capítulo v - conforto térmico
TRANSCRIPT
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 1 de 23
ÍNDICE
ÍNDICE ........................................................................................................................ 1
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................... 2
2. DESENVOLVIMENTO........................................................................................ 3
2.1 – Conforto Térmico e sua Avaliação.................................................................... 3
2.2 – Equação Geral de Conforto Térmico – Balanço Energético............................... 8
2.2.1 – M - Taxa de Metabolismo .......................................................................... 8
2.2.2 – W - Trabalho mecânico.............................................................................. 9
2.2.3 – C – Transferência de Calor Sensível, na pele, por convecção [W/m2]......... 9
2.2.4 – R – Transferências de calor por radiação [W/m2] ....................................... 9
2.2.5 – Esk - Perdas de calor evaporativo, a partir da pele..................................... 10
2.2.6 – Cres - Perdas de calor sensível através da respiração ................................. 10
2.2.7 – Eres - Perdas de calor latente através da respiração.................................... 10
2.2.8 – Ssk e Scr - Taxas de armazenamento de calor na pele e no resto do corpo.. 11
2.3 – Índices PMV e PPD........................................................................................ 13
3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................. 16
4. ANEXOS ............................................................................................................ 17
Tabela 4.1 – Taxas de Metabolismo ........................................................................ 17
Tabela 4.2 – Coeficientes de Convecção.................................................................. 19
Tabela 4.3 – Diversos.............................................................................................. 19
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 2 de 23
1. INTRODUÇÃO
Neste capítulo, será abordada o Conforto Térmico.
A noção de conforto tem um elevado grau de subjectividade, variando de pessoa
para pessoa ou podendo, inclusivamente, a mesma pessoa fazer avaliações não
coincidentes de uma mesma situação em diferentes momentos. No entanto, esta noção
não pode ser dissociada do ambiente que nos rodeia que é caracterizado por um
conjunto de grandezas físicas, como a intensidade luminosa, o nível de ruído, a
velocidade e a temperatura do ar, que não são mais do que os estímulos capazes de ser
detectados pelos sensores humanos e, assim, ser julgados como causas de conforto ou
desconforto.
Este trabalho dedica-se ao estudo do último destes factores - Conforto Térmico –
“...estado de espírito em que o indivíduo expressa satisfação em relação ao ambiente
térmico...” (ASHRAE, 2001).
A avaliação do conforto térmico em edifícios tem, desde há longa data, sido objecto e
dado origem a inúmeros trabalhos de investigação. Existem actualmente normas
internacionais que, resultado de inúmeros estudos baseados nas avaliações subjectivas
de testes feitos com números bastante significativos de pessoas, referem o modo de
medição e avaliação do conforto térmico neste tipo de ambiente. Surpreendentemente,
apesar de climas, condições de vida e cultura variarem grandemente pelo mudo, a
temperatura que as pessoas escolhem para conforto, sob similares condições de roupa,
actividade, humidade e velocidade do ar revelaram-se muito similares, também (Busch
1992; de Dear et al. 1991; Fanger 1972).
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 3 de 23
2. DESENVOLVIMENTO
2.1 – Conforto Térmico e sua Avaliação
A sensação de conforto térmico está intimamente ligada às trocas de calor entre o
corpo e o ambiente térmico que o rodeia. Fanger (1970), McIntyre (1980) e Olesen
(1982) referem que uma pessoa se sente termicamente neutra quando está em equilíbrio
térmico com o ambiente que a rodeia. Nestas circunstâncias, é possível, sem que haja
um grande esforço, manter a temperatura dos tecidos do corpo humano num certo
intervalo. Desta forma a pessoa não tem a sensação de frio nem de calor.
O conforto térmico depende basicamente de quatro grandezas relacionadas com
grandezas físicas ambientais e de duas relativas ao indivíduo. As ambientais são:
- Temperatura do ar (Ta);
- Temperatura média radiante (Tr);
- Velocidade do ar (v);
- Humidade (HR);
e as relativas ao indivíduo são:
- Nível de actividade metabólico (M);
- Isolamento térmico do vestuário (Icl).
A temperatura do ar encontra-se directamente relacionada com os processos de
transferência de calor por convecção e por evaporação.
A temperatura média radiante influencia as trocas de calor por radiação entre o
corpo humano e as superfícies que se encontram ao seu redor. Refira-se que existem
igualmente trocas de calor por radiação entre as próprias partes do corpo que poderão
estar a temperaturas diferentes da temperatura das superfícies envolventes. Numa
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 4 de 23
análise mais cuidada, como a que será feita neste trabalho, estas trocas poderão assumir
valores significativos.
As perdas de calor por convecção forçada ou mista e por evaporação estão
directamente ligadas à velocidade média do ar. Relacionada com esta variável refira-se
ainda a intensidade de turbulência que tem também influência nas trocas de calor por
convecção forçada e que poderá estar na origem de sensações de desconforto
localizadas.
A humidade relativa influencia de forma significativa os processos de perda de
calor por evaporação.
O nível de actividade metabólico representa uma medida da produção interna de
calor por parte do organismo do ser humano. Esta grandeza é quantificada por uma
unidade designada por “met” (da palavra inglesa “metabolism”). Um met corresponde a
uma produção de 58,15 Watt por metro quadrado de área de superfície do corpo
humano. Este é o valor do calor produzido em média por uma pessoa fisicamente
inactiva. O conceito de taxa metabólica para uma pessoa com um determinado nível de
actividade corresponde à relação entre a energia dissipada nessa situação e o valor
referido de 58,15 W/m2. A título de exemplo refira-se que uma pessoa adulta, com uma
superfície corporal da ordem de 1,8 m2, produz aproximadamente 100 Watt quando está
em repouso.
O nível de vestuário funciona normalmente como uma resistência à perda de
calor sensível. A unidade de medida deste parâmetro é o “clo” (da palavra inglesa
“clothing”) sendo 1 clo = 0,155 m2׺C/W. A partir do somatório das resistências
térmicas correspondentes às respectivas peças de roupa pode determinar-se o valor da
resistência térmica sensível.
A regulação da temperatura do corpo humano é fundamental para a existência de
conforto e saúde. O calor que resulta da actividade metabólica deve ser continuamente
dissipado por forma a manter as temperaturas do corpo dentro da gama normal. Quando
se verificam perdas de calor insuficientes, o corpo atinge um estado de sobre-
aquecimento também denominado por hipertermia (hiper-elevada + termia-
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 5 de 23
temperatura). Por outro lado, se as perdas de calor se tornam excessivas ocorre um
arrefecimento do corpo designado por hipotermia (hipo-baixo + termia-temperatura).
As temperaturas da pele associadas ao conforto térmico, para níveis de
actividade sedentárias, rondam os 33 a 34 ºC. Estes valores diminuem com o aumento
do nível de actividade (Fanger, 1970). Quando são atingidos valores de temperatura da
pele superiores a 45 ºC ou inferiores a 18 ºC são sentidas dores no corpo (Hardy et al.,
1952).
Contrariamente ao que acontece com a temperatura da pele, a temperatura
interna do corpo humano aumenta com o aumento do nível de actividade. Quando em
repouso e em condições de conforto térmico, o hipotálamo – secção do cérebro
responsável pelo controlo da temperatura do corpo – regula a temperatura interna para
valores da ordem de 36,8 ºC. Este valor sobe para os 37,4ºC quando a pessoa se
encontra a andar e sobe para os 37,9 ºC quando a pessoa se encontra a correr. Uma
temperatura interna inferior a 28ºC pode provocar problemas graves de arritmia cardíaca
e conduzir à morte. Por outro lado, valores da temperatura interna superiores a 46 ºC
podem causar danos cerebrais irreversíveis.
Dado que o sangue circula rapidamente no corpo humano e o fluxo de retorno se
mistura no coração antes de prosseguir o seu circuito, a temperatura do sangue arterial
torna-se um bom indicativo da média da temperatura interna corporal.
Para o controlo da temperatura, o hipotálamo, para além dos sensores térmicos
de calor e frio que possui e que são banhados por sangue arterial, recebe também
informações térmicas de sensores de temperatura localizados na pele e noutros locais do
corpo humano, como a espinal medula e os órgãos internos (Hensel, 1981).
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 6 de 23
Fig. 1 – Distribuição de Termosensores pelo Corpo Humano
A regulação da temperatura por parte do hipotálamo é feita a partir do controlo
de vários processos fisiológicos do organismo. Destes últimos, o mais importante e mais
utilizado é a regulação do fluxo de sangue para a pele. Quando as temperaturas internas
sobem acima de um determinado valor, existe um aumento proporcional do fluxo
sanguíneo para a pele com o objectivo de transportar o calor do interior do corpo para a
periferia e, em seguida, transferi-lo para o ambiente. Este aumento de fluxo sanguíneo,
que pode atingir quinze vezes o fluxo normal, é feito à custa da dilatação vascular dos
vasos sanguíneos subcutâneos, o que conduz a um abaixamento da tensão arterial, logo
abaixamento da oxigenação do Cérebro, que leva a tonturas. Quando a temperatura
interna do corpo desce abaixo de um determinado valor o processo é invertido, ou seja,
o fluxo sanguíneo para os tecidos cutâneos é diminuído, às custas da contracção
vascular, com o objectivo de conservar o calor do corpo, que posteriormente retira a
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 7 de 23
circulação das extremidades do corpo (começando pelos dedos dos pés e das mãos),
levando a “queimaduras” por frio e morte celular, como aconteceu ao alpinista João
Garcia, por exemplo.
Outro processo fisiológico controlado pelo hipotálamo quando a temperatura do
corpo diminui abaixo de um determinado valor, é o aumento da tensão muscular. Este
aumento serve para gerar calor adicional podendo levar à duplicação da taxa de
metabolismo quando se reflecte num tiritar observável (calafrios que não passam de
impulsos eléctricos para contracção dos músculos e consequente queima de energia
armazenada e produção de calor).
Para temperaturas internas elevadas, a transpiração é outro mecanismo utilizado
em situações de taxa metabólica acima dos valores de repouso (Fanger, 1970). As
glândulas sudoríparas bombeiam suor para a periferia da pele para ser evaporado e
assim aumentar as perdas de calor do corpo para o ambiente, através do calor libertado
na evaporação, fenómeno explorado no Capítulo II - Psicrometria. O ser humano sente
com relativa facilidade a humidade na pele proveniente da transpiração (Berglund,
1994) estando esta humidade bem correlacionada com a sensação desagradável de
conforto (Winslow, 1937).
Na Figura 1.1 encontram-se resumidos os mecanismos de termo-regulação associados
aos correspondentes valores de temperatura da pele e interna do corpo humano.
Fig. 2 Temperaturas e Mecanismos de Termo-regulação
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 8 de 23
2.2 – Equação Geral de Conforto Térmico – Balanço Energético
Existem diferentes fenómenos que contribuem para o balanço energético entre o
corpo humano e o ambiente que o rodeia (Figura 1.2).
Fig. 3 Balanço Térmico do Corpo Humano
Este balanço, por área de pele (AD), é apresentado no capítulo 8 do Handbook of
Fundamentals da ASHRAE (2001) na forma:
M-W = (C + R + Esk) + (Cres + Eres) + (Ssk + Sc) (1.1)
2.2.1 – M - Taxa de Metabolismo
Pode ser considerada como a produção de calor por parte do organismo,
expresso em W/m2 (consultar Anexo 4.1).
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 9 de 23
2.2.2 – W - Trabalho mecânico Pode ser considerada como o trabalho mecânico exterior, expresso em W/m2.
DA. xFW
(1.2)
, onde:
F – Força [N];
∆x – Deslocamento [m].
2.2.3 – C – Transferência de Calor Sensível, na pele, por convecção [W/m2]
).(. aclccl TThfC (1.3)
, onde:
D
clcl A
Af []
Acl – Área do Corpo Vestido [m2];
AD – Área do Corpo Nu [m2];
hc – Coeficiente de Transmissão de Calor por Convecção, ver Anexo;
Tcl – Temperatura da Roupa [ºC], ver (1.6);
Ta – Temperatura Ambiente [ºC].
2.2.4 – R – Transferências de calor por radiação [W/m2]
).(. rclrcl TThfR
,onde:
hr – Coeficiente de Transmissão de Calor por Radiação. Conseguida através de uma
expressão derivada da Lei de Stefan-Boltzman. A saber:
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 10 de 23
3
215,2734
rcl
D
rr
TTAAh ;
rT – Temperatura Radiativa média[ºC]. Conseguida através de um conjunto de
elementos que ultrapassa o âmbito da disciplina. De uma forma simplista, considere-se
a temperatura das superfícies envolventes.
2.2.5 – Esk - Perdas de calor evaporativo, a partir da pele
Conseguida através de um conjunto de elementos que ultrapassa o âmbito da disciplina.
2.2.6 – Cres - Perdas de calor sensível através da respiração
Cres=0,0012.M.(34-Ta)
2.2.7 – Eres - Perdas de calor latente através da respiração
Eres=0,0173.M.(5,87-pa)
, onde pa representa a pressão de vapor e pode ser obtida através da expressão
pa=W.p/0,622
, onde:
W = Humidade absoluta (ver Capítulo II – Psicrometria);
p = Pressão do local (considere-se a pressão atmosférica=101,325kPa).
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 11 de 23
2.2.8 – Ssk e Scr - Taxas de armazenamento de calor na pele e no resto do corpo
Conseguida através de um conjunto de elementos que ultrapassa o âmbito da disciplina.
Fanger (1970), com o objectivo de determinar combinações aceitáveis dos
parâmetros ambientais e relativos, ao indivíduo, atrás referidos, desenvolveu, a partir do
balanço energético, uma equação geral do conforto térmico baseada em três condições.
A primeira assume que a produção de calor por parte do organismo é igual à dissipação,
ou seja:
M ±W - E -Res = ±Kcl = ±R ±C (1.2)
, em que:
E = Esw + Ed – Perda de calor por evaporação de suor (Esw) e por difusão de vapor de
água da superfície da pele (Ed), [W/m2];
Res = ResT + ResW – Perdas de calor por respiração devido à diferença de temperatura
(ResT) e de vapor de água entre o ar inspirado e expirado (ResW), [W/m2];
Kcl – Transferência de calor por condução através do vestuário.
A segunda condição estabelece limites para a temperatura média da pele (Tsk) tendo em
conta a dependência existente entre esta e o nível de actividade.
a < Tsk< b (1.3)
A terceira condição representa a dependência entre a perda de calor por
evaporação de suor na superfície da pele (Esk) e o nível de actividade.
c < Esk < d (1.4)
Em resumo, a segunda e a terceira condições representam os valores limites
admissíveis de conforto térmico estando um indivíduo nesta situação quando as
condições (1.3) e (1.4) forem satisfeitas. Os valores dos limites a, b, c e d foram obtidos
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 12 de 23
e podem ser consultados nos trabalhos desenvolvidos por Fanger (1970) que apresenta
igualmente uma equação geral com a seguinte forma:
(M-W)-3,05x10-3.[5733-6,99.(M-W)-pa]-
-0,42.[(M-W)-58,15]-1,7x10-5.M.(5867-pa)-0,0014..M.(34-Ta)=
=3,96x10-8.fcl.[(Tcl+273)4-(Tr+273)4]+fcl.hc.(Tcl-Ta) (1.5)
em que a temperatura média do vestuário Tcl é determinada por:
Tcl=35,7-0,028(M-W)-0,155.Icl.{(M-W)-3,05x10-3.[5733-6,99.(M-W)-pa]-
-0,42.[(M-W)-58,15]-1,7x10-5.M(5867-pa)-0,014.M.(34-Ta)} (1.6)
sendo: fcl Relação entre a área do corpo vestida e a área despida, [ ]; pa Pressão parcial de vapor, [Pa]; Tcl Temperatura média da superfície do vestuário, [ºC]; hc Coeficiente de transferência de calor por convecção global, [W/(m2 ºC)]. e os valores de hc e fcl consultados em tabelas resultantes de ensaios previamente realizados ou através de relações empíricas como (Fanger, 1970):
, sendo Icl a resistência térmica do vestuário.
Assim, através destas equações, é possível determinar os valores aceitáveis dos
parâmetros ambientais para que um indivíduo possa estar em conforto térmico quando
este se encontra com um determinado vestuário e nível de actividade (Fanger, 1973).
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 13 de 23
Saliente-se que os valores envolvidos nestas equações, em particular o valor do
coeficiente de transferência de calor por convecção hc, são valores médios globais
considerados para o corpo humano como um todo.
Ad=0,202.m0,425.l0,725 (1.9)
, onde:
Ad Área DuBois(1916) da superfície do corpo nu, [m2];
m Massa do corpo, [kg];
l Altura, [m];
2.3 – Índices PMV e PPD
Em 1942 Gagge introduziu uma escala de 7 pontos que vai desde –3 (muito frio) até
3 (muito quente) para avaliar a sensação de conforto em ambientes moderados. Fanger
utilizou a escala de Gagge para desenvolver os índices PMV (Predicted Mean Vote) e
PPD (Previsible Percentage of Dissatisfied). Assim, o valor de PMV corresponde à
votação média previsível de um painel de pessoas relativamente à qualidade do
ambiente térmico na escala de classificação proposta por Gagge. O valor do índice PPD
varia de forma gaussiana (Figura 1.4) com PMV e permite prever a percentagem de
insatisfeitos num determinado ambiente. Repare-se que, devido às diferenças
individuais, mesmo para uma condição de PMV igual a zero, correspondente à
neutralidade (conforto) térmica para a maior parte das pessoas, o índice PPD apresenta
valores de 5 % o que significa que é impossível ter condições ambientais que
simultaneamente agradem a toda a gente.
A norma ISO 7730 (1994) adoptou o modelo de Fanger para a avaliação do conforto
térmico. Esta norma contém um modelo de cálculo dos índices PMV e PPD, que são
determinados pelas seguintes expressões (note-se a semelhança entre estas equações e a
equação (1.5) do balanço energético atrás apresentada):
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 14 de 23
, onde as variáveis têm o mesmo significado que as definidas para a equação (1.1), (1.2)
e (1.5) e os valores de Tcl , hc e fcl são igualmente determinados pelas equações (1.6),
(1.7) e (1.8) respectivamente.
A norma ISO 7730 (1994) prevê a utilização do índice PMV quando PMV se
situa no intervalo -2 a +2 e para os seguintes intervalos dos parâmetros em análise:
M = 46 a 232 W/m2;
Icl = 0 a 0,31m2׺C/W (0 a 2clo);
Ta = 10 a 30ºC;
Tr = 10 a 40ºC;
v = 0 a 1m/s;
pa = 0 a 2700Pa;
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 15 de 23
HR = 30 a 70%.
Segundo esta norma, o ambiente é considerado confortável se o valor de PMV estiver
compreendido no intervalo –0,5 a 0,5 o que implica PPD < 10% e estabelece como nível
aceitável para a diferença de temperatura do ar medida ao nível do tornozelo (a 0,1cm
do chão) e da nuca (a 1,1m do chão) o valor de 3ºC para uma pessoa sentada com uma
actividade sedentária.
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 16 de 23
3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) Martinho, Nuno, Tese de Mestrado em Conforto Térmico em Habitáculos de Veículos Automóveis. (2) Quintela, Divo, Curso Sistemas de Certificação Energética – Regulamento dos Sistemas Energéticos e de Climatização de Edifícios – Vertente Energia, Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2008. (3) Manual ASHRAE, 2005
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 17 de 23
4. ANEXOS
Tabela 4.1 – Taxas de Metabolismo
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 18 de 23
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 19 de 23
Tabela 4.2 – Coeficientes de Convecção
Tabela 4.3 – Diversos
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 20 de 23
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 21 de 23
AVAC - Climatização, Refrigeração e Conforto Térmico
Capítulo V
Conforto Térmico
ELABORADO
POR: Carlos Santos, Eng.º Mecânico (2011) Pág. 22 de 23