XV EBRAMEM - Encontro Brasileiro em Madeiras e em Estruturas de Madeira 09-11/Mai, 2016, Curitiba, PR, Brasil
Conforto térmico entre um dia de verão e um dia de inverno em Lages, SC
1 Rodrigo F. Terezo (rodrigo.terezo@udesc.br), Deyvis B. Waltrick (deyvis.borges@gmail.com), Talitha O. Rosa (talitha.rosa@udesc.br) , Cleide B. Bourscheid (cleidib@gmail.com), Gabriel O.
Rosa (gabrielrosa.or@hotmail.com), Charline Zangalli (charline.zangalli@gmail.com) 1Universidade de Estado de Santa Catarina - UDESC
Departamento de Engenharia Florestal, Centro de Ciências Agroveterinárias - CAV
RESUMO: Com o aumento populacional do planeta, ocorre uma necessidade de novas construções, no entanto, em sua grande maioria causam a impermeabilização de água no solo, sendo assim devemos buscar novas alternativas de tecnologia para conciliar o desenvolvimento urbano, social e aumentar a qualidade de vida. Neste contexto, o objetivo é avaliar se há diferenças significativas entre as temperaturas e os teores de umidade relativa do ar, medidos em protótipos construídos em tamanho real (5,02m²), confeccionados em sistema Wood-frame e cada protótipo receberam telhados diferenciados, sendo verde (gramínea Axonopus compressus), argila e fibrocimento, assim como a análise dos desempenhos dos protótipos em relação à temperatura e umidade relativa do ar em ambiente externo. As variáveis de umidade do ar e temperatura foram determinadas com higrômetro e termômetro de globo negro. As medições foram realizadas no inverno e no verão, escolhendo aleatoriamente um dia de cada estação. Na análise dos dados foram empregados testes estatísticos com 95% de confiabilidade. Observou-se que não houve diferença significativa entre as variáveis estudadas no verão, já no inverno o meio externo mostrou-se estatisticamente diferente aos telhados ocorrendo nestes uma maior umidade do ar e diminuição das temperaturas, resultando em um possível desconforto térmico dentro das construções.
Palavras Chave: Telhados, Wood-frame, conforto térmico, duas estações.
THERMAL COMFORT BETWEEN A DAY IN SUMMER AND ONE DAY IN WINTER, LAGES, SC
ABSTRACT: With the increasing population of the planet, there is a need for new buildings, however, mostly cause water proofing in the soil, so we must seek new alternative technology to reconcile the urban, social development and improving quality of life. In this context, the objective is to assess whether there are significant differences between the temperature and the moisture content of the air, measured in prototypes built in full size (5,02m²), made of Wood-frame system prototype and each received different roofs, and green (grass Axonopus compressus), clay and cement, as well as the analysis of the performances of the prototypes in relation to temperature and relative humidity in the external environment. Air humidity and temperature variables were determined with hygrometer and black globe thermometer. Measurements were carried out in winter and summer, choosing randomly one day at a station. In the data analysis were employed statistical tests with 95% reliability. There was no significant difference between the variables studied in the summer because in winter the external environment was statistically different from the roofs taking place these increased humidity and reduced temperatures, resulting in a possible thermal discomfort within the buildings.
1. INTRODUÇÃO
Os telhados verdes surgiram na antiga Mesopotâmia (atual Iraque e arredores) por volta de 4 mil até 600 a.C, e eram utilizados para as coberturas dos “zigurates” (estilo de pirâmide construída em andares) e cobertura dos pátios em templos das grandes cidades (ALMUSAED, 2011).
Segundo Friedman (2012), telhados verdes são a integração de plantas a estrutura de telhados. O telhado verde pode “criar” um habitat para flora e fauna e ajuda a manejar a entrada de água e reduzir a demanda por aquecimento no inverno e a refrigeração no verão além de aumentar o valor estético e conforto de uma habitação.
Com a expansão das cidades, a impermeabilização da superfície do solo aumenta, por conta do uso de materiais pouco permeáveis. O telhado verde tem a função de aumentar a permeabilização, resgatar as paisagens verdes e melhorar a condição de vida das pessoas, além de propiciar benefícios térmicos e acústicos.
Nas cidades, as coberturas verdes funcionam como um filtro contra a poluição e auxiliam no equilíbrio da umidade relativa do ar, não tendo apenas caráter estético e ornamental (GOMES, 1998), também contribui para estabilizar o clima ao seu entorno e reduz a amplitude térmica no interior da construção, favorecendo a manutenção do ciclo oxigênio – gás carbônico, este sendo essencial para a renovação do ar atmosférico (DIMOUDI & NIKOLOPOULOU, 2003).
Rivero (1985) relata que a vegetação é um elemento rico em possibilidades, capaz de promover a harmonia dos recursos, além das características de serem elementos arquitetônicos fixos ou móveis, que tem como finalidade principal o controle da radiação solar, procurando minimizá-la no verão e otimizá-la no inverno. A vegetação contribui de forma significativa para o estabelecimento de microclimas.
A gramínea Axonopus compressus (Swartz) Beauv. é uma gramínea perene-verão, pertencente à família Graminae, que tem como exigência de precipitação pelo menos 775 mm anuais (FAO, 2013). É bastante difundida no Brasil, conhecida popularmente como sempre-verde, sendo de fácil aquisição para a composição dos telhados verdes.
Segundo Snell & Callahan (2009), a radiação UV, proveniente do sol, tem a capacidade de quebrar uma impressionante variedade de materiais, assim como as oscilações de temperatura podem fazer com que os telhados se expandam durante o dia e contraiam durante a noite, assim a aplicação de um telhado verde sobre um telhado convencional faz com que a vida útil da cobertura seja melhorada.
Além de poder ocasionar a quebra de materiais, a exposição direta à radiação solar pode influenciar consideravelmente no índice de conforto térmico, segundo Marta Filho (1993) os índices de conforto térmico são dependentes de vários parâmetros inter-relacionados, que são a temperatura, umidade relativa do ar, velocidade dos ventos e a radiação do ambiente, esta última que é caracterizada pela temperatura radiante média e as temperaturas superficiais dos elementos que circundam o ambiente. Assim, se um elemento circundante consegue diminuir os efeitos da radiação, como o telhado verde, consequentemente há uma redução da temperatura interna e melhoria no conforto térmico do ambiente interno.
Pesquisas com telhado verde são comuns nos países do Hemisfério Norte, contudo embora existam pesquisas no país avaliando a utilização de telhados verdes escoamento de águas pluviais (Oliveira, 2009; Santos et al, 2013), tem-se a necessidade de mais estudos sobre os telhados verdes para compreender as mudanças de temperatura e umidade relativa do ar durante longos períodos dentro das construções visando o melhor conforto térmico para seus usuários.
Os telhados verdes reduzem também os efeitos danosos dos raios ultravioletas, extremos de temperatura e o vento, uma vez que nesses telhados a temperatura não passa de 25°C contra 60°C dos telhados convencionais, e possuem um ciclo de vida 2 a 3 vezes mais longos que as telhas usadas nas construções convencionais.
Para evitar que as paredes da construção interfiram nas trocas de calor dos telhados é aconselhável recobri-las de algum modo que aumente a refletividade superficial, como concluíram Rodrigues e Nääs (1999) que ao intervir nos planos da envoltória da instalação
melhoram-se as condições internas de conforto térmico e tem-se um melhor desempenho térmico pelo simples fato de pintar as paredes de branco.
Para medir o conforto térmico de uma edificação para humanos são utilizados índices de temperatura e umidade, como o índice de temperatura de globo e umidade ITGU ou
wet-bulb globe temperature (WBGT) que foi desenvolvido originalmente por Thom (1958) e a National Weather Sevice adotou como índice em 1959.
Sendo assim, o objetivo desta pesquisa é avaliar se ocorrem diferenças significativas entre temperatura e umidade relativa do ar em protótipos com cobertura verde, com cobertura de argila expandida e protótipos com cobertura de fibrocimento durante um dia no verão e um no inverno.
2. MATERIAL E MÉTODOS
O experimento foi realizado na cidade de Lages, SC, localizada a uma latitude de 27º 49’ S e longitude 50º 19’ 35’’ W, altitude média de 930 m, precipitação média anual de 1270 mm, com clima predominante oceânico – Cfb segundo a classificação de Köppen.
O experimento foi composto por protótipos em escala natural, cada um com uma cobertura de telhado distinta: cobertura verde (telhado verde), cobertura com argila expandida e cobertura com fibrocimento. Esses protótipos foram instalados dentro do campus universitário do Centro de Ciências Agroveterinárias (CAV) da Universidade do Estado de Santa Catarina (UDESC), em uma área estabelecida para pesquisas do Laboratório de Ambiência do Núcleo de Engenharia de Biossistemas - NEBios.
Os protótipos e o sistema de retenção de água foram desenvolvidos previamente para facilitar a construção dos mesmos (Figura. 1).
Figura 1. Projeto dos protótipos: (a) estrutura de montantes sobre a plataforma no corte longitudinal; (b) vista superior da estrutura do telhado; (c) detalhe das paredes utilizadas e (d) modo de composição das coberturas de telhado verde e telhado com argila expandida
Na construção dos protótipos foram utilizadas paredes simples, assoalho e aberturas, utilizando-se as chapas de compensado de 15 mm de espessura e madeira serrada de 3 x 12 cm, posteriormente as chapas foram pintadas com tinta óleo branca, para aumentar a durabilidade do material, melhorar a emissividade térmica (є) das paredes e evitar a absorção de água. Para a fundação foi utilizado e espécie Eucalyptus sp, em forma roliça, tratada, com diâmetro de 25 cm, e altura de 73 cm. Essas madeiras foram fixadas no solo com concreto e para dar suporte a construção. Foram utilizadas 6 unidades de madeira roliça para formas as bases de sustentação e manter os protótipos a 30 cm elevados acima do nível do solo.
As dimensões finais da construção foram de 2,44m de largura, 2,44m de comprimento (totalizando 5,95m² de área de telhado exposto), e 2,34m de altura do pé-direito. Os protótipos foram construídos atendendo aos critérios do sistema Wood Frame, também chamado de sistema plataforma.
No telhado verde foi montado uma cobertura em camadas, sendo que para a primeira camada foi utilizada uma lona plástica preta de 15µ de espessura; a segunda camada foi empregada uma manta geotêxtil do tipo bidim, seguida do substrato (terra/húmus) e por último mudas da vegetação de gramínea que formariam a composição do telhado. Para escolher as mudas que seriam utilizadas na cobertura verde foram utilizados critérios básicos de: quais espécies apresentariam alta resistência ao estresse hídrico e a alta umidade relativa do ar; e qual apresentaria a menor manutenção e a facilidade da compra. Com esses critérios foi escolhido à gramínea Axonopus compressus, cujo nome popular é grama-sempre-verde ou grama-são-Carlos. No telhado de argila foi utilizado a lona plástica de 15µ na primeira camada seguida de argila expandida com granulometria variada e com 6 cm de camada média. E no último protótipo foram colocadas telhas de fibrocimento.
Com a finalização da construção dos protótipos foram iniciadas as coletas de informações. As informações mensuradas foram todas obtidas com um termômetro de bulbo negro da Instrutemp ® modelo ITWTG 2000, que fornece as seguintes informações: Temperatura Ambiente (TA em Cº), Temperatura do Globo (TG em Cº), WBGT (Cº) e Umidade do Ar (%).
Os dados mensurados foram todos obtidos com um termômetro de globo negro da Instrutemp ® modelo ITWTG 2000, que fornece as seguintes informações: Temperatura Ambiente (TA em Cº), Temperatura do Globo (TG em Cº), WBGT (Cº) e Umidade do Ar (%). A coleta de dados ocorreu em duas estações do ano, caracterizando a máxima pelo verão e a mínima pelo inverno. Para o dia 04 de março as leituras foram realizadas de hora em hora, iniciando as 8 h (8 a.m) até 17 h (5 p.m), caracterizando assim o dia do verão, já para o inverno as leituras ocorreram no dia 02 de julho, ambos os dias do ano de 2013. Também foi possível determinar as temperaturas e umidades máximas e mínimas encontradas em cada um dos tratamentos.
Os dados coletados foram analisados com a ANOVA (análise de variância) e pelos testes de Cochran (para obter a homogeneidade das variâncias); e Tukey (comparação das médias) com 95 % de confiabilidade, quando o teste F foi significativo.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
As temperaturas e umidade relativa do ar máxima e mínima para cada um dos tratamentos apresentam-se nas tabelas a seguir, sendo para as temperaturas estão na Tab. 1, com duas medidas observadas e com suas respectivas médias e coeficientes de variação (CV%). Nota-se que entre os tratamentos o telhado de argila mostrou valores maiores para as temperaturas tanto no inverno quanto no verão, sendo que no inverno devido ao clima da cidade agrega em conforto térmico dentro das edificações. Em relação à temperatura média registrada, todos os tratamentos apresentaram temperatura em torno dos 18ºC, juntamente com a testemunha. Os tratamentos do telhado apresentaram praticamente o mesmo coeficiente de variação (CV%) em torno de 38 %.
Tabela 1. Temperaturas nos telhados e ambiente externo no verão (máxima) e inverno (mínima).
Externo Verde Argila Fibrocimento T* (°C) Máxima 29,40 28,00 30,20 28,90 Mínima 9,10 9,60 10,10 9,80 Média 18,10 17,82 18,02 17,88 CV (%) 36,60 38,18 38,62 38,88
A umidade relativa do ar (UR%) está descrita na Tab. 2, o tratamento de fibrocimento registrou a menor umidade relativa do ar (63,80%), enquanto no ambiente externo a umidade relativa mínima é maior que os demais tratamentos. Dentre os telhados o coeficiente de variação (CV%) do tratamento verde de 6,80% foi o menor e o tratamento de fibrocimento apresentou o maior com 7,47%.
Tabela 2. Umidade relativa do ar nos telhados e ambiente externo no verão (máxima) e inverno (mínima).
Externo Verde Argila Fibrocimento UR** (%) Máxima 88,00 88,10 87,90 88,00 Mínima 66,90 65,90 64,80 63,80 Média 74,91 77,70 78,59 78,99 CV (%) 8,91 6,80 7,19 7,47 * Temperatura Ambiente; ** Umidade Relativa do Ar
Os dados passaram pelo teste de médias Tukey e estão apresentados na Tab. 3, que indicou que a temperatura ambiente (TA), temperatura do globo (TG) e o índice de stress térmico (WBGT) e Umidade relativa do ar (UR%) não apresentaram diferenças estatísticas para o dia de verão.
Tabela 3. Teste de médias com suas respectivas significâncias para o verão. TA (ºC) TG (ºC) WBGT (ºC) UR (%) Externo 24,92 a 26,70 a 23,28 a 77,41 a Verde 24,98 a 27,07 a 23,31 a 74,77 a Argila 25,17 a 27,11 a 23,43 a 74,88 a Fibrocimento 25,27 a 27,13 a 23,47 a 75,97 a
No dia estudado de inverno a Umidade relativa do ar (UR%) mostrou diferenças significativas entre o ambiente externo e os telhados, que por sua vez não se diferiram estatisticamente entre si. Para a temperatura ambiente (TA), temperatura do globo (TG) e o índice de stress térmico (WBGT) apresentaram dados semelhantes na Tab. 4.
Tabela 4. Teste das médias com suas respectivas significâncias para o inverno. TA (ºC) TG (ºC) WBGT (ºC) UR (%) Externo 12,50 a 13,82 a 11,05 a 72,85 a Verde 11,95 a 13,94 a 11,55 a 80,08 b Argila 12,09 a 13,75 a 11,65 a 81,61 b Fibrocimento 11,92 a 13,83 a 11,48 a 81,45 b
Todos os telhados mantem sua temperatura mais alta que o ambiente externo nos períodos mais amenos do dia. Nos períodos mais quentes a temperatura interna dos protótipos é menor que no ambiente externo. Observa-se na Fig. 2, que a temperatura externa a partir das 11 horas houve uma queda ao longo do dia, e nesse momento todos os protótipos passaram a conservar melhor a temperatura interna. Indicando que todos os telhados conseguem manter a temperatura interna por mais tempo enquanto a externa diminui. Ainda pode-se observar que as temperaturas dentro do protótipo de telhado com a cobertura verde são amenas frente aos dos outros telhados, os telhados verdes não sofrem oscilações abruptas, mantendo suas temperaturas mais equilibradas.
Figura 2. Temperaturas ambientes durante o período de 9h nos telhados e ambiente externo.
A Figura 3 ilustra que a umidade relativa do ar no ambiente externo é mais alta ao amanhecer e ao meio dia. Nesse horário quando a umidade interna dos protótipos está menor e associada às altas temperaturas, diminui-se o desconforto térmico. Já que esse se eleva ao ter altas umidades juntamente com altas temperaturas.
Figura 3. Umidade relativa do ar durante o período de 9h nos telhados e ambiente externo.
Quando analisado o índice de estresse térmico WBGT (Fig. 4), observa-se que o telhado de argila teve o maior valor seguido do protótipo de telhado de verde e fibrocimento, sabe-se que o índice de estresse térmico é o resultado da combinação da temperatura, movimento do ar e calor radiante dentro de um ambiente, esse fato resulta em um maior desconforto nas edificações no período do meio dia, a zona de conforto desse índice fica entre 25 e 30 ºC, apontando que durante o verão todos os telhados apresentam temperaturas que possibilitam condições térmicas mais amenas.
Figura 4. Índice de estresse térmico durante o período de 9h nos telhados e ambiente externo, linhas na horizontal delimitam a zona de conforto.
Já para o dia do inverno nota-se que as temperaturas do amanhecer e anoitecer dentro dos protótipos são inferiores que as registradas no ambiente externo (Fig. 5). Fato esse que pode ser ocasionado pelo fator climático da região e a ausência do sol nesse período. Contudo, a temperatura interna dentro dos protótipos com telhados de argila e vegetação manteve-se constante durante quase todo o período do dia. Ao final da tarde, inicio da noite, quando as temperaturas diminuem, o protótipo com telhado de fibrocimento apresenta uma queda brusca de sua temperatura interior. Esse fenômeno pode ser explicado pela facilidade do material manter suas temperaturas, perdendo muito rápido ao cair a temperatura e aquecendo na mesma velocidade que no inicio do dia, quando a temperatura externa começa a elevar-se. Deste modo, afirma-se que os protótipos com telhados de argila e vegetação têm suas trocas com de calor mais lentas.
Figura 5. Temperaturas ambientes durante o período de 10h nos telhados e ambiente externo.
Na Figura 6, a umidade relativa do ar para todos os telhados foram superiores que as do ambiente externo, sendo assim os telhados retêm umidade em suas estruturas durante o período mais frio do ano. Deste modo, se ganha por elevar a sensação térmica sentida por um indivíduo dentro dos protótipos, associando a umidade relativa do ar com as temperaturas amenas, ou seja, a sensação térmica de calor é maior do que a temperatura aferida em um termômetro.
Figura 6. Umidade relativa do ar durante o período de 10h nos telhados e ambiente externo.
Na região do estudo, onde ocorrem invernos rigorosos com possíveis temperaturas abaixo de zero, o índice de estresse térmico (WBGT) dentro dos protótipos quando comparado com o ambiente externo apresentou na maioria dos horários valores mais elevados (Fig. 7). Essa temperatura influenciada pela radiação aumenta a sensação de calor dentro das edificações.Ao longo do dia, entre as 9h e às 16h o telhado verde tem os índices de stress térmico mais estabilizados, propiciando temperaturas próximas e aumentando o conforto sentido.
Figura 7. Índice de estresse térmico durante o período de 9h nos telhados e ambiente externo.
Assim, pode-se dizer que todos os telhados conseguem manter um ambiente favorável ao uso humano. Ressaltando que ao avaliar todas as variáveis juntamente os telhados verdes e de argila apresentam uma melhor sensação térmica.
4. CONCLUSÃO
A utilização dos telhados com cobertura verde mostrou ser vantajosa em diversos
aspectos, reduzem os efeitos danosos da radiação ultravioleta, porque atuam como
uma proteção extra ao telhado, além de proporcionar um ótimo conforto térmico,
Os telhados de argila sofreram as maiores variações na temperatura, ocorrendo
as maiores temperaturas em relação aos horários das demais leituras, esse tipo de
cobertura demora mais para aquecer e esfria mais rapidamente. A argila absorve
mais calor, com isso, a sensação térmica sentida por um indivíduo dentro do
protótipo é maior que a do ambiente externo, isso no verão causa um estresse
térmico devido ao calor maior que no telhado verde, já que a zona de conforto fica
entre 20 e 25 ºC.
É importante ressaltar que seja ampliada a pesquisa com telhados verdes, para
aumentar a confiabilidade dos dados e servir com banco de dados, variando a
espécie e para incentivar novos projetos, com isso melhorar cada vez mais a
utilização desse recurso em construções.
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