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TÉRMICA Conforto Térmico - 1 - ◦ Conforto térmico ◦ TÉRMICA Conforto Térmico - 2 - onforto Térmico C INTRODUÇÃO PRODUÇÃO DE CALOR PELO CORPO HUMANO O ciclo de atividades humanas diárias compreende estados de atividade, fadiga e recuperação. É essencial para o homem a recuperação da mente e do corpo, através de recreação, repouso e sono, para contrabalançar a fadiga mental e física resultante das atividades diárias. Este ciclo pode ser, e freqüentemente é, impedido por condições climáticas desfavoráveis e o stress resultante causa desconforto, perda de eficiência e pode, finalmente, conduzir a um colapso na saúde do indivíduo. O efeito do clima sobre o homem é, portanto, um fator de considerável importância. O desafio que se coloca para o projetista é o de criar as melhores condições de clima interior possível, já que é impossível regular as condições exteriores. Os ocupantes de uma edificação julgam a qualidade do projeto, tanto do ponto-de-vista físico, quanto emocional. As sensações acumuladas de bem-estar ou desconforto contribuem para o nosso veredicto completo a respeito da casa onde vivemos, como da casa, escritório ou fábrica onde trabalhamos. A tarefa do projetista é, pois, de lutar para conseguir o conforto total ótimo, que pode ser definido como a sensação de completo bem-estar físico e mental. Informações significativas foram acumuladas no lado físico, mas muito menos relativamente aos aspectos psicológicos concernentes ao ambiente que nos cerca. Os critérios de conforto total apoiam-se em cada um dos sentidos humanos. Os parágrafos seguintes, embora mencionando relações subjetivas concernentes aos aspectos psicológicos, enfatizarão o conforto térmico humano, que se constitui no problema dominante em países de clima tropical. O interesse no estabelecimento de critérios de conforto térmico remonta, na Europa, ao início do século XIX, iniciando com um movimento para modificar as condições existentes na indústria e em habitações. Critérios básicos de aquecimento foram inicialmente estabelecidos, tendo em vista os acidentes e doenças causadas pelo calor e umidade, nas indústrias de mineração, metalurgia e têxteis. A resposta humana ao ambiente térmico não depende tão somente da temperatura do ar. Já está perfeitamente estabelecido que a temperatura do ar, a umidade, a radiação solar e a movimentação do ar produzem efeitos térmicos e precisam ser considerados simultaneamente na predição das respostas humanas. Para a apreciação do efeito destes elementos climáticos, torna-se necessário examinar brevemente os processos térmicos básicos do corpo humano. O corpo humano está continuamente produzindo calor. A maioria dos processos bioquímicos envolvidos em trabalhos de construção de tecidos, conversão de energia e trabalho muscular são exotérmicos, isto é, produtores de calor. Todo o material e energia necessários ao corpo são supridos através do consumo e digestão de alimentos. Os processos envolvidos na conversão do alimento em matéria viva e em formas úteis de energia são conhecidos como metabolismo. A produção total de calor através do metabolismo pode ser dividida em metabolismo basal, isto é, os processos automáticos de produção de TÉRMICA Conforto Térmico - 3 - PERDAS DE CALOR PELO CORPO HUMANO muscular, que é a produção de calor pelos músculos quando desenvolvendo trabalho conscientemente controlado. Da energia total produzida no corpo, somente 20% é utilizada, sendo que os restantes 80% representam calor adicional, que precisa ser dissipado para o ambiente. Este excesso de produção de calor varia com a taxa de metabolismo e depende da atividade sendo desenvolvida pelo ser humano. A temperatura interna do corpo humano precisa ser mantida em equilíbrio em torno de 37ºC. Para que o corpo humano permaneça a esta temperatura, todo o calor adicional precisa ser dissipado para o ambiente que o circunda. Em caso de haver alguma forma de ganho simultâneo de calor, a partir do ambiente (por exemplo, de radiação solar ou do ar aquecido), este também precisará ser dissipado. O corpo humano pode liberar calor para o ambiente que o circunda por convecção, radiação e evaporação - em escala menor, por condução. Figura 1. As trocas de calor do corpo humano A convecção se processa através da transmissão de calor para o ar em contato com a pele ou vestimenta, que então se eleva e é substituído por ar mais frio. A taxa de perdas de calor por convecção é incrementada quando ocorrem taxas mais elevadas de movimentação do ar, ou uma temperatura do ar mais baixa ou uma temperatura de pele mais elevada. As perdas de calor por radiação dependem da temperatura da superfície corporal e da temperatura das superfícies orientadas para a primeira. As perdas de calor por evaporação são governadas pela taxa de evaporação, que, por seu turno, depende da umidade do ar (quanto mais seco o ar, mais rápida é a evaporação) e da quantidade de umidade disponível para evaporação. A evaporação se processa nos pulmões através do processo de respiração, e na pele na forma de transpiração imperceptível e suor. A condução depende da diferença de temperatura entre a superfície do corpo humano e o objeto com o qual este está em contato. TÉRMICA Conforto Térmico - 4 - MECANISMOS DE CONTROLE O balanço térmico do corpo humano é mostrado pela Figura 2 e pode ser expresso por meio de uma equação. Se os fatores de ganho e perda de calor são: Ganhos: Met = metabolismo (basal e muscular) Cnd = condução (contato com corpos quentes) Cnv = convecção (quando o ar está mais quente que a pele) Rad = radiação (proveniente do sol, céu e corpos quentes) Perdas: Cnd = condução (contato com corpos frios) Cnv = convecção (quando o ar está mais frio que a pele) Rad = radiação (para o céu noturno e superfícies frias) Evp = evaporação (de umidade e suor) o equilíbrio térmico ocorrerá quando: Met - Evp ± Cnd ± Cnv ± Rad = 0 Figura 2. O balanço térmico do corpo humano. Tão logo esta soma seja maior que zero, ajustes vasomotores serão iniciados de modo a incrementar a circulação de sangue junto à pele, aumentar o transporte de calor para a superfície do corpo e elevar a temperatura da pele - acelerando todas as formas de dissipação de calor. De modo inverso, se a equação acima apresentar um resultado negativo, a circulação de sangue junto à pele é reduzida, a temperatura da pele sofre redução e os processos de dissipação de calor são diminuídos. No caso de a regulação vasomotora ser ainda insuficiente, com continuidade de superaquecimento, será iniciada a produção de suor. A taxa de suor pode variar de 20 g/h a 3 kg/h durante períodos de esforço físico combinado com efeitos resultantes de ambientes aquecidos.Em um ambiente frio, se o subaquecimento continuar apesar do ajuste vasomotor, poderão ocorrer tremores violentos, que podem provocar um acréscimo de até dez vezes na produção de calor metabólico (por curtos períodos). Ajustes endócrinos, processando-se ao longo de períodos mais longos, constituem o que se denomina de aclimatação. Estes podem envolver mudanças na quantidade de calor produzido por metabolismo basal, TÉRMICA Conforto Térmico - 5 - FATORES AMBIENTAIS AFETANDO O CONFORTO TÉRMICO FATORES HUMANOS AFETANDO O CONFORTO TÉRMICO um acréscimo na quantidade de sangue (para produzir e manter uma vaso-dilatação constante) e um incremento na taxa de suor. Há uma série de fatores ambientais que influenciam nos processos de transferência de calor, entre o corpo humano e o ambiente no qual este se encontra, e que são determinantes da sensação de conforto térmico. O primeiro destes é a temperatura ambiental no qual o corpo se encontra. Devido a diferenças entre as trocas de calor por radiação e convecção, duas temperaturas devem ser levadas em conta. A primeira é a temperatura do ar, que representa a temperatura do meio fluido em contato com o corpo. A segunda é a temperatura média radiante, que representa o efeito combinado de todas as superfícies visíveis pelo corpo, que podem estar a uma temperatura diversa da do corpo r e que contribuem para a sensação de conforto ou desconforto. O segundo fator ambiental é a umidade relativa (ou percentagem de saturação do ar), que se constitui na relação entre o nível de umidade do ar e o seu valor máximo, este dependente da temperatura do ar. A umidade relativa afeta as perdas de calor por evaporação, particularmente devido à secreção de suor. O terceiro fator ambiental está relacionado ao movimento de ar e é medido pela velocidade relativa média do ar. A movimentação do ar afeta tanto as perdas de calor por convecção, como por evaporação. Assim, existem quatro parâmetros ambientais a serem considerados: temperatura do ar, temperatura média radiante, umidade do ar e velocidade relativa do ar. Em adição aos quatro parâmetros ambientais recém discutidos, dois fatores adicionais, relacionados ao homem, também tem uma participação importante na sensação de conforto. Estes fatores humanos são: o nível de atividade e o nível de vestimenta. O nível de atividade é uma medida do que o corpo está fazendo - correr escada acima, obviamente requer mais energia do que permanecer sentado. A expressão do nível de atividade, em termos de consumo de energia, é feita na unidade Watt e caracterizada como taxa metabólica. Considerando-se que um indivíduo grande geralmente consome uma quantidade de energia maior do que um indivíduo menor, para realizar o mesmo tipo de atividade, optou-se por expressar a taxa de metabolismo em termos da área corporal superficial (W/m2). Adicionalmente, uma outra unidade met, também é utilizada para expressar a taxa metabólica: 1 met representa o nível de atividade de uma pessoa sentada, descansando, com uma taxa metabólica de, aproximadamente, 58 W/m2. A baixa eficiência de conversão de energia pelo corpo humano implica que quase toda a energia da taxa metabólica resulta em calor, o qual precisa ser dissipado para o ambiente. A Tabela 1 fornece alguns exemplos de taxas metabólicas associadas com certas atividades. TABELA 1. Exemplos de taxas metabólicas (M) Atividade Met W/m2 Deitado 0,8 47 Sentado, quieto 1,0 58 Atividade sedentária (escritório, escola) 1,2 70 De pé, relaxado 1,2 70 TÉRMICA Conforto Térmico - 6 - PERDAS DE CALOR EM DIFERENTES AMBIENTES TÉRMICOS Atividade leve (fazendo compras) 1,6 93 Atividade média (trabalho doméstico) 2,0 117 Atividade intensa (trabalho pesado) 3,0 175 O nível de vestimenta também é importante na definição do conforto térmico - quanto maior a quantidade de roupas, maior o isolamento em torno do corpo e menores as perdas de calor. As propriedades isolantes das vestimentas podem se encontradas de três maneiras: - medindo o seu efeito em um indivíduo; - medindo o seu efeito em um manequim; - medindo o isolamento de cada peça individual e adicionando-os para o corpo inteiro. TABELA 2. Níveis de isolamento de vestimentas Vestimenta clo m2ºC/W Corpo nu 0 0 Shorts 0,1 0,016 Traje tropical 0,3 0,047 Roupas leves de verão 0,5 0,078 Traje típico de trabalho, em ambiente interno 0,8 0,124 Traje de inverno em ambiente interno 1,0 0,155 Traje executivo reforçado 1,5 0,233 Traje de inverno para ambientes frios 3,0 0,465 Usualmente, os níveis de vestimenta são apresentados em termos do efeito global de trajes típicos, expressos em unidades de resistência ao fluxo de calor (m2ºC/W). Freqüentemente é usado o valor de clo, onde 1 clo é o isolamento (resistência) oferecida por uma vestimenta típica em condições ambientais interiores no inverno (= 0,155 m2ºC/W). A Tabela 2 mostra o efeito de isolamento conjunto de alguns trajes. Na classificação de climas tropicais, foi assinalada a importância de quatro fatores básicos que afetam diretamente o conforto humano: temperatura do ar, umidade, movimentação do ar e radiação. A importância destes fatores é óbvio: cada um deles influencia de algum modo os processos de troca de calor entre o corpo humano e o seu ambiente; cada um deles pode auxiliar ou impedir a dissipação de calor adicional produzido pelo corpo humano. Por exemplo, uma temperatura de ar elevada se constitui em um obstáculo definido para a dissipação de calor por convecção (ela pode até mesmo determinar um ganho de calor, quando o ar for mais quente que a pele), e simultaneamente, uma umidade elevada pode impedir perdas de calor por evaporação. Os parágrafos seguintes examinarão a maneira pela qual cada uma destas quatro variáveis climáticas afetam os processos de dissipação de calor pelo corpo humano, para diferentes condições ambientais. TÉRMICA Conforto Térmico - 7 - CONDIÇÕES DE AR MODERADAMENTE QUENTE E CALMO + UMIDADE MODERADA CONDIÇÕES DE AR QUENTE E RADIAÇÃO CONDIÇÕES DE AR QUENTE, RADIAÇÃO E APRECIÁVEL MOVIMENTAÇÃO DO AR Em um clima temperado, em ambientes interiores, quando a temperatura do ar está em torno de 18ºC, estando o ar calmo, isto é, a velocidade do ar não excedendo a 0,25 m/s, e estando a umidade do ar compreendida entre 40 e 60%, uma pessoa que esteja envolvida em trabalho sedentário dissipará o excesso de calor, sem qualquer dificuldade, segundo as seguintes rotas: - por radiação 45% -por convecção 30% - por evaporação 25% admitindo-se que as temperaturas das superfícies envolvendo o ambiente sejam aproximadamente equivalentes a do ar ambiente. Em condições normais, a temperatura da pele humana oscila entre 31 e 34 ºC. À medida que a temperatura do ar se aproxima da temperatura da pele, as perdas de calor por convecção diminuem gradualmente. A regulaçãovasomotora aumentará a temperatura da pele até o limite superior (34ºC), mas quando a temperatura do ar atinge este ponto, deixa de haver perda de calor por convecção. Enquanto a temperatura média das superfícies circundantes se mantiver abaixo da temperatura da pele, ocorrerá alguma perda de calor por radiação, no entanto à medida que a temperatura das superfícies for aumentando, haverá diminuição das perdas de calor por radiação. O calor radiante, com origem no sol ou em um corpo quente - um radiador ou uma lareira - pode se constituir em um fator de ganho de calor substancial. Enquanto tantos os elementos convectivos e radiantes, integrantes do processo de troca de calor, forem positivos, o equilíbrio térmico corporal será mantido por evaporação (mas somente por evaporação) até um determinado limite, desde que o ar seja suficientemente seco para permitir uma alta taxa de evaporação. Quando o ar for quente (com temperatura igual ou superior à da pele), tal que o fator convecção seja positivo, quando a temperatura das superfícies envolventes for elevada ou exista uma fonte substancial de calor radiante, de modo que o fator radiante seja também positivo, e quando o ar for úmido (mas com menos de 100% de umidade relativa), a movimentação do ar acelerará a evaporação, assim aumentando a dissipação de calor, mesmo quando a temperatura do ar circulante seja superior à temperatura da pele. Este mecanismo ocorre da seguinte forma: se o ar tiver uma umidade relativa de, aproximadamente 90%, ele absorverá alguma umidade da pele por evaporação, mas a fina (1 a 2 cm) camada de ar em contato imediato com a pele breve se tornará saturada e este ar saturado impedirá qualquer evaporação adicional da pele. O ar circulante removerá este envelope de ar saturado, de tal maneira a possibilitar a continuidade do processo de evaporação. Estima-se que, para pressões de vapor acima de 2000 N/m2, cada incremento de 1 m/s na velocidade do ar compensará o acréscimo de 300 N/m2 na pressão de vapor. No instante em que o ar estiver completamente saturado e mais quente que a pele, a movimentação do ar apenas aumentará a sensação de desconforto e o ganho de calor. Felizmente, tais condições são raramente encontradas na natureza. Mesmo em regiões quente- úmidas, as umidades mais elevadas ocorrem quando a temperatura do ar está abaixo da temperatura da pele, enquanto que as temperaturas mais elevadas são acompanhadas por umidades moderadas. TÉRMICA Conforto Térmico - 8 - CONDIÇÕES DE AR PARADO SATURADO, ACIMA DA TEMPERATURA DO CORPO EFEITOS DE UMA EXPOSIÇÃO PROLONGADA VARIÁVEIS SUBJETIVAS Consideremos uma situação onde a temperatura do ar e a temperatura das superfícies circundantes estejam acima da temperatura da pele (acima de 34ºC), onde não ocorra qualquer movimentação apreciável de ar (menos de 0,25 m/s) e onde a umidade relativa esteja próxima de 100%. A sudação será intensa, mas não ocorrerá evaporação. Haverá ganho de calor por convecção e radiação. Assim, por menor que seja a produção metabólica de calor, todos os elementos na equação de balanço térmico serão positivos. A temperatura do corpo começará a crescer, e quando a temperatura interna do corpo humano for acrescida de 2, ou, no máximo, 3ºC, o corpo humano entrará em colapso térmico. Este constitui-se em uma falha de circulação, seguida por um rápido crescimento na temperatura interna do corpo humano. Quando esta atinge 41ºC, o corpo entra em como e a morte é iminente. Quando a temperatura interna atinge 45ºC, a morte é irreversível. Tais condições são muito raras na natureza, mas ocorrem facilmente no interior de edificações mal projetadas e se não houver um controle adequado pelos recursos (estruturais, ventilação, sombreamento) disponíveis. Mesmo que as condições não sejam tão ruins para produzir tais efeitos drásticos imediatos, a exposição prolongada à condições de desconforto pode resultar em efeitos adversos. Mesmo que os mecanismos de controle fisiológico possam manter a vida (por exemplo, através de uma constante taxa elevada de sudação e permanente vaso-dilatação), haverá uma considerável perda de eficiência de trabalho, associada com desgaste físico. Fatores que poderiam proporcionar alívio imediato, tais quais uma velocidade de vento elevada, podem eles próprios constituir causa de irritação e desconforto, quando ocorrentes por períodos prolongados. Condições que são perfeitamente confortáveis podem produzir efeitos adversos se constantes, quando não ocorrerem quaisquer mudanças por períodos prolongados. Uma das necessidades humanas básicas é a mudança e a variação, um fato que foi ignorado por pesquisadores por certo tempo. Este ponto se torna particularmente sensível em ambientes controlados mecanicamente, como em edificações com sistemas de ar condicionado central, onde as condições ambientais podem ser, e freqüentemente são, mantidas constantes dentro de limites muito próximos. O que o projetista deve almejar é uma faixa de condições de conforto, dentro da qual variações mais amplas sejam possíveis. Felizmente, em edificações sem controles ambientais mecânicos, tais variações podem ser produzidas pela variação diária dos elementos climáticos. A sensação de conforto ou desconforto depende, fundamentalmente, das quatro variáveis discutidas anteriormente. As preferências térmicas, no entanto, são influenciadas por vários fatores subjetivos ou individuais. A vestimenta pode variar a critério do indivíduo. Uma pessoa vestindo um traje executivo normal e roupas íntimas de algodão vai exigir uma temperatura aproximadamente 9ºC inferior do que um corpo nu. A aclimatação já foi referida no item 4. Se exposto a um novo conjunto de condições climáticas, o corpo humano alcançará um ajuste completo em aproximadamente 30 dias e ao final deste período as preferências TÉRMICA Conforto Térmico - 9 - BIBLIOGRAFIA QUESTIONÁRIO térmicas do indivíduo terão mudado. Uma pessoa em Londres pode preferir uma temperatura interior média de 18ºC, mas após passar alguns meses em Salvador, pode achar a mesma temperatura muito fria, preferindo uma temperatura em torno de 25ºC. Idade e sexo podem influenciar as preferências térmicas: o metabolismo da pessoa idosa é mais lento, assim ela normalmente prefere temperaturas mais elevadas. A mulher também possui uma taxa metabólica levemente mais lenta que a do homem; a sua preferência, em média, se dá por temperaturas 1ºC acima daquelas preferidas por pessoas do sexo masculino. O formato do corpo, isto é, a relação superfície/volume, também exerce influência. Uma pessoa magra e alta possui uma superfície corporal específica muito superior a de uma pessoa baixa e corpulenta de mesmo peso, e pode dissipar mais calor, tolerando temperaturas mais elevadas. A gordura subcutânea, isto é, a gordura sob a pele, constitui um excelente isolante térmico. Uma pessoa gorda necessita um ambiente mais frio para dissipar a mesma quantidade de calor. O estado de saúde também influencia nas exigências térmicas. Em pessoas doentes a taxa de metabolismo pode crescer, mas o funcionamento apropriado dos mecanismos de regulação pode estar alterado. A faixa de temperaturas toleráveis pode ser mais estreita. Comidase bebidas de determinados tipos podem afetar a taxa de metabolismo, o que, inclusive, pode explicar a diferença em dietas entre povos que vivam em climas tropicais e árticos. A coloração da pele pode influenciar nos ganhos de calor por radiação. Foi demonstrado que a pele mais clara reflete aproximadamente três vezes mais a radiação solar que a pele mais escura. A pele clara, entretanto, é substancialmente mais vulnerável à queimaduras de pele, úlceras, câncer e outros danos causados pelo sol. A pele escura contém uma quantidade apreciavelmente maior do pigmento melanina, o qual previne a penetração dos danosos raios ultravioleta. A pele escura também aumenta a emissão de calor pelo corpo na mesma proporção que afeta a absorção. Assim, a cor da pele não exerce efeito sobre as preferências térmicas, mas é mais resistente aos efeitos danosos dos raios solares. KOENIGSBERGER, O.H., INGERSOLL, T.G., MAYHEW. A. e SZOKOLAY, S.V. Manual of Tropical Housing and Building. Part 1, Climatic Design. Longman, London. 1980. PITTS, A.C. Notas de aula. Universidade de Sheffield, Sheffield. 1985. 1. Quais são os fatores ambientais a afetar o conforto térmico? Comente um deles 2. Que formas de dissipação de calor podem ser empregadas pelo corpo humano? De que fatores depende cada uma delas? 3. Escreva a equação de balanço térmico para o corpo humano e identifique as variáveis que compõem a equação. 4. Qual a diferença entre metabolismo basal e metabolismo muscular? 5. . Quais são os fatores humanos a afetar o conforto térmico? Comente um deles. 6. Comente sobre os processos de dissipação de calor pelo corpo humano, para uma condição ambiental de ar parado saturado, acima da temperatura do corpo. TÉRMICA Conforto Térmico - 10 -
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