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VI Encontro Nacional e IV Encontro Latino-americano sobre Edificações e Comunidades Sustentáveis - Vitória – ES - BRASIL - 7 a

9 de setembro de 2011

A aplicação da Termografia como ferramenta de investigação térmica no espaço urbano

José Rodrigo Viana Monteiro¹ , Solange Maria Leder²

(1) Mestrando do Programa de Pós-graduação em Engenharia Urbana e Ambiental, PPGEUA-UFPB, Brasil. E-mail: [email protected]

(2) Drª em Engenharia Civil, Departamento de Arquitetura e Urbanismo, Universidade Federal da Paraíba, Centro de Tecnologia, João Pessoa. E-mail: [email protected]

Resumo: Nas regiões de clima quente, com elevada temperatura e níveis de radiação solar, é

recomendável o uso de materiais leves, de baixa absorção e o uso de sombreamento. Contudo, no meio

urbano o uso de materiais de alta inércia térmica e a constante redução da vegetação e áreas verdes

resultam em uma morfologia urbana com características opostas à recomendação e com elevado

acúmulo de calor. A temperatura superficial acaba por moldar a temperatura do ar, gerando

desconforto no ambiente urbano e aumentando a necessidade de consumo energético para a obtenção de

conforto nas edificações. Este trabalho investiga o comportamento térmico do entorno, como corpos

emissores de calor, em um recorte urbano. Para a investigação das temperaturas superficiais foi

empregada a técnica inovadora da Termografia, com a captação de imagens em infravermelho, com

medições em três períodos do dia. No centro comercial da João Pessoa algumas áreas com

características heterogênea, com forte presença de vegetação e outras com quase total ausência de

vegetação serviram de estudo para a utilização de imagens termográficas, construindo uma metodologia

de análise no espaço urbano ainda não explorada, podendo-se constituir uma fértil possibilidade de

análise micro-climática e das condições de conforto no meio urbano.

Palavras-chave: Termografia, temperatura superficial, espaço urbano.

Abstract: In warm climates with high temperature and solar radiation levels, we recommend the use of

lightweight materials, low absorption and use of shading. However, in urban areas the use of materials

with high thermal inertia and the constant reduction of vegetation and green areas result in an urban

morphology with opposite characteristics to the recommendation and with a high heat buildup. The

surface temperature ultimately shape the air temperature, causing discomfort in the urban environment

and increasing the need for energy to achieve comfort in buildings. This work investigates the thermal

behavior of the surroundings, as heat-emitting bodies in an urban section. For the investigation of

surface temperatures were employed the innovative technique of thermography, the capturing of infrared

images, with measurements in three periods of the day. In the commercial center of Joao Pessoa some

areas with heterogeneous characteristics, with a strong presence of other vegetation and almost total

absence of vegetation were used to study the use of thermographic images, building a methodology for

analyzing the urban space not yet explored, and it can be constitute a fertile opportunity for analysis and

micro-climatic comfort conditions in urban areas.

Key-words: Thermography, Surface Temperature, Urban Space.

1. INTRODUÇÃO

Segundo dados da ONU referentes de 2002, mais de 75% da população mundial reside em áreas urbanas, e com o crescimento da economia e aumento da expectativa de vida em muitos países vem acompanhada do processo de adensamento e verticalização do sitio urbano, modificando o clima urbano, substituindo-se as áreas verdes e permeáveis por edifícios e áreas pavimentadas, as cidades vão se expandindo e alterando as condições naturais, intensificando o conjunto de elementos condicionantes do clima.

O calor antropogênico, produzido pelo homem, com a reduzida velocidade dos ventos e a poluição do ar nas áreas urbanas contribuem para a formação de ilhas de calor. As estruturas urbanas estão expostas a



ação de diferentes elementos que caracterizam o clima, e dentre os principais parâmetros que influenciam o clima urbano podemos citar a geometria urbana e a propriedade térmica dos materiais (Arnfield, 2003).

A radiação solar é responsável por uma parcela significativa da carga térmica nos edifícios. A radiação solar – direta ou difusa, ao ser absorvida pelas superfícies exteriores origina um armazenamento de calor que, por convecção e condução, pode aquecer e causar o desconforto no espaço urbano e, conseqüentemente, no interior das edificações, contribuindo para o aumento no consumo energético através do aumento da necessidade de condicionamento artificial nos ambientes internos.

As temperaturas de superfície são mais variantes do que as temperaturas do ar ao longo do dia, superfícies urbanas, como coberturas e calçadas, são aquecidas rotineiramente pelo sol, e suas temperaturas podem ficar de 27 a 50º C. À noite, essas superfícies liberam o calor acumulado, geralmente voltando à temperatura original do ar. Árvores, gramas e outros tipos de vegetação tendem a se manter mais frescos sob o sol de verão, com temperatura igual ou inferior a temperatura do ar, desde que devidamente hidratados. Em dias nublados, com ventos fortes, os efeitos da temperatura da superfície sobre a temperatura do ar são menores. (Gartland, 2010). As coberturas dos edifícios tendem a reter o calor gerado pela radiação direta, por estarem expostas por um longo período do dia a ação do sol. Os materiais empregados nas cobertas, estanques e de coloração escura, contribuindo na retenção do calor na superfície urbana. As coberturas das edificações cobrem cerca de 20% das áreas urbanas e suburbanas e são as características mais quentes vistas em imagens térmicas de satélites. Já os pavimentos cobrem entre 25% a 50% das cidades sendo geralmente o aspecto mais dominante em nosso ambiente urbano. As características térmicas dos pavimentos exercem muita influencia sobre a formação das ilhas de calor (Gartland, 2010).

Todos os materiais apresentam capacidade de absorver a radiação infravermelha, convertendo-a em um aumento de temperatura, e todos os materiais acima do zero absoluto emitem radiação, sendo a radiação infravermelha compreendida entre a região visível e as microondas do espectro magnético, com comprimento de onda de 0,75 a 10µm. A técnica da termografia infravermelha transforma a emissão padrão do objeto em imagem visível, medido a radiação infravermelha emitida pelos objetos, sendo detectada pela câmera três componentes de radiação nos objetos, a emissão, transmissão e reflexão (Ocaña,2004). A termografia infravermelha vem sendo empregada também no diagnostico de ganhos e perdas de calor nas edificações e no meio urbano. Dentre as principais condições que influenciam a medição está o valor de emissividade, a condição ambiental, o tipo de cor da superfície e a refletividade da superfície (Freitas, 2007).

Destacando o clima de João Pessoa, segundo estudo realizado por Carvalho (2001) - que consistiu no tratamento estatístico de uma séries de dados climáticos medidas na estação meteorológica do Aeroporto Castro Pinto, referentes ao período de 1985 a 1994 e no qual se definiu dias típicos de projeto considerando níveis de freqüências de ocorrência acumuladas (NFOA) de 10% - as temperaturas em um dia típico de verão para João Pessoa variam de 24°C, às 2:00 horas, até 31°C, observada às 14:00 horas. A umidade relativa observada variando de 92% a 57%. Calmarias na madrugada e velocidades do vento maiores para o período da tarde.

2. OBJETIVO

O objetivo desta pesquisa é analisar o efeito causado pela radiação solar sobre as superfícies urbanas, diagnosticando no espaço urbano as principais fontes acumuladoras de calor, assim como, avaliar a utilidade da termografia infravermelha como técnica de detecção da performance térmica de recintos urbanos.

3. JUSTIFICATIVA

Os estudos referentes ao clima urbano servem de base para se constituir o desenvolvimento sustentável no planejamento urbano. O conforto térmico é essencialmente importante nos espaços abertos e sua



concepção provem da análise climática da mesoescala urbana e, a partir de vários estudos, a definição de um “clima urbano ideal” proverá da combinação dos diferentes níveis de planejamento e escalas climáticas (Katzschner, 2002). Nesse contexto, é necessário ampliar os estudos sobre o impacto do aumento das superfícies acumuladoras de calor no meio urbano, em diferentes condições climáticas. Assim como, o estudo de novas metodologias de investigação e análise.

Nas áreas urbanas diversas construções absorvem e retém mais calor do sol do que materiais naturais, os materiais de construção em sua maioria são impermeáveis e estanques, e não apresentam umidade disponível para dissipar o calor do sol, e os materiais de revestimento de cor escura, em edifícios e pavimentos, também apresentam maior capacidade de reter o calor quando expostos a radiação direta.

Além dos materiais construtivos o fluxo de pessoas e veículos incrementam o ganho e acúmulo de calor da atmosfera urbana. A complexidade de se analisar esta diversidade de elementos carece de estudos, mais especificamente, o centro comercial da cidade de João Pessoa é mais complexo ao se destacar no local o conjunto de edificações históricas existente - patrimônio material a ser preservado.

Para o referido estudo foram analisados, através da termografia, vários pontos localizados no centro comercial da cidade de João pessoa, local de intensa atividade econômica, associada a algumas áreas verdes de parques e praças. Os pontos averiguados demonstram as rotas e percursos de grande uso, com objetivo de identificar as principais fontes de calor.

4. MÉTODO

O estudo está baseado, principalmente, na medição da temperatura de superfície, utilizando-se uma câmera termográfica da marca FLIR modelo B400 para o registro de imagens térmicas. A técnica da termografia é uma tecnologia inovadora já utilizada em testes não destrutivos, detectando a temperatura superficial, investigando causas e extensões patológicas em objetos. As câmeras captam a radiação infravermelha emitida pela superfície convertendo em sinais elétricos, criando uma imagem térmica com um gradiente de temperatura superficial (Barreira, 2007).

A radiação corresponde ao mecanismo de trocas de calor entre dois corpos, distantes entre si, capazes de absorver e emitir energia térmica. Quando a energia incide sobre um corpo parte dela é refletida, outra é absorvida e uma terceira é transmitida, sendo a parcela absorvida a responsável pelo aumento de temperatura do corpo (Santos Apud Carvalho, 2001). Todos os objetos com temperaturas acima do zero absoluto (-273,15ºC ou 0ºK) emitem radiação eletromagnética, e a termografia é a técnica de medição baseada na detecção do espectro infravermelho, usualmente de ondas de 2-5,6 µm e 8-14 µm (Avdelidis, Moropoulou, 2003). Os materiais ao absorverem a radiação infravermelha convertem esta radiação em aumento de temperatura (Ocaña, Guerreiro, Requena, 2004). Para a detecção desta radiação infravermelha são utilizadas câmeras especiais que permitem mapear gradientes de temperatura na superfície de objetos, mas a realização correta destas medições depende algumas recomendações e procedimentos.

Conforme estudos realizados por Marinoski (2010), algumas informações do ambiente e da superfície a ser analisada devem servir de parâmetro para os dados de entrada da câmera termográfica, que são definidos pelo operador, como a emissividade e a temperatura refletida.

A emissão da radiação eletromagnética depende de uma propriedade chamada emissividade (ε), que apresenta valores na faixa de 0 à 1, superfícies com baixos valores de emissividade, próximos a 0 são altamente refletores, enquanto valores próximos a 1 são perfeitos emissores, propriedade esta que fornece a capacidade de emissão de energia de uma superfície em relação a um corpo negro (Avdelidis, Moropoulou, 2003). O outro dado de entrada é a temperatura refletida (Tr), parâmetro que serve para compensar a radiação emitida pelo objeto e a radiação emitida pela atmosfera. No caso da emissividade ser baixa, a distância entre câmera e objeto ser grande e, a temperatura do objeto, estar relativamente próxima a do ambiente, será necessário regular e compensar (Flir System, 2005).



Os testes realizados por Marinoski (2010), para se realizar um ajuste simplificado da Temperatura Refletida (Tr), durante medições em campo, é aconselhável aplicar a esta variável o mesmo valor da temperatura do ar (Tar). A maioria dos materiais de construção apresentam valores de emissividade de 0,90 a 0,95, o que torna possível obter-se corretos valores de temperatura (Ocaña, 2004). Contudo alguns materiais apresentam baixos valores de emissividade (materiais metálicos e materiais com superfícies brilhantes), fazendo com que pesquisas e medições através da termografia demonstrem maus resultados, com temperaturas abaixo da situação real. Para as medições de temperatura do ar e umidade relativa, dados utilizados também no registro das imagens termográficas, foi utilizado o Multimeter ITPM 600, da marca Instrutherm, aferindo-se em cada ponto e horário de medição com a câmera estas variáveis. As medições ocorreram em dois dias consecutivos do mês de fevereiro, em condição de céu claro, sem nuvens, assim como nos dias anteriores a medição.

Os testes com a câmera termográfica no meio urbano foram realizados nos pontos distribuídos conforme a figura 1. Para a realização dos testes algumas recomendações são importantes, deve-se evitar a exposição da direção da lente diretamente à radiação solar, o conhecimento dos parâmetros das variáveis de entrada, emissividade, temperatura refletida, temperatura do ar, umidade relativa e distância do objeto, é necessário para melhores resultados. A velocidade do vento deve ser menor que 1m/s, a fim de evitar que a condição de convecção do calor pelo vento altere os resultados no momento do registro da imagem. Também, devem-se evitar registros em períodos com fortes chuvas, devido a ausência de diferenças de temperatura superficial e temperatura do ar nestas condições. (Albatici, Tonelli, 2010).

Figura 1 Bairro do Centro da cidade de João Pessoa

5. RESULTADOS

Com a técnica utilizada neste trabalho - termografia na investigação das temperaturas superficiais em recintos urbanos – pode-se observar que o pavimento de ruas e calçadas tem uma contribuição significativa para o armazenamento de calor. As temperaturas das superfícies de pavimentos, vedações e coberturas das edificações e mobiliário urbano mantiveram-se mais elevadas que a temperatura do ar, devido principalmente a maior exposição solar. O sombreamento, de árvores e prédios, foi o elemento que amenizou a condição de calor retido nas superfícies.

As imagens foram, no primeiro dia de medição, registradas em quatro intervalos de hora: 8:00 h, 12:00 h, 15:00 h e 17:00 h. Após a análise sobre as primeiras medições constatou-se que os horários mais propícios seriam o início da manhã, por volta das 8:00 h, e o período próximo ao final da tarde, entre 15:00 h e 16:00 h. Essa constatação coincide com as recomendações de outros autores, que indicam

LEGENDA Figura 2 à 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9 Figura 10 Figura 11 Figura 12 Figura 13



horários de início e final do dia para medições com a câmera termográfica (Ocaña, Guerreiro, Requena, 2004).

As medições nos horários de 12:00 h e 17:00 h apresentam imagens desfocadas, enquanto que os registros nos horários de 8:00 h e 15:00 h apresentam uma nitidez maior, possibilitando melhores interpretações e resultados. Estes fatos resultam de variáveis como a direção da radiação solar e a condição da atmosfera urbana.

As imagens das figuras 2 a 6 representam as primeiras medições realizadas com este trabalho. O gradiente de temperatura, faixa vertical, no canto direito das imagens, representa a temperatura mais baixa e a mais elevada da cena observada. Na figura 3 - parada de ônibus, pode-se observar que a temperatura no asfalto apresenta-se na faixa dos 40ºC, enquanto a temperatura na calçada (em sombra) está próxima da temperatura do ar, às 8:00 h. A temperatura superficial da calçada no período da tarde, a partir das 12:00 h, é similar comportamento verificado no asfalto, ainda que a calçada tenha coeficiente de reflexão menor que o asfalto, contrariando a afirmação de Gartland (2009), que pavimentos de concreto mantém-se mais frescos quando comparados a pavimentos de asfalto, mesmo nos dias mais quentes e ensolarados. Pavimentos de concreto, segundo a autora apresentam temperaturas abaixo de 50ºC, enquanto o asfalto, comumente, apresenta valores superiores a 65ºC.

Figura 2 Pontos de parada dos onibus, Parque Solon de Lucena-Centro

Figura 3 Registro Termográfico as 8hs






Após a constatação do horário mais adequado, as medições subseqüentes foram realizadas nos horários de 8:00 h e 17:00 h. As imagens apresentadas a seguir foram registradas em diversos locais do centro urbano em analise, com presença e ausência de vegetação.

Na figura 8, pode-se perceber que a circulação de veículos e as áreas de estacionamento próximas às calçadas contribuem no acúmulo de energia térmica, através da retenção de calor devido à baixa emissividade dos materiais dos veículos, assim como, o calor gerado pelos motores – valores de até 105 ºC.



Figura 7 Área de estacionamento e registro termográfico as 15:00h

Figura 8 Viadulto Damásio Franca e registro termográfico as 15:00h

As superfícies verticais – correspondentes as fachadas dos edifícios, tem um comportamento de temperatura mais heterogêneo, influenciado pela constituição do material de revestimento, forma e detalhes construtivos, reentrâncias e saliências e coeficiente de reflexão. Observa-se na figura 11 a influência da cor na temperatura superficial da fachada da edificação, assim como, alguns efeitos de sombreamento.

É importante observar que a emissividade adotada, nas medições realizadas com este trabalho, corresponde àquela comumente encontrada nos materiais de construção opacos e não metálicos. A temperatura superficial encontrada nas aberturas, gradis e outros elementos com emissividade em outra faixa, não representa a situação real.

As coberturas dos edifícios tendem a reter o calor gerado pela radiação direta, pois estão expostas durante quase todo o dia a ação do sol. Os materiais empregados nas cobertas, estanques e de coloração escura contribuem ainda mais para reter o calor na superfície urbana. Na Figura 12, destaca-se a imagem do coreto, que apresenta na sua cobertura, temperatura superficial em torno de 38 ºC.



Figura 9 Paraíba Palace Hotel e e registro termográfico as 8:00h

Figura 10 Pavilhão do Chá e registro termográfico as 8:00h

Figura 11 Academia de Comércio Epitácio Pessoa e registro termográfico as 8:00h

O efeito do sombreamento em parques e praças amenizam a ação da radiação, nestes locais de alta obstrução de céu, as temperaturas de superfície apresentam reduzida amplitude térmica entre os horários, sem grandes diferenças em relação a temperatura do ar.

A ausência de áreas sombreadas construídas ou naturais e a alta incidência de radiação nos primeiros horários do dia cerca de 700wh/m² a 1.110wh/m² (Carvalho, 2001) na superficie já nos primeiros horários da manha, provoca o aquecimento de todas as superficies expostas moldando a temperatura do ar.



As temperaturas de superficie horizontal com piso impermeável sombreadas apresentam-se comumente na faixa de temperatura igual a do ar. A temperatura superficial em árvores e jardins verdes, com temperaturas superficiais similares e inferiores a temperatura do ar, pode ser relacionado com o processo de evapotranspiração realizado pelas plantas.

Figura 12 Parada de onibus e registro termográfico realizado as 8:00h

Figura 13 Praça Rio Branco e Registro Termográfico as 8:00h

A ausência de elementos de sombreamento nas fachadas de edificios, transparece em alta na temperatura superficial vertical que se reflete em aumento da sensação de calor no meio externo. As cores escuras nas fachadas absorvem mais as ondas de calor dada a radiação incidente, causando o desconforto nos usuários. Com o aumento da temperatura externa superficial nestes imoveis, há tambem um aumento no consumo energetico demandada pelo condicionamento termico artificial traduzidas em um aumento no consumo de energia eletrica.

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Este trabalho investiga o comportamento térmico superfícial em recintos urbanos, através da termografia. A área em análise é o centro comercial de João Pessoa, os locais analisados diferenciaram-se principalmente pela presença e ausência de vegetação e sombreamento. A radiação solar é uma variável de grande impacto, principalmente nas superfícies horizontais, porem estudos referenciado-se as superfícies verticais urbanas ainda demonstra-se ausente de correlatos, principalmente em relação ao uso da termografia.



A técnica mostrou-se similar as imagens térmicas geradas por satélite, com a vantagem da percepção e captação das superfícies verticais no espaço urbano, tratando-se de uma investigação de rápida apreensão das condições de temperatura de superfície em variados pontos de medição, mapeando no ambiente elementos acumuladores de calor no nível do usuário do espaço urbano.

Os materiais de construção considerados frescos, com a utilização de cor mais clara, ou pavimento permeável, permitindo a evapotranspiração, não são suficientes a mitigar o aquecimento do espaço urbano, principalmente em locais de baixa latitude com alta potencia de radiação global.

A condição de sombreamento ameniza a temperatura de superfície de forma mais eficaz, reduzindo as reflexões e absorção das ondas de calor providas da radiação direta, reduzindo a temperatura do ar no meio urbano. Contribuindo também para a não restrição e uso de determinados materiais considerados “quentes”. Temperaturas superficiais registradas na condição de sombreamento apresentam valores similares a temperatura ambiente do ar, enquanto que a vegetação, mesmo exposta a radiação, apresenta temperaturas até menores que a condição dada pela temperatura do ar.

O uso da termografia para observar a carga térmica na superfície urbana demonstra que o período de inicio da manha, até as 8:00h, e próximos ao final da tarde, a próximo as 16:00h são os períodos do dia que melhor respondem a investigação térmica. Dentre as principais condições que influenciam a medição está no ato da medição buscar-se momentos de calmaria, com ausência de ventos fortes, acima de 1m/s, alem da posição da câmera em relação ao objeto, que deve está protegida da ação da radiação solar direta sobre a lente, e o tipo de superfície e sua refletividade.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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