Optimização de sistemas de ventilação natural em edifícios

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Vasco dos Santos

Zeferina

Optimiza¸

c˜

ao de sistemas de ventila¸

c˜

ao natural em

edif´ıcios

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Vasco dos Santos

Zeferina

Optimiza¸

c˜

ao de sistemas de ventila¸

c˜

ao natural em

edif´ıcios

Disserta¸cão apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obten¸cão do grau de Mestre em Engenharia Mecânica, realizada sob orienta¸cão cient´ıfica de Nelson Amadeu Dias Mar-tins, Professor Doutor Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro.

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Presidente Prof. Doutor Robertt Angelo Fontes Valente

Professor Auxiliar da Universidade de Aveiro

Vogais Prof. Doutora Ana Margarida Lobo Louren¸co da Costa

IDAD - Instituto do Ambiente e Desenvolvimento, Universidade de Aveiro

Prof. Doutor Nelson Amadeu Dias Martins

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vontade de chegar mais longe. Muitas das conversa que mantivemos, permitiram-me analisar os impasses por outro prisma, fazendo-me ultra-passar os imbr´oglios no meu racioc´ınio e por isso deram-me alento.

Ao Professor Hugo Calisto, apesar de não ter um contributo directo neste trabalho, ao longo deste ano sempre se mostrou dispon´ıvel em ajudar-me. A sua maneira minuciosa de corrigir o meu trabalho, teve uma boa influência na minha escrita.

Não poderia deixar de agradecer aos meus amigos ”Jabardolas”, apesar de não serem uns entendidos em ventila¸cão natural, mostraram-me ao longo dos últimos anos que companheirismo, entreajuda, bom-humor e trabalho, podem co-existir num grupo.

`

A minha fam´ılia, em especial aos meus pais, por me disponibilizarem o que preciso, por terem consciˆencia do que necessito, por acreditarem em mim e por isso me darem a liberdade de seguir o meu caminho.

Aos amigos, por me incentivarem e transmitirem-me conﬁan¸ca durante esta temporada de trabalho.

Quero também agradecer ao David, Ricardo, Sofia, Joana, Mário e Soares por se terem disponibilizado em ler e rever a minha tese, dando assim um importante contributo para esta disserta¸cão.

A ti Ana, por teres sido um exemplo de for¸ca, entrega e pela maneira convicta em como acreditas que ´e poss´ıvel. As conversas que mantivemos sobre a vida acad´emica, foram sempre um incentivo para chegar mais longe.

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Resumo Actualmente, devido a questões económicas, ambientais e de sustentabili-dade, existe uma enorme pressão para que os consumos energéticos sejam reduzidos. O sector dos edif´ıcios é um dos maiores consumidores de ener-gia, sendo por isso necessário actuar neste campo, para reduzir o consumo global de energia. O Regulamento das Caracter´ısticas de Comportamento Térmico dos Edif´ıcios (RCCTE) e o Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatiza¸cão em Edif´ıcios (RSECE) surgiram desta necessidade, com o objectivo de melhorar o comportamento térmico e os consumos energéticos dos edif´ıcios. A ventila¸cão natural apresenta-se neste quadro, como uma solu¸cão viável para reduzir o consumo energético de edif´ıcios, contribuindo para a qualidade do ar interior.

Este estudo surge com o objectivo de analisar a viabilidade da aplica¸cão e optimiza¸cão de sistemas de ventila¸cão natural. Com esse objectivo, foi es-tudado o efeito conjunto do clima local, das caracter´ısticas do edif´ıcio e sua orienta¸c˜ao. Assim, com recurso a software de simula¸cão (DesginBuilder com base no EnergyPlus), foram estudados os efeitos na ventila¸c˜ao das diversas zonas de um edif´ıcio e o consequente impacto energético desta ventila¸cão.

Analisando normas e a legisla¸cão nacional, foram integrados neste estudo os requisitos de qualidade de ar interior e conforto, definindo os caudais m´ınimos exigidos e estudando se os edif´ıcios simulados cumpriam estas exigências.

O trabalho realizado é suportado por dois estudos complementares. O primeiro pretende estudar de forma qualitativa e preliminar, o efeito de parâmetros como as infiltra¸cões, espa¸co interior dos edif´ıcios, ocupa¸cão, temperatura interior, tamanho e posi¸cão de entradas de ar, nos caudais de ventila¸cão natural de um edif´ıcio. Este estudo prévio permitiu retirar algumas conclusões, para que o estudo paramétrico incidisse apenas so-bre parâmetros considerados mais relevantes na ventila¸cão natural de um edif´ıcio. Desta forma, foram apenas analisados parâmetros como o clima, orienta¸cão, distância ao solo e tipos de entradas de ar de um edif´ıcio. Os resultados deste estudo demonstram que o clima, em especial o vento e a distância do espa¸co a ventilar ao solo, têm um efeito crucial sobre a ventila¸cão natural de um edif´ıcio. A sobreventila¸cão e a não recupera¸cão de energia por parte de uma unidade de tratamento de ar (UTA), verificam-se bastante penalizadoras no impacto energético de um sistema de ventila¸cão natural, quando comparadas com um sistema de ventila¸cão mecânica. As-sim, é percept´ıvel a necessidade do controlo das entradas de ar, na imple-menta¸cão destes sistemas.

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Abstract Nowadays, due to economics, environmental and sustainability factors, there is great pressure on reducing energy consumption. The building sector is a major energy consumer, thereby it is mandatory to act in this sector in order to reduce overall energy consumption. In this sense were created the RCCTE and RSECE (portuguese regulations), with the aim of improving the thermal performance and energy consumption of buildings. Natural ventilation is presented in this scenario as a feasible solution to reduce the energy consumption of buildings, contributing to indoor air quality.

The purpose of this study is to analyse the feasibility of enforcing and optimisation of natural ventilation systems. It was studied the combined effect of local climate, the specifications of the building and its orientation. Moreover, using a software of dynamics simulation (DesginBuilder based on EnergyPlus), the effects of different parts of a building on ventilation and its energy impact.

Through the analysis of standards and portuguese legislation, the require-ments for indoor air quality and comfort have been integrated in this study, setting required minimum ﬂows and studying if the simulated buildings meet these requirements.

The presented work is supported by two complementary studies. The first one present qualitative and preliminary study, highlighting the effect of some parameters such as infiltrations, indoor space of buildings, occupancy, room temperature, size and position of air intakes in the flow of natural ventila-tion. This preliminary study allowed retrieve of important conclusions, so that the parametric could focus on more relevant parameters on natural ventilation. Only parameters as climate, orientation, distance to the ground and types of air intakes of a building were analysed.

The results of this study demonstrate that the climate, especially wind and distance of the ventilated space to the ground, have a crucial eﬀect on natural ventilation of a building. Mechanical ventilation presents better performance when compared with natural ventilation, as the latter increases the overall energy consumption due to overventilation and the non-energy recovery by an air treatment unit. Thus, it is clear the need for control of air intakes in ventilation systems.

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1 Introdu¸cão 1 1.1 Enquadramento . . . 1 1.2 Objectivos . . . 2 1.3 Organiza¸cão da tese . . . 2 1.4 Contributo da tese . . . 3 1.5 S´ıntese do cap´ıtulo . . . 3 2 Ventila¸cão Natural 5 2.1 Introdu¸cão . . . 5 2.2 Clima . . . 5 2.2.1 Clima urbano . . . 6

2.2.2 O vento no ambiente urbano . . . 7

2.3 Mecanismos da Ventila¸c˜ao Natural . . . 7

2.3.1 Efeito chamin´e . . . 8

2.3.2 Efeito do vento . . . 9

2.3.3 Ac¸c˜ao combinada do vento e do gradiente de temperaturas . . . 12

2.4 Sistemas de Ventila¸c˜ao Natural . . . 12

2.4.1 Ventila¸c˜ao Unilateral . . . 12

2.4.2 Ventila¸c˜ao Cruzada . . . 13

2.5 Modelos Preditivos . . . 14

2.5.1 Modelos emp´ıricos . . . 15

2.5.2 Modelos Nodais (Network Models ) . . . . 17

2.5.3 Modelos zonais multizona . . . 19

2.5.4 Modelos CFD . . . 20

2.6 S´ıntese do cap´ıtulo . . . 21

3 Qualidade do ar interior e carga energ´etica 23 3.1 Introdu¸c˜ao . . . 23

3.2 Ashrae 62-1999 . . . 24

3.2.1 Ambito . . . .ˆ 24 3.2.2 M´etodo da taxa de ventila¸c˜ao . . . 24

3.2.3 M´etodo da qualidade de ar interior . . . 25

3.3 NP-1037 . . . 27

3.3.1 Deﬁni¸c˜oes . . . 27

3.3.2 Generalidades . . . 28

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3.4.1 Regulamento das Caracter´ısticas de Comportamento Térmico dos Edif´ıcios 36 3.4.2 Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatiza¸cão em Edif´ıcio . 38

4 Estudos Preliminares 43 4.1 Introdu¸c˜ao . . . 43

4.2 Geometrias e condi¸c˜oes aplicadas na simula¸c˜ao dos edif´ıcios . . . 43

4.2.1 Escrit´orios . . . 44

4.2.2 Pavilh˜ao . . . 44

4.2.3 Condi¸cões base consideradas na simula¸cão dinâmica dos modelos estu-dados . . . 45

4.3 Estudos pr´evios . . . 46

4.3.1 Varia¸c˜ao da ocupa¸c˜ao do edif´ıcio . . . 46

4.3.2 Varia¸c˜ao do set-point de temperatura . . . . 47

4.3.3 Varia¸c˜ao do tamanho e posicionamento de aberturas . . . 48

4.3.4 Varia¸c˜ao do espa¸co interno do edif´ıcio . . . 49

4.3.5 Varia¸cão do número e posicionamento das aberturas no edif´ıcio de es-critórios . . . 50

4.3.6 Varia¸cão da orienta¸cão do edif´ıcio em rela¸cão à incidência do vento . . 52

4.3.7 Varia¸c˜ao da distˆancia do espa¸co a ventilar ao solo . . . 53

4.3.8 Varia¸c˜ao da localiza¸c˜ao do edif´ıcio . . . 53

4.3.9 Varia¸cão no perfil de infiltra¸cões do edif´ıcio . . . 54

4.4 Conclus˜oes . . . 55

5 Estudo Paramétrico 57 5.1 Introdu¸cão . . . 57 5.2 Modelos utilizados . . . 57 5.2.1 Rota¸cão . . . 58 5.2.2 Localiza¸cão . . . 58 5.2.3 Altura . . . 58 5.2.4 Aberturas . . . 59

5.2.5 Caracter´ısticas dos modelos . . . 59

5.3 Metodologia . . . 60

5.3.1 Impacto energ´etico . . . 61

5.4 Resultados . . . 64

5.4.1 Ficheiros clim´aticos . . . 64

5.4.2 Taxa de ventila¸c˜ao . . . 67

5.4.3 Aquecimento e Arrefecimento . . . 69

5.4.4 Impacto energ´etico . . . 70

5.4.5 Discuss˜ao de resultados . . . 74

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6.2 Trabalhos Futuros . . . 78

A Resultados das simula¸c˜oes 81 A.1 Resultados dos estudos preliminares . . . 81

A.2 Dados climat´ericos . . . 83

A.3 Resultados do Estudo Param´etrico . . . 84

A.3.1 Taxas de Ventila¸c˜ao . . . 84

A.3.2 Temperatura interior . . . 92

A.3.3 Aquecimento e Arrefecimento . . . 93

A.3.4 Impacto Energ´etico . . . 96

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2.1 Constantes C1, C2 e C3 . . . 16

3.1 Concentra¸cões máximas permitidas à exposi¸cão de seres humanos . . . 25

3.2 Limite de contaminantes de origem interior . . . 26

3.3 Taxas de ventila¸c˜ao requeridas para espa¸cos comerciais e institucionais . . . . 26

3.4 Taxas de ventila¸c˜ao requeridas para espa¸cos residenciais . . . 27

3.5 Caudais-tipo a extrair nos compartimentos de servi¸co . . . 31

3.6 Caudais-tipo a admitir nos compartimentos principais . . . 31

3.7 Classes de exposi¸c˜ao ao vento . . . 32

3.8 Classes de permeabilidade ao ar das janelas e das portas exteriores em fun¸c˜ao da sua exposi¸c˜ao . . . 33

3.9 Aberturas de admiss˜ao de ar instaladas nas fachadas dos edif´ıcios . . . 33

3.10 Áreas úteis recomendadas para aberturas em paredes de fachadas em edif´ıcios da classe de exposi¸cão Exp 1 . . . 34

3.11 ´Areas ´uteis das aberturas de passagens de ar dos compartimentos principais para os compartimentos de servi¸co . . . 34

3.12 Áreas úteis das aberturas de evacua¸cão de ar . . . 35

3.13 Valores m´ınimos recomendados para áreas das seçcões das condutas individuais lisas . . . 35

3.14 Aplica¸cão dos regulamentos em fun¸cão do tipo de edif´ıcio e dimensão dos sis-temas de AVAC . . . 36

3.15 Valores convencionais de RP H (em h−1) para edif´ıcios de habita¸c˜ao . . . 38

3.16 Caudais m´ınimos de ar novo . . . 40

3.17 Concentra¸cões máximas de referência de poluentes no interior dos edif´ıcios existentes . . . 40

4.1 Caracter´ısticas das aberturas . . . 49

5.1 Caracter´ısticas dos modelos . . . 57

5.2 Cargas internas das v´arias zonas do modelo [W ] . . . 59

5.3 Escala de valores da taxa de ventila¸c˜ao . . . 61

5.4 Caudal de ar novo a assegurar em corredores e escrit´orios . . . 61

5.5 Valores e descri¸cão das variáveis utilizadas nas equa¸cões deste estudo . . . 63

A.1 Estudo da influência da ocupa¸cão em situa¸cão de inverno . . . 81

A.2 Estudo da influência da ocupa¸cão em situa¸cão de verão . . . 81

A.3 Estudo da influência da temperatura interior em situa¸cão de inverno . . . 81

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A.7 Estudo da influência do número e posi¸cão das entradas de ar . . . 82

A.8 Estudo da influência da orienta¸cão de um edif´ıcio . . . 82

A.9 Estudo da influência da distância ao solo . . . 82

A.10 Estudo da influência da localiza¸cão de um edif´ıcio . . . 82

A.11 Estudo da influência das infiltra¸cões na ventila¸cão natural de um edif´ıcio . . . 83

A.12 Resumo dos dados da temperatura dos diferentes climas . . . 83

A.13 Resumo dos dados da velocidade do vento dos diferentes climas . . . 83

A.14 Incidˆencia de vento em cada fachada do modelo . . . 83

A.15 Valores m´edios de taxa de ventila¸c˜ao por zona [RP H] . . . . 84

A.16 Frequência em cada zona que requisito de ventila¸cão não é atingido[%] . . . . 85

A.17 Distribui¸c˜ao do valor da taxa de ventila¸c˜ao global [RP H] . . . . 86

A.18 Distribui¸c˜ao do valor da taxa de ventila¸c˜ao na zona 1 [RP H] . . . . 87

A.23 Temperatura interior m´edia em cada zona [◦C] . . . . 92

A.24 Frequˆencia de funcionamento do sistema de aquecimento em cada zona . . . . 93

A.25 Frequˆencia de funcionamento do sistema de arrefecimento em cada zona . . . 94

A.26 Frequˆencia de funcionamento do sistema de arrefecimento sendo a Textsuperior a 20◦C ou a 25◦C . . . . 95

A.27 Energia Prim´aria poupada sem ventila¸c˜ao mecˆanica [tep] . . . . 96

A.28 Energia Prim´aria n˜ao recuperada numa UTA [tep] . . . 97

A.29 Energia Primária poupada devido à sobreventila¸cão [tep] . . . 98

A.30 Energia prim´aria total poupada em cada zona [tep] . . . 99

A.31 Energia primária total poupada não contabilizando consumo adicional de so-breventila¸cão [tep] . . . 100

A.32 Taxa de ventila¸c˜ao m´edia global [RP H] . . . . 101

A.33 Frequência média que taxa de ventila¸cão global requerida não é atingida . . . 101

A.34 Frequência média em que taxa de ventila¸cão requerida na zona menos ventilada 101 A.35 Frequência média do sistema de aquecimento em funcionamento . . . 101

A.36 Frequˆencia m´edia do sistema de arrefecimento em funcionamento . . . 101

A.37 Energia primária média não consumida por um ventilador mecˆanico [tep] . . . 101

A.38 Energia primária média não recuperada devido à inexistˆencia de UTA [tep] . 101 A.39 Consumo de energia primária m´edia devido ao caudal de ar sobreventilado [tep] 102 A.40 Consumo de energia primária m´edia total [tep] . . . . 102

A.41 Consumo de energia prim´aria m´edia total sem contabilizar consumo adicional de sobreventila¸c˜ao [tep] . . . . 102

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2.1 Fluxo de ar por açcão do gradiente de temperaturas (Efeito chaminé) . . . . 8

2.2 Distribui¸cão de pressão resultante da açcão do vento . . . 10

2.3 Ventila¸c˜ao unilateral . . . 13

2.4 Ventila¸c˜ao cruzada . . . 14

2.5 Modelo Multi-zona . . . 18

3.1 Exemplo de ventila¸c˜ao conjunta de fogo . . . 29

3.2 Impossibilidade de combina¸cão de exaustão mecânica com ventila¸cão natural 30 4.1 Modelo de escritórios . . . 44

4.2 Modelo de Pavilh˜ao Gimnodesportivo . . . 44

4.3 Estudo da influência da ocupa¸cão em situa¸c˜ao de inverno [RP H] . . . . 46

4.4 Estudo da influência da ocupa¸cão em situa¸cão de ver˜ao [RP H] . . . . 47

4.5 Estudo da influência da temperatura interior em situa¸c˜ao de inverno [RP H] . 47 4.6 Estudo da influência da temperatura interior em situa¸cão de ver˜ao [RP H] . . 48

4.7 As diferentes disposi¸c˜oes das entradas de ar numa fachada do edif´ıcio . . . 48

4.8 Estudo da influência da posi¸c˜ao das aberturas na fachada de um edif´ıcio [RP H] 49 4.9 Compara¸cão entre modelo com espa¸co interior aberto e com divisões . . . 50

4.10 Estudo da inﬂuˆencia do espa¸co interno de um edif´ıcio [RP H] . . . . 50

4.11 Modelo com entradas de ar mistas, uma superior e outra inferior . . . 51

4.12 Modelo com entradas de ar duplas, duas superiores e duas inferiores . . . 51

4.13 Modelo com entradas de ar inferiores . . . 51

4.14 Estudo da influência do número e posi¸c˜ao das entradas de ar [RP H] . . . . . 52

4.15 Estudo da inﬂuˆencia da orienta¸c˜ao de um edif´ıcio [RP H] . . . 52

4.16 Modelos a diferentes distˆancias do solo [0 m, 9 m, 15 m, 30 m, 45 m] . . . . . 53

4.17 Estudo da inﬂuˆencia da distˆancia ao solo [RP H] . . . . 53

4.18 Estudo da inﬂuˆencia da localiza¸c˜ao de um edif´ıcio na velocidade do vento [m/s] e da Renova¸c˜ao de ar por hora [RP H] . . . . 54

4.19 Estudo da influência da localiza¸cão de um edif´ıcio na temperatura interior e exterior [◦C] . . . . 54

4.20 Estudo da influência das infiltra¸cões na ventila¸c˜ao natural de um edif´ıcio [RP H] 55 5.1 Orienta¸cão dos modelos a 0◦ e a 45◦ . . . 58

5.2 Compara¸c˜ao entre modelo a 3 e 21 metros do solo . . . 59

5.3 Resumo dos dados da temperatura dos diferentes climas . . . 65

5.4 Resumo dos dados da velocidade do vento dos diferentes climas . . . 65

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5.8 Frequência média que taxa de ventila¸cão global requerida não é atingida . . 68 5.9 [Frequência média em que taxa de ventila¸cão requerida na zona menos

ven-tilada]Frequência média em que taxa de ventila¸cão requerida na zona menos ventilada* . . . 69 5.10 Frequência média do sistema de aquecimento em funcionamento . . . 70 5.11 Frequência média do sistema de arrefecimento em funcionamento . . . 70 5.12 Energia primária média não consumida por um ventilador mecˆanico [tep] . . . 71 5.13 Energia primária média não recuperada devido à inexistˆencia de UTA [tep] . 71 5.14 Consumo de energia primária m´edia devido ao caudal de ar sobreventilado [tep] 72 5.15 Consumo de energia primária m´edia total [tep] . . . . 73 5.16 Consumo de energia primária média total sem contabilizar consumo adicional

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ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers AVAC Aquecimento, Ventila¸c˜ao e Ar Condicionado

CFD Computational Fluid Dynamics

COP Coeﬃcient of Performance

INETI Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inova¸c˜ao IWEC International Weather for Energy Calculations

QAI Qualidade do Ar Interior

RCCTE Regulamento das Caracter´ısticas de Comportamento T´ermico dos Edif´ıcios RPH Renova¸c˜oes de ar Por Hora

RSECE Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatiza¸cão em Edif´ıcios UFC Unidade Formadora de Colónias

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∆Pvent.mec Perda de carga de ventilador mecˆanico P a

ηventilador Rendimento electrico do ventilador

ηcald. Rendimento da caldeira

ηperm. Rendimento de permutador de UTA

RP HN V Taxa de ventila¸c˜ao devido a ventila¸c˜ao natural RP H

ESob.Aq. Energia de sobreventila¸c˜ao em situa¸c˜ao de aquecimento tep

ESob.Arref. Energia de sobreventila¸c˜ao em situa¸c˜ao de arrefecimento tep

ESob.Arref.P oup. Energia de sobreventila¸c˜ao em situa¸c˜ao de arrefecimento natural tep

EV ent. Energia n˜ao consumida por um ventilador tep

ERec. Energia n˜ao recuperada por UTA em arrefecimento tep

ERec.Aq. energia n˜ao recuperada por UTA em aquecimento tep

Vzona Volume da zona m3

ρAr Massa vol´umica do ar `a temperatura interior kg/m3

cpAr capacidade caloriﬁca especiﬁca kJ/kg·◦C

Text Temperatura exteiror ◦C

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(25)

Introdu¸

c˜

ao

1.1 Enquadramento

Nos últimos anos o consumo de energia tem aumentado, assim como se prevê que aumente no futuro, devido ao desenvolvimento socioeconómico das sociedades, em especial dos pa´ıses emergentes. No entanto, existe uma forte pressão internacional, para que estes consumos sejam reduzidos, ou que pelo menos resultem do consumo de fontes energéticas menos nocivas para o ambiente. Os edif´ıcios enquadram-se nesta problemática, na medida em que são um dos grandes consumidores de energia existentes.

O Decreto - Lei n.° 80/2006, de 4 de Abril [1]: Regulamento das Caracter´ısticas de Com-portamento Térmico dos Edif´ıcios consubstancia estas preocupa¸cões, na medida em que prevê que seja respeitada a qualidade do ar no interior dos edif´ıcios e o conforto térmico dos ocu-pantes, sem um excessivo consumo energético.

A necessidade de ventilar edif´ıcios está directamente relacionada com o conforto e saúde dos seus ocupantes. Uma ventila¸cão ineficiente, influencia negativamente a qualidade do ar interior de um edif´ıcio devido à concentra¸cão de poluentes e leva à degrada¸cão dos n´ıveis de conforto dos ocupantes. A ventila¸cão é a troca de ar viciado e polu´ıdo por ar fresco, relativamente limpo, normalmente proveniente do exterior. Esta troca ocorre por meios muito distintos, podendo acontecer acidentalmente através de frinchas existentes na envolvente do edif´ıcio, ou através de sistemas concebidos para esse efeito e ditos de ventila¸cão.

No passado, os requisitos m´ınimos de ventila¸cão eram atingidos apenas por meios natu-rais, nomeadamente as infiltra¸cões, que permitiam a entrada de consideráveis quantidades de ar novo. No entanto, as preocupa¸cões energéticas levaram a que essas infiltra¸cões fossem reduzidas, devido ao seu impacto nas cargas de aquecimento e arrefecimento. Esta melhoria na constru¸cão dos edif´ıcios, levou a que estes edif´ıcios se tornassem cada vez mais estanques, levando a que os seus n´ıveis de ventila¸cão sejam agora reduzidos, sem a utiliza¸cão de outros métodos de ventila¸cão.

A ventila¸cão natural é uma op¸cão de ventila¸cão extremamente interessante, uma vez que permite a optimiza¸cão da ventila¸cão de um edif´ıcio, recorrendo a um recurso renovável, devendo ser sempre que poss´ıvel uma alternativa à ventila¸cão auxiliada por meios mecânicos, por ser mais atractiva a n´ıveis económicos e ambientais.

A ventila¸cão natural é fortemente dependente das condi¸cões exteriores e de dif´ıcil controlo, sendo praticamente imposs´ıvel assegurar, durante todo o ano, os caudais de projecto. Durante o Verão, por exemplo, como o gradiente de temperaturas entre o interior e o exterior é pequeno

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e a velocidade do vento é reduzida, os caudais de ar circulados no edif´ıcio são reduzidos. Existem ainda situa¸cões, em que ocorrem inversões do fluxo de ar e até mesmo per´ıodos em que os caudais são exageradamente elevados. Assim, o seu projecto é de dif´ıcil dimensionamento quando comparado com um de ventila¸cão mecânica e por isso um projecto eficaz de ventila¸cão natural, deverá ser idealizado desde a concep¸cão do edif´ıcio. [2]

Para que os sistemas de ventila¸c˜ao natural sejam encarados como uma alternativa vi´avel `

a ventila¸cão mecânica, é necessário consciencializar os intervenientes no processo, das poten-cialidades destes sistemas, fornecendo a informa¸cão e ferramentas necessárias à sua correcta concep¸cão e aplica¸cão face às exigências e condicionantes do presente.

Será ainda necessário que haja um reconhecimento global de todos os intervenientes, desde o construtor, ao projectista e acima de tudo ao utilizador final, de que a adop¸cão de um sistema de ventila¸cão natural, implicará sempre o sacrif´ıcio de um conforto total, devido às limita¸cões por ter por base for¸cas naturais. [3]

1.2 Objectivos

Esta disserta¸cão de mestrado aparece com o objectivo de estudar a viabilidade de aplica¸cão e também optimiza¸cão, deste tipo de sistemas. Através da análise de dados climáticos do local (temperaturas caracter´ısticas e direçcão e velocidade dos ventos dominantes) e do conheci-mento da estrutura do edif´ıcio, pretende-se optimizar caudais de insufla¸cão e extraçcão, assim como a própria geometria/configura¸cão dos sistemas de ventila¸cão em estudo.

Pretende-se assim efectuar um estudo dinâmico deste tipo de sistemas com recurso a softwares de simula¸c˜ao (Design Builder e EnergyPlus), com base nos dados clim´aticos das zonas em que se situam os edif´ıcios em estudo e na geometria dos mesmos. Estas simula¸cões deverão estudar entre outros, o efeito na ventila¸cão natural de edif´ıcios, das condi¸cões de temperatura, velocidade e direçcão dos ventos dominantes, durante diferentes alturas do ano. Deverão ser analisados como efeitos destes dados, em cada zona e globalmente, as taxas de ventila¸cão atingidas, as necessidades de aquecimento e arrefecimento, assim como o impacto energético dos sistemas de ventila¸cão natural, quando comparados com sistemas de ventila¸cão mecânica.

Com este estudo pretende-se ainda retirar conclusões, que possam ser úteis a projectistas e peritos de sistemas de ventila¸cão, respondendo assim a alguma falta de informa¸cão/resultados sobre estes sistemas, dentro das limita¸cões de um estudo com estas dimensões.

1.3 Organiza¸

c˜

ao da tese

A presente disserta¸cão está organizada em 6 cap´ıtulos, onde se pretende apresentar um estudo sobre o efeito da ventila¸cão natural em edif´ıcios, através de simula¸cões dinâmicas destes. Neste primeiro cap´ıtulo faz-se o enquadramento e apresentam-se os objectivos deste trabalho, indicando de forma sumária as motiva¸cões e contributo do mesmo.

No cap´ıtulo 2 são analisados os processos f´ısicos associados à ventila¸cão natural, a in-fluência do clima neste tipo de ventila¸cão, são ainda abordados os sistemas de ventila¸cão natural e por fim são apresentados alguns modelos preditivos.

No cap´ıtulo 3 são apresentados normas e legisla¸cão nacional sobre ventila¸cão e qualidade do ar interior. São apresentados valores da taxa de ventila¸cão m´ınima requirida para os

(27)

diferentes tipos de espa¸cos num edif´ıcio, assim como os limites de concentra¸c˜ao dos diversos poluentes, de modo a regular a qualidade do ar interior dentro de limites aceit´aveis.

No cap´ıtulo 4 são descritos os pressupostos, os objectivos, resultados e conclusões retiradas dos diversos estudos preliminares, efectuados no âmbito deste trabalho.

No cap´ıtulo 5 é apresentada a metodologia utilizada no estudo final deste trabalho, assim como são apresentados e discutidos os resultados deste estudo.

Por ´ultimo, no cap´ıtulo 6 apresentam-se as conclus˜oes gerais retiradas deste trabalho, assim como algumas perspectivas de trabalhos futuros.

1.4 Contributo da tese

Este trabalho pretende apresentar conclusões sobre a influência de diversos parâmetros, na ventila¸cão natural de edif´ıcios recorrendo a ferramentas computacionais de simula¸cão dinâmica. Os parâmetros avaliados são o clima, o tipo de entradas de ar, a distância das entradas de ar ao solo e a orienta¸cão do edif´ıcio. As conclusões aqui encontradas pretendem fornecer a projectistas e peritos, resultados concretos em que se possam basear na elabora¸cão de projectos de ventila¸cão natural.

O facto de este estudo ser efectuado usando um software comercial (DesignBuilder/E-nergyplus) amplamente utilizado no projecto de edif´ıcios, permite que este possa ser usado para retirar ila¸cões para projectos futuros. Pretende-se ainda promover a desmistifica¸cão e penetra¸cão quer da utiliza¸cão deste tipo de ferramentas de análise quer da op¸cão de ventila¸cão natural, de modo a que estes sistemas sejam encarados como uma alternativa fiável aos sistemas de ventila¸cão mecânica.

1.5 S´ıntese do cap´ıtulo

Neste cap´ıtulo é efectuado o enquadramento deste trabalho, apresentando sumariamente as motiva¸cões, os objectivos e contributo do mesmo. Deve ser por isso destacado, o principal objectivo desta tese, o estudo da viabilidade de aplica¸cão e a optimiza¸cão de um sistema de ventila¸cão natural, com o recurso a simula¸cão dinâmica.

Faz-se ainda uma pequena descri¸cão deste documento, apresentando-se os tópicos de cada um dos cap´ıtulos que o compõe.

(28)

(29)

Ventila¸

c˜

ao Natural

2.1 Introdu¸

c˜

ao

O projecto de ventila¸cão natural de um edif´ıcio tem como condicionantes diversos factores, tais como o clima e o espa¸co envolvente, uma vez que a exposi¸cão do edif´ıcio às condi¸cões climatéricas pode estimular um maior ou menor n´ıvel de ventila¸cão. As condi¸cões da envol-vente são um factor importante num processo de ventila¸cão natural e por isso é abordado neste cap´ıtulo, o impacto do vento e do clima urbano na ventila¸cão natural de edif´ıcios.

A ventila¸cão natural de edif´ıcios é provocado pela diferen¸ca de pressão entre o interior e exterior do espa¸co, devido à açcão do vento, do gradiente de temperaturas ou da açcão conjunta de ambos. Estas duas for¸cas motrizes têm uma grande variabilidade e muitas vezes são imprevis´ıveis, o que torna a previsão e controlo dos fluxos de ventila¸cão num processo extremamente dif´ıcil e delicado. Neste cap´ıtulo são analisados os mecanismos da ventila¸cão, nomeadamente o impacto que cada um destes processos f´ısicos pode ter no gradiente de pressões de uma abertura de ar, isoladamente ou conjuntamente.

A disposi¸cão e a forma das aberturas na fachada de um edif´ıcio são elementos importantes na sua ventila¸cão e por isso são também analisados neste cap´ıtulo sistemas de ventila¸cão natural, como a ventila¸cão unilateral e cruzada.

Os modelos preditivos são uma forma de dimensionar os sistemas de ventila¸cão natural tendo em conta as condicionantes já referidas, fornecendo aos projectistas taxas de renova¸cão de ar e caracter´ısticas do escoamento no espa¸co interior do edif´ıcio. Por essa razão, são analisados neste cap´ıtulo os diversos tipos de modelos preditivos, nomeadamente os seus pressupostos, condicionantes e a aplica¸cão da metodologia dos mesmos.

2.2 Clima

Clima é definido pelas condi¸cões médias atmosféricas (temperatura do ar, radia¸cão solar, precipita¸cão/humidade relativa e vento) durante um determinado per´ıodo de tempo. Por sua vez, a defini¸cão destas condi¸cões para um determinado instante é designada por tempo. A defini¸cão de clima pode tomar diferentes escalas, podendo ser caracterizado à escala global, regional, local e à escala microclimática. Estas diferentes escalas distinguem-se pela amplitude do território que abrangem e, no caso da escala global, trata-se das condi¸cões atmosféricas à escala planetária. A escala regional refere-se a regiões na ordem das centenas de quilómetros, em que as principais condi¸cões atmosféricas são semelhantes. A escala local abrange áreas

(30)

na ordem dos 10 quilómetros, caracterizadas pela mesma morfologia de terreno como, por exemplo, a proximidade ao mar, a montanhas ou a vales, que influenciam as condi¸cões at-mosféricas como, por exemplo, o regime do vento. A escala microclimática abrange zonas na ordem das centenas de metros, que têm alguns aspectos particulares, podendo ser afectadas por parâmetros como: a topografia, estrutura do solo, grau de impermeabiliza¸cão e formas urbanas. [3, 4]

2.2.1 Clima urbano

As formas urbanas modificam o clima das cidades, criando o que se designa por clima urbano, com caracter´ısticas diferentes às zonas rurais que o rodeiam. O espa¸co criado pelo conjunto de edif´ıcios de uma zona urbana, desde a base até ao topo dos mesmos, é designado por canyon urbano, sendo que a massa de ar em torno deste espa¸co, afectada pelo mesmo, é designada por camada limite urbana. A varia¸cão na altura dos edif´ıcios e na velocidade do vento altera o limite superior dos canyons urbanos de um ponto para o outro. [3]

O clima urbano é consideravelmente diferente do clima das zonas rurais que o rodeiam, visto as zonas urbanas serem geralmente mais quentes que as zonas rurais circundantes. Este efeito é designado como ilha de calor e as formas urbanas, as estruturas das cidades, os poluentes atmosféricos, o calor emitido pelos ve´ıculos e edif´ıcios são apontadas como as principais causas para este fenómeno. [5]

As zonas rurais são caracterizadas pela existência de grandes extensões de vegeta¸cão e ´

areas de cultivo, que tˆem a capacidade de absorver radia¸c˜ao solar nos processos de evapora-¸

cão dos solos e transpira¸cão das plantas (evapotranspira¸cão). Este facto leva assim a uma diminui¸cão da temperatura nas imedia¸cões, libertando ao mesmo tempo vapor de água, o que mantém a superf´ıcie e o ar em contacto com o solo a temperaturas moderadas.

Em contraponto, as áreas urbanas possuem pouca vegeta¸cão e estão cobertas por ma-teriais artificiais, que têm capacidade de absorver grandes quantidades desta radia¸cão. A radia¸cão absorvida e armazenada nas estruturas dos edif´ıcios, devido à forte inércia térmica dos materiais é, posteriormente, radiada ao ambiente de uma forma gradual. Este fenómeno, torna a temperatura da superf´ıcie mais elevada que em zonas rurais, o que faz com que o fluxo radiativo nas zonas urbanas seja superior, havendo estudos que apontam para um acréscimo de 20% ao meio-dia e 10% ao longo da noite. Deve-se ainda salientar que, como os sistemas de esgotos e de canaliza¸cão evitam a circula¸cão de água em contacto com a atmosfera urbana, é impedido que o calor latente da evapora¸cão da água promova arrefecimento neste ambiente. [4]

O facto de a superf´ıcie terrestre estar cada vez mais urbanizada, da densidade populacional nas cidades seja crescente e os requisitos energéticos sejam mais elevados, leva a que o consumo de energia nestas zonas seja crescente, acentuando ainda mais o fenómeno de ilha de calor das zonas urbanas. Deve-se ainda recordar que este efeito promove o uso da climatiza¸cão em zonas urbanas, que por sua vez aumenta o consumo energético.

Por último, deve-se frisar que a polui¸cão atmosférica das zonas urbanas cria uma camada que bloqueia a radia¸cão nocturna da cidade para a atmosfera, criando assim um efeito estufa que promove o aumento do efeito ilha de calor.

(31)

2.2.2 O vento no ambiente urbano

A existência de numerosos obstáculos nas zonas urbanas aumenta significativamente a rugosidade do solo quando comparado às zonas rurais, tendo como consequência o aumento do efeito friçcão no fluxo de ar.

Para ventos de moderado a forte e para uma altura de 20 metros acima do solo, observa-se uma redu¸cão de 20% a 30% na velocidade média do vento, quando nos deslocamos das zonas rurais para as zonas urbanas. Por outro lado, a intensidade da turbulência na mesma situa¸cão aumenta entre 50% a 100%. Com ventos fortes, a friçcão causada pelas zonas urbanas cria rota¸cão ciclónica do fluxo de ar (até 10◦). [4]

Outro efeito da camada limite da zona urbana, no caso dos ventos moderados, ´e o de provocar um movimento ascendente do ar, que pode chegar `a velocidade de 1 m/s.

Os ventos fracos são entre 5% a 20% mais frequentes nas zonas urbanas do que nas zonas rurais. No entanto, para situa¸cões em que a velocidade ´e inferior a um limite de 4 m/s, a velocidade do vento no centro da cidade é superior ao que se verifica na periferia. Este facto pode dever-se à turbulência gerada pelos numerosos obstáculos e pelo estado relativa-mente instável que caracteriza a camada limite das zonas urbanas, quando comparado com a atmosfera das zonas rurais.

Como já foi descrito anteriormente, à medida que se desloca da periferia para o centro das zonas urbanas, a temperatura aumenta levando a que o ar convirja nesse sentido pelo efeito do gradiente de pressões, induzido pelo gradiente horizontal de temperaturas. Assim, a continuidade deste fluxo cria um fluxo ascendente de ar, que termina a uma determinada altura. Esta brisa do campo sopra geralmente ao princ´ıpio da manhã e final da tarde e pode atingir velocidades de 2 a 3 m/s.

2.3 Mecanismos da Ventila¸

c˜

ao Natural

A entrada de ar novo num edif´ıcio é causada pela diferen¸ca de pressão entre o interior e o exterior, o que provoca o escoamento nos pontos onde houver aberturas ou frinchas que permitam a passagem de fluxos de ar. Quando as aberturas são propositadamente colocadas na envolvente do edif´ıcio, como é o caso de janelas, grelhas de insufla¸cão ou chaminés, o processo designa-se por ventila¸cão natural, mecânica ou h´ıbrida. Caso este processo se deva `

a existência de frinchas ou fendas, o que resulta em fluxos incontroláveis e involuntários, o processo designa-se por infiltra¸cões ou exfiltra¸cões, consoante o sentido do fluxo de ar. [6] Estas frinchas podem estar associadas a pequenas aberturas nas paredes ou tectos, ou à envolvente das aberturas de servi¸co, como é o caso das instala¸cões do gás, electricidade ou ´

agua. Algumas componentes dos edif´ıcios, como ´e o caso de portas e janelas, podem permitir pequenos escoamentos de ar atrav´es de frinchas.

Concretamente, no caso da ventila¸cão natural, as diferen¸cas de pressão que provocam este processo são resultantes da açcão do vento e do gradiente de temperatura entre o interior e o exterior do espa¸co, ou da açcão conjunta de ambos. Visto estas duas for¸cas motrizes serem variáveis com o tempo e com a localiza¸cão, torna-se extremamente dif´ıcil o controlo e previsão do fluxo de ventila¸cão. [2]

(32)

2.3.1 Efeito chamin´e

O fluxo de ar que ocorre devido ao gradiente térmico, conhecido por efeito chaminé, ocorre por existir uma diferen¸ca de temperatura entre a zona considerada e o espa¸co envolvente. A altera¸cão das propriedades f´ısicas do ar, inerente à altera¸cão da temperatura, leva ao deslocamento do ar quente para as zonas superiores, levando à sua sa´ıda e à entrada de ar mais frio a cotas inferiores. Existirá um ponto em que a diferen¸ca de pressão entre os dois espa¸cos é nula, designado por n´ıvel de pressão neutra, como pode ser observado na figura 2.1, sendo a sua posi¸cão influenciada pela diferen¸ca de temperaturas e pelo tamanho das aberturas. O fluxo de ar gerado é proporcional à distância vertical ao n´ıvel de pressão neutra e à diferen¸ca entre a temperatura interior e exterior. O efeito chaminé torna-se assim mais intenso em edif´ıcios altos, particularmente, em locais de passagem e com elevados pés direitos como, por exemplo: caixas de escadas e elevadores.[2, 3]

Considerando a press˜ao est´atica ao n´ıvel do pavimento de determinada zona, p0, a press˜ao

que se verifica a determinada altura z, pz, em consequência do gradiente de temperatura, será

dada pela equa¸c˜ao de Bernoulli.

pz= p0− 1 2ρv 2_{− ρgz [P a]} _(2.1) Em que: pz- press˜ao `a altura z [P a]

p0 - press˜ao da zona ao n´ıvel do pavimento [P a]

ρ - massa vol´umica do ar `a temperatura interior [kg/m3] v - velocidade do escoamento [m/s]

g - acelera¸c˜ao grav´ıtica [m/s2]

Figura 2.1: Fluxo de ar por açcão do gradiente de temperaturas (Efeito chaminé) [3] Considerando apenas a açcão do gradiente da temperatura, o termo correspondente à componente cinética pode ser desprezado, visto o valor da velocidade ser muito reduzido.

(33)

Assumindo que o ar se comporta como um gás perfeito, a massa volúmica `a temperatura T pode ser calculada através da equa¸c˜ao (2.2), em que ρ0 e T0 representam a massa volúmica e

temperatura de referˆencia do ar, 1,29 kg/m3 _{e 273,15 K, respectivamente.} ρ = ρ0

T0 T

[

kg/m3] (2.2)

Quando existem duas zonas adjacentes e isotérmicas, ligadas por uma abertura, caso de uma porta ou uma janela, a diferen¸ca de pressão verificada entre ambas `a altura z ser´a:

∆pz = p1,0− p2,0+ (ρ1− ρ2) gz [P a] (2.3)

onde p1,0 e p2,0 representam a press˜ao ao n´ıvel do pavimento para cada uma das zonas e ρ1 e ρ2 a massa vol´umica `a temperatura das mesmas.

Este modelo assume que a temperatura no interior dos espa¸cos se mantém constante com a altura. Modelos mais complexos representam, em detalhe, a influência da estratifica¸cão e os efeitos da turbulência, assumindo para o efeito: [2]

Escoamento permanente de um ﬂu´ıdo inv´ıscido e incompress´ıvel;

Estratifica¸cão linear da massa volúmica em ambos os lados da abertura;

Efeitos da turbulência representados por um perfil de diferen¸ca de pressão equivalente. A equa¸cão de Bernoulli simplificada (2.1), combinada com a equa¸cão dos gases perfeitos dá origem à equa¸cão 2.4, que representa a diferen¸ca de pressão entre duas aberturas separadas por uma distˆancia vertical h, em que Tie Tesão a temperatura interior e exterior, respectivamente.

∆pz = ρ1· A · Cd·

√

2· g · h ·Ti− Te Ti+ Te

(2.4) Na ausˆencia de vento e sempre que Ti > Te, o ar entra no edif´ıcio pelas aberturas inferiores

saindo pelas superiores, ou o contr´ario se Ti < Te. Quando as aberturas tiverem a mesma

´

area, o caudal m´assico do ar, ˙m, ser´a:

˙ m = ρi· A · Cd· √ 2· g · h ·Ti− Te Ti+ Te (2.5) sendo Cdo coeﬁciente de descarga associado a cada abertura. [3]

2.3.2 Efeito do vento

O vento que atinge um edif´ıcio dá origem a um escoamento à volta deste, que gera na envolvente pressões estáticas superiores ou inferiores à pressão atmosférica, levando a uma desloca¸cão do ar no sentido da pressão positiva para a pressão negativa. As pressões positivas ocorrem nas zonas da envolvente expostas directamente à incidência do vento (barlavento), enquanto que as de pressão negativa predominam nas zonas da envolvente do lado oposto ao da direçcão do vento (sotavento). Na figura 2.2 é ilustrada a distribui¸cão de pressões na envolvente de um edif´ıcio devido à açcão do vento. [6]

(34)

Figura 2.2: Distribui¸cão de pressão resultante da açcão do vento [6]

O gradiente de pressão é traduzido pela equa¸c˜ao 2.6, na qual Cpé o coeficiente de pressão,

dependente da forma do edif´ıcio, da direc¸c˜ao do vento e das caracter´ısticas da envolvente, ρ ´e a massa vol´umica do ar (kg/m3) e Uv ´e a velocidade do vento (m/s), medida a uma altura

de referˆencia, que na generalidade dos casos corresponde `a altura do edif´ıcio. [7] ∆pvento=

1

2· Cp· ρ · U

2

v[Pa] (2.6)

Para a correcta determina¸cão do campo de pressões de um edif´ıcio, a velocidade do vento é calculada em fun¸cão dos dados meteorológicos dispon´ıveis, visto estes se encontrarem facil-mente dispon´ıveis. O facto das esta¸cões meteorológicas se encontrarem distantes do local onde o edif´ıcio está implementado, obriga a uma correçcão do parâmetro da velocidade do vento (Uv), que é medida na esta¸cão meteorológica a uma altura de referˆencia de 10 m acima

do n´ıvel do solo, tendo-se em conta diversos parâmetros, entre eles a orienta¸cão do edif´ıcio, topografia, localiza¸cão e rugosidade do terreno.

Deste modo, Uv n˜ao pode ser utilizada directamente na equa¸c˜ao 2.6, sendo ajustada

recorrendo-se à lei de potência dada pela equa¸c˜ao 2.7, onde Uloc e U10 são velocidades do

vento medidas a uma altura zloce z10, respectivamente, e α ´e um parˆametro relacionado com

a intensidade de turbulˆencia.

Uloc U10 = ( zloc z10 )α (2.7) O coeficiente de press˜ao (Cp), é um parâmetro emp´ırico que traduz as altera¸cões do

(35)

induzidas pelo vento. São fortemente influenciados pela direçcão do vento, orienta¸cão do edif´ıcio, topografia e rugosidade do terreno. [2]

Como se pode constatar na equa¸cão 2.6, o termo dominante no diferencial de pressões é a velocidade do vento, visto o gradiente variar com o quadrado da velocidade. No entanto, o coeficiente de press˜ao (Cp) tem uma forte influência que não pode ser desprezada, devendo a

sua influência ser estudada, sendo necessário determinar este parâmetro com precisão. Determinar as caracter´ısticas de um edif´ıcio é poss´ıvel mediante estudos em túneis de vento com modelos `a escala reduzida, conseguindo medir o Cp para cada ponto da envolvente,

permitindo o cálculo da press˜ao local (pv) em fun¸cão da pressão dinâmica do escoamento não

perturbado. pv= Cp· 1 2 · ρe· ¯U 2 ref (2.8) Com: Cp= pi− p∞ ρe·1₂U¯_ref2 (2.9) em que:

- Cp : coeﬁciente de press˜ao no local i [-]

- pi : press˜ao est´atica local [P a]

- p_∞ : pressão estática de referência, pressão atmosf´erica [P a]

- Uref : velocidade média do vento não perturbada pelo edif´ıcio a uma altura de referência,

normalmente referida `a cota da cobertura [m/s].

Estudos apontam que apenas é poss´ıvel obter coeficientes de pressão para velocidades superiores a 3-4 m/s. A obten¸c˜ao destes valores é dispendiosa, podendo-se ainda recorrer a modelos numéricos tipo CFD, que são processos dif´ıceis e morosos, levando a que ambas as op¸cões só se justifiquem em edif´ıcios muito especiais ou em investiga¸cão.

Assim, para situa¸cões correntes, estes coeficientes são retirados de bibliografia, ou seja, de valores parametrizados retirados de estudos experimentais já realizados.

No entanto, estes valores parametrizados apenas nos fornecem um valor único do coefi-ciente de pressão para a superf´ıcie total de uma fachada (ou cobertura), mas para um estudo de ventila¸cão é conveniente conhecer os valores para os locais exactos como, por exemplo, uma janela ou grelha de entrada de ar, etc. Assim, foram desenvolvidos v´arios modelos que permitem calcular o coeficiente de pressão para um local pré-definido da envolvente, para as diferentes direçc˜oes do vento, entre os quais o modelo Cpcalc+ e Cpgenerator.

O programa/modelo Cpcalc+ utiliza diversos parˆametros para o cálculo do coeficiente, tais como a rugosidade do terreno, a densidade de constru¸cão da área, altura relativa dos edif´ıcios, a propor¸cão das dimensões, a direçcão do vento, assim como a inclina¸cão dos telhados. No entanto, este modelo tem restri¸cões à sua aplica¸cão, visto não poder ser aplicado quando:

O edif´ıcio está instalado em terreno com elevada rugosidade (não aplicável em centros urbanos) e/ou alta densidade de constru¸cão;

Os edif´ıcios cont´ıguos tˆem padr˜ao disperso ou irregular;

(36)

O edif´ıcio tem forma irregular;

O edif´ıcio tem um rácio entre o comprimento e a altura menor que 0,5 ou maior que 4. O modelo Cpgenerator tenta ultrapassar as limita¸c˜oes do modelo anterior, aplicando-se assim a toda a gama de rugosidades do terreno e não apresentando limita¸cões relativamente `

as dimensões do edif´ıcio nem dos da sua envolvente. Com este modelo, introduzindo de forma simples e acess´ıvel as dimensões, orienta¸cão do edif´ıcio e as obstru¸cões vizinhas, calcula-se os coeficientes de pressão nas fachadas e coberturas de edif´ıcios de forma paralelepipédica.

Estudos obtidos por túnel de vento e simula¸cão numérica, demonstram que os coeficientes de pressão obtidos para objectos sólidos (estudos mais correntes), são diferentes dos coefi-cientes obtidos para os mesmos objectos, mas providos de aberturas (objectos porosos). Mais especificamente, demonstram que os coeficientes de pressão são dependentes do tamanho e localiza¸cão da abertura. [6]

2.3.3 Ac¸c˜ao combinada do vento e do gradiente de temperaturas

A for¸ca do vento e do gradiente térmico podem actuar em conjunto, aumentando o fluxo de ventila¸cão ou actuando em sentidos opostos, reduzindo o fluxo. Até este momento, apenas se analisou estes mecanismos separadamente, mas na maioria dos casos, a açcão destas for¸cas é simultânea. Partindo das equa¸cões 2.3 e 2.6 obtemos a seguinte equa¸cão:

∆pz= p1,0− p2,0+ (ρ1− ρ2)g· z +

ρ1· Cp· U12

2 −

ρ2· Cp· U22

2 [P a] (2.10) onde, U1 e U2 representam a velocidade do vento em cada um dos lados da abertura.

Pode--se ainda constatar que a eficácia dos sistemas de ventila¸cão natural depende da velocidade do vento, da diferen¸ca de temperatura, do tamanho e caracter´ısticas das aberturas e da sua orienta¸cão relativamente à direçc˜ao predominante do vento (Cp). [2, 3]

2.4 Sistemas de Ventila¸

c˜

ao Natural

2.4.1 Ventila¸c˜ao Unilateral

Os edif´ıcios com aberturas em apenas uma única fachada são de ventila¸cão dif´ıcil, mesmo quando o vento incide directamente sobre as mesmas. No caso da ventila¸cão unilateral é aconselhável que se coloque mais do que uma abertura distanciadas umas das outras, de forma a que o escoamento dentro do edif´ıcio seja o mais longo e turbulento poss´ıvel, como é exemplificado na figura 2.3. Pode-se ainda recorrer a elementos arquitectónicos, como é o caso das bandeiras de ventila¸cão, para induzir pressões e depressões mais elevadas nas aberturas, de forma a que a ventila¸cão natural do edif´ıcio seja estimulada. [8]

O fluxo através de uma única grande abertura numa das fachadas de um edif´ıcio, como por exemplo uma janela, é bi-direccional. O efeito chaminé leva a que o ar mais fresco entre na parte inferior da abertura e o ar mais quente sai pela parte superior. A pressão, devido ao efeito do vento, tem uma componente média e outra flutuante derivada da turbulência do fluxo e numa abertura grande, estas componentes não são uniformes ao longo da mesma. O efeito de compressibilidade do ar do espa¸co interior é também um factor que torna todo este fenómeno dif´ıcil de prever. Deve-se ainda salientar que estas aberturas devem ser colocadas na

(37)

fachada exposta aos ventos dominantes, de modo a maximizar o efeito do vento na ventila¸c˜ao natural do edif´ıcio. [9]

Para a ventila¸c˜ao unilateral a BRE Digest 399 [10], recomenda que a ´area de uma janela seja 1/20 da ´area da fachada, e que a profundidade do espa¸co seja no m´aximo 2,5 vezes a altura do mesmo.

Figura 2.3: Ventila¸c˜ao unilateral [11]

2.4.2 Ventila¸c˜ao Cruzada

A ventila¸cão cruzada ocorre quando o ar entra num espa¸co ou edif´ıcio, numa fachada, por uma ou mais aberturas e sai por uma ou mais aberturas, numa outra fachada, preferencial-mente oposta à de entrada, como é exemplificado na figura 2.4. As aberturas usadas neste tipo de ventila¸cão podem ser de pequenas dimensões (grelhas) ou de grandes dimensões, como portas ou janelas. A ventila¸cão cruzada é adequada para ventilar espa¸cos profundos, pois o fluxo de ar percorre todo o espa¸co, desde a abertura de entrada até ao lado oposto, onde sai. De modo a maximizar a ventila¸cão, as aberturas devem ser colocadas a barlavento (entrada) e a sotavento (sa´ıda), para que a diferen¸ca de pressão entre as aberturas seja elevada. As parti¸cões internas e obstru¸cões no espa¸co afectam e dificultam o normal fluxo de ar, levando a que o efeito de penetra¸cão no espa¸co seja diminu´ıda.

Para a ventila¸c˜ao cruzada, a BRE Digest 399 [10] recomenda que a m´axima profundidade de um espa¸co ventilado desta forma seja no m´aximo 5 vezes a altura do espa¸co, num espa¸co com poucas obstru¸c˜oes.

(38)

Figura 2.4: Ventila¸c˜ao cruzada [11]

2.5 Modelos Preditivos

O dimensionamento dos sistemas de ventila¸cão natural apresenta-se como um grande desafio para arquitectos e peritos envolvidos nesses projectos. Ao contrário da ventila¸cão mecânica, este processo baseia-se em for¸cas motrizes da natureza (vento e a diferen¸ca de temperaturas) que apresentam uma grande variabilidade. Desse modo, a ventila¸cão natural é muito mais dif´ıcil de dimensionar (por exemplo o tamanho das aberturas) na avalia¸cão do n´ıvel de conforto e no potencial de poupan¸ca de energia, do que a ventila¸cão mecânica.

Os processos f´ısicos que estão envolvidos na ventila¸cão natural são muito complexos e a interpreta¸cão da influência destes na eficácia da ventila¸cão torna-se uma tarefa dif´ıcil. A mecânica de fluidos clássica descreve o fenómeno sob condi¸cões fronteira bem definidas, de maneira bastante satisfatória. A descri¸cão do fenómeno é feita resolvendo as equa¸cões de Navier-Stokes, associadas a equa¸cões que descrevem o efeito da turbulência sob condi¸cões espec´ıficas de fronteira e de estado inicial. No entanto, sabendo do carácter imprevis´ıvel e instável das caracter´ısticas do vento, torna-se quase imposs´ıvel conhecer as condi¸cões de fronteira e iniciais.

´

E importante, não só em termos de conforto térmico mas também por razões energéticas, o conhecimento das caracter´ısticas do escoamento em cada espa¸co, das taxas de renova¸cão de ar do edif´ıcio, bem como dos caudais de ar que atravessam as aberturas. É, portanto crucial, que quem estiver a projectar um edif´ıcio, conhe¸ca estes dados de modo a dimensionar as aberturas, calcular a transferência de calor por conveçcão, prever os ´ındices de conforto, analisar a qualidade do ar interior através da dispersão dos poluentes e calcular a eficiência da ventila¸cão.

De acordo com o tipo de informa¸cão requerida, vários modelos e ferramentas podem ser usados. Os modelos variam de algoritmos emp´ıricos simples, para calcular a taxa de ventila¸cão global, até técnicas sofisticadas de mecânica de fluidos computacional que resolvem as equa¸cões de Navier-Stokes. Genericamente, baseado no n´ıvel de complexidade do modelo, podem ser distinguidas quatro aproxima¸cões diferentes para a descri¸cão dos fluxos de ar para o caso da ventila¸cão em edif´ıcios: [4]

Modelos emp´ıricos Modelos nodais

(39)

Modelos zonais Modelos CFD

Apresentar-se-´a de seguida alguns desses modelos para cada uma das abordagens referidas.

2.5.1 Modelos emp´ıricos

Os modelos emp´ıricos permitem calcular caudais de ventila¸cão ou velocidade média do ar numa zona, correlacionando entre si a velocidade do vento, diferen¸ca de temperatura e eventualmente termos ”flutuantes”. Estas ferramentas são práticas, visto fornecerem uma primeira estimativa de caudais e velocidades envolvidas em escoamentos de ar, no entanto, devem ser sempre utilizadas dentro dos limites da sua aplicabilidade.

Estes modelos foram desenvolvidos a partir das equa¸cões de conserva¸cão de massa, energia e espécie qu´ımica, sendo diversas vezes usados métodos experimentais e técnicas de simula¸cão computacional para o seu desenvolvimento, para obter determinados coeficientes, que por sua vez limitam a sua aplicabilidade.

Estes modelos podem também ser agrupados em dois grupos: [4] Modelos de previsão de taxas de ventila¸cão;

Modelos de previsão de velocidade do ar dentro do edif´ıcio. Modelos de previsão de taxas de ventila¸cão

Os modelos desenvolvidos neste âmbito são fundamentalmente aplicados a edif´ıcios com uma única zona (monozona), que são utilizados numa primeira fase de dimensionamento, para obter uma previsão da taxa de ventila¸cão.

O modelo De Gidds e Phaﬀ

Resultados experimentais têm mostrado que os efeitos de flutua¸cão do escoamento do ar são responsáveis pelo caudal de ar novo insuflado, no caso de ventila¸cão com uma só fachada ou quando o vento é paralelo a aberturas em duas fachadas opostas. Fluxos de flutua¸cão são atribu´ıdos às caracter´ısticas de turbulência do vento e/ou à turbulência induzida pelo próprio edif´ıcio. A turbulência do escoamento ao longo de uma abertura causa simultaneamente flutua¸cões de pressão positivas e negativas no espa¸co interior. [6]

Com base em 33 medi¸cões num edif´ıcio à escala real, De Gids e Phaf estabeleceram que para uma abertura, uma situa¸cão de ventila¸cão unilateral, a taxa de ventila¸cão é definida por:

qw = 1 2 · A · √ C1+ ( C2· U_ref2 ) + (C3· H · |∆Tin−ext|) (2.11)

onde Uref é a velocidade do vento numa esta¸cão meteorol´ogica [m/s], ∆Tin−exté a diferen¸ca

de temperatura entre o interior e o exterior [◦C ou K], H ´e a altura da abertura, C3 ´e um

coeﬁciente adimensional dependente do vento, C2 ´e uma constante de fronteira e C1 ´e uma

constante de turbulˆencia. Comparando valores medidos e calculados, chegou-se aos seguintes valores para estes coeﬁcientes de ajuste: C1=0,01, C2=0,0035 e C3=0,01.

Usando uma aproxima¸cão idêntica, Larsen derivou uma correla¸cão mais complexa que também tem em conta a direçcão do vento. A equa¸cão foi estabelecida com base em diversos testes em túnel de vento e 448 medi¸cões em edif´ıcios à escala real.

(40)

qw = A· √ C1· |Cp| · U_ref2 + C2· H · |∆Tin−ext| + C3 ∆Cp· ∆Tin−ext U2 ref (2.12) Com, ∆Cp = 9, 1894· 10−9· φ3− 2, 626 · 10−6· φ2− 0, 0002354 · φ + 0, 113 (2.13)

em que φ ´e o ˆangulo de incidˆencia do vento (°). [12]

Tabela 2.1: Constantes C1, C2 e C3 [13]

Direc¸c˜ao Angulo de incidˆˆ encia [φ] C1 C2 C3

Sotavento 0◦-75◦; 285◦-360◦ 0,0015 0,0009 -0,0005 Barlavento 105◦-255◦ 0,0050 0,0009 0,0160

Paralelo 90◦-270◦ 0,0010 0,0005 0,0111

M´etodo British Standard para ventila¸c˜ao cruzada

O m´etodo emp´ırico proposto no British Standard [14] ´e composto por um conjunto de equa¸cões que permite calcular a taxa de ventila¸cão para ventila¸cão unilateral e cruzada, tendo em conta a ventila¸cão inerente ao efeito do vento ou efeito da temperatura. No entanto, aqui apenas será apresentado a formula¸cão para o cálculo no caso de ventila¸cão cruzada.

A equa¸cão que permite calcular o fluxo de ar impulsionado pelo efeito da temperatura é a seguinte: Qv = Cd· Ab· √ 2· ∆T · g · H TM (2.14) onde o coeficiente de descarga da abertura das janelas (Cd) ´e um valor entre 0,6 e 0,75, ∆T ´e a

diferen¸ca de temperatura entre o interior e exterior, g ´e a acelera¸c˜ao da gravidade (m/s2), H é a distˆancia vertical entre as duas aberturas (m), TM é a temperatura média entre o interior

e exterior e Ab é a área total das aberturas. Esta área é calculada da seguinte forma:

1 A2_b = 1 (∑m_m=1Am)2 + 1 (∑n_n=1An)2 (2.15) onde n e m s˜ao o n´umero de aberturas existente, no caso de n, acima do n´ıvel de press˜ao neutra, no caso de m, abaixo do n´ıvel de press˜ao neutra.

Para calcular a taxa de ventila¸cão causada pelo vento na ventila¸cão cruzada, deve-se usar a seguinte equa¸cão:

Qv = Cd· AW · Ualt.edif.·

√

|CP,1− CP,2| (2.16)

onde Aw pode ser calculada pela mesma equa¸c˜ao usada para calcular Ab, tendo em aten¸c˜ao

que agora as aberturas de coeficiente n s˜ao aquelas que tiverem os mais altos coeficientes de press˜ao e m os restantes. A velocidade `a altura do edif´ıcio, deve ser calculada através da equa¸cão 2.7, tendo em conta a medi¸cão de referência.

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U (z = BH) √ ∆T < 0, 26· √ Ab Aw · H ∆Cp (2.17) seja satisfeita, apenas o efeito temperatura é considerado, calculando-se assim a taxa de ven-tila¸cão pela equa¸cão 2.14, caso esta não seja satisfeita, apenas o efeito do vento é considerado e assim calcula-se a taxa de ventila¸cão pela equa¸cão 2.16. [13]

Modelos de previs˜ao de velocidade do ar dentro do edif´ıcio

O número de modelos de previsão de velocidade do ar dentro do edif´ıcio é bastante inferior aos desenvolvidos para a previsão de taxas de ventila¸cão. Existindo assim poucos exemplos que possam ser referidos, sendo um destes o modelo desenvolvido por Carilho da Gra¸ca [15], usando scalling analysis, correla¸c˜oes experimentais e análise CFD, que através de um conjunto de equa¸cões, permite fazer uma aproxima¸cão à velocidade do ar interior em espa¸cos com ventila¸cão cruzada e sem parti¸cões internas, apenas sabendo a taxa de ventila¸cão.

A velocidade máxima dentro de um espa¸co em frente às aberturas é calculada por: vmax=

qin

Ainlet· Cd

(2.18) este modelo calcula a velocidade do ar em duas regiões do espa¸co, a região do jacto principal e a região de recircula¸cão.

vjet= 1, 56· vmax· Cd· √ Ainlet Across para1/3 < CL< 11 (2.19) vrec= vjet· CRJ· √ Droom A0,5_inletCRJ = { 0, 191para1/3 < CL< 4 0, 104para4 < CL< 11 (2.20) Com: CL= 2· Lroom Wroom− Winlet (2.21) Este modelo foi implementado no EnergyPlus, como uma componente opcional. [12]

2.5.2 Modelos Nodais (Network Models )

Os modelos nodais são principalmente usados para prever as taxas de renova¸cão de ar e a distribui¸cão do fluxo de ar em edif´ıcios. Estes podem ser usados para o cálculo da eficiência da ventila¸cão, o consumo de energia e no transporte de poluentes. Estes modelos solucionam as equa¸cões de conserva¸cão de massa, energia e espécie qu´ımica, em cada zona, assumindo que o ar ´e quiescente em cada zona, negligenciando assim a componente do movimento (momentum effect). Estes modelos assumem ainda que a temperatura do ar e a concentra¸cão das espécies qu´ımicas é uniforme em cada uma das zonas, podendo causar erros significativos em algumas situa¸cões. [16]

Os modelos emp´ıricos são baseados em fórmulas simplificadas e têm de ser aplicados dentro dos seus limites de validade, que se tornam restritos em casos de ´ındole prática. As assun¸cões em que são baseados levam a que só se possa estimar valores para os caudais globais de edif´ıcios que possam ser simulados por apenas uma zona. No entanto este tipo de simula¸cões

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em situa¸cões reais tem pouco significado, visto as interaçcões entre as diferentes zonas terem um impacto elevado. Nestas circunstâncias é importante utilizar uma análise multinodal. [4] Estes modelos são constitu´ıdos por diversos nós, exemplificado na figura 2.5, estando cada um destes associado a uma zona, com temperatura e pressão uniformes. A liga¸cão entre cada uma destas zonas, representa os fluxos de ar de entrada e sa´ıda entre cada uma destas zonas, quer sejam interiores ou exteriores, através das aberturas existentes (portas, janelas, grelhas e frinchas).

Figura 2.5: Modelo Multi-zona [6]

Um edif´ıcio com N zonas é representado por uma malha com N n´os de pressão. A pressão estática dos nós exteriores é conhecida, enquanto a pressão dos nós interiores é obtida através do princ´ıpio de conserva¸cão de massa aplicado a cada nó.

A aplica¸cão do balan¸co m´assico a uma zona i, com n liga¸cões resultará na equa¸cão seguinte:

n

∑

j=1

ρi· Qij = 0 (2.22)

sendo a massa volúmica do ar na direçc˜ao do escoamento, Qij é o caudal volúmico da zona

i para a zona j expresso em m3/s e definido pela equa¸cão da potência, que representa as caracter´ısticas do caudal de ar através das aberturas.

Qij = K (∆p)n (2.23)

Nesta equa¸c˜ao, K representa o coeﬁciente do escoamento, que se relaciona com a di-mens˜ao da abertura e o expoente n caracteriza o tipo de escoamento, podendo variar entre 0,5 (escoamento turbulento) e 1 (escoamento laminar). [2]

A aplica¸cão do princ´ıpio de conserva¸cão de massa em cada nó interior, gera um sistema de equa¸cões não lineares cuja solu¸cão conduz aos valores de nós interiores. Este sistema de equa¸cões é resolvido através de métodos numéricos, geralmente o método iterativo de Newton-Raphson, no entanto existem ferramentas computacionais que permitem o cálculo do sistema, dando origem aos valores pretendidos de forma simples e rápida. Estes métodos necessitam como dados de entrada (entre outros): [6, 17]

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- A temperatura interior de cada zona;

- As ´areas, cotas e os coeﬁcientes C e n relativos `a permeabilidade das pequenas aberturas; - As dimens˜oes, largura, altura e cota de todas as grandes aberturas;

- O coeﬁciente de descarga, Cd, de todas as grandes aberturas;

- Os coeﬁcientes de press˜ao nas grandes aberturas exteriores;

- As dimens˜oes (comprimento, largura e altura) e cota do pavimento de todas as zonas. Por sua vez, os dados de sa´ıda s˜ao:

- As diferen¸cas de press˜ao em cada abertura e/ou press˜oes internas; - Os caudais em cada abertura (nos dois sentidos);

- As renova¸cões hor´arias (RP H = caudal/volume) em todas as zonas e no edif´ıcio. Os modelos nodais não permitem calcular a velocidade do vento em espa¸cos interiores, que é um parâmetro determinante para o conforto térmico.

Estes modelos não conseguem representar a ventila¸cão natural unilateral, visto esta ser essencialmente influenciada pelo efeito do vento, que os modelos nodais negligenciam. Para tomar este efeito em considera¸cão, Dascalaki [18] propôs uma correçcão a um factor emp´ırico, implementado no modelo nodal COM IS, um dos mais usados, que modifica o valor do coe-ficiente de descarga através da equa¸cão 2.24

Cd= 0.08· [ g· H3· |Tin− Tout| vw· D2· (Tin+ Tout) /2 ] (2.24) Um estudo levado a cabo nesse projecto, constata que quando a diferen¸ca de temperaturas entre o interior e exterior é pequena e assim o efeito dominante é o vento, os modelos com e sem correçcão apresentam evidentes diferen¸cas, visto que os que não tem correçcão subestimam a taxa de ventila¸cão, enquanto que os modelos corrigidos sobrestimam os modelos emp´ıricos. [12]

2.5.3 Modelos zonais multizona

Os modelos zonais são uma aproxima¸cão intermédia entre os modelos CFD e os mo-delos nodais. Nestes momo-delos os espa¸cos são divididos em várias subzonas homogéneas e macroscópicas, que são usualmente paralelip´ıpedos rectangulares em que os princ´ıpios de conserva¸cão de massa e energia são aplicados.

O princ´ıpio de conserva¸cão do momento não é directamente solucionado nestes modelos, de maneira a reduzir os custos ou recursos computacionais em rela¸cão ao CFD. Para isso são usadas correla¸cões que permitem relacionar a pressão com o fluxo de massa. No entanto, devem ser usadas correla¸cões diferentes para diferentes zonas como, por exemplo, zonas cor-rentes onde as for¸cas de impulsão s˜ao fracas (momentum forces) em contraponto com zonas de condu¸c˜ao de fluxo (driving flow zones), como as regi˜oes de jacto e de plumas térmicas. Assim sendo, o usuário dos modelos zonais deve especificar os padrões de fluxo de ar associado a cada sub-zona. Como consequência o tempo de prepara¸cão deste modelos aumenta, levando a que possa ser maior que o tempo de simula¸cão CFD.

Estes factos podem explicar o porquˆe de nenhum programa comercial ou software ser baseado neste tipo de modelos, havendo apenas algumas componentes de softwares comerciais que os utilizem. [12]