MÉTODOS OBJETIVOS DE AVALIAÇÃO DO CONFORTO TÉRMICO

A partir de abordagens físico-fisiológicas e com objetivos práticos, os estudos mais conhecidos de conforto térmico tomam parâmetros quantitativos considerados universalmente válidos para a maior parte das pessoas (ou para situações específicas, no caso de índices empíricos), estabelecendo “índices de conforto térmico”, expressos em equações e gráficos. Ou seja, um índice de conforto térmico é um método de avaliação, um “modelo” representativo de uma realidade. Segundo De Freitas e Grigorieva (2017, p. 488), um índice térmico humano pode ser considerado como “ […] any parameter or indicator reported in the scientific

literature that purports to represent or signify the state or significance of the thermal environment for an individual or group of individuals”73. Segundo Humphreys (1975), os estudos em conforto térmico têm dois propósitos: encontrar uma forma de descrever o ambiente térmico que se correlacione com a resposta humana, permitindo assim que sejam realizadas previsões confiáveis; e definir a série de condições consideradas agradáveis ou toleráveis para a população envolvida. Para Pereira e Assis (2010, p. 32),

Os índices de conforto térmico integram as variáveis do microclima de um dado volume de ar às respostas de adaptação humana, em condições de repouso ou no exercício de atividades variadas, de maneira a identificar condições psicrométricas de conforto e/ou desconforto higrotérmico para uma população aclimatada.

73 _{[...] qualquer parâmetro ou indicador descrito na literatura científica que represente o estado ou significado do} ambiente térmico para um indivíduo ou grupo de indivíduos (Tradução nossa).

Segundo Givoni (1976, p. 75), os índices de conforto térmico têm o objetivo de “[…]

to evaluate the combined effect of environmental factors on the physiological and sensory responses of the body and to express any combination of them in terms of a single parameter”74, portanto, dessa forma, os índices “[…] are combination of them in terms of a single formula”75.

Classificação de índices de conforto térmico

Existe um grande número de índices de conforto térmico, pois já se contabiliza mais de um século de pesquisas, com maior intensificação a partir da década de 1970. Para sua compreensão, e principalmente forma de aplicação, diversos esforços são registrados, antes mesmo desse período de intensificação, em pesquisas preocupadas tanto com a identificação, como com a classificação de tais índices.

Na década de 1960, MacPherson (1962) descreveu os índices (o autor cita a existência de 19 índices) em três classes principais: índices baseados na medição de parâmetros físicos, como temperatura, movimento do ar e umidade; baseados no esforço fisiológico causado pelo ambiente, gerando temperaturas equivalentes; e os índices baseados no cálculo das trocas de calor, que representam uma fuga do empirismo (não totalmente) para uma base racional do balanço térmico do corpo humano. Segundo Carlucci e Pagliano (2012), a classificação de MacPherson (1962) também é conhecida respectivamente como: índices diretos; índices empíricos; e índices analíticos ou racionais.

Segundo a National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH, 1986), os índices de conforto térmico podem ser classificados como índices diretos, racionais, empíricos, ou fisiológicos, todos com aplicação industrial. Os índices diretos são os mais simples, pois são avaliados diretamente por um instrumento; os racionais são baseados nas trocas de calor; os empíricos relacionam-se com as pesquisas em laboratório (câmaras climatizadas); e os de monitoramento fisiológico são baseados nos limites fisiológicos aceitáveis (com relação ao riscos de doenças ou acidentes).

A classificação de índices desenvolvida por Epstein e Moran (2006) é baseada na classificação do NIOSH (1986), porém, com maior detalhamento, após o desenvolvimento de um número maior de índices (os autores listam 40 índices). Os autores sugerem uma classificação nos mesmos três grupos propostos pelo NIOSH: índices racionais, empíricos e diretos. Os autores descrevem que os dois primeiros grupos são índices sofisticados, que

74 _{[...] avaliar o efeito combinado dos fatores ambientais sobre as respostas fisiológicas e sensoriais do corpo e} expressar qualquer combinação deles em termos de um parâmetro único (Tradução nossa).

integram as variáveis ambientais e fisiológicas (são difíceis de calcular e não são viáveis para o uso no dia-a-dia); já os índices diretos são mais simples, pois são baseados na medição de variáveis ambientais básicas. Os índices empíricos são baseados em tensão objetiva e subjetiva, definidos empiricamente, mas possuem correlatos fisiológicos. Os índices racionais são baseados em cálculos envolvendo a equação de equilíbrio térmico, considerados os mais abrangentes pelos autores (integram todas as variáveis ambientais e comportamentais). No entanto, eles descrevem a desvantagem de que, como não há nenhuma maneira prática de registrar todos os elementos que são necessários para resolver a equação do balanço de calor, alguns parâmetros são considerados como constantes. Já os índices diretos são definidos como “an index that is based on direct measurements of environmental variables, which is used to

‘simulate’ heat strain”76 _{(EPSTEIN; MORAN, 2006, p. 391).}

Carlucci e Pagliano (2012) propõem uma classificação complementar à classificação dos índices diretos, empíricos e racionais de MacPherson (1962), que na realidade, é a mesma denominação proposta por Epstein e Moran (2006). A proposta complementa o que os autores denominaram “the new family of long-term comfort indexes” 77_{, que visam avaliar a qualidade}

do conforto térmico de uma edifícação, durante um período de tempo, considerando todas as áreas da construção (CARLUCCI; PAGLIANO, 2012, p. 195).

São duas grandes famílias de índices, os baseados em modelos de conforto e os baseados em temperaturas de referência, subdivididos em mais quatro grupos: “Percentage indices;

Cumulative indices; Riskindices; Averaging indices” (CARLUCCI; PAGLIANO, 2012, p.

196). Percentage indices, ou índices percentuais, são aqueles avaliados calculando a porcentagem de horas de provável desconforto em relação ao número total de horas ocupadas em uma edificação. Cumulative indices, ou índices cumulativos, diferem do anterior por não representar um percentual, mas o total acumulado de estresse térmico durante o período ocupado. Riskindices são os índices de risco, que medem a percepção térmica do ambiente térmico ao qual um indivíduo ou um grupo de pessoas está exposto. Averaging indices representam índices que expressam uma média do percentual de pessoas desconfortáveis, ou a média da temperatura do ar exterior durante um período especificado.

Monteiro e Alucci (2007), avaliam e propõem uma classificação apenas para modelos analíticos e numéricos, especificamente os modelos preditivos78, considerando os que foram

76 _{Um índice baseado em medições diretas de variáveis ambientais, utilizados para “simular” tensão de calor} (Tradução nossa).

77 _{A nova família de índices de conforto a longo prazo (Tradução nossa).}

78 _{Dentre os quatro tipos de modelos existentes, descritivo, preditivo, explorativo e de planejamento, “o modelo} preditivo visa a prognosticar o futuro, seja por meio de extrapolações em que se manifesta a continuação da

“desenvolvidos para”, “adaptados para”, ou “aplicados em” espaços abertos, diferente do foco industrial da maior parte das classificações anteriores. Inicialmente, os autores apresentam as formas de abordagem para os modelos, diferentemente de uma classificação, identificando modelos empíricos, modelos analíticos (baseados nos processos de trocas térmicas), e outras abordagens diferenciadas, como os modelos adaptativos79, muitos oriundos dos estudos de Humphreys (1975). Nas palavras dos autores,

Os estudos realizados ao longo do século XX demonstram que os índices empíricos apresentam respostas significativas, mas apenas às situações específicas em que foram determinados. As tentativas de se obterem respostas mais universais acabam convergindo para modelos analíticos, que trazem ainda a vantagem de possibilitar uma avaliação específica das diversas trocas térmicas operantes, facilitando a determinação das necessidades de intervenção nos ambientes externos. Há, por fim, ainda a abordagem adaptativa, que traz a característica de se considerar enfaticamente a adaptação ao clima. Através desses estudos, observa-se que índices empíricos respondem significativamente às situações específicas em que foram determinados. Quando há intenção de se obterem respostas universais, a tendência é a utilização de modelos analíticos (MONTEIRO; ALUCCI, 2007, p. 51–52).

A classificação proposta pelos autores baseia-se em conceitos modelares e modais, a partir do “objeto de predição” em dois grandes grupos: por “esforço fisiológico” ou “sensação térmica”. Dentro de cada grupo, os índices foram classificados pelo “método predominante” como “indutivos” ou “dedutivos”. Ainda, uma subclassificação para cada método predominante, baseada em “critérios interpretativos”: por “analogia” ou por “parâmetros fisiológicos” no caso de métodos por esforço fisiológico; e por “analogia”, por “parâmetros fisiológicos” ou por “parâmetros qualitativos” para os métodos por sensação térmica.

O trabalho mais recente sobre classificação de índices térmicos foi desenvolvido em três etapas, primeiro a catalogação, depois a classificação, e por último a avaliação dos índices, realizado por De Freitas e Grigorieva (2015; 2017). Os autores classificaram 165 índices de conforto térmico, o que representa um grande desenvolvimento de índices em menos de uma década, considerando os 40 índices citados por Epstein e Moran (2006). O esquema de classificação produzido compreende oito categorias:

(a) simulation device for integrated measurement, (b) single-sensor (single-

parameter) index, (c) index based on algebraic or statistical model, (d) proxy thermal strain index, (e) proxy thermal stress index, (f) energy balance strain index, (g) energy

tendência atual, seja por meio de condições em que os mecanismos de causa e efeito são especificados.” (MONTEIRO, 2008, p. 31).

79 _{Os índices adaptativos, segundo Pereira e Assis (2010, p. 32), caracterizam-se por sua simplicidade: “de modo} geral, apresentam apenas uma temperatura de conforto térmico em função da temperatura média mensal registrada”.

balance stress index, and (h) special purpose index80 _{(DE FREITAS; GRIGORIEVA,} 2017, p. 488).

Na avaliação, os autores trouxeram grande contribuição aos pesquisadores da área, pois apresentam, de forma muito simples, seis critérios em que os índices são avaliados em forma de pontuação: “comprehensiveness, scope, sophistication, transparency, usability, and

validity” (DE FREITAS; GRIGORIEVA, 2017, p. 500).

Em comprehensiveness, ou abrangência, avalia-se a quantidade de variáveis consideradas no cálculo do índice. Em scope, ou alcance, é verificada a extensão do índice, referente ao intervalo de condições ambientais sobre as quais o índice se aplica. A

sophistication refere-se à sofisticação teórica, ou mérito conceitual do índice, normalmente

incorporando métodos testados empiricamente na literatura. Transparency é pontuado de acordo com a clareza no cálculo do índice, ou seja, maior pontuação é atribuída a um índice bem justificado, com reduzida ambiguidade. Usability reflete a simplicidade do índice, e, portanto, a sua praticidade. A validity, ou seja, a validade, reflete mais a confiabilidade do índice, o que depende muito da frequência de aplicação em estudos de laboratório ou de campo. Como pôde ser verificado, é enorme o número de índices de conforto térmico desenvolvidos, 165 só dos índices identificados em De Freitas e Grigorieva (2017), faltando ainda os outros métodos de estudo como os adaptativos, os que são expressos em cartas etc., o que é agravado se for considerado que em cada índice estudado há uma grande quantidade de pesquisas aplicadas. Em seu estudo, realizado na década de 1970, Humphreys (1975) já identificava mais de 200 mil observações ao redor do mundo em diversos tipos de climas.

Métodos mais utilizados

Um dos índices mais utilizados no Brasil e no mundo é o Predicted Mean Vote (PMV), em associação com o Predicted Percentage of Dissatisfied (PPD), criados por Fanger (1972). Também teve muita influência no Brasil outros trabalhos como o de Givoni (1976; 1992), com

80 _{(a) índice de simulação por medição integrada, (b) índice de parâmetro único, (c) índice baseado em modelo} algébrico ou estatístico, (d) índice proxy de tensão térmica, (e) índice proxy de estresse térmico, (f) índice de tensão térmica por balanço energético, (g) índice de estresse térmico por balanço energético, e (h) índice de propósito específico (Tradução nossa). Os autores justificam o uso do termo proxy, pois consideram o termo empirical (empírico) inapropriado, por ser muito forte. Provavelmente, o termo refere-se à variável proxy utilizada em estatística, que substitui uma variável não observável ou não mensurável para descobrir um resultado provável, tendo em vista que os autores descrevem que proxy significa um substituto ou uma alternativa à abordagem do balanço energético. Outro ponto a esclarecer é a diferença entre tensão térmica e estresse térmico, cujo significado é de difícil compreensão. Segundo os autores, o estresse térmico fornece uma medida do estresse do ambiente térmico imposto ao corpo humano, enquanto a tensão térmica oferece uma medida de tensão fisiológica do organismo. Ou seja, sob o estresse térmico, os índices tem predominância dos fatores externos do ambiente sobre o organismo (fator interno), enquanto nos índices baseados na tensão térmica, há prevalência da tensão interna do organismo sobre os fatores externos do ambiente.

a carta bioclimática. O índice Physiological Equivalent Temperature (PET), citado por Höppe (1999) e o Universal Thermal Climate Index (UTCI), desenvolvido pela ISB (BRÖDE et al., 2012) fazem parte dos índices mais recentes e mais sofisticados utilizados no país. O

Discomfort Index81 (DIT) criado por Thom (1959) é muito utilizado no meio geográfico

brasileiro. Já Pereira e Assis (2010, p. 32), descrevem que alguns autores brasileiros têm adotado diferentes índices adaptativos, como alternativa ao uso do PMV, muito divulgado principalmente por seu uso normatizado.

O PMV e o PPD foram desenvolvidos para ambientes internos, com o propósito de auxiliar nos sistemas de ar condicionado e aquecimento. Para determinar o PMV, Fanger (1972) considerou as variáveis ambientais: temperatura do ar, temperatura radiante média82, velocidade do ar, umidade relativa; e as variáveis pessoais: metabolismo e vestimenta, medidos em “met” e “clo”83_{, respectivamente. Como a equação é muito complexa, o autor recomenda o}

uso de recursos computacionais, ou diagramas. O PMV expressa a opinião média de um grupo de pessoas em relação à escala de sensações térmicas num certo ambiente, ou seja, a escala da ASHRAE (2017), adotada pelo autor. O PPD indica a quantidade de pessoas que se encontram insatisfeitas em relação a uma determinada escala de sensação térmica, ou seja, tem o PMV como variável dependente. Segundo Araújo (2001), a equação de conforto de Fanger (1972) é muito utilizada e muitas publicações fazem referências a esse método, como a ISO 7730 (ISO, 2005).

81 _{O índice é conhecido também por outras denominações. Ayoade (1996) apresenta a denominação Temperatura} Efetiva (TE) em referência ao Discomfort Index de Thom (1959), e acrescenta ainda que o índice também é conhecido como índice de temperatura-umidade.

82 _{Segundo Fanger (1972, p. 143), “the mean radiant temperature in relation to a person in a given body posture}

and clothing placed at a given point in a room, is defined as that uniform temperature of black surroundings which will give the same radiant heat loss from the person as the actual case under study” (a temperatura radiante média

em relação a uma pessoa em uma determinada postura corporal e vestimenta, colocada em um determinado ponto em uma sala, é definida como aquela temperatura uniforme do entorno negro que irá fornecer a mesma perda de calor radiante da pessoa do caso real em estudo (Tradução nossa)). Baseada nesse conceito, a ISO 7726 (ISO, 1998, p. 2) enclosure in which radiant heat transfer from the human body is equal to the radiant heat transfer in

the actual non-uniform enclosure” (a temperatura radiante média é a temperatura uniforme de um recinto

imaginário em que a transferência de calor por radiação para o corpo humano é igual à transferência de calor por radiação no recinto não uniforme (Tradução nossa)). A média aqui citada não se refere a um intervalo de tempo, mas à média dos efeitos radiantes de todas as superfícies do ambiente sobre o corpo, simultaneamente. Não é uma variável muito usual ou conhecida fora do campo do conforto térmico. Há diversas formas de calculá-la, inclusive a partir da média das temperaturas das superfícies ao redor do corpo humano, mas a forma mais usual é por meio da temperatura de globo, que será detalhada na seção 3.2.1.6, ou pelo software Rayman, que utiliza fotografias com lentes fish-eye (olho-de-peixe), além de dados de radiação solar global (MATZARAKIS; RUTZ; MAYER, 2007; 2010). A ISO 7726 (ISO, 1998) apresenta tal conceito em distinção da temperatura radiante plana, que por sua vez considera apenas um elemento plano único. A temperatura radiante médiaengloba todos os elementos radiantes suscetíveis de agir sobre o organismo humano, coadunando com os preceitos de Sorre (1951), em que a análise do clima deve privilegiar a totalidade dos elementos que agem sobre o organismo, e também que a ação conjunta desses elementos tem um sentido diferente de sua ação individual.

Givoni (1976) propôs a carta bioclimática da edificação após estudos com o Index of

Thermal Stress (ITS). Segundo o autor, este índice é um modelo biofísico desenvolvido a partir

da descrição dos mecanismos de trocas de calor entre o corpo e o meio, computando a tensão térmica total, tanto metabólica como ambiental. A carta bioclimática da edificação é um método de representação da zona de conforto térmico84 do índice e do efeito de algumas estratégias de controle ambiental, como a massa térmica da edificação, o vento, o esfriamento evaporativo, a umidificação etc., todos traçados sobre uma carta psicrométrica85. Outros pesquisadores já haviam proposto cartas bioclimáticas, como Olgyay (1998), e tanto este último modelo como o de Givoni (1976) trazem recomendações práticas de projetos de edificações, a partir de dados físicos como temperatura e umidade. Além disso, Givoni (1992) também desenvolveu adaptações na carta bioclimática para países quentes e em desenvolvimento86, tendo em vista que os estudos originais da carta bioclimática foram baseados em pesquisas nos EUA, Europa e Israel (GIVONI, 1992). Com base na carta bioclimática adaptada de Givoni (1992), ABNT desenvolveu norma específica de desempenho térmico, a NBR 15.220 (ABNT, 2005), popularizando ainda mais o método no país.

O PET foi baseado no Munich Energy-balance Model for Individuals (MEMI) (HÖPPE, 1999). Höppe (1993; 1999) descreve que esse modelo é baseado na equação de balanço térmico do corpo humano de Fanger (1972) e em alguns parâmetros do modelo de dois nós87 de Gagge, Stolwijk e Nishi (1971)88 apud Höppe (1999). As diferenças mais importantes entre o modelo de Munique (MEMI) e o modelo de dois nós de Gagge,Stolwijk e Nishi (1971) são a forma de cálculo da taxa fisiológica de suor e do cálculo separado de fluxos de calor a partir de partes da superfície do corpo que são cobertos ou descobertos pela vestimenta (HÖPPE, 1999). O índice PET, baseado no MEMI, é definido como

[…] the physiological equivalent temperature at any given place (outdoors or

indoors) and is equivalent to the air temperature at which, in a typical indoor setting,

84 _{Intervalo do índice considerado confortável. Ver definição na seção 3.2.1.2.}

85 _{A carta psicrométrica é a representação gráfica dos parâmetros da psicrometria (ramo da ciência que estuda as} propriedades termodinâmicas das misturas de ar seco e vapor d’água), quais sejam: pressão atmosférica, umidade absoluta, umidade relativa, temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo úmido, temperatura de orvalho, volume específico, entalpia (COUTINHO, 1998).

86 _{Segundo o autor, as adaptações foram baseadas em estudos realizados em países quentes, dentre eles, o trabalho} de Webb (1959), que foi realizado em Singapura. Em tradução comentada, Schmid (2015, p. 3) explica que essa delimitação “[...] se baseia em indicadores econômicos que, hoje, não se aplicam sem especiais cuidados metodológicos”.

87 _{Segundo Monteiro (2008), baseado em Gagge, Stolwijk e Hardy (1967), o modelo de dois nós utiliza uma} formulação matemática que considera separadamente o calor acumulado na pele e o calor acumulado na parte central do corpo (core), diferentemente da modelagem corporal de apenas um nó, que considera o cálculo do calor acumulado no corpo como um todo.

88 _{GAGGE, A. Pharo; STOLWIJK, Jan A. J.; NISHI, Y. An effective temperature scale based on a simple model} of human physiological regulatory response. ASHRAE Transactions, v. 77, n. 1, p. 247–257, 1971.

the heat balance of the human body (work metabolism 80 W of light activity, added to basic metabolism; heat resistance of clothing 0.9 clo) is maintained with core and skin temperatures equal to those under the conditions being assessed89 _(HÖPPE, 1999, p. 73).

O ambiente interno de referência possui temperatura radiante média igual à temperatura do ar, velocidade do ar igual a 0,1m/s e pressão de vapor igual a 12hPa, o que equivale a uma umidade relativa de 50% a uma temperatura do ar de 20ºC (HÖPPE, 1999). Segundo Hirashima (2010), Höppe (1999) descreve que o PET possibilita a uma pessoa leiga avaliar o componente térmico do clima com base em sua experiência pessoal, comparando o efeito integral das complexas condições térmicas exteriores com suas percepções em ambiente interno. Höppe (1999) exemplifica o valor do PET em diferentes situações: para uma determinada situação de verão à sombra, o valor do PET seria 29ºCPET; numa mesma situação, no entanto, ao sol (com

30ºC a mais de temperatura radiante média), o valor do PET seria 43ºCPET. Segundo o autor,

isso significa que uma pessoa em um ambiente interno de referência com uma temperatura do ar de 43ºC alcança o mesmo estado térmico que nas condições externas de um dia ensolarado e quente, e se ele se deslocar para a sombra, a sensação reduziria para 29ºC no ambiente de referência.

Conforme Bröde et al. (2012), o UTCI teve seu desenvolvimento iniciado por uma comissão da ISB90_{, e desenvolvido com o apoio da União Europeia, no âmbito da COST Action}

730, com o objetivo principal de avaliar as condições térmicas de ambientes externos por meio da resposta fisiológica do corpo humano. Segundo Błażejczyk et al. (2010) e Jendritzky, De Dear e Havenith (2012), a referida comissão definiu que o índice deveria ser termofisiologicamente válido para todo o intervalo de trocas de calor entre o corpo e o ambiente, aplicável a todos os tipos de clima e estações do ano, em micro e macro escalas, e apropriado