KAREN WROBEL STRAUB
DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA DE
NEUTRALIDADE EM SALAS DE AULA DO ENSINO
SUPERIOR PARA AS ZONAS BIOCLIMÁTICAS DO
ESTADO DE MATO GROSSO
CUIABÁ 2016
DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA DE
NEUTRALIDADE EM SALAS DE AULA DO ENSINO
SUPERIOR PARA AS ZONAS BIOCLIMÁTICAS DO
ESTADO DE MATO GROSSO
Dissertação apresentada à UNIC, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Ciências Ambientais.
Orientador: Prof. Dr.-Ing Marlon Leão
CUIABÁ 2016
DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA DE NEUTRALIDADE EM SALAS DE AULA DO ENSINO SUPERIOR PARA AS ZONAS BIOCLIMÁTICAS DO ESTADO
DE MATO GROSSO
Dissertação apresentada à UNIC, no Mestrado em Ciências Ambientais, área de concentração em Dinâmica Ambiental, como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre conferido pela Banca Examinadora formada pelos professores:
_________________________________________ Prof. Dr.- Ing Marlon Leão
UNIC
_________________________________________ Prof. Dr. Carlo Ralph De Musis
UNIC
_________________________________________ Profª. Dra. Luciane Cleonice Durante
UFMT
__________________________________________ Prof. Dr. Ernesto Kuchen
Universidad Nacional de San Juan
especiais em meu caminho;
Aos meus pais Sandra Luzia Wrobel Straub e José Luiz Straub, pela contribuição na formação do meu caráter, pelo amor incondicional, apoio, incentivo, auxílio no desenvolvimento da pesquisa e dedicação da vida toda;
Ao meu irmão Igor Willian Wrobel Straub, que sempre esteve ao meu lado, mesmo nos momentos difíceis me ouvindo e me apoiando;
Ao Rodrigo Marengo Schneider, que foi meu companheiro durante todo o período de faculdade, especialização, e por fim mestrado, me dando muito amor e carinho, entendendo minhas ausências e me apoiando sempre;
A minha vó Maria Aparecida Camargo Wrobel, que sempre me fez presente em suas orações, pelo amor incondicional;
Aos meus amigos e colegas, que participaram efetivamente da minha vida acadêmica e também aqueles que me distraíram dela, por todo amor, carinho e compreensão, deixando minha vida mais alegre, em especial a: Camila Isernhagen de Almeida, Jordana Bicudo, Josiane do Espírito Santo Santana, Luís Antônio Shigueharu Ohira, Alex Cesar dos Santos, Bruno Santos Abdala, Cátia Balduíno Ferreia, Guilherme Garrido, Michel Saraiva Pacheco, Samira Amorim Pereira, e Anne Maiara Seidel Luciano;
Ao meu orientador Marlon Leão, pela oportunidade, amizade, dedicação e significativo aprendizado durante todo este período;
Aos professores membros da banca: Marta Cristina de Jesus Albuquerque Nogueira, Carlo Ralph De Musis, Ernesto Kuchen e Luciane Cleonice Durante, pelas preciosas contribuições;
A todos os professores do Programa de Ciências Ambientais da UNIC e do Programa de Física Ambiental da UFMT em especial Carlo Ralph De Musis e Osvaldo Borges Pinto Junior;
A UNEMAT, por acolher-me como discente e docente, e aos professores e alunos desta instituição, em especial: Arnaldo Taveira Chioveto, João Carlos Machado Sanches, Érika Borges Leão, Luís Antônio Shigueharu Ohira , André Luiz Machado, Anne Maiara Seidel Luciano, Giovani Vinicius Merlin, Waniel Aparecido Félix Coutinho, Daniela Augusta Pereira Goto e Caroline Indayara Leite Milhorança.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ... iii
LISTA DE TABELAS ... v
LISTA DE QUADROS ... vii
RESUMO ... viii ABSTRACT ... ix 1.INTRODUÇÃO ... 1 1.1.PROBLEMÁTICA ... 1 1.2JUSTIFICATIVA ... 2 2.REVISÃOBIBLIOGRÁFICA ... 4 2.1.CONFORTOTÉRMICO ... 4
2.1.1 Importância do Conforto Térmico ... 5
2.1.2. Variáveis do Conforto Térmico ... 7
2.1.2.1. Variáveis Pessoais ... 7
2.1.2.1.1. Taxa Metabólica... 7
2.1.2.1.2. Isolamento Térmico das Roupas Utilizadas ... 9
2.1.2.2 Variáveis Ambientais ... 12
2.1.2.2.1. Temperatura do Ar ... 12
2.1.2.2.2. Velocidade do Ar ... 13
2.1.2.2.3. Temperatura Média Radiante ... 15
2.1.2.2.4. Umidade Relativa do Ar ... 16
2.1.3. Parâmetro de influência sobre o Conforto Térmico ... 17
2.1.3.1. Neutralidade Térmica ... 17
2.1.3.2. Limites da Temperatura da Pele e Suor ... 18
2.1.3.3. Desconforto Localizado ... 20
2.1.3.3.1. Assimetria de Radiação Térmica ... 20
2.1.3.3.2. Correntes de Ar ... 21
2.1.3.3.3. Diferenças na Temperatura do Ar no Sentido Vertical ... 21
2.1.3.3.4. Contato com Pisos Aquecidos ou Resfriados... 22
2.1.2.1.3. Parâmetros Subjetivos ... 22
2.1.4. Avaliação do Conforto Térmico... 22
2.1.4.1.1. Voto Médio Predito – PMV ... 25
2.1.4.1.2. Porcentagem de Pessoas Insatisfeitas - PPD ... 26
2.1.4.2. Estudos de Ambientes Reais ... 27
2.1.4.2.1. Determinação da Temperatura de Neutralidade ... 29
2.1.4.3. Estudos em Ambientes Escolares... 31
2.1.5. Normas de Conforto Térmico ... 32
2.2. ZONEAMENTO BIOCLIMÁTICO BRASILEIRO ... 33
3. ÁREADEESTUDO ... 36
3.1. O ESTADO DE MATO GROSSO ... 36
3.1.1. Cáceres ... 40
3.1.2. Cuiabá ... 42
3.1.3. Primavera do Leste ... 43
3.1.4. Sinop ... 44
4. MATERIAIS E MÉTODOS ... 46
4.1. CARACTERIZAÇÃO DOS AMBIENTES DE PESQUISA ... 46
4.3. INSTRUMENTAÇÃO ... 47
4.3.1. Datalogger HD 32.1 ... 48
4.3.2. Sensor para medição de temperatura e umidade relativa do ar ... 49
4.3.3. Termômetro de globo negro ... 50
4.3.4. Anemômetro omnidirecional de fio quente... 51
4.4. QUESTIONÁRIOS APLICADOS ... 52
4.5. COLETAS DE DADOS ... 55
4.6. TRATAMENTO DOS DADOS ... 58
4.7. DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA DE NEUTRALIDADE ... 58
4.7.1. Temperatura Operativa ... 59
4.7.2. Votos de Sensação Térmica e Preferência Térmica ... 59
5. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 61
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 83
6.1. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 84
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 85
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Exemplos de estudos em câmaras climatizadas... 24
Figura 2 - Escala Sétima ASHRAE, ou escala de sete pontos ... 26
Figura 3 - Porcentagem de pessoas insatisfeitas (PPD) em função do voto médio predito (PMV) ... 27
Figura 4 - Mapa climático do Brasil. ... 34
Figura 5 - Mapa das Zonas Bioclimáticas Brasileiras ... 35
Figura 6 - Mapa das unidades climáticas do estado de Mato Grosso ... 38
Figura 7 – Zoneamento bioclimático segundo NBR 15220-2003 para o estado de Mato Grosso ... 40
Figura 8 - Localização do Campus A em Cáceres – MT ... 41
Figura 9 - Localização do Campus B em Cáceres – MT ... 41
Figura 10 - Localização do Campus em Cuiabá – MT ... 42
Figura 11 - Localização do Campus D em Cuiabá - MT ... 43
Figura 12 - Localização do Campus E em Primavera do Leste – MT ... 44
Figura 13 - Localização do Campus F em Sinop – MT ... 45
Figura 14 - Localização do Campus G em Sinop – MT ... 45
Figura 15 - Datalogger HD 32.1 com sensores instalados. ... 48
Figura 16 - Datalloger HD32.1 ... 49
Figura 17 - Sonda combinada: temperatura e umidade relativa do ar ... 50
Figura 18 - Termômetro de Globo Negro ... 51
Figura 19 - Anemômetro omnidirecional de fio quente ... 52
Figura 20 - Posicionamento do HD 32.1 no centro da sala de aula em Sinop – MT . 56 Figura 21 - Comparação entre os valores calculados do PMV e a sensação térmica real emitida no questionário ... 65
Figura 22 - Comparação entre os valores calculados de PPD e a porcentagem de insatisfeitos reais obtida através do questionário ... 65
Figura 23 - Correlação entre sensação real e porcentagem de insatisfeitos real ... 66
Figura 24 - Correlação entre PMV e sensações reais obtidas através dos questionários ... 67
Figura 25 - Correlação entre temperatura operativa e isolamento térmico das roupas ... 69
Figura 26 - Regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 08 na estação de chuva... 70
Figura 27 - Regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 08 na estação de seca ... 72
Figura 28 - Regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 07 na estação de seca ... 73
Figura 29 - Regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 07 na estação de chuva... 75
Figura 30 - Regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 06 na estação de chuva... 76 Figura 31 - Regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 06 na estação de seca ... 78 Figura 32 - Regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 05 na estação de chuva... 79 Figura 33 - Regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 05 na estação de seca ... 81
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Taxa metabólica em função da atividade desempenhada ... 8
Tabela 2 – Isolamento da vestimenta ... 10
Tabela 3 – Isolamento da vestimenta por peça ... 11
Tabela 4 - Adição típica à vestimenta quando o usuário está sentado em uma cadeira ... 12
Tabela 5- Métodos para determinação do conforto térmico ... 23
Tabela 6 - Normas vigentes para avaliação do conforto térmico e seus parâmetros . 33 Tabela 7- Classificação bioclimática das cidades do Mato Grosso ... 38
Tabela 8 - Classificação bioclimática das cidades estudadas do Mato Grosso ... 39
Tabela 9 - Especificações técnicas temperatura e umidade relativa do ar ... 49
Tabela 10 - Especificações técnicas do termômetro de globo negro ... 50
Tabela 11 - Especificações técnicas do anemômetro de fio quente ... 51
Tabela 12 - Resumo da coleta de dados na estação de chuva ... 57
Tabela 13 - Determinação de A em função da velocidade do ar ... 59
Tabela 14 - Caracterização da amostra estudas para as quatro zonas bioclimáticas .. 61
Tabela 15 - Apresentação das principais variáveis, por zona bioclimática, para o período da chuva ... 62
Tabela 16 - Apresentação das principais variáveis, por zona bioclimática, para o período da seca ... 63
Tabela 17 - ANOVA da regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 8 na estação de chuva ... 71
Tabela 18 - Testes de normalidade dos resíduos da regressão para determinação da Tn da zona 08 na estação da chuva ... 71
Tabela 19 - ANOVA da regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 8 na estação de seca ... 72
Tabela 20 - Testes de normalidade dos resíduos da regressão para determinação da Tn da zona 08 na estação da seca ... 73
Tabela 21 - ANOVA da regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 7 na estação da seca ... 74
Tabela 22 - Testes de normalidade dos resíduos da regressão para determinação da Tn da zona 07 na estação da seca ... 74
Tabela 23 - ANOVA da regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 7 na estação da chuva ... 75
Tabela 24 - Testes de normalidade dos resíduos da regressão para determinação da Tn da zona 07 na estação da chuva ... 76
Tabela 25 - ANOVA da regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 6 na estação da chuva ... 77
Tabela 26 - Testes de normalidade dos resíduos da regressão para determinação da Tn da zona 06 na estação da chuva ... 77
Tabela 27 - ANOVA da regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 6 na estação da seca ... 78 Tabela 28 - Testes de normalidade dos resíduos da regressão para determinação da Tn da zona 06 na estação da seca ... 79 Tabela 29 - ANOVA da regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 5 na estação da chuva ... 80 Tabela 30 - Testes de normalidade dos resíduos da regressão para determinação da Tn da zona 05 na estação da chuva ... 80 Tabela 31 - ANOVA da regressão entre voto de sensação térmica e temperatura operativa para a zona bioclimática 5 na estação da seca ... 81 Tabela 32 - Testes de normalidade dos resíduos da regressão para determinação da Tn da zona 05 na estação da seca ... 82 Tabela 33 - Temperatura de neutralidade por zona bioclimática do estado de Mato Grosso ... 82
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Questões para caracterização da amostra ... 53 Quadro 2 - Questão para identificação do tempo de permanência na sala de aula .... 53 Quadro 3 - Questões sobre sensação e preferência térmica ... 53 Quadro 4 - Questões referentes à ingestão de líquidos e alimentos, e realização de atividades... 54 Quadro 5 - Questões para levantamento do vestuário utilizado pelo estudante ... 55
RESUMO
STRAUB, K. W. Determinação da Temperatura de Neutralidade em Salas de Aula
do Ensino Superior para as Zonas Bioclimáticas do Estado de Mato Grosso.
Cuiabá, 2015. Dissertação (Mestrado) – Pós-Graduação em Ciências Ambientais, Universidade de Cuiabá.
A neutralidade térmica é a condição em que uma pessoa não prefira nem mais calor nem mais frio no ambiente ao seu redor, fator condicionante para atingir o conforto térmico. Tendo em vista que Mato Grosso é um estado com significativas variações climáticas ao longo de seu território e escassez de diretrizes sobre o conforto térmico, evidenciou-se a necessidade de estudos específicos. As instituições de ensino superior abrigam grande quantidade de ocupantes por longos períodos e tendo em vista que a aprendizagem está diretamente relacionada às condições de conforto dos estudantes verificou-se a importância da realização de estudos de conforto térmico nesse tipo de edificação. Esse trabalho propôs determinar a temperatura de neutralidade de salas de aula de edificações do ensino superior para as zonas bioclimáticas do estado de Mato Grosso. A metodologia baseou-se na aplicação de questionários para verificação de variáveis pessoais e, na medição de variáveis climáticas por meio de sensores específicos. Através do questionário os alunos emitiram votos de sensação e preferência térmica, assim como forneceram informações sobre suas vestimentas e atividades exercidas anteriormente. Simultaneamente ocorreram as medições das variáveis climáticas que consistiram no registro da temperatura do ar, temperatura do termômetro de globo, umidade relativa e velocidade do ar. A pesquisa foi realizada nos períodos seco e chuvoso totalizando 64 medições 1151 questionários. Com base nos dados coletados, e posterior tratamento dos mesmos, através de uma análise de regressão de mínimos quadrados entre a temperatura operativa e o voto de sensação térmica ajustaram-se equações para a determinação da temperatura de neutralidade por zona bioclimática para cada estação, chuva e seca.
ABSTRACT
STRAUB, K. W. Determination of the Neutral Temperature in Higher Education
Classrooms for the State of Mato Grosso’s Bioclimatic Zones. Cuiabá, 2015.
Dissertation (Masters) – Masters in Environmental Sciency, University of Cuiabá.
The thermal neutrality is a condition where a person prefers neither warmer nor colder in their environment, conditioning factor to achieve thermal comfort. Considering that Mato Grosso is a state with significant climate variations over its territory and there is a lack of guidelines on thermal comfort, it became clear the need for specific studies. Higher education institutions are home to a large number of occupants for long periods and, taking into consideration that their learning capability is directly related to the comfort conditions it demonstrate the importance of conducting thermal comfort studies in this type of building. This work propose to evaluate the neutral temperature for classrooms in four bioclimatic zones of the state. The methodology is based on questionnaires for verification of personal variables, and measurement of climatic variables by specific sensors. Through the questionnaires, students issue votes for their sensation and for their thermal preference, additionally, information about their clothing and which activities were carried out previously were acquired. Simultaneously, measurements of climatic variables that consisted of record air temperature, globe thermometer temperature, relative humidity and air velocity were obtained. The survey were conducted during the dry and rainy totaling 64 cycles of measurement and 1151 questionnaires. Based on the collected data and subsequent processing of data by an ordinary least square regression analysis between the operating temperature and thermal sensation voting, eight equations for the determination of the neutral temperature of bioclimatic area for each season, wet and dried were adapted.
1.
INTRODUÇÃO
1.1.
PROBLEMÁTICA
Os primeiros estudos realizados acerca da interferência das condições térmicas no rendimento de trabalhadores foram desenvolvidos em 1916 pela Comissão Americana de Ventilação. Inicialmente as pesquisas de conforto térmico eram desenvolvidas em câmaras climatizadas com controle de todas as variáveis, mais tarde surgiu a linha adaptativa em que as pesquisas passaram a ser realizadas em ambientes reais.
As análises em campo mostraram haver desvios entre os resultados obtidos a partir das realizadas em câmaras climatizadas, possibilitando também conhecer a influência das variáveis sobre o estado de conforto ou ainda identificar novas variáveis, como hábitos e culturas que afetam a habilidade de adaptação do ser humano.
Os índices de conforto variam em relação à temperatura média da região onde cada estudo é desenvolvido, observando ainda que a aclimatação, ou habilidade de adaptação, afeta a temperatura de neutralidade dos ambientes estudados.
Verifica-se a importância da determinação da temperatura de neutralidade para regiões específicas, visto que em um mesmo país existem regiões que apresentam condições climáticas muito diferentes e consequentemente habitantes com sensibilidade térmicas diferentes, justamente devido à condição de aclimatação do ser humano.
Ressalta-se que pesquisas realizadas sobre temperatura de neutralidade são aplicáveis para condições específicas o que contribui para a inexistência de zonas de conforto e temperatura de neutralidade em diversas regiões. O Estado de Mato Grosso possui um extenso território com grandes variações climáticas e os mais diversos tipos de edificações, carecendo de zonas de conforto térmico e temperatura de neutralidade definidas.
As edificações de ensino superior abrigam grande quantidade de ocupantes por longos períodos. Sendo a condição térmica uma das principais falhas encontradas em ambientes escolares e tendo em vista que a aprendizagem está diretamente
relacionada às condições de conforto dos estudantes, verifica-se a importância de parâmetros para alcançar um ambiente termicamente confortável.
A ausência de zonas de conforto e temperatura de neutralidade conhecida contribui para edificações de baixo desempenho, no que diz respeito à condição térmica do ambiente provocando gastos muitas vezes desnecessários com refrigeração.
1.2
JUSTIFICATIVA
As pesquisas no Brasil sobre desempenho da edificação estão estreitamente relacionadas às exigências da nova norma NBR 15.575:2013. Esta norma contempla, entre outros aspectos, questões acerca do desempenho térmico e eficiência energética na edificação.
A norma apresenta padrões mínimos como o de transmitância térmica, capacidade térmica e de aberturas para ventilação, fatores que influenciam diretamente nas condições térmicas do ambiente. Apesar de esses parâmetros serem de extrema importância para projetar um ambiente termicamente confortável, nem sempre são suficientes para determinação de uma temperatura de neutralidade.
Devido ao clima quente e úmido do Estado de Mato Grosso destaca-se a relevância da pesquisa, visto que as variáveis climáticas de temperatura, velocidade do ar e umidade influenciam diretamente a sensação de conforto térmica dentro de ambientes construídos. Sendo que instituições ensino superior abrigam grande quantidade de ocupantes por longos períodos e que a aprendizagem está diretamente relacionada às condições de conforto dos estudantes, verifica-se a importância da pesquisa em edificações desse tipo.
A definição de uma temperatura de neutralidade para instituições de ensino superior contribui para o estabelecimento de um ambiente termicamente confortável, o que se mostra de suma importância, pois segundo Bernadi (2001) condições de desconforto térmico podem ser responsáveis por sonolência, aumento do suor, além de alterações dos batimentos cardíacos, o que pode tanto a longo, quanto em curto prazo comprometer a saúde dos estudantes, além de interferir no processo de aprendizagem.
Em outro aspecto, a determinação da temperatura de neutralidade está diretamente relacionada com a redução de consumo de energia, pois edificações com bons desempenhos térmicos utilizam menos do sistema de climatização artificial. Contribuindo de forma efetiva para redução do consumo de energia e, dessa forma, fomentando o desenvolvimento sustentável.
Dito isso, pode-se ressaltar o quão impactante os resultados serão para o desenvolvimento sustentável do estado de Mato Grosso, contribuindo efetivamente nos aspectos econômicos, sociais, ambientais, científico e tecnológico.
Estes fundamentos dão origem a este trabalho, que tem por objetivo geral determinar a temperatura de neutralidade de salas de aula de edificações do ensino superior para as zonas bioclimáticas do estado de Mato Grosso.
Para que o objetivo geral fosse alcançado foi necessário determinar os objetivos específicos, sendo estes o levantamento das variáveis pessoais e ambientais considerando estudantes do ensino superior em ambiente de sala de aula; obter os votos de sensação e preferência térmica dos estudantes com relação ao ambiente térmico experimentado; comparar os índices voto médio predito (PMV) e porcentagem de pessoas insatisfeitas (PPD), desenvolvidos por Fanger (1970), com as sensações relatadas e a porcentagem de insatisfeitos reais verificada na pesquisa de campo.
Os resultados obtidos servirão como indicadores na definição de estratégias a serem utilizadas por profissionais da área de desempenho térmico das edificações, com o objetivo de aumentar o conforto do usuário e/ou diminuir o consumo de energia.
2.
REVISÃO
BIBLIOGRÁFICA
2.1.
CONFORTO
TÉRMICO
Entende-se como conforto ambiental o conjunto de fatores, térmico, visual, acústico, ergonômico e qualidade do ar, que interfere na sensação de conforto de ocupantes de um determinado ambiente.
Todos esses fatores são de extrema importância para garantir um ambiente agradável e saudável aos seus ocupantes, entretanto, segundo Kowaltowski et al (2002) de modo geral os ambientes escolares, objeto da pesquisa, apresentam como principais falhas observadas em suas pesquisas o conforto térmico e a funcionalidade.
O conforto térmico tem sido alvo de diversas pesquisas há muitos anos, com o objetivo principal de entender o seu funcionamento verificando quais as variáveis, fatores e índices podem interferir, e de que forma isso afeta a saúde e produtividade humana.
Segundo a ASHRAE STANDARD 55 (2004), conforto térmico em ingles “that condition of mind which expresses satisfaction with the thermal environment and is assessed by subjective evaluation”. Que traduzido é definido como “que a condição de espírito que manifesta a sua satisfação com o ambiente térmico e é avaliado por avaliação subjetiva”.
Essa definição, que trata da condição da mente, está mais relacionada ao aspecto subjetivo dos ocupantes de um determinado ambiente, entretanto, a satisfação com o ambiente térmico leva ao entendimento de que as condições físicas do ambiente e do ocupante também interferem nessa sensação de conforto.
Corroborando a isso Rohles1 apud Xavier (1999) adverte que na maioria dos estudos de conforto térmico, a temperatura do corpo, chamada por ele de “condição do corpo”, e as sensações relatadas pelas pessoas, que seriam então a “condição da mente”, devem ser analisadas conjuntamente. E, a partir disso, o autor argumenta
1
ROHLES, F. H. "Temperature or Temperament: A Psychologist looks at Thermal Comfort". ASHRAE Transactions. Atlanta: v. 86, n. 1, p. 541-554, 1980.
ainda que os estudos convencionais não levam em contar apenas a condição da mente, mas também, e de uma maneira bem acentuada, a condição do corpo.
A NBR 15220-3 (ABNT, 2005), traz como definição de conforto térmico “... a satisfação psicofisiológica de um indivíduo com as condições térmicas do ambiente”. Com base nessa discussão podemos dizer que o conforto térmico pode ser avaliado sob três aspectos principais: biofísicos, fisiológicos e psicológicos.
Os fatores biofísicos dizem respeito às trocas de calor entre os ocupantes e o meio. Fatores fisiológicos estão relacionados à resposta fisiológica do organismo devido à exposição à determinada condição térmica. E, os fatores psicológicos são aqueles que variam em função da percepção de cada ocupante, em detrimento do humor, experiências ou costumes adquiridos ao longo da vida de cada um.
Frota; Schiffer (2001) identificam os aspectos mencionados anteriormente como sendo índices de conforto. Para os autores a condição de conforto térmico está relacionada a diversas variáveis, e essas variáveis quando analisadas conjuntamente dão origem aos índices de conforto térmico.
Entretanto, muitos autores sugerem que esses índices não são suficientes para determinar um ambiente confortável, havendo, portanto, a necessidade de entender o conceito e a importância do conforto térmico para tornar a avaliação o mais próxima possível das influências reais sobre o mesmo.
2.1.1 Importância do Conforto Térmico
Os estudos relacionados ao conforto térmico tem como premissa a satisfação do ocupante com relação à temperatura do ambiente, entretanto, Silva (2002) ressalta que o conforto térmico não é um conceito exato, que se possa determinar uma temperatura exata. Ou ainda que se possa determinar a partir de variáveis quantificáveis como temperatura do ar, velocidade do ar, e umidade, ou não quantificáveis como estado mental, hábitos, educação e cultura. As preferências de conforto das pessoas podem variar bastante conforme a sua aclimatização particular ao ambiente local.
Lamberts et al. (2014) sugere que a importância do estudo do conforto térmico está baseada em três fatores principais. Sendo eles a satisfação do homem,
no que diz respeito a sentir-se termicamente confortável, a performance humana, que o autor destaca de apesar de as investigações não serem conclusivas a esse respeito, os estudos mostram que o desconforto por frio ou calor reduz o desempenho. E, por fim, a conservação de energia relacionada diretamente ao não desperdício da mesma, tendo em vista que ao conhecer os parâmetros relativos ao conforto térmico dos ocupantes em seus ambientes, reduz-se os gastos com calefação e refrigeração muitas vezes desnecessários.
Em se tratando de satisfação Baker; Standeven (1996) relacionam a satisfação das pessoas com a capacidade que elas possuem de se adaptar ao ambiente. Segundo eles todos os organismos vivos possuem a característica da irritabilidade, que é a sensibilidade às atividades de adaptação complexa para promover trocas no ambiente.
Corroborando os preceitos apresentados por Lamberts et al. (2014), no que diz respeito à performance humana, Grzybowski (2004) ressalta que o calor excessivo provoca efeitos sobre o indivíduo, deixando-o cansado, reduzindo sua atenção e aumentando as tendências de ocorrerem erros e acidentes. Para a autora as atividades intelectuais, manuais e perceptivas, geralmente apresentam um melhor rendimento quando realizadas em situação de conforto térmico.
Em ambientes escolares é importante garantir a condição de conforto aos alunos, visto que estes estão expostos a diversos estímulos diferentes durante as aulas, sendo que a insatisfação térmica com o ambiente pode interferir no processo de aprendizagem (DIAS, 2009).
Segundo Nicol (1993) a importância do conforto térmico pode ser exprimida por três pontos fundamentais, a satisfação, a economia de energia e o estabelecimento de padrões, sendo que os dois primeiros coincidem com os princípios apresentados pelo primeiro autor, diferenciando-se então no que diz repeito ao estabelecimento de padrões.
Para o autor o estabelecimento de padrões é um dos motivos que destacam a importância do conforto térmico, que, como visto anteriormente, está relacionado à temperatura interna. Ele aponta ainda que se as temperaturas internas refletissem as temperaturas externas, poderia se esperar também uma redução no consumo de energia.
Diante da busca pelas condições ambientais de conforto, sabe-se que, devido às variações fisiológicas entre as pessoas, não se pode estabelecer as condições de conforto térmico a todos os ocupantes do ambiente. Dessa forma, as condições de conforto criadas em um ambiente devem atender a um grupo, ou seja, condições nas quais a maior porcentagem das pessoas se encontre em conforto térmico (LAMBERTS et al., 2014).
2.1.2. Variáveis do Conforto Térmico
De acordo com Lamberts (2014), as variáveis que influenciam na sensação de conforto térmico e são utilizadas nos cálculos analíticos são seis: atividade desempenhada pelo ocupante, isolamento térmico das roupas utilizadas, temperatura do ar, temperatura radiante média, velocidade do ar e pressão parcial do vapor de água no ar ambiente. Sendo que as duas primeiras variáveis citadas tratam-se das pessoais, e as demais se tratam das variáveis ambientais.
Além disso, Santos (2008) aponta que variáveis como sexo, idade, raça, hábitos alimentares, peso e altura também podem exercer influência sobre a sensação de conforto de cada pessoa e, portanto, devem ser consideradas.
2.1.2.1. Variáveis Pessoais
As variáveis pessoais que afetam diretamente a condição de conforto térmico encontram-se normalmente tabeladas e normatizadas, correspondendo às atividades realizadas (taxa metabólica) e à vestimenta utilizada pelo ocupante durante a avaliação.
2.1.2.1.1. Taxa Metabólica
Para Grandi (2006) é a quantidade de energia liberada pelo corpo para o desempenho de atividade. Ou ainda, de acordo com a ISO 8996 (ISO,1990) é conversão de energia química em energia mecânica, medindo então o gasto energético da carga muscular resultando em um índice numérico de atividade.
Esse índice é expresso em unidade “met”, sendo que 1 met corresponde a 58,2 W/m². Esse valor, segundo Xavier (1999), é correspondente à energia produzida por unidade de área superficial do corpo para uma pessoa sentada em repouso. A área superficial de uma pessoa é em média 1,8 m², sendo 1,7 para mulher e 1,9 para homem.
A ISO 7730 (ISO, 2005) traz os valores dessa variável na tabela B.1 de seus anexos, os valores podem ser verificados na Tabela 1 que segue.
Tabela 1- Taxa metabólica em função da atividade desempenhada
Atividades Taxas Metabólicas
W/m² Met
Deitado, reclinado 46 0,8
Sentado, relaxado 58 1,0
Atividade sedentária (escritório, residência, escola, laboratório)
70 1,2
Atividade leve em pé (compras, laboratório, indústria leve)
93 1,6
Atividade média em pé (balconista, trabalho doméstico, em maquinas)
116 2,0 Andando em nível: 2 Km/h 110 1,9 3 Km/h 140 2,4 4 Km/h 165 2,8 5 Km/h 200 3,4
Fonte: Adaptado da ISO 7730 (2005)
A taxa metabólica aumenta não somente conforme a intensidade da atividade desempenhada, mas também, em função de outras variáveis, como a fisiologia da pessoa e as características ambientais do local.
Além da tabela apresentada, os valores das taxas metabólicas também podem ser encontrado nas tabelas ASHRAE (2013). Entretanto, a ISO 8996 (ISO, 1990) sugere que a determinação da taxa metabólica seja feita através do consumo de oxigênio e dos batimentos cardíacos.
Como já discutido anteriormente durante o desenvolvimento de atividades o corpo humano libera energia para o meio. Segundo Lamberts et al. (2012) essa liberação de energia, ou calor, acontece para que não haja um superarquecimento do corpo, já que o mesmo é homotérmico. Ele aponta ainda que a temperatura interna do corpo humano é praticamente constante, e que a variação se dá entre 35 e 37°C.
Portanto, a avaliação da taxa metabólica é extremamente importante para a determinação do conforto térmico, já que o corpo humano sofre variação da temperatura interna em função da atividade que esteja executando. É importante destacar que o mesmo admite pequenas oscilações na temperatura interna, mas sob variações maiores pode sofrer stress térmico.
2.1.2.1.2. Isolamento Térmico das Roupas Utilizadas
A sensação de conforto térmico está diretamente relacionada, entre outros fatores, à roupa utilizada, já que esta pode impedir, ou dificultar a troca de calor entre o corpo humano e o meio. Para Lamberts (2002), essa dificuldade de troca de calor por convecção equivale à resistência térmica, servindo como isolante térmico que mantém uma camada de ar, entre a roupa e o corpo, que pode ser mais ou menos aquecida.
A vestimenta reduz a sensibilidade do corpo em relação às variações de temperatura e à velocidade do ar, esse isolamento produzido pela vestimenta depende do tipo de tecido, da espessura do mesmo, do tipo de material e do ajuste ao corpo humano. Sua representação convencional é Icl e a unidade de medida denominada de clo equivale a 0,155 m².K/W (FROTA; SCHIFFER, 2001).
As resistências de várias peças de roupas de materiais diferentes foram determinadas por Fanger (1970) através de manequins aquecidos, esses valores encontram-se disponíveis nas normas e manuais ISO 7730 (2005), ISO 9920 (2007) e ASHRAE (2013).
Os valores de alguns conjuntos de roupas típicos podem ser verificados na Tabela 2 e estão disponíveis na versão 2013 do ASHRAE Handbook. Entretanto, destaca-se que apesar de a tabela apresentada trazer diversos conjuntos comuns, muitos deles não são utilizados costumeiramente em algumas regiões, principalmente no que diz respeito ao Brasil, para isso encontram-se disponíveis também na versão 2013 do ASHRAE os valores de isolamento por peça de roupa que podem ser somadas aos conjuntos de roupas já configurados.
Portanto, os valores do Icl da Tabela 2 só devem ser utilizados quando os conjuntos das peças de roupas corresponderem razoavelmente às peças utilizadas na realidade, quando isso não acontecer recorre-se aos valores apresentados na Tabela 3
referente ao isolamento térmico proporcionado individualmente para cada peça, podendo dessa forma determinar-se o valor do Icl para conjuntos diferentes destes já configurados.
Tabela 2 – Isolamento da vestimenta Valores para Conjuntos de Roupas Típicos Descrição da
Vestimenta
Roupas Inclusas Icl
(clo)
Calças
Calça + Camisa manga curta 0,57
Calça + Camisa manga longa 0,61
#2 + Paletó 0,96
#2 + Paletó + Colete + Camiseta 1,14
#2 + Suéter manga longa + Camiseta 1,01
#5 + Paletó + Ceroula 1,30
Saias/ Vestidos
Saia na altura dos joelhos + Camiseta manga curta (sandálias)
0,54
Saia na altura dos joelhos + Camiseta manga longa + Combinação íntima
0,67
Saia na altura dos joelhos + Camisa manga comprida + Meia combinação íntima + Suéter manga comprida
1,10
Saia na altura dos joelhos + Camisa manga longa + Meia combinação íntima + Paletó
1,04
Saia no comprimento do tornozelo + Camisa manga comprida + Paletó
1,10
Shorts Shorts + Camisa manga curta 0,36
Macacões
Macacão manga comprida + Camiseta 0,72
Macacão + Camisa manga comprida + Camiseta 0,89 Macacão isotérmico + Roupa íntima comprida
(térmico-corpo todo)
1,37
Atlética Calça de moleton + Blusa de moleton manga longa 0,74 Pijamas Camisa manga longa de pijama + Calça de pijama +
Roupão ¾ (chinelos, sem meias)
0,96
Fonte: Adaptado do ASHRAE (2013)
É importante ressaltar que todos os conjuntos de roupa, exceto onde indicado entre parênteses, incluem sapatos, meias, calcinhas e cuecas, e todos os conjuntos de saias/vestidos incluem meia-calça, sem meias adicionais.
A Tabela 3 a seguir traz os valores em clo do isolamento térmico proporcionado por peça de roupa utilizada, em função da superfície que a mesma é capaz de cobrir, do tipo de material da qual é feita e de sua espessura.
Tabela 3 – Isolamento da vestimenta por peça
Descrição de Roupa Icl Descrição da Roupa Icl
Roupas Íntimas Vestidos e Saias
Sutiã 0,01 Saia (fina) 0,14
Calcinha 0,03 Saia (grossa) 0,23
Cueca Masculina 0,04 Vestido fino, sem mangas 0,23
Camiseta 0,08 Vestido de malha, com
mangas
0,27
Meia combinação Íntima 0,14 Vestido curto de algodão (estilo camisa)
0,29
Roupa Íntima Longa (Ceroulas) 0,15 Vestido comprido com mangas (fino)
0,33
Combinação Íntima 0,16 Vestido comprido com
mangas (grosso)
0,47
Ceroula Completa (corpo todo) 0,2 Suéters
Calçados Colete/Suéter sem mangas
(fino)
0,13
Meia Soquetes 0,02 Colete/Suéter sem mangas
(grosso)
0,22
Meia-calça fina/Meias 7/8 0,02 Suéter manga longa (fino) 0,25 Sandálias/Chinelos 0,02 Suéter manga longa (grosso) 0,36
Sapatos 0,02 Paletós e Coletes
Sapatos semi abertos (pantufas, sapatos de couros
0,03 Colete (fino) 0,1
Meias médias (algodão) 0,03 Colete (grosso) 0,17
Meias compridas (algodão) 0,06 Paletós (fino) 0,36
Botas 0,1 Paletó (grosso) 0,44
Camisas e Blusas Paletó fechado (fino) 0,42
Blusa sem mangas 0,12 Paletó fechado (grosso) 0,48
Camisa manga curta esportiva (estilo pólo)
0,17 Pijamas e Robes
Camisa social manga curta 0,19 Camisola curta, sem mangas (fino)
0,18
Camisa social manga longa 0,25 Camisola comprida, sem mangas (fino)
0,2
Camisa de flanela manga longa 0,34 Vestido manga curta de hospital
0,31
Moletom manga longa 0,34 Roupão de verão curto (fino) 0,34
Calças e Macacões Pijama manga curta (fino) 0,42
Shorts curto 0,06 Camisola de inverno comprida
(grosso)
0,46
Shorts comprido 0,08 Robe manga longa de verão 0,48
Calça (fina) 0,15 Pijama de manga comprida
(grosso)
Calça (grossa) 0,24 Robe manga comprida de inverno 0,69 Calça Moleton 0,28 Macacão (jardineira) 0,3 Macacão (fechado) 0,4
Fonte: Adaptado do ASHRAE (2013)
Outro aspecto importante sobre os valores apresentados é que estes se aplicam a uma pessoa que esteja em pé, já que uma postura sentada resultaria em um decréscimo no isolamento térmico da vestimenta devido à compressão das camadas de ar na roupa. Esse decréscimo pode ser compensado pelo isolamento proporcionado pela cadeira Lamberts et al. (2014) e este efeito causado pela isolamento da cadeira pode ser verificado na Tabela 4.
Tabela 4 - Adição típica à vestimenta quando o usuário está sentado em uma cadeira Válido para conjuntos de roupa com isolamento variando entre 0,5 clo < Icl < 1,2 clo
Cadeira simples 0,00 clo
Cadeira metálica 0,00 clo
Cadeira de madeira com braços 0,00 clo
Banco de madeira +0,01 clo
Cadeira de escritório padrão +0,10 clo
Cadeira executiva +0,15 clo
Fonte: LAMBERTS et al. (2014)
2.1.2.2 Variáveis Ambientais
De acordo com Deprot (2002) existem algumas variáveis ambientais que implicam na resposta humana ao ambiente térmico e que contribuem para os processos de troca de calor entre o corpo humano e o meio, sendo elas: temperatura do ar, temperatura média radiante, velocidade do ar e a umidade relativa.
2.1.2.2.1. Temperatura do Ar
Dentre as variáveis ambientais relacionadas, a de maior influência sobre o conforto térmico é a temperatura do ar, para Santos (2008) a sensação de conforto baseia-se na perda de calor do corpo para o meio, pela diferença existente entre a temperatura da pele e do ar relacionada com outros mecanismos termorreguladores.
Percebe-se que a perda do calor produzido pelo corpo durante atividades é menor quando a temperatura do ar é maior e vice-versa, funcionando como uma espécie de gangorra para manter o equilíbrio da temperatura corporal.
O mesmo acontece em um ambiente, quando há diferença de temperatura entre dois pontos ocorre a movimentação do ar, chamada de convecção natural, de forma que a porção de ar mais quente torna-se mais leve e sobe, enquanto a massa de ar mais fria torna-se mais pesada e desce proporcionando uma sensação de resfriamento do ambiente (COSTA, 1991).
A variável temperatura do ar pode ser medida através de sensores de expansão líquidos ou sólidos, termômetros elétricos, de resistência variável ou termopares (XAVIER, 1999). Lamberts et al. (2000) aponta que a temperatura do ar é definida por um balanço energético entre a radiação solar incidente e o coeficiente de absorção da superfície, a condutividade e capacidade térmica do solo que determina a transmissão de calor por condutividade, e perdas por evaporação convecção e radiação.
2.1.2.2.2. Velocidade do Ar
Segundo Lamberts et al (2014) a velocidade do ar é um parâmetro definido por sua magnitude e direção e no caso de ambientes térmicos considera-se a magnitude do vetor velocidade do fluxo no ponto de medição considerado, como velocidade efetiva.
O autor descreve ainda que um fluxo de ar pode ser representado pela velocidade média, que é a média das velocidades instantâneas em um dado intervalo de tempo, ou ainda pelo desvio padrão das velocidades, que é obtido através da Equação 1.
Equação 1
Sendo:
: desvio padrão das velocidades; : número de medições;
: velocidade instantânea do ar; : velocidade média do ar.
Em se tratando de velocidade do ar, relaciona-se esta diretamente à ventilação dos ambientes e para Frota; Schiffer (2001) essa ventilação pode ocorrer de forma natural ou forçada, sendo que a natural acontece de acordo com dois princípios, por diferença de pressão ou por efeito chaminé.
A velocidade do ar é uma variável difícil de medir justamente em função das rápidas flutuações em intensidade e direção em um curto intervalo de tempo, os equipamentos utilizados para esse tipo de medição são os anemômetros. Lamberts et al. (2014) aponta que de maneira geral a velocidade do ar pode ser determinada ou pela utilização de um instrumento omnidirecional, que é sensível à magnitude da velocidade, independente de sua direção, ou ainda utilizando três sensores direcionais, e nesse caso a velocidade do ar pode ser determinada pela Equação 2.
Equação 2
Sendo:
: velocidade do ar;
: velocidade do ar na direção do eixo x; : velocidade do ar na direção do eixo y; : velocidade do ar na direção do eixo z.
Nos casos em que o fluxo é unidirecional é possível a utilização de um sensor que seja sensível a só uma direção, e então os principais anemômetros utilizados são: anemômetros de copos e anemômetros de fios quentes.
Santos (2008) descreve que a velocidade do ar em ambientes internos costuma ser abaixo que 1m/s sem necessariamente a ação direta do vento. Isso se dá em função do deslocamento do ar pela diferença de temperatura no ambiente, onde o ar quente sobe e o ar frio desce, tratando-se de convecção natural, como apresentado anteriormente.
É importante destacar que o deslocamento do ar está intimamente ligado à sensação térmica de conforto já que este aumenta a evaporação no corpo humano, retirando a água em contato com a pele com mais eficiência e assim, reduzindo a sensação de calor, quando em ambientes mais aquecidos, ou ainda intensificando a sensação de frio quando em ambientes menos aquecidos.
2.1.2.2.3. Temperatura Média Radiante
Segundo Lamberts et al. (2014), a temperatura média radiante pode ser definida como sendo a temperatura uniforme de um ambiente imaginário no qual a transferência de calor por radiação do corpo humano é equivalente à transferência de calor por radiação em um ambiente real não uniforme.
O termômetro de globo negro é o instrumento mais frequentemente utilizado para a determinação da temperatura média radiante através dos valores observados da temperatura de globo, da temperatura do ar e da velocidade do ar ao redor do globo.
Mas, pode ser determinada também a partir de valores medidos das temperaturas das paredes vizinhas, de suas dimensões e posições em relação à pessoa, relativos ao cálculo do fator de forma geométrico (GRANDI, 2006).
Para a determinação da temperatura média radiante através das medições realizadas com o termômetro de globo padronizado utilizam-se: a Equação 3, quando constatado que a ventilação no ambiente se dá através da convecção natural, e a Equação 4 para o caso de convecção forçada (LAMBERTS et al., 2014).
Equação 3
Equação 4 Sendo:
: temperatura média radiante;
: temperatura do termômetro de globo; : velocidade do ar;
: temperatura do ar.
A determinação de qual equação deve ser utilizada depende do tipo de ventilação, por isso torna-se necessário o cálculo do coeficiente de troca de calor por convecção do globo, a Equação 5 é utilizada para o cálculo do coeficiente para convecção natural e a Equação 6 convecção forçada, de forma que a que apresentar maior coeficiente como resultado determina o tipo de ventilação e, portanto, qual deverá ser a equação utilizada no cálculo da temperatura média radiante.
Equação 5
Equação 6
Sendo:
: coeficiente de troca de calor por convecção; : temperatura termômetro de globo;
: temperatura do ar; : velocidade do ar;
: diâmetro correspondente do globo em centímetros.
A temperatura radiante média é muito importante na avaliação do conforto térmico, pois, além dos fatores já explicitados, através dela é possível calcular outros parâmetros essenciais à avaliação, como a temperatura operativa do ambiente que será abordada mais a frente.
2.1.2.2.4. Umidade Relativa do Ar
A umidade pode ser caracterizada como sendo a quantidade de vapor d’água contido no ar, sendo que este vapor se forma através da evaporação da água, que é o processo no qual esta passa do estado líquido para o gasoso sem alteração da sua temperatura (LAMBERTS et al., 2006).
Para Frota; Schiffer (2001) o ar está saturado quando a quantidade de vapor d’água chega ao valor máximo suportável pelo ar a certa temperatura, quando ultrapassado este limite, ocorre a condensação, processo no qual a água passa do estado gasoso para o líquido.
Os autores definem como umidade absoluta o peso de vapor d’água contido em uma unidade de massa de ar e a umidade relativa como sendo a relação entre a umidade absoluta do ar e a umidade absoluta do ar saturado para a mesma temperatura, representada usualmente em forma de porcentagem.
A umidade do ar conjuntamente com a velocidade do ar intervém na perda de calor por evaporação e como aproximadamente 25% da energia térmica gerada pelo organismo são eliminados sob a forma de calor é importante que as condições ambientais favoreçam estas perdas, no caso de desconforto por calor. Entretanto, se o
ar estiver saturado, a evaporação não é possível, o que faz a pessoa começar a ganhar mais calor quando a temperatura do ar for superior a da pele, e no caso em que o ar esteja seco, as perdas de calor continuam mesmo com temperaturas mais elevadas (LAMBERTS et al., 2005).
Varejão-Silva (2006) destaca que a umidade pode ser expressa pela pressão parcial do vapor de água do ar úmido, que corresponde a pressão que o vapor de água poderia exercer se ocupasse sozinho todo o volume ocupado pelo ar úmido, quando na mesma temperatura.
A determinação da umidade do ar pode ser realizada através da utilização de um psicrômetro, equipamento que mede simultaneamente a temperatura de bulbo seco, ou do ar e a temperatura de bulbo úmido aspirado, e das relações psicrométricas constantes da ISO 7726 (ISO,1996), cartas pscicrométricas ou ainda estimadas utilizando as equações apropriadas (XAVIER, 1999).
2.1.3. Parâmetro de influência sobre o Conforto Térmico
Para que um indivíduo esteja em estado de conforto térmico é imprescindível que alguns fatores fisiológicos e ambientais sejam atendidos, sendo eles: a neutralidade térmica ou balanço térmico, temperatura da pele e suor e o desconforto localizado (LAMBERTS et al., 2014).
2.1.3.1. Neutralidade Térmica
Os conceitos de neutralidade térmica e conforto térmico são costumeiramente confundidos. Segundo Fanger (1970), neutralidade térmica trata-se da condição em que uma pessoa não prefira nem mais calor nem mais frio no ambiente a seu redor.
De acordo com Tanabe (1984) apud Lamberts et al. (2014)2, “neutralidade térmica é a condição da mente que expressa satisfação com a temperatura do corpo como um todo”.
2 LAMBERTS, R.; XAVIER A. A.; GOULART, S.; VECCHI, De R.. Conforto térmico e stress térmico. UFSC. Florianópolis – SC, 2014.
Apesar de essa definição confundir-se ligeiramente à de conforto térmico, para Fanger (1970) na verdade a neutralidade térmica é a primeira condição para se atingir o conforto térmico. Ressalta-se que essa condição, embora necessária, não é suficiente, pois existem muitas outras variáveis ambientais e pessoais que, mesmo satisfazendo a situação de balanço térmico, pode não fornecer conforto à pessoa.
A condição de neutralidade térmica pode ser atendida então quando o corpo encontra-se em equilíbrio termicamente, isso pode ser identificado através da equação de balanço de energia proposta pela ASHRAE (1997).
Equação 7 Sendo:
: taxa metabólica de produção de calor, (W/m²); : taxa de eficiência mecânica (W/m²);
: taxa total de perda de calor pela pele (W/m²);
: taxa total de perda de calor através da respiração (W/m²);
: perda de calor sensível pela pele (convecção + radiação) (W/m²); : taxa de perda de calor total por evaporação do suor (W/m²);
: taxa de perda de calor latente por convecção (W/m²); : taxa de perda de calor latente por evaporação (W/m²).
Para Lamberts et al. (2012), o corpo humano é um sistema termodinâmico, que produz calor e interage continuamente com o ambiente para alcançar o balanço térmico. A troca de calor que acontece entre o corpo e o meio é constante e influenciada pelos mecanismos de adaptação fisiológica, condições ambientais e fatores individuais, como discutido anteriormente. O autor aponta que a sensação de conforto térmico está diretamente relacionada ao esforço realizado pelo organismo para manter o balanço térmico, e por isso, a importância de entender o seu funcionamento.
2.1.3.2. Limites da Temperatura da Pele e Suor
O limite da temperatura da pele e a taxa de secreção do suor, de acordo com os estudos realizados por Fanger (1970), são as únicas variáveis fisiológicas que influenciam o balanço térmico e, portanto, o conforto térmico de uma pessoa.
Segundo Lamberts et al. (2014), esses parâmetros variam em função do tipo de atividade desempenhada pelo indivíduo, se este estiver desempenhando uma atividade e estiver suando mais ou menos que os estudos de Fanger (1970) mostraram, ou ainda que a temperatura da pele estiver acima ou abaixo dos valores que esses estudos identificaram, muito provavelmente a pessoa não estará em conforto térmico.
O autor aponta que essas condições podem ser exprimidas pelas equações que seguem:
Equação 8
Equação 9
Sendo:
: temperatura média da pele (°C); taxa de secreção do suor (W/m²);
parâmetros empíricos, em função da atividade desempenhada.
A ASHRAE (1997) traz as expressões para determinação da temperatura média da pele e da taxa de secreção do suor, em função da atividade realizada, valores esses que forneceriam conforto térmico, quando as outras condições, neutralidade térmica e desconforto localizado, estivessem verificadas. Essas expressões são resultado das análises de regressão utilizadas por Rohles e Nevins, em aproximadamente 1600 estudantes e são exprimidas pelas Equações 10 e 11.
Equação 10
Equação 11
Sendo:
: taxa metabólica, através da atividade desempenhada (W/m²).
Segundo Xavier (1999) através da expressão do balanço de energia, e das expressões empíricas para determinação da temperatura média da pele e taxa de secreção de suor, Fanger em 1970 desenvolveu um método analítico para a determinação do conforto térmico, este método será apresentado posteriormente neste trabalho.
2.1.3.3. Desconforto Localizado
Como discutido anteriormente as condições para se atingir o conforto térmico baseiam-se na neutralidade térmica do corpo humano, nas taxas de temperatura da pele e suor e por fim ao desconforto localizado.
Este último, como o próprio nome sugere, trata-se do incômodo sentido por uma pessoa em algum local específico do corpo, segundo Grandi (2006) isto pode ocorrer em função da assimetria de radiação térmica, de correntes de ar indesejáveis, diferenças na temperatura do ar no sentindo vertical, ou contato com pisos aquecidos ou resfriados.
Lamberts et al. (2014) destaca que as pessoas são mais sensíveis ao desconforto localizado quando o corpo como um todo está mais frio que estaria na condição de neutralidade térmica, e são menos sensíveis quando o corpo está mais quente que estaria na condição de neutralidade térmica.
2.1.3.3.1. Assimetria de Radiação Térmica
A assimetria de radiação térmica pode ser definida como a diferença de radiação que chega a diferentes partes do corpo humano, e isso pode causar a sensação de desconforto, mesmo que as outras condições estejam atendidas.
Segundo Lamberts et al. (2014) a radiação térmica pode não ser uniforme devido à janelas frias, superfícies não isoladas, bocas de fornos, calor gerado por máquinas entre outros, e destaca que isto pode interferir drasticamente na aceitabilidade térmica do ambiente, já que pesquisas realizadas nessa área demonstraram que quanto mais acentuada era a assimetria de radiação, mais as pessoas encontravam-se insatisfeitas com o ambiente.
Xavier (1999) ressalta que a análise da assimetria de radiação é muito importante quando da utilização de painéis resfriados ou aquecidos para alcançar o conforto térmico, já que os mesmos podem provocar certo desconforto localizado.
2.1.3.3.2. Correntes de Ar
O desconforto causado por correntes de ar indesejáveis acontece predominantemente quando a sensação térmica das pessoas já está abaixo de neutro, e isso pode ser um problema em ambientes ventilados.
Quando as correntes de ar tornam-se incômodas acentuando a sensação de frio, a reação natural das pessoas é aumentar a temperatura interna, e muitas vezes isso pode levar o ambiente a uma condição geral de desconforto térmico.
Segundo Lamberts et al. (2014), o movimento do ar interfere no conforto térmico devido a sua influência nos processos de troca de calor do corpo com o meio por convecção e por evaporação. Podendo ser benéfica quando o aumento da velocidade do ar provocar uma desejável aceleração nos processos de perda de calor do corpo, ou prejudicial quando a perda de calor é indesejável e provoca o resfriamento excessivo do corpo com um todo, ou de uma de suas partes.
Assim, podemos dizer que em climas quentes e úmidos a ventilação é um fator preponderante na obtenção do conforto térmico já que através dela é possível diminuir o desconforto causado pelo calor através do processo de evaporação do suor.
2.1.3.3.3. Diferenças na Temperatura do Ar no Sentido Vertical
Quando da diferença na temperatura do ar no sentido vertical, onde a temperatura do ar no nível da cabeça é diferente daquela ao nível do tornozelo, o corpo humano fica sujeito a certo desconforto localizado, em grande parte das edificações a temperatura do ar normalmente aumenta com a altura em relação ao piso, isso acontece também em função da movimentação natural das massas de ar quente e fria. ASHRAE 55 (2010) apud Lamberts et al. (2014)3 aponta que a diferença de temperatura permitida entre a altura da cabeça e dos pés deve ser inferior a 3°C, essa diferença é denominada de gradiente de temperatura vertical.
3 LAMBERTS, R.; XAVIER A. A.; GOULART, S.; VECCHI, De R.. Conforto térmico e stress térmico. UFSC. Florianópolis – SC, 2014.
2.1.3.3.4. Contato com Pisos Aquecidos ou Resfriados
O desconforto local nos pés pode ser identificado quando o piso estiver aquecido ou resfriado em relação à temperatura do ar no ambiente A temperatura do piso está diretamente relacionada ao material utilizado na sua confecção e ainda às características construtivas da edificação.
Assim como quando sujeitos às correntes de ar, o ser humano quando em contato com pisos resfriados, tende a aumentar a temperatura do ambiente, o que pode provocar o aumento na sensação de desconforto térmico.
2.1.2.1.3. Parâmetros Subjetivos
As condições de conforto térmico dependem, portanto, de diversas variáveis, Frota; Schiffer (2001) afirmam que o ocupante deve estar apropriadamente vestido e sem problemas de saúde ou de aclimatação para a avaliação do conforto térmico. É importante ressaltar que as condições ambientais capazes de proporcionar sensação de conforto em determinados ocupantes podem não ser suficientes para o conforto de outros.
Para Xavier (1999), os parâmetros subjetivos são aqueles inerentes à natureza humana e às diferenças entre as pessoas. Ele aponta que são dois os de maior interesse nos estudos de conforto térmico: as sensações e preferências térmicas, estando estes diretamente relacionados às diferenças entre conforto e neutralidade térmica.
2.1.4. Avaliação do Conforto Térmico
Com o objetivo de alcançar o conforto térmico vários métodos de avaliação foram sendo desenvolvidos ao longo do tempo, considerando-se as variáveis climáticas que influenciam diretamente na sensação de conforto, além dos índices de conforto, biofísicos, fisiológicos e subjetivos.
As metodologias mais conhecidas para avaliação do conforto térmico no Brasil são: índice de temperatura efetiva, índice de conforto equatorial, o método de Olgyay, a carta bioclimática de Givoni, o método de Fanger e o método da
ASHRAE. A Tabela 5 traz as variáveis utilizadas em cada um dos métodos citados anteriormente para determinação do conforto térmico.
Tabela 5- Métodos para determinação do conforto térmico
Métodos Variáveis
Método de Olgyay e Givoni Temperatura de bulbo seco e umidade relativa do ar Temperatura Efetiva e índice
de Conforto Equatorial Temperatura, umidade e velocidade do ar Método de Fanger e Método
ASHRAE
Temperatura, umidade, velocidade do ar, calor radiante, tipo de atividade e vestimenta.
Fonte: Adaptado de Giampaoli, /s.d./4 apud GrzybowskI (2004)
Segundo Lamberts et al. (2014), tratando-se dos aspectos relativos ao conforto térmico, são encontradas duas abordagens diferentes: a primeira, mais conhecida como estática, representa uma linha mais racional da avaliação das sensações térmicas humanas e onde considera que o homem é um simples receptor passivo do ambiente térmico; a segunda, conhecida como adaptativa, considera que o homem é um agente ativo, ou seja, que interage com o ambiente de acordo com suas sensações e preferências térmicas.
Essas abordagens são resultados de dois grandes grupos de pesquisas na área do conforto térmico, sendo a primeira realizada em câmaras climatizadas e a segunda proveniente de estudos em ambientes reais.
2.1.4.1. Estudos de Câmaras Climatizadas
Segundo Humphreys5 (1992) apud Xavier (1999), a câmara climatizada é um local especialmente construído onde todas as variáveis, temperatura do ar, temperatura das superfícies, radiação térmica, umidade e velocidade do ar, podem ser totalmente controladas pelos pesquisadores. Outro aspecto relevante, é que os voluntários participam da pesquisa na câmara, com roupas padronizadas e realizando as mesmas atividades. Dentro da câmara os voluntários são questionados a respeito
4
GIAMPAOLI,E. Temperaturas extremas. São Paulo: Hygro-them, /s.d./. 5
HUMPHREYS, M. A. Energy Efficient Building. Oxford, Editado por Roaf, S. e Hancock, M. -Blackwell Scientific Publications, 1992. Cap. 1: Thermal Comfort in the Context of Energy Conservation.
das condições térmicas, que vão sendo ajustadas ao longo do tempo, até se atingir a condição de neutralidade térmica, ou ainda de conforto.
A Figura 1 traz exemplos de estudos em câmaras climatizadas, a primeira imagem trata-se de estudos realizados com ocupantes em uma câmara climatizada por Olesen, 1982, a segunda de manequim térmico dentro de câmara climatiza (CIOP/PIB), e a ultima traz a medição de conforto com o “dressman” dentro de um veículo (FRAUNHOFER).
Figura 1 – Exemplos de estudos em câmaras climatizadas Fonte: Lamberts et al. (2014)
Uma das pesquisas mais conhecidas em câmaras climatizadas foi a realizada pelo pesquisador Ole Fanger, na Dinamarca. Ele desenvolveu diversos estudos na linha analítica sendo que suas equações e métodos têm sido utilizados mundialmente e serviram de base para elaboração de normas internacionais bastante importantes, que utilizam os índices PMV – Predicted Mean Vote e PPD – Percentage of Dissatisfied para avaliação do conforto térmico.
Entretanto, segundo Lamberts et al. (2014), a utilização do modelo estático desenvolvido por Ole Fanger como um modelo universal tornou-se discutível, já que o mesmo considera os limites confortáveis de temperatura como sendo limites universais, e ainda que os efeitos de um determinado ambiente térmico acontecem exclusivamente pelas trocas de calor do corpo com o meio, enquanto na verdade a manutenção da temperatura interna de um ser humano necessita de certa resposta fisiológica.
2.1.4.1.1. Voto Médio Predito – PMV
A equação do PMV, Equação 12, foi obtida por análise de regressão entre a carga térmica e a sensação de mais de 1300 pessoas em câmaras climatizadas, para quatro situações de atividades distintas. A sensação térmica era determinada através dos votos emitidos pelas pessoas sobre a escala sétima.
Equação 12
Sendo:
PMV: voto médio estimado, ou sensação analítica de conforto térmico, (adimensional);
M: taxa metabólica de produção de calor em função da atividade, (W/m²); L: carga térmica atuando sobre o corpo, (W/m²).
FANGER (1970) definiu a carga térmica sobre o corpo como sendo a diferença entre o calor gerado pelo organismo e o calor dissipado ao ambiente, entretanto para situações reais, não permanentes, a carga térmica é dada pela diferença entre a geração do calor pelo organismo e a perda do mesmo através de trocas com o ambiente, portanto, a carga térmica é dada pela equação 13.
Equação 13
Sendo:
: carga térmica atuando sobre o corpo;
: taxa metabólica, produção orgânica de calor; : pressão de vapor no ar;
: temperatura do ar;
: Razão de área do corpo vestido e corpo nu;
: temperatura superficial das roupas;
: temperatura média radiante;
Segundo Lamberts et al. (2014) a escala sétima da ASHRAE, como ficou conhecida, ou escala de sete pontos, utilizada nos estudos de Fanger é empregada até hoje na determinação real das sensações térmicas das pessoas, e pode ser verificada na Figura 2.
Figura 2 - Escala Sétima ASHRAE, ou escala de sete pontos Fonte: Lamberts et al. (2014)
2.1.4.1.2. Porcentagem de Pessoas Insatisfeitas - PPD
Segundo Kuhen et al. (2011) o índice PPD é obtido com base em um modelo matemático desenvolvido por Fanger a partir de experimentos com pessoas em câmaras climatizadas. Esse modelo corresponde a uma amostra de pessoas submetidas a um mesmo ambiente térmico predefinido, enquanto a temperatura varia entre 18,9°C e 32,2°C, já os demais parâmetros físicos e fisiológicos que afetam o conforto, umidade, velocidade do ar, vestimenta e níveis de atividade metabólica permaneciam constantes.
Lamberts et al. (2014) destaca que o índice PPD estabelece a quantidade estimada de pessoas insatisfeitas termicamente, e ele se baseia na porcentagem de um grande grupo de pessoas que gostariam que o ambiente estivesse mais quente ou mais frio, demonstrando isso através do voto na escala sétima de ASHRAE, com votos +3, +2, -1, -2.
