DISSERTAÇÃO_VentilaçãoNaturalGalpões

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA CIVIL

VENTILAO NATURAL EM GALPES UTILIZANDO LANTERNINS

Ouro Preto, setembro de 2005.

II

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO ESCOLA DE MINAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL

PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA CIVIL

VENTILAO NATURAL EM GALPES UTILIZANDO LANTERNINS

AUTORA: ANA AMLIA OLIVEIRA MAZON

ORIENTADOR: Prof. Henor Artur de Souza

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao do Departamento de Engenharia Civil da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto, como parte integrante dos requisitos para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia Civil, rea de concentrao: Estruturas Metlicas.

Ouro Preto, setembro de 2005.

Catalogao: [email protected]

M476v Mazon, Ana Amlia Oliveira. Ventilao natural em galpes utilizando lanternins [manuscrito]. / Ana Amlia Oliveira Marzon. - 2005. xx, 188f. : il., color, graf., tabs.

Orientador: Prof Dr Henor Artur de Souza. rea de concentrao: Construo Metlica. Dissertao (Mestrado) Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Departamento de Engenharia Civil. Programa de Ps Graduao em Engenharia Civil.

1. Estruturas metlicas - Teses. 2. Ventilao - Teses. 3. Conforto

trmico Teses. 4. Galpes construes Teses. 5.

Aquecimento

IV

Aos meus pais, Jair e Eliana, exemplos de vida, cujo amor e dedicao so um incentivo constante busca das minhas realizaes. Obrigada pela confiana e formao recebida.

V

AGRADECIMENTOS

Deus pela vida, pelas oportunidades e por meus pais que so a razo da minha vida.

Universidade Federal de Ouro Preto, funcionrios e professores do Mestrado em Engenharia Civil, pelo crescimento pessoal e profissional.

CAPES, pelo apoio via bolsa de estudos.

Ao professor Henor, pelo companheirismo e dedicao durante o desenvolvimento da dissertao.

Aos meus colegas do mestrado em estruturas metlicas e colegas da Sala 26, pela amizade e descontrao durante todo o tempo que passamos juntos.

Ao meu primo e aluno bolsista da graduao Rodolfo, que acompanhou o desenvolvimento desta dissertao.

A todos os meus amigos, em especial, Carol (Ana Carolina Andrade), amiga e irm, pela convivncia em todos os passos da nossa vida acadmica, do pr-escolar ao

mestrado.

toda minha querida famlia, pelo apoio e incentivo constantes.

todos que, direta ou indiretamente, colaboraram na realizao do meu trabalho.

VI

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS................................................................................................IX

LISTA DE TABELAS ...........................................................................................XVII

LISTA DE QUADROS........................................................................................ XVIII

RESUMO ................................................................................................................XIX

ABSTRACT............................................................................................................. XX

CAPTULO 1 Introduo .......................................................................................1 1.1. O conforto trmico............................................................................................1 1.2. Ventilao do ambiente e o conforto trmico ....................................................2 1.3. Justificativa.......................................................................................................5 1.4. Objetivos ..........................................................................................................6

1.4.1. Geral ........................................................................................................6 1.4.1. Especficos ...............................................................................................6

1.5. Metodologia adotada.........................................................................................6 1.6. Estrutura do trabalho.........................................................................................7

CAPTULO 2 Conforto Humano ...........................................................................9 2.1. Interao trmica entre o homem e o meio ambiente .........................................9 2.2. Importncia do conforto trmico .....................................................................18

2.2.1. Satisfao...............................................................................................18

2.2.2. Conservao de energia ..........................................................................18 2.2.3. O estabelecimento de padres.................................................................19

2.3. Conforto trmico e produtividade....................................................................20

CAPTULO 3 Ventilao em Edificaes .............................................................21

VII

3.1. Consideraes gerais.......................................................................................21 3.2. A necessidade da ventilao............................................................................26 3.3. Tipos de ventilao natural .............................................................................30

3.3.1. Ventilao pelo efeito chamin.............................................................31

3.3.2. Ventilao Cruzada ..............................................................................34 3.3.3. Ventilao Unilateral............................................................................35

3.4. Modelagem matemtica da ventilao natural ..............................................40 3.4.1. Vazo de ar atravs de uma abertura.....................................................42 3.4.2. Foras geradoras da ventilao natural .................................................43 3.4.3. Coeficiente de presso..........................................................................47

3.4.4. Obteno da vazo e da rea de abertura...............................................48 3.5. ndice de ventilao natural IVN ................................................................53

3.5.1. Clculo do Raa ......................................................................................55 3.5.2. Valores de Rda ......................................................................................55 3.5.3. Valores de Rmd para os aparatos mais usuais.........................................55

3.6. Relao entre o algoritmo para o clculo das reas de aberturas e o IVN.......57 3.7. Recomendaes de projeto............................................................................57 3.8. Equaes governantes ..................................................................................59

CAPTULO 4 Galpes ..........................................................................................61 4.1. Consideraes gerais.......................................................................................61 4.2. O galpo e sua adequao aos diferentes climas do Brasil ...............................61 4.3. Estratgias construtivas para modificar favoravelmente o ambiente das

instalaes .....................................................................................................63 4.3.1 Orientao............................................................................................63 4.3.2. Disposio das construes ..................................................................64 4.3.3. Proteo contra a insolao ..................................................................64 4.3.4. Oites...................................................................................................64 4.3.5. Coberturas............................................................................................65 4.3.6. Inclinao do telhado............................................................................65 4.3.7. O emprego de lanternins.......................................................................65 4.3.8. Influncia da vizinhana Paisagismo circundante Quebra-vento......68

VIII

4.4. Conforto trmico.............................................................................................68 4.4.1. Iluminao natural................................................................................69 4.4.2. Ventilao natural ................................................................................70

4.4.2.1. P direito .......................................................................................73

4.4.2.2. Aberturas para passagem do ar.......................................................75 4.4.2.3. Localizao das aberturas ..............................................................76 4.4.2.4. rea total das aberturas .................................................................77 4.4.2.5. rea efetivamente disponvel para a passagem do ar......................77 4.4.2.6. Distncia entre os elementos que formam os canais de

passagem do ar e presena de tela protetora ....................................78

4.4.2.7. Direcionamento do fluxo de ar durante sua passagem pelo aparelho..........................................................................................79

4.5. Mtodos existentes para o dimensionamento de aberturas de ventilao natural dos edifcios.......................................................................................80

4.6. Uniformidade da distribuio das sadas de ar quente sobre o telhado ............80 4.7. Recomendaes e solues construtivas.........................................................88

CAPTULO 5 Estudo de Caso ..............................................................................92 5.1. Aplicao da metodologia de clculo apresentada ...........................................92 5.2. Abordagem numrica......................................................................................95

5.2.1. Dificuldades na simulao de escoamentos em ambientes internos .......96 5.2.2. Programa computacional utilizado........................................................97 5.2.3. Soluo numrica .................................................................................98

5.3. Resultados obtidos ........................................................................................100 5.3.1. Verificao da malha de discretizao ................................................101 5.3.2. Casos estudados .................................................................................104

5.3.2.1. Caso 1 .........................................................................................104 5.3.2.2. Caso 2 .........................................................................................106

5.3.3. Outras configuraes de galpo analisadas .........................................107 5.3.3.1. Configurao A ...........................................................................108 5.3.3.2. Configurao B ...........................................................................110 5.3.3.3. Configurao C ...........................................................................112

IX

5.3.4. Influncia da posio de aberturas ......................................................115 5.3.5. Diferentes alturas das aberturas do lanternim......................................117 5.3.6. Influncia do p-direito ......................................................................121

CAPTULO 6 Concluses ....................................................................................128 6.1. Sugestes para pesquisas futuras...................................................................129

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ...................................................................130

ANEXO I Algoritmo de clculo da rea de abertura do lanternim ...................136

ANEXO II Definies utilizadas para a definio do conforto trmico .............166

ANEXO III Resultados numricos.......................................................................172

X

LISTA DE FIGURAS

CAPTULO 2

Figura 2.1 Carta de Olgyay.......................................................................................11 Figura 2.2 Diagrama de Givoni.................................................................................12

Figura 2.2 Relao da percentagem de pessoas insatisfeitas em funo do voto mdio estimado PMV...........................................................................17

CAPTULO 3

Figura 3.1 Porcentagem da rea de piso ocupada por solues de ventilao.............23

Figura 3.2 Porcentagem por custo de investimento para a instalao de solues de ventilao ...............................................................................................24

Figura 3.3 Porcentagem por custo de manuteno e consumo eltrico de solues de ventilao.............................................................................24

Figura 3.4 Posio das aberturas x reas pouco ou mal ventiladas.............................29 Figura 3.5 Obstculos x mudana de direo do vento ..............................................29 Figura 3.6 O efeito de beirais e venezianas na direo do vento ................................30 Figura 3.7 (a) Distribuio da presso interna e externa para o fluxo devido ao

efeito chamin. (b) fluxo atravs de duas aberturas: uma superior e uma inferior. (c) fluxo atravs de uma nica abertura......................................31

Figura 3.8 Ventilao pelo efeito chamin numa edificao de um s pavimento......33

Figura 3.9 Ventilao pelo efeito chamin numa edificao com mais de um pavimento ...............................................................................................33

Figura 3.10 Ventilao cruzada numa edificao de um s pavimento ......................34 Figura 3.11 Esquema de ventilao cruzada global numa edificao com mais de

um pavimento .........................................................................................35 Figura 3.12 Casos tpicos de ventilao natural em galpes ......................................36 Figura 3.13 Ventilao unilateral numa edificao de um s pavimento....................36 Figura 3.14 Esquema de ventilao unilateral numa edificao com mais de um

pavimento ..........................................................................................37

XI

Figura 3.15 Esquema de estratgias de ventilao naturais combinadas numa edificao com mais de um pavimento ...............................................38

Figura 3.16 Ventilao combinada atravs do trio centralmente colocado numa edificao com mais de um pavimento ...............................................38

Figura 3.17 Ventilao combinada em um trio numa edificao com mais de um pavimento ..........................................................................................39

Figura 3.18 Vento em oposio ao efeito chamin ....................................................40 Figura 3.19 Exemplo de ventilao natural de uma edificao trrea.........................40 Figura 3.20 Diferenciais de presso causados pela ao do vento e da temperatura ...42 Figura 3.21 Distribuio de presses internas e externas ao longo da altura de um

edifcio .................................................................................................42 Figura 3.22 (a) fora do vento auxilia o efeito chamin; (b) fora do vento no

auxilia o efeito chamin com fluxo ascendente; e (c) fora de vento no auxilia o efeito chamin com fluxo descendente ...................................46

Figura 3.23 Definio do coeficiente de presso .......................................................47 Figura 3.24 Cotas e parmetros fsicos para o ar .......................................................49 Figura 3.25 Valores de Rmd para os aparelhos tipo lanternim mais encontrados no

mercado................................................................................................56 Figura 3.26 Efeito de aberturas desiguais..................................................................58

CAPTULO 4

Figura 4.1 Esquema para determinao das dimenses do lanternim.........................67 Figura 4.2 Ventilao do tico ..................................................................................67 Figura 4.3 Passagem do ar fresco no sistema lanternim.............................................68 Figura 4.4 Disposio de aberturas que permite a iluminao natural e a

ventilao natural....................................................................................69 Figura 4.5 Prdio com 20% de iluminao tipo lanternim .........................................70 Figura 4.6 Efeito chamin.........................................................................................72 Figura 4.7 Utilizao de forro com a finalidade de bloquear a energia radiante .........74 Figura 4.8 Localizao das aberturas ........................................................................76

XII

Figura 4.9 Reduo da rea da abertura destinada passagem de ar decorrente da utilizao de uma veneziana....................................................................78

Figura 4.10 (a) aparelho dotado de aletas que formam canais para passagem do ar tipo veneziana e (b) aparelho que formam os canais de passagem do ar entre o seu prprio corpo e a superfcie do telhado .........................79

Figura 4.11 Direcionamento do fluxo de ar durante a passagem pelo aparelho ..........80

Figura 4.12 Fluxo do ar aquecido sem a presena de obstculos................................81 Figura 4.13 Fluxo do ar aquecido com a presena de um obstculo horizontal .........81

Figura 4.14 Prdio de IVN alto com telhas planas de concreto dotado de linhas de sada de ar quente, uniformemente distribudas sobre o telhado ..........82

Figura 4.15 Prdio com ventilao natural deficiente pela manh .............................83 Figura 4.16 Prdio com ventilao natural deficiente no meio dia.............................84 Figura 4.17 Prdio com ventilao natural eficiente o dia inteiro ..............................85 Figura 4.18 Ventilao natural eficiente no caso de incndio ....................................87 Figura 4.19 Tipos de lanternins.................................................................................90

CAPTULO 5

Figura 5.1 (a) Geometria de cada mdulo dos galpes analisados; (b) Detalhe do lanternim ..............................................................................................92

Figura 5.2 Relao entre a vazo de entrada de ar e as reas de sadas de ar..............94 Figura 5.3 Relao entre a diferena de temperatura e a rea das aberturas de

sada .......................................................................................................94 Figura 5.4 Elemento FLUID141 ...............................................................................98 Figura 5.5 Configurao A .......................................................................................99 Figura 5.6 Configurao B........................................................................................99 Figura 5.7 Configurao C......................................................................................100 Figura 5.8 Malha bidimensional triangular no domnio de clculo ..........................101 Figura 5.9 Perfil da temperatura do ar interno Malha A........................................102 Figura 5.10 Perfil da temperatura do ar interno Malha B......................................102 Figura 5.11 Perfil da temperatura do ar interno Malha C......................................103 Figura 5.12 Configurao do fluxo do ar interno Malha B....................................104

XIII

Figura 5.13 Distribuio da temperatura interna Caso 1 .......................................105 Figura 5.14 Distribuio da velocidade interna Caso 1.........................................105 Figura 5.15 Distribuio da temperatura interna Caso 2 .......................................106 Figura 5.16 Distribuio da velocidade interna Caso 2.........................................107 Figura 5.17 Perfil da temperatura do ar interno, considerando uma abertura de

entrada e uma abertura de sada, para Ventr. = 0,3 m/s ..........................108

Figura 5.18 Configurao do fluxo do ar interno, considerando uma abertura de entrada e uma abertura de sada, para Ventr = 0,3 m/s...........................109

Figura 5.19 Variao da velocidade do ar no lanternim para a configurao A........109 Figura 5.20 Perfil da temperatura do ar interno, considerando uma abertura de

entrada e duas aberturas de sada, para Ventr. = 0,3 m/s ........................110 Figura 5.21 Configurao do fluxo do ar interno, considerando uma abertura de

entrada e duas aberturas de sada, para Ventr. = 0,3 m/s ........................111 Figura 5.22 Variao da velocidade do ar no lado direito do lanternim para a

configurao B ...................................................................................111

Figura 5.23 Perfil da temperatura do ar interno, considerando duas aberturas de entrada e duas aberturas de sada, para Ventr. = 0,3 m/s ........................112

Figura 5.24 Configurao do fluxo do ar interno, considerando duas aberturas de entrada e duas aberturas de sada, para Ventr. = 0,3 m/s ........................113

Figura 5.25 Variao da velocidade do ar no lado esquerdo do lanternim para a configurao C ...................................................................................113

Figura 5.26 Variao da velocidade do ar no lado direito do lanternim para a configurao C ...................................................................................114

Figura 5.27 Perfil da temperatura interna, considerando duas aberturas de entrada e duas aberturas de sada, para Ventr. = 1,0 m/s ....................................115


Figura 5.29 Perfil da temperatura interna, considerando duas aberturas de entrada e duas aberturas de sada, para Ventr. = 1,0 m/s ....................................116


XIV

Figura 5.31 Perfil da temperatura interna, considerando uma abertura de entrada e uma abertura de sada de 0,5 m, para Ventr. = 0,3 m/s...........................118

Figura 5.32 Configurao do fluxo do ar interno, considerando uma abertura entrada e uma abertura de sada de 0,5 m, para Ventr. = 0,3 m/s............119





Figura 5.37 Configurao do fluxo do ar interno, considerando duas aberturas de entrada, duas aberturas de sada e p-direito de 5 m, para Ventr. = 1,0 m/s ....................................................................................122



Figura 5.40 Perfil da temperatura interna, considerando duas aberturas de entrada, duas aberturas de sada e p-direito de 5 m, para Ventr. = 1,0 m/s .........124


Figura 5.42 Perfil da temperatura interna, considerando duas aberturas de entrada, duas aberturas de sada e p-direito de 10 m, para Ventr. = 1,0 m/s .......125


XV

Figura 5.44 Perfil da temperatura interna, considerando duas aberturas de entrada, duas aberturas de sada e p-direito de 15 m, para Ventr. = 1,0 m/s .......126


ANEXO II

Figura B.1 Atividades metablicas e suas taxas expressas em met ..........................168 Figura B.2 Escala diferencial de percepo trmica ................................................170

Figura B.3 Escala de preferncia trmica ................................................................171 Figura B.4 Escala de preferncia trmica ................................................................171

ANEXO III

Figura C.1 Perfil da temperatura do ar interno, considerando uma abertura de entrada e uma abertura de sada, para Ventr. = 0,5 m/s ............................172






Figura C.7 Configurao do fluxo do ar interno, considerando uma entrada e uma sada, para Ventr. = 0,5 m/s .............................................................175


XVI





Figura C.13 Perfil da temperatura do ar interno, considerando uma entrada e duas sadas, para Ventr. = 0,5 m/s ...........................................................178





Figura C.18 Configurao do fluxo do ar interno, considerando uma entrada e duas sadas, para Ventr. = 0,5 m/s ...........................................................181

Figura C.19 Configurao do fluxo do ar interno, considerando uma entrada e duas sadas, para Ventr. = 0,8 m/s ...........................................................181

Figura C.20 Configurao do fluxo do ar interno, considerando uma entrada e

duas sadas, para Ventr. = 1,0 m/s ...........................................................182 Figura C.21 Configurao do fluxo do ar interno, considerando uma entrada e

duas sadas, para Ventr. = 1,5 m/s ...........................................................182 Figura C.22 Configurao do fluxo do ar interno, considerando uma entrada e

duas sadas, para Ventr. = 2,0 m/s ...........................................................183 Figura C.23 Perfil da temperatura do ar interno, considerando duas entradas e

duas sadas, para Ventr. = 0,8 m/s ...........................................................183 Figura C.24 Perfil da temperatura do ar interno, considerando duas entradas e

duas sadas, para Ventr. = 1,0 m/s ...........................................................184

XVII

Figura C.25 Perfil da temperatura do ar interno, considerando duas entradas e duas sadas, para Ventr. = 1,5 m/s ...........................................................184



Figura C.28 Configurao do fluxo do ar interno, considerando duas entradas e duas sadas, para Ventr. = 0,8 m/s ...........................................................186





XVIII

LISTA DE TABELAS

CAPTULO 2

Tabela 2.1 Escala de sensao trmica da ASHRAE.................................................16

CAPTULO 3

Tabela 3.1 Redutor devido ao atrito e a presena de tela protetora - Rda ....................56

CAPTULO 4

Tabela 4.1 Valores mnimos para o p direito do edifcio..........................................74

CAPTULO 5

Tabela 5.1 Galpes analisados X Resultados obtidos ................................................93

ANEXO II

Tabela B.1 Taxa metablica para diferentes atividades ...........................................168 Tabela B.2 ndice de resistncia trmica para vestimentas ......................................169 Tabela B.3 Escalas de percepo existentes ............................................................170

XIX

LISTA DE QUADROS

CAPTULO 4

Quadro 4.1 Opes de solues construtivas de acordo com as fontes internas de calor........................................................................................................89

Quadro 4.2 Tipos de solues construtivas destinadas ventilao natural ...............90 Quadro 4.3 Escolha da soluo adequada..................................................................91

XX

RESUMO

A ventilao natural no interior das edificaes proporciona condies favorveis de conforto trmico aos ocupantes, alm da melhoria da qualidade do ar interno. O projeto arquitetnico, mesmo quando otimizado em relao aos vrios nveis de conforto, nem sempre suficiente para atingir plenamente a satisfao dos usurios de uma edificao.

Para se estar satisfeito com a arquitetura, esta precisa ser resultado de um conjunto de elementos que incluem o entorno, o projeto e tambm o uso racional dos ambientes construdos. Estes elementos devem estar associados ao conforto e satisfao dos usurios e a funcionalidade. No caso da construo de galpes industriais e edificaes

comerciais, usual construir aberturas nas coberturas (lanternins) alm daquelas aberturas nas fachadas, para se obter iluminao natural e tambm melhorar a ventilao

natural. A eficincia da ventilao natural numa edificao est associada ao nmero, posio, tipo e tamanho das aberturas existentes para a passagem de ar (entrada e sada) e tambm ao combinada das foras do vento e das diferenas de temperatura (efeito chamin). Este trabalho enfoca a ventilao natural em galpes por meio de lanternins nas coberturas. Apresenta-se uma modelagem matemtica, associada com o conceito do ndice de ventilao natural, para o clculo da vazo de ar necessria para uma ventilao natural adequada em edificaes e tambm para o clculo das reas das aberturas necessrias para suportar uma dada vazo. Fazem-se estudos de casos envolvendo diferentes configuraes de galpes, calculando-se, a partir da metodologia

apresentada, a altura das aberturas de sada de ar no lanternim. Ainda por meio de uma abordagem numrica, analisa-se o fluxo de ar no interior do galpo e o perfil da

temperatura interna resultantes da simulao. Os resultados obtidos levaram em considerao o grau de conforto trmico necessrio no interior do galpo e comprovam a abertura necessria do lanternim calculada para se alcanar as condies internas de conforto. A eficincia do lanternim funo do p-direito e do tamanho e altura das

aberturas. Outro parmetro importante, na eficincia do lanternim, a distncia da abertura do mesmo at as paredes laterais do galpo, que deve ser no mximo de 5 m.

XXI

ABSTRACT

The natural ventilation inside constructions allows both favorable conditions of thermal comfort to the occupants and quality improvement of the internal air. The architectural

project, even when optimized in relation to the several comfort levels, is not always enough fully to meet the construction users' satisfaction. Architecture leads to

satisfaction when it is the result of a group of elements that include the closing, the project and the rational use of the built places. These elements should be associated to users` comfort and satisfaction and functionality. In the case of building industrial hangars and commercial facilities, it is usual to construct openings in the roofs (skylight with an entrance and an exit), besides those openings in the facades. The objective of the openings is to obtain natural illumination and also to have a better natural

ventilation. The efficiency of the natural ventilation in a building is associated to the number, position, type and size of the existing openings for the passage of air. It is also associated to the combined action of the wind forces and of the temperature differences. This dissertation focuses the natural ventilation in hangars through the use of skylights in the coverings. It presents a mathematical modeling, associated to the concept of natural ventilation index. The first part of the modeling is the calculation of both the necessary air flow for an adequate natural ventilation in buildings and the areas of the necessary openings to support a given flow. The dissertation also includes case studies of different configurations of hangars, carried out with the objective testing the modeling. For each one the calculations, the height of the openings is presented. A numerical simulation was used to analyse both the air flow inside the hangar and the

internal temperature profile. The air flow and the temperature profile were obtained from the simulation. The obtained results took into account the degree of necessary thermal comfort inside the hangar. The results present the necessary size of the opening to reach the internal adequate conditions of comfort. The skylight`s efficiency is

function of the height of the hangar and of the size and height of the openings.

1. INTRODUO

1.1. O conforto trmico

A preocupao do homem com relao a seu bem estar e conforto diretamente proporcional evoluo da humanidade, ou seja, quanto mais evoludas se tornam as pessoas, mais exigentes ficam com relao a seu conforto e bem estar.

Em sua relao com o ambiente fsico, o organismo humano, respondendo a estmulos provenientes do meio, tais como luz, som, calor, ventos, ambiente construdo, entre

outros, busca adaptar-se ao entorno imediato utilizando o mnimo de energia possvel, atravs de um conjunto de reaes de ordem fisiolgica e psicolgica. Estas reaes so, em geral, respostas s condies ambientais que um determinado espao arquitetnico pode propiciar. Contudo, a sensao de conforto no dependente apenas dos estmulos

provenientes do ambiente construdo e/ou utilizado pelo homem, mas tambm das experincias pessoais anteriores de cada indivduo, que, espontaneamente orientam as

reaes em funo de suas necessidades, expectativas e aspiraes.

Em princpio, os estmulos do meio podem ser mensurados com mais facilidade que as

sensaes, pois estas correspondem ao sentimento e avaliao subjetiva sobre o ambiente que as pessoas ocupam. As condies de conforto ambiental e, conseqentemente, a sensao de conforto, expressadas pela satisfao com o ambiente ocupado pelo homem, envolvem um conjunto significativo de fenmenos inter-relacionados, que podem ser agrupados em um conjunto representativo de exigncias mnimas.

Em linhas gerais, estas exigncias correspondem s caractersticas gerais que um ambiente deve apresentar para o desempenho adequado e confortvel de diversas atividades humanas, isto , exigncia de conforto higrotrmico, relativo s condies de temperatura e umidade do ar; exigncia de conforto visual, relativo aos aspectos relacionados iluminao, aparncia dos ambientes, envoltria e aberturas para o

2

exterior; exigncia de conforto acstico, relativo aos nveis de rudo, ao isolamento acstico e reflexo das superfcies; exigncia de conforto tctil, relativo s condies de eletricidade esttica, rugosidade, umidade e temperatura das superfcies e exigncias atmosfricas, relativas qualidade do ar e presena de odores (NETO, 2003).

O conforto trmico tem sido durante as ltimas dcadas, objeto de muitas pesquisas na tentativa de melhor se compreender como essa situao pode ser atingida, de que maneira ela se processa, quais as variveis que envolvem, quais so os ndices mais relevantes, quais seus efeitos sobre a sade e produtividade humana e tambm quais os fatores que a ela podem ser relacionados (FANGER, 1972; GRIEFAHN et al, 2001; RUAS, 2002; RAJA et al., 2001; NICOL & HUMPHREYS, 2002; DEAR & BRAGER, 2002; KAYNAKLI & KILIC, 2004, FERIALDI & WONG, 2004).

Especificamente a pesquisa em conforto ambiental nas edificaes tem procurado tomar uma nova atitude frente arquitetura. Ela procura definir uma abordagem do projeto da construo desde seu incio em ligao ntima com o lugar, seu entorno, o clima e os hbitos construtivos locais, preservando a liberdade de escolha, mas associando-a a sua responsabilidade ambiental (EFTEKHARI et al., 2001).

A arquitetura do sculo XX se caracteriza, talvez, ao menos do ponto de vista histrico, por ter dado exagerada importncia tecnologia. Em funo disto est a dependncia

atual em relao ao controle mecnico do ambiente interior, em detrimento da explorao dos fenmenos climticos naturais para satisfao das exigncias humanas

de conforto.

1.2. Ventilao do ambiente e o conforto trmico

Em regies com clima quente e mido a ventilao natural deve ser tida como principal objetivo no projeto das edificaes. A importncia da ventilao natural se acentua nas edificaes que no tm a possibilidade de utilizar equipamentos mecnicos de

3

climatizao para a obteno de conforto trmico, como o caso das habitaes populares, que dependem basicamente de um bom projeto bioclimtico.

O movimento do ar num ambiente interfere no conforto trmico das pessoas devido a

sua influncia nos processos de troca de calor do corpo com o meio. Essa influncia pode ser benfica quando o aumento da velocidade do ar provoca uma desejvel acelerao nos processos de perda de calor do corpo, ou prejudicial, quando a perda de calor indesejvel e provoca o resfriamento excessivo do corpo com um todo, ou de uma de suas partes.

O movimento do ar pode tambm influenciar negativamente na aceitao de um ambiente devido sensao desagradvel provocada pela coliso de ar em alta

velocidade contra as pessoas ou por provocar a movimentao indevida de materiais.

A ventilao desempenha uma funo fundamental na manuteno da sade e do bem-estar humano. Na sade, age mantendo as concentraes de contaminantes nos ambientes em nveis seguros. No bem-estar propicia, em funo das necessidades, as condies adequadas s troca de calor do corpo. Na segurana do homem essencial, quando mantm a concentrao de elementos inflamveis ou explosivos fora da faixa de inflamabilidade ou explosividade.

Assim, ventilar um local adequadamente significa fornecer e/ou retirar ar desse local de forma a satisfazer as exigncias humanas quanto sade, segurana e expectativa de

bem-estar, no que se refere ao conforto trmico.

A velocidade aceitvel do ar em interiores no climatizados varia de 0,5 m/s a 2,5 m/s. Este limite baseado em problemas prticos, como desordem de papis sobre mesas,

por exemplo, ao invs de ser baseado em exigncias de conforto. Para galpes este limite pode ser ampliado sem a ocorrncia de qualquer problema prtico, em funo do

seu perfil de ocupao.

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Com o intuito de evitar os efeitos negativos do movimento do ar no conforto trmico das pessoas em ambientes climatizados, a norma americana ASHRAE 55: 2004 estabelece para atividades sedentrias e temperaturas dentro do intervalo de conforto, limite de velocidade mdia do ar de 0,15 m/s no perodo de inverno e de 0,25 m/s no vero, sendo que no vero a norma permite estender progressivamente esse limite at 0,8 m/s, quando o intervalo de conforto, da mesma forma, estendido at a temperatura

ambiente de 28 C.

A norma ISO 7730: 1994 mais restritiva que a ASHRAE 55: 2004 no que se refere utilizao de maiores velocidades do ar para compensar temperaturas ambientes mais

elevadas. Isto especialmente importante para pases de clima quente como o Brasil em que o aumento da velocidade do ar poderia ser uma soluo economicamente vivel

para obteno do conforto trmico no vero.

O vnculo entre a ventilao natural e os nveis de conforto tm sido estudados por muitos pesquisadores e recentes estudos experimentais demonstraram que o conforto

trmico em uma edificao pode ser alcanado sem o emprego da ventilao mecnica na maioria dos dias de vero (EFTEKHARI et al., 2001; ALLARD et al., 2003; PRIYADARSINI et al., 2003).

Alguns resultados especialmente interessantes para o caso de ambientes no condicionados foram os dos trabalhos de Rohles et al. (1983), Tanabe & Kimura (1994) e Scheatzle et al. (1989), que testaram, para atividades sedentrias, temperaturas superiores ao intervalo de conforto de vero e condies de intensidade de turbulncia do ar semelhantes s normalmente encontradas nos ambientes ventilados, e concluram

que velocidades da ordem 0,8 m/s ou maiores podem ser adotadas para compensar temperaturas superiores a 26 C, como adotado pela ASHRAE 55: 2004. No estudo com ventiladores de teto (alto nvel de turbulncia) e velocidade mdia de 1 m/s, o limite de conforto pode ser estendido para 29 C e com ventiladores de teto e alta temperatura possvel obter o mesmo nvel de conforto que em temperaturas menores sem ventilao.

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Vianna (2001) realizou um levantamento do estado da arte em ensino e pesquisa na rea de conforto ambiental no Brasil at 2001, relacionando trabalhos nas sub-reas de conforto trmico, ventilao natural, iluminao natural e artificial e acstica

arquitetnica e urbana. Neste levantamento o autor apresenta os dados referentes

produo acadmica nacional na rea de conforto ambiental, referente a dissertaes de mestrado, teses de doutorado, artigos cientficos apresentados em eventos da rea e

artigos em revistas indexadas.

A norma NBR 15520: 2005 trata do desempenho trmico de edificaes e apresenta, alm do zoneamento bioclimtico brasileiro, diretrizes construtivas para habitaes

unifamiliares de interesse social e os mtodos de clculos dos parmetros mais relevantes na avaliao do desempenho trmico de um ambiente construdo.

1.3. Justificativa

O melhoramento da ventilao de uma edificao pode ser justificado uma vez que a qualidade do ar interno pode afetar a produtividade das pessoas alm de causar doenas. A velocidade de circulao do ar, especialmente nas zonas onde se encontram as pessoas no interior da edificao, uma das variveis mais importantes do conforto

trmico. Uma circulao natural de ar adequada, dentro de um ambiente construdo, alm de auxiliar na diminuio do gradiente trmico contribui para a renovao do ar interno que, dependendo do perfil de ocupao do ambiente, pode ser prejudicial sade. A velocidade de circulao do ar e as temperaturas das superfcies internas so,

dentre as variveis do ambiente que contribuem para o conforto trmico em pocas de calor, aquelas com as quais estratgias arquitetnicas, dentro de certos limites, podem

ser modificadas sem o emprego de equipamentos mecnicos. Neste sentido uma ventilao adequada pelas coberturas, atravs de lanternins, pode ser uma alternativa eficiente. O emprego de laternins pode ser ainda mais importante quando se trata de galpes industriais e edificaes comerciais com grandes coberturas.

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1.4. Objetivos

1.4.1. Geral

Estudo da ventilao natural em galpes industriais, estruturados em ao, com o uso de lanternins nas coberturas.

1.4.2. Especficos

As seguintes etapas so realizadas:

Clculo das aberturas necessrias em funo da vazo de entrada do ar, da

configurao de aberturas e do gradiente de temperatura.

Avaliao da influncia da configurao das aberturas utilizadas no fluxo interno de ar e no perfil interno de temperatura.

Avaliao do fluxo de ar no interior do galpo para algumas configuraes de

aberturas nas fachadas e de lanternins na cobertura.

Anlise do projeto e do dimensionamento corretos dos lanternins.

1.5. Metodologia adotada

Para o estudo da ventilao em galpes divide-se a metodologia adotada em duas etapas

seqenciais: uma primeira, de abordagem analtica simples e uma segunda, de abordagem numrica.

Por meio de uma modelagem matemtica evidencia-se um algoritmo de clculo da vazo de ar necessria e/ou rea de abertura de sada do ar, para uma ventilao natural

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eficiente levando-se em conta o conceito do ndice de ventilao natural. Com a utilizao de um cdigo matemtico, tipo MAPLE, dimensiona-se o tamanho de laternins, observando-se o grau de conforto proporcionado pelo ambiente ao seu usurio.

Com uma modelagem numrica e com a utilizao do programa computacional ANSYS simula-se o fluxo de ar no interior dos galpes e tambm o perfil de temperatura interna,

em funo da configurao de aberturas utilizada. Nesta anlise so identificadas as variveis mais relevantes para o dimensionamento dos lanternins.

1.6. Estrutura do trabalho

Tendo em vista os objetivos deste estudo, estudam-se inicialmente os aspectos que influenciam a ventilao natural e que, consequentemente levam a um adequado conforto trmico no interior dos galpes. A partir da analisa-se diferentes configuraes de galpes por meio de anlises matemticas e numricas. Desta forma, o trabalho est distribudo em 6 captulos e 3 anexos.

No captulo 1 apresentam-se de forma sucinta, os principais aspectos que proporcionam a obteno do conforto trmico nas edificaes, a justificativa do trabalho, seus objetivos e a metodologia utilizada na realizao do mesmo.

No captulo 2 faz-se uma abordagem geral sobre o conforto trmico, apresentando a interao trmica do homem com o meio ambiente, a importncia do conforto trmico e a influncia do conforto na produtividade.

No captulo 3 feita uma apresentao sobre a ventilao natural em edificaes levando-se em conta a necessidade da ventilao, os tipos de ventilao natural, a

modelagem matemtica da ventilao natural e a obteno de uma metodologia para o dimensionamento de lanternins que envolve a relao entre o algoritmo para o clculo

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das reas de aberturas desenvolvido por Clezar & Nogueira (1999) e o ndice de Ventilao Natural (IVN), desenvolvido por Sclgliano & Hollo (2001).

No captulo 4 trata-se de informaes sobre galpes, englobando estratgias construtivas para modificar favoravelmente o ambiente dos mesmos; os dois fatores que influenciam diretamente a ventilao natural nos galpes, o p-direito e a as aberturas e algumas recomendaes e solues construtivas.

No captulo 5 apresentam-se os modelos fsicos dos galpes analisados por meio da modelagem matemtica e das anlises numricas, bem como os resultados obtidos.

No captulo 6 so apresentadas as concluses das anlises realizadas, e tambm sugestes para trabalhos futuros.

No Anexo I apresentado o algoritmo de clculo no programa MAPLE, para a obteno da rea de abertura do lanternim.

No Anexo II apresentam-se as definies bsicas utilizadas no estudo do conforto trmico dentro de um ambiente construdo.

No Anexo III apresentam-se os resultados obtidos via simulao numrica, em trs configuraes diferentes de galpes, em relao s aberturas.

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2. CONFORTO HUMANO

2.1. Interao trmica entre o homem e o meio ambiente

O corpo humano um sistema termodinmico que produz calor e interage continuamente com o ambiente para conseguir o balano trmico indispensvel para a vida. Existe assim uma constante troca de calor entre o corpo e o meio ambiente que

regida pelas leis da fsica e influenciada por mecanismos de adaptao fisiolgica, por condies ambientais e por fatores individuais. A sensao de conforto trmico est

intimamente relacionada com o esforo realizado pelo organismo para manter o balano trmico entre o corpo humano e o meio ambiente.

O conforto trmico, como uma sensao humana, situa-se no campo do subjetivo e, acredita-se, que a satisfao das pessoas com um dado ambiente dependa de fatores fsicos, fisiolgicos e psicolgicos. Os fatores fsicos determinam as trocas de calor do

corpo com o meio, os fisiolgicos referem-se a alteraes na resposta fisiolgica do organismo, resultantes da exposio determinada condio trmica e os fatores

psicolgicos relacionam-se s diferenas na percepo e na resposta a estmulos sensoriais, fruto da experincia passada e da expectativa do indivduo.

Considerando apenas as inter-relaes no subjetivas com o meio fsico, os principais mecanismos que interferem na sensao de conforto trmico so decorrentes das trocas trmicas, entre o corpo e o ambiente, que se realizam atravs dos processos bsicos de troca de calor: radiao, conduo, conveco e evaporao (NETO, 2003).

A idia que a sensao de bem estar trmico est ligada ao trabalho que o sistema

termorregulador humano tem que desenvolver para manter o equilbrio trmico do corpo. Isso significa que, quanto maior for o esforo desse sistema para manter a temperatura interna do corpo, maior ser a sensao de desconforto. Como as condies de conforto trmico so predominantes para a sensao de

satisfao com o ambiente construdo, torna-se necessrio o estabelecimento de critrios

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e valores de referncia para a correta avaliao do ambiente trmico que a edificao propicia. Com o intuito de quantificar as reaes do organismo frente s variaes trmicas do ambiente, buscou-se a estruturao de ndices e/ou sistemas de avaliao que expressassem esta relao de causa e efeito.

As escalas dos ndices e/ou diagramas de conforto trmico desenvolvidos foram

estruturados em termos da avaliao de manifestaes subjetivas dos usurios, graduadas de acordo com a sensao de conforto ou desconforto trmico manifestada, relacionando-se tais graduaes com os parmetros fsicos ambientais.

Olgyay (1963) foi um dos primeiros estudiosos das interaes entre o ambiente construdo, clima e conforto humano que props a definio da chamada zona de

conforto como sendo aquela regio com as condies climticas gerais em que o organismo humano consome a menor quantidade de energia para adaptar-se ao seu entorno imediato. Seus estudos conduziram elaborao de uma carta climtica em que so visualizados, para condies externas variveis, os limites de conforto trmico, informando, conseqentemente, as medidas necessrias para a correo das inadequaes, Figura 2.1.

Givoni (1968) elaborou novos estudos sobre o trabalho de Olgyay (1963), onde se baseou em pesquisas realizadas nos EUA, Europa e Israel. Os limites de conforto foram baseados num ndice de conforto trmico, desenvolvido por ele mesmo, denominado

ndice de "Stress" Trmico (ITS). Este ndice utiliza a temperatura do ar, umidade (presso de vapor), movimento de ar, radiao solar, taxa metablica e vestimentas como variveis includas no clculo.

A carta bioclimtica original de Givoni (1968) foi desenhada sobre uma carta psicomtrica convencional e utilizou a umidade absoluta como referncia, Figura 2.2. A

zona de conforto foi adaptada para regies de clima temperado. Um fator importante a ser destacado em relao ao diagrama de Givoni (1968) que ele se baseia nas temperaturas internas da edificao tornando-se mais inerte ao clima externo.

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Figura 2.1 Carta de Olgyay Fonte: Olgyay, 1998

Na carta de Givoni (1969) as condies climticas so representadas, ms a ms, por dois pontos, cujas coordenadas so as mdias mensais dos valores extremos de temperatura e umidade diria do ar externo, o que no impede que sejam plotadas condies climticas com a periodicidade que se desejar. A carta serve para se averiguar a exigncia humana e o rigor do clima local, bem como a contribuio das solues arquitetnicas (IZARD e GUYOT, 1983).

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Figura 2.2 Diagrama de Givoni. Zonas: (1) Conforto. (2) Ventilao. (3) Resfriamento. (5) Ar condicionado. (6) Umidificao. (7) Massa Trmica/Aquecimento

Solar. (8) Aquecimento Solar Passivo. (9) Aquecimento Artificial. (11) Ventilao/Massa/Resfriamento evaporativo. (12) Massa/Resfriamento Evaporativo.

(Fonte: adaptado do programa ANALYSIS)

Como uma evoluo dos estudos desenvolvidos at ento, Givoni (1992) props uma correo de sua prpria carta bioclimtica, com o objetivo de adapt-la s condies usualmente verificadas em pases em desenvolvimento e de clima quente e mido, o que

resultou em uma expanso dos limites mximos superiores de temperatura de conforto.

Nessa carta, portanto, esto demarcadas diferentes reas para climas temperados (pases desenvolvidos) e para climas quentes (pases em desenvolvimento), indicando limites para as condies climticas, dentro das quais vrias estratgias de projeto de edifcios e sistemas de resfriamento natural podem garantir conforto trmico adequado. As opes gerais apresentadas para as estratgias so ventilao durante o dia, inrcia trmica com ou sem ventilao, resfriamento evaporativo direto e resfriamento evaporativo indireto.

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As variaes de temperatura sugeridas por Givoni (1992), para as condies aceitveis de pessoas que habitam pases desenvolvidos, 18 C a 25 C no inverno e de 20 C a 27 C no vero. Para pases em desenvolvimento e de clima quente, Givoni (1992) sugere elevar em 2 C a temperatura limite mxima elevando tambm em 2 g/kg o valor

do contedo de vapor. Com referncia a velocidade do ar, segue-se a determinao da ASHRAE 55 :1994 que especifica um limite mximo de 0,8 m/s no interior de escritrios. Entretanto, em edifcios residenciais, o limite para a velocidade do ar pode estar baseado em sua contribuio para conforto trmico.

As condies internas de temperatura em edifcios no condicionados so largamente

dependentes da variao do clima externo. Pode-se citar como exemplo, que uma temperatura interna variando de 20 C de manh at 26 C de tarde no vero comum em edifcios no condicionados e que a velocidade do ar interno em edifcios com ventilao cruzada prxima de 2 m/s (BUSCH, 1992).

Resumidamente, Givoni (1992) sugere limites para a zona de conforto trmico de pases com clima quente e em desenvolvimento, que so expressos de acordo com as estaes do ano. No vero, em situao de umidade baixa, as temperaturas dirias devem estar compreendidas na faixa entre 25 C e 29 C e, em situao de umidade alta, as temperaturas dirias devem estar compreendidas na faixa entre 25 C e 26 C, podendo chegar a 32 C com ventilao de 2,0 m/s. No inverno, a variao de temperatura diria

deve situar-se na faixa de 18 C a 25 C. Com relao umidade, os limites da zona de conforto so de 4,0 g/kg a 17 g/kg e 80 % de umidade relativa.

Na carta revisada por Givoni (1992), foi considerada a velocidade de at 2 m/s na zona de ventilao. Este novo valor permitiu uma ampliao destas zonas, destinadas a pases desenvolvidos (clima temperado) e para pases em desenvolvimento (clima quente), onde o fator de aclimatao foi levado em considerao.

Givoni e Milne (1979), quando tratam da estratgia da ventilao, relatam que, obviamente, o limite mximo da velocidade de ar confortvel muito diferente de um escritrio para um ambiente industrial, onde os parmetros do tipo de atividade

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desenvolvida levam em considerao o prprio limite estabelecido para utilizao da ventilao natural. Esta uma observao que demonstra que os parmetros da velocidade do ar esto interligados com outros parmetros, que so tambm responsveis pelo conforto dos ocupantes de um ambiente. E que estes no podem ser

desconsiderados no projeto, mesmo no estando aparentemente relacionados com a definio da envoltria da edificao.

A norma ISO 7730 :1994, resultado da investigao desenvolvida na Dinamarca por Fanger (1972) estabelece um critrio objetivo de avaliao do conforto trmico. O modelo de Fanger (1972) baseado no balano trmico do corpo humano onde a sensao trmica influenciada por quatro fatores ambientais, ou seja, temperatura, radiao trmica, umidade relativa e velocidade do ar, e dois fatores pessoais, atividade desenvolvida e tipo de roupa. Alm do balano de calor entre o corpo e o ambiente, podem-se enfocar tambm aspectos relacionados aos parmetros subjetivos ligados ao conforto trmico, como sensaes e preferncias trmicas. No Anexo II, apresentam-se as definies mais usuais em conforto trmico.

A taxa de metabolismo, caracterstica da atividade fsica realizada refere-se quantidade de calor produzida internamente pelo corpo; o isolamento trmico da vestimenta representa a barreira imposta pela roupa s trocas de calor com o meio e a temperatura radiante mdia, umidade relativa, temperatura e velocidade relativa do ar determinam as transferncias de calor por radiao, evaporao, conveco com o meio

vizinho e conduo. O efeito combinado de todos esses fatores que determina a sensao de conforto ou desconforto trmico.

Os fatores fsicos e psicolgicos da pessoa so de grande importncia para a expectativa e aceitabilidade de ocupao de uma edificao. Certas medidas como vestir um tipo de roupa coerente com o clima ambiente, ajuste da velocidade do ar e localizao adequada de aberturas, podem melhorar as interaes das pessoas com o ambiente e alterar a sensao e a satisfao trmicas (DEAR & BRAGER, 2002).

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A equao de conforto de Fanger (1972) foi formulada a partir da expresso de equilbrio trmico ou de balano trmico do corpo humano em regime permanente, considerando o corpo humano como um compartimento homogneo, equaes 2.1 e 2.2.

respiraopele QQWMU = (2.1)

)()( RRdifes CEEERCWMU ++++= (2.2)

onde, U a taxa de variao da energia interna (W/m2), M o metabolismo (W/m2), W o trabalho externo (W/m2), Qpele o calor total perdido pela pele (W/m2), Qrespirao o calor total perdido pela respirao (W/m2), C o calor perdido pela pele por conveco (W/m2), R o calor perdido pela pele por radiao (W/m2), Ees o calor perdido pela pele por evaporao de suor (W/m2), Edif o calor perdido pela pele por difuso de calor dgua (W/m2), ER o calor evaporativo perdido pela respirao (W/m2) e CR o calor convectivo perdido pela respirao (W/m2).

O ndice proposto por Fanger (1972) determinou trs requisitos de conforto. O primeiro requisito que o corpo humano vive em constante balano trmico com o ambiente, onde a perda de calor para o ambiente igual taxa de calor produzida pelo corpo. O equilbrio trmico no uma condio suficiente para o conforto trmico porque o balano de calor pode ser mantido por mecanismos fisiolgicos, tal como a sudao, em

condies distantes do conforto.

O segundo requisito que a temperatura mdia da pele pode ser um indicativo de conforto. Sensaes trmicas esto relacionadas com a temperatura mdia da pele, e a temperatura requerida para a pele para o conforto inferior a altas taxas metablicas para as atividades sedentrias. O terceiro requisito que existe uma taxa preferencial de sudao para o conforto, que tambm funo da taxa metablica. Na tabela 2.1 apresentada a escala de sensao trmica definida pela ASHRAE 55 :1994. As pessoas avaliam as condies de conforto que o ambiente trmico proporciona por meio de votos.

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Tabela 2.1 - Escala de sensao trmica da ASHRAE. +3 Muito quente

+2 Quente +1 Ligeiramente quente

0 Neutro frio

-1 Ligeiramente Frio

-2 Frio

-3 Muito frio

Fonte: ASHRAE, 2001

O estudo de Fanger (1972) possibilitou a definio de um ndice, denominado Voto Mdio Estimado (PMV Predicted Mean Vote), que analisa a sensao trmica subjetiva dos indivduos. O ndice PMV foi usado, a partir de ento, na predio da resposta mdia de um grupo de pessoas, de acordo com a escala stima de sensaes da

ASHRAE, variando de -3 a +3, dado pela equao 2.3.

[ ] LePMV M += 028,0303,0 036,0 (2.3)

Onde, PMV o voto mdio estimado, ou sensao analtica de conforto; M a taxa metablica de produo de calor em funo da atividade, W/m2 e L a carga trmica atuando sobre o corpo, W/m2.

A equao do voto mdio estimado, a exemplo da equao de conforto, complexa e de difcil manipulao; assim, para aplicao prtica, Fanger (1972) e a ISO 7730 :1994 apresentam tabelas que fornecem o voto mdio estimado para a combinao de diferentes nveis de atividade, possibilidades de vestimenta, velocidades relativas do ar

e temperaturas do ambiente. Ao ndice PMV foi, posteriormente, incorporado o conceito de Porcentagem de Pessoas Insatisfeitas (PPD Predicted Percentage of Dissatisfied) de modo a suplementar a avaliao dos indivduos acerca do ambiente trmico, que pode ser definido pela

equao 2.4.

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=

+ 22179,040335,095100

PMVPMVePPD (2.4)

A curva mostrada na Figura 2.3 utilizada na norma ISO 7730 :1994 na avaliao trmica dos ambientes. Pode-se observar que a referida curva simtrica e apresenta um

mnimo de 5 % de insatisfeitos com relao ao voto mdio estimado igual a zero.

Baseado nesta caracterizao de conforto trmico a ISO 7730 :1994 admite serem aceitveis ambientes em que 0,5 < PMV < 0,5, ou seja, em que no mais de 10 % dos usurios se mostrem desconfortveis. Alm deste critrio, a referida norma impe outras regras relacionadas com os parmetros de conforto.

Figura 2.3 Relao da percentagem de pessoas insatisfeitas em funo do voto mdio estimado PMV

2.2. Importncia do conforto trmico

De acordo com Fanger (1972), a razo de se criar condies de conforto trmico, reside no desejo do homem de se sentir termicamente confortvel. Alm disso, o conforto

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trmico pode ser justificado do ponto de vista da performance humana. Embora a reduo do desempenho humano com o calor ou o frio seja ainda uma questo pouco clara ou conclusiva, suspeita-se que as performances perceptiva, manual e intelectual so geralmente maiores na presena de conforto trmico.

Segundo Nicol (1993), a importncia do conforto trmico pode ser exprimida sobre trs pontos fundamentais, quais sejam: satisfao; economia de energia; e estabelecimento de padres.

2.2.1. Satisfao

A satisfao dos usurios de edificaes faz com que as pessoas gostem ou no de

freqentar e permanecer em determinado ambiente. Uma das coisas mais importantes que as pessoas consideram em uma edificao a temperatura correta e o sentimento do ar fresco. comum a insatisfao com o ambiente trmico real mesmo em edifcios com sofisticados controles de climatizao, pois nesses edifcios normal se encontrar situaes de superaquecimento interno no inverno e super-resfriamento interno no vero.

2.2.2. Conservao de energia

Com relao conservao de energia, tem-se que o estabelecimento da temperatura interna em estaes frias e quentes o principal fator na deciso do uso da energia na

edificao. A diferena entre as temperaturas externa e interna proporcional perda ou ganho de calor pelo edifcio, sendo que sua diminuio implicar na diminuio tambm da carga de resfriamento ou aquecimento.

Segundo Woods & Winakor (1981), dois interesses conflitantes tem sido a causa de discusses a respeito do efeito do calor sobre as pessoas no trabalho; um a preveno

do excessivo estresse trmico dos ocupantes dos ambientes internos; o outro a reduo do consumo de energia que pode resultar ao se deixar o ambiente trmico interno flutuante em direo a um limite de aceitabilidade.

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Segundo Xavier (1999) a eficincia energtica depende diretamente do projeto da edificao ao apresentar ou no na sua concepo formas passivas de conservao de energia. A ventilao natural uma destas formas, que sob vrias condies pode

retratar uma estratgia eficaz, provocando uma grande economia de energia. A condio de ambiente ventilado naturalmente e ambiente termicamente condicionado tem sido

tema de muitos estudos, uma vez que o mesmo representa no s a obteno do conforto pelas pessoas, como a conservao de energia, e tambm a sade das pessoas usurias de um ambiente e suas capacidades em controlar esses mesmos ambientes.

Ainda com relao conservao de energia, Yang & Su (1997) mostram o potencial de conservao de energia ao se adotarem parmetros de conforto extrados de modelos

analticos como o de PMV, desenvolvido por Fanger (1972), para anlise de ambientes providos de condicionamento de ar. O autor conclui que o ndice do PMV abre uma nova direo para conservao de energia, pela introduo de velocidades do ar interno mais elevadas, a fim de prover conforto trmico.

2.2.3. O estabelecimento de padres

Segundo Nicol (1993), o estabelecimento de padres, o conforto trmico e a conservao de energia esto relacionados com a temperatura interna. A

ASHRAE 55: 2004 e a ISO 7730: 1994 apresentam uma nica temperatura como sendo a correta para uma dada edificao, dependendo de seu perfil de ocupao.

Recomendam temperaturas internas estabelecidas que reflitam o ambiente externo ao redor, reduzindo assim a diferena entre as temperaturas externa e interna, pelo que se poderia esperar uma reduo no consumo de energia.

2.3. Conforto trmico e produtividade

O homem um sistema termodinmico aberto que produz calor internamente e interage continuamente com o meio para manter a sua temperatura interna dentro de um restrito

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intervalo. tambm um ser racional que busca a satisfao das suas necessidades e expectativas. A associao dessas duas idias permite concluir que as condies ambientais que proporcionam o conforto trmico so tambm condies que favorecem a obteno da sua maior produtividade (NASA, 1968; GOLDMAN, 1994; WOODS et al., 1981; SENSHARMA et al.,1998; RAMSEY, 1984).

Estabelecer uma inter-relao entre o conforto trmico e a produtividade uma tarefa complexa, pois ambos dependem de vrios fatores que quando combinados no necessariamente geram o mesmo efeito em pessoas diferentes. Um outro complicador que para identificar essa relao preciso controlar esses fatores e definir critrios

objetivos de medida do desempenho humano caractersticos do tipo de atividade desenvolvida.

O estudo da inter-relao entre a produtividade e as condies trmicas do ambiente, tem como problema central o subjetivismo humano que impe uma relao varivel entre as necessidades, as expectativas e as motivaes das pessoas. Goldman (1994) cita que um bom salrio tem sido considerado como o principal fator motivador da produtividade, mas que existem outros fatores que podem ser mais importantes como condies confortveis de trabalho, boas relaes interpessoais, estabilidade no emprego, prestgio, senso de realizao, independncia de ao, trabalho desafiador, reconhecimento pessoal e variao no trabalho.

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3. VENTILAO EM EDIFICAES

3.1. Consideraes gerais

A ventilao um ramo do conhecimento tecnolgico com aplicaes em, praticamente, todas as atividades humanas. Ela se aplica tanto nos processos produtivos industriais

como tambm nos processos de controle ambiental. No que diz respeito ao controle de ambientes ocupados pelo homem, a ventilao se aplica tanto a questes de conforto quanto de segurana. Por outro lado, no se pode deixar de mencionar a sua aplicao na agricultura, na zootecnia, ou seja, em todas as atividades em que seja necessrio certo controle de qualidade do ar.

Ventilar trocar o ar de um recinto fechado. Esta troca, quando ocorre por meios naturais, denominada ventilao natural. Por outro lado, quando induzida por

equipamentos mecnicos, denominada ventilao mecnica. O sistema de ventilao mecnica baseado em componentes mecnicos (compressores, bombas, sopradores) que consomem energia eltrica. Embora estes sistemas sejam satisfatrios, sua construo e operao cara. Ento, para economia de energia e reduo de custos, conveniente a adoo da ventilao natural como um modo alternativo de ventilao.

O ar, assim como qualquer gs, quando aquecido, mantm a sua massa, mas aumenta seu volume tornando-se menos denso (mais leve). Em compartimentos fechados, o ar quente busca as regies mais altas, deslocando-se para o exterior pelas passagens da cobertura e o ar frio externo (mais pesado), tem a tendncia de se deslocar para o interior do edifcio, tomando lugar do ar quente que saiu. Um pequeno diferencial de temperatura no interior das edificaes torna perceptvel este efeito (CLEZAR & NOGUEIRA, 1999).

Esta movimentao do ar fresco externo para o interior do edifcio, entrando por passagens na parte inferior das fachadas, e a movimentao do ar quente interno para o

exterior da edificao saindo pelo telhado, geram a ventilao natural que se encontra

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nas construes consideradas termicamente confortveis. A localizao adequada das aberturas para a sada do ar aquecido interno fica nos pontos mais altos da cobertura, onde o mesmo se concentra. J a localizao adequada das aberturas para a entrada do ar fresco externo fica na parte inferior das fachadas laterais.

O estabelecimento efetivo da conveco natural com a obteno de uma boa ventilao

natural nas construes ou reformas das j existentes propicia reduo dos agentes poluidores, recomposio constante dos nveis adequados de oxignio, controle da umidade do ar, grau de pureza do ar compatvel com as exigncias fisiolgicas do ser humano em relao sade e bem estar reduzindo o nmero de doenas e absentesmo,

diminuio do nmero de acidentes devido ao maior nvel de ateno, refrescamento do corpo do trabalhador melhorando sua sensao de bem estar e aumentando sua

disposio para o trabalho, conforto trmico e maior produtividade (SCIGLIANO & HOLLO, 2001).

O valor exato da taxa de ventilao natural na fase de projeto muito difcil de se determinar, mas uma forma de se prever esta taxa est na determinao das foras naturais que surgem devido diferena de temperatura e a ao do vento e de seus efeitos combinados. As normas atuais de projeto em ventilao natural ainda adotam solues semi-analticas, isto , o modelo da coluna de ar quente e da ao do vento como ferramentas de projeto. Esta formulao prev estimativas razoveis de taxas de fluxo de ventilao natural em muitas situaes. Porm, uma das dificuldades em us-la est no fato de que a temperatura interna em recinto fechado deve ser conhecida antes

do clculo da taxa de fluxo da ventilao natural (LI & DELSANTE, 1999).

O conhecimento, em bases cientficas, do fenmeno da ventilao natural dos edifcios, relativamente pequeno comparado com o que atualmente existe sobre ventilao com

o emprego dos equipamentos mecnicos. Esta disparidade de conhecimentos cientficos entre ventilao natural e mecnica pode ser constatada atravs da comparao dos

recursos investidos no estudo e divulgao dos fenmenos em questo. As grandes companhias fabricantes de equipamentos de ventilao, visando incentivar o uso dos

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mesmos, mantm grandes grupos de pesquisadores bem remunerados e financiam pesquisas nas universidades e outros centros de investigao. Os resultados so publicados em revistas especializadas ou em monografias dos institutos.

A investigao sobre o emprego racional dos elementos naturais para a melhoria do conforto no interior dos edifcios tem pouca ateno. Alguns centros de pesquisas

governamentais, em poucos pases do mundo, mantm um pequeno nmero de pesquisadores que estudam as leis que regem os fenmenos da ventilao natural. Os resultados destas pesquisas so publicados em peridicos especializados, em circulao muito limitada. Apesar deste quadro, o nmero de edifcios em que so utilizados

apenas os processos naturais de ventilao maior do que aqueles em que so empregados equipamentos mecnicos para a renovao do ar nos recintos

(HERNANDEZ et al., 1998, TOLEDO, 1999).

Com o emprego da ventilao natural, muito espao economizado no edifcio. Experincias mostram que uma planta de ventilao mecnica ocupa de 4 % a 7 % da rea de piso do edifcio, Figura 3.1. O espao disponvel pode ser explorado pelo arquiteto para o benefcio do usurio e o dono de edifcio.

Figura 3.1 Porcentagem da rea de piso ocupada por solues de ventilao Fonte: WINDOWMASTER, 2005

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A ventilao natural como controle da qualidade do ar, consideravelmente mais simples que a ventilao mecnica e envolve um menor custo de investimento para a instalao, Figura 3.2.

Figura 3.2 Porcentagem por custo de investimento para a instalao de solues de ventilao

Fonte: WINDOWMASTER, 2005

A ventilao natural pode minimizar e/ou eliminar a necessidade de ventilao

mecnica, que consome muita energia, e ao mesmo tempo economiza na manuteno

tecnicamente complexa da mesma, Figura 3.3. A ventilao natural , em geral, a

condio mais econmica de todas as solues de ventilao.

Figura 3.3 Porcentagem por custo de manuteno e consumo eltrico de solues de ventilao

Fonte: WINDOWMASTER, 2005

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Deve-se ressaltar que a ventilao natural pode somente ser aplicada a determinados climas e tem muitas limitaes. Tanto os rudos quanto os nveis de poluio locais podem limitar as aplicaes da ventilao natural. Devem ser considerados alguns obstculos ao uso da ventilao natural como o controle de fumaa em caso de incndio

mais difcil sendo necessrio a presena de equipamentos especiais e/ou recomendados pelas normas de segurana contra incndio; o rudo externo difcil de

ser controlado em um edifcio que dispe de aberturas destinadas ventilao natural; pode ser difcil conseguir a separao acstica entre espaos; quando as diferenas de presso so baixas so necessrias grandes aberturas para obteno das taxas de fluxo de ar desejadas; o ar externo deve estar limpo o bastante para ser introduzido diretamente no espao interno ocupado.

Se for requerida uma filtrao, necessria a ventilao mecnica; se tratar de uma rea com problemas de insetos, devem ser adicionadas telas a todas as aberturas. Ultrapassando os obstculos mencionados acima, a ventilao natural pode ser apropriada para a edificao (SPRATT, 2002; ALLOCCA et al., 2002).

A ventilao mecnica e o condicionamento de ar nos edifcios consomem grande parte

da energia consumida no mundo, especialmente nos pases desenvolvidos, onde os edifcios so responsveis por um tero de todo o consumo de energia. Este uso de

energia conduz poluio atmosfrica e ao aquecimento global. A ventilao natural uma alternativa eficiente no que diz respeito reduo do gasto de energia nos edifcios, obteno do conforto trmico e manuteno um ambiente interno.

Tipicamente, o custo de energia de um edifcio naturalmente ventilado 40 % menor do

que um edifcio dotado de ventilao mecnica. Conseqentemente, a ventilao natural contribui para um ambiente interno agradvel reduzindo o consumo da energia nos edifcios. A ventilao natural transformou-se numa nova tendncia nos projetos de edifcios (ALLOCCA et al., 2002).

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O Brasil um grande produtor e consumidor de energia e a construo de novas usinas para suprir essa demanda pode causar impactos econmicos e ambientais, como alteraes no clima, na fauna e flora local e poluio e migraes populacionais. Assim o alerta para a necessidade do uso racional de energia deve ser frisado uma vez que o crescimento da oferta depende de largos investimentos.

H algumas dcadas a arquitetura priorizava as condies climticas e ambientais ao seu redor. As edificaes conseguiam suavizar os excessos das condies ambientais

exteriores. A iluminao utilizada era principalmente a luz natural e havia um controle das dimenses e posies das aberturas. O conforto trmico no vero era controlado por

sombreamento, protees e inrcia trmica e, no inverno, favoreciam os ganhos pelos envidraados e por tcnicas de isolamento trmico.

Atualmente, nota-se uma desvinculao entre a arquitetura e o clima. O projeto de arquitetura tem sido o principal responsvel pela ineficincia no consumo de energia em edifcios. Com o desenvolvimento da estrutura metlica e do concreto de alto desempenho, acompanhados de iluminao artificial, do ar condicionado e dos elevadores, a arquitetura se viu livre da responsabilidade de responder ao contexto climtico, deixando esta funo inteiramente nas mos da tecnologia (GUGLIELMETTI, 2002).

Geralmente, os indivduos gastam aproximadamente 90 % do seu tempo em lugar fechado e usam aproximadamente um tero da energia do mundo para tornar isto

possvel. Assim, interessante saber que condies resultam num clima interno agradvel e como se pode cri-lo de modo eficiente (KAYNAKLI & KILIC, 2004).

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3.2. A necessidade da ventilao

A ventilao natural regula o clima interno do edifcio por meio de uma troca de ar controlada pelas aberturas. As foras motrizes naturais so criadas por meio das diferenas de temperatura entre o ar interno e o ar externo como tambm pelo vento ao redor do edifcio. O ar no interior do edifcio mantido fresco pela ventilao atravs das aberturas das fachadas e do telhado. A ventilao alcanada por meio do controle de aberturas que depende do clima externo e interno e da necessidade de ar fresco.

A ventilao natural um benefcio para arquitetos, porque permite projetos espaosos e iluminados; para a economia, pois reduz significativamente o custo energtico da

edificao; para os usurios, pois a ventilao natural prov um clima interno agradvel; e para o ambiente, pois a ventilao natural ocasionada por foras naturais

(WINDOWMASTER, 2005).

A ventilao natural prov um agradvel clima interno que uma condio prvia para

um bom rendimento do trabalho executado pelas pessoas no interior da edificao. O ar fresco ajuda a manter a disposio e permite um trabalho mais eficaz. O ar que flui atravs das aberturas propicia a ventilao natural e segue as mudanas sazonais que tambm so benefcios ao funcionamento do ambiente.

Embora a ventilao natural no seja automaticamente controlada, o usurio sempre tem a possibilidade de participar no ajuste das condies de conforto para se atingir a satisfao e requisitos como, por exemplo, o enquadramento do empreendimento nos critrios de uma obra com sustentabilidade e uso eficiente de energia. A satisfao aumenta proporcionalmente com a possibilidade de ajustes individuais de conforto e a sustentabilidade pode ser atingida com a participao dos usurios na percepo das necessidades mnimas para o desempenho das atividades. Assim, desperdcios podem

ser evitados sem prejuzo no conforto. A configurao arquitetnica e a participao do

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usurio no controle do ambiente interno ocupado proporcionam uma satisfao psicolgica com o ambiente fsico (NEWMAN, 1972).

Se a ventilao no suficiente, pode causar sndrome de edifcio doente e incmodo

aos usurios. Um ambiente interno ruim pode resultar em doenas que levam a uma reduo na produtividade.

Para melhorar a produtividade e o bem estar dos usurios de uma edificao nos servios domsticos e/ou de escritrios e fbricas, uma quantidade grande de trabalhos cientficos tem sido realizados com o objetivo de desenvolver modelos relatando percepes do conforto trmico e dos fenmenos fsicos para uma melhor compreenso

dos processos de transferncia de energia que ocorrem numa edificao e como manter a qualidade do ar interno e um ambiente agradvel (NICOL & HUMPHREYS, 2002; DEAR & BRAGER, 2002; RAJA et al., 2001; KAYNAKLI & KILIC, 2004; FERIADI & WONG, 2004).

H uma perda de eficincia humana de 1,8 % para cada grau que a temperatura ambiente subir acima de 27 C, comprometendo a produtividade (FANGER, 1989; ASHRAE, 2001). Vale lembrar que as estatsticas indicam que em indstrias os acidentes de trabalho aumentam na proporo que o conforto trmico diminui, podendo crescer at 40 % quando a temperatura subir 10 C acima do nvel de conforto.

Quando a ventilao natural pode ser uma estratgia suficiente para a obteno de um ambiente interno confortvel, recursos de projeto devem ser utilizados. As previses de ventilao variam com o tipo de ambiente e com as condies climticas. Podem-se destacar os seguintes recursos de projeto: cuidados na forma e orientao da edificao, projetar espaos fluidos, facilitar a ventilao vertical (lanternins), utilizar elementos para direcionar o fluxo de ar para o interior.

O planejamento da ventilao de uma edificao deve aproveitar ao mximo os ventos dominantes no local. Alm dos recursos acima citados, devem-se tambm avaliar algumas modificaes no projeto da habitao, visando primeiramente verificar as

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influncias das posies, tamanhos e tipos de aberturas nas fachadas, e posteriormente o efeito da posio relativa destas edificaes no terreno, e nas condies de conforto e salubridade de seus ocupantes.

Deve-se levar em conta tambm a presena de obstculos e alguns fatores variveis, como direo, velocidade e freqncia dos ventos e diferenas de temperatura do ar

interior e exterior. Nas Figuras 3.4, 3.5 e 3.6 mostram-se alguns esquemas de ventilao observados.

Figura 3.4 Posio das aberturas x reas pouco ou mal ventiladas Fonte: MONTENEGRO, 1984

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Figura 3.5 Obstculos x mudana de direo do vento Fonte: NORDESTERURAL, 2005

Figura 3.6 O efeito de beirais e venezianas na direo do vento Fonte: MONTENEGRO, 1984

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A conscincia cada vez maior de que a ventilao natural uma das melhores opes para se obter um ambiente confortvel com vantagens na economia, qualidade do ar interno, conforto e proteo ao usurio, leva alguns pesquisadores a desenvolver trabalhos que proporcionam uma melhor compreenso sobre o assunto (HUNT & LINDEN, 1999; MARTIN & FITZSIMMONS, 2000; LI et al., 1999; EMMERICH, 2001; LI & DELSANTE, 1999; HEISELBERG et al., 2001; ETHERIDGE, 2001; ALLARD et al., 2003).

3.3. Tipos de ventilao natural

A ventilao natural em um edifcio pode estar baseada em diferentes princpios do escoamento do ar. So mais comuns trs tipos de ventilao natural: ventilao pelo efeito chamin, ventilao unilateral e ventilao cruzada. Na prtica, estes tipos de

ventilao podem ser combinados de diferentes modos na construo de uma edificao.

3.3.1. Ventilao pelo efeito chamin

O processo de ventilao natural pelo efeito chamin tem sua origem na diferena de temperatura entre o ar externo e o ar no interior do ambiente construdo. A diferena de

presso que provoca a circulao do ar atravs das aberturas existentes na edificao, do exterior para o interior da edificao e vice-versa, provm da diferena de peso entre

colunas de ar de mesma altura, mas com temperaturas diferentes. A diferena de presso que ocorre entre o ar interno e externo mostrada na Figura 3.7 (a).

A presso interna mais elevada na abertura superior dirige o fluxo para o exterior e a

presso interna mais baixa na abertura inferior dirige a entrada do ar exterior que substitui o ar quente que saiu. Esse fluxo dirigido pelo empuxo trmico o conhecido

efeito chamin. Quando as temperaturas interna e externa se igualam, a presso devido diferena de temperatura se aproxima de zero e no h nenhuma fora dirigindo a ventilao.

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(a)

(b)

(c)

Figura 3.7 (a) Distribuio da presso interna e externa para o fluxo devido ao efeito chamin. (b) fluxo atravs de duas aberturas: uma superior e uma inferior. (c) fluxo

atravs de uma nica abertura Fonte: Adaptada de ALLOCCA et al., 2002

A temperatura do ar interno tende a ser, na maior parte do tempo, mais elevada do que a do ar externo devido ao calor transmitido pelo corpo humano, mquinas, radiao solar,

etc. Mesmo na poca de inverno, em funo do perfil de ocupao da edificao, o ar pode ser aquecido pelas fontes internas de calor existentes, alm do calor liberado pelas pessoas. Isto mais acentuado em ambientes industriais.

A posio das aberturas da ventilao natural determina a distribuio da temperatura no ambiente interno. Se as duas abert

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