Desempenho Térmico de Edificações

Desempenho Térmico de Edificações

(Parte 1 de 5)

DISCIPLINA: ECV 5161 DESEMPENHO TÉRMICO

Roberto Lamberts, PhD

Enedir Ghisi, M.Eng. – 1a edição, 1994

Ana Lígia Papst de Abreu, M. Eng. – 2a edição, 1999

Joyce C. Carlo, M. Eng. – 3a edição, 2005

Juliana Oliveira Batista, M. Eng – 4a edição, 2006 Deivis Luis Marinoski, M. Eng – 5a edição, 2007

Florianópolis, novembro de 2007

Desempenho térmico de edificações 2

1 Conforto térmico5
1.1 Mecanismos de termo-regulação5
1.2 A pele5
1.3 Trocas térmicas entre corpo e ambiente6
1.4 As variáveis de conforto térmico6
1.4.1 Metabolismo6
1.4.2 A vestimenta7
1.4.3 Temperatura radiante média9
1.4.4 Temperatura do ar1
1.4.5 Velocidade do ar1
1.4.6 Umidade relativa do ar12
1.5 Índices de conforto13
1.5.1 O voto médio predito13
1.5.2 O programa Analysis CST15
1.6 exercícios17
1.6.1 Exercício 117
1.6.2 Exercício 219
2 Bioclimatologia21
2.1 Variáveis do clima21
2.1.1 Radiação solar21
2.1.2 Temperatura2
2.1.3 Umidade24
2.1.4 Vento24
2.2 Estratégias bioclimáticas26
2.2.1 Zona de conforto26
2.2.2 Ventilação26
2.2.3 Resfriamento evaporativo27
2.2.4 Inércia térmica para resfriamento28
2.2.5 Resfriamento artificial28
2.2.6 Umidificação29
2.2.7 Inércia térmica e aquecimento solar29
2.2.8 Aquecimento solar passivo30
2.2.9 Aquecimento artificial31
2.3 O programa Analysis BIO31
2.4 Zoneamento bioclimático36
2.5 Exercício37
3 Geometria Solar40
3.1 Radiação solar40
3.2 Movimentos da Terra41
3.2.1 Rotação41
3.2.2 Translação ao redor do Sol41
3.3 Azimute e altura solar42
3.4 Diagramas solares42
3.5 Aplicações práticas dos diagramas solares45
3.6 Transferidor de ângulos48
3.7 A Máscara de Sombra50
3.8 Tipos de proteçôes solares56
3.8.1 Traçado de máscaras56
3.8.2 Brise horizontal infinito56
3.8.3 Brise vertical infinito57
3.8.4 Brise horizontal finito58
3.8.5 Brise vertical finito58
3.8.6 Brises mistos59
3.9 O programa Sol-ar59
3.10 Exemplos resolvidos61
3.1 Catálogo de brises6

SUMÁRIO 4 Desempenho térmico de paredes e coberturas...........................................................82

Desempenho térmico de edificações 3

4.1 Desempenho térmico de paredes82
4.2 Formas de transmissão de calor83
4.2.1 Condução83
4.2.2 Convecção83
4.2.3 Radiação84
4.2.4 Condensação84
4.3 Comportamento dos materiais opacos diante da radiação solar84
4.4 Desempenho térmico de coberturas86
4.5 Exemplos8
5 Desempenho térmico de janelas90
5.1 Vidro comum91
5.2 Vidros especiais92
5.3 Fluxo de calor através da janela92
5.4 Exemplos93
6 Ventilação95
6.1 Ventilação de inverno e de verão95
6.2 Mecanismos de ventilação95
6.2.1 Ventilação natural por diferença de temperatura95
6.2.2 Ventilação natural por diferença de pressão causada pelo vento96
6.2.3 Cálculo de ventilação por efeito do vento96
6.2.4 Exemplo100

7 Exemplo do uso das Diretrizes Construtivas para Habitações Unifamiliares de

Interesse Social no Zoneamento Bioclimático Brasileiro102
7.1 Exemplo104
7.2 Concluindo…107
8 Sustentabilidade108
8.1 Certificação110
8.2 Uso final de eletricidade no Brasil1
8.3 Eficiência Energética114
8.3.1 Simulações117
8.3.2 O programa DOE 2.1E117
8.3.3 O programa EnergyPlus119
8.3.4 O programa E2-ArCondicionado120
9 Referência s bibliográficas122

10 Anexos ..........................................................................................................................125

Desempenho térmico de edificações 4

Apresentação

Esta apostila, preparada para a Disciplina ECV 5161 - Desempenho Térmico de

Edificações - do Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina está estruturada de forma a tratar do tema Desempenho Térmico de Edificações através de 7 diferentes módulos.

O primeiro deles está relacionado às variáveis de conforto térmico humano em edificações e aos índices de avaliação de conforto. A seguir, ressalta-se a importância da adoção de padrões arquitetônicos relacionados ao clima no qual se insere a edificação através da bioclimatologia. No terceiro e quarto módulos avalia-se o desempenho térmico de paredes, coberturas e janelas como forma de alertar para a escolha adequada de componentes construtivos. O projeto e a avaliação de proteções solares são apresentadas no quinto módulo. No sexto módulo discute-se a necessidade de ventilação do ambiente construído e apresentase um algoritmo para cálculo das condições de ventilação em ambientes. No sétimo e último módulo apresenta-se um panorama mundial referente ao consumo de eletricidade em edificações.

Ementa

Conforto térmico: variáveis e índices de conforto. Arquitetura bioclimática.

Desempenho térmico de paredes, coberturas e janelas. Proteções solares: diagramas solares e projeto de brises. Ventilação: ventilação de inverno e verão, mecanismos de ventilação, cálculo de ventilação natural por efeito do vento. Consumo e uso final de eletricidade em edificações: simulações computacionais.

Fotos da capa: Casa Eficiente Eletrosul, Florianópolis (Direita) Exemplo de aplicação de brise de PVC. Fonte: http://www.brise.com.br/ (Esquerda) Acros Building, Fukuoka, Japão(Abaixo)

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1 CONFORTO TÉRMICO

Define-se Conforto Térmico como o estado mental que expressa a satisfação do homem com o ambiente térmico que o circunda. A não satisfação pode ser causada pela sensação de desconforto pelo calor ou pelo 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 (Figura 1). A norma internacional para averiguar o conforto térmico em ambientes é a ISO 7730 (1994).

Figura 1. Equilíbrio no balanço térmico gera a sensação de conforto. Fonte: w.innova.dk

1.1 MECANISMOS DE TERMO-REGULAÇÃO

Reação ao calor Com o verão existem dificuldades para eliminar o calor devido a alta temperatura do meio. Desta forma, origina-se a vasodilatação. Esta aumenta o volume de sangue, acelerando o ritmo cardíaco e provocando a transpiração.

Reação ao frio Com o frio existem as dificuldades para manter o calor devido a baixa temperatura do meio. Desta forma origina-se a vasoconstrição. Esta provoca a diminuição do volume de sangue e do ritmo cardíaco. O arrepio e o tiritar provocam atividade, gerando calor.

1.2 A PELE

Em função do que já foi visto, pode-se afirmar que é através da pele que se realizam as trocas de calor, ou seja, a pele é o principal órgão termo-regulador do organismo humano.

A temperatura da pele é regulada pelo fluxo sangüíneo que a percorre, ou seja, quanto mais intenso o fluxo, mais elevada sua temperatura.

Ao sentir desconforto térmico, o primeiro mecanismo fisiológico a ser ativado é a regulagem vasomotora do fluxo sangüíneo da camada periférica do corpo, a camada subcutânea, através da vasodilatação ou vasoconstrição, reduzindo ou aumentando a resistência térmica dessa camada subcutânea.

Calor produzido

Calor perdido

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Outro mecanismo de termo-regulação da pele é a transpiração, que tem início quando as perdas por convecção e radiação são inferiores às perdas necessárias à termo-regulação.

A quantidade de calor liberado pelo organismo é 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;

- trocas úmidas: - evaporação.

O calor perdido para o ambiente através das trocas secas é denominado calor sensível e é função das diferenças de temperatura entre o corpo e o ambiente. O calor perdido através das trocas úmidas é denominado calor latente e envolve mudanças de fase – o suor (líquido) passa para o estado gasoso através da evaporação.

As variáveis de conforto térmico estão divididas em variáveis ambientais e variáveis humanas. As variáveis humanas são: - metabolismo gerado pela atividade física

- resistência térmica oferecida pela vestimenta

E as ambientais são: - temperatura do ar;

- temperatura radiante média;

- velocidade do ar;

- umidade relativa do ar.

Além disso, variáveis como sexo, idade, raça, hábitos alimentares, peso, altura etc podem exercer influência nas condições de conforto de cada pessoa e devem ser consideradas.

É o processo de produção de energia interna a partir de elementos combustíveis orgânicos. Ou seja, através do metabolismo, o organismo adquire energia. Porém, de toda energia produzida pelo organismo humano, apenas 20% é transformada em potencialidade de trabalho. Os 80% restantes são transformados em calor que deve ser dissipado para que a temperatura interna do organismo seja mantida em equilíbrio.

Isto acontece porque a temperatura interna do organismo humano deve ser mantida praticamente constante em 37oC (variando entre 36,1 e 37,2oC). Os limites para sobrevivência estão entre 32 e 42 oC.

Como a temperatura interna do organismo deve ser mantida constante, quando o meio apresenta condições térmicas inadequadas, o sistema termo-regulador do homem é ativado, reduzindo ou aumentando as perdas de calor pelo organismo através de alguns mecanismos de controle, como reação ao frio e ao calor.

Quando o organismo, sem recorrer a nenhum mecanismo de termo-regulação, perde para o ambiente o calor produzido pelo metabolismo compatível com a atividade realizada,

Desempenho térmico de edificações 7 experimenta-se a sensação de conforto térmico.

A tabela 1 apresenta dados relativos ao calor dissipado pelo corpo em função da atividade do indivíduo. O metabolismo pode ser expresso em W/m2 de pele ou em Met, unidade do metabolismo cujo valor unitário corresponde a uma pessoa relaxada. Assim, 1 Met=58,15W/m2 de área de superfície corporal. A figura 2 apresenta algumas atividades expressas em Met.

Tabela 1. Taxa metabólica para diferentes atividades segundo ISO 7730 (1994).

Atividade Metabolismo (W/m2)

Reclinado 46 Sentado, relaxado 58 Atividade sedentária (escritório, escola etc.) 70 Fazer compras, atividades laboratoriais 93 Trabalhos domésticos 116 Caminhando em local plano a 2 km/h 110 Caminhando em local plano a 3 km/h 140 Caminhando em local plano a 4 km/h 165 Caminhando em local plano a 5 km/h 200

Figura 2. Atividades metabólicas e suas taxas expressas em Met. Fonte: w.innova.dk

1.4.2 A vestimenta

A vestimenta equivale a uma resistência térmica interposta entre o corpo e o meio, ou seja, ela representa uma barreira para as trocas de calor por convecção. A vestimenta funciona como isolante térmico, pois mantém junto ao corpo uma

0.8 Met

1 Met 8 Met

4 Met

0.8 Met

1 Met 8 Met

Desempenho térmico de edificações 8 camada de ar mais aquecido ou menos aquecido, conforme seja mais ou menos isolante, conforme seu ajuste ao corpo e a porção do corpo que cobre.

Em climas secos (desertos), onde se atinge elevadas temperaturas, poder-se-ia pensar que a ausência de roupas poderia garantir condições mais confortáveis para os habitantes destas regiões. No entanto, em climas secos, vestimentas adequadas podem manter a umidade advinda do organismo pela transpiração e evitar a desidratação. A vestimenta reduz o ganho de calor relativo à radiação solar direta, as perdas em condições de baixo teor de umidade e o efeito refrigerador do suor.

A vestimenta reduz também a sensibilidade do corpo às variações de temperatura e de velocidade do ar.

Sua resistência térmica depende do tipo de tecido, da fibra, do ajuste ao corpo, e deve ser medida através das trocas secas relativas a quem usa. Sua unidade é o clo, originada de clothes.

Assim: 1 clo = 0,155 m2.oC/W = 1 terno completo.

A tabela 2 apresenta o índice de resistência térmica (Icl) para as principais peças de roupa, sendo que o índice de resistência térmica (I) para a vestimenta de uma pessoa será, segundo a ISO 7730 (1994), o somatório de Icl (figura 3), ou seja,

I = ΣIcl

Tabela 2. Índice de resistência térmica para vestimentas segundo ISO 7730 (1994).

Vestimenta Índice de resistência térmica – Icl (clo) Meia calça 0,10

Meia fina 0,03 Meia grossa 0,05 Calcinha e sutiã 0,03 Cueca 0,03 Cuecão longo 0,10 Camiseta de baixo 0,09 Camisa de baixo mangas compridas 0,12 Camisa manga curta 0,15 Camisa fina mangas comprida 0,20 Camisa manga comprida 0,25 Camisa flanela manga comprida 0,30 Blusa com mangas compridas 0,15 Saia grossa 0,25 Vestido leve 0,15 Vestido grosso manga comprida 0,40 Jaqueta 0,35 Calça fina 0,20 Calça média 0,25 Calça flanela 0,28 Sapatos 0,04

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Figura 3. Somatório de peças de roupa que produzem índice de resistência térmica final para a vestimenta. Fonte: w.hku.hk/bse/bbse3004/bbse3004_0405-03.htm

1.4.3 Temperatura radiante média

A temperatura radiante média representa a temperatura uniforme de um ambiente imaginário no qual a troca de calor por radiação é igual ao ambiente real não uniforme (figura 4).

O seu cálculo pode ser feito através da determinação da temperatura de termômetro de globo (figura 5) e da temperatura do ar. As equações 1 e 2 apresentam a sua forma de determinação, respectivamente, para convecção natural e forçada.

Convecção natural

Onde tg é a temperatura de termômetro de globo (oC); ta é a temperatura do ar (oC); V é a velocidade do ar (m/s).

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Figura 4. Trocas entre um ambiente real e o corpo e entre um ambiente imaginário e o mesmo corpo, através da temperatura radiante média. Fonte: w.innova.dk

Para definir a equação a ser utilizada deve-se determinar o coeficiente de troca de calor por convecção do globo apresentado nas equações 3 e 4 e adotar-se a temperatura radiante média para a forma de convecção que apresentar o maior coeficiente de troca de calor.

Convecção natural

Convecção forçada h V

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 (normalmente 15 cm);

V é a velocidade do ar (m/s).

Figura 5. Termometro de globo, utilizado para medição da temperatura de globo. Fonte: w.labcon.ufsc.br

Ambiente real Ambiente Imaginário

Ambiente real Ambiente Imaginário trtr t3

Calor trocado por radiação: R=R’

Desempenho térmico de edificações 1

1.4.4 Temperatura do ar

A temperatura do ar é a principal variável do conforto térmico. A sensação de conforto baseia-se na perda de calor do corpo pelo diferencial de temperatura entre a pele e o ar, complementada pelos outros mecanismos termo-reguladores. O calor é produzido pelo corpo através do metabolismo e suas perdas são menores quando a temperatura do ar está alta ou maiores quando a temperatura está mais baixa.

A diferença de temperatura entre dois pontos no ambiente provoca a movimentação do ar, chamada de convecção natural: a parte mais quente torna-se mais leve e sobe enquanto a mais fria, desce, proporcionando uma sensação de resfriamento do ambiente.

perda de calor para evaporação da água do tecido. Assim, a TBU é sempre menor que TBS

A temperatura do ar, chamada de temperatura de bulbo seco, TBS, costuma ser medida com a temperatura de bulbo úmido através do psicrômetro giratório. A temperatura de bulbo úmido é medida com um termômetro semelhante ao usado para medir a TBS, porém com um tecido no bulbo do termômetro de forma que a umidade seja considerada. Este par forma o psicrômetro giratório (figura 6), ou par psicrométrico. O giro manual do psicrômetro, que pode ser substituído por um pequeno ventilador, visa retirar a umidade excessiva do tecido que envolve o bulbo de forma que TBU possa ser medida sob os efeitos naturais da

Para o conforto, é interessante conhecer também a temperatura operativa. A temperatura operativa resume as perdas da temperatura do corpo, que está submetido a um ambiente real com efeitos desiguais por todos os lados. A temperatura operativa é uma temperatura teórica que provoca uma perda de calor equivalente a todos os fenômenos que provocam esta perda caso o corpo estivesse em um ambiente imaginário submetido apenas a uma temperatura homogênea.

Figura 6. Psicrômetro giratório, utilizado para medição da temperatura de bulbo seco e temperatura de bulbo úmido. Fonte: w.labcon.ufsc.br

A velocidade do ar, que costuma ser abaixo que 1m/s, ocorre em ambientes internos sem necessariamente a ação direta do vento. O ar se desloca pela diferença de temperatura no ambiente, onde o ar quente sobe e o ar frio desce (convecção natural). Quando o ar se desloca por meios mecânicos, como um ventilador, o coeficiente de convecção aumenta, aumentando a sensação de perda de calor (convecção forçada). O deslocamento do ar também aumenta os efeitos da evaporação no corpo humano, retirando a água em contato com a pele com mais eficiência e assim, reduzindo a sensação de calor.

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Há vários tipos de anemômetros para medição da velocidade do ar, como o anemômetro giratório, formado por hélices que se deslocam com o movimento do ar (figura 7, mais apropriado para medir a velocidade do vento) ou o termo-anemômetro (figura 8), mais sensível e recomendado para medições de velocidade do ar no ambiente interno.

Figura 7. Anemômetro de hélice para medição da velocidade do vento. Fonte: w.labcon.ufsc.br

Figura 8. Termoanemômetro para medição da velocidade do ar. Fonte: w.labcon.ufsc.br

A umidade é caracterizada pela quantidade de vapor d’água contido no ar. Este vapor se forma pela evaporação da água, processo que supõe a mudança do estado líquido ao gasoso, sem modificação da sua temperatura.

O ar, a uma determinada temperatura, somente pode conter uma certa quantidade de vapor de água. Quando chegamos a esse valor máximo dizemos que o ar está saturado. Ultrapassado este limite, ocorre a condensação, no qual o vapor excedente passa ao estado líquido, provocando o aumento da temperatura da superfície onde ocorre a condensação.

Estes processos dão lugar a uma forma particular de transferência de calor: um corpo perde calor por evaporação, que será ganho por aquele no qual se produz a condensação.

A umidade do ar, conjuntamente com a velocidade do ar, intervém na perda de calor por evaporação. Como aproximadamente 25% da energia térmica gerada pelo organismo é eliminada sob a forma de calor latente (10% por respiração e 15% por transpiração) é importante que as condições ambientais favoreçam estas perdas.

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