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Ambiência em E m sua segunda edição, revista e Ambiência em edificações rurais animal enfoca, em primeiro lugar, a inter Edificações Rurais animal-meio ambiente, de forma a identificar as condições de máximo conforto, para que os animais possam expressar todo o seu potencial genético produtivo. Em seguida, apresenta os índices térmicos conforto animal que procuram reunir em um único parâmetro os combinados da temperatura, umidade, radiação velocidade do ar. Além disso, mostra a importância da edificação como elemento fundamental para propiciar as melhores condições ambientais aos animais e Com as mais modernas e úteis informações na este livro busca abranger todo o campo complexo assunto, bem como assentar as bases para programas de bem-estar animal, alicerçadas em elementos que contribuam para a qualidade de vida dos Professores, estudantes, pesquisadores e outros interessados encontrarão nesta obra, em detalhes, sobre a interação para que animais expressem o seu máximo produtivo, um ambiente saudável. edição ISBN Fernando da Costa Baêta 9 88572 693936 Cecília de Fátima Souza UFVby 1997 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza edição: 1997 edição: 2010 reimpressão: 2012 Direitos de edição reservados à Editora UFV. SUMÁRIO Nenhuma parte desta publicação pode ser reproduzida, apropriada e estocada, por qualquer forma ou meio, sem autorização do detentor dos seus direitos de edição. PREFÁCIO, 9 Impresso no Brasil CAPÍTULO 1 Introdução, 11 Ficha catalográfica preparada pela Seção de Catalogação e Classificação da Biblioteca Central da UFV CAPÍTULO 2 O Animal e o Ambiente, 13 CAPÍTULO 3- Homeotermia, 18 Baêta, Fernando da Costa, B142a Ambiência em edificações rurais: conforto animal / Fernando da CAPÍTULO 4 Mecanismos de Regulação da Temperatura 2010 Costa Baeta, Cecília de Fátima Souza. 2. ed. Viçosa, MG: Ed. UFV, 2010. Corporal, 20 269 p. : il. 22 cm. CAPÍTULO 5 Calor Resultante do Metabolismo, 22 ISBN: 978-85-7269-393-6 CAPÍTULO 6 Caracterização da Zona de Conforto Térmico e das Referências bibliográficas: p. 265-269 Temperaturas Ambientais Críticas, 26 1. Animais domésticos Instalações Aquecimento e ventilação. CAPÍTULO 7 Dissipação do Calor Corporal, 30 2. Animais domésticos Fatores climáticos. 3. Construções rurais Aquecimento e ventilação. 4. Bioclimatologia. I. Souza, Cecília de CAPÍTULO 8 Formas Sensíveis de Transferência de Calor Animal- Fátima. II. Título. Ambiente, 33 Condução, 33 CDD 22. ed. 631.2 Convecção, 38 Capa Arte. Altamiro Saraiva Revisão linguística: Ângelo José de Carvalho Radiação, 46 Editoração eletrônica: José Roberto da Silva Lana Lei de Kirchhoff, 49 Impressão e acabamento: Divisão Gráfica da Editora UFV Lei de Planck, 52 Lei de Wien, 53 Editora UFV Edifício Francisco São José, s/n Lei de Stephan Boltzmann, 54 Universidade Federal de Viçosa Pedidos 36570-000 Viçosa, MG, Brasil CAPÍTULO 9 Formas Latentes de Transferência de Calor Animal- Tel. (0xx31) 3899-2234 Caixa Postal 251 Tel./Fax (0xx31) 3899-3113 Ambiente, 57 Tels. (0xx31) 3899-2220/3139 E-mail: editoraorcamento@ufv.br E-mail: editora@ufv.br Livraria Virtual: CAPÍTULO 10 Índices do Ambiente Térmico, 64 Este livro foi impresso em papel offset 75 (miolo) e cartão supremo 250 (capa).CAPÍTULO 11 - Acondicionamento Térmico das Instalações, 81 Quebra-ventos, 208 Conceitos sobre Energia, 83 Modificações Ambientais Secundárias, 220 Transmissão de Calor - Materiais de Construção, 84 Iluminação (Fotoperíodo), 220 Condução, 85 Resfriamento, 234 Convecção, 100 Aquecimento, 250 Radiação, 112 Evaporação e Condensação, 117 CAPÍTULO 18 - Controle da Qualidade do Ar, 254 Condensação, 119 CAPÍTULO 19 Bases para um Programa de Bem-Estar Animal, 260 Condensação - Prevenção, 128 REFERÊNCIAS, 265 CAPÍTULO 12 - - O Clima, 129 Conceitos Básicos, 131 Radiação Solar, Temperatura e Umidade do Ar, 140 Trajetórias Aparentes do Sol, 144 Radiação em Superfícies Inclinadas, 148 CAPÍTULO 13 - Os Fechamentos Opacos, 151 CAPÍTULO 14 Os Fechamentos Transparentes, 157 CAPÍTULO 15 - Ventilação, 163 Ventilação Natural, 165 Ventilação Natural Dinâmica, 166 Ventilação Natural Térmica, 170 Cálculos Referentes à Ventilação Natural, 172 Considerações a Respeito das Aberturas de Ventilação, 175 Ventilação Artificial, 182 CAPÍTULO 16 - A Edificação e o Ambiente, 192 CAPÍTULO 17 - Modificações Ambientais, 194 Modificações Ambientais Primárias, 195 Sombreamento, 195PREFÁCIO O atual conhecimento sobre ambiência animal tem permitido desenvolvimento de processos de engenharia que se tornam indispensáveis na moderna técnica das edificações rurais para produção animal, principalmente no empreendimento comercial, visando sempre necessário conforto ambiental, para animais e trabalhadores, onde é comum excesso de calor e a produção de contaminantes. O estudo mais completo da ambiência animal abrange todo o campo complexo da interação animal-ambiente-instalação com vistas a propiciar aos animais um ambiente saudável, para que expressem seu máximo produtivo. As novas exigências mundiais de produção agrícola, dentro de processo ético, cada vez mais se voltam para os conceitos das boas práticas de produção, considerando a segurança alimentar, bem-estar do animal e do trabalhador, e respeito ao meio ambiente. Os conhecimentos envolvendo o animal, no que se refere aos mecanismos de regulação da temperatura corporal, caracterização da zona de conforto térmico e das temperaturas ambientais críticas e índices do ambiente térmico, assim como os conhecimentos envolvendo a edificação e o ambiente, no que se refere ao clima, fechamentos, ventilação, ruído, qualidade do ar e acondicionamento térmico e modificações ambientais artificiais das instalações, são bases para um programa de bem-estar animal. As bases de programas de bem-estar estão alicerçadas em elementos que contribuem para a qualidade de vida dos animais, principalmente possibilitando que estejam livres de medo, angústia, dor, sofrimento, doenças, fome, sede e de qualquerforma de desconforto e, por fim, livres para expressarem seus comportamentos normais. Revista e acrescida de um novo capítulo Bases para um programa de bem-estar animal -, a segunda edição de Ambiência CAPÍTULO 1 em edificações rurais conforto animal busca reforçar os conceitos básicos e dar suporte à demanda hodierna relativa ao tema. Os autores Introdução O avanço tecnológico nos sistemas produtivos animais, tanto do ponto de vista genético quanto do gerencial, faz com que o meio ambiente adequado seja condição indispensável para que os animais possam expressar seu máximo produtivo, associado ao seu bem-estar. O meio ambiente é aqui definido como conjunto de todos os fatores que afetam direta ou indiretamente os animais. Excetuando a alimentação e os agentes patógenos, de acordo com os conhecimentos adquiridos até presente, as variáveis que causam os maiores efeitos sobre bem-estar e, consequentemente, sobre a produção do animal são a temperatura, a umidade, a radiação e vento, constituintes do ambiente térmico. Deve-se projetar a instalação visando amenizar os seus extremos, bem como possibilitar controle da luminosidade e da qualidade do ar, que são igualmente importantes para maior produtividade animal. O ambiente interno de uma instalação normalmente é resultante das condições locais externas; das características construtivas e dos materiais utilizados na construção; da espécie e do número de animais; do manejo; e das modificações causadas tanto pelos equipamentos componentes do sistema produtivo quanto por aqueles destinados ao acondicionamento ambiental. Nesta obra, busca-se apresentar a interação do animal com meio ambiente; os índices térmicos ambientais que constituem o elo entre a necessidade animal e a condição12 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza resultante do condicionamento interior de um ambiente construído; desempenho do material de construção com relação às variáveis térmicas ambientais; e as maneiras de se realizarem modificações ambientais primárias, por meio da orientação, do sombreamento e do uso de quebra-ventos para as edificações, e CAPÍTULO 2 secundárias, por meio da iluminação, da ventilação, do resfriamento, do aquecimento e do controle da qualidade do ar. Os autores esperam que esta obra possa ser de valia para todos aqueles que pretendem entender melhor a interação animal- ambiente-instalação, notadamente os estudantes, professores e profissionais de ciências agrárias. Animal e Ambiente O ambiente externo compreende todas as variáveis físicas, químicas, biológicas, sociais e climáticas que interagem com o animal, produzem reações no seu comportamento e definem, assim, o tipo de relação animal-ambiente. As variáveis físicas do ambiente incluem espaço, luz, som e equipamentos; os gases presentes na atmosfera figuram como exemplos de variáveis químicas; e a própria natureza do material alimentar representa uma variável biológica do ambiente. As variáveis sociais incluem número de animais por área, comportamento e a ordem de dominância; e as variáveis climáticas, a temperatura, a umidade relativa, movimento do ar e a radiação. O animal porta-se como um sistema termodinâmico que, continuamente, troca energia com ambiente. Neste processo, os fatores externos do ambiente tendem a produzir variações internas no animal, influindo a quantidade de energia trocada entre ambos, havendo, então, necessidade de ajustes fisiológicos para balanço de calor. Os animais respondem às condições ambientais desfavoráveis de diversas maneiras, destacando-se o movimento ou reorientação. Considerando, por exemplo, que as plantas se enraízam em seu ambiente e não podem movimentar-se ou orientar-se de acordo com sol forte ou os ventos frios, os animais têm vantagem na relação com ambiente externo. Isso significa que próprio animal tem a possibilidade de alterar seu14 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 15 microambiente ou seu microclima, buscando encontrar conforto. A seguir são citados vários conceitos relacionados ao O microambiente e microclima estão relacionados com processo de adaptação: ambiente imediatamente vizinho do animal ou da planta. Adaptação biológica: refere-se às características morfológicas, O microambiente térmico do animal é constituído por anatômicas, fisiológicas, bioquímicas e de comportamento do cinco componentes principais: temperatura, velocidade e umidade animal, que permitem bem-estar e a sobrevivência em um do ar; temperatura radiante e temperaturas superficiais. Muitas ambiente específico. vezes, esses componentes ocorrem em valores extremos, Adaptação genética: refere-se às características hereditárias do dificultando a sobrevivência do animal. Por exemplo, sabe-se que animal, que favorecem a sua sobrevivência em um ambiente 2/5 da superfície da Terra correspondem a desertos, que são áreas particular e podem promover mudanças por muitas gerações caracterizadas por períodos prolongados de seca, altas (seleção natural) ou favorecer a aquisição de propriedades temperaturas do ar durante dia associadas à intensa radiação genéticas específicas (seleção "artificial"). solar e baixas temperaturas do ar durante a noite. Essas condições inviabilizam a sobrevivência da maioria das espécies vegetais e Adaptação fisiológica: é processo de ajustamento do animal animais. a si próprio, a outro material vivo e ao seu ambiente físico externo. Existem áreas na superfície terrestre em que somente determinadas espécies animais são capazes de sobreviver, como Aclimatização: refere-se a ajustamentos fisiológicos adaptativos ursos e pinguins nas regiões geladas. Diversos animais migram em duradouros, que resultam em aumento de tolerância a contínuas busca de melhores condições ambientais, o que é muito comum ou repetidas exposições a vários estressores climáticos em se tratando de pássaros. Há também áreas que oferecem (normalmente produzidos sob condições de campo). condições favoráveis à ampla gama de espécies. Porém, pode-se Aclimatação: refere-se a mudanças adaptativas em resposta a observar em outras que, apesar dos extremos ambientais, as uma única variável climática (normalmente produzidas em espécies se adaptam às condições locais. Isso significa que em câmaras climáticas). vários casos, os animais se portam como as plantas, isto é, Hábito (geral): é uma variação quantitativa da resposta. Essa adaptam-se ao ambiente em que foram inseridos em favor de sua variação pode conduzir à perda da resposta, como resultado de sobrevivência. repetidos estímulos. A adaptabilidade pode ser medida ou avaliada pela Aprendizagem: é a aquisição de nova resposta ou a mudança habilidade que tem o animal de se ajustar às condições médias qualitativa de uma resposta já existente, ou, ainda, a inibição de ambientais de climas adversos, com mínima perda de peso e uma resposta existente por um novo estímulo. conservando alta taxa reprodutiva, alta resistência a doenças, longevidade e baixa taxa de mortalidade. Condicionamento: é a transferência de uma resposta já existente para um novo estímulo. O conceito de adaptação a um dado ambiente está relacionado com mudanças estruturais, funcionais ou Toda situação ambiental que provoca uma resposta comportamentais observadas no animal, objetivando adaptativa é considerada estressora, isto é, define uma situação de sobrevivência, reprodução e produção em condições extremas ou estresse no animal. O estresse pode ser crônico, quando é gradual adversas. e constante, ou agudo, quando é brusco e intenso. Por exemplo, aumentos bruscos da temperatura do ar são considerados estressantes e, em certos casos, podem provocar até morte.16 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 17 Um ambiente estressante provoca várias respostas, umidade e da movimentação do ar, bem como de níveis de cargas dependendo da capacidade do animal para adaptar-se. Em de radiação, sempre considerando que podem ocorrer em determinadas situações ambientais, animal pode manter todas conjunto. as suas funções vitais (mantença, reprodução e produção) e, em Há outros condicionadores do desempenho produtivo do outras, estabelece prioridades. É importante mencionar que a animal, como a nutrição, o manejo e a genética, mas o ambiente função vital prioritária do animal é a mantença (sobrevivência). é, sem dúvida, um fator determinante, o que justifica a real Mas tanto a mantença quanto a reprodução e a produção vão importância da presente obra. sendo suprimidas à medida que o ambiente se torna mais severo. Quando submetido a ambiente estressante, várias funções internas do animal são alteradas: há redução do crescimento, desvio dos nutrientes que seriam usados na produção para processos de mantença, redução da resistência a doenças, variação da frequência respiratória e da temperatura retal etc. Podem ocorrer desvio de nutrientes e também variação na ingestão de alimentos, resultando em menor produção com a magnitude relativa a cada animal, pois as respostas ao estresse são diferentes quando comparados dois animais também diferentes. O fato de estresse reduzir a produtividade do animal levou, inicialmente, os criadores a acreditarem que um ambiente com fatores estressantes não era adequado para uso produtivo. Por longo tempo, houve grande preocupação, por parte dos produtores, com a queda produtiva do animal, relacionada com determinado ambiente considerado adverso. Porém, com a evolução das pesquisas na área, o quadro foi-se alterando e, hoje, já é evidente que várias técnicas, compatíveis cada caso, podem ser empregadas para favorecer a adaptação do animal ao ambiente e, consequentemente, conservar seu desempenho produtivo. Controlar fatores ambientais é tarefa muito complexa, porém a maioria dos processos produtivos animais é conduzida em sistema intensivo. Dessa forma, é importante a atuação do Engenheiro Agrícola, Zootecnista ou Agrônomo na execução do projeto das instalações, combinando materiais e técnicas que permitam estabelecimento do ambiente adequado ao animal. A atuação dos engenheiros agrícolas envolve a modifi- cação e controle das flutuações diárias da temperatura, daAmbiência em edificações rurais: conforto animal 19 O animal homeotérmico controla seu ambiente interno por meio de respostas de adaptação ao ambiente externo. Qualquer tipo de alteração no ambiente externo pode causar CAPÍTULO 3 alteração também no interno. Se mecanismo hemeocinético não funcionar, ambiente interno se iguala ao externo e animal morre. Por exemplo, quando ambiente externo é tão frio que a máxima resposta metabólica do animal não consegue manter a temperatura corporal, a taxa metabólica e a temperatura retal declinam juntas e o animal morre. Os homeotermos têm temperaturas corporais que variam em diferentes partes do corpo e em diferentes tempos, mas a Para que a atividade celular seja normal, animal precisa temperatura do núcleo corporal é mantida em nível que ter seu ambiente interno estável com relação a flutuações externas, independe da flutuação ambiental (MOUNT, 1979). processo definido como homeotermia, homeostase ou Esmay (1969) cita temperaturas do núcleo corporal de homeocinese. diversas espécies, que são resultado da maneira como cada O animal homeotermo, ou homeotérmico, mantém a espécie se mantém em equilíbrio com o ambiente térmico de temperatura do núcleo corporal dentro de limites relativamente acordo com sua constituição: estreitos, mesmo que a temperatura ambiental flutue e que a sua Homem: 37 °C Gatos e cachorros: atividade varie intensamente, por meio de processos de aumento Bovinos: 38,5 °C Caprinos: 40 °C ou diminuição do calor resultante do metabolismo e de conservação ou dissipação do calor corporal para meio Equinos: 38 °C Suínos: °C ambiente externo. Trata-se de um processo mais comum em Galinhas: 41,7 °C Ovinos: 39 °C mamíferos e pássaros. A temperatura do núcleo corporal do animal mantém-se bastante estável, ou seja, não flutua rapidamente quando ocorrem as flutuações ambientais. Porém, ocorrem variações de temperatura nas diferentes partes do organismo do animal, as quais são associadas ao fluxo de calor entre animal e ambiente, estabelecendo-se um gradiente que depende da temperatura do núcleo e das condições térmicas ambientais do meio. A temperatura do núcleo corporal do homem pode ser calculada pela equação (INGRAM; MOUNT, 1975): (3.1) em que é a temperatura do núcleo corporal; T,, a temperatura retal; e a temperatura da pele.Ambiência em edificações rurais: conforto animal 21 A medula ou corda espinhal é uma extensão direta do cérebro e acompanha a coluna vertebral. Na raiz dorsal ou base da corda espinhal estão localizados receptores de todos os CAPÍTULO 4 estímulos próvenientes do ambiente externo, que fazem a comunicação entre as várias partes do corpo (coração, estômago etc.) e cérebro. Por exemplo, a sensação de dor no homem é primeiramente transmitida ao nível da sétima vértebra no pescoço e, a partir daí, conduzida ao cérebro. Esses impulsos originam-se de receptores na pele, nos músculos e nos tendões e, ainda, de nervos terminais nos órgãos internos. Mecanismos de Regulação da O neurônio faz parte do sistema nervoso periférico (pele) e Temperatura Corporal é a unidade funcional do sistema nervoso central. Informações sobre ambientes externos (estímulos) são transmitidas por meio de O animal homeotérmico tem um sistema de controle de neurônios, os chamados aferentes ao sistema nervoso central, seu ambiente interno, que recebe continuamente informações de onde são tomadas as decisões, que, por sua vez, são transmitidas vários sensores em níveis interno e externo do corpo. Esse pelos neurônios chamados eferentes ao receptor ou agente. O sistema, composto por mecanismos neurais, após analisar as receptor ou agente é que aciona as reações homeocinéticas. informações recebidas, toma a decisão adequada ativando Existem duas classes de receptores periféricos: os que agentes específicos. induzem à formulação de respostas para o ambiente externo frio e O cérebro e a espinha constituem o sistema nervoso os que o fazem para ambiente externo quente. Existem, ainda, central. O cérebro contém os centros de percepção, associação e vários interneurônios que funcionam entre a rota aferente e a pensamento, este último quando se trata de seres humanos, eferente e atuam no processo e áreas específicas associadas à visão, à audição e ao movimento do Em resumo, pode-se dizer que processo de controle corpo. homeocinético compreende a recepção de um sinal negativo do Considerando as respostas do animal ao ambiente externo, ambiente externo por um sensor específico do corpo do animal; a hipotálamo, localizado no cérebro, é de particular importância, condução desse sinal, por meio de um caminho aferente, até porque contém centro de regulação da temperatura, da ingestão cérebro, onde é feita a sua análise e é tomada uma decisão; e, de alimentos e água, chamado de termostato do corpo. Abaixo do finalmente, a condução do sinal, por meio de caminho eferente, a hipotálamo, está a pituitária, que é uma das mais importantes um agente apropriado, que em funcionamento as reações glândulas produtoras de hormônio no corpo. homeocinéticas. Os hormônios produzidos pela pituitária são agentes químicos no processo de regulação de temperatura. A partir desses agentes, podem ser iniciadas as respostas fisiológicas e também alteradas as taxas de determinadas reações. Os hormônios são carreados pelo sangue para todo corpo, que facilita a termorregulação.Ambiência em edificações rurais: 23 (5.1) em que Q é a taxa metabólica-padrão em kcal/hora; e W, peso do animal, em kg; quando a = 2.9 e b 0,75. CAPÍTULO 5 O termo Wb é definido como tamanho ou peso metabólico corporal. Com base na equação 5.1, pode-se afirmar que um grande animal homeotérmico produz mais calor que um pequeno. A taxa de produção de calor metabólico basal de uma vaca com Calor Resultante do Metabolismo 600 kg é aproximadamente 380 J/s e a de um rato de 20 g, 0,2 J/s. Considerando a unidade de peso corporal, mesmo rato produz 10 J/s.kg e a mesma vaca, somente 0,6 J/s.kg, que Quando um animal é submetido a um ambiente com significa que cada unidade de massa corporal do rato é muito temperatura mais baixa que a temperatura corporal, ocorre mais ativa metabolicamente quando comparada à da vaca. Outros dissipação de calor do seu corpo para ambiente, processo exemplos são apresentados na Tabela 5.1. normal quando tomadas como base as leis físicas de transferência de calor. Por essas leis, conclui-se que há tendência ao equilíbrio. Se houvesse continuidade desse processo, a temperatura corporal Tabela 5.1 Taxa metabólica de vários animais com base no peso diminuiria a níveis intoleráveis e ocorreria a morte do animal. No corporal e na área superficial entanto, em condições de baixas temperaturas, acontecem compensações fisiológicas, isto é, o animal homeotermo aumenta Animal Peso médio Metabolismo sua produção de calor e reduz as perdas para ambiente, (kg) (W/kg) mantendo controlada a sua temperatura interna. Cavalo 441 0,55 45,9 A produção de calor corporal é resultado da atividade Porco 128 0,92 52,2 metabólica, que é influenciada, entre outros fatores, pela temperatura do ambiente externo, pelo tamanho ou peso do Homem 64,3 1,55 50,5 corpo, pela atividade, pelo plano de nutrição e pelo isolamento Cachorro 15,2 2,49 50,3 térmico do animal. Coelho 2,3 3,64 37,6 Atividade metabólica é o conjunto de fenômenos físico- Ganso 3,5 3,23 49,3 químicos que ocorrem no organismo para a assimilação ou não Galinha das substâncias necessárias à vida. Metabolismo basal está 2,0 3,44 48,8 relacionado com a quantidade de calor que organismo Fonte: 1979. desprende por hora, quando em jejum, em absoluto repouso e em ambiente confortável, podendo ser expresso em calorias por de A taxa metabólica pode também estar relacionada com a superfície cutânea. área superficial do animal (Tabela 5.1), e esta determina a razão De acordo com Curtis (1983), a taxa metabólica basal ou de dissipação de calor pelo animal, isto é, a troca de calor com taxa-padrão pode ser estimada, por meio da seguinte equação: ambiente, em proporção direta com a área de sua superfície24 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 25 corporal participante do fluxo. A área superficial animal pode ser c) Expresse a taxa metabólica da vaca com relação ao peso e à estimada empregando as constantes da Tabela 5.2 na equação de superfície corporal. Meeh: A = m. Wb (5.2) 330 W 453 kg em que m é a constante de Meeh; A, a área da superfície corporal 330 W 3,99 = 82,78 do animal, W, o peso corporal do animal; e b, a constante. Mount (1979) afirma que a expressão da taxa metabólica Mount (1979) sugere um cálculo geral para a área da corporal, com base na área superficial, oferece uma base muito mais superfície corporal por meio da expressão 0,1 , para pesos uniforme para a comparação entre espécies e faz uma comparação corporais (W) variando de 0,01 a 1.000 kg. entre valores de taxa de calor metabólico, calculados por meio dos dois parâmetros em questão (Tabela 5.1). Observa-se, na Figura 5.1, Tabela 5.2 Valores de m e b para a Equação 5.2 que, no caso de pequenos mamíferos, o valor do calor metabólico calculado é maior quando a base é a área superficial e, no caso de b m grandes mamíferos, quando a base é peso corporal. Gado de leite 0,560 0,130 Gado de corte 0,600 0,120 Cavalos 0,640 0,100 Suínos 0,630 0,100 Ovelhas 0,667 0,070 Galinhas 0,667 0,100 Fonte: TERESO, 1989. de Aplicação a) Determine a taxa metabólica basal, em kcal/hora, de uma vaca de leite cujo peso corporal é 453 kg. Q = Q = 284 kcal/hora = 330 J/s (1 kcal = 4.186 J) Peso corporal (kg) b) Determine a área superficial da vaca. Figura 5.1 Relação entre a taxa metabólica e peso corporal de A = 0,13. 0,13 mamíferos. A = Fonte: MOUNT, 1979.Ambiência em edificações rurais: conforto animal 27 Com base na Figura 6.1, observa-se que a zona de conforto térmico é limitada pelas temperaturas efetivas ambientais dos pontos A e A'; a zona de moderado conforto ou de variação nula na CAPÍTULO 6 produção de calor corporal, pelas temperaturas efetivas ambientais dos pontos B e B'; a zona de homeotermia, pelas temperaturas efetivas ambientais dos pontos C e C'; e a zona de sobrevivência, pelas temperaturas efetivas ambientais dos pontos D e D'. Nas temperaturas efetivas ambientais situadas na faixa limitada pelos pontos A e D, animal está estressado por frio e Caracterização da Zona de nas de A' a D'. por calor. Conforto Térmico e das A temperatura efetiva ambiental correspondente ao ponto B é denominada Temperatura Crítica Inferior Abaixo desta Temperaturas Ambientais Críticas temperatura animal aciona seus mecanismos termorregulatórios para incrementar a produção e a retenção de calor corporal, compensando a perda de calor para ambiente, que se encontra A caracterização do ambiente térmico animal envolve os frio. Nesta situação, a capacidade do animal de aumentar a taxa efeitos da temperatura, umidade, radiação e do vento e pode ser metabólica torna-se relevante para a manutenção do equilíbrio feita por meio de uma única variável, que engloba efeito homeotérmico. combinado de todas, chamada de temperatura efetiva. Zona de sobrevivência Em determinada faixa de temperatura efetiva ambiental, Zona de homeotermia animal mantém praticamente constante a temperatura corporal, Zona de modesto com mínimo esforço dos mecanismos termorregulatórios. É a conforto térmico chamada Zona de Conforto Térmico (ZCT), dentro da zona de Temperatura do núcleo termoneutralidade, em que não há sensação de frio ou calor e desempenho do animal em qualquer atividade é otimizado. Hipo- termia Rosenberg et al. (1983) referem-se à ZCT como zona de de indiferença térmica, em que apenas metabolismo normal é calor de capaz de fornecer a energia necessária para manter a temperatura Hipo- termia corporal dentro da normalidade. Porém, ambiente térmico externo varia muito, o que D C B A A' B' C' D' causa alterações na temperatura corporal do animal, ou seja, seu Estresse por frio Estr. por calor ambiente térmico interno também sofre mudanças. Normalmente, Temperatura ambiental quando ambiente térmico (temperatura do ar, umidade relativa, ventilação e radiação) está fora da faixa que propicia a Figura 6.1 Representação esquemática simplificada das tempe- raturas efetivas ambientais críticas. ocorre variação na quantidade de calor resultante de processos metabólicos do animal. Fonte: BIANCA, 1968.28 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 29 Hafez (1968) afirma que animais de grande porte não requerem muita capacidade metabólica, pois têm isolamento temperaturas efetivas ambientais na faixa de 30 a 50 °C ou quando a adequado (cobertura espessa), por meio do qual mantêm temperatura corporal aumenta cerca de 3 a 6 °C acima do nível em frio severo, com pequeno aumento na produção de calor. normal, dependendo do tempo de exposição, da adaptação ao calor e do nível de produção do animal (MULLER, 1989). Outras respostas do animal podem ser notadas na faixa abaixo da TCI, a vasoconstrição e piloereção por exemplo, como Por fim, vale ressaltar que os valores apresentados na formas de aumentar a retenção de calor corporal. Tabela 6.1 podem variar bastante, em função da adaptação do animal ao frio ou ao calor, tempo de exposição, nível de produção Para temperaturas efetivas ambientais abaixo daquela e intensidade da atividade física. definida no ponto C, animal não consegue mais balancear a sua perda de calor para ambiente, e a temperatura corporal começa a Tabela 6.1 Valores comuns de temperatura efetiva crítica inferior declinar rapidamente, acelerando processo de resfriamento. Se (TCI) (B), de temperatura efetiva crítica superior processo continua por muito tempo ou se nenhuma providência é e de temperaturas na zona de conforto tomada, nível letal, D, é atingido e animal morre por hipotermia. térmico (ZCT) para alguns animais Rosenberg et al. (1983) definem a zona de hipotermia Animal como aquela na qual o animal não consegue prover calor TCI ZCT TCS suficiente para manter sua temperatura corporal no nível ideal. Recém-nascido Bovino 10 18 a 21 26 A temperatura efetiva ambiental do ponto B' é Ovelha 6 25 a 30 34 denominada Temperatura Crítica Superior (TCS). Acima dessa Galinha 34 35 39 temperatura (Tabela 6.1), animal aciona seus mecanismos Humano 23 32 a 34 37 termorregulatórios para auxiliar a dissipação do calor corporal Adulto para O ambiente, uma vez que, nessa faixa, a taxa de produção de Ovelha -20 15 a 30 35 calor metabólico normalmente aumenta, podendo ocorrer, Galinha 15 18 a 28 32 também, aumento da temperatura corporal. Nessa faixa, entram Bovino europeu -10 -1 a 16 27 em ação mecanismos de defesa física contra estresse por calor, Bovino indiano 0 10 a 27 35 como a vasodilatação geral, a sudorese, a ofegação etc. Quando a Coelho 10 15 a 25 30 temperatura ambiental atinge ponto C', por mais que esses Caprino -20 20 a 30 34 mecanismos funcionem, não conseguem prover resfriamento Humano 14 19 a 24 27 a 32 necessário para a manutenção do equilíbrio homeotérmico e a temperatura corporal aumenta cada vez mais. Na temperatura Suíno ambiental do ponto D', animal morre por hipertermia. 0-2 dias 20 32 a 35 38 2-4 dias 20 28 a 34 37 Na zona de hipertermia, os mecanismos de controle da 4-7 dias 16 25 a 31 35 temperatura não são capazes de providenciar resfriamento suficiente 7-35 dias 12 22 a 28 33 para manter a temperatura corporal em seu nível normal. 35-50 dias 8 18 a 21 30 Na maioria dos animais domésticos, a temperatura corporal Terminação 5 15 a 18 27 aumenta significativamente em resposta a temperaturas efetivas Final da gestação 4 10 a 15 27 ambientais em torno de 28 °C. A hipertermia ocorre para Lactação 4 12 a 15 27 Fonte: CURTIS, 1983; HAFEZ, 1968; MOUNT, 1979.Ambiência em edificações rurais: conforto animal 31 Considerando as trocas de calor entre animal e o ambiente, pode-se dizer que, à medida que a temperatura CAPÍTULO 7 ambiental aumenta, os fluxos latentes aumentam progressivamente em relação ao fluxo total. De acordo com Ingram e Mount (1975) e Curtis (1983), a equação do balanço de calor de um animal homeotérmico pode ser expressa da seguinte forma: M (7.1) Dissipação do Calor Corporal em que: M: calor resultante do metabolismo animal. Sempre A taxa de dissipação de calor de um animal é determinada positivo, pois representa um conjunto de reações de pela sua taxa de calor resultante de processos metabólicos, valor líquido exotérmico; capacidade de armazenamento de calor corporal e, ainda, pelas +AC: variação no conteúdo do calor corporal do animal. condições térmicas ambientais. Positiva, quando a temperatura corporal média está Todo processo de vida envolve, de uma forma ou de acima da normal, e negativa, quando a temperatura outra, troca de energia. Energia sob forma de calor flui do animal corporal está abaixo da normal; para o ambiente sempre que houver um gradiente térmico animal- + Qrd: taxa da troca de calor (sensível) por radiação entre ambiente. Dessa forma, trocando energia com ambiente em que animal e ambiente. Positiva, quando a vive, animal consegue sobreviver e produzir por longo período, temperatura da superfície animal for inferior às da mesmo com as variações climáticas extremas. vizinhança envolvida no processo, incluindo sol; O animal troca calor com ambiente em que vive por + Qcc: taxa da troca de calor (sensível) por convecção meio de formas sensíveis e latentes. Fluxos de calor causados por entre animal e ambiente. Negativa, quando a gradientes de temperatura, detectados por simples termômetros, temperatura do for mais baixa que a são chamados sensíveis. As formas sensíveis de transferência de temperatura superficial do animal; calor são condução, convecção e radiação. A Figura 7.1 + Qcd taxa da troca de calor (sensível) por condução entre representa, de forma esquemática, as formas por meio das quais o animal e ambiente. Negativa, quando a animal dissipa calor para o ambiente. temperatura da superfície em contato com animal Fluxos de calor causados por gradientes de pressão de estiver mais baixa; vapor d'água são chamados de latentes. As duas formas de troca + taxa da troca de calor latente entre animal e de calor latente conhecidas são a evaporação e a condensação. ambiente. Negativa; quando ocorrer evaporação Nessas formas, o calor envolvido na transformação líquido-vapor na superfície animal; e ou vapor-líquido não causa mudança na temperatura da água, apesar de ocorrer variação na temperatura da superfície onde o + Qfc taxa da troca de calor por condução entre animal e animal o alimento e água ingeridos pelo animal. Negativa, quando a temperatura do alimento ou da água estiver inferior à das superfícies internas do animal.32 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza A Figura 7.1 mostra fluxo de calor da região interna do animal de maior temperatura até ambiente externo. CAPÍTULO 8 Qp Formas Sensíveis de Transferência de Calor Animal-Ambiente Condução A transferência de calor por condução exige contato entre as superfícies ou substâncias cujas temperaturas devem ser diferentes, isto é, deve haver um gradiente térmico entre as partes consideradas. Por exemplo, a maior temperatura observada no temperatura núcleo corporal é devida à maior atividade metabólica nessa temperatura retal; região. Essa energia, em forma de calor, gerada no núcleo temperatura da pele; corporal, pode fluir para a superfície do corpo, caso seja verificado um gradiente térmico interno entre as partes. E calor também temperatura da pelagem; pode fluir da superfície do corpo do animal para o ambiente, caso fluxo de calor através do tecido animal; este esteja mais frio, ou do ambiente para a superfície do corpo do Qh: fluxo de calor através dos pelos, que posteriormente será animal, se esta estiver mais fria, isto é, se for verificado um dissipado por convecção; gradiente térmico externo. dissipação de calor por meio da respiração; No fluxo de calor condutivo, uma molécula quente do Qp: dissipação de calor por meio da corpo considerado choca-se com uma molécula vizinha, fria, e Qrd: dissipação de calor por radiação; e transfere parte da sua energia cinética a esta molécula e assim por diante, tendendo ao equilíbrio. Quf. dissipação de calor devido ao aumento da tempe-ratura da água e alimentos ingeridos. A magnitude e a velocidade do processo de condução de calor estão relacionadas com as características térmicas das partes Figura 7.1 Representação esquemática da dissipação de calor do envolvidas. A condutividade térmica é fator físico do fluxo de animal para ambiente calor por condução, qual caracteriza a quantidade de calor Fonte: adaptado de 1985.34 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 35 transmitida através de um corpo considerado homogêneo, num de concreto consome 315 kcal para elevar em 1 °C sua regime estacionário, por unidade de espessura, de área e de temperatura, e o poliestireno expandido, somente 0,08 kcal. tempo, quando gradiente térmico é igual à unidade. A condutividade térmica (Tabela 8.1) é expressa em ou ou outras unidades equivalentes. Tabela 8.2 Comparação entre as propriedades térmicas do concreto (1) e do poliestireno (2): condutividade Observa-se que a água tem maior condutividade térmica térmica (K), em W/(m.°C); resistência térmica (R), que ar, que significa que material que contém em seus em calor específico (c), em interstícios funciona como isolante térmico, ou seja, é menos densidade absoluta (d), em capacidade capaz de conduzir calor. Se a água ocupa os poros do material, térmica (cdL), em ar é deslocado e isolamento é reduzido. Outra característica importante é a capacidade térmica, Material K L R C d cdL que indica a quantidade de calor requerida para elevar em 1 °C a Concreto 1,74 0,60 0,345 1,00 2200 315 temperatura de um corpo de área e volume iguais à unidade e de Poliestireno 0,035 0,012 0,345 1,42 20 0,08 espessura conhecida. É calculada por meio do calor específico do Fonte: 1986. corpo multiplicado por sua densidade e espessura. Dessa forma, quando um animal deita em um piso com Tabela 8.1 Alguns valores de condutividade térmica em capacidade térmica alta, ele perde maior quantidade de calor enquanto do processo é atingido. Nessas condições, Ar parado (1.000 mbars, 0,000059 animal não precisa mudar de lugar ou de posição com muita frequência. Plástico esponjoso 0,0001 No fluxo interno de calor por condução são envolvidos os Madeira 0,0003 seguintes componentes: núcleo corporal, pele, camada de Água parada 0,0014 cobertura (pelos ou penas) e camada-limite (camada delgada de Terra arenosa (15% de água) 0,0022 que separa do ambiente a superfície da cobertura do animal). O Concreto calor é transferido, por condução, do núcleo corporal à pele e 0,0058 desta à borda superior da camada-limite, depois ao ambiente Aço 0,1100 externo. É importante observar que, em muitos casos, contato Alumínio 0,4900 do animal com determinada superfície condutora faz com que Fonte: HOLMAN, 1983. uma, ou algumas, das camadas fique totalmente comprimida, resultando em maior fluxo de calor. Cabe ressaltar que fluxo interno de calor condutivo é Os valores da capacidade térmica dos diversos tipos de influenciado também pelo isolamento térmico das várias camadas materiais utilizados nas construções indicam que eles se aquecem que se entre núcleo e a pele. O isolamento térmico é diferentemente com a mesma quantidade de calor, que é de fator físico recíproco da condutividade e indica a resistência à grande relevância em se tratando do fluxo externo de calor. Na passagem de calor, normalmente expressa em Tabela 8.2, verifica-se que, para uma mesma espessura(L), cadaAmbiência em edificações rurais: conforto animal 37 36 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Tabela 8.3 Valor do isolamento térmico do parado e da A resistência térmica interna à transferência de calor por pelagem de alguns animais condução compreende diferentes combinações de isolamento: a Animal do tecido do núcleo, a da pele, a da cobertura e a da camada- Capacidade isolante limite, que ocorrem em série. Bezerro 0,01 (por mg de peso de pelagem Os processos sensíveis de transferência de calor são muito por da área de afetados por essas reações isoladoras; os latentes, porém, são superfície) pouco influenciados. Mount (1979) afirma que a magnitude do Leitão 0,02 isolamento de um tecido é determinada pelo estado do sistema Vaca 0.11 vascular periférico, uma vez que calor é conduzido pelo sangue, Carneiro que é bombeado do coração para a pele e apêndices, através das 0,25 artérias. Ar parado 0,42 Curtis (1983) faz referência ao Índice de Circulação Fonte: CURTIS, 1983 MOUNT, Térmica, que representa a taxa em que calor se move do núcleo para uma área particular da pele. O Índice de Circulação Térmica Observa-se na Tabela 8.3 que os valores do isolamento é dado por: térmico da pelagem do leitão e do bezerro são próximos. Porém, bezerro tem cobertura (pelagem) mais densa, O que permite (8.1) diferenciar sua circulação térmica. O fluxo de calor por condução CS em regime estacionário pode ser estimado pela seguinte equação: em que é coeficiente de transferência de calor do núcleo corporal para a pele coeficiente de (8.2) S transferência de calor da pele para ambiente gradiente de temperatura entre a pele e ambiente; e em que Qcd é fluxo condutivo, W; a área da superfície gradiente de temperatura entre núcleo corporal e a pele. efetiva condutiva, K, a condutividade térmica do meio em que ocorre o fluxo, W/m.°C; a temperatura do ponto para qual Esse autor ainda afirma que um leitão em ambiente cuja flui o calor, °C; T2, a temperatura do ponto a partir do qual se dá temperatura varia de -5 a +35 °C apresenta índice de circulação fluxo, °C; e S, a distância entre os pontos onde e T2 foram térmica de 1,8 a 2,4 e que a gordura subcutânea, a espessura da medidas, m. pele e tipo e características físicas da cobertura influem na magnitude do isolamento Alguns tipos de cobertura animal (pelos e penas) favorecem a retenção de an e atuam na Aplicação definição de sua capacidade isolante e, consequentemente, na grandeza do fluxo do calor por condução (Tabela 8.3). Um porco está deitado em um piso de concreto, com 8 cm de espessura, cuja temperatura superficial é 8 Admitindo que a área de contato seja de 3.000 que a temperatura da pele do animal seja de 30 °C e que a condutividade térmica do concreto38 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 39 seja de 5,8 estimar calor perdido por condução das características da superfície, e, ainda, da intensidade da (CURTIS, 1983). movimentação do ar. Em geral, o calor se move por condução através da = cobertura do animal (pelos, penas) e atinge um fino filme de S externo, parado, denominado camada-limite, a partir do qual 3.000 47.859mcal/s = 47,86cal/s ocorre o processo convectivo. Quanto menos espessa for esta 8 camada, maior será fluxo de calor disponível para dissipação Qcd por convecção. A remoção de calor por movimento próprio do fluido (gás Ingram e Mount (1975) e Mount (1979) afirmam que, de ou líquido), próximo da superfície aquecida, caracteriza processo forma geral, à exceção do suíno e assemelhados, a condução é a de convecção livre. Quando há uma força externa atuando para forma sensível de transferência de calor que tem menor aumentar a corrente fluida, como por exemplo um ventilador, contribuição no total de calor perdido do animal para ambiente. ocorre remoção de calor por convecção forçada. De acordo com Mount (1979), o processo de convecção Convecção livre predomina quando está parado ou'em baixa velocidade, e de convecção forçada, com em velocidade maior que 0,2 m/s. A convecção é uma forma sensível eficiente de transferência de calor do animal para ambiente. Nesse processo, Em alguns casos, as duas formas podem ser benéficas se ar em contato com uma superfície aquecida é também ocorrem simultaneamente, mas, na maioria das vezes, quando a aquecido, ocorrendo redução de sua densidade, o que causa a convecção forçada é considerável, a livre é desprezada. movimentação deste próximo da superfície. Em razão da De acordo com Ingram e Mount (1975), a troca de energia movimentação do ar, há remoção de calor do corpo aquecido. por é proporcional à área da superfície do animal, Para se ter ideia da grandeza desse processo, um homem, à diferença da temperatura entre a superfície animal e ar sobre a cuja temperatura da pele está 10 °C acima da temperatura do ar, camada-limite, ao coeficiente de convecção. Assim: dissipa calor por convecção na ordem de 30 a 40 dos 50,5 (8.3) resultantes de seu metabolismo basal (MOUNT, 1979). em que é fluxo convectivo, W; a área efetiva da A transferência de calor por convecção ocorre por meio do superfície animal, h, coeficiente de convecção, a movimento convectivo do an ou fluido, de um ponto que está em temperatura da superfície animal, °C; e a temperatura do ar, °C. temperatura mais alta para outro que está em temperatura mais baixa, e por meio da mistura das partículas fluidas. A maioria dos O coeficiente de convecção é fator físico do processo e processos de troca de calor por convecção envolve fluido (gás ou pode ser usado para expressar calor transferido por convecção. líquido) e superfície sólida. A sua determinação é complexa, uma vez que depende da condutividade térmica e da espessura da camada superficial A convecção difere da condução por haver translocação de moléculas, bem como por depender da forma, do tamanho e (limite), bem como do tamanho e da forma do corpo do animal, da sua orientação e, ainda, do perfil aerodinâmico e tipo de corrente de ar (MOUNT, 1979; GATES, 1968).40 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 41 Vários trabalhos têm sido feitos para estimar coeficiente em que h é coeficiente de convecção, d, a dimensão de convecção a partir da velocidade do circundante e do característica do corpo, geralmente diâmetro do tronco ou diâmetro do corpo do animal. comprimento do corpo, m; e K, a condutividade térmica do fluido; Considerando corpo do animal como um cilindro e normalmente seco, W/(m.°C). sabendo que ar se move por convecção forçada, Parâmetros adicionais, como Número de Reynolds (Re) perpendicularmente a esse material, de acordo com Curtis (1983), e Número de Grashof (Gr), são muito úteis nos cálculos: coeficiente de convecção pode ser calculado de forma prática d (8.7) pela equação: ou (8.4) = (8.8) em que V é a velocidade do fluido (ar), m/s; V, a viscosidade em que h é coeficiente de convecção, min. C); v, a cinemática do seco, p, a densidade do fluido, I, velocidade do ar, cm/s; e d, diâmetro de cilindro, cm. comprimento do corpo, m; e a viscosidade dinâmica do fluido, kg/(m.s). Gates (1968), admitindo que O corpo do animal se assemelha a um cilindro e considerando a transferência de calor por convecção livre, sugeriu cálculo do coeficiente da seguinte (8.9) forma: ou (8.5) (8.10) D em que é a área efetiva da superfície animal, Qcc fluxo em que a é coeficiente de expansão térmica do fluido (ar), convectivo, cal/min; D, diâmetro do corpo do animal, cm; T. a g, a aceleração devida à gravidade, a temperatura da superfície animal, °C; e a temperatura do ar, °C. temperatura da pele, °C; e a temperatura do ar, °C. De qualquer forma, conhecimento acerca do coeficiente Normalmente, (Re) e (Gr) são utilizados para definir de convecção para animais é limitado em razão da complexidade regime de escoamento do fluido. Regime laminar é observado das superfícies envolvidas. Mount (1979) sugere fórmula para quando a velocidade do an é baixa e predomina a convecção calcular coeficiente de convecção, considerando corpo do e regime turbulento, quando ocorre grande movimentação do e animal como um cilindro sobre qual se movimenta um fluido predomina a convecção forçada (HOLMAN, 1983). Logo: refrigerante, e tendo como base Número de Nusset (Nu): regime laminar para placa plana (8.6) fluxo laminar para tubos K 200042 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 43 Para grandes valores de a transferência de calor é Tabela 8.4 Propriedades do ar à pressão atmosférica governada pela convecção livre e, à medida que a razão T p decresce, a convecção forçada predomina. Para determinar Nusselt Cp, u (K) (kJ/kg. °C) (kg/m.s ( médio da superfície animal, Mount (1979) indica as seguintes relações: 100 3,6010 1,0266 0,6924 1,923 Nu = A. (8.11) 150 2,3675 1,0099 1,0283 4,343 200 1,7684 1,0061 1,3289 7,490 Nu = Gr (8.12) 250 1,4128 1,0053 1,488 9,49 300 1,1774 1,0057 1,983 16,84 A equação 8.11 é indicada para convecção forçada e a 350 0,9980 1,0090 2,075 20,76 8.12, para convecção livre, sendo A, B, n e m função do tipo de 400 0,8826 1,0140 2,286 25,90 fluxo (laminar ou turbulento), forma do corpo e orientação em 450 0,7833 1,0207 2,484 31,71 relação ao fluxo. 500 0,7048 1,0295 2,671 37,90 550 0,6423 1,0392 2,848 44,34 600 0,5879 1,0551 3,018 51,34 m 650 0,5430 1,0635 3,177 58,51 Wiersma e Nelson (1967 citados por ESMAY, 1969), 700 0,5030 1,0752 3,332 66,25 utilizando um tipo de bovino experimental inanimado, de forma 750 0,4709 1,0856 3,481 73,91 cilíndrica, concluíram que: 800 0,4405 1,0978 3,625 82,29 850 0,4149 1,1095 3,765 90,75 (8.13) 900 0,3925 1,1212 3,899 99,3 950 0,3716 1,1321 4,023 108,2 (8.14) 1.000 0,3524 1,1417 4,152 117,8 A equação 8.13 é utilizada para valores de (Re) de 8.000 a 1.100 0,3204 1,160 4,44 138,6 150.000; e a equação 8.14 é composta e representa o fluxo de 1.200 0,2947 1,179 4,69 159,1 ascendente e o descendente. 1.300 0,2707 1,197 4,93 182,1 1.400 0,2515 1,214 5,17 205,5 Para suínos, são citadas as relações a seguir (MOUNT, 1.500 0,2355 1,230 1,230 229,1 1979; CURTIS, 1983): 1.600 0,2211 1,248 5,63 254,5 (8.15) 1.700 0,2082 1,267 5,85 280,5 1.800 0,1970 1,287 6,07 308,1 Nu 0,5 (8.16) 1.900 0,1858 1,309 6,29 338,5 Com base nas equações anteriores e nos dados constantes 2.000 0,1762 1,338 6,50 369,0 da Tabela 8.4, o coeficiente de convecção pode ser calculado para 2.100 0,1682 1,372 6,72 399,6 ampla faixa de situações, porém, em alguns casos práticos, alguns 0,1602 1,4290 6,93 432,6 2.300 0,1538 1,482 7,14 464,0 valores são citados em literatura. Por exemplo, para convecção 0,1458 1,574 7,35 504,0 natural, em temperatura ambiental de 20 a 30 °C, os coeficientes 2.500 0,1394 1,688 7,57 543,5 de convecção são da ordem de 3 a 4 °C) (MOUNT, 1979). Continua44 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 45 Tabela 8.4 Cont. T K a Pr De acordo com Ingram e Mount (1975), para um homem (K) (W/m. °C) despido, os coeficientes aproximados de transferência convectiva 100 0,009246 0,02501 0,770 de calor, em função da velocidade do vento, são as seguintes: 150 0,013735 0,05745 0,753 1 m/s - 8 200 0,01809 0,10165 0,739 2 m/s, 12 e 250 0,02227 0,13161 0,722 300 0,02624 0,22160 0,708 3 m/s, 15 350 0,03003 0,2983 0,697 400 0,03365 0,3760 0,689 Aplicação 450 0,03707 0,4222 0,683 500 0,04038 0,5564 0,680 1) Uma novilha com diâmetro de tronco igual a 1,10 m e 550 0,04360 0,6532 0,680 comprimento do corpo igual a 1,50 m está no interior de um 600 0,04659 0,7512 0,680 galpão onde a temperatura do ar é de 25 °C e a velocidade do 650 0,04953 0,8578 0,682 ar, 4 m/s. A temperatura da novilha medida na pele é de 700 0,05230 0,9672 0,684 Admitindo a troca de calor do animal para o ambiente somente 750 0,05509 1,0774 0,686 por convecção, calcular o calor perdido. 800 0,05779 1,1951 0,689 850 0,06028 1,3097 0,692 A temperatura média, considerando-se as temperaturas 900 0,06279 1,4271 0,696 dos meios que trocam calor, denominada temperatura de filme ou 950 0,06525 1,5510 0,699 de película será expressa por: 1.000 0,06752 1,6779 0,702 1.100 0,0732 1,969 0,704 (8.17) 1.200 0,0782 2,251 0,707 1.300 0,0837 2,583 0,705 = 1.400 0,0891 2,920 0,705 1.500 0,0946 3,262 0,705 Pela Tabela 8.4, tem-se: 1.600 0,100 3,609 0,705 1.700 0,105 3,977 0,705 p=1,1774 kg/m3 1.800 0,111 4,379 0,704 1.900 0,117 4,811 0,704 2.000 0,124 5,260 0,702 2.100 0,131 5,715 0,700 = = 4. 16,84x10-6 1.1 - 2.200 0,139 6,120 0,707 2.300 0,149 6,540 0,710 2.400 7,020 0,718 2.500 0,175 7,441 0,730 K d = 0,0262446 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações conforto animal 47 (30 - 25) = 299 W a passagem das ondas radiantes por eles emitidas. O ar, que é transparente a estas ondas, por isso chamado diatérmano, não 2) Calcular calor perdido por um corpo de 60 kg, cujo absorve nem emite energia radiante. comprimento é de 1,10 m. Considerar mesmo ambiente do problema anterior, temperatura da pele igual a 30 °C e troca de Quando passa através do vácuo, a energia radiante calor somente por convecção. emitida por determinada superfície atinge a velocidade da luz, isto é, 300.000 km/s (ESMAY, 1969). Essa emissão é quantificada em função do comprimento da onda, de acordo com a Figura 8.1, onde está representada a distribuição espectral da energia = 0,60 irradiada por um corpo. De acordo com Rivero (1986), comprimento de onda I (2), que é a característica da energia radiante usada para classificá-la, é definido como a distância entre dois máximos (30 = sucessivos de onda. É dado em um (10-6 m), distinguindo-se as diferentes formas de energia radiante, como representado na Tabela 8.5. Radiação Na Figura 8.1, observa-se que a quantidade de energia A radiação constitui outra forma sensível de troca de calor radiante emitida por um corpo varia para cada comprimento de por meio de ondas eletromagnéticas através de meio transparente onda, atingindo um máximo correspondente de Ne. entre dois pontos ou mais, que se encontram em diferentes O Sol, por exemplo, é a fonte principal de toda a energia temperaturas. da Terra e é um emissor de energia radiante de ondas curtas, na As ondas térmicas são geradas porque os átomos e as faixa de 0,3 a 3,0 um com he de 0,5 um (ROSENBERG et al., moléculas de todos os corpos têm energia interna, sendo parte 1983). desta transformada em energia radiante, emitida sempre que Todos os outros corpos do ambiente estão em baixa meio é transparente. Em outras palavras, espaço está sempre temperatura, menor que 300 K, e são emissores de energia carregado de energia radiante em forma de ondas radiante de ondas longas com de 10 um (RIVERO, 1986). eletromagnéticas, pois a sua emissão ocorre como resultado das Para melhor entendimento dos complexos mecanismos variações no conteúdo de energia dos corpos. Sempre que um envolvidos, é necessário mencionar as leis que regem as trocas de corpo recebe energia radiante, há acréscimo na sua carga interna calor por radiação: e, por essa razão, sua temperatura aumenta; da mesma forma, no processo inverso, há redução da temperatura do corpo. A quantidade e as características da energia radiante emitida por um corpo dependem de sua natureza, de seu arranjo microscópico e de sua temperatura absoluta. Outra consideração importante é que a troca de energia radiante entre dois corpos exige que meio que os separa permita48 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 49 E Lei de Kirchhoff Quando a radiação térmica incide sobre uma superfície, parte dessa radiação incidente (I) pode ser refletida (Ir), absorvida (la) e transmitida (It). Desta forma, pode-se definir: Refletividade (p): fração da radiação incidente refletida (Ir/I). Absortividade (a): fração da radiação incidente absorvida pela Figura 8.1 Distribuição espectral da energia irradiada por um superfície atingida corpo. Transmissividade fração da energia incidente que passa Fonte: RIVERO, 1986. através da superfície (It/I). Um corpo ideal, ou uma superfície que tem a capacidade Tabela 8.5 Classificação da energia radiante em função do de absorver toda a radiação incidente 1), é chamado de comprimento de onda, em um corpo negro, porém, se é capaz de absorver somente parte da Comprimento de onda Classificação radiação incidente, é chamado de corpo cinza ou Raios cósmicos Com relação à radiação emitida, pode-se então definir: 10-7 10-5 Raios gama Emissividade razão entre a densidade de radiação de um 10-5 0,04 Raios X corpo cinza e a de um corpo negro nas mesmas condições 0,04 0,28 Longínquos determinantes do fluxo. 0,28 0,32 Biológicos Ultravioleta Se um corpo qualquer tem emissividade de 0,5, significa 0,32 0,40 Próximos que ele emite somente metade da radiação que seria emitida por 0,40 0,78 Visível um corpo negro em condições similares. 0,78 1,50 Próximos A lei de Kirchhoff diz que "a capacidade de uma superfície 1,50 10 Médios de absorver radiação é a mesma de emiti-la em iguais Infravermelhos temperaturas e igual comprimento de onda". De acordo com essa 10 Longínquos lei, em determinados comprimentos de onda e temperatura, a 106 Micro-ondas emissividade de um corpo é igual à sua absortividade. 106 108 Radar Essas características radiantes têm grande influência no 108 3 TV, rádio processo de troca de calor por radiação. Na Tabela 8.6, a seguir, Fonte: RIVERO, 1986. são apresentadas algumas características de corpos comuns; e correspondem à absortividade diante da radiação de ondas curtas e de ondas longas, respectivamente.50 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 51 Tabela 8.6 - Alguns valores de absortividade diante da radiação Tabela 8.6 - Cont solar de ondas curtas, da radiação de ondas Material p longas (ab), de emissividade e refletividade (p) Ferro galvanizado brilhante - - 0,28 - em corpos comuns Oxidado - - 0,23 - Material a E p Ferro fundido polido 0,94 - 0,21 - Superfície escura 0,85 - 0,95 - - - Oxidado - - 0,74 - Escura de tijolo 0,65 - 0,80 - - - Ladrilho vermelho áspero - - 0,93 - Clara 0,25 - 0,50 - - - Refratário - - 0,65 -0,85 - Não metálica - 0,85 0,95 - Mármore polido 0,46 - 0,93 - Concreto 0,65 - 0,70 0,90 0,88 0,40 Granito 0,55 - 0,44 0,45 Pintura betuminosa 0,85 - 0,98 0,95 - - Grafite 0,78 - 0,41 0,22 Com pigmento metálico 0,30 - 0,50 0,40 0,60 - Pintura a óleo - - 0,80 - 0,96 - (alumínio ou bronze) Esmalte - - 0,90 - Chapa de alumínio ou - 0,20 0,30 - Branca 0,20 - 0,91 0,80 ferro galvanizado nova Branca (esmalte) 0,35 - 0,90 0,65 Suja 0,20 0,30 - Verde 0,50 - 0,90 0,50 Alumínio, cromo ou cobre 0,02 0,04 - polido Cinza 0,75 - 0,95 0,25 Tijolo, pedra ou telha de 0,30 - 0,50 0,40 0,50 Vermelha 0,74 - - 0,90 0,26 cor amarela Escura 0,96 - 0,88 0,04 Vermelho 0,75 0,93 - - Verniz preto fosco 0,96 0,95 - - Vidro de janela - 0,90 0,95 - Gelo 0,13 - 0,63 0,87 Alumínio ou bronze - Água ou superfície 0,94 - 0,67 - 0,95 0,06 Branco - molhada - - - Amarelo, laranja, 0,30 - 0,50 Porcelana vitrificada - - - - 0,92 - - vermelho-claro Papelão de amianto - - 0,95 - Vermelho-escuro, verde- 0,50 - 0,70 - - - Areia 0,82 - 0,75 0,18 claro, azul-claro Gesso com 0,5 mm de - - 0,90 - Marrom-claro, verde- 0,70 - 0,90 - - - espessura escuro, azul-escuro Reboco áspero de cal 0,07 - 0,91 0,93 Marrom-escuro, preto 0,90 - 1,00 - - - Alvenaria não rebocada - - 0,93 - Alumínio áspero - - 0,05 - Madeira - 0,90 0,90 - Oxidado - - 0,11 0,19 - Cascalho 0,29 0,85 - - Zinco puro polido - - 0,04- 0,05 - Asfalto 0,90 0,90 - - Continua. Continua53 Ambiência em edificações rurais: conforto animal Fernando da Costa Baêta e Cecília de Souza 52 Tabela 8.6 Cont. E p Material a A 6.000 K 0,95 0,95 Solo escuro 0,70 0,95 0,90 Grama .0.4 0,91 10.000 Pele humana 0,35 0,6 A 300 K Bovino branco 0,50 0,95 0,80 0,95 0,22 0,24 Vermelho 0,95 0,08 0,90 Preto - 0,95 .0.3 Suíno branco 0,50 do do 0,90 0,95 Preto 0,60 0,95 0,26 .0.2 Ovelha com comprida 0,95 0,42 0,75 Tosquiada 0,95 0,35 - Homem caucasiano 0,65 .0.1 0,80 0,95 0,18 Fonte: Negro ANDERSON RIORDAN, 1976; COSTA, ROSENBERG et al., 1983; CURTIS, 1983; 1989. 10 20 30 40 50 60 70 1 2 3 Comprimento de onda (um) Comprimento de onda (um) Lei de Planck Figura 8.2 Densidade do poder emissivo radiante numa Sol faixa (à "A densidade do poder emissivo radiante de um corpo espectral correspondente à temperatura do depende grandemente de sua temperatura superficial." esquerda) e à temperatura da Terra (à direita). A temperatura da superfície do Sol é de aproximadamente Fonte: adaptado de CURTIS, 1983. 6.000 K e a da superfície da Terra, de 300 K; portanto, todos os a densidade do poder emissivo radiante do Sol é maior em em comprimentos de onda, comparada à da Terra e à dos corpos Lei de Wien baixa temperatura (Figura 8.2). "A máxima emissão para um corpo negro é inversamente relacionada com a temperatura absoluta de sua superfície." O emissão de um corpo pode ser calculado dividindo-se Sol, comprimento de onda, em um, relacionado com 2.897 a máxima temperatura absoluta da superfície (K). Dessa forma, para o é de pela o comprimento de onda correspondente à máxima emissão aproximadamente 0,5 um e, para a Terra, de quase 10 um.54 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 55 Lei de Stephan Boltzmann "A emissão ou a densidade do poder emissivo de uma superfície negra é igual ao produto da constante de Stephan Luz solar Boltzmann pela potência da sua temperatura absoluta." Por direta Luz solar refletida exemplo, considerando ondas de calor radiante do animal para superfícies de um ambiente natural e destas para animal, como Radiação infravermelha da atmosfera mostra Figura 8.3, fluxo líquido de calor radiante do animal para ambiente pode ser estimado pela seguinte equação: Radiação infravermelha (8.17) do animal em que Qrd é fluxo térmico radiante, W; a área efetiva da Luz solar superfície radiante do animal, a constante de Stephan jespa- Boltzmann, 5,67 X F, fator de forma; a, a absortividade da superfície do animal, adimensional; a Evaporação temperatura média absoluta do ambiente radiante do animal, K; E, Vento a emissividade média das superfícies do ambiente, adimensional; e a temperatura média absoluta da superfície radiante do Radiação térmica animal, K. infraver- melha vege- Esta estimativa pode estar influenciada, de forma tação complexa, pelas características radiantes das superfícies envolvidas, pela orientação do animal em relação às superfícies do ambiente com as quais ele troca calor por radiação, pela Luz solar diversidade de superfícies do ambiente e pela densidade de refletida animais no local em questão, entre outros fatores. Radiação térmica infravermelha do solo Curtis (1983) menciona que superfícies não paralelas não se expõem completamente e, nesse caso, a estimativa deve ser Figura 8.3 Fluxos de energia entre animal e seu ambiente feita de forma diferente. Em gado de pelo escuro, por exemplo, natural. quando ângulo de incidência da luz do Sol com relação à Fonte: GATES, 1968. superfície animal é de 90°, a absortividade tem valores entre 0,8 e 0,9. Porém, se ângulo de incidência é menor, a absorvitividade Os fatores geométricos que interferem nas trocas de cai. energia radiante são complexos. O fator de forma de uma vaca Outro ponto a ser considerado é a posição do animal. Se deitada com relação a um ponto em uma superfície horizontal animal está de pé, sentado ou deitado, diferentes áreas da sua infinitesimal a 3 m acima do solo e a 3 m a partir do lado da vaca superfície são expostas ao Sol e, consequentemente, resultado é 0,025; enquanto para a mesma altura, a 3 m a partir da frente dessa exposição se manifesta de formas variadas. da vaca, é somente 0,012 (KELLY et al., 1950).56 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Baêta (1985) sugere que fator de forma (F) seja estimado por meio da seguinte expressão: e (8.18) CAPÍTULO 9 em que e1 é a emissividade da superfície animal, adimensional; e2, a emissividade da superfície do local onde se encontra animal, adimensional; a área efetiva de radiação do animal, e a área efetiva do local onde se encontra o animal, Formas Latentes de Transferência Rosenberg et al. (1983) forneceram esquemas das áreas de de Calor Animal-Ambiente um humano ereto em função de diferentes ângulos de elevação solar e azimutes. Afirmaram que objetos como esferas e cilindros De acordo com Rosenberg et al. (1983), as formas latentes são usados para representar as mais irregulares formas de animais de troca de calor constituem principal mecanismo de dissipação reais. Se animal é tratado como um cilindro, a sua metade de calor (energia), sendo processo muito importante para os superior recebe 82% da radiação de ondas longas e curtas. homeotermos na prevenção do superaquecimento (hipertermia) em ambientes quentes. As formas conhecidas de troca de calor latente são a evaporação e a condensação, nas quais os fluxos são causados por gradientes de pressão de vapor, que indica a quantidade de vapor d'água contido em dado volume de ar. Quando animal está em um ambiente térmico estressante, as formas latentes de troca de calor são acionadas. Essas formas são de fundamental importância, uma vez que as formas sensíveis deixam de ser efetivas no balanço à medida que a temperatura ambiente se aproxima da corporal. A Figura 9.1 representa a partição do calor dissipado por vacas leiteiras em vias latentes e sensíveis, de acordo com a temperatura ambiente. Nos processos de troca de calor latente, inicialmente há movimentação da água no interior do corpo do animal até alcançar a epiderme, em taxa que depende também do gradiente de pressão de vapor; depois ocorre a difusão do vapor d'água para o ambiente a partir da pele e dos Isso significa que a perda de calor ocorre na conversão para vapor, tanto do suor secretado pelas glândulas da pele quanto da umidade proveniente do trato respiratório (CURTIS, 1983; INGRAM; MOUNT, 1975).58 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 59 100 por vaporização, de forma que sangue que circula pelas superfícies do corpo se torna mais refrigerado. As perdas de calor na pele por evaporação dependem 75 Processos não principalmente do número de glândulas sudoríparas, que, evaporativos normalmente, é mesmo de folículos pilosos, diferentes em cada % espécie e idade. O homem tem 2.000 glândulas sudoríparas por 50 na palma das mãos e na sola dos pés, 200 a 300 por na Resfriamento evaporativo face e 100 a 200 por no tronco. da pele Mount (1979) afirma que o homem pode produzir mais 25 suor que as outras espécies, pois chega a apresentar toda a superfície corporal umedecida pelo suor secretado. Kerslake e Brebner, citados pelo mesmo autor, considerando o metabolismo Resfriamento evaporativo pelo sistema respiratório 0 basal, estimaram a taxa máxima de suor encontrada em homens 10 30 50 70 90 com peso médio de 72 kg igual a 40 gramas por minuto ou 2 kg Temperatura °F por hora. Por isso, o homem pode sobreviver em calor seco em Figura 9.1 Representação do calor dissipado por vacas leiteiras temperaturas ambientais de aproximadamente 50 °C, com a holandesas e Jersey. temperatura corporal na faixa normal. Fonte: BRODY, 1950. O homem exposto ao calor tem sua atividade sudorípara iniciada somente após uns 40 minutos, enquanto a sua As glândulas sudoríparas da pele são responsáveis pela temperatura corporal aumenta. As primeiras glândulas acionadas dissipação do suor. São classificadas de acordo com critérios são normalmente as dos pés, as quais têm grande significado morfológicos e fisiológicos, como apócrinas e écrinas. As termorregulatório, e a quantidade de suor produzido depende da primeiras estão associadas ao folículo piloso e as segundas são carga de calor corporal e do tipo de trabalho a que homem está glândulas livres. Normalmente, as glândulas contraem-se, de submetido. Gorilas e chipanzés possuem densidade de glândulas forma controlada, em função da temperatura hipotalâmica e dos sudoríparas na pele semelhante à dos humanos. estímulos periféricos e expelem a secreção sob forma de solução Em média, os humanos possuem cerca de 80 a 200 salina, denominada suor. O suor contém, ainda, concentrações glândulas por e os bovinos, aproximadamente 1.800 por variadas de ácido lático (confere pH ácido), potássio, cálcio, (1.000 glândulas por nos órgãos inferiores, 2.000 por no magnésio, fósforo, cobre, manganês, ferro, sulfatos, açúcar, tronco e aproximadamente 2.500 por no pescoço). Os búfalos amônia e proteínas (INGRAM; MOUNT, 1975). possuem mais ou menos 180 por e as ovelhas, 240 a 300 por De acordo com Curtis (1983), sob estresse severo, ocorre O porco tem glândulas sudoríparas no focinho e umas alta taxa de fluxo de sangue do núcleo para a pele do animal e, poucas espalhadas pelo corpo, num total de aproximadamente 25 consequentemente, alta taxa de fluxo de calor, resultando em altas por tendo a maioria função termorregulatória desprezível. temperaturas À medida que as perdas evaporativas se Ingram e Mount (1975) afirmam que camelos e burros tornam maiores, grande quantidade de calor é removida da pele suam pouco e associam esse fato à sua capacidade de armazenar calor. Bois europeus dissipam cerca de 75% do calor corporal porFernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza 61 60 Ambiência em edificações rurais: conforto animal evaporação do suor a altas temperaturas. Os autores indicam Tabela 9.1 Taxa máxima de evaporação de água da pele de taxas de perda de água através da pele para alguns animais, alguns animais domésticos durante estresse por calor conforme apresentado na Figura 9.2. Taxa máxima de evaporação de água 1.000 Animal Difusão passiva Suor ativo Total 30 300 330 Gado europeu Gado zebu 30 300 330 100 Ovelha 30 30 60 30 0 30 Suíno 30 0 30 Frango de Fonte: CURTIS, 1983. 10 Se o ar circundante está saturado de umidade e na mesma temperatura da superfície animal, não há troca líquida de calor. A temperatura da superfície animal exerce grande influência: se estiver mais baixa que a do ar e este próximo da saturação, 0 haverá condensação e a formação de uma espécie de orvalho na Abaixo de 20 °C Acima de 30 °C superfície do animal e animal ganhará calor do meio ambiente. Temperatura ambiental Outros fatores, como a resistência do ar à difusão do vapor Figura 9.2 Perda de água, em por meio da pele de diferentes espécies, em condições de frio e calor. d'água, a taxa de movimentação do ar, a porcentagem de área superficial úmida e o local de evaporação na pele, afetam a Fonte: MOUNT, 1975; MOUNT, 1968. magnitude da dissipação evaporativa do calor pela pele. Ingram e Mount (1975) afirmam que, em muitos casos, Curtis (1983) apresenta alguns resultados de taxa máxima mais frequentemente nos homens, as glândulas sudoríparas de evaporação de água da pele de alguns animais domésticos produzem suor em quantidade que excede a capacidade de durante estresse por calor, onde enfatiza também a água resultante evaporação e, dessa forma, a pele fica úmida. A máxima taxa de difusão de forma passiva (Tabela 9.1). observada foi de 4 kg de suor num intervalo de uma hora. Mas o A função termorregulatória do suor é completada quando calor é perdido no processo de vaporização do suor, o que leva a ocorre sua evaporação para o ar circundante, pois esse processo crer que, quando o suor cai do corpo em forma de gotas, não há requer calor, que é cedido principalmente pela superfície onde ocorre benefício térmico. a evaporação, evitando, assim, o superaquecimento corporal. A De acordo com Curtis (1983), o fluxo de mistura perda da umidade através da pele está sujeita às leis físicas, as quais evaporativa pode ser estimado pela seguinte equação: evidenciam que a taxa de evaporação é direta e grandemente afetada pela umidade do ar, isto é, pelo gradiente de pressão de Qm = d (9.1) vapor d'água entre a superfície (corpo do animal) e o ar.62 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 63 em que Qm é o fluxo da mistura evaporativa, mg/min; a área são necessários 2.501 J para vaporizar 1 grama de água e, a úmida da superfície d, coeficiente de difusão 40 °C, 2.406 J. evaporativa, a pressão de vapor do ar, mb; e De acordo com Rosenberg et al. (1983), considerando a pressão de vapor na superfície de evaporação, assumida 1,80 a área corporal de um homem, a dissipação de calor como a pressão de saturação do vapor na temperatura da latente de evaporação através da pele pode ser de superfície, mb. aproximadamente 380 Esses autores afirmam que os Rohwer (citado por CURTIS, 1983) desenvolveu a fórmula animais controlam também, pelo comportamento, suas perdas para fluxo evaporativo de calor do animal para ambiente, a partir evaporativas de calor através da pele, isto é, alguns se expõem às do conhecimento da pressão de vapor e da velocidade do ar: correntes de ar para incrementar processo e outros se escondem do vento para conservar a água do corpo. Além disso, ocorre 2,539 + U (E. (9.2) também evaporação a partir do trato respiratório do animal, e isso constitui poderoso meio de controle muito em que Q. é a densidade de fluxo, v, a velocidade significativo para várias espécies. do ar, cm/s; a pressão de vapor do ar, mmHg; e a pressão de vapor da superfície evaporante, mmHg. Nesse processo, os mecanismos geralmente aumentam a quantidade de ar puxado pelas vias respiratórias. Há A densidade de fluxo evaporativo pode ser também condicionamento do ar inspirado, isto é, ele é aquecido até a calculada da seguinte maneira: temperatura corporal e torna-se saturado com vapor d'água durante trajeto para alcançar os alvéolos. Na expiração, ar (9.3) passa pela mucosa já resfriada pela inspiração, quando, então, em que L. é calor latente de evaporação da água na ocorre condensação com liberação de calor latente. A diferença temperatura da superfície, cal/gm. entre calor carreado na inspiração e na expiração constitui a perda respiratória. A evaporação de um líquido ocorre quando suas De acordo com Monteith (citado por ROSENBERG et al., moléculas são capazes de vencer as forças coesivas e escapar para 1983), a perda de calor latente pela respiração é função da taxa o ambiente. Quando a água é aquecida, a fase líquida se aquece metabólica (M), uma vez que o aumento na produção de calor até 100 °C e mantém-se nessa temperatura até a sua total metabólico conduz a aumento na frequência respiratória. Um conversão em vapor. O calor latente de vaporização da água é homem que respira ar seco a 0 °C perde aproximadamente 1/5 da total de calor requerido para transformar certa quantidade de água sua produção corrente de calor metabólico em razão do em vapor; pode ser dado em calorias por grama (cal/gm) e calculado pela expressão: aquecimento e umedecimento do ar. Le = 596 0,56T (9.4) em que T é a temperatura da água em Por exemplo, se a água na superfície animal está a 30 °C, aproximadamente 579 calorias 0,6 kcal = 2.424 J) são necessárias para a evaporação de 1 grama. À temperatura de °CAmbiência em edificações rurais: conforto animal 65 úmido em vez da umidade relativa do ar. Lally e Watson (1960) revisaram Índice de Humiture. Eles verificaram que valores de pressão de vapor do ar acima de 10 mb (1 kPa) não causavam CAPÍTULO 10 desconforto e propuseram a seguinte fórmula: (10.1) em que H é Índice de Humiture; t, a temperatura do ar, °F; e e, a pressão de vapor, mb. Índices do Ambiente Térmico De acordo com esses autores, termo (e 10) nunca pode ser negativo, e a pressão de vapor é sempre igual a 10 mb ou maior. Um ambiente com índice 100 é considerado Vários índices expressam conforto do animal em desconfortável. determinado ambiente. Em geral, são consideradas duas ou mais Movimento do variáveis climáticas, todavia, para alguns, há também outras 0 0.5 1.0 variáveis, como taxa metabólica, tipo de isolamento etc. 2.0 5 Houghten e Yaglou (1923) desenvolveram Índice de 5 Temperatura de bulbo seco Temperatura Efetiva (Figura 10.1), descrito como uma função da 10 temperatura, da umidade e do movimento do ar, usando 152 10 humanos para comparar sensações térmicas instantâneas, 20 experimentadas em diferentes ambientes. Os valores básicos do 15 índice foram temperatura do an saturado velocidade de 0,12 25 20 m/s. Eles trabalharam com temperatura do ar de 1 a 43 °C, 25 temperatura de bulbo úmido de 1 a 43 °C e velocidade do an de 30 0,1 a 3,5 m/s. 30 35 Vários estudos avaliando O índice de temperatura efetiva 35 40 foram relatados por Givoni (1969). Os resultados foram 40 consistentes: índice superestima efeito da umidade no frio, 0 0 10 152 20 25 30 35 40 45 50 subestima efeito da umidade em ambientes quentes, subestima Temperatura de bulbo úmido efeito do movimento do ar em condições úmidas e quentes e Figura 10.1 Diagrama do índice de temperatura efetiva como exagera estresse calórico que é imposto por alta temperatura e função da temperatura de bulbo seco, temperatura movimento do de cerca de 1 m/s. de bulbo úmido e movimento do ar. Em 1946, Hevener (pub. 1959) propôs Índice Humiture, Fonte: ROSENBERG et al., 1983. baseado na umidade e temperatura do ar ambiente. O primeiro índice de umidade foi baseado em temperaturas somadas à Winterling (1979) revisou e adaptou índice de humiture umidade relativa (%), sendo total dividido por dois. Mais tarde, para O verão de Jacksonville, Flórida. Em seu trabalho, foi índice foi melhorado, considerando a temperatura de bulbo considerado um diferencial de pressão de vapor entre a pele67 Ambiência em edificações rurais: conforto animal Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza 66 e ambiente (e), o qual foi subtraído de 35 condição mb de 7 130 (56 mb) de vapor, considerado valor de transição de foi assim 6 pressão confortável e não confortável. O Índice de Umiture 5 10 4 97 125 expresso: (10.2) 0 98 50 100 Taxa met. 120 96 ou (10.3) S 6.0 6.0 em que H é Índice de Umiture; t, a temperatura do ar, °F; e e, a 95 pressão de vapor, mb. 98 99 94 De acordo com Quayle e Doehring (1981), este índice baixa 110 98 93 de subestima efeito combinado de temperatura e umidade em 4.0 de temperatura (cerca de 70 °F) e baixa umidade (cerca de 20%). 97 96 92 3.0 96 91 McHardle et al. (1947) desenvolveram P4SR (Predicted 105 96 96 90 Hour Sweat Rate), estimativa da taxa de suor por quatro litros 2.0 2.0 96 96 89 Four horas (Figura 10.2). A estimativa da quantidade de suor em níveis de 96 96 88 100 96 96 87 foi baseada na comparação de variáveis climáticas, 86 período de quatro horas de exposição. As condições 0.5 1.0 1.0 96196 84 96 82 metabólicos e taxa de suor de um humano vestido, por um 96 80 95 0.5 experimentais foram: 96 nível metabólico: 54 200 hora = condições de 90 0 0 descanso - trabalho; 85 - temperatura de bulbo úmido -0,25 85 -0,25 movimento do an = 0,05 2,5 m/s; e -0,5 vestimenta calção até vestimenta completa. 80 O P4SR de pessoas sentadas, pouco vestidas e em valores um Velocidade ambiente homogêneo, é determinado quando se têm os pé/min do correspondentes da taxa básica de suor em quatro horas (B4SR) Figura 10.2 - Diagrama do índice P4SR. no nomograma (Figura 10.2), usando uma das seguintes Fonte: BENSON et al., 1960. equações: a) para homens pouco vestidos, trabalhando e apresentando a b) para homens em repouso, usando taxa metabólica M (10.5) P4SR = B4SR + 0,25 (10.4) P4SR = B4SR + 0,014 (M - 54)68 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 69 45 45 c) para homens trabalhando, usando 0,1 P4SR = B4SR + 0,25 + 0,02 (M 54) (10.6) sendo P4SR e B4SR dados em litros. 40° 40 40 40 °C Antes da determinação do B4SR, a temperatura de bulbo úmido deve ser corrigida da seguinte forma: 35° 1) adicionar à temperatura de bulbo úmido 0,4(tg ta), sendo tg a 35 35 35° temperatura de globo negro e ta a temperatura ambiente; 30° 2) adicionar à temperatura de bulbo úmido valor obtido do de de nomograma, baseado na taxa metabólica; 30 30 30° 3) adicionar 1 °F a cada 300 g de aumento de peso da vestimenta acima de 600 g. 25 Vários trabalhos descritos por Givoni (1969) e por Benson 25 25° et al. (1960) apresentaram boas correlações entre os valores esperados a partir do P4SR e os experimentais. Missenard (1948) desenvolveu Índice de Temperatura 20 20 Resultante (Figura 10.3), considerando térmico entre o 20° corpo humano e ambiente. Nesse índice, os efeitos da umidade Figura 10.3 Diagrama do índice de temperatura resultante. e velocidade do vento são expressos em graus Celsius. A Fonte: 1948. temperatura do ar parado, saturado, foi considerada base para relações entre diferentes condições ambientais. Nesse Belding e Hatch (1955) desenvolveram o Índice de experimento, foram consideradas temperaturas de bulbo seco com Estresse Calórico baseado no calor metabólico produzido por faixa de 20 a 40 °C, temperaturas de bulbo úmido de 18 a 40 °C e vários tipos de atividade, nos fatores climáticos e na capacidade velocidade do ar de 0 a 3 m/s. evaporativa do ambiente. As condições desse experimento foram: Experimentos conduzidos por Givoni (1969), para temperatura de bulbo seco, ou de globo, de 21 a 49 °C; pressão comparar temperatura e umidade, mostraram que, a 30 °C, O de vapor do ar de 3 a 42 mmHg; movimento do de 0,25 a 10 m/s; índice de temperatura resultante apresentou significativa e taxa metabólica de 100 a 500 kcal/h. A Figura 10.4 representa superestimação do efeito da umidade, mas, acima desse valor, nomograma usado para a obtenção do índice de estresse calórico, houve boa correlação com as respostas fisiológicas humanas. que abrange uma faixa de valores de 0 a 200. O valor "0" Todavia, experimentos para verificar O efeito da velocidade do representa ausência de estresse calórico, enquanto "100" é revelaram que seu efeito refrigerante é subestimado em altas limite para se ter equilíbrio térmico. De 100 a 200, corpo velocidades e é superestimado nas baixas. O autor concluiu que armazena calor. Para nomograma, necessita-se de uma entrada esse índice apresenta melhor correlação com respostas fisiológicas para a temperatura de globo e velocidade do ar e outra para a humanas que Índice de Temperatura Efetiva. temperatura de bulbo seco e pressão de vapor.Ambiência em edificações rurais: conforto animal 71 70 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza A comparação dos valores do índice de estresse calórico 140 Carga de com dados experimentais de Givoni (1969) sugere que efeito da calor do 500 ambiente taxa metabólica é subestimado e efeito refrigerante do vento e 120 efeito aquecedor da umidade são superestimados. As A Exemplo discrepâncias são atribuídas ao fato de que certas respostas de fisiológicas são consideradas constantes, enquanto, na realidade, Velocidade do an 100 (pé/min) são muito variáveis. Thom (1959) desenvolveu Índice de Desconforto, mais tarde chamado de Índice de Temperatura e Umidade. Esse índice 80 -1.000 0 1.000 2.000 3.000 foi obtido por simples ajustamento linear aplicado a uma faixa de temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido, expresso da seguinte Radiação + convecção (Btu/h) 200180160 forma: B Estresse 140 calórico 3.000 120 THI = 0,72 (td + tw) + 40,6 (10.7) (índice) 100 Quando + exceder 2400 em que THI é Índice de Temperatura e Umidade; td, a tem- 2.000 80 use o inter- peratura de bulbo seco, °C; e tw, a temperatura de bulbo úmido, °C. 600 cepto de 60 com 40 esta linha. O National Weather Service USA (1976) publicou Metabolismo 20 valores críticos do índice de temperatura e umidade, baseados em (Btu/h) 2.400 Z estudo de 13 anos, sobre estresse calórico de gado. Índices de até 0 Capacidade evaporativa máxima (Emax) 74 representam ambientes seguros; de 74 a 78 exigem cuidado, alerta; de 79 a 84 são perigosos; e de 85 em diante, condição de 42 0 Carta 95 psicrométrica 37 emergência. 5 90 A representação do declínio da produção de leite em 32 10 85 relação ao índice de temperatura e umidade (para índices de 71 15 2.000 27 80 a 81) foi feita por Johnson et al. (1962). Os autores verificaram 1.000 22 75 20 Y 500 que vacas de alta produção são mais suscetíveis ao declínio que 70 25 17 as de baixa. Foi observado que, para índices maiores que 74,5, 65 30 12 60 200 Velocidade 100 50 a produção diária de 23 kg de leite de uma vaca declina cerca do an 7 55 35 (pé/min) de 0,8 kg de leite para cada unidade de aumento do índice, 70 80 90 100 110 120 130 140 0 1.000 2.000 3.000 enquanto a produção diária de 14 kg perde somente 0,4 kg. Temperatura de bulbo seco, °F Calor de vaporização de 100% Trabalhos apresentados por Quayle e Doehring (1981) Pele úmida a 90 °F, Btu/h evidenciaram que índice de temperatura e umidade não é Figura 10.4 Diagramas do índice de estresse calórico. particularmente sensível a pequenas, embora significativas, Fonte: BELDING; HATCH, 1955. mudanças na umidade e que uma desvantagem do índice é a pequena faixa de desconforto.72 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 73 Em 1962, Bianca (citado por YAMAMOTO, 1983) derivou coeficiente dependente da vestimenta (15,8 para roupas leves, O Índice de Temperatura Efetiva para bovinos, baseado nas abaixando até 11,6 para roupas pesadas); V: velocidade do ar, respostas obtidas com quatro bezerros Ayrshire bull, considerando m/s; ta, a temperatura do ar, oC; In, a radiação solar normal, a combinação da temperatura de bulbo seco (de 30 a 50 °C) e a kcal/h; Kpe, coeficiente dependente da postura (0,39 para de bulbo úmido (de 20,4 a 35,5 °C). A equação que apresentou a pessoa sentada com as costas voltadas para Sol, em local melhor correlação foi: deserto, abaixando para 0,27 para pessoa de pé, com as costas ET = 0,35 td + 0,65 tw (10.8) para Sol, em local semelhante à floresta); Kcl, coeficiente dependente da vestimenta (1,0 para curta, abaixando para 0,4 em que ET é a temperatura efetiva, °C; td, a temperatura de para longa e pesada); a, coeficiente dependente da bulbo seco, °C; e tw, a temperatura de bulbo úmido, °C. vestimenta (0,35 para a curta ou leve e 0,52 para a pesada); E = (M W) b v0,3 (ta 35) + In Kpe Kcl [v0,2 0,880], Experimentos conduzidos por Mimura et al. (citados por kcal; Emax = p v0,3 (42 Vp), kcal/h.; W, é a energia YAMAMOTO, 1983) provaram boa correlação com índice de metabólica para trabalho mecânico, kcal; p, coeficiente Bianca. Nesses experimentos, a taxa de respiração de Holsteins foi dependente da vestimenta (31,6 para curta e 13,0 para militar); escolhida como informação variável e os registros de um período e Vp, a pressão de vapor do ar, mmHg. de três anos usados para as comparações. Givoni (1969) desenvolveu Índice de Estresse Térmico Anderson (1965) derivou índice Humidex baseando-se fundamentado num modelo que descreve a taxa de troca de na temperatura ambiente e pressão de vapor do ar para as calor entre corpo humano e O ambiente. O modelo é baseado condições canadenses. O índice foi descrito como: na hipótese de que O suor aumenta com estresse calórico. Para manter equilíbrio térmico, esse aumento no resfriamento (10.10) evaporativo é necessário para fechar balanço de energia (troca de calor com O ambiente). O índice é descrito em kcal em que Hu é índice Humidex; ta, a temperatura ambiente, °C; por hora equivalente à taxa de suor requerida. O valor do e e, a pressão de vapor do ar, kPa. índice será positivo acima da zona de conforto e negativo abaixo dela. Os experimentos foram conduzidos em temperatura do ar entre 20 e 50 oC, pressão de vapor do de Valores de Hu entre 20 e 29 foram associados a condições 5 a 40 mmHg, velocidade do ar de 0,10 a 3,5 m/s, radiação confortáveis e valores mais altos, a condições desconfortáveis. solar de 0 a 600 kcal/h e com roupas desde curtas e leves até Comparações do Humidex com outros índices, realizadas por pesadas, tipo industrial ou militar. O índice de estresse térmico Quayle e Dohering (1981), mostraram que este índice subestima foi expresso como: as condições térmico-ambientais em baixa umidade e baixa temperatura. 35) + Steadman (1979a,b) desenvolveu o Índice de In Kcl Temperatura Aparente (Tabela 10.1 e Figura 10.5), que (10.9) considera os efeitos da temperatura, umidade, velocidade do em que r = 0,6 [(E/Emax) 0,12]; S, é a taxa de suor e radiação. A derivação desse índice tem base no total de roupa requerida, em kcal/h; M, taxa metabólica, kcal/h; b, necessária para atingir conforto térmico e na redução daTabela 10.1 - Escala do índice de temperatura aparente Ts Umidade relativa (%) Vento (m/s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0-3 4 8 12 16 20 16 17 17 18 19 19 20 20 21 21 21 0 -1 -3 -4 -4 21 18 18 19 19 20 20 21 21 22 22 23 0 -1 -3 -4 -4 22 19 19 20 20 21 21 22 22 23 23 24 0 -1 -2 -3 -4 23 20 20 21 22 22 23 23 24 24 24 25 0 -1 -1 -3 -4 24 21 22 22 23 23 24 24 25 24 25 26 0 -1 -2 -3 -4 25 22 23 24 24 24 25 25 26 27 27 28 0 -1 -2 -3 -4 26 24 24 25 25 26 26 27 27 28 29 30 0 -1 -2 -3 -3 27 25 25 26 26 27 27 28 29 30 31 33 0 -1 -2 -3 -3 28 26 26 27 27 28 29 29 31 32 34 (36) 0 -1 -2 -3 -3 29 26 27 27 28 29 30 31 33 35 37 (40) 0 0 -1 -2 -3 30 27 28 28 29 30 31 33 35 37 (40) (45) 0 0 -1 -2 -2 31 28 29 29 30 31 33 35 37 40 (45) 0 0 -1 -2 -2 32 29 29 30 31 33 35 37 40 44 (51) 0 0 -1 -1 -1 33 29 29 30 31 33 36 39 43 (49) 0 0 0 -1 -1 34 30 31 32 34 36 38 42 (47) 0 0 0 0 0 35 31 32 33 35 37 40 (45) (51) 0 0 0 0 +1 36 32 33 35 37 39 43 (49) 0 0 0 +1 +1 37 32 34 36 38 41 46 0 0 0 +1 +2 ContinuaTabela 10.1 - Cont. Tbs Umidade relativa (%) Vento (m/s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0-3 4 8 12 16 38 33 35 37 40 44 (49) 0 0 0 +1 +2 39 34 36 38 41 46 0 0 +1 +2 +2 40 35 37 40 43 49 0 0 +1 +2 +3 41 35 38 41 45 0 0 +1 +2 +3 42 36 39 42 47 0 0 +1 +2 +3 43 37 40 44 49 0 0 +1 +2 +3 44 38 41 45 52 0 0 +1 +2 +3 45 38 42 47 0 0 +1 +2 +3 46 39 43 40 0 0 +1 +2 +3 47 40 44 51 0 0 +1 +2 +3 48 41 45 53 0 0 +1 +2 +3 49 42 47 0 0 0 +2 +3 50 42 48 0 0 0 +1 +3 Radiação total sob céu nublado Tempo antes ou depois do meio dia solar (h) 0 1 2 3 4 5 6 7 8-12 Latitude 34 °N, verão 92 101 114 124 127 119 67 -24 -26 Latitude. 34 °S, verão 107 117 132 141 146 135 79 -24 -26 34 °N, equinócio 125 128 134 138 132 83 -25 -26 -26 Equador, junho/julho 113 120 130 138 134 91 -25 -26 -26 Equador, dezembro/janeiro 133 138 149 158 154 106 -25 -26 -26 Equador, equinócio 98 113 132 146 147 107 -24 -26 -26 Fonte: STEADMAN, 1979b. Espessura da Resistência da pele roupa (mm) 3 20 30 40 50 Temperatura ambiente finalTabela 10.2 - Índice de temperatura baixa e vento (ITBV) Velocidade do ar Temperatura do ar (m/s) 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 2,0 7,2 5,2 3,2 1,2 -0,8 -2,8 -4,9 -6,9 -8,9 -10,9 -13,0 -15,0 3,0 4,7 2,6 0,4 -1,8 -4,0 -6,3 -8,5 -10,7 -12,9 -15,1 -17,4 -19,6 4,0 2,9 0,5 -1,8 -4,2 -6,5 -8,9 -11,3 -13,6 -16,0 -18,4 -20,8 -23,2 5,0 1,4 -1,1 -3,6 -6,0 -8,5 -11,0 -13,5 -16,0 -18,5 -21,1 -23,6 -26,1 6,0 0,1 -2,4 -5,0 -7,6 -10,2 -12,8 -15,4 -18,0 -20,6 -23,3 -25,9 -28,5 7,0 -9,0 -3,6 -6,3 -8,9 -11,6 -14,3 -17,0 -19,7 -22,4 -25,2 -27,9 -30,6 8,0 -1,9 -4,6 -7,3 -10,1 -12,8 -15,6 -18,4 -21,2 -24,0 -26,8 -29,6 -32,4 9,0 -2,7 -5,5 -8,3 -11,1 -13,9 -16,8 -19,6 -22,5 -25,3 -28,2 -31,1 -33,9 10,0 -3,3 -6,2 -9,1 -12,0 -14,8 -17,7 -20,6 -23,6 -26,5 -29,4 -32,3 -35,3 11,0 -3,9 -6,9 -9,8 -12,7 -15,6 -18,6 -21,6 -24,5 -27,5 -30,5 -33,5 -36,5 12,0 -4,5 -7,4 -10,4 -13,4 -16,4 -19,3 -22,4 -25,4 -28,4 -31,4 -34,4 -37,5 13,0 -4,9 -7,9 -10,9 -14,0 -17,0 -20,0 -23,0 -26,1 -29,2 -32,2 -35,3 -38,4 14,0 -5,3 -8,4 -11,4 -14,5 -17,5 -20,6 -23,7 -26,7 -29,8 -32,9 -36,1 -39,2 15,0 -5,7 -8,9 -11,9 -15,0 -18,0 -21,2 -24,3 -27,3 -30,5 -33,6 -36,9 -40,0 Fonte: ROSENBERG et al., 1983.80 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Var. prod. 5 5 3 5 leite (%) 69 5 3 Temp. re- 5 tal 5 90 21,9 28,7 35,5 42,3 49,1 21,6 28,3 Segu- Adver 41,5 48.0 Extremo Segu- Adver- CAPÍTULO 11 rança tência perigo rança tência Perigo 80 Extremo Extremo Extremo cuidado cuidado perigo 70 60 Acondicionamento Térmico das 50 Instalações 50 18 22 26 30 34 38 41 0 22 26 30 34 38 41 Temperatura ambiente Acondicionamento térmico é processo pelo qual são A B controlados, de forma individual, por meios naturais ou artificiais, os níveis das variáveis do ambiente, como temperatura, umidade, Var. prod 3 8 3 2 5 5 leite (%) 5 5 movimento e pureza do ar, e da radiação solar no interior de uma Temp. re- 5 8 5 5 9 tal construção, com objetivo de se obterem melhores condições de 90 conforto. 20,7 33.2 39,5 45,7 18,7 24,6 30,5 42,4 Segu- Adver- Perigo Extremo Segu- Perigo Essa condição térmica do meio é uma das variáveis mais ranca tência perigo 80 rança Extremo Adver- importantes a ser considerada quando da definição da solução cuidado tência Extremo cuidado arquitetônica apropriada para a obtenção do conforto ambiental. 70 Por exemplo, nas zonas de deserto, a temperatura do atinge 45 °C durante dia, além das grandes oscilações entre o dia e a 60 noite. Dessa forma, as concepções arquitetônicas para esses locais são diferentes quando comparadas àquelas adotadas para as 50 regiões em que a temperatura do é amena e a amplitude térmica entre dia e a noite é baixa. 50 18 22 26 30 Em se tratando de animais, para que a produção seja 34 38 22 26 30 34 38 41 otimizada, a instalação deve ser projetada de forma que estejam C Temperatura ambiente D protegidos durante temperaturas rigorosas com máximo de Figura 10.6 Índice de temperatura equivalente, em °C, em conforto possível. função da temperatura e umidade do an ambiente, O conforto térmico ambiental pode ser atingido por meio para as seguintes velocidades do ar: (a) V = 0,5 do acondicionamento térmico natural, que consiste na escolha e m/s; (b) V = 2 m/s; (c) V = 4 m/s; e, (d) V = 6 m/s. na utilização racional de técnicas e material de construção, além Fonte: 1985. da correta decisão sobre a forma de orientação da construção.82 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 83 Um bom projeto permite a perfeita acomodação do Outro item a ser considerado é a atividade do habitante da animal, facilitando a observação visual, controle de alimentação construção projetada, pois tanto ser humano quanto os animais e de doenças e bom manejo de dejetos, com a utilização de geram quantidades variáveis de calor corporal. Por exemplo, um técnicas naturais de acondicionamento e custos minimizados. edifício de escritórios, onde as pessoas realizam trabalho que Outro meio natural considerado eficiente para essa finalidade resulta na produção de pequena quantidade de calor, é concebido é a colocação de vegetação em seu redor, pois, através da de forma distinta daquele em que as pessoas, trabalhando, geram fotossíntese, há a transformação da energia solar em energia química maior quantidade de calor. latente, sob a forma de compostos de carbono e hidrogênio, Costa (1982) afirma que as principais técnicas de reduzindo a incidência e absorção de radiação pelos animais. acondicionamento envolvem reduções na amplitude da Ainda como parte das técnicas de acondicionamento temperatura, na umidade e no movimento do ar. natural, pode ser mencionada a localização correta das entradas e É essencial mencionar que, nos trópicos, construções saídas de ar na construção, que favorece a ventilação e contribui muito elaboradas são raramente justificáveis, com base no para conforto térmico. melhoramento do desempenho animal, quando empregadas Às vezes, para atingir o conforto térmico ambiental, é preciso técnicas tanto naturais quanto artificiais de condicionamento lançar mão do acondicionamento térmico artificial, que consiste nos ambiental,pois as mais simples, na maioria das vezes, têm boa diversos tratamentos do ar, como purificação, aquecimento, qualidade ambiental e atendem aos requerimentos fisiológicos e umidificação, refrigeração, desumidificação etc. Por exemplo, se no de saúde animal. A consideração econômica é relevante, uma vez interior de uma instalação a temperatura do ar é muito baixa e não que os custos das acomodações fazem parte dos custos totais de há como gerar calor, é importante fazer um acondicionamento por produção, e elas estão diretamente relacionadas de uma forma ou meio de equipamentos aquecedores. Em certos ambientes, pode ser de outra, com a correta utilização da energia alimentar disponível. necessária a alteração de mais de uma variável do ambiente, com a utilização de ventiladores conjugados a umidificadores ou, às vezes, a Conceitos sobre Energia desumificadores. Em ambos os casos, a otimização do projeto de um ambiente é de fundamental importância e só é possível se projetista Um corpo possui energia quando é capaz de realizar conhecer bem material utilizado na construção e os processos de determinado trabalho. Como trabalho e energia são conceitos troca de energia envolvidos. equivalentes, qualquer movimento só é possível quando se dispõe Numa construção, envelope (envolvente, divisória) é o de energia devidamente transformada. A energia pode ser elétrica, componente que separa espaço interno do externo e geralmente hidráulica, eólica, mecânica, cinética, atômica, potencial, térmica, é composto de material opaco, transparente e, ou, translúcido, radiante ou transformada de uma forma para outra. que permite prevenir ou modificar efeito direto das variáveis Energia térmica é a energia interna de um corpo, climáticas, dependendo das suas dimensões características como usualmente chamada de calor; é resultado do movimento das um todo e das suas propriedades termofísicas. Por exemplo, dos átomos e das partículas do corpo e está quando as condições térmicas da construção não são controladas relacionada com as suas temperaturas. por meios artificiais, material pode afetar, de forma significativa, O calor é transmitido de corpos com alta temperatura para os a temperatura do ar e das superfícies internas, resultando em que estão com baixa temperatura. Dessa forma, ocorrem no espaço pronunciado efeito sobre o conforto dos ocupantes, que deve processos contínuos de transmissão de calor, como resultado das ser considerado na fase de projeto.Ambiência em edificações rurais: conforto animal 85 84 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza A transmissão de calor consiste basicamente na diferenças de temperatura, provocadas por variações no conteúdo de transferência de energia térmica de um corpo para outro até que energia interna de um corpo. A variação no conteúdo de energia ocorra equilíbrio térmico, isto é, até que todos estejam com a pode estar relacionada com próprio corpo, por sua capacidade de mesma temperatura. produzir e armazenar, com fontes externas, como a radiação solar, ou até mesmo com simples aparelhos geradores de calor. Quando a adição ou a perda de calor são associadas a uma mudança na temperatura dos corpos, diz-se tratar de uma Como já mencionado, a energia radiante consiste de forma sensível, e quando associadas a uma mudança de estado, ondas eletromagnéticas em movimento no espaço, resultantes da diz-se que é uma forma latente. diferença do conteúdo de energia interna dos corpos. Considerando material de uma construção, há três Essa energia radiante possibilita a transmissão de calor de formas principais de transferência de calor: condução, convecção um corpo para outro, pois um objeto qualquer está sempre e radiação. emitindo energia radiante, e isso supõe perda de uma parte do seu calor interno, com consequente diminuição de sua temperatura. A quantidade de calor trocada na unidade de tempo Por exemplo, a energia radiante emitida por uma parede, por uma (kcal/h), em qualquer um dos processos de transmissão de calor lâmpada, pelo Sol ou por um pedaço de gelo transforma-se em citados, recebe nome de fluxo térmico. Esse fluxo é calor quando é absorvida por um corpo. permanente, ou estacionário, quando não varia com o tempo, isto é, todo o calor que penetra corpo também abandona; e é não Há duas fontes principais de emissão de energia radiante: permanente, ou transitório, quando varia com tempo. o Sol, chamado de corpo de alta temperatura, que emite radiação de ondas curtas, e os corpos do ambiente, que geralmente estão em temperatura menor que 100 °C, chamados corpos de Condução baixa temperatura, que emitem radiação de ondas longas. Como já mencionado, comprimento de onda é a É o processo em que calor é transferido de uma parte característica da energia radiante usada para classificá-la; é para outra de um mesmo corpo, ou de um corpo a outro, caso definido pela distância entre dois máximos sucessivos de onda. estejam em íntimo contato, em razão de um movimento vibratório Essa distância é medida em micrômetro (um), que equivale a 10-6 de moléculas. Essas moléculas, ao se chocarem com outras em m. A faixa toda do espectro da energia radiante abrange temperatura inferior, transferem-lhes parte de sua energia cinética. comprimentos de onda desde um até um. Quanto mais elevada a temperatura, maior a velocidade das moléculas e mais acelerada a transferência. A magnitude e a velocidade do processo condutivo estão Transmissão de Calor Materiais de relacionadas com as características térmicas das partes envolvidas. Construção A condutividade térmica é fator que define fluxo de calor através de determinado material na unidade de tempo, por Para que haja transmissão de calor, é necessário que os unidade de espessura, por unidade de área do material e por corpos envolvidos tenham temperaturas diferentes, para que o unidade de gradiente de temperatura. Pode ser expressa em fluxo sempre saia do corpo que está com temperatura mais alta (sistema inglês) ou em kcal/h.m.°C ou °C) para que está com temperatura mais baixa, ou seja, do corpo (sistema métrico). mais quente para mais frio.86 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 87 Os valores mais usuais de condutividade térmica de alguns A resistência térmica de um material também afeta a materiais de construção estão listados na Tabela 11.1. transmissão de calor, que, de acordo com Costa (1982), expressa Nessa tabela, observa-se que a água tem maior a resistência que material oferece à passagem de calor. A condutividade térmica que ar, o que significa que o material que Equação 11.1 mostra que fluxo de calor é proporcional à contém ar em seus interstícios funciona como isolante térmico, isto diferença de temperatura e, dessa forma, por analogia da Lei de é, menos capaz de conduzir calor. Se a água ocupa os poros do Ohm, à diferença de eletricidade, chega-se a material, desloca e isso reduz isolamento. = (11.2) Outra propriedade importante desse processo é a capacidade térmica, que se refere ao total de calor requerido para elevar a temperatura de uma unidade de volume de determinado em que R é a resistência elétrica; U, a gradiente de potencial; e I, elemento ou da unidade de área da superfície desse a corrente elétrica. elemento, em 1 °C. No primeiro caso, é a capacidade térmica volumétrica do material (c) e, no segundo, simplesmente Assim, pode-se fazer referência a "AT" como gradiente de capacidade térmica (C). Pode ser expressa em ou potencial térmico e a"g" como corrente térmica, para definição de e indica que material pode se aquecer de forma diferenciada resistência (Rt) do material, ou seja: para a mesma quantidade de calor. Desse modo, essa propriedade AT Ax é significativa, pois tem efeito decisivo na definição das condições Rt = = (11.3) q K. A térmicas internas da construção quando a estrutura é aquecida e resfriada periodicamente, como resultado de variações na temperatura externa e na radiação solar. Tabela 11.1 Valores usuais de condutividade térmica de alguns De acordo com Incropera e Dewitt (1981) e Holman utensílios de construção (1983), a transmissão de calor por condução obedece à Lei de Material K Fourier, segundo a qual fluxo térmico é diretamente proporcional à superfície por onde passa calor e ao gradiente de [kcal/(m.h.°C)] temperatura, ou seja: Aço 39,60 Água parada 0,50 Alumínio 176,40 (11.1) Amianto 0,13 0,20 Ar parado (1.000 mbars, 15 °C) 0,02 em que q é fluxo térmico por condução, kcal/h; K, a Argila 0,80 condutividade térmica do meio, kcal/(m °C h); A, a área da Areia seca 0,28 superfície por onde passa calor, AT, a diferença de Areia com 10% de água 1,00 temperatura entre os dois pontos considerados na transmissão de Argamassas: calor, °C; e Ax, a espessura de material ou distância entre os dois 1:2 (cimento:areia) 0,65 pontos onde as temperaturas foram medidas, m. 1:5 fator água:cimento 1/9) 1,10 Continua88 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 89 Tabela 11.1 Cont. Tabela 11.1 Cont Material K Material K [kcal/(m.h.°C)] [kcal/(m.h.°C)] 1:4:12 (cimento:cal:areia, + 2% de água) 0,46 de terra argilosa seca 0,45 1:3 (cal: areia) 0,58 de terra argilosa úmida 2,00 Borracha esponjosa 0,03 de madeira (1,5 cm de espessura) 2,88 Cantaria de mármore 1,80 3,00 de concreto (5 cm), sem reboco 3,10 Cimento em pó 0,25 Cimento agregado Plástico esponjoso 0,04 0,90 Cimento de gesso Poliestireno expandido 0,03 0,29 Coberturas: Serragem 0,06 de telha de barro 10,00 Terra arenosa com 15% de água 0,79 de madeira + telha de barro 2,60 Tijolos de chapas de ferro + telha de barro 5,00 - de carvão, 89% de C 1,36 Concreto armado 0,70 1,21 - de cimento 1,00 Concreto celular 0,05 0,12 de argila úmida 1,00 Cortiça moída 0,04 de argila (secagem natural) 0,34 Cortiça expandida 0,03 de argila (secagem mecânica) 0,42 Espuma rígida de poliuretano 0,02 Vidro 0,65 Eucatex 0,04 Feltro de Vidro de quartzo 1,40 0,04 Granito Fonte: COSTA, 1982 HOLMAN, 1983; 1989. 1,50 3,50 Gesso 0,40 Gesso celular 0,04 0,07 Holman (1983) afirma que em construções é muito 0,02 - 0,05 comum a utilização de material composto por várias camadas de 0,02 - 0,11 resistências térmicas diferentes (Figura 11.1), resultando na Madeira 0,04 - 0,14 seguinte análise: Papelão 0,07 - 0,09 Parede: = A de tijolos (novas) (11.4) 1,20 de tijolos (velhas) 0,84 de tijolos (secas) 0,37 de pedra arenosa 1,59 sendo mesmo fluxo para todas as seções, valor de q pode ser Continua. dado por:90 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 91 (11.5) B F AxA + AxB + AxC KA A A A C q A E G D 1 2 3 4 5 A Perfil de temperatura q q RA T RA Rp mm T1 T2 AX, T3 q q AX, T4 B RG mm T2 T3 T4 T5 Figura 11.2 - Transferência de calor em série e paralelamente, através de uma parede composta, em analogia com circuito elétrico. 1 2 3 4 Fonte: HOLMAN, 1983. Figura 11.1 Transferência de calor através de uma parede composta em analogia com circuito elétrico. Embora pouco comum na construção, é importante Fonte: HOLMAN, 1983. mencionar fluxo de calor que ocorre em corpos cilíndricos. Holman (1983), considerando um cilindro longo de raio interno O fluxo de calor também pode ser encontrado para raio externo re e comprimento L (Figura 11.3), exposto a um material composto por diferentes camadas no sentido vertical diferencial de temperatura concluiu seguinte: (Figura 11.2). Da mesma forma, valor de q pode ser (11.7) A, = 2 determinado por: em que A, é a área em que ocorre o fluxo de calor. ATtotal q Rt = (11.6) = 2n K r L ( dT dr ) (11.8) As situações citadas podem ser verificadas em componentes da construção, como paredes, muros, janelas, (11.9) = KrL telhados, forros, lajes e pisos. In re r92 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 93 consequente transferência de calor para a próxima camada, porém em quantidade menor, e assim sucessivamente. Dessa forma, cada camada recebe menos calor e está sujeita a menor aumento de temperatura que a mais externa, adjacente. Isso significa que sempre ocorre armazenamento de calor na estrutura do envelope durante as horas de temperatura externa mais alta, que é transferido por condução num processo inverso, durante as q horas de temperatura externa mais baixa. T, T re q dr In (re/ri) R,= Figura 11.3 - Fluxo de calor através de um corpo cilíndrico em q analogia com circuito elétrico. T3 T. R, T3 T Fonte: HOLMAN, 1983. T. T A In B (11.10) C Figura 11.4 Fluxo de calor através de seções cilíndricas múltiplas Se cilindro é composto por várias camadas de em analogia com circuito elétrico. resistências características, como ilustra a Figura 11.4, então: Fonte: HOLMAN, 1983. (11.11) In In r3 r2 In r2 De acordo com Rivero (1986), baseado na análise anterior, qualquer modificação ou diferença térmica produzida em KA uma das superfícies do fechamento ou no meio imediato não é notada instantaneamente na outra face. Isso caracteriza retardo Cálculos referentes à transmissão de calor por condução térmico do material, expresso em unidades de tempo. Ou seja, é em paredes compostas tornam-se simplificados com a utilização tempo gasto para que uma diferença térmica ocorrida em um dos do conceito de resistência térmica. meios se manifeste na superfície oposta. Outro fenômeno Givoni (1969) relata que, quando envelope de importante é a capacidade de amortecimento, isto é, a habilidade construção é composto de várias camadas, fluxo de calor em do material de diminuir a amplitude das variações térmicas ou de reduzir as ondas térmicas. cada camada causa uma elevação de temperatura com94 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 95 Givoni (1969) afirma que a principal propriedade que térmica, reduzir a alta amplitude da temperatura do ar, comum em afeta aquecimento ou resfriamento interno de um material é locais de microclima seco. produto da sua condutividade térmica pela sua capacidade calorífica volumétrica, qual determina a rapidez do processo e perfil de temperaturas no interior do material. Os materiais de construção com alto valor desse produto são aquecidos significativa e rapidamente, mas resfriam-se bruscamente quando os valores são baixos. De qualquer forma, conhecimento da temperatura superficial do material dos fechamentos é fundamental, uma vez que esta determina as condições de conforto do meio. Além das características do material, há outros fatores que contribuem para a definição da temperatura no ambiente interno de determinada construção, como ventilação, penetração da radiação solar e processos ou equipamentos que liberam calor no interior da construção, como cozimento, lavagem e utensílios elétricos. Nos casos citados, foi considerado gradiente de 0 24 48 72 96 temperatura sempre constante, ou seja, nenhuma das Hora (h) temperaturas do sistema variando com O tempo, que caracteriza Figura 11.5 Regime estacionário de transmissão de calor. fluxo de calor por condução sob regime estacionário (Figura 11.5). Se pelo menos uma das temperaturas do sistema sofre variações Fonte: RIVERO, 1986. periódicas, caracteriza-se fluxo de calor por condução em regime variável (Figura 11.6), que corre com mais frequência quando Tomando como exemplo concreto e poliestireno comparado ao estacionário. Por exemplo, quando, no verão ou expandido, considerados na definição da capacidade térmica inverno, são utilizados, no interior das habitações, equipamentos (Tabela 8.2), observa-se que O concreto apresenta retardo térmico de refrigeração ou calefação, a temperatura interna mantém-se e capacidade de amortecimento maiores que poliestireno, que constante com O tempo e a externa varia em razão das condições pode ser mais bem visualizado na Figura 11.7. Isso mostra a climáticas, ocorrendo fluxo de calor em regime variável. importância da escolha do material para determinado fim, Nesse regime, a condutividade, a capacidade e O retardo devendo lembrar que, quando a espessura de um material tende a térmicos e a capacidade de amortecimento são propriedades zero, ocorre mesmo com a resistência térmica e com a muito importantes na definição da temperatura da superfície do capacidade de amortecimento. material, na determinação da temperatura dos meios considerados no fluxo de calor por condução e, consequentemente, nas condições de conforto resultantes no ambiente. Pode-se, por exemplo, por meio da escolha de material com alta capacidade97 Ambiência em edificações rurais: conforto animal Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza 96 ta (a) ts2 ts 72 96 24 48 ts1 0 Hora (h) 48 T1 T2 72 0 24 t(h) Figura 11.7 - Dois fechamentos de resistências térmicas iguais e capacidades de amortecimento diferentes. Fonte: RIVERO, 1986. (b) Aplicação 1) entre duas placas que estão a 100 e 200 isolante °C, Uma camada de 5 cm de amianto não compactado é 0 24 48 72 96 Hora (h) colocada respectivamente. Calcular calor transferido através do (HOLMAN, 1983). T1 - (c) q = K T2 Ax - T1 = 0,149 0,05 A q = 298 A 24 48 72 96 0 Hora (h) 2) A parede externa de uma casa é composta por uma de Figura 11.6 Regime variável de transmissão de calor (a, b, c). O camada de 10 cm de tijolo comum W/(m °C)], seguida esquema mostrado em (c) evidencia regime camada de 4 cm de gesso [k = 0,48 W/m °C)]. Que °C)] variável do tipo periódico. uma espessura de isolamento de [k = 0,065 W/(m Fonte: RIVERO, 1986.98 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações rurais: conforto animal 99 deve ser adicionada para reduzir a transferência de calor através da parede em 80% (HOLMAN, 1983)? AX1 = 10 cm (tijolo) = 0,059 cm W/(m °C) 3) As temperaturas superficiais de uma parede plana de 15 q K2 AX2 = 4 cm (gesso) cm de espessura são 370 e 93 °C. A parede é feita de um vidro especial com as seguintes propriedades: k = 0,78 W/(m °C), p = K2 = 2700 °C). Qual é o fluxo de calor através AX3 ? da parede em regime permanente (HOLMAN, 1983)? K3 = 0,065 W/(m °C) T, Figura 11.8 - Representação da parede com três camadas. Cp Fonte: HOLMAN, 1983. T2 Pode-se fazer analogia com um circuito elétrico, de forma que as resistências térmicas das camadas sejam dadas por: T1 A = 0,10 T2 K2 = A resistência térmica total, sem considerar o isolamento de Figura 11.9 - Propriedades e temperaturas superficiais de uma é: parede. Fonte: HOLMAN, 1983. + Para que o fluxo seja reduzido em 80%, a resistência calculada acima corresponde a 20% do total que deverá ser empregada. Logo: = 0,22619x100% = A 0,15 20%100 Fernando da Costa Baêta e Cecília de Fátima Souza Ambiência em edificações conforto animal 101 Convecção O calor pode ser removido da superfície aquecida por meio de movimento próprio do fluido (gás ou líquido), É processo em que calor é transferido de uma parte caracterizando a convecção livre. Nesse caso, movimento do para outra de um fluido por um movimento relativo de suas fluido é causado apenas pela diferença de temperatura e partículas, provocado por gradientes de pressão na massa fluida. densidade entre as suas partes. Essa forma de convecção ocorre O diferencial de pressão é ocasionado pela diferença de comumente nos espaços interiores, nas câmaras de fechadas temperatura, causando variações de densidade nas partes por vidros por paredes duplas e, ainda, nas coberturas com forro. envolvidas e originando as correntes convectivas que removem Quando há uma força externa atuando para aumentar a corrente calor. fluida, ocorre a remoção do calor da superfície aquecida por A maioria dos processos de troca de calor por convecção convecção forçada. envolve um fluido (gás ou líquido) e uma superfície sólida. Como Qualquer um dos processos é muito influenciado pela exemplo pode-se considerar resfriamento rápido de uma placa velocidade do (fluido), porém, para baixa velocidade, isto é, de metal aquecida quando posicionada em frente de um menos que 0,2 m/s, a convecção é considerada livre. Pode ocorrer ventilador; na construção, o sólido seria representado por uma significativa remoção de calor quando as duas formas de parede e fluido, pelo ar circundante. convecção agem simultaneamente, porém, na maioria dos casos, Normalmente, processo tem duas fases: na primeira, o a forçada é predominante e a livre é desprezível. calor é transferido por condução, em razão do contato entre De acordo com Holman (1983), a energia em forma de sólido e fluido; na segunda, ocorre movimento convectivo calor trocada por convecção é proporcional à área da superfície, ascendente ou descendente do fluido, em razão da variação de ao gradiente de temperatura e ao coeficiente de convecção. O sua temperatura e, consequentemente, de sua densidade. efeito das correntes convectivas na remoção de calor Supondo que haja contato de determinada massa de (resfriamento) pode ser expresso pela lei de Newton. com uma parede, se a temperatura superficial da parede for mais Considerando a Figura 11.10, tem-se: elevada, o se aquecerá, se expandirá, se tornará menos denso e subirá, dando lugar à outra massa de ar com temperatura mais (11.12) baixa, causando correntes convectivas até que equilíbrio seja em que q é a taxa de transferência de calor, W; h, coeficiente de estabelecido. convecção, °C); A, a área da superfície aquecida, A principal diferença entre esse processo e de condução a temperatura da superfície aquecida, °C; e Too a temperatura do é a translocação marcante das moléculas fluidas que transportam fluido, °C. O calor. Além disso, na convecção, calor trocado depende muito Na convecção, a resistência térmica é dada por: da temperatura da superfície do sólido, de sua forma, de suas características superficiais e de seu tamanho, bem como da 1 AT Rt (11.13) viscosidade, da temperatura e da taxa de movimentação do fluido h. A q envolvido. A convecção é resultado do movimento macroscópico das partículas do fluido, enquanto a condução O coeficiente de convecção (h), algumas vezes resulta do movimento microscópico das ou elétrons chamado de condutância de película ou de coeficiente de livres, que entram na constituição dos corpos. condutividade externa, cuja unidade é °C), é fator físico do processo. Sua determinação é complexa, pois depende do