Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Conceito de conforto térmico humano
Projeto FEUP 2014/2015 -- Engenharia Química:
Prof. Armando Silva e Prof. Manuel Firmino
Prof. João Bastos
Equipa Q1FQI04_1 : Supervisor: José Inácio Martins
Monitor: Helder Xavier Nunes
Estudantes & Autores: Ana Isabel Pimenta
[email protected]
Beatriz Oliveira
[email protected]
Joana Campos
[email protected]
Maria João Neto
[email protected]
Rafaela Pereira
[email protected]
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RESUMO Este relatório foi desenvolvido em torno das definições de conforto térmico humano e de sistemas de ventilação de edifícios. Os seres vivos recorrem à homeostasia para contrariar as alterações provocadas pelo meio exterior e o equilíbrio dinâmico nos sistemas biológicos é assegurado pelo sistema endócrino. Relativamente à resposta a alterações de temperaturas, recorrem à termorregulação para estabilizar a temperatura corporal e, no caso do Homem, esta é desencadeada pelo hipotálamo. O bem-estar no contexto de conforto térmico significa não sentir calor nem frio e, então, o conforto térmico é um conceito subjetivo, pois depende de fatores quantificáveis quantificáveis e não quantificáveis. A grande maioria das pessoas passa muito tempo em espaços fechados, pelo que é necessário recorrer a métodos que aumentem o seu conforto. Os edifícios estão constantemente sujeitos à ventilação natural, nomeadamente efeito da ação do vento e/ou efeito de chaminé. Foi necessário, contudo, recorrer à ventilação mecânica de modo a combater algumas das desvantagens da ventilação natural. Surge, assim, a ventilação híbrida, que junta o melhor dos dois sistemas de ventilação
Palavras-chave Conforto térmico, bem-estar, mecanismos de troca de calor, balanço energético,
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AGRADECIMENTOS Para a elaboração deste relatório foram essenciais os contributos do monitor, Helder Nunes, e do supervisor, José Inácio Martins, que sempre se demonstraram compreensivos e recetivos no esclarecimento de dúvidas e delineamento do projeto. Aos dois um merecido merecido agradecimento. agradecimento. Deixa-se também uma palavra de apreço a todas as entidades participantes na Semana do Projeto FEUP. Os conhecimentos adquiridos tanto nas apresentações teóricas como nas aulas práticas irão desempenhar decerto um papel imprescindível no nosso percurso académico e profissional. Um último agradecimento especial à FEUP por disponibilizar os recursos necessários à concretização deste trabalho.
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ÍNDICE DE FIGURAS Fig. 1 – Regulação da temperatural corporal. ............................................................... 9 Fig. 2 - Temperatura corporal corporal de conforto térmico. .................. ......... .................. ................... ................... ................ ....... 10 Fig. 3 - Escala de perceção térmica. ........................................................................... 11 Fig. 4 - PPD em função dos valores de PMV. ............................................................. 11 Fig. 5 - Diagrama de conforto em função da temperatura e humidade relativa. .......... 12 Fig. 6 - Transferência de calor por convecção. ........................................................... 13 Fig. 7 - Transferência de energia energia solar para a terra. ................... .......... .................. ................... ................... ............. .... 13 Fig. 8 - Transferência de calor por condução. condução. .................. ......... ................... ................... .................. ................... ............... ..... 13 Fig. 9 - Mecanismos de trocas de calor....................................................................... 14 Fig. 10 - Distribuição Distribuição de pressões resultantes da ação do vento na envolvente.......... 22 Fig. 11 - Distribuição Distribuição caraterística das pressões resultantes da combinação de efeitos. ............................... ............................................... ................................. .................................. .................................. ................................. ................................. ................. 23 Fig. 12 - Equação da taxa de ventilação necessária para promover o conforto térmico. ............................... ............................................... ................................. .................................. .................................. ................................. ................................. ................. 24
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INDICE
RESUMO RESUMO ................................. ................................................. ................................. .................................. ................................. ................................. ................... .. 2 1.
INTRODUÇ INTRODUÇÃO......... ÃO......................... .................................. .................................. ................................. ................................. ........................... ........... 6
2.
CONCEITO DO CONFORTO TÉRMICO HUMANO .................. ......... ................... ................... .................. ......... 7
2.1.
Sistema de Autorregulação Autorregulação da Temperatura do Corpo Humano .................. ......... ............... ...... 7
2.2.
O Conceito De Bem-Estar .................. ......... ................... ................... .................. ................... ................... ................... ................. ....... 9
2.3.
Índices de conforto térmico .................. ........ ................... ................... ................... .................. ................... ................... ............. .... 10
2.4.
Mecanismos de trocas de calor .................. ......... ................... ................... .................. ................... ................... ................ ....... 12
2.5.
Conforto térmico de um indivíduo.................. ......... ................... ................... .................. ................... ................... ............. .... 14
2.6.
Equação do Conforto Térmico................... ......... ................... .................. ................... ................... .................. .................. ......... 15
2.7.
Conforto térmico nas habitações/edifícios habitações/edifícios .................. ........ ................... ................... ................... .................. ........... 16
2.7.1.
Portas, janelas e tetos ................... ......... ................... .................. ................... ................... ................... ................... ................ ....... 16
2.7.2.
Humidade ................... .......... ................... ................... .................. ................... ................... .................. ................... ................... ................ ....... 17
2.7.3.
Temperatura do chão .................. ......... ................... ................... .................. ................... ................... ................... .................. ........ 17
2.7.4.
Isolamento Térmico .................. ......... .................. ................... ................... ................... ................... .................. ................... ............ .. 18
2.8.
Sistemas de ventilação de edifícios.................. ......... ................... ................... ................... ................... .................. ........... 18
2.8.1.
Ventilação Natural vs. Ventilação Mecânica ................... ......... ................... .................. ................... ............ .. 19
2.8.2.
Caraterização Caraterização da Ventilação Natural ................... ......... ................... .................. ................... ................... ............. .... 20
2.8.2.1.
Efeito de chaminé ................... ......... ................... .................. ................... ................... ................... ................... .................. ........... 21
2.8.2.2.
Efeito da ação do vento.................. ......... ................... ................... ................... ................... .................. ................... ............ .. 21
2.8.2.3.
Efeito combinado .................. ......... .................. ................... ................... ................... ................... .................. ................... ............ .. 22
2.8.3.
Tipos de sistemas de ventilação ventilação mecânica ................... .......... .................. ................... ................... ............. .... 23
2.8.3.1.
Insuflação Mecânica ................... .......... ................... ................... .................. ................... ................... ................... ............... ..... 23
2.8.3.2.
Extração Mecânica................... .......... ................... ................... .................. ................... ................... ................... .................. ........ 23
2.8.3.3.
Sistema Balanceado ................... .......... ................... ................... .................. ................... ................... ................... ............... ..... 24
2.9.
Sistemas de Ventilação e Conforto Térmico.................. ......... .................. ................... ................... ................ ....... 24
3.
CONCLUSÃ CONCLUSÃO O ................................. ................................................. ................................. ................................. .................................. .................... .. 25
4.
REFERÊNCIAS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................. ......... ................... ................... .................. ................... ................... ............. .... 26
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1. INTRODUÇÃO Ao longo de toda a história da Humanidade, Humanidade, o Homem teve sempre a necessidade de regular a sua temperatura corporal para combater as variações existentes no meio exterior. Deste modo, o corpo humano, consoante à alteração da temperatura a que é sujeito – aumento ou diminuição - irá desenvolver uma determinada resposta, através do hipotálamo. O conforto térmico é, então, um conceito subjetivo uma vez que varia consoante as pessoas e depende de fatores quantificáveis e não quantificáveis, tal como a temperatura e os hábitos, respetivamente. O bem-estar no contexto de conforto térmico significa, portanto, não sentir calor nem frio. É de conhecimento geral que os edifícios estão constantemente sujeitos à ventilação natural, como por exemplo através das frinchas das portas. Assim, e tendo em conta que a grande maioria das pessoas passa muitas horas em espaços fechados, nomeadamente nomeadamente no local de trabalho ou em casa, foi necessário desenvolver desenvolver alguns métodos que permitissem uma ventilação natural mais eficaz e ainda alternativas à mesma, tudo de modo a aumentar o grau de conforto térmico. Essas alternativas consistem no desenvolvimento de dispositivos de ventilação mecânica. A junção desses dois sistemas de ventilação, sistemas mistos, permite uma renovação do ar interior mais eficaz e, consequentemente, uma melhoria do bem-estar do ser humano. O processo de ventilação deve ainda ter em conta o local, a exposição solar, os ventos predominantes, os materiais construtivos e a implantação do edifício. Assim, neste trabalho, para além da análise de como ocorre a regulação da temperatura corporal no ser humano e o que é o conforto térmico, far-se-á ainda a sua
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2. CONCEITO DO CONFORTO TÉRMICO HUMANO 2.1.
Sistema de Autorregulação da Temperatura do Corpo Humano
Um sistema pode ser termodinamicamente aberto, fechado ou isolado. Os sistemas biológicos são sistemas abertos, na medida em que efetuam trocas de matéria e energia com o meio, o que leva a constantes alterações internas do sistema. Assim, os seres vivos utilizam certos mecanismos de forma a contrariar as mudanças provocadas provocadas pelo meio exterior, mantendo a constância no meio interno, isto é, a homeostasia. Este equilíbrio dinâmico nos sistemas biológicos é mantido por uma série de processos de retroação ou feedback , que surgem nos organismos em resposta a estímulos do meio. Existem dois tipos de feedback : o positivo e o negativo. Nos animais, os processos de feedback são são assegurados pelo sistema nervoso e pelo sistema hormonal ou endócrino. O feedback negativo é o mais utilizado pelos sistemas biológicos e o melhor processo para manter a homeostasia. Pelo contrário, o sistema de feedback positivo ocorre em situações mais raras como é o caso da estimulação sexual. (Martins 2010) A termorregulação, termorregulação, Fig. 1, é pois um conjunto de mecanismos que permite estabilizar a temperatura corporal dos animais face às variações térmicas do meio externo. Este processo é, então, essencial para os seres vivos tanto a nível da
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hormonas por parte da adeno-hipófise. O hipotálamo é o principal centro integrador das atividades dos órgãos viscerais, sendo um dos principais responsáveis pela homeostasia corporal. (Medipédia 2012) É o hipotálamo que, recebendo um estímulo externo, vai comandar o resto do organismo a atuar de forma a contrariar esse estímulo. Tal como está esquematizado na figura 1, os nervos da pele sentem uma variação da temperatura, enviam um estímulo ao hipotálamo que, ao receber o estímulo, vai desencadear certas funções, como por exemplo a contração dos músculos esqueléticos e os capilares sanguíneos. Quando o hipotálamo deteta um aumento da temperatura, promove a vasodilatação de forma a aumentar a taxa de transferência de calor através dos vasos sanguíneos, que se encontram mais à superfície da pele. Desencadeia também a transpiração, estimulando as glândulas sudoríparas, uma vez que a evaporação da água da superfície do corpo implica perda de calor, entalpia ou calor latente de vaporização. Pelo contrário, quando ocorre diminuição da temperatura, t emperatura, o hipotálamo promove a vasoconstrição, de forma a evitar a perda de calor através dos vasos sanguíneos, a ereção dos pelos, de modo a formar uma camada de ar à superfície da pele, e desencadeia contrações musculares involuntárias (tremores), que levam ao aumento da taxa metabólica.
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Fig. 1 – Regulação da temperatural corporal.
2.2.
O Conceito De Bem-Estar
"A zona de conforto representa aquele ponto no qual a pessoa necessita de consumir a menor quantidade de energia para se adaptar ao ambiente circunstante". (Olygay, 1973)
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de um indivíduo sejam reduzidas o máximo possível, ou seja, que o organismo esteja em equilíbrio com o meio envolvente, dizemos que esta termicamente confortável, Fig. 2.
Fig. 2 - Temperatura corporal de conforto térmico.
2.3.
Índices de conforto térmico
Com a finalidade de avaliar a perceção térmica, foram criados índices de conforto térmico tais como o PMV (Predicted Mean Vote – voto previsto médio) e o PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied - percentagem previsível de insatisfeitos). Partindo de uma equação de balanço térmico para o corpo humano, foi criado o índice PMV, que corresponde a uma previsão da votação de um determinado número de pessoas relativamente a um dado ambiente térmico.
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Fig. 3 - Escala de perceção térmica.
Devido às diferenças entre os indivíduos, é impossível conceber um ambiente que seja considerado termicamente agradável por todos, pois irá sempre haver uma percentagem de pessoas insatisfeitas. O PPD, por sua vez, dá a conhecer o número de pessoas insatisfeitas com um certo ambiente térmico. Uma vez conhecidos os valores do índice PMV é possível determinar o PPD com base no gráfico representado na Fig. 4:
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zero, ou seja, o ambiente é considerado neutro pela maioria das pessoas, existem cerca de 5% de indivíduos insatisfeitos. insatisfeitos. Pela análise destes dois índices é possível concluir, mais uma vez, que o conceito de conforto térmico é relativo, dependendo de vários fatores, logo é impossível definir uma zona termicamente confortável com exatidão. A Fig. 5 mostra as atitudes a assumir no contexto habitacional tendo em vista a obtenção do conforto térmico humano.
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H2O fria
H2O quente ↑
Fig. 6 - Transferência de calor por convecção.
Radiação – consiste na transferência de calor por ondas eletromagnéticas.
São necessárias duas superfícies a diferentes temperaturas e a uma determinada distância uma da outra. Uma das superfícies, devido à vibração das moléculas superficiais liberta energia radiante que é em parte absorvida e em parte refletida pela outra superfície.
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A Fig.9 sintetiza os os três tipos de processos processos de transporte transporte de energia térmica.
Fig. 9 - Mecanismos de trocas de calor. Nos edifícios, o mecanismo de troca de calor mais frequente é a condução, e depende da condutividade térmica dos materiais (K [W/m. ºC]), da espessura do elemento envolvente (e [m]), da área da superfície (A [m 2]) e da diferença de temperatura entre as duas - equação (1).
(1)
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A influência que estes parâmetros têm na energia perdida pelo corpo não é igual. No entanto, não é suficiente a medição de apenas um deles. Por exemplo, a Temperatura Média Radiante tem normalmente uma maior influência do que a Temperatura do Ar.
2.6.
Equação do Conforto Térmico
Equação do Conforto Térmico
A Equação do Conforto Térmico, equação (2), permite calcular o balanço energético no corpo humano. Esta equação, contabilizando contabilizando diversos dados, tais como a transpiração, respiração, metabolismo, etc., estabelece uma relação entre parâmetros físicos possíveis de serem contabilizados e a sensação térmica neutra (conforto térmico) tal co mo experienciada por um indivíduo “normal”.
(2) ( M W ) q
sk
q S res
(C
R E
sk
) (C
res
E
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) (S
sk
S ) cr
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Ou seja, uma alteração 1°C na temperatura dessas mesmas superfícies pode equivaler a uma mudança de 1°C na temperatura do ar. Contudo, a humidade do quarto tem apenas moderada importância no conforto térmico do indivíduo. (LABEE 2002)
2.7.
Conforto térmico nas habitações/edifícios
A maior parte das pessoas passa muitas horas em espaços fechados, nomeadamente no trabalho ou em casa. É portanto da maior importância o seu conforto, para que se possam concentrar ao máximo, ou então tirar o maior proveito do seu tempo de relaxamento. A forma como os edifícios são construídos decide em grande parte o conforto térmico futuro das pessoas que o vão habitar. São os edifícios que providenciam contraste entre o interior e o exterior, permitindo manter uma temperatura adequada no interior, enquanto o exterior se encontra demasiado quente ou demasiado frio. Elementos como paredes, coberturas, pavimentos, portas e janelas, por exemplo, contribuem para uma construção consistente e adequada. Sendo assim, quais são as
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Quanto mais baixa for a condutividade térmica do material com que são feitas as infraestruturas e maior a sua capacidade térmica, menores serão as trocas de calor. Para além disso, existem materiais com características específicas para cada infraestrutura. A solução mais óbvia será, claro, abrir as portas e janelas no caso de o interior estar excessivamente quente, de modo a criar correntes de ar, e fechar portas e janelas em caso contrário, mantendo o calor no interior.
2.7.2.Humidade 2.7.2. Humidade A humidade é muitas vezes responsável pela degradação das estruturas e materiais existentes, provocando custos de manutenção, problemas de durabilidade e desconforto térmico. (ASHRAE 1997)
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2.7.4.Isolamento 2.7.4.Isolamento Térmico O isolamento térmico tem como função diminuir as trocas de calor existentes entre o edifício e o exterior. Materiais ou estruturas que são bons isolantes térmicos são caracterizados por uma alta resistência térmica, estabelecendo uma barreira entre dois meios que, em condições normais, rapidamente igualariam a sua temperatura. O melhor isolante térmico é o vácuo. No entanto, na construção da estrutura de uma habitação, torna-se extremamente difícil a criação de vácuo, pelo que se utilizam materiais porosos ou fibrosos, como por exemplo a cortiça. Ao retardar o fluxo fluxo de calor pela envolvente envolvente do edifício, edifício, os isolamentos isolamentos térmicos possuem várias funções (ASHRAE 1997):
Conservam a energia devido à redução das perdas de calor;
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Embora seja possível observar que existe uma certa tendência por optar pela Ventilação Mecânica, também se pode constatar que a Ventilação Natural não deixou de ser uma opção viável tendo em conta que esta é um processo mais económico. De uma forma geral, na Ventilação Natural não se utiliza qualquer dispositivo mecânico capaz de forçar a circulação de ar no interior do edifício. Esta é garantida, portanto, por fenómenos físicos, naturais e capazes de originar diferenças de pressão que possam provocar o deslocamento de caudais de ar. A Ventilação Mecânica é feita através de aparelhos mecânicos, tais como os ventiladores, que irão provocar as variações de pressão pretendidas. Existe ainda um terceiro tipo de ventilação que tenta combinar as vantagens dos dois mecanismos mecanismos referidos anteriormente: anteriormente: Ventilação Híbrida. Este mecanismo consiste, essencialmente, na junção das qualidades dos dois
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Contudo, a Ventilação Natural apresenta também alguns inconvenientes, que são enunciados de seguida:
Difícil controlo dos caudais de ar devido devido às possíveis possíveis variações das forças da natureza. Deste modo, em certas alturas, como, por e xemplo, durante o Verão, a ventilação é insuficiente para satisfazer as necessidades do ser humano. Podem-se também observar situações de caudais de ar excessivos;
Depende de fatores tais como as condições climatéricas e o design e localização do edifício para que seja eficiente;
Dificuldade Dificuldad e de aplicação de técnicas de recuperação de calor;
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2.8.2.1. Efeito de chaminé O efeito de chaminé é um dos tipos de sistema de ventilação natural mais comum. Este efeito apoia-se nas variações de temperatura entre o ar interior e o exterior. Por esse motivo, é também designado por Gradiente Térmico. Como é de conhecimento geral, o ar f rio é mais denso do que o ar quente. Deste modo, quando o ar interior se encontra a uma maior temperatura do que o exterior, num edifício com aberturas na zona mais elevada, verifica-se que o ar interior tende a sair por essas mesmas aberturas, enquanto o ar exterior entra pelas aberturas inferiores. O contrário ocorre quando o ar interior se encontra a uma menor temperatura do que o exterior. Existe, contudo, uma zona denominada zona neutra onde as pressões internas
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2.8.3.3. Sistema Balanceado O sistema balanceado combina a insuflação e a extração mecânicas. Deve-se, então, controlar esses dois mecanismos para que se verifique uma ligeira depressão no interior do edifício e haja insuflação de cerca de 90 a 95% do caudal extraído. Há, ainda, um sistema de recuperação de calor, em que o ar insulado é pré-aquecido através do ar extraído.
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3. CONCLUSÃO Dado o que foi discutido ao longo do trabalho é possível concluir que o conceito de conforto térmico humano abrange uma série de áreas que em conformidade entre elas definem um conjunto de fatores essenciais para o bom funcionamento das funções vitais humanas. Dessa forma, os diferentes tipos de ventilação exercem uma
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4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Águas, Miguel P. N. 2000/01. Conforto Térmico - Módulo da Disciplina de Mestrado Métodos Instrumentais em Energia e Ambiente. Curado, António José Candeias. Janeiro de 2014. Conforto Térmico e Eficiência Energética nos Edifícios de Habitação Social Reabilitados. Mestrado, Universidade Universidade do Porto. ESFEROVITE. ESFEROVITE® 2012 Conforto Térmico. Acedido a 12 de outubro de 2014. http://www.dryvit.pt/confortotermico.htm
