Aula 2: Conforto Térmico - UFSC

Desempenho Térmico de edificações
Aula 2: Conforto Térmico
PROFESSOR
Roberto
Lamberts
ECV 5161
UFSC
FLORIANÓPOLIS

+ humanas
+ ambientais
+ outras
variáveis
+ modelos
+ normas
cálculo
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estrutura
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”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)
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definição
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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
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definição
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Neutralidade térmica: Estado físico no qual todo o calor gerado pelo organismo
através do metabolismo é trocado na mesma proporção com o ambiente ao redor,
não havendo nem acúmulo de calor, nem perda excessiva do mesmo, mantendo a
temperatura corporal constante
Conforto
térmico
Neutralidade
térmica
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 estar em neutralidade térmica, porém não
estará em conforto térmico
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definição
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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.
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variáveis de conforto
variáveis
humanas
MET: Metabolismo
CLO: Vestimenta
variáveis
ambientais
Tar: Temperatura do ar
Trad: Temp Média Rad.
Vel: Velocidade do ar
RH: Umidade relativa
Outras...
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Idade
Altura
Sexo
Peso
variáveis – cálculo
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VARIÁVEIS DE CONFORTO - HUMANAS
+
. MET
. CLO
A temperatura
interna do corpo
humano é
praticamente
constante,
variando
aproximadamente
de 36 a 37°
A quantidade de calor liberado pelo organismo ocorre em função da
atividade desenvolvida. Este calor será dissipado através de
mecanismos de trocas térmicas entre o corpo e o ambiente,
envolvendo:
- Trocas secas: condução,
convecção, radiação.
(calor sensível)
- Trocas úmidas: evaporação.
Respiração e Transpiração
(calor latente)
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SISTEMA TERMORREGULADOR HUMANO
Diagrama da regulação térmica humana autônoma e comportamental
+ 9
Adaptado de:Hensen (1991)
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• Variável controlada: valor integrado
de temperaturas internas (próximas
do sistema nervoso central e núcleo)
e as temperaturas da pele.
• Sistema controlado: é 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.
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SISTEMA TERMORREGULADOR HUMANO
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Temperatura Corporal
Zonas de respostas fisiológicas
43° C
39° C
37° C
35° C
31° C
Vasodilatação
Vasoconstrição
Temperatura Corporal
Acima de 43°C – Situação Letal
Acima de 39°C – Ocorre a perda
da eficiência no trabalho
Acima de 37°C – Inicia-se o
fenômeno do suor
Abaixo de 36°C – Inicia-se o
reflexo de arrepio
Abaixo de 35°C – Ocorre a perda da
eficiência no trabalho
Abaixo de 31°C – Situação Letal
Aproximadamente 36,5°C
+ 10
Adaptado de: Longman, Inc., (2001)
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Os mecanismos termorreguladores são ativados quando as condições térmicas do
meio ultrapassam certas faixas de frio ou calor.
Frio: Evitar perdas térmicas do corpo e aumentar a produção interna de calor.
Perdas de calor por radiação
e convecção
Pele mais rugosa
orgão interno
Perdas de calor por
convecção
Vasoconstrição periférica Arrepio Aumento do metabolismo
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Mecanismos instintivos e culturais para proteção do frio
Mecanismos instintivos Mecanismos culturais
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Calor: Incrementar as perdas térmicas do corpo e reduzir a produção interna de calor
Perdas de calor por radiação
e convecção
Boa
evaporação
Pouca
evaporação
Vasodilatação periférica Suor Redução do metabolismo
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Mecanismo instintivos e culturais para proteção contra o calor
Mecanismos instintivos Mecanismos culturais
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v. humanas – v. ambientais – outras v. – cálculo
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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)
Taxa metabólica para diferentes atividades. ISO 7730 (2005)
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Vestimenta impõe uma resistência térmica entre o corpo e o meio, representando uma barreira
para as trocas de calor por convecção
Índice de resistência térmica para vestimentas
segundo ISO 7730 (2005
CLO: Unidade de medição da resistência térmica da
roupa. (1 clo = 0.155m²°C/W)
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v. humanas – v. ambientais – outras v. – cálculo
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VARIÁVEIS DE CONFORTO - AMBIENTAIS
+
O corpo humano não
sente a temperatura
de um quarto, e sim a
perda ou ganho de
energia do corpo no
espaço
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.
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Temperatura do ar: Também chamada TBS (temperatura de bulbo seco)
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”.
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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 entre um ambiente real e o corpo e entre um ambiente
imaginário e o mesmo corpo, através da temperatura média
radiante. Fonte: innova.dk
Trocas de calor entre diferentes corpos
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v. humanas – v. ambientais – outras v. – cálculo
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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.
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.
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Velocidade do ar
Parâmetro que 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 maior eficiência, reduzindo a
sensação de calor. (quanto maior for, maior será a sensação de perda de calor).
UMIDADE RELATIVA
DO AR
+
VELOCIDADE
DO AR
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=
PERDA DE CALOR
POR EVAPORAÇÃO
v. humanas – v. ambientais – outras v. – cálculo
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Equipamentos para medição das variáveis ambientais
sensor
Temperatura do ar
Anemômetro
Termo anemômetro
Termômetro de globo.
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Psicrômetro giratório
para medição
de TBS e TBU
Velocidade do ar Temp. de Globo Umidade relativa
v. humanas – v. ambientais – outras v. – cálculo
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Cálculo da temperatura radiante média: pode se calcular através da T. globo e T. do ar
Onde:
Hcg é o coeficiente de troca de
calor por convecção do
globo;
ΔT é a diferença de temperatura
(tg - ta)
D é o diametro do globo
(normal/ 15cm)
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
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)
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
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Cálculo da umidade relativa: carta psicrométrica
Temperatura bulbo seco (°C)
Umidade relativa
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VARIÁVEIS DE CONFORTO - OUTRAS
+
+ Idade
+ Raça
+ Hábitos alimentares
+ Altura
+ Sexo
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Métodos de Avaliação de Conforto
+ + Modelo Estático
+ Modelo Adaptativo
As pesquisas de conforto térmico e os métodos de avaliação estão
divididos em dois grandes grupos:
Pesquisas em Câmaras
Climatizadas (Método Estático)
Realizadas no interior de
ambientes totalmente
controlados pelo pesquisador,
onde as variáveis ambientais e
pessoais podem ser o
manipuladas
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Pesquisas de Campo
(Método Adaptativo)
Realizadas em situação real,
onde o pesquisador não
interfere no andamento das
atividades e nas variáveis
ambientais
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Métodos de Avaliação de Conforto
+
+ Modelo Estático
+ Modelo Adaptativo
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)
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Modelo Estático – Baseado no balanço de calor, modelo utilizado nas avaliações em ambientes
condicionados artificialmente.
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.
+3
+2
+1
0
-1
- 2
-3
•Muito quente
•Quente
•Levemente quente
•Neutro
•Levemente frio
•Frio
•Muito frio
A escala sétima da ASHRAE, ou escala de sete
pontos é utilizada para determinação real das
sensações térmicas das pessoas
A sensação térmica de um indivíduo é representada
pela equação do PMV
Onde:
PMV= voto médio estimado ou voto de sensação de conforto
térmico
M= Atividade desempenhada pelo individuo
L= Carga térmica atuante sobre o corpo
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Modelo Estático
Substituindo o valor de “L” a equação do PMV fica da forma a seguir:
Onde:
M = Taxa metabólica, em W/m2,
W = Trabalho mecânico, em W/m2, sendo nulo para a maioria das atividades,
Icl = Resistência térmica das roupas, em m2.ºC/W,
fcl = Razão entre a área superficial do corpo vestido, pela área do corpo nú,
ta = Temperatura do ar, em ºC,
tr = Temperatura radiante média, em ºC,
var = Velocidade relativa do ar, em m/s,
pa = Pressão parcial do vapor de água, em Pa,
hc = Coeficiente de transferência de calor por convecção, em W/m2.ºC,
tcl = Temperatura superficial das roupas, em ºC.
Pode ser obtida a partir do MET
(1MET=58,2W/m²)
Pode ser obtida a partir do CLO
(1CLO=0,155m².C/W)
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v. humanas – v. ambientais – outras v. – cálculo
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Modelo Estático
Devido à variação biológica entre as pessoas, é impossível que todos os ocupantes de
um ambiente se sintam termicamente confortáveis ao mesmo tempo. O PPD (porcentagem
de pessoas insatisfeitas) estabelece a quantidade estimada de pessoas insatisfeitas dentro de
um mesmo ambiente.
PMV e PPD
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:
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v. humanas – v. ambientais – outras v. – cálculo
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Modelo Adaptativo
Dúvidas quanto a validação dos resultados aplicando o modelo estático em regiões quentes e
úmidas iniciaram discussões que deram origem ao modelo adaptativo...
Ajustes
Comportamentais/
Tecnológicos
Adaptação
ao clima
interno
Aclimatação
Adaptação
fisiológica ao
clima
Os 3 componentes de adaptação ao clima interno.
Adaptado de: de Dear, Brager e Cooper (1997)
Habituação
Adaptação
psicológica/difere
ntes expectativas
Princípio básico do modelo adaptativo:
ao ocorrer uma mudança de temperatura
que gera desconforto, as pessoas reagem de
forma a restaurar o conforto térmico.
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).
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Modelo Adaptativo
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Modelo Adaptativo
Categorias da adaptação:
• 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.
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Modelo Adaptativo
A nova versão da norma americana ASHRAE Standard 55-2010 apresenta um método opcional para
determinação condições térmicas aceitáveis em espaços naturalmente ventilados.
Limites aceitáveis da temperatura operativa (zona de conforto) para espaços
condicionados naturalmente. ASHRAE 55-2010
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Condições Básicas de Conforto Térmico
Ambiente Real
Neutralidade Térmica
Temp. da pele e taxa secreção dentro dos padrões
Desconforto Localizado
Conforto
Térmico
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Conforto Térmico 36
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Desconforto localizado:
Assimetria
de radiação
Correntes de ar
Diferença na temp. do
ar no sentido vertical
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Pisos aquecidos
ou resfriados
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Avaliação de Conforto Térmico
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.
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Avaliação de Conforto Térmico
Ou através de calculadoras onlines:
Ex.: Universidade de Berkley: http://cbe.berkeley.edu/comforttool/
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A ISO 7730 (Anexo E)
disponibiliza tabelas para uma
estimativa rápida dos valores
de PMV/PPD, que se aplicam
em ambientes condicionados
artificialmente com umidade
relativa (UR) de 50%
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ASHRAE 55: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy
(em constante revisão)
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 revisão publicada: 2005)
ISO 7726: Ambientes Térmicos - Instrumentos e Métodos para medições
das quantidades físicas.
Última revisão publicada: 1998)
NORMA BRASILEIRA??
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v. humanas – v. ambientais – outras v. – cálculo
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