Desempenho Térmico De Paredes E Coberturas 34702b

Desempenho térmico de edificações

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4 DESEMPENHO TÉRMICO DE PAREDES E COBERTURAS 4.1

DESEMPENHO TÉRMICO DE PAREDES A condição essencial para a transmissão de calor é que os corpos tenham temperaturas diferentes. A Figura 71 exemplifica esta afirmação. T1

T2

T1 > T2

A B Figura 71. Condição para transferência de calor. O corpo A cede parte de sua energia térmica, o que provoca uma redução de sua temperatura enquanto que o B, ao assimilar esta energia térmica, aumentará sua temperatura. O processo continua até que as temperaturas se igualem (T1 = T2), ou seja, até que se atinja o equilíbrio térmico. Para o caso de paredes, a Figura 72 apresenta o sentido do fluxo de calor em função da diferença de temperatura externa e interna.

· Text

q

· Tint

Text > Tint Figura 72. Transferência de calor em uma parede. Portanto, a equação 5 mostra o fluxo de calor que atravessa a parede.

q = U.(Text − Tint ) = U. ∆T

(5)

Onde U é a transmitância térmica (W/m2.K); ∆T é a diferença de temperatura entre os meios externo e interno (K); q é a densidade de fluxo de calor (W/m2). A transmitância térmica pode ser determinada através dos procedimentos apresentados pelo Projeto 02:135.07-002 (1998) de Norma da ABNT: Desempenho térmico de edificações Parte 2: Métodos de cálculo da transmitância térmica, da capacidade térmica, do atraso térmico e do fator de calor solar de elementos e componentes de edificações. Este projeto de norma, bem como o projeto para definições dos termos utilizados são apresentadas nos anexos 2 e 3. O fluxo de calor que incidirá no ambiente interno será dado pela equação 6.

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φ = q.A = U. ∆T.A

(6)

Porém, o fluxo de calor não é função apenas de ∆T. Ele é função, também, da radiação solar incidente na superfície. Assim, antes de incluir a radiação solar nos cálculos (seção 4.3) apresenta-se uma breve revisão das formas de transmissão de calor. 4.2

FORMAS DE TRANSMISSÃO DE CALOR 4.2.1 Condução A condução se realiza por contato molecular, ou melhor, por contato entre as moléculas dos corpos. Ocorre em sólidos, líquidos e gases. No entanto, nos fluidos ocorrem fenômenos convectivos que alteram o processo original. Por esta razão, a condução refere-se aos sólidos. Poderá ser relacionada aos fluidos quando não se verificam movimentos convectivos. 4.2.2

Convecção A convecção se verifica quando os corpos estão em contato molecular e um deles, pelo menos, é um fluido. O processo possui duas fases: na primeira o calor se transmite por condução, na segunda, a alteração sofrida pela temperatura do fluido modifica sua densidade provocando o movimento convectivo. 4.2.3

Radiação A radiação ocorre mediante uma dupla transformação da energia: uma parte do calor do corpo com maior temperatura se converte em energia radiante que chega até o corpo com menor temperatura, onde é absorvida numa proporção que depende das propriedades da superfície receptora, sendo novamente transformada em calor. As propriedades da superfície receptora são representadas pela emissividade ε (ou poder emissivo) do corpo (Tabela 6). Tabela 6. Emissividade de superfícies. TIPO DE SUPERFÍCIE Chapa de alumínio (nova e brilhante) Chapa de alumínio (oxidada) Chapa de aço galvanizada (nova e brilhante) Caiação nova Concreto aparente Telha de barro Tijolo aparente Reboco claro Revestimento asfáltico Vidro comum de janela

ε 0,05 0,12 0,25 0,90 0,85 / 0,95 0,85 / 0,95 0,85 / 0,95 0,85 / 0,95 0,90 / 0,98 0,90 / 0,95

Desempenho térmico de edificações

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Tabela 7. Emissividade de superfícies (cont.). TIPO DE SUPERFÍCIE ε Pintura: - branca 0,90 - amarela 0,90 - verde claro 0,90 - “alumínio” 0,50 verde escuro 0,90 - vermelha 0,90 - preta 0,90 Fonte: Projeto de Norma da ABNT 02:135.07-002 (1998)

A emissividade está relacionada à fontes de baixa temperatura (ondas longas). Quando a superfície está exposta à radiação solar (fonte de alta temperatura – onda curta) as propriedades desta superfície são representadas pela absortividade α (tabela 7). 4.2.4 Condensação O ar, a uma temperatura determinada, pode conter apenas uma certa quantidade de vapor d’água. Esta quantidade aumenta à medida que aumenta a temperatura do ar. Quando se atinge o valor máximo de vapor d´água no ar diz-se que o ar está saturado e atingiu-se a temperatura de orvalho. Deste modo, qualquer redução em relação a este valor significará o começo da condensação. 4.3

COMPORTAMENTO DOS MATERIAIS OPACOS DIANTE DA RADIAÇÃO SOLAR

Quando a energia radiante incide sobre um corpo opaco ela é absorvida ou refletida, como pode-se observar na Figura 73.

RS a.RS

r.RS Figura 73. Radiação solar em superfícies opacas.

A equação 7 mostra o balanço térmico para a Figura 73. α.RS + ρ.RS = RS ⇒ α + ρ = 1

Onde RS é a radiação total incidente na superfície (W/m2); α é a absortividade solar (função da cor);

(7)

Desempenho térmico de edificações

ρ

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é a refletividade solar.

A Tabela 8 apresenta a absortividade para alguns materiais utilizados na construção civil e algumas cores. Tabela 8. Absortividade de cores e superfícies. TIPO DE SUPERFÍCIE α Chapa de alumínio (nova e brilhante) 0,05 Chapa de alumínio (oxidada) 0,15 Chapa de aço galvanizada (nova e brilhante) 0,25 Caiação nova 0,12 / 0,15 Concreto aparente 0,65 / 0,80 Telha de barro 0,75 / 0,80 Tijolo aparente 0,65 / 0,80 Reboco claro 0,30 / 0,50 Revestimento asfáltico 0,85 / 0,98 Vidro comum de janela Transparente Pintura: - branca 0,20 - amarela 0,30 - verde claro 0,40 - “alumínio” 0,40 verde escuro 0,70 - vermelha 0,74 - preta 0,97 Fonte: Projeto de Norma da ABNT 02:135.07-002 (1998)

A energia radiante absorvida se transforma em energia térmica ou calor; a refletida não sofre modificação alguma. Desta forma, a radiação solar será incluída no cálculo do fluxo de calor através de uma temperatura equivalente ou, como é comumente chamada, temperatura sol-ar. Portanto, a equação 6 pode ser reescrita na forma da equação 8. φ = U. ∆T.A = U.A.(Tsol-ar − Tint )

(8)

A temperatura sol-ar (Tsol-ar) representa o efeito combinado da radiação solar incidente no fechamento e dos intercâmbios de energia por radiação e convecção entre a superfície e o meio envolvente; nestes processos intervêm o coeficiente de absorção (α) e a emissividade (ε) do material. A temperatura sol-ar é dada pela equação 9. Tsol-ar = Text + α. RS. R se − ε. ∆R L . R se

(9)

Onde RS é a radiação total incidente na superfície (W/m2); é a resistência superficial externa; representa as trocas de calor por convecção e Rse radiação entre a superfície e o meio; ∆RL é a diferença entre a radiação de onda longa emitida e recebida pela superfície. Para planos verticais, a diferença entre a radiação de onda longa emitida e recebida

Desempenho térmico de edificações

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pela superfície (∆RL) é nula pois as perdas ficam compensadas pela radiação de onda longa recebida do solo e das superfícies do meio. Portanto, para paredes, a equação 9 pode ser reescrita na forma da equação 10. Tsol-ar = Text + α. RS. R se

(10)

Assim, substituindo-se a temperatura sol-ar na equação 8, o fluxo de calor em planos verticais (paredes) será dado pela equação 11. φ = U.A.(Text + α. RS. R se − Tint )

(11)

No Projeto de Norma do anexo 4 são apresentados exemplos da transmitância térmica (U), a capacidade térmica (CT) e o atraso térmico (ϕ) de paredes comumente utilizadas em edificações brasileiras. As características térmicas dos materiais, fórmulas e exemplos de cálculo são apresentados no Projeto de Norma do anexo 3. 4.4

DESEMPENHO TÉRMICO DE COBERTURAS

Para planos horizontais, como coberturas, o termo ε.∆RL.Rse, segundo dados experimentais, é igual a 4oC, visto que as camadas altas da atmosfera têm sempre uma baixa temperatura fazendo com que estes planos percam permanentemente energia por radiação. Portanto, para coberturas, a equação 9 pode ser reescrita na forma da equação 12. Tsol-ar = Text + α. RS. R se − 4

(12)

Esta subtração de 4oC também se aplica durante o período noturno. A condensação da umidade atmosférica é facilmente percebida nestas superfícies horizontais devido as perdas de calor por radiação. Assim, substituindo-se a temperatura sol-ar (equação 12) na equação 8, o fluxo de calor em planos horizontais (coberturas) será dado pela equação 13. φ = U.A.(Text + α. RS. R se − 4 − Tint )

• •

(13)

Exemplos de transmitância (U), capacidade térmica (CT), e o atraso térmico (ϕ) de coberturas são apresentados no Projeto de Norma do anexo 4. As características térmicas dos materiais, fórmulas e exemplos de cálculo são apresentados no Projeto de Norma do anexo 3. Duas observações devem ser consideradas: As transmitâncias térmicas e os atrasos térmicos das coberturas são calculados para condições de verão. A semelhança entre a transmitância térmica da cobertura com telha de barro e aquela com telha de fibro-cimento se deve ao fato da condutividade térmica do material cerâmico não expressar a sua capacidade de absorção d’água (de chuva ou de condensação) devido a sua porosidade. Este fenômeno contribui para a redução da taxa de fluxo de calor para o interior da edificação pois parte deste calor será dissipado no aquecimento e evaporação da água contida nos poros da telha. A tabela 9 apresenta a radiação solar (RS) incidente em diferentes orientações e em diferentes horas do dia para o dia 22 de dezembro na latitude 30o Sul. Informações para outras

Desempenho térmico de edificações

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latitudes ou outros períodos do ano podem ser obtidas em FROTA & SCHIFFER (1995), no programa Radiasol (www.solar.ufrgs.br). Já dados horários em planos horizontais ou normais à superfícies podem ser obtidos para algumas cidades nos arquivos climáticos disponíveis no site do LabEEEE (www.labeee.ufsc.br). Tabela 9. Radiação solar incidente em planos verticais e horizontais para o dia 22 de dezembro na latitude 30o Sul segundo FROTA & SCHIFFER (1995). Orientação Sul Sudeste Leste Nordeste Norte Noroeste Oeste Sudoeste Horizontal

4.5

6h 142 330 340 165 25 25 25 25 114

7h 188 563 633 357 43 43 43 43 345

8h 143 586 715 456 50 50 50 50 588

9h 78 502 667 475 58 58 58 58 804

10h 63 345 517 422 117 63 63 63 985

Radiação solar (W/m2) 11h 12h 13h 68 65 68 116 65 68 309 65 68 311 146 68 170 179 170 68 146 311 68 65 309 68 65 116 1099 1134 1099

14h 63 63 63 63 117 422 517 345 985

15h 78 58 58 58 58 475 667 502 804

16h 143 50 50 50 50 456 715 586 588

17h 188 43 43 43 43 357 633 563 345

18h 142 25 25 25 25 165 340 330 114

EXEMPLOS

a) Dada uma parede com transmitância térmica de 2,00 W/m2K, orientada a oeste (latitude 30o Sul) com pintura externa na cor branca, determinar o fluxo de calor para a pior situação de verão. A temperatura externa é de 30oC e a interna de 25oC. A parede tem dimensões de 5,00 x 3,00 m. Solução O fluxo de calor é dado pela equação: φ = U.A.(Text + α. RS. R se − Tint ) Assume-se α = 0,3 (parede branca); Rse = 0,04 m2K/W (tabela 1 do anexo 2); RS = 715 W/m2 (às 16 horas – tabela 8). Portanto, o fluxo de calor será: φ = 2,00.5,00.3,00.(30 + 0,3.715.0,04 – 25) = 407,4 W.

b) O mesmo problema anterior com parede na cor preta. Solução Nesta nova situação, a única variável alterada é a absortividade, que para a parede preta será assumida igual a 0,8. Portanto, teremos: φ = 2,00.5,00.3,00.(30 + 0,8.715.0,04 – 25) = 836,4 W. c) Tem-se uma parede de cor branca com transmitância térmica de 3,00 W/m2K. Determinar a transmitância que deve ter uma parede equivalente quando pintada de preto para que a densidade de fluxo de calor (W/m2) seja a mesma. Orientação leste. Latitude 30o Sul. Pior

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situação de verão. Solução Parede branca U = 3,00 W/m2K α = 0,3 RS = 715 W/m2 Rse = 0,04 m2K/W Text = 30oC Tint = 20oC

Parede preta 4.5.1.1.1 U = ? α = 0,8 RS = 715 W/m2 Rse = 0,04 m2K/W Text = 30oC Tint = 20oC

Temos que: q = U.(Text + α.RS. Rse – Tint) Para a parede branca, temos: qb = 3,00.(30 + 0,3.715.0,04 – 20) Para a parede preta, temos: qp = U.(30 + 0,8.715.0,04 – 20) Para a situação proposta, a densidade de fluxo de calor deve ser a mesma para as duas situações. Portanto, qb = qp 3,00.(30 + 0,3.715.0,04 – 20) = U.(30 + 0,8.715.0,04 – 20) U = 1,46 W/m2K. d) Determinar a espessura de cada uma das paredes do exemplo c, supondo-as de concreto maciço (λconcreto = 1,75 W/mK). Solução Parede branca: U = 3,00 W/m2K RT = 1/U = 1/3,00 = 0,3333 m2K/W RT = Rse + Rt + Rsi onde Rsi = 0,13 m2K/W Rse = 0,04 m2K/W Logo, Rt = 0,3333 – 0,13 – 0,04 = 0,1633 m2K/W Por definição, temos: Rt = e/λ e = Rt.λ = 0,1633.1,75 = 0,30 m = 30 cm. Parede preta: U = 1,46 W/m2K RT = 1/U = 1/1,46 = 0,6849 m2K/W RT = Rse + Rt + Rsi onde Rsi = 0,13 m2K/W Rse = 0,04 m2K/W Logo, Rt = 0,6849 – 0,13 – 0,04 = 0,5149 m2K/W Por definição, temos:

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Rt = e/λ

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e = Rt.λ = 0,5149.1,75 = 0,90 m = 90 cm.

e) Uma cobertura com telhas de fibro-cimento e forro de pinus apresenta uma transmitância térmica de 2,00 W/m2K para a situação de verão. Latitude 30oSul. Área = 28,00 m2. Determinar o fluxo de calor para o horário de máxima radiação solar. itir temperatura externa e interna iguais. Solução O fluxo de calor é dado pela equação: φ = U.A.(Text + α.RS. Rse – 4 – Tint) Assume-se α = 0,8 (fibro-cimento escurecido pelo tempo); Rse = 0,04 m2K/W (tabela 1 do anexo 2); RS = 1134 W/m2 (às 12 horas – tabela 8). Portanto, o fluxo de calor será: φ = 2,00.28,00.(0,8.1134.0,04 – 4) = 1808 W.

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5 DESEMPENHO TÉRMICO DE JANELAS Os vidros são materiais transparentes às radiações visíveis e permitem a iluminação natural do espaço interior estabelecendo uma conexão visual com o exterior. Porém, podem gerar problemas térmicos, acústicos e econômicos. Quando a energia radiante incide sobre uma superfície transparente ela é absorvida, refletida ou transmitida como se pode observar na Figura 74.

Condução e irradiação após a absorção Radiação Solar incidente (RS)

a.RS/2 a.RS/2 t.RS

r.RS Radiação refletida

Radiação transmitida

Figura 74. Radiação solar em superfícies transparentes.

A equação 14 mostra o balanço térmico para a Figura. α. RS + ρ. RS + σ. RS = RS ⇒ α + ρ + σ = 1

(14)

Onde α é a absortividade do vidro; ρ é a refletividade do vidro; σ é a transmissividade do vidro. Um corpo ao receber energia radiante, reage seletivamente, o que significa que a quantidade de energia que absorve, reflete ou transmite, depende do comprimento de onda do raio incidente. Com o vidro acontece um fenômeno similar como mostra a Figura 75.

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Figura 75. Comportamento de alguns vidros diante da energia radiante. 5.1

VIDRO COMUM

Se um raio formado exclusivamente por uma onda eletromagnética de 1,6 µm, por exemplo, incide perpendicularmente sobre este vidro, 80% de sua energia se transmitirá por transparência e os 20% restantes serão refletidos e absorvidos. Este vidro é muito transparente aos comprimentos de onda entre 0,4 e 2,8 µm, isto é, numa banda que inclui as radiações visíveis, o infravermelho próximo e parte de infravermelho médio. A partir deste limite, a transmissão desce bruscamente até que após os 4 µm o vidro a a comportar-se como um material totalmente opaco à radiação incidente. Quais os fenômenos térmicos que ocorrem em um local quando um raio de sol incide sobre um vidro comum? Parte dessa energia a por transparência ao interior do local e é absorvida e refletida pelos móveis e paredes. A energia absorvida se transforma em calor provocando a elevação da temperatura do meio. Como essa energia retorna ao exterior? A primeira possibilidade é por convecção. Nos locais fechados esta forma de transmissão constitui um processo lento já que primeiro o ar deve ser aquecido; depois, mediante movimentos convectivos, atingirá o vidro, o qual, mediante processos de condução, irá transmitir parte da energia ao exterior. A outra forma é por radiação. No entanto, os corpos, à temperatura normal do ambiente em que estamos, emitem energia radiante de onda longa (em torno de 9 µm). Para este comprimento de onda, o vidro é opaco, bloqueando a radiação da onda longa

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do exterior. Este processo onde a radiação solar entrou facilmente no local e encontrou dificuldades para sair é denominado efeito estufa. 5.2

VIDROS ESPECIAIS

Para amenizar as conseqüências térmicas criadas pelo vidro comum foram desenvolvidos outros tipos de vidro como os vidros absorventes (ou atérmicos) e os vidros refletivos. A tabela 10 apresenta o percentual transmitido, absorvido e refletido por alguns tipos de vidro. Tabela 10. Comportamento térmico de alguns vidros segundo RIVERO (1986). Tipo de vidro σ α ρ Comum 0,85 0,07 0,08 Absorvente claro 0,52 0,41 0,07 Absorvente médio 0,31 0,63 0,06 Absorvente escuro 0,09 0,86 0,05 Refletor médio 0,25 0,42 0,33 Refletor escuro 0,11 0,42 0,47 5.3

FLUXO DE CALOR ATRAVÉS DA JANELA

Com base na equação 12 para paredes, pode-se perceber que no caso de janelas devese acrescentar a parcela de fluxo de calor que penetra no ambiente por transparência. A equação 15 esclarece esta situação. q = U.(Text + α. RS. R se − Tint ) + σ. RS

(15)

Onde, U é a transmitância térmica, é a resistência superfcial externa Sre RS é a radiação solar incidente Separando-se os ganhos de calor devido a diferença de temperatura e devido a incidência de radiação solar obtém-se a equação 16. q = U.(Text − Tint ) + ( U. α. R se + σ). RS

(16)

Desta forma, a parcela U.α.Rse+σ é chamada de fator solar (Fs). Este fator representa a razão entre a quantidade de radiação solar que atravessa e a que incide na janela. A equação 17 apresenta a forma simplificada de determinação de densidade de fluxo de calor em janelas. q = U. ∆T + Fs . RS

(17)

As Tabela 11 e Tabela 12 apresentam, respectivamente, o fator solar para alguns tipos de superfícies transparentes e proteções solares.

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Tabela 11. Fator solar para alguns tipos de superfícies transparentes segundo LAMBERTS et alii (1997). Superfícies transparentes Fs Vidros Transparente (simples) 3 mm 0,87 Transparente (simples) 6 mm 0,83 Transparente (duplo) 3 mm 0,75 Cinza (fumê) 3 mm 0,72 Cinza (fumê) 6 mm 0,60 Verde 3 mm 0,72 Verde 6 mm 0,60 Reflexivo 3 mm 0,26 – 0,37 Películas Reflexiva 0,25 – 0,50 Absorvente 0,40 – 0,50 Acrílico Claro 0,85 Cinza ou bronze 0,64 Reflexivo 0,18 Policarbonato Claro 0,85 Cinza ou bronze 0,64 Domos Claro 0,70 Translúcido 0,40 Tijolo de vidro 0,56 Tabela 12. Fator solar para alguns tipos de proteções solares segundo LAMBERTS et alii (1997). Proteções solares Fs Internas Cortina translúcida 0,50 – 0,75 Cortina semi-translúcida 0,40 – 0,60 Cortina opaca 0,35 – 0,60 o Persiana inclinada 45 0,64 Persiana fechada 0,54 Externas Toldo 45o translúcido*** 0,36 Toldo 45o opaco*** 0,20 5.3.1.1.1 Venezianas 0,09 Esteira de madeira 0,09 Venezianas horizontais** 0,19 Brise horizontal*** 0,25 Light-shelf (espelhada)* 0,58 * Com vidro duplo, horizontal, metade da abertura com insolação direta. ** Com vidro duplo, branca e razão largura/espaçamento =1,0. *** Toda a abertura está sombreada. Os casos não especificados apresentam vidro simples 3 mm.

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5.4

78

EXEMPLOS

a) Determinar a densidade de fluxo de calor em uma janela oeste com vidro comum de 3 mm (U = 5,8 W/m2K) . Latitude 30oSul. Solução Fs = 0,87 (tabela 10); RS = 715 W/m2 (tabela 8); Text = 30oC; Tint = 25oC. q = U.∆T + Fs.RS = 5,8.(30 – 25) + 0,87.715 = 651,05 W/m2. b) Substituindo o vidro anterior por vidro cinza fumê de 3 mm (Fs = 0,72), teremos: q = U.∆T + Fs.RS = 5,8.(30 – 25) + 0,72.715 = 543,80 W/m2. c) Utilizando persiana fechada (Fs = 0,54) no exemplo a, teremos: q = U.∆T + Fs.RS = 5,8.(30 – 25) + 0,54.715 = 415,10 W/m2. d) Utilizando venezianas (Fs = 0,09) no exemplo a, teremos: q = U.∆T + Fs.RS = 5,8.(30 – 25) + 0,09.715 = 93,35 W/m2.

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79

6 VENTILAÇÃO A ventilação de um ambiente é entendida como a troca de ar interno por ar externo. Suas principais funções são as seguintes: • Manter o ambiente livre de impurezas e odores indesejáveis, além de fornecer O2 e reduzir a concentração de CO2; • Remover o excesso de calor acumulado no interior da edificação produzido por pessoas ou fontes internas; • Resfriar a estrutura do edifício e seus componentes evitando o aquecimento do ar interno; • Facilitar as trocas térmicas do corpo humano com o meio ambiente (especialmente no verão); • Remover o excesso de vapor d’água existente no ar interno evitando a condensação superficial. 6.1

VENTILAÇÃO DE INVERNO E DE VERÃO

Qualquer período do ano exige a necessidade de ventilação no ambiente construído. Porém, suas necessidades são bastante diferentes. No verão as necessidades de ventilação dizem respeito às questões térmicas e higiênicas. Porém, no inverno a necessidade é apenas de ordem higiênica. As exigências higiênicas têm caráter permanente e devem ser satisfeitas a qualquer época do ano. As térmicas só interessam quando o microclima interno é quente e o ar exterior tem uma temperatura menor que a interior, ou quando as condições de umidade devem ser alteradas. 6.2 • •

MECANISMOS DE VENTILAÇÃO

Um ambiente pode ser ventilado através de diferentes formas: Ventilação natural: - por diferença de pressão causada pelo vento; - por diferença de temperatura. Ventilação artificial: - produzida por equipamentos.

6.2.1

Ventilação natural por diferença de temperatura

Baseia-se na diferença entre as temperaturas do ar interior e exterior provocando um deslocamento da massa de ar da zona de maior para a de menor pressão. Quando, nestas condições, existem duas aberturas em diferentes alturas, se estabelece uma circulação de ar da abertura inferior para a superior, denominada efeito chaminé. Este efeito é apresentado na Figura .

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80

Figura 76. Efeito chaminé.

O efeito chaminé não é muito eficiente em casas térreas pois depende da diferença entre as alturas das janelas. Como depende, também, das diferenças entre a temperatura do ar interior e exterior, para climas quentes, especialmente no verão, esse mecanismo de ventilação não deve ser visto como a forma mais eficiente de gerar situações de conforto térmico e/ou remover o excesso de calor acumulado no interior da edificação. Neste caso, deve-se dar maior importância à ventilação dos ambientes pelo efeito do vento. 6.2.2

Ventilação natural por diferença de pressão causada pelo vento

Para que a edificação seja ventilada devido à diferença de pressão provocada pelo vento não basta que a mesma seja simplesmente exposta ao vento. É necessário que os ambientes sejam atravessados transversalmente pelo fluxo de ar, como mostra a Figura .

Figura 77. Ventilação cruzada.

Figura 78. Ventilação unilateral.

A ventilação cruzada ocorre, essencialmente, devido à existência de zonas com diferentes pressões, ou seja, na face de incidência do vento existe uma zona de alta pressão e na face oposta, uma zona de baixa pressão. No caso de ambientes sem abertura para saída do vento, tem-se a ventilação unilateral, como mostra a Figura . 6.2.3

Cálculo de ventilação por efeito do vento

Uma forma de avaliar as condições de ventilação de um ambiente comumente utilizada é a determinação do número de trocas de ar que ocorrem a cada hora. O algoritmo apresentado abaixo permite esta determinação de forma simplificada e fácil.

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81

A) Coeficiente de pressão do vento (∆)

Este coeficiente visa quantificar as eventuais reduções sofridas pelo vento em função do ângulo de incidência na abertura e do afastamento entre edificações. A Figura caracteriza o ângulo de incidência.

Figura 79. Ângulo de incidência do vento.

A Tabela 113 apresenta a diferença entre os coeficientes de pressão do vento (∆L) para casas em campo aberto em função do ângulo de incidência do vento. Tabela 13. Diferença entre os coeficientes de pressão do vento para casas em campo aberto. Ângulo de incidência (θ) Diferença entre os coeficientes de pressão do vento (∆L) 1,2 0 ≤ θ ≤ 30o o o 30 < θ ≤ 90 0,1 + 0,0183.(90 - θ)

Para o caso de loteamentos, o coeficiente de pressão do vento deve ser corrigido em função do afastamento entre as casas, conforme mostra a Tabela 14. Tabela 14. Coeficiente de pressão do vento para loteamentos. Distância entre casas Coeficiente de pressão do vento (∆) Uma casa 0,30.∆L Duas casas 0,60.∆L B) Correção da velocidade do vento

A velocidade do vento, normalmente fornecida por estações meteorológicas a 10 metros de altura deve ser corrigida para a altura de interesse, conforme mostra a equação 18. Vz = V10 . K. ZA

(18)

Onde é a velocidade do vento na altura Z de interesse (m/s); Vz é a velocidade do vento a 10 metros de altura (m/s); V10 Z é a altura da cumeeira para edificações de até dois andares ou a altura da janela para edificações mais altas (m); K e A são função da localização da edificação e podem ser obtidos na Tabela 15.

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Tabela 15. Coeficientes K e A. Localização da edificação K Campo aberto plano 0,68 Campo com algumas barreiras 0,52 Ambiente urbano 0,40 Centro da cidade 0,31

A 0,17 0,20 0,25 0,33

C) Área útil de ventilação (A)

Deve-se atentar que a área útil de ventilação pode não corresponder à área total da janela, como mostra a Figura 80.

Guilhotina A = 0,50.Ajanela

Correr (2 folhas) A = 0,50.Ajanela

Figura 80. Área útil de ventilação.

D) Fluxo de ar

O fluxo de ar é determinado de forma diferenciada para ventilação cruzada (Qw) e unilateral (Q). Ventilação cruzada O fluxo de ar (Qw) é determinado através da equação 19. Q w = 0,6. A w . Vz . ∆C P

(m3/s)

(19)

Onde, é a área equivalente de aberturas, dada pela equação 20. Aw 1 1 1 = + 2 2 AW (∑ Aentrada ) (∑ Asaída ) 2

(20)

Caso existam portas intermediárias (em série entre a entrada e a saída), deve-se acrescentar a parcela 1/(∑Aporta)2 na equação 20. Ventilação unilateral O fluxo de ar (Q) é determinado através da equação 21.

Q = 0,025. A. Vz

(m3/s)

E) Redução do fluxo de ar

(21)

Desempenho térmico de edificações

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O fluxo de ar pode sofrer reduções significativas em função do tipo de barreira que se interpõe a este fluxo. A Tabela 16 apresenta as reduções provocadas no fluxo de ar através da adoção de telas contra mosquitos. Qm representa o fluxo de ar reduzido. Tabela 16. Redução do fluxo de ar com a adoção de telas contra mosquitos. Tipo de tela Ventilação cruzada Ventilação unilateral Algodão Qm = 0,30.Qw Qm = 0,30.Q Nylon Qm = 0,65.Qw Qm = 0,65.Q F) Número de trocas de ar (N)

O número de trocas de ar por hora para ventilação cruzada é determinado pela equação 22. N=

Q.3600 V

(trocas/hora)

(22)

Onde V é o volume do ambiente ventilado (m3). Q é o fluxo de ar (m3/s) Q, na equação 22 deve ser substituído por Qw ou por Qm, respectivamente, no caso de ventilação cruzada ou no caso de se utilizar telas contra mosquitos. 6.2.4

Exemplo

a) Determinar o número de trocas de ar em uma residência com dimensões de 4,00 x 5,00 m e pé-direito de 2,50 m com duas janelas de correr (50% de aproveitamento para ventilação), uma na fachada norte, com 1,20 x 2,00 m e outra na fachada sul com 1,00 x 1,00 m, ambas com telas de nylon contra mosquitos. O vento incide normalmente à fachada norte com velocidade, a 10 m de altura, de 3,0 m/s. A altura até a cumeeira é de 3,5 m. Esta edificação está localizada em um loteamento (ambiente urbano) cuja distância entre as casas é igual a largura de uma casa. Solução Coeficiente de pressão do vento ∆l = 1,2 ∆ = 0,3 . 1,2 = 0,36 A) Correção da velocidade do vento Vz = V10 . K . ZA Para ambiente urbano, K = 0,40 e A = 0,25 (tabela 15). Portanto a velocidade do vento na

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altura da cumeeira será: V3,5 = 3,0 . 0,40 . 3,50,25 = 1,64 m/s B) Área útil de ventilação Aentrada = 0,5 . 1,20 . 2,00 = 1,20 m² Asaída = 0,5 . 1,00 . 1,00 = 0,50 m² C) Fluxo de ar Ventilação cruzada (quando as duas janelas estão abertas) QW = 0,6. AW .VZ . ∆C P Área equivalente: 1 1 1 = + = 0,46m 2 2 2 AW (1,20) (0,50) 2 Logo, Qw = 0,6 . 0,46 . 1,64 . (0,36)1/2 = 0,272 m³/s Ventilação Unilateral (considerando a janela de 1,00 x 1,00m fechada) Q = 0,025 . A . Vz Neste caso, A = 1,20 m² Logo, Q = 0,025 . 1,20 . 1,64 = 0,049 m³/s D) Redução do fluxo de ar devido ao uso de tela contra mosquitos Ventilação cruzada Da tabela 16 temos que: Qm = 0,65 . 0,272 = 0,177 m³/s Ventilação unilateral Da tabela 16 temos que: Qm = 0,65 . 0,049 = 0,032 m³/s E) Número de trocas de ar Q.3600 N= V O volume da edificação é 4,00 . 5,00 . 2,5 = 50 m³. Portanto, teremos: Ventilação cruzada 0,177.3600 N= = 12,7 trocas/hora 50 Ventilação unilateral 0,032.3600 N= = 2,3 trocas/hora 50

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EXEMPLO DO USO DAS DIRETRIZES CONSTRUTIVAS PARA HABITAÇÕES UNIFAMILIARES DE INTERESSE SOCIAL NO ZONEAMENTO BIOCLIMÁTICO BRASILEIRO O Projeto de Norma 02:135.07-003 no anexo 4, apresenta o Zoneamento Bioclimático Brasileiro e as Diretrizes Construtivas para Habitações Unifamiliares de Interesse Social. O Brasil foi dividido, segundo a norma, em oitos zonas bioclimáticas. Os parâmetros e diretrizes para cada uma das zonas são: a) tamanho das aberturas para ventilação; b) proteção das aberturas; c) vedações externas, parede externa e cobertura, informando o tipo de vedação (leve ou pesada, refletora ou isolada). d) estratégias de condicionamento térmico ivo. 7.1

EXEMPLO

Considere que você está projetando uma edificação para Florianópolis/SC, com características térmicas de paredes e cobertura conforme a Tabela 17. As paredes externas são pintadas com a cor amarela (α = 0,30), e a telha é cor de barro (α = 0,75). Tabela 17 Transmitância Térmica, capacidade térmica e atraso térmico para uma edificação exemplo. Descrição Parede / U CT ϕ 2 2 Cobertura [W/(m .K)] [kJ/(m .K)] [horas] Parede de tijolos de 6 furos circulares, assentados na maior dimensão Dimensões do tijolo: 10,0x15,0x20,0 cm Espessura arg. de assentamento: 1,0 cm Espessura arg. de emboço: 2,5 cm Espessura total da parede: 20,0 cm Cobertura de telha de barro com forro de madeira Espessura da telha: 1,0 cm Espessura da madeira: 1,0 cm

1,92

202

4,8

2,00

32

1,3

A Figura 81 mostra a planta baixa da edificação e o tamanho das aberturas. Considere todas as janelas de correr com duas folhas de vidro. O beiral está a 2,20 m acima do piso interno. Segundo o Anexo A do Projeto de Norma 02:135.07-003 (anexo 4), a cidade de Florianópolis/SC (27°35’ Latitude Sul) encontra-se na zona bioclimática 3. As diretrizes construtivas apresentadas para esta zona bioclimática serão analisadas por item para verificar se a edificação é ideal a este local específico.

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0.2

N

86

2.8

0.2

1.5

0.2

3.2

0.2

2.1

J1=1.50x1.00

0.8

0.2

J2=1.20x0.50 J3=2.00x1.00

peit.=1.60

peit.=1.10

peit.=1.10

0.2

Dormitório 1 A= 11.20m2

Dormitório 2 A= 12.80m2

J6=1.20x1.00

J5=1.20x1.00

peit.=1.10

peit.=1.10

3.5 0.8

0.2

0.2

Sala A= 24.40m2

peit.=1.10

Cozinha A= 10.50m2

J4=1.20x1.00

peit.=1.10

J7=2.00x1.00

3.5

0.2

8.1

1.2

0.2

0.2

4

3.2

BWC A= 4.80m2

projeção beiral h=2.20m

0.8

0.2

10

0.2

0.8

10.4

Figura 81 Planta Baixa edificação exemplo.

a) Aberturas para ventilação: superior a 40% da área do piso; Tabela 18. Cálculo das aberturas conforme Norma e da edificação exemplo. Ambiente Área ambiente Área abertura Norma (m²) Área abertura Aceitabi(m²) 15%<25% projeto (m²) lidade Dormitório 1 11,20 1,68<2,80 0,75 não Dormitório 2 12,80 1,92<3,20 1,00 não BWC 4,80 0,72<1,20 0,30 não Cozinha 10,50 1,58<2,63 1,00 não Sala 24,40 3,66<6,10 1,80 não

As janelas do dormitório 2 e da cozinha caso fossem de abrir (100% da área da abertura) em vez de correr (50% da área da abertura), estariam dentro das diretrizes propostas pela Norma, mas os outros ambientes precisariam aumentar as dimensões de suas janelas para poderem atender as recomendações do Projeto de Norma. Uma das soluções propostas é aumentar a altura das janelas para 1,20m e a janela do banheiro para 0,70m, com sistemas de abertura tipo de abrir (100% da abertura). Este aumento de 20 cm na parte superior da abertura poderá ser usado como uma janela basculante, permitindo ventilação higiênica no inverno (mínimo de trocas de ar por hora para um ar saudável), e ventilação noturna no verão evitando problemas com a segurança.

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b) Sombreamento das aberturas Janela J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7

Tabela 19. Sombreamento das aberturas para a edificação exemplo. Sombreamento Aceitabilidade permite entrada de sol só no período frio (inverno) sim evita sol setembro a março sim permite entrada de sol só no período frio (inverno) sim permite entrada de sol período matutino parcial permite entrada de sol início manhã e fim da tarde período quente parcial permite entrada de sol início manhã e fim da tarde período quente parcial permite entrada de sol a partir 14:00 h. no inverno e 15:00 h. no verão não

As janelas J5 e J6 precisariam de algum tipo de proteção solar lateral (brise vertical) ou alguma proteção pela vegetação para impedir a entrada do sol durante o período quente (vegetação caduca). Já a J7 precisaria de algum tipo de proteção solar frontal, como vegetação ou até mesmo venezianas, que impedissem a entrada indesejada de sol. Uma outra opção para a J7, seria orientar a abertura na direção sul, necessitando protegê-la apenas nos períodos de início e fim do dia no período quente. c) Vedações Externas Pelo projeto de Norma, a parede deve ser leve e refletora, e a cobertura leve e isolada. As características de transmitância térmica, atraso térmico e fator de calor solar da edificação e os especificados pela Proposta de Norma são apresentados na Tabela 20. Tabela 20. Transmitância Térmica, atraso térmico e Fator de Calor Solar conforme a Norma e da edificação exemplo. Parede Parede AceitaCobertura Cobertura AceitaNorma exemplo bilidade Norma exemplo bilidade 1,92 Sim 2,00 Sim “U” ≤ 3,60 ≤ 2,00 (W/m2K) Atraso 4,8 Não 1,3 Sim ≤ 4,3 ≤ 3,3 térmico (h) FCS 4,32 Não 6 Sim ≤ 4,0 ≤ 6,5 (%)

Seguindo as diretrizes do Projeto de Norma, o Atraso térmico e o Fator de Calor Solar estariam acima dos valores recomendados, mas a transmitância térmica é aceitável. O recomendado seria usar uma composição de parede que apresentasse menor atraso térmico, como as duas paredes apresentadas na Tabela 21.

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Tabela 21. Transmitância Térmica, atraso térmico e Fator de Calor Solar conforme a Norma e da edificação exemplo. Parede

Descrição Parede de tijolos de 8 furos quadrados, assentados na menor dimensão Dimensões do tijolo: 9,0x19,0x19,0 cm Espessura arg. de assentamento: 1,0 cm Espessura arg. de emboço: 2,5 cm Espessura total da parede: 14,0 cm

U [W/(m2.K)]

CT [kJ/(m2.K)]

ϕ [horas]

2,49

158

3,3

4,40

240

2,7

Parede de concreto maciço Espessura total da parede: 10,0 cm

Calculando o FCS das duas paredes da Tabela, percebe-se que para α = 0,30 (amarelo), só a parede de tijolo é que se encontra dentro da Norma, mas para α = 0,20 (branco) a parede de concreto também atenderia a Norma. d) Estratégia de condicionamento térmico ivo para o verão: Ventilação cruzada. Para garantir a ventilação cruzada nos dormitórios, sugere-se o uso de venezianas nas janelas, garantindo a ventilação no período noturno sem ter-se preocupações com segurança, e em cima das portas internas, colocar uma bandeira de veneziana, permitindo a ventilação cruzada, mesmo com as portas dos dormitórios estando fechadas. Nas aberturas da sala e cozinha, sugere-se o uso de janelas basculantes sobre as janelas. Assim será possível, mesmo com as janelas de correr (ou abrir) fechadas, permitir a ventilação cruzada através das janelas basculantes no período noturno. e) Estratégia de condicionamento térmico ivo para o inverno: Aquecimento Solar da edificação; Nos ambientes íntimos o aquecimento solar na edificação se dará pelo fato de se permitir a incidência solar apenas no inverno. Já os ambientes de estar permitem que o aquecimento matinal ocorra de um lado da edificação, e o aquecimento vespertino em outra lado da edificação, e pelo fato dos ambientes de estar serem integrados, eles garantem uma melhor distribuição térmica. Vedações internas pesadas. As paredes internas continuarão sendo de tijolos de 6 furos circulares, assentados na maior dimensão (dimensões do tijolo: 10,0x15,0x20,0 cm). 7.2

CONCLUINDO… Esta edificação para atender a Proposta de Norma 02:135.07-003 no anexo 4, precisaria modificar algumas de suas características a princípio propostas: 1. Aumentar área das aberturas para ventilação; 2. Sombreamento de todas as aberturas nos períodos críticos de verão;

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3. Alterar as características térmicas de sua parede, ou a absortividade de sua parede; 4. Alterar as características de suas aberturas para permitir a ventilação cruzada.

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