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Desempenho Térmico de edificações Aula 2: Conforto Térmico PROFESSOR Roberto Lamberts ECV 5161 UFSC FLORIANÓPOLIS e stru tu ra 2 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico cálculo + modelos + normas variáveis + humanas + ambientais + outras 42 d e fin ição 3 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico ”conforto térmico é o estado da mente que expressa satisfação do homem com o ambiente térmico que o circunda”. ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers) 42 d e fin ição 4 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico A insatisfação com o ambiente térmico pode ser causada pela sensação de desconforto por calor ou frio quando o balanço térmico não é estável, ou seja, quando há diferenças entre o calor produzido pelo corpo e o calor perdido para o ambiente 42 d e fin ição 5 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Neutralidade térmica: Estado físico no qual todo o calor gerado pelo organismo através do metabolismo é trocado na mesma proporção com o ambiente ao redor, não havendo nem acúmulo de calor, nem perda excessiva do mesmo, mantendo a temperatura corporal constante neutralidade térmica é uma condição necessária mas não suficiente para que uma pessoa esteja em conforto térmico. Um indivíduo que estiver exposto a um campo assimétrico de radiação, pode muito bem estar em neutralidade térmica, porém não estará em conforto térmico Conforto térmico Neutralidade térmica 42 d e fin ição 6 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Fatores pelos quais os estudos de conforto térmico são importantes: 1. A satisfação do homem permitindo-lhe se sentir termicamente confortável 2. A performance humana: As atividades intelectuais, manuais e perceptivas, geralmente apresentam um melhor rendimento quando realizadas em conforto térmico 3. A conservação de energia: Ao conhecer as condições e os parâmetros relativos ao conforto térmico dos ocupantes do ambiente, evitam-se desperdícios com aquecimento e refrigeração, muitas vezes desnecessários. 42 variáve is – cálcu lo 7 variáveis de conforto Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico variáveis humanas MET: Metabolismo CLO: Vestimenta variáveis ambientais Tar: Temperatura do ar Trad: Temp. radiante ½ Vel: Velocidade do ar RH: Umidade relativa do ar Outras... Idade Raça Hábitos alimentares Altura Sexo Etc.. 42 V A R IÁ V EI S D E C O N FO R TO - H U M A N A S + A temperatura interna do corpo humano é praticamente constante , variando aproximadamente de 36 a 37° 8 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico A quantidade de calor liberado pelo organismo ocorre em função da atividade desenvolvida. Este calor será dissipado através de mecanismos de trocas térmicas entre o corpo e o ambiente envolvendo: . MET . CLO - Trocas secas: condução, convecção, radiação. (calor sensível) - Trocas úmidas: evaporação. Respiração e Transpiração (calor latente) 42 SI ST EM A T ER M O R R EG U LA D O R H U M A N O + 9 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Diagrama da regulação térmica humana autônoma e comportamental Adaptado de:Hensen (1991) • Variável controlada: valor integrado de temperaturas internas (próximas do sistema nervoso central e núcleo) e as temperaturas da pele. • Sistema controlado: influenciado pela temperatura interna (geração interna de calor/metabolismo) e externa (calor ou frio originado pelo ambiente). • As perturbações na temperatura de um ambiente são rapidamente detectadas pelos termorreceptores da pele. 42 10 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico 31° C 35° C 37° C 39° C 43° C Te m p er at u ra C o rp o ra l Acima de 43°C – Situação Letal Acima de 39°C – Ocorre a perda da eficiência no trabalho Acima de 37°C – Inicia-se o fenômeno do suor Abaixo de 36°C – Inicia-se o reflexo de arrepio Abaixo de 35°C – Ocorre a perda da eficiência no trabalho Abaixo de 31°C – Situação Letal Vasoconstrição Vasodilatação Aproximadamente 36,5°C Zonas de respostas fisiológicas Temperatura Corporal SI ST EM A T ER M O R R EG U LA D O R H U M A N O + 42 11 Os mecanismos termorreguladores são ativados quando as condições térmicas do meio ultrapassam certas faixas de frio ou calor. Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Frio: Evitar perdas térmicas do corpo e aumentar a produção interna de calor. Perdas de calor por radiação e convecção orgão interno Perdas de calor por convecção Vasoconstrição periférica Arrepio Aumento do metabolismo Pele mais rugosa v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo 42 12 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Mecanismos instintivos e culturais para proteção do frio Mecanismos instintivos Mecanismos culturais v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo 42 13 Calor: Incrementar as perdas térmicas do corpo e reduzir a produção interna de calor Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Vasodilatação periférica Suor Redução do metabolismo Boa evaporação Pouca evaporação Perdas de calor por radiação e convecção v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo 42 14 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Mecanismos instintivos Mecanismos culturais Mecanismo instintivos e culturais para proteção contra o calor v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo 42 15 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo Taxa metabólica para diferentes atividades. Referencia: ISO 7730 (2005) Através do metabolismo o organismo adquire energia a partir de elementos combustíveis orgânicos. A quantidade de energia liberada depende da quantidade de atividade muscular (Quanto maior a atividade física, maior o metabolismo). MET: unidade utilizada para descrever a energia produzida por unidade de área de uma pessoa em repouso (1 MET = 58W/m²) 42 16 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Vestimenta impõe uma resistência térmica entre o corpo e o meio, representando uma barreira para as trocas de calor por convecção v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo Índice de resistência térmica para vestimentas segundo ISO 7730 (2005 CLO: Unidade de medição da resistência térmica da roupa. (1 clo = 0.155m²°C/W) 42 17 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo 42 V A R IÁ V EI S DE C O N FO R TO - A M B IE N TA IS + O corpo humano não sente a temperatura de um quarto, mas sente a perda ou ganho de energia do corpo no espaço 18 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico As condições do ambiente relacionadas com o conforto são: + Temperatura do ar + Temperatura média radiante + Umidade relativa do ar + Velocidade do ar A influência dos quatro parâmetros na perda ou ganho de energia não é igual, sendo que a temperatura do ar e temperatura média radiante tem a maior importância. Porem não é suficiente medir só um deles. 42 19 Temperatura do ar: Chamada de TBS (temperatura de bulbo seco) Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ie n tais – o u tras v. – cálcu lo A sensação de conforto baseia-se na perda de calor do corpo através da diferença de temperatura entre a pele e o ar. As massas de ar são aquecidas em virtude do contato com a pele, permitindo a perda de energia do corpo. O ar mais quente torna-se mais leve e sobe enquanto o mais frio desce, proporcionando uma sensação de resfriamento do ambiente graças a movimentação do ar conhecida como convecção natural. Pei-Chun Liu (et al) “Evaluation of buoyancy-driven ventilation in atrium buildings using computational fluid dynamics and reduced-scale air model”. 42 20 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ie n tais – o u tras v. – cálcu lo Trocas entre um ambiente real e o corpo e entre um ambiente imaginário e o mesmo corpo, através da temperatura radiante média. Fonte: innova.dk Temperatura média radiante: Temperatura uniforme de um ambiente imaginário no qual a troca de calor por radiação é igual ao ambiente real não uniforme. Trocas de calor entre diferentes corpos 42 21 Umidade relativa do ar (UR): fornece a quantidade de vapor de água no ar em relação à quantidade máxima que pode conter, a uma determinada temperatura. Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ie n tais – o u tras v. – cálcu lo À medida que a temperatura do meio se eleva, dificultando as perdas por convecção e radiação, o organismo aumenta sua eliminação por evaporação. Quanto maior a UR, menor a eficiência da evaporação na remoção do calor. A UR é utilizada para determinar a umidade absoluta (expressa em termos de pressão parcial de vapor), parâmetro que permite determinar as trocas por evaporação entre o homem e o ambiente. 42 22 Velocidade do ar: O valor deste parâmetro modifica as trocas de calor por convecção e evaporação de uma pessoa, retirando o ar quente e a água em contato com a pele com mais eficiência e assim, reduzindo a sensação de calor. (quanto maior for, maior será a sensação de perda de calor). Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ie n tais – o u tras v. – cálcu lo UMIDADE RELATIVA DO AR VELOCIDADE DO AR PERDA DE CALOR POR EVAPORAÇÃO 42 23 Equipamentos para medição das variáveis ambientais Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ie n tais – o u tras v. – cálcu lo Termômetro de globo. Termo anemômetro Psicrômetro giratório para medição de TBS e TBU Temp. de Globo Velocidade do ar Umidade relativa Temperatura do ar Anemômetro de paletas sensor 42 24 Cálculo da temperatura radiante média: pode se calcular através da T. globo e T. do ar Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ie n tais – o u tras v. – cálcu lo Onde: Hcg é o coeficiente de troca de calor por convecção do globo; ΔT é a diferença de temperatura (tg - ta) D é o diâmetro do globo (normal/ 15cm) V é a Velocidade do ar (m/s) Onde: tg é a temperatura de termômetro de globo (C°); ta é a temperatura do ar (°C); V é a Velocidade do ar (m/s) Coeficiente de troca de calor por convecção: Utiliza se para definir a equação a ser adotada no cálculo da temperatura radiante média Dependendo do “Coeficiente de troca de calor” que for maior, adota se a temperatura radiante média para a forma de convecção correspondente a esse coeficiente * * * * * * 42 25 Cálculo da umidade relativa: carta psicrométrica Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ie n tais – o u tras v. – cálcu lo Temperatura bulbo seco (°C) Umidade relativa 42 V A R IÁ V EI S D E C O N FO R TO - O U TR A S + 26 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico + Idade + Raça + Hábitos alimentares + Altura + Sexo 42 C Á LC U LO + + Modelo Estático + Modelo Adaptativo 27 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico As pesquisas de conforto térmico e o método de avaliação estão divididos em dois grandes grupos: Pesquisas em Câmaras Climatizadas (Método PMV/PPD) Pesquisas de Campo (método adaptativo) 42 C Á LC U LO + + Modelo Estático + Modelo Adaptativo 28 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Modelo Estático “... Para dado nível de atividade, a temperatura média da pele (ts) e a taxa de secreção do suor (Esw) podem ser consideradas como as únicas variáveis fisiológicas que influem sobre o equilíbrio de calor na equação do conforto térmico...” (Ole Fanger, 1970) Modelo Adaptativo “... A temperatura de conforto não é uma constante, e sim varia de acordo com a estação, e temperatura a que as pessoas estão acostumadas...” (Michael A.Humphreys, 1979) 42 29 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo Onde: PMV= voto médio estimado, ou voto de sensação de conforto térmico M= Atividade desempenhada pelo individuo L= Carga térmica atuante sobre o corpo •Muito quente +3 •Quente +2 •Levemente quente +1 •Neutro 0 •Levemente frio -1 •Frio - 2 •Muito frio -3 A escala sétima da ASHRAE, ou escala de sete pontos é utilizada para determinação real das sensações térmicas das pessoas PMV: O “voto médio predito” é um índice que prevê um valor médio de sensação térmica de um grande grupo de pessoas, segundo a escala de de 7 pontos (ASHRAE). Foi criado através de análises estatísticas de acordo com resultados obtidos por Fanger (1972) em estudos na Dinamarca em câmaras climatizadas. Nesses estudos as pessoas registravam seus votos através da escala sétima. A sensação térmica de um indivíduo é representada pela equação do PMV Modelo Estático 42 30 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo Substituindo o valor de “L” a equação do PMV fica da forma a seguir: Onde: M = Taxa metabólica, em W/m2, W = Trabalho mecânico, em W/m2, sendo nulo para a maioria das atividades, Icl = Resistência térmica das roupas, em m2.ºC/W, fcl = Razão entre a área superficial docorpo vestido, pela área do corpo nú, ta = Temperatura do ar, em ºC, tr = Temperatura radiante média, em ºC, var = Velocidade relativa do ar, em m/s, pa = Pressão parcial do vapor de água, em Pa, hc = Coeficiente de transferência de calor por convecção, em W/m2.ºC, tcl = Temperatura superficial das roupas, em ºC. Pode ser obtida a partir do MET (1MET=58,2W/m²) Pode ser obtida a partir do CLO (1CLO=0,155m².C/W) Modelo Estático 42 31 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo O PPD se baseia na percentagem de um grande grupo de pessoas que gostariam que o ambiente estivesse mais quente ou mais frio (voto +3, +2 ou -3 e -2, na escala sétima de sensações). Ele pode ser determinado analiticamente (conforme a equação abaixo em função do PMV), ou extraído da figura a seguir: PMV e PPD Devido à variação biológica entre as pessoas, é impossível que todos os ocupantes de um ambiente se sintam termicamente confortáveis ao mesmo tempo. O PPV (porcentagem de pessoas insatisfeitas) estabelece a quantidade estimada de pessoas insatisfeitas dentro de um ambiente. Modelo Estático 42 32 Princípio básico do modelo adaptativo: ao ocorrer uma mudança de temperatura que gere desconforto térmico, as pessoas reagem de maneira a restaurar seu conforto. Neste modelo são considerados outros fatores além dos da física e fisiologia: demografia (gênero, idade, classe social), contexto (composição da edificação, estação, clima) e cognição (atitudes, preferências e expectativas). Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo Adaptação ao clima interno Ajustes Comportamentais/ Tecnológicos Aclimatação Adaptação fisiológica ao clima Habituação Adaptação psicológica/difere ntes expectativas Dúvidas quanto a aplicação do modelo estático em ambientes reais, e em regiões quentes e úmidas, iniciaram as discussões que deram origem ao modelo adaptativo. Os 3 componentes de adaptação ao clima interno. Adaptado de: de Dear, Brager e Cooper (1997) Modelo Adaptativo 42 33 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo Modelo Adaptativo 42 34 Três categorias de adaptação: Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo • Ajustes Comportamentais: Modificações conscientes ou inconscientes - Ajustes pessoais: roupa, atividade, postura; - Ajustes Tecnológicos ou Ambientais: Fechar/Abrir janelas, ligar o ventilador; • Ajustes Fisiológicos: Mudanças nas respostas fisiológicas - Adaptações genéticas: herança genética de um indivíduo ou grupo de pessoas; - Aclimatação: mudanças inerentes ao sistema termo-regulador; •Ajustes Psicológicos: Percepções e reações das informações sensoriais - Habituação, exposição repetitiva ou crônica, que conduz a uma diminuição da intensidade da sensação evocada anteriormente. 42 35 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Limites aceitáveis da temperatura operativa para espaços condicionados naturalmente. ASHRAE 55-2013 v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo A nova versão da norma americana ASHRAE Standard 55-2010 apresenta um método opcional para determinação condições térmicas aceitáveis em espaços naturalmente ventilados. Modelo Adaptativo 42 C o n fo rto Té rm ico 36 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Conforto Térmico Desconforto Localizado Temp. da pele e taxa secreção dentro dos padrões Neutralidade Térmica Ambiente Real Condições básicas para o conforto térmico: 42 C o n fo rto Té rm ico 37 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico Desconforto localizado: Diferença na temp. do ar no sentido vertical Correntes de ar Pisos aquecidos ou resfriados Assimetria de radiação 42 38 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo Os índices de conforto térmico podem ser estimados com o auxílio de softwares: O software da ASHRAE calcula os índices: - PMV/PPD - Temperatura Efetiva (ET) - Temperatura Efetiva Padrão (SET) - Temperatura neutra dos modelos adaptativos de Humphreys e Auliciems. Avaliação de Conforto Térmico 42 39 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo Ou através da calculadoras online: Ex.: Universidade de Berkeley TC Tool (http://smap.cbe.berkeley.edu/comforttool) Avaliação de Conforto Térmico Aula 2: Conforto Térmico 42 40 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo O PMV também pode ser calculado pelas tabelas do anexo E da norma ISO 7730. Elas se aplicam em ambientes com umidade relativa do ar (UR) de 50% 42 41 Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo 42 42 ASHRAE 55: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy Última publicação: 2013 ISO 7730: Ergonomics of the thermal environment – Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria. Última publicação: 2005 ISO 7726: Ergonomics of the thermal environments - instruments for measuring physical quantities. Última publicação: 1998 NORMA BRASILEIRA: ?? Desempenho térmico em edificações| Roberto Lamberts Aula 2: Conforto Térmico v. h u m an as – v. am b ien tais – o u tras v. – cálcu lo 42
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