VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento V Velocidade 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 B Zona 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 ⎛h ⎞ v = 18 × ⎜ ⎟ rugosidade tipo I: ⎝ 10 ⎠ 0.28 + 14 h – altura do edifício (m)
  27. 27. VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento VI Coeficiente de pressão δp Para ter em conta a forma do edifício e a direcção do vento, a pressão dinâmica é afectada dum factor δp que é obtido experimentalmente: ρ ⋅ v2 p = p0 + δP 2 h – altura do edifício a – maior dimensão em planta b – menor dimensão em planta
  28. 28. VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento VII Caso de 2 aberturas (iguais) v ρ ⋅ v2 p f = p 0 + δ Pf 2 fachada pi ρ ⋅ v2 p t = p 0 + δ Pt 2 tardoz ρ ⋅ v2 Abertura da fachada (f): Δp f = ( p 0 + δ Pf 2 ) − p i ρ ⋅ v2 ) Abertura do tardoz (t): Δp t = p i − ( p 0 + δ Pf 2 Conservação do caudal para Af=At ⇒ Δpt= Δpf
  29. 29. VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento VIII Expressão Geral Fazendo Δpt= Δpf e resolvendo em ordem a p0-pi, obtém-se: p0 − pi = −ρ . v 2 (δpf + δpt )/ 4 Substituindo p0-pi na equação de Δpf (ou Δpt) e substituindo esta na expressão (1) do caudal, fica: & = C ⋅ A ⋅v δ −δ V A=Af=At d pf pt 2 Caso de mais aberturas e com áreas diferentes: A3 & A1 V = C ⋅A⋅v δ −δ d pf pt 1 1 1 = + 2 2 A ( A1 + A 2 ) ( A 3 + A 4 ) 2 A2 A4
  30. 30. VENTILAÇÃO NATURAL: acção do vento IX Efeito combinado da acção do vento e térmica No caso do vento e diferença térmica actuarem em simultâneo, o caudal gerado é dado por: & & & V = Vv2 ± Vt2 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.

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