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CONFORTO AMBIENTAL: CONCEITOS BÁSICOS Prof.: Ana Dieuzeide Santos Souza Arquitetura e Urbanismo – Conforto I – 2014/2 TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA As trocas térmicas entre dois materiais, ou corpos, acontecem devido a dois fatores físicos: Existência de temperaturas diferentes entre dois corpos; Mudança do estado de agregação do material. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA Trocas térmicas úmidas (mudança de estado de agregação): evaporação e condensação. Trocas térmicas secas (envolvem diferença de temperaturas): radiação, condução e convecção. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA (Fonte: LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA, 2004) TROCAS TÉRMICAS ÚMIDAS Evaporação Troca térmica que envolve mudança de fase do estado líquido para o estado gasoso. Durante a evaporação do líquido, é “roubado” calor do corpo. Ex: o suor do corpo que se transforma em vapor d’água. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS ÚMIDAS Condensação É a troca térmica decorrente da mudança do estado gasoso do vapor d’água contido no ar para o estado líquido (é o chamado “ponto de orvalho”). Ex: a umidade excessiva no ar que se precipita e forma gotas de chuva. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS SECAS Radiação É um mecanismo de troca térmica entre dois corpos, que guardam entre si uma distância qualquer, através de sua capacidade de emitir ou absorver energia térmica. Consequência da natureza eletromagnética da energia que, ao ser absorvida, provoca efeitos térmicos. É um processo de transmissão de calor que pode ocorrer em qualquer meio, inclusive no vácuo Não precisa de meio físico para sua propagação. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS SECAS Radiação A radiação incidente terá uma parcela refletida e outra absorvida. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA α+ ρ= 1 Sendo α = absortância e ρ = refletividade. Na arquitetura, a radiação solar que entra pelas aberturas é absorvida, em parte, pelas superfícies do chão e das paredes, convertendo-se em energia térmica. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS SECAS Condução É a troca de calor entre dois corpos sólidos que se tocam, ou mesmo entre partes de um corpo que estão a temperaturas diferentes. Ex: o calor que flui através de uma parede com superfícies com temperaturas diferentes – a superfície externa que sofre aquecimento solar e a superfície interna que ainda está na temperatura ambiente. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS SECAS Condução A velocidade da troca de calor por condução dependerá: Da diferença de temperatura entre as superfícies que trocam calor; Das áreas e da distância entre estas superfícies (espessura do componente); Da densidade do material; Da condutividade térmica do material através do qual se conduz o calor. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS SECAS Condução Condutividade térmica: capacidade do material de conduzir maior ou menor quantidade de calor por unidade de tempo. Para uma mesma espessura e diferença de temperatura, quanto maior a condutividade, maior será o fluxo de calor. Conforto Ambiental__________________________________Profª Cynthia Marconsini FECHAMENTOS OPACOS 2ª FASE: TROCA DE CALOR ATRAVÉS DO FECHAMENTO. Sem Câmara de ar • Condução Com a elevação da temperatura da superfície externa, haverá um diferencial de temperatura entre esta e a interna – troca de calor. A intensidade do fluxo de calor depende da resistência térmica (R) do material que está relacionado a dois fatores: R=L/ (m²K/W) a)Condutividade Térmica do material ( ): capacidade do material de conduzir maior ou menos quantidade de calor por unidade de tempo. Quanto maior a condutividade, maior será o fluxo de calor. b)Espessura do fechamento (L): quanto maior a espessura, maior será a resistência térmica. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS SECAS Convecção É a troca de calor entre dois corpos, onde o calor é transferido por um corpo fluido (líquido ou gasoso). Ocorre por diferença de densidade dos fluidos. Ex: Ar frio (mais denso) que desce do aparelho de ar condicionado e resfria o ar do ambiente (menos denso), gerando um movimento de massas de ar. A troca de calor por convecção aumenta se for induzida pelo vento ou por meios mecânicos (convecção forçada). TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA Acontece quando há diferença de temperatura entre a superfície externa e interna. O sentido do fluxo de calor será sempre: Os materiais e componentes se comportam de maneiras diferentes (ex.: opacos x transparentes, escuros x claros). Superfície mais quente Superfície mais fria TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS OPACOS Pode ser dividido em 3 fases: Conforto Ambiental__________________________________Profª Cynthia Marconsini FECHAMENTOS OPACOS 1ª FASE: TROCA DE CALOR COM O MEIO EXTERIOR: Radiação e Convecção A) Radiação A radiação incidente terá uma parcela refletida e outra absorvida. + = 1, sendo = absortividade e p = refletividade. B) Convecção O ar que atravessa a superfície externa proporcinará uma Resistência Superficial Externa, que varia com a velocidade do vento. De forma simplificada pode ser adotada como: Rse Rse = 0,04 m= 0,04 m²²K/WK/W TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS OPACOS 1a FASE: Troca de calor com o meio exterior A) Radiação: A radiação incidente terá uma parcela refletida e outra absorvida. α+ ρ= 1 Sendo α = absortância e ρ = refletividade. Conforto Ambiental__________________________________Profª Cynthia Marconsini FECHAMENTOS OPACOS 1ª FASE: TROCA DE CALOR COM O MEIO EXTERIOR: Radiação e Convecção A) Radiação A radiação incidente terá uma parcela refletida e outra absorvida. + = 1, sendo = absortividade e p = refletividade. B) Convecção O ar que atravessa a superfície externa proporcinará uma Resistência Superficial Externa, que varia com a velocidade do vento. De forma simplificada pode ser adotada como: Rse Rse = 0,04 m= 0,04 m²²K/WK/W TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS OPACOS 1a FASE: Troca de calor com o meio exterior B) Convecção: O ar que atravessa a superfície externa proporcionará uma Resistência Superficial Externa, que é função da velocidade do vento. De forma simplificada, adota-se: Rse = 0,04 [m2K/W] TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS OPACOS 2a FASE: Troca de calor através do fechamento (Sem câmara de ar) Condução: Com a elevação da temperatura da superfície externa, haverá um diferencial de temperatura entre esta e a interna Troca de calor. A intensidade do fluxo de calor depende da Resistência Térmica (R) do material que está relacionada a dois fatores: R=L/ λ [m2K/W] Sendo L = espessura e λ = condutividade térmica. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS OPACOS Condutividade térmica do material (λ): Capacidade do material de conduzir mais ou menos calor num dado intervalo de tempo. Para uma mesma espessura e diferença de temperatura, quanto maior a condutividade, maior será o fluxo de calor. Conforto Ambiental__________________________________Profª Cynthia Marconsini FECHAMENTOS OPACOS 2ª FASE: TROCA DE CALOR ATRAVÉS DO FECHAMENTO. Sem Câmara de ar • Condução Com a elevaçãoda temperatura da superfície externa, haverá um diferencial de temperatura entre esta e a interna – troca de calor. A intensidade do fluxo de calor depende da resistência térmica (R) do material que está relacionado a dois fatores: R=L/ (m²K/W) a)Condutividade Térmica do material ( ): capacidade do material de conduzir maior ou menos quantidade de calor por unidade de tempo. Quanto maior a condutividade, maior será o fluxo de calor. b)Espessura do fechamento (L): quanto maior a espessura, maior será a resistência térmica. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS OPACOS Espessura do fechamento (L): variável importante nesse processo quanto maior a espessura, maior será a resistência térmica. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS OPACOS 2a FASE: Troca de calor através do fechamento (Com câmara de ar) Se o fechamento possuir uma camada de ar, além da condução haverá radiação e convecção. Comportamento semelhante ao que ocorre na 3ª FASE, conforme será tratado a seguir. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS OPACOS 3a FASE: Troca de calor com o meio interior A) Radiação: Depende da emissividade do material. Emissividade (ε): é uma característica da superfície do material e representa a quantidade de energia térmica emitida por unidade de tempo. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS OPACOS 3a FASE: Troca de calor com o meio interior B) Convecção: O ar que atravessa a superfície externa proporcionará uma Resistência Superficial Interna (Rsi). Conforto Ambiental__________________________________Profª Cynthia Marconsini FECHAMENTOS OPACOS 3ª FASE: TROCA DE CALOR COM O MEIO INTERIOR • Radiação Depende da emissividade • Convecção O ar que atravessa a superfície externa proporcionará uma Resistência Superficial Interna (RsiRsi)). Conclusão: Cada camada do fechamento tem uma resistência térmica. A soma das resistências térmicas é a resistência térmica total. Transmitância térmica (U): inverso da resistência térmica. Conforto Ambiental__________________________________Profª Cynthia Marconsini FECHAMENTOS OPACOS 3ª FASE: TROCA DE CALOR COM O MEIO INTERIOR • Radiação Depende da emissividade • Convecção O ar que atravessa a superfície externa proporcionará uma Resistência Superficial Interna (RsiRsi)). Conclusão: Cada camada do fechamento tem uma resistência térmica. A soma das resistências térmicas é a resistência térmica total. Transmitância térmica (U): inverso da resistência térmica. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS OPACOS Conclusão Cada camada do fechamento tem uma resistência térmica. A soma das resistências térmicas é a resistência térmica total. Transmitância térmica (U): inverso da resistência térmica. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA Transmitâncias térmicas de algumas soluções construtivas (LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA, 2004). TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS TRANSPARENTES Nos fechamentos transparentes ocorrem as seguintes trocas térmicas: Condução Convecção Radiação TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS TRANSPARENTES Condução e Convecção A condução e a convecção ocorrem semelhantemente aos fechamentos opacos. Porém existe a possibilidade de controlar a troca de ar, ao abrir e fechar as aberturas (janelas) Conforto Ambiental__________________________________Profª Cynthia Marconsini FECHAMENTOS TRANSPARENTES Nos fechamentos transparentes ocorrem as seguintes trocas térmicas: •• ConduConduçãçãoo •• ConvecConvecçãçãoo •• RadiaRadiaçãçãoo A condução e a convecção ocorre semelhantemente aos fechamentos opacos. Porém existe a possibilidade de controlar a troca de ar, ao abrir e fechar o fechamento (janelas) A RADIAÇÃO é o principal fator no ganho térmico devido à sua parcela diretamente transmitida para o interior e que depende da transmitância ( ) do vidro. Principais variáveis que podem alterar o porte de calor pela aberturas: •• OrientaOrientaçãção de tamanho da aberturao de tamanho da abertura •• Tipo de vidroTipo de vidro •• Uso de proteUso de proteçãção solar externa ou internao solar externa ou interna TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS TRANSPARENTES Radiação É o principal fator no ganho térmico devido à parcela diretamente transmitida para o interior e que depende da transmitância (δ) do vidro. Principais variáveis que podem alterar o ganho de calor pela aberturas: Orientação e tamanho da abertura; Tipo de vidro; Uso de proteção solar externa ou interna. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS TRANSPARENTES Orientação e tamanho dos fechamentos transparentes Determina a exposição da abertura ao sol Quanto maior a abertura maior a quantidade de calor que entra ou sai do ambiente. A orientação da fachada, pode expor a abertura à quantidade de calor e luz solar distintas Deve-se pensar a luz e o calor de forma integrada. A trajetória solar é diferente para cada orientação e latitude. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS TRANSPARENTES Tipo de vidro Propósitos na escolha do vidro: Admitir ou bloquear a luz solar; Admitir ou bloquear o calor solar; Permitir ou bloquear as trocas de calor do interior com o exterior; Permitir o contato visual do exterior com o interior. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS TRANSPARENTES Tipo de vidro Vidros: possuem alta transmitância térmica são bons condutores de calor. A radiação solar incidente em um vidro pode ser ABSORVIDA, REFLETIDA e TRANSMITIDA. A parcela absorvida se converte em calor e pode ser reemitida tanto para o exterior quanto para o interior na forma de radiação de onda longa. Conforto Ambiental__________________________________Profª Cynthia Marconsini FECHAMENTOS TRANSPARENTES TIPO DE VIDRO Propósitos na escolha do vidro • Admitir ou bloquear a luz solar • Admitir ou bloquear o calor solar • Permitir ou bloquear as trocas de calor do interior com o exterior • Permitir o contato visual do exterior com o interior Vidros: possuem alta transmitância térmica – bons condutores de calor • A radiação solar incidente em um vidro pode ser ABSORVIDA, REFLETIDA E TRANSMITIDA. A parcela absorvida se converte em calor e pode ser reemitida tanto para o exterior quanto para o interior na forma de radiação de onda longa. + + =1 α+ρ+δ=1 Conforto Ambiental__________________________________Profª Cynthia Marconsini FECHAMENTOS TRANSPARENTES FATOR SOLAR O fator solar de um fechamento transparente é a razão entre a quantidade de radiação solar que atravessa (incluindo tanto a transmitida diretamente, quanto a reemitida com a absorção pelo vidro) a janela pelo que nela incide. Varia com o ângulo de incidência do sol e com o tipo de vidro. Valores de fator solar (Fs) para diferentes tipos de fechamentos transparentes TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS TRANSPARENTES Tipo de vidro – Fator solar O fator solar de um fechamento transparente é a razão entre a quantidade de radiação solar que atravessa a janela (incluindo tanto a transmitida diretamente, quanto a reemitida com a absorção pelo vidro) pelo que nela incide. Varia com o ângulo de incidência do sol e com o tipo de vidro. TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURATROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS TRANSPARENTES Tipo de vidro – Fator solar Valores de fator solar (Fs) para diferentes tipos de fechamentos transparentes: Conforto Ambiental__________________________________Profª Cynthia Marconsini FECHAMENTOS TRANSPARENTES FATOR SOLAR O fator solar de um fechamento transparente é a razão entre a quantidade de radiação solar que atravessa (incluindo tanto a transmitida diretamente, quanto a reemitida com a absorção pelo vidro) a janela pelo que nela incide. Varia com o ângulo de incidência do sol e com o tipo de vidro. Valores de fator solar (Fs) para diferentes tipos de fechamentos transparentes TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS TRANSPARENTES Uso de proteções solares A utilização de elementos sombreadores reduz o fator solar da abertura, portanto reduz a quantidade de radiação solar que atravessa a abertura. Valores de fator solar (Fs) para aberturas com diferentes tipos de proteções solares (LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA, 2004). TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA TROCAS TÉRMICAS EM FECHAMENTOS TRANSPARENTES Cálculo do fluxo térmico em uma superfície transparente Temos então dois fluxos de calor em um vidro: 1. Fluxo de calor por condução. 2. Ganho solar pelo vidro devido à radiação solar. Logo o fluxo térmico total por m2 será: Para achar o fluxo térmico total da abertura multiplica-se o valor encontrado pela área da abertura: Qc = U (te – ti) Qs = Fs. I Qft = Qc + Qs QT = Qft.A U = transmitância térmica do vidro [W/m2 K] te = temperatura externa ti = temperatura interna Fs = Fator solar do vidro I = Radiação solar incidente [W/m2] TROCAS TÉRMICAS EM ARQUITETURA INÉRCIA TÉRMICA É a capacidade que os corpos têm de permanecer no estado em que se encontram. Em conforto térmico, utiliza-se este conceito para indicar uma persistência da temperatura! OUTROS CONCEITOS BÁSICOS O amortecimento e o atraso da onda de calor, devido ao aquecimento ou resfriamento dos materiais, compõem a inércia térmica. INÉRCIA TÉRMICA É função da espessura, densidade, condutividade térmica e calor específico da parede. OUTROS CONCEITOS BÁSICOS Calor específico: quantidade de calor necessária para fazer elevar de uma unidade de temperatura a sua unidade de massa (J/KgoC) expressa a capacidade calorífica da parede. O conhecimento sobre propriedades térmicas dos materiais permite maior domínio do arquiteto sobre os comportamentos do edifício quanto à influência do clima, capacitando-o a escolher corretamente os materiais a empregar no edifício (LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA, 2004; CORBELLA; YANNAS, 2003). O Centro de Informática da Universidade Católica de Santiago, Chile, é formado por um volume interior – uma estrutura de concreto com fechamento de placas cimentícias – e um volume exterior de vidro, construído com tecnologia usual, separado do outro, e com aberturas na base e no topo. Considerando essa solução do ponto de vista do conforto ambiental, constata-se que: a) a pele exterior confere ao edifício uma aparência moderna e adequada ao seu programa, sendo o conforto ambiental secundário neste projeto. b) a combinação de fachada de vidro com aberturas nos seus extremos gera circulação de ar no interior do edifício, propiciando conforto ambiental. c) a utilização de uma cortina de vidro como solução de fachada significa, em si, uma construção cara e deficiente para o conforto ambiental. d) a criação dos dois volumes foi uma decisão puramente formal e nada tem a ver com questões de conforto ambiental. e) o mais adequado para o conforto ambiental teria sido inverter a posição dos dois volumes, passando a fachada de vidro a ser protegida pelas placas cimentícias. PARA DISCUTIR – ENADE 2008 VAMOS PRATICAR… EXERCÍCIOS 1. As trocas térmicas entre dois materiais, ou corpos, acontecem devido a dois fatores físicos. Quais são eles? 2. As trocas térmicas podem ser classificadas em úmidas ou secas. Cite as formas de trocas térmicas relacionadas a cada uma delas. 3. Cite e explique 2 formas de trocas térmicas secas. Para cada uma delas, dê um exemplo de aplicação em Arquitetura. 4. Cite e explique 2 formas de trocas térmicas úmidas. Para cada uma delas, dê um exemplo de aplicação em Arquitetura. 5. Escreva sobre a relação existente entre a inércia térmica e a condutividade de um material qualquer. 6. As trocas térmicas que acontecem em um fechamento opaco podem ser divididas em 3 fases. Explique o que ocorre em cada fase e quais são as suas principais variáveis de influência, resultantes das decisões arquitetônicas. 7. Considerando as trocas térmicas em fechamentos transparentes, qual é o principal fenômeno responsável pelo ganho de calor e quais as suas variáveis de influência? 8. Considere um escritório que será dividido por uma divisória cega de 35mm de espessura do piso ao teto. O arquiteto possui 2 opções para o enchimento interno: lã de rocha, de condutividade térmica = 0,045 W/m.k; e uma espuma rígida de poliuretano extrudado, de condutividade térmica = 0,030 W/m.k. Considerando que os dois enchimentos têm a mesma espessura, qual deles proporcionará maior isolamento térmico? Justifique. REFERÊNCIAS CORBELLA, Oscar; YANNAS, Simos. Em Busca de uma Arquitetura Sustentável para os Trópicos: Conforto Ambiental. Rio de Janeiro: Revan, 2003. FROTA, Anésia Barros; SCHIFFER, Sueli Ramos. Manual de conforto térmico. 8. ed. São Paulo: Studio Nobel, 2009 e edições anteriores. LAMBERTS, Roberto; DUTRA, Luciano; PEREIRA, Fernando O. R. Eficiência Energética na Arquitetura. 2. ed. rev. São Paulo: ProLivros, 2004.
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