Desempenho Térmico de edificações
Aula 2: Conforto Térmico
PROFESSOR
Roberto
Lamberts
ECV 5161
UFSC
FLORIANÓPOLIS
+ modelos
+ normas
variáveis
cálculo
estrutura
+ humanas
+ ambientais
+ outras
2
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definição
”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)
3
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definição
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
4
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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
definição
Neutralidade térmica: Estado físico no qual todo o calor gerado pelo organismo
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 muito bem estar em neutralidade térmica, porém não
estará em conforto térmico
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definição
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.
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variáveis
humanas
MET: Metabolismo
CLO: Vestimenta
variáveis
ambientais
Outras...
Tar: Temperatura do ar
Idade
Trad: Temp. radiante ½
variáveis – cálculo
variáveis de conforto
Raça
Hábitos alimentares
Vel: Velocidade do ar
Altura
RH: Umidade relativa
do ar
Sexo
Etc..
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VARIÁVEIS DE CONFORTO - HUMANAS
+
. MET
. CLO
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:
A temperatura
interna do corpo
humano é
praticamente
constante ,
variando
aproximadamente
de 36 a 37°
- 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
• 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.
+
Adaptado de:Hensen (1991)
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SISTEMA TERMORREGULADOR HUMANO
Temperatura Corporal
Zonas de respostas fisiológicas
43° C
Acima de 43°C – Situação Letal
39° C
Acima de 39°C – Ocorre a perda
da eficiência no trabalho
Vasodilatação
Acima de 37°C – Inicia-se o
fenômeno do suor
37° C
Abaixo de 36°C – Inicia-se o
Vasoconstrição reflexo de arrepio
35° C
Abaixo de 35°C – Ocorre a perda da
eficiência no trabalho
31° C
Abaixo de 31°C – Situação Letal
Temperatura Corporal
Aproximadamente 36,5°C
+
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Frio: Evitar perdas térmicas do corpo e aumentar a produção interna de calor.
Perdas de calor por radiação
e convecção
orgão interno
Vasoconstrição periférica
Pele mais rugosa
v. humanas – v. ambientais – outras v. – cálculo
Os mecanismos termorreguladores são ativados quando as condições térmicas do
meio ultrapassam certas faixas de frio ou calor.
Perdas de calor por
convecção
Arrepio
Aumento do metabolismo
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v. humanas – v. ambientais – outras v. – cálculo
Mecanismos instintivos e culturais para proteção do frio
Mecanismos instintivos
Mecanismos culturais
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Perdas de calor por radiação
e convecção
Vasodilatação periférica
Boa
evaporação
Pouca
evaporação
Suor
v. humanas – v. ambientais – outras v. – cálculo
Calor: Incrementar as perdas térmicas do corpo e reduzir a produção interna de calor
Redução do metabolismo
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Mecanismos instintivos
v. humanas – v. ambientais – outras v. – cálculo
Mecanismo instintivos e culturais para proteção contra o calor
Mecanismos culturais
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MET: unidade utilizada para descrever a energia produzida por unidade de área de uma pessoa em repouso (1 MET = 58W/m²)
v. humanas – v. ambientais – outras v. – cálculo
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).
Taxa metabólica para diferentes atividades. Referencia: ISO 7730 (2005)
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CLO: Unidade de medição da resistência térmica da
roupa. (1 clo = 0.155m²°C/W)
Índice de resistência térmica para vestimentas
segundo ISO 7730 (2005
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v. humanas – v. ambientais – outras v. – cálculo
Vestimenta impõe uma resistência térmica entre o corpo e o meio, representando uma barreira
para as trocas de calor por convecção
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v. humanas – v. ambientais – outras v. – cálculo
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VARIÁVEIS DE CONFORTO - AMBIENTAIS
+
As condições do ambiente relacionadas com o conforto são:
+ Temperatura do ar
+ Temperatura média radiante
+ Umidade relativa do ar
+ Velocidade do ar
O corpo humano não
sente a temperatura
de um quarto, mas
sente a perda ou
ganho de energia do
corpo no espaço
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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v. humanas –
Temperatura do ar: Chamada de TBS (temperatura de bulbo seco)
v. ambientais – outras v. – cálculo
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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v. ambientais – outras v. – cálculo
no qual a troca de calor por radiação é igual ao ambiente real não uniforme.
v. humanas –
Temperatura média radiante: Temperatura uniforme de um ambiente imaginário
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
Trocas de calor entre diferentes corpos
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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.
v. ambientais – outras v. – cálculo
relação à quantidade máxima que pode conter, a uma determinada temperatura.
v. humanas –
Umidade relativa do ar (UR): fornece a quantidade de vapor de água no ar em
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v. humanas –
Velocidade do ar:
UMIDADE RELATIVA
DO AR
VELOCIDADE
DO AR
v. ambientais – outras v. – cálculo
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).
PERDA DE CALOR
POR EVAPORAÇÃO
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v. humanas –
Equipamentos para medição das variáveis ambientais
v. ambientais – outras v. – cálculo
Anemômetro de paletas
sensor
Temperatura do ar
Termo anemômetro
Velocidade do ar
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Termômetro de globo.
Temp. de Globo
Psicrômetro giratório
para medição
de TBS e TBU
Umidade relativa
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ΔT
D
V
é o coeficiente de troca de
calor por convecção do
globo;
é a diferença de temperatura
(tg - ta)
é o diâmetro do globo
(normal/ 15cm)
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
ta
V
*
*
*
*
*
é a temperatura de termômetro de globo (C°);
é a temperatura do ar (°C);
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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v. ambientais – outras v. – cálculo
Onde:
Hcg
*
v. humanas –
Cálculo da temperatura radiante média: pode se calcular através da T. globo e T. do ar
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v. humanas –
Cálculo da umidade relativa: carta psicrométrica
v. ambientais – outras v. – cálculo
Umidade relativa
Temperatura bulbo seco (°C)
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VARIÁVEIS DE CONFORTO - OUTRAS
+
+ Idade
+ Raça
+ Hábitos alimentares
+ Altura
+ Sexo
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CÁLCULO
+
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)
+ Modelo Estático
+ Modelo Adaptativo
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CÁLCULO
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)
+ Modelo Estático
+ Modelo Adaptativo
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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.
•Muito quente
+2
•Quente
+1
•Levemente quente
0
•Neutro
-1
•Levemente frio
-2
•Frio
-3
•Muito frio
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
A escala sétima da ASHRAE, ou escala de sete
pontos é utilizada para determinação real das
sensações térmicas das pessoas
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cálculo
+3
v. humanas – v. ambientais – outras v. –
Modelo Estático
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Substituindo o valor de “L” a equação do PMV fica da forma a seguir:
Pode ser obtida a partir do MET
(1MET=58,2W/m²)
Pode ser obtida a partir do CLO
(1CLO=0,155m².C/W)
cálculo
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.
v. humanas – v. ambientais – outras v. –
Modelo Estático
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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.
PMV e PPD
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cálculo
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:
v. humanas – v. ambientais – outras v. –
Modelo Estático
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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.
Ajustes
Comportamentais/
Tecnológicos
Princípio básico do modelo adaptativo:
ao ocorrer uma mudança de temperatura
que gere desconforto térmico, as pessoas
reagem de maneira a restaurar seu
conforto.
Aclimatação
Habituação
Adaptação
fisiológica ao
clima
Adaptação
psicológica/difere
ntes expectativas
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).
Os 3 componentes de adaptação ao clima interno.
Adaptado de: de Dear, Brager e Cooper (1997)
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cálculo
Adaptação
ao clima
interno
v. humanas – v. ambientais – outras v. –
Modelo Adaptativo
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v. humanas – v. ambientais – outras v. –
Modelo Adaptativo
cálculo
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• Ajustes Comportamentais: Modificações conscientes ou inconscientes
- Ajustes pessoais: roupa, atividade, postura;
- Ajustes Tecnológicos ou Ambientais: Fechar/Abrir janelas, ligar o ventilador;
- Adaptações genéticas: herança genética de um indivíduo ou grupo de pessoas;
- Aclimatação: mudanças inerentes ao sistema termo-regulador;
cálculo
• Ajustes Fisiológicos: Mudanças nas respostas fisiológicas
v. humanas – v. ambientais – outras v. –
Três categorias de adaptação:
•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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A nova versão da norma americana ASHRAE Standard 55-2010 apresenta um método opcional para
determinação condições térmicas aceitáveis em espaços naturalmente ventilados.
v. humanas – v. ambientais – outras v. –
Modelo Adaptativo
cálculo
Limites aceitáveis da temperatura operativa para espaços
condicionados naturalmente. ASHRAE 55-2013
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Conforto Térmico
Condições básicas para o conforto térmico:
Ambiente Real
Neutralidade Térmica
Temp. da pele e taxa secreção dentro dos padrões
Desconforto Localizado
Conforto
Térmico
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Assimetria
de radiação
Correntes de ar
Diferença na temp. do
ar no sentido vertical
Pisos aquecidos
ou resfriados
Conforto Térmico
Desconforto localizado:
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Os índices de conforto térmico podem ser estimados com o auxílio de softwares:
v. humanas – v. ambientais – outras v. –
Avaliação de Conforto Térmico
cálculo
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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Ou através da calculadoras online:
Ex.: Universidade de Berkeley TC Tool (http://smap.cbe.berkeley.edu/comforttool)
v. humanas – v. ambientais – outras v. –
Avaliação de Conforto Térmico
cálculo
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cálculo
Elas se aplicam em
ambientes com
umidade relativa do
ar (UR) de 50%
v. humanas – v. ambientais – outras v. –
O PMV também
pode ser calculado
pelas tabelas do
anexo E da norma
ISO 7730.
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v. humanas – v. ambientais – outras v. –
cálculo
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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
quantities.
Última publicação: 1998
cálculo
ISO 7726: Ergonomics of the thermal environments - instruments for measuring physical
v. humanas – v. ambientais – outras v. –
ASHRAE 55: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy
NORMA BRASILEIRA: ??
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