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O documento discute o desempenho térmico de edificações focando no conforto térmico, definindo-o como a satisfação do ser humano com o ambiente térmico. São abordados fatores que influenciam esse conforto, como a neutralidade térmica, variáveis humanas e ambientais, e mecanismos de termoregulação. Além disso, menciona métodos de cálculo e índices de conforto térmico para melhorar a eficiência nas edificações.

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Desempenho Térmico de edificações Aula 2: Conforto Térmico PROFESSOR Roberto Lamberts ECV 5161 UFSC FLORIANÓPOLIS
estrutura 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
INTRODUÇÃO + ”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) 3 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico + definição + importância + termo-regulação + trocas térmicas 47
4 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
5 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
6 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – cálculo Conforto Térmico Desconforto Localizado Temp. da pele e taxa secreção dentro dos padrões Neutralidade Térmica Ambiente Real 47
7 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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. Introdução – variáveis – cálculo Importância 47
8 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo 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
9 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo Mecanismos de termo-regulação 31° C 35° C 37° C 39° C 43° C Temperatura Corporal 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
11 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Mecanismos instintivos e culturais para proteção do frio Mecanismos instintivos Mecanismos culturais Introdução – variáveis – cálculo 47
12 Calor: Incrementar as perdas térmicas do corpo e reduzir a produção interna de calor Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Vasodilatação periférica Suor Redução do metabolismo Boa evaporação Pouca evaporação Perdas de calor por radiação e convecção Introdução – variáveis – cálculo 47
13 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Mecanismos instintivos Mecanismos culturais Mecanismo instintivos e culturais para proteção contra o calor Introdução – variáveis – cálculo 47
14 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo 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
VARIÁVEIS DE CONFORTO + As variáveis de conforto térmico estão divididas em humanas e ambientais. Além disso, são considerados outros fatores de influência 15 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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
16 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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) Introdução – variáveis – 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 Caminhando em local plano a 3 km/h 140 Caminhando em local plano a 4 km/h 165 Caminhando em local plano a 5 km/h 200 47
17 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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) Introdução – variáveis – 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
18 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo Vestimenta 47
19 Temperatura do ar: Chamada de TBS (temperatura de bulbo seco) Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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”. Introdução – variáveis – cálculo 47
20 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – 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. Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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. Introdução – variáveis – 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). Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico UMIDADE RELATIVA DO AR VELOCIDADE DO AR PERDA DE CALOR POR EVAPORAÇÃO Introdução – variáveis – cálculo 47
23 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico • Idade • Raça • Hábitos alimentares • Altura • Sexo Introdução – variáveis – cálculo Outras variáveis 47
24 Equipamentos para medição das variáveis ambientais Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
25 Cálculo da temperatura radiante média: pode se calcular através da T. globo e T. do ar Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 * * * * * * Introdução – variáveis – cálculo 47
26 Cálculo da temperatura radiante média Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico * * * Introdução – variáveis – 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 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – 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 47
28 Cálculo da umidade relativa: carta psicrométrica Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – 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
CÁLCULO + 29 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 47
30 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo 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
31 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo 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
32 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo Estático x Adaptativo Método estático x adaptativo com dados provenientes do banco de dados da ASHRAE 47
33 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
34 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
35 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
36 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Desconforto localizado: Diferença na temp. do ar no sentido vertical Correntes de ar Pisos aquecidos ou resfriados Assimetria de radiação Introdução – variáveis – cálculo 47
37 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico • 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 Introdução – variáveis – cálculo Desconforto localizado • Piso aquecido/ resfriado: Devido ao contato direto dos pés com o piso 47
38 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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. Introdução – variáveis – cálculo Aceitabilidade de ambientes térmicos Categori a 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
39 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Modelo Adaptativo Introdução – variáveis – cálculo 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). Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Adaptação ao clima interno Ajustes Comportamentais/ Tecnológicos Aclimatação Adaptação fisiológica ao clima Habituação Adaptação psicológica/difere ntes 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
41 Três categorias de adaptação: Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico • 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. Introdução – variáveis – cálculo 47
42 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – cálculo 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/comfort tool) Avaliação de Conforto Térmico Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo 47
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 Introdução – variáveis – cálculo 47
45 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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% Introdução – variáveis – cálculo 47
46 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo 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 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 47 Introdução – variáveis – cálculo

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    6 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – cálculo Conforto Térmico Desconforto Localizado Temp. da pele e taxa secreção dentro dos padrões Neutralidade Térmica Ambiente Real 47
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    7 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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. Introdução – variáveis – cálculo Importância 47
  • 8.
    8 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo 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
  • 9.
    9 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo Mecanismos de termo-regulação 31° C 35° C 37° C 39° C 43° C Temperatura Corporal 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.
    10 Os mecanismos termorreguladoressão 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
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    11 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Mecanismos instintivos e culturais para proteção do frio Mecanismos instintivos Mecanismos culturais Introdução – variáveis – cálculo 47
  • 12.
    12 Calor: Incrementar asperdas térmicas do corpo e reduzir a produção interna de calor Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Vasodilatação periférica Suor Redução do metabolismo Boa evaporação Pouca evaporação Perdas de calor por radiação e convecção Introdução – variáveis – cálculo 47
  • 13.
    13 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Mecanismos instintivos Mecanismos culturais Mecanismo instintivos e culturais para proteção contra o calor Introdução – variáveis – cálculo 47
  • 14.
    14 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo 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
  • 15.
    VARIÁVEIS DE CONFORTO + As variáveis de confortotérmico estão divididas em humanas e ambientais. Além disso, são considerados outros fatores de influência 15 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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
  • 16.
    16 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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) Introdução – variáveis – 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 Caminhando em local plano a 3 km/h 140 Caminhando em local plano a 4 km/h 165 Caminhando em local plano a 5 km/h 200 47
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    17 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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) Introdução – variáveis – 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
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    18 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo Vestimenta 47
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    19 Temperatura do ar:Chamada de TBS (temperatura de bulbo seco) Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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”. Introdução – variáveis – cálculo 47
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    20 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
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    21 Umidade relativa doar (UR): fornece a quantidade de vapor de água no ar em relação à quantidade máxima que pode conter, a uma determinada temperatura e pressão. Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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. Introdução – variáveis – cálculo 47
  • 22.
    22 Velocidade do ar: Ovalor 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). Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico UMIDADE RELATIVA DO AR VELOCIDADE DO AR PERDA DE CALOR POR EVAPORAÇÃO Introdução – variáveis – cálculo 47
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    23 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico • Idade • Raça • Hábitos alimentares • Altura • Sexo Introdução – variáveis – cálculo Outras variáveis 47
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    24 Equipamentos para mediçãodas variáveis ambientais Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
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    25 Cálculo da temperaturaradiante média: pode se calcular através da T. globo e T. do ar Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 * * * * * * Introdução – variáveis – cálculo 47
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    26 Cálculo da temperaturaradiante média Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico * * * Introdução – variáveis – 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
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    27 A carta psicrométrica Desempenhotérmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – 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 47
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    28 Cálculo da umidaderelativa: carta psicrométrica Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – 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
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    CÁLCULO + 29 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 47
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    30 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo 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
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    31 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo 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
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    32 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo Estático x Adaptativo Método estático x adaptativo com dados provenientes do banco de dados da ASHRAE 47
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    33 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
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    34 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
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    35 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
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    36 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Desconforto localizado: Diferença na temp. do ar no sentido vertical Correntes de ar Pisos aquecidos ou resfriados Assimetria de radiação Introdução – variáveis – cálculo 47
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    37 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico • 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 Introdução – variáveis – cálculo Desconforto localizado • Piso aquecido/ resfriado: Devido ao contato direto dos pés com o piso 47
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    38 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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. Introdução – variáveis – cálculo Aceitabilidade de ambientes térmicos Categori a 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
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    39 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Modelo Adaptativo Introdução – variáveis – cálculo 47
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    40 Princípio básico domodelo 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). Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Adaptação ao clima interno Ajustes Comportamentais/ Tecnológicos Aclimatação Adaptação fisiológica ao clima Habituação Adaptação psicológica/difere ntes 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
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    41 Três categorias deadaptação: Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico • 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. Introdução – variáveis – cálculo 47
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    42 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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 Introdução – variáveis – cálculo 47
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    43 Desempenho térmico emedificações| 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/comfort tool) Avaliação de Conforto Térmico Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo 47
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    44 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Ex.: Universidade de Berkeley TC Tool (http://smap.cbe.berkeley.edu/comforttool) Avaliação de Conforto Térmico Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo 47
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    45 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 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% Introdução – variáveis – cálculo 47
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    46 Desempenho térmico emedificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Introdução – variáveis – cálculo 47
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    47 ASHRAE 55: ThermalEnvironmental 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 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 47 Introdução – variáveis – cálculo