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BRENDA RODRIGUES COUTINHO
AVALIAÇÂO DE CONFORTO TÉRMICO EM AMBIENTES
NATURALMENTE VENTILADOS: UM EXEMPLO EM RESTAURANTE
UNIVERSITÁRIO
Campinas/SP
2014
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E URBANISMO
Brenda Rodrigues Coutinho
AVALIAÇÂO DE CONFORTO TÉRMICO EM AMBIENTES
NATURALMENTE VENTILADOS: UM EXEMPLO EM RESTAURANTE
UNIVERSITÁRIO
Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Unicamp, para a obtenção do título de Mestra em Arquitetura, Tecnologia e Cidade, na área de Arquitetura, Tecnologia e Cidade.
Orientadora: Profa. Dra. Lucila Chebel Labaki.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA BRENDA
RODRIGUES COUTINHO, E ORIENTADA PELA PROFA. DRA. LUCILA CHEBEL LABAKI.
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Campinas/SP
2014
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RESUMO
No Brasil, a avaliação do conforto térmico é uma área que tem sido cada vez mais abordada pelos pesquisadores. As condições de conforto são regulamentadas por normas técnicas nacionais e internacionais, as quais indicam os parâmetros para que os usuários estejam em condição de conforto em função dos valores-limite de temperatura do ar, umidade do ar e velocidade do ar. Estes padrões também estão relacionados ao tipo de atividade exercida e à vestimenta utilizada. Os índices PMV – Predicted Mean Vote e PPD – Predicted Percentage of Dissatisfied adotados pela norma ISO 7730 (2005), são utilizados como meio de avaliação para o conforto térmico para ambientes termicamente moderados. A versão da ASHRAE 55 do ano de 2010 se baseia nas mesmas condições determinadas pela ISO 7730, mas incorporou pesquisas relevantes como a de DeDear, Brager e Cooper (1997), como o modelo adaptativo, o qual relaciona as temperaturas internas de conforto ao clima externo para ambientes naturalmente ventilados. Ambas as normas citadas não utilizaram dados provenientes de medições em restaurantes onde há uma carência literária sobre o assunto. Além disso, trabalhos como o de Humphreys (1976), Voltani (2009) e Maiti (2014) mostraram discrepâncias entre os votos de sensação térmica real e prevista, A proposta deste trabalho é a realização de um estudo do conforto térmico em dois restaurantes da Unicamp, Restaurante Universitário (RU) e Restaurante da Saturnino (RS), em Campinas – SP, fazendo uma comparação entre as sensações térmicas reais dos trabalhadores e usuários com o modelo PMV e o modelo adaptativo. Para a realização deste trabalho foi feita a escolha do lugar, contextualização do ambiente aonde se localizam os restaurantes, coletou-se as variáveis ambientais simultaneamente em todos os pontos em cada restaurante e estimou-se as variáveis pessoais no momento das medições de acordo com as normas ISO. Simultaneamente foram aplicados questionários sobre a sensação de conforto e preferências térmicas da população pesquisada. Após esta etapa, realizaram-se análises comparativas entre os resultados gerados pelo método PMV e adaptativo e os votos da sensação térmica real. Utilizou-se análise Probit para avaliar os dados obtidos estabelecendo uma correlação entre as normas e a sensação real. Neste trabalho foram coletadas mais de 1400 entrevistas e mais de 750 medições das variáveis ambientais. Foi feita uma comparação das porcentagens de satisfação e insatisfação dos entrevistados. Além disso, calcularam-se as temperaturas de neutralidade térmica. As conclusões mostraram que as faixas de conforto térmico e temperatura de neutralidade foram próximas as recomendadas pelas normas nos pontos dos usuários. Nos pontos dos funcionários houve divergência entre a temperatura de neutralidade da ISO 7730 (2005) obtida por questionário e a calculada por análise Probit, todavia a maior discrepância encontrada foi entre os resultados analisados segundo as normas ISO 7730 (2005) e ASHRAE 55 (2010). Outra conclusão foi que as temperaturas internas do RS foram superiores as do RU nos pontos dos usuários no verão e o modelo proposto pela ISO 7730 (2005) não foi adequado para avaliar os índices de conforto no RS, pois ultrapassava seu limite máximo de desconforto pelo calor.
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ABSTRACT
In Brazil, the evaluation of thermal comfort is a subject that has been increasingly addressed by researchers. Comfort conditions are regulated by national and international technical standards, which indicate the parameters for users are in a comfort condition in the limit values of air temperature, air humidity and air velocity. These standards are also related to the kind of activity and used clothing. The PMV rates (Predicted Mean Vote) and PPD rates (Predicted Percentage of Dissatisfied) adopted by ISO 7730 in 2005, are used as a way to evaluate the thermal comfort for moderate thermal environments. The version of ASHRAE 55, in 2010, is based on the same conditions determined by ISO 7730, but incorporated some relevant research as the De Dear, Brager and Cooper's (1997) as adaptive model, which relates comfort internal temperatures with external climate for naturally ventilated environments. Both standards cited did not use data from restaurants measurements which there is a literature shortage about the subject. Moreover, works such as Humphreys (1976), Voltani (2009) and Maiti (2014) showed discrepancies between actual and expected thermal sensation votes. The purpose of this research is to conduct a thermal comfort study in the two Unicamp’s restaurants, University Restaurant (RU) and the Saturnino Restaurant (RS), in Campinas - SP, making a comparison between the actual thermal sensations of workers and users with the PMV model and the adaptive model. In order to do this work, it was chosen the place, it was made the context analysis of the environment where restaurants are located, it was collected environmental variables simultaneously at all points in every restaurant and it was estimated personal variables at the time of the measurements according to the ISO standard. Simultaneously it was applied questionnaires about the comfort feeling and thermal preferences of the population surveyed. After this step, there were comparative analysis among the results generated by PMV and adaptive method and the actual thermal sensation votes. Probit analysis was used to evaluate the data obtained by establishing a correlation between the rules and the real feel. This research collected over 1400 questionnaires interviews and more than 750 measurements of environmental variables. A comparison of the percentages of satisfaction and dissatisfaction of respondents was made. Furthermore, were calculated the thermal neutrality temperatures. The findings showed that the ranges of thermal comfort and neutrality temperature were close to the recommended by the standards in user’s points. In the employees points there was disagreement between the obtained ISO 7730 (2005)’s neutrality temperature by questionnaire and the calculated by Probit analysis, nevertheless the biggest discrepancy was found between the results analyzed according to the ISO 7730 (2005) and ASHRAE 55 standards (2010). Another conclusion was that the internal temperatures of RS were higher than those in RU’s users points in the summer and the ISO 7730 (2005)'s model was not adequate to evaluate the comfort level in RS, because exceeded its maximum heat discomfort.
xi SUMÁRIO 1. Introdução ... 1 1.1. Justificativa ... 3 1.2. Objetivos ... 6 1.2.1.Objetivos específicos ... 6 2. Revisão de literatura ... 7 2.1. O município de Campinas ... 7
2.1.1. Dados climáticos - município de Campinas ... 7
2.2. Conforto térmico ... 9
2.2.1.Fatores que determinam as condições de conforto térmico ... 10
2.2.2.Variáveis do conforto térmico: conceitos e definições ... 11
2.3. A norma internacional ISO 7730 e suas modificações na última versão (2005) ... 20
2.3.1.Cálculo de conforto térmico ... 20
2.3.2. Modificações na última versão da ISO 7730 (2005) ... 28
2.3.3. Categorização e Desconforto térmico local ... 29
2.3.4. Ambiente térmico não estacionário ... 36
2.3.5. Isolamento térmico da vestimenta e cadeiras ... 37
2.3.6. Umidade ... 39
2.3.7. Velocidade do ar... 39
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2.3.9. Inclusão do conceito de adaptação na ISO 7730 (2005) ... 42
2.4. A norma ASHRAE 55 (2010) e o modelo adaptativo ... 44
2.4.1. ASHRAE 55 ... 45
2.4.2. Método de modelo computacional para aplicação do modelo adaptativo em ambientes internos gerais ... 48
2.4.3. Limites de Umidade e Velocidade do ar ... 49
2.4.4. Variações temporais de temperatura... 51
2.4.5.Método opcional de determinação de condições térmicas aceitáveis para espaços naturalmente ventilados ... 52
2.5. Modelo Fanger x modelo adaptativo ... 53
2.5.1. Estudo da aplicabilidade da norma ISO 7730 em Natal – RN ... 53
2.5.2. O modelo PMV é insuficiente para captar a resposta térmica subjetiva de indianos ... 55
2.5.3. O comportamento das pessoas em locais de trabalho cujo ambiente é naturalmente ventilado ... 58
3. Metodologia ... 63
3.1. Definição e descrição do objeto de estudo das zonas e períodos de medições .... 63
3.2. Medição das variáveis ambientais ... 74
3.2.1. Equipamentos para medição ... 74
3.2.2. Períodos de coleta... 79
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3.4. Cálculo do PMV e do PPD ... 82
3.5. Método de análise de dados ... 84
3.6. Cálculo da temperatura de neutralidade ... 90
3.7. Cálculo das faixas de conforto ... 92
4. Resultados e discussões ... 93
4.1. Temperatura de neutralidade e porcentagem de insatisfeitos ... 118
4.2. Análise comparativa entre modelos PMV, adaptativo e a sensação térmica real 122 4.3. Comparação das porcentagens de satisfação e insatisfação dos usuários entre os modelos ... 125
5. Conclusões ... 129
6. Referências ... 132
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AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus, acima de tudo, é a Ele que devo todos os meus sucessos.
À minha família, em especial meus pais que me deram o apoio necessário para me manter em Campinas até conseguir uma bolsa de pesquisa.
À professora Lucila Chebel Labaki que me ajudou desde o início e em todas as etapas desta caminhada.
Aos funcionários da Laboratório de Equipamentos do LACAF, Daniel Celente e Obadias Júnior que me ajudaram muito durante as medições.
À todos os funcionários do RU, em especial a Liliam e Antonieta.
À Elizabeti Barbosa, Fernando Durso e Harney Abrahim, pela ajuda e apoio durante a elaboração deste trabalho.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Zona Bioclimática3. ... 8
Figura 2: Carta Bioclimática de cidade localizada na zona 3. ... 9
Figura 3: Somatória dos isolamentos de cada peça de roupa. ... 25
Figura 4: Escala sétima. ... 26
Figura 5: PPD em função do PMV. ... 27
Figura 6: Velocidade do ar média permissível em função da temperatura do ar e da intensidade da turbulência. ... 31
Figura 7: Assimetria da temperatura radiante. ... 32
Figura 8: PPD devido a cada uma das assimetrias da temperatura radiante. ... 34
Figura 9: Velocidade do ar necessária para compensar o aumento de temperatura. ... 39
Figura 10: Os 3 componentes da adaptação ao clima interno. ... 46
Figura 11: Níveis aceitáveis de temperatura operativa para espaço naturalmente ventilado. ... 51
Figura 12: PPD em função do PMV dos dados experimentais levantados por Araújo em comparação dos dados definidos por Fanger. ... 55
Figura 13: Layout da sala A e da sala B. ... 57
Figura 14: Foto satélite da situação dos RU e RS da Unicamp. ... 63
Figura 15: Restaurante Universitário (RU). ... 64
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Figura 17: Funcionários servindo os usuários no RU. ... 65
Figura 18: Restaurante da Saturnino (RS). ... 65
Figura 19: Croqui pontos RU. ... 67
Figura 20: Ponto 1 - RU... 68
Figura 21: Ponto 2 - RU... 68
Figura 22: Ponto 3 - RU... 69
Figura 23: Ponto 4 - RU... 69
Figura 24: Fila externa para entrar no RU. ... 70
Figura 25: Ponto 5 - RU... 70
Figura 26: Ponto 6 - RU... 71
Figura 27: Croqui pontos RS. ... 72
Figura 28: Ponto 01 - RS. ... 73
Figura 29: Ponto 02 - RS. ... 73
Figura 30: Ponto 03 - RS. ... 74
Figura 31: Registrador de temperatura. ... 75
Figura 32: Sensor de temperatura inserido no globo. ... 76
Figura 33: Registrador de temperatura e umidade. ... 76
Figura 34: Registrador multi-funçãoe sensor de esfera quente. ... 77
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Figura 36: Caixa protetora com equipamentos. ... 79
Figura 37: Tripé protegido com equipamentos. ... 79
Figura 38: Estimativa das taxas de metabolismo. ... 81
Figura 39: Estimativa das taxas de isolamento térmico das vestimentas. ... 82
Figura 40: Cálculo do PMV e do PPD pela entrada dos dados coletados ... 83
Figura 41: Esquema das variáveis de entrada para os cálculos realizados no programa Conforto 2.03. ... 84
Figura 42: Tela do programa Matlab. ... 86
Figura 43: Modelagem Probit. ... 88
Figura 44: Frequência dos isolamentos térmicos das vestimentas - RU verão. ... 99
Figura 45: Frequência dos isolamentos térmicos das vestimentas - RU inverno. ... 101
Figura 46: Frequência dos isolamentos térmicos das vestimentas - RS verão. ... 104
Figura 47: PMV x PPD de cada ponto do RU – verão e inverno. ... 106
Figura 48: PMV x PPD de todos os pontos do RU – verão e inverno. ... 107
Figura 49: PMV x Sensação térmica dos funcionários no RU – verão e inverno. ... 108
Figura 50: Sensação térmica x Temperatura operativa nos pontos dos funcionários do RU – verão e inverno. ... 109
Figura 51: PMV x Temperatura operativa nos pontos dos funcionários do RU – verão e inverno... 110
Figura 52: Temperatura operativa x Temperatura média mensal externa nos pontos dos funcionários do RU – verão e inverno. ... 112
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Figura 53: PMV x Sensação térmica dos usuários no RU – verão e inverno. ... 113 Figura 54: Sensação térmica x Temperatura operativa nos pontos dos usuários do RU – verão e inverno. ... 114 Figura 55: PMV x Temperatura operativa nos pontos dos usuários do RU – verão e inverno... 115 Figura 56: Temperatura operativa x Temperatura média mensal externa nos pontos dos usuários do RU – verão e inverno. ... 116 Figura 57: Temperatura operativa x Temperatura média mensal externa nos pontos dos usuários do RS – verão. ... 117 Figura 58: Probabilidade de ocorrência por regressão Probit nos pontos dos funcionários do RU – verão e inverno. ... 120 Figura 59: Probabilidade de ocorrência por regressão Probit nos pontos dos usuários do RU – verão e inverno. ... 122
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Escala térmica de Fagner. ... 11
Tabela 2: Categorias de ambientes térmicos. ... 29
Tabela 3: Diferença vertical de temperatura do ar permissível entre a cabeça e os tornozelos. ... 32
Tabela 4: Intervalo de temperatura do piso permissível. ... 32
Tabela 5: Assimetria da temperatura radiante divido em categorias. ... 35
Tabela 6: Critérios de projeto para restaurantes. ... 36
Tabela 7: Isolamento térmico de alguns tipos de cadeira. ... 37
Tabela 8: Limites de temperatura para drifts e ramps. ... 52
Tabela 9: Variáveis da regressão linear simples. ... 87
Tabela 10: Exemplo de probabilidade de ocorrência por regressão Probit. ... 92
Tabela 11: Características pessoais RU - verão. ... 94
Tabela 12: Características pessoais RU - inverno. ... 95
Tabela 13: Características pessoais RS - verão. ... 96
Tabela 14: Variáveis pessoais e ambientais no RU - verão. ... 97
Tabela 15: Variáveis pessoais e ambientais no RU - inverno. ... 100
Tabela 16: Variáveis pessoais e ambientais no RS - verão. ... 103
Tabela 17: Análise da probabilidade de ocorrência por regressão Probit nos pontos dos funcionários do RU (pontos 1, 5 e 6). ... 119
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Tabela 18: Análise da probabilidade de ocorrência por regressão Probit nos pontos dos usuários do RU (pontos 2, 3 e 4). ... 121 Tabela 19: Diferenças para a temperatura de neutralidade nos pontos 1, 5 e 6 (funcionários). ... 124 Tabela 20: Diferença para a temperatura de neutralidade nos pontos 2, 3 e 4 (usuários). ... 125 Tabela 21: Faixas de conforto x faixas de aceitabilidade no verão e inverno nos pontos 1, 5 e 6 (funcionários). ... 126 Tabela 22: Faixas de conforto x faixas de aceitabilidade no verão e inverno nos pontos 2, 3 e 4 (usuários). ... 127
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LISTA DE SIGLAS/ abreviatura
ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers
CEPAGRI: Centro de Pesquisas Meteorológicas e Climáticas Aplicadas à Agricultura
Clo: Representada pelo seu isolamento térmico e medida em “clo”
DR: Draught
FEC: Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo IBGE: Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
ISO: International Organization of Standardization Met: Representada pelo metabolismo, medido em “met” NBR: Normas Brasileiras
PD: Porcentagem estimada de pessoas insatisfeitas por desconforto térmico local
PEI: Porcentagem Estimada de Insatisfeitos PMV: Predicted Mean Vote
PPD: Predicted Percentage of Dissatisfied RS: Restaurante da Saturnino
RU: Restaurante universitário
SET: Standard Effective Temperature (Temperatura efetiva padrão) TBS: Temperatura de Bulbo Seco
TBU: Temperatura de Bulbo Úmido Tc: Temperatura oral
Tsk: Temperatura superficial da pele Tsv: Sensação térmica medida no local VME: Voto Médio Estimado
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1. INTRODUÇÃO
De acordo com a norma ISO 7730 (2005) que possibilita avaliar o conforto térmico através dos índices Predict Mean Vote - PMV e Percentage of People Disatisfied - PPD, o conforto térmico pode ser definido como “o estado de espírito que exprime a satisfação do homem em relação ao ambiente térmico”.
Segundo Ruas (1999a), as variáveis que determinam as condições de conforto térmico podem ser divididas em dois grandes grupos, sendo o primeiro grupo as de natureza ambiental e do segundo grupo, as de natureza pessoal. As variáveis de natureza ambiental são a temperatura do ar, temperatura radiante média, velocidade relativa do ar e umidade relativa do ar ambiente (RUAS, 1999a). As variáveis de natureza pessoal são o tipo de vestimenta do indivíduo, representada pelo seu isolamento térmico e medida em “clo” e o tipo de atividade física desenvolvida, que é representada pelo metabolismo, medido em “met” (RUAS, 1999a).
O efeito combinado de todas essas variáveis é o que determina a sensação de conforto ou desconforto térmico para o indivíduo. No entanto, devido à impossibilidade de realizar combinações das variáveis ambientais que agradem todas as pessoas, foi necessário desvendar a porcentagem de pessoas termicamente insatisfeitas. A insatisfação pode ter sua causa na sensação de desconforto por calor ou frio para todo o corpo ou para uma parte definida dele.
A necessidade de se conhecer a sensação térmica experimentada pelas pessoas, quando expostas a determinadas combinações de variáveis ambientais, levou ao desenvolvimento de índices de conforto que possibilitam avaliar a situação de conforto térmico em um ambiente, bem como obter subsídios para melhor adequá-lo às necessidades humanas. Tais índices representam tentativas de indicar, através de um único parâmetro, o efeito conjugado das diversas variáveis sobre a sensação térmica.
O método mais conhecido e amplamente aceito para a avaliação do conforto térmico é o PMV, desenvolvido pelo professor dinamarquês Ole Fanger e publicado em
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1972. Na experiência, Fanger realizou uma pesquisa na qual entrevistou 1300 pessoas e tinha como objetivo apresentar um método para prever a sensação e o grau de desconforto térmico das pessoas expostas a condições moderadas e especificar as condições térmicas aceitáveis para o bem estar térmico do ser humano. Fanger relacionou o calor perdido pela pele em função da área superficial do corpo, calor interno produzido pelo metabolismo e temperatura média da pele.
O trabalho de Fanger foi adotado como base para o desenvolvimento de uma norma internacional que especificava as condições de conforto térmico para ambientes termicamente moderados, a ISO 7730 (1984) que teve sua última atualização realizada no ano de 2005. A norma, na sua última versão, passou a trabalhar com diferentes categorias de ambientes, são eles: A, B e C, com faixas limites de ±0,2, ±0,5 e ±0,7 PMV, respectivamente. Estes valores correspondem a um PPD de respectivamente, 6, 10 e 15%. Ainda na ISO 7730 (2005), é apresentada uma série de tabelas que nos ajudam a inferir os valores necessários para os cálculos do PMV e PPD, além de gráficos que relacionam temperatura operativa, que é a temperatura uniforme de um ambiente negro no qual uma pessoa trocaria a mesma quantidade de calor por radiação e por convecção que num ambiente real não uniforme, como função da atividade e vestimenta.
A última versão da ASHRAE 55, do ano de 2013, também utiliza as mesmas condições determinadas pela ISO 7730 (2005) em ambientes climatizados, mas adotou o modelo adaptativo de De Dear e Brager (1998), baseado em medições de campo com 21 mil dados em 160 edifícios de escritório localizados em 4 continentes. O modelo adaptativo é voltado para edificações não residenciais com janelas operáveis.
Vale ressaltar que tanto as pesquisas de Fanger (1972), quanto às de De Dear e Brager (1998), não tiveram pesquisas conduzidas no Brasil. Todavia, no Brasil, trabalhos também trataram do tema avaliação de conforto térmico. Apesar de alguns deles terem sido feitos em ambientes de trabalho, nenhum deles foi desenvolvido em
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áreas de restaurantes fazendo uma análise da aplicabilidade das normas ISO 7730 (2005) e ASHRAE 55 (2013) neste tipo de ambiente.
Este trabalho realizou medições internas das variáveis de natureza ambiental e pessoal no Restaurante Universitário (RU) e no Restaurante da Saturnino (RS) da Universidade Estadual de Campinas – Unicamp (Campus Campinas).
1.1. JUSTIFICATIVA
Embora os modelos adaptativo proposto pela ASHRAE 55 (2010) e da ISO 7730 (2005) que se baseia no modelo de balanço de calor sejam derivados de uma abordagem matemática e pareçam bastante precisos para prever a sensação térmica das pessoas, uma série de estudos de conforto demonstrou algumas discrepâncias dos votos de sensação térmica entre o real e o previsto.
Os estudos de De Dear e Brager (1998) demonstraram que ambas tem aplicabilidade diferenciada quanto ao tipo de ambiente, sendo a ISO 7730 melhor aplicada para ambientes climatizados e a ASHRAE 55 para ambientes naturalmente ventilados (DE DEAR e BRAGER, 2000). Além disso, ambas as normas utilizaram bases de dados restritas a laboratórios e pesquisas de campo em ambientes de escritório, respectivamente. Por isso, utilizar tais normas em uma região termicamente distinta das utilizadas nos bancos de dados das normas, especialmente em ambientes de restaurante, ao qual há uma carência literária sobre conforto térmico, viria ao interesse de testar a aplicabilidade destas normas nestes ambientes.
Araújo (1998) realizou um estudo sobre a aplicabilidade da norma ISO 7730 (1994) na avaliação das condições térmicas dos usuários das edificações em Natal – RN. Os resultados obtidos através das medições foram comparados com os da norma 7730 (1994). Pode-se perceber que os resultados do PPD e do PMV encontrados para Natal – RN foram significativamente diferentes dos estimados utilizando a norma ISO 7730 (1994), o que inviabiliza a utilização dos dados da mesma. A autora diz que apesar da experiência de Fanger ser bem consistente conceitualmente, os dados para a determinação do PMV e o PPD são baseados em resultados experimentais.
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Assim como demonstrado no trabalho de Araújo (1998), outras várias discrepâncias foram encontradas na aplicação do modelo Fanger ou da ISO 7730 nas suas várias versões, em ambientes condicionados naturalmente em diversas partes do mundo, o que culminou na proposição de entre outros, do modelo adaptativo.
Givoni (1998, apud ANDREASI, 2009) acredita ser praticamente impossível a utilização de apenas um índice ou norma universal padronizada de conforto térmico, pois para o autor, países ou regiões destes devem desenvolver índices e normas de conforto térmico que levem em consideração a aclimatação da população, padrões e experiências de vida.
Ruas (1999b), em sua dissertação, afirma que a utilização de valores tabelados para o estabelecimento da taxa de metabolismo e assim, do PMV, como os propostos pela ISO 7730 (1994), torna o processo suscetível a erros, pois a escolha desses valores dificulta a consideração de diferenças individuais, de equipamentos utilizados, de técnica e ritmo de trabalho.
O autor também reforça que a subjetividade inerente ao processo faz com que as diferenças entre o nível de treinamento dos observadores influenciem nas avaliações. Para Ruas (1999b), a imprecisão na estimativa do metabolismo através de tabelas poderia ser minimizada se as normas trouxessem mais informações ou referências sobre as condições em que os seus valores foram determinados.
O isolamento térmico da vestimenta que é calculado pelo somatório dos isolamentos de cada peça de roupa que a compõem, têm seus valores retirados, por exemplo, das tabelas da ISO 7730. Sendo, ainda segundo Ruas (1999b), outra fonte de erros a subjetividade que existe para o enquadramento das peças de uma vestimenta naquelas listadas nas tabelas da norma supracitada.
O autor ainda ressalta em seu trabalho que a norma ISO 7730 de 1994, através do PMV, usa o isolamento térmico básico para diferenciar as vestimentas e não leva em consideração a permeabilidade do tecido à umidade. Essa permeabilidade não tem
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grande influência para atividades sedentárias em ambientes com temperaturas próximas à de conforto, mas quando o nível de atividade e/ou a temperatura aumentam, passa a ser relevante devido à maior necessidade do corpo de perder calor por evaporação do suor, para que consiga manter o seu equilíbrio térmico.
Sabe-se que a interferência do vento depende da permeabilidade do tecido e das aberturas existentes. Entretanto, vale ressaltar que mesmo em sua última versão, a norma ISO 7730 (2005) não contempla um estudo sobre a permeabilidade do tecido à umidade. Apesar de em sua última versão (2005) a ISO 7730 passar a considerar pontos como o isolamento térmico da cadeira para atividades em que a pessoa desenvolva sentada, as normas existentes atualmente tratam apenas superficialmente esse tipo de interferências, o que dificulta a sua consideração nas aplicações práticas.
No Brasil, trabalhos como os de Ruas e Labaki (1998), Xavier e Lamberts (1997), Beyer e Salvadoretti (1998), Xavier (2000), Hackenberg (2000), Gouvêa (2004), Barbosa (2004), Andreasi, 2009, Andreasi et al, 2010, Cândido et al, 2010, também trataram do tema avaliação de conforto térmico.
Segundo Andreasi (2009, p.30), a realização de pesquisa que permitisse aplicar o modelo normalizado na ISO 7730 (2005) e do proposto pelo modelo adaptativo (ASHRAE 55, 2004) no Brasil, “...objetivando diminuir as discrepâncias encontradas em diversos experimentos viria ao encontro do desejo da formação de banco de dados nacional.” Vale ressaltar que a ASHRAE 55 (2010), utilizada como base para esta dissertação, adota uma abordagem de análise denominada modelo adaptativo, uma metodologia opcional, proposta para avaliação do desempenho térmico em edifícios ventilados naturalmente desde sua versão de 2004.
6 1.2. OBJETIVOS
O objetivo geral do projeto é avaliar o conforto térmico em restaurantes universitários do campus de Campinas da Unicamp, fazendo uma comparação entre os modelos PMV e o adaptativo e as sensações térmicas reais dos trabalhadores e usuários.
1.2.1. Objetivos específicos
Checar se a norma ISO 7730 (2005) e o modelo adaptativo sugerido pela ASHRAE 55 (2010) são adequados à obtenção de índices de conforto para os ambientes analisados nesta pesquisa, visto que os dados coletados para a elaboração de ambos não possuíram amostras coletadas no Brasil.
Verificar se a norma ISO 7730 (2005) prediz com precisão as preferências térmicas para ambientes naturalmente ventilados como o proposto na pesquisa.
Colaborar com a análise dos índices de conforto térmico e sua aplicação em restaurantes universitários e cozinhas industriais no município de Campinas-SP e servir de apoio, bem como impulsionar a realização de novas pesquisas na área.
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2. REVISÃO DE LITERATURA
Este capítulo apresenta uma revisão de literatura sobre assuntos pertinentes à pesquisa realizada. Dentre eles, algumas características do município de Campinas, o conforto térmico e suas principais normas.
2.1. O MUNICÍPIO DE CAMPINAS
Campinas é um município brasileiro que fica no interior do Estado de São Paulo e distante cerca de 100 km da capital, São Paulo-SP. Ocupa uma área de 795,7km² (Prefeitura, 2013). Possui população estimada de 1.144.862 habitantes - dados do ano de 2013. É considerada a terceira cidade mais populosa do estado de São Paulo e a décima quarta de todo o país (IBGE, 2013). O município é formado por quatro distritos além da cidade de Campinas, são eles: Joaquim Egídio, Sousas, Barão Geraldo e Nova Aparecida.
2.1.1. Dados climáticos - município de Campinas
Em Campinas o clima é tropical de altitude, com temperatura média anual de 22,4 °C. A média pluviométrica anual da cidade é de 1424,5 mm, com predominância de chuvas entre outubro a março e com o mês de maior estiagem em agosto. A umidade média em Campinas varia de 36% (trinta e seis por cento) em agosto a 57% (cinquenta e sete por cento) em janeiro (CEPAGRI, 2013).
Segundo Chvatal, Labaki e Kowaltowski (1999), o período de verão, se determinados pelos métodos expedito e estatístico, compreende os meses de novembro a março e o período de inverno, os meses de junho a agosto.
O fato do verão possuir uma duração maior que do inverno indica a predominância de calor no decorrer do ano em Campinas (Chvatal; Labaki; Kowaltowski, 1999). O mês mais quente é o de Fevereiro com a máxima média de 30°C
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e o mais frio é o de Julho com a temperatura mínima média de 12,3 °C. Temperatura máxima média anual em Campinas é de 28,0 °C e temperatura mínima média anual de 16,8 °C (CEPAGRI, 2013).
Com base na norma ABNT NBR 15220 (2005), podemos inferir que a cidade de Campinas está situada na posição geográfica compreendida na zona bioclimática 3, a mesma de cidades como Florianópolis (ver figura 01 e 02). Para Givoni (1998) as cartas bioclimáticas são gráficos sobre uma base de dados climáticos para que sejam analisadas as características do ambiente do ponto de vista térmico.
Figura 1: Zona Bioclimática3. Fonte: NBR 15220, 2003.
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Figura 2: Carta Bioclimática de cidade localizada na zona 3. Fonte: NBR 15220, 2003.
Com a carta bioclimática da região em que o projeto será desenvolvido é possível definir algumas diretrizes básicas para projetos de edificações na cidade. A NBR 15220 (2005) sugere que as edificações construídas na zona bioclimática 3 possuam aberturas de tamanho médio e que permitam o sol durante o inverno. Recomenda ainda que as vedações externas das paredes devem ser leves e refletoras, as coberturas leves e isoladas. No que diz respeito às estratégias de condicionamento térmico passivo, a Norma recomenda a utilização de ventilação cruzada no verão. Já no inverno, a recomendação é de aquecimento solar da edificação e a utilização de vedações internas pesadas.
2.2. CONFORTO TÉRMICO
Como já citado no Capítulo 1, as condições de conforto térmico dependem do efeito combinado das variáveis de natureza ambiental e das variáveis de natureza pessoal. A seguir são descritos os fatores que determinam tais condições e suas variáveis.
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2.2.1. Fatores que determinam as condições de conforto térmico
A primeira condição para ser alcançado o estado de conforto térmico é que o corpo do indivíduo esteja em equilíbrio térmico com o ambiente. Sendo assim, a quantidade de calor ganho (metabolismo + calor recebido do ambiente) deve ser igual à quantidade de calor transmitido para o ambiente. Esta é a condição fundamental, mas não suficiente para a obtenção total do conforto térmico (RUAS,1999a).
Para Ruas (1999a), as variáveis fisiológicas, temperatura média da pele e calor eliminado por evaporação do suor estão diretamente ligadas com a sensação de conforto térmico.
Para avaliar as variáveis de conforto térmico são analisados o tipo de atividade e a vestimenta do individuo e a partir de então, é feita uma relação com as variáveis ambientais. O método desenvolvido por Fanger (1972) para avaliar os índices de conforto térmico, por muito tempo foi considerado o mais completo. Este método é também usado pela ISO 7730 desde sua primeira versão em 1984. O método PMV faz a análise da sensação de conforto em função de sete variáveis (LAMBERTS et al, 2005) mostradas na tabela 01 (escala sétima ou escala térmica) utilizada por Fanger.
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Tabela 1: Escala térmica de Fagner. Fonte: Lamberts et al, 2005.
Escala Sensação +3 Muito quente +2 Quente +1 Levemente quente 0 Neutro -1 Levemente frio -2 Frio -3 Muito frio
2.2.2. Variáveis do conforto térmico: conceitos e definições
De acordo com Ruas (1999a, p.11), o conforto térmico em um dado ambiente pode ser definido como “a sensação de bem estar experimentada por uma pessoa, como resultado satisfatório, neste ambiente, da temperatura radiante media, umidade relativa do ar, temperatura do ambiente e velocidade relativa do ar, com a atividade lá desenvolvida e com a vestimenta usada pelas pessoas”.
No entanto, sabe-se que as sensações térmicas são subjetivas, ou seja, cada indivíduo a percebe de seu próprio modo, sendo assim, um ambiente pode ser confortável para uma pessoa e para outra não, uma pessoa pode alegar sentir-se com frio enquanto a outra com calor, no mesmo ambiente. Deste modo, têm-se como as condições ambientais de conforto térmico, as que proporcionam o bem-estar ao maior número de pessoas (RUAS, 1999a).
12 2.2.2.1. Temperatura do ar
A temperatura do ar é a principal variável do conforto térmico. Ela é uma das determinantes da sensação de conforto em um indivíduo, pois esta sensação baseia-se na perda de calor do corpo pela diferença de temperatura entre o ar e a pele. Quando a temperatura do ar está alta, menores são as perdas de temperatura do indivíduo. Logo, quando a temperatura está mais baixa, essas perdas são maiores (LAMBERTS et al, 2005).
A temperatura do ar também é chamada de temperatura de bulbo seco - TBS e normalmente é medida junto com a temperatura de bulbo úmido em um aparelho chamado psicrômetro. Com a medição do bulbo úmido que é feita através de um termômetro semelhante ao de bulbo seco, porém com um tecido umidificado por água destilada, é possível determinar a umidade relativa do ar (LAMBERTS et al, 2005).
O psicrômetro pode ser de giro manual ou possuir um pequeno ventilador que visa retirar o excesso de umidade do tecido que envolve o bulbo úmido - TBU, desta forma pode ser medida a variável sob os efeitos naturais da perda de calor pela evaporação da água do tecido. Desta maneira, o termômetro de bulbo úmido sempre apresenta temperaturas um pouco mais baixas do que o termômetro de bulbo seco (LAMBERTS et al, 2005).
2.2.2.2. Umidade do ar
O que caracteriza a umidade do ar é a quantidade de vapor d’água contido no ar. Esse vapor é formado pela evaporação da água, sem que esta altere sua temperatura. Deste modo, a umidade relativa do ar é responsável pela identificação da quantidade de vapor d‘água presente na atmosfera (LAMBERTS et al, 2005).
O ar, a uma dada temperatura, só pode conter uma determinada quantidade de vapor d’água e ao atingir esse valor máximo, o ar se encontra saturado (LAMBERTS et
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al, 2005). Segundo Ruas (1999a), esta variável é determinada através da razão entre o número de gramas de vapor d’água em 1m³ de ar e a quantidade máxima de gramas de vapor d’água que 1m³ pode suportar.
A umidade relativa do ar varia com a temperatura do ambiente, ou seja, quanto maior for esta, maior será a quantidade de vapor d’água que 1m³ pode conter (MACIEL, 2006). A umidade do ar também interfere na sensação térmica das pessoas. A sensação de calor é maior quando a umidade relativa for mais alta. Além disso, a alta umidade dificulta a evaporação no corpo (CHVATAL; LABAKI; KOWALTOWSKI, 1999). Em temperaturas mais baixas o ar é mais seco e permite a rápida absorção da umidade da pele (MACIEL, 2006). Por isto, quanto maior for a umidade relativa, menor é a eficiência da evaporação na remoção de calor, o que nos mostra a importância de se ter uma boa ventilação (LAMBERTS et al, 2005).
2.2.2.3. Temperatura radiante média
A temperatura média radiante é definida como a temperatura uniforme de um ambiente imaginário em que o calor trocado por radiação com o corpo humano é numericamente igual ao calor trocado por radiação no ambiente não uniforme em estudo. Desta maneira, a temperatura média radiante, leva em consideração, além da temperatura ambiente, a influência do fluxo de radiação de ondas longas e ondas curtas a que está exposto o corpo humano, seja esta direta ou refletida, considerando ainda perdas de calor por convecção - influência da ventilação (ASHRAE, 2001).
A temperatura radiante média de um local é aferida através dos valores da temperatura de globo, velocidade do ar na altura do globo e a temperatura do ar. A temperatura de globo é a temperatura de equilíbrio na área central interior da esfera que é parte integrante do termômetro de globo (RUAS, 1999a).
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O cálculo da temperatura radiante média é baseado no ponto de equilíbrio térmico entre o globo e o ambiente, no qual a troca de calor por convecção entre o globo e o ar é igual à troca de calor por radiação com as superfícies circundantes. Esta troca de calor por convecção depende da velocidade do ar que incide sobre o globo e é contabilizada pelo coeficiente de troca de calor por convecção (hc) (RUAS, 1999a).
Vale ressaltar que a convecção é um processo de transporte de energia devido à ação combinada da condução de calor, armazenamento de energia e movimento de mistura. A convecção pode ser de dois tipos: natural ou forçada (OLIVEIRA et al, 2006).
Neste trabalho a convecção que incide sobre o termômetro de globo é do tipo natural, visto que o movimento do ar ao redor do globo não foi causado por agente externo como, por exemplo, um ventilador.
Lamberts et al (2005) apresenta a seguinte equação para o cálculo da convecção natural: ℎ𝑐 = 1,4 . ([𝑡𝑔−𝑡𝑎] 𝑑 ) 0,25 (eq. 01) Sendo:
ℎ𝑐 - coeficiente de troca de calor por convecção (W / m² . °C) 𝑡𝑔 - temperatura do globo (°C)
𝑡𝑎 - temperatura do ar (°C) 𝑑 - diâmetro do globo (m)
A temperatura de globo quando em equilíbrio é o resultado do balanço térmico entre ganhos e perdas por radiação e convecção ocorrida no globo (ASHRAE, 2001). Dessa forma, a temperatura de globo representa a ponderação da incidência de radiação e da temperatura ambiente. Conhecendo-se a temperatura ambiente, a
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temperatura de globo e a velocidade do ar para um determinado ponto, torna-se possível calcular a temperatura média radiante com convecção natural através da equação: 𝑡𝑟𝑚 = [( 𝑡𝑔+ 273)4 + 0,25 .10 8 𝜀 . ( |𝑡𝑔−𝑡𝑎| 𝑑 ) 0,25 . (𝑡𝑔− 𝑡𝑎)] 0,25 − 273 (eq.02) Sendo:
𝑡𝑟𝑚 - temperatura radiante média (°C) 𝑡𝑔 - temperatura do termômetro de globo
𝑡𝑎 - temperatura de bulbo seco do ambiente (°C)
𝜀 - emissividade do globo 𝑑 - diâmetro do globo (m)
2.2.2.4. Velocidade relativa do ar
A velocidade relativa do ar em ambientes internos costuma ser menor do que 1m/s, sem que seja necessária a ação direta do vento, pois se desloca pela diferença de temperatura do ambiente, na qual o ar quente sobe e o frio desce. Este deslocamento é chamado de convecção natural e este processo aumenta a sensação de conforto de um indivíduo (LAMBERTS et al, 2005).
Ainda segundo Lamberts et al (2005, p.11), “O deslocamento do ar também aumenta os efeitos da evaporação do corpo humano, retirando a água em contato com a pele com mais eficiência e assim, reduzindo a sensação de calor”.
16 2.2.2.5. Atividade física desenvolvida
A atividade desenvolvida pelo individuo é diretamente ligada à taxa de metabolismo gasto para a execução da mesma. No processo metabólico o homem transforma alimentos em energia, na qual parte será consumida pelo organismo e a parte restante será dissipada em forma de calor, pois o homem é um ser homeotérmico e para que seja possível se manter dentro de certos limites de temperatura corporal interna, independente da temperatura do meio externo, ele troca esse calor com o ambiente (RUAS, 1999a).
Segundo Ruas (1999a), a produção de calor é contínua e aumenta de acordo com o grau de esforço executado para a realização de uma atividade física. Os valores do metabolismo são dados em met, de maneira que, 1 met é igual a 58,2W/m², ou 50 Kcal/m².h. Ou seja, o met representa a energia gerada no tempo por unidade de área superficial do corpo, desta forma ela varia em função das características físicas das pessoas.
Através da equação de DuBois e DuBois EF. (1916 apud Ruas 1999a) pode ser estimada a área superficial do corpo.
As = 0,202. 𝑚𝑐0,425. 𝑎𝑐0,725 (eq.03)
Onde:
As - área superficial do corpo. mc - Massa do corpo em Kg. ac - Altura da pessoa em metros.
A ISO 8996 (2004) determina as características do homem e da mulher padrão, os quais possuem as seguintes áreas superficiais do corpo:
17 Homem Padrão: altura = 1,70 m massa = 70 kg As = 0,202. 700,425. 1,70,725 (eq.04) As = 1,8m² Onde:
As: área superficial do corpo.
Mulher Padrão: altura = 1,60 m
massa = 60 kg
As = 0,202. 600,425. 1,60,725 (eq.05)
As = 1,6 m²
Onde: As: área superficial do corpo. Deste modo, 1 met valerá para:
Homem padrão:
1met = 58,2.As (eq.06) 1 met = 58,2.1,8 ≅105 W
Mulher padrão: 1 met = 58,2.As
18 1 met =58,2.1,6 ≅ 93 W
A eliminação do excesso de calor deve ser permanente e imediata para que a temperatura interna do indivíduo permaneça constante. O sistema termorregulador atua sobre as glândulas sudoríparas produzindo o que chamamos de suor para a perda de calor do corpo por evaporação. O conforto e o balanço térmico do corpo, promovido pelo sistema termorregulador estão relacionados entre si, desta forma, quanto maior for o trabalho deste sistema para estabilizar a temperatura interna do corpo, maior será a sensação de desconforto do indivíduo (RUAS, 1999a).
Ruas (1999a) afirma que é possível representar as trocas de calor realizadas pelo corpo humano e o ambiente pela equação:
Cmet+Cconv+Crad-Cev=±Q. (eq.07) Onde:
Cmet - Parcela da energia metabólica transformada em calor (W/m²) Cconv - Calor trocado por convecção (W/m²)
Crad - Calor trocado por radiação (W/m²)
Cev - Calor trocado por evaporação do suor (W/m²) Q - Calor total trocado pelo corpo (W/m²)
Percebe-se que os três mecanismos da troca de calor entre o homem e o ambiente são a convecção, a radiação e a evaporação. A primeira condição para que o corpo esteja em equilíbrio térmico é que o Q da equação seja igual a zero, no entanto, isto não é o suficiente para atingir-se o estado de conforto pois o desconforto ocorre mesmo quando o equilíbrio térmico do organismo é mantido pelo sistema termorregulador (RUAS, 1999a).
19 2.2.2.6. Vestimenta do indivíduo
A vestimenta é um elemento que promove o aumento do isolamento térmico por dificultar a remoção de calor do corpo, ou seja, aumenta a resistência à transferência de calor entre o corpo e o ambiente. Além de diminuir a troca térmica por convenção, a vestimenta também reduz o processo de evaporação do suor de maneira que varia de acordo com o grau de permeabilidade da roupa ao vapor d’água, ou seja, quanto menor a permeabilidade da roupa menor será a perda de calor por evaporação e a troca térmica por radiação (RUAS, 1999a).
No entanto, para Ruas (1999a), locais em que predominam as ondas longas, a roupa tem pouca influência na troca térmica pela radiação, mas o inverso ocorre em locais onde predominem as ondas curtas. Na radiação de ondas longas, a absortância independe da cor, já nas de ondas curtas depende da pigmentação da pele e da cor da roupa, sendo maior para as de tons escuros. Outros fatores que geram maior ou menor resistência à troca de calor são o modelo da roupa e o tecido no qual este é confeccionado.
O isolamento térmico da vestimenta é medido em “clo”, onde 1clo é igual a 0,155m².°C/W. Cada tipo de vestimenta possui uma determinada quantidade em “clo” de isolamento (RUAS, 1999). A equação que permite calcular o isolamento térmico básico da roupa é:
Icl = ∑Iclu (eq.08) Onde:
Icl – Isolamento térmico básico da vestimenta, clo.
20 2.3. A NORMA INTERNACIONAL ISO 7730 (2005)
A norma ISO 7730 normalmente é atualizada a cada 10 (dez) anos. Nas suas atualizações são incorporados os avanços nas pesquisas, técnicas e entendimentos sobre conforto térmico.
Como já citado na introdução, a ISO 7730 de 1984 foi baseada na experiência desenvolvida pelo dinamarquês Ole Fanger. O método de Fanger (1972), que relacionou o calor perdido pela pele em função da área superficial do corpo, calor interno produzido pelo metabolismo e temperatura média da pele, serviu de base para a sua elaboração. O principal objetivo da experiência era apresentar um método para prever a sensação e o grau de desconforto térmico das pessoas, expostas a condições moderadas e especificar as condições térmicas aceitáveis para o bem estar térmico do ser humano.
2.3.1. Cálculo de conforto térmico
Os índices PMV e PPD são utilizados pela ISO 7730, desde sua primeira versão, como meio de avaliação de conforto térmico para ambientes termicamente moderados.
Para o cálculo do PMV e do PPD é necessário seguir alguns passos. O primeiro passo é a quantificação dos parâmetros individuais e ambientais das pessoas e do ambiente que podem ser obtidos através de equipamentos específicos para cada variável/parâmetro e através de questionários.
Em seguida determina-se o termo associado à acumulação energética no corpo – S, substituindo-se os valores adquiridos anteriormente na equação de conforto térmico descrita na eq.09 e detalhada na eq.10.
O próximo passo é a determinação do PMV. Para isso, faz-se uma correlação entre o PMV, o valor da acumulação energética no corpo – S, já calculado, e o valor medido
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do metabolismo, como descrito na eq. 11 e de forma simplificada na eq. 12. Esse valor representa uma escala quantitativa da sensação de calor e de frio.
Finalizando, calcula-se a porcentagem de pessoas insatisfeitas termicamente, o PPD. Uma correlação com o PMV é utilizada para isso, descrita na eq.17.
A equação de conforto, embasada na condição de equilíbrio térmico (balanço de energia do corpo humano) é a seguinte:
H − Ed− Esw− Ere− L = K = R + C (eq.09)
Onde:
H: calor produzido internamente no corpo humano;
Ed: calor perdido por difusão do vapor d'água através da pele; Esw: calor perdido por evaporação do suor;
Ere: calor latente perdido na respiração;
L: calor sensível perdido na respiração;
K: calor transferido da pele para a superfície externa da vestimenta (condução através da vestimenta);
R: calor perdido por radiação; C: calor perdido por convecção;
A partir do detalhamento cada termo da equação do equilíbrio térmico e inclusão de outras expressões que relacionassem os princípios por ele considerados foram-se gerando outras equações. São elas:
22 𝑀 𝐴𝐷𝑢(1 − 𝜂) − 0,35 [43 − 0,061 𝑀 𝐴𝐷𝑢(1 − 𝜂) − 𝜌𝑎] − 0,42 [ 𝑀 𝐴𝐷𝑢(1 − 𝜂) − 50] − 0,0023 𝐴𝑀 𝐷𝑢(44 − 𝜌𝑎) − 0,0014 𝑀 𝐴𝐷𝑢(34 − 𝑡𝑎) = 35,7−0,032 𝑀 𝐴𝐷𝑢 ((1− 𝜂)− 𝑡𝑐𝑙 0,18 𝐼𝑐𝑙 = 3,4 × 10−8𝑓 𝑐𝑙[(𝑡𝑐𝑙+ 273)4− (𝑡𝑟𝑚+ 273)4] + 𝑓𝑐𝑙 × ℎ𝑐 × (𝑡𝑐𝑙− 𝑡𝑎) (eq.10) Onde:
M: energia do metabolismo, (Kcal/h); 𝐴𝐷𝑢: área superficial do corpo, (m²);
𝜂: rendimento do trabalho mecânico externo; 𝜌𝑎: pressão de vapor d'água no ar, (mmHg);
𝑡𝑐𝑙: temperatura média da superfície da vestimenta (°C); 𝑓𝑐𝑙: fator de área da vestimenta;
𝐼𝑐𝑙: resistência térmica da vestimenta, (clo);
ℎ𝑐: coeficiente de transferência de calor por convecção, (Kcal/h.m².°C); 𝑡𝑟𝑚: temperatura radiante média, (°C);
𝑡𝑎: temperatura do ambiente,(°C).
Para a determinação do PMV é necessário identificar os valores da taxa metabólica e do isolamento térmico da roupa. A equação final do PMV é:
𝑃𝑀𝑉 = [0,303 . exp(−0,036 . 𝑀) + 0,028] . {(𝑀 − 𝑊) − 3,05 . 10−3. [5733 −
6,99 . (𝑀 − 𝑊) − 𝑝𝑎] − 0,42. [(𝑀 − 𝑊) − 58,15] − 1,7. 10−5. 𝑀. (5867 − 𝑝𝑎) −
0,0014 . 𝑀 . (34 − 𝑡𝑎) − 3,96 . 10−8. 𝑓
𝑑 . [(𝑡𝑐𝑙+ 273)4− (𝑡̅𝑟+ 273)4] − 𝑓𝑑 . ℎ𝑐 . (𝑡𝑐𝑙− 𝑡𝑎)}
23 Ou de forma simplificada por:
𝑃𝑀𝑉 = [0,303 . exp(−0,036 . 𝑀) + 0,028] . 𝑆 (eq.12) e, 𝑡𝑐𝑙=35,7 - 0,028 . (M - W) - 𝐼𝑑. {3,96 . 10−8 . 𝑓𝑐𝑙 . [(𝑡𝑐𝑙+ 273)4− (𝑡̅𝑟+ 273)4] + 𝑓𝑑 . ℎ𝑐 . (𝑡𝑐𝑙− 𝑡𝑎)} (eq.13) ℎ𝑐 =2,38.(𝑡𝑐𝑙− 𝑡𝑎)0,25𝑝𝑎𝑟𝑎 2,38 . (𝑡𝑐𝑙− 𝑡𝑎)0,25 > 12,1 . √ѵ𝑎𝑟 (convecção natural) (eq.14) ℎ𝑐 = 12,1 . √ѵ𝑎𝑟𝑝𝑎𝑟𝑎 2,38 . (𝑡𝑐𝑙− 𝑡𝑎)0,25< 12,1 . √ѵ𝑎𝑟 (convecção forçada) (eq.15) 𝑓𝑑= 1,00 + 1,290 𝐼𝑑 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝐼𝑑≤ 0,078 𝑚2 .𝐾 𝑊 (eq.16) 𝑓𝑑 1,05 + 0,645 𝐼𝑑 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝐼𝑑> 0,078 𝑚2 .𝑊𝐾 Onde: M: taxa de metabolismo, (W/𝑚2);
W: energia mecânica efetiva, (W/𝑚2);
𝑓𝑑: resistência térmica da vestimenta, (𝑚2. 𝐾/𝑊); 𝑓𝑐𝑙: fator de superfície de área de roupa;
𝑡𝑎: temperatura do ar, (°C);
24 ѵ𝑎𝑟: velocidade relativa do ar, (m/s);
𝑝𝑎: pressão de vapor d'água no ar, (Pa);
ℎ𝑐: coeficiente de transferência de calor por convecção, [W/(m².K)]; 𝑡𝑐𝑙: temperatura média da superfície da vestimenta (°C).
Deve-se considerar o S presente na eq.12 (já incluso na equação do PMV na eq.11) como: Metabolismo e Trabalho: M-W Difusão de Vapor: −3,05 . 10−3. [5733 − 6,99 . (𝑀 − 𝑊) − 𝑝 𝑎] Transpiração: −0,42. [(𝑀 − 𝑊) − 58,15] Respiração latente: −1,7. 10−5. 𝑀. (5867 − 𝑝 𝑎) Respiração Sensível: −0,0014 . 𝑀 . (34 − 𝑡𝑎) Radiação: −3,96 . 10−8. 𝑓 𝑑 . [(𝑡𝑐𝑙+ 273)4− (𝑡̅𝑟+ 273)4] Convecção: −𝑓𝑑 . ℎ𝑐 . (𝑡𝑐𝑙− 𝑡𝑎)
A determinação do PMV pode ser realizada através de outros métodos além do cálculo direto descrito anteriormente através das eq.11 ou eq.12. Um deles é diretamente do anexo E da norma ISO 7730 (2005), onde as tabelas de valores de PMV são dados para diferentes combinações de atividades, vestuário, temperatura operativa e velocidade relativa do ar. A precisão deste anexo é melhor que 0,1 PMV, desde que a diferença entre a temperatura do ar e a temperatura média radiante seja inferior a 5 °C. As tabelas são aplicadas para uma umidade relativa do ar de 50%. Outra forma é por medida direta, utilizando um sensor de integração (temperaturas equivalentes e operativas).
Na norma ISO 7730 (2005) existem tabelas com valores de taxa metabólica para algumas atividades e de isolamento térmico para diversas peças de roupa. Para
25
variadas taxas metabólicas, deve-se tirar uma média ponderada do período de 1 hora. Para obtenção da quantidade de isolamento total da roupa, deve-se somar o isolamento de cada uma de suas peças, por exemplo (isolamentos da cueca + calça + blusa + casaco + meia + sapatos = isolamento térmico total da roupa) (ver figura 03).
Além disso, a ISO 7730 (2005) também recomenda a utilização de normas auxiliares como a ISO 8996, última versão em 2004 sobre a determinação da taxa de metabolismo e a ISO 9920, que teve sua última versão atualizada em 2007, sobre o isolamento térmico e resistência a evaporação das vestimentas, para se estimar estes valores.
Figura 3: Somatória dos isolamentos de cada peça de roupa. Fonte: Grossmann; Silva; Toledo, 2011.
Segundo a ISO 7730 (2005), a temperatura operativa, utilizada em um dos métodos para a determinação do PMV, é a temperatura uniforme de um ambiente negro no qual uma pessoa trocaria a mesma quantidade de calor por radiação e por convecção que num ambiente real não uniforme. Para o cálculo da temperatura operativa (tₒ) deve-se utilizar a operação:
26 Onde: A: 0,5 para Var< 0,2m/s; A: 0,6 para Var de 0,2 a 0,6 m/s; A: 0,7 para Var 0,6 a 1,0 m/s; ta: temperatura do ambiente, (°C);
t̅r: temperatura radiante média, (°C).
O PMV relaciona as variáveis que influenciam no conforto térmico com uma escala de sensação térmica em níveis. Esta escala é conhecida como escala sétima (ver figura 04).
Figura 4: Escala sétima. Fonte: Araújo, 1998.
Devido à impossibilidade de realizar combinações das variáveis ambientais que agradem todas as pessoas, foi necessário descobrir a porcentagem de pessoas termicamente insatisfeitas. Fanger adotou o critério de que seriam definidas como pessoas insatisfeitas as que votaram em -3 (muito frio), -2 (frio), +2 (quente) +3 (muito quente).
A equação para prever a quantidade de pessoas termicamente insatisfeitas (PPD), em função do PMV:
PPD = 100 - 95 × 𝑒−(0,03353 ×𝑃𝑀𝑉4+0,2179 ×𝑃𝑀𝑉2)
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A equação 17 é representada na figura 05 que relaciona o PMV e o PPD.
Figura 5: PPD em função do PMV. Fonte: ISO 7730 de 2005.
No gráfico podemos perceber que sua curva é simétrica e possui um mínimo de 5% de insatisfeitos com relação ao PMV estimado igual a 0.
Recomenda-se que a utilização dos índices seja para valores entre ± 2 PMV, quando os parâmetros estiverem:
1. Dentro dos limites de taxa de metabolismo entre 0,8 a 4 met; 2. Isolamento térmico da vestimenta entre 0 a 2 clo;
3. Temperatura do ambiente de 10 a 30 °C (ambientes moderados); 4. Temperatura radiante média entre 10 a 40 °C;
5. Velocidade relativa do ar entre 0 a 1 m/s.
Na ISO 7730 (2005) são apresentadas uma série de tabelas que nos ajudam a inferir os valores necessários para os cálculos do PMV e PPD, além de gráficos que relacionam temperatura operativa (ou PMV = 0), como função da atividade e vestimenta.
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2.3.2. Modificações na última versão da ISO 7730 (2005)
Embora o modelo de Fanger seja derivado de uma abordagem matemática e pareça bastante preciso para prever a sensação térmica das pessoas, estudos como o de Humphreys (1976), e Oseland (1994) demonstraram algumas discrepâncias dos votos de sensação térmica entre o real e o previsto (KARYONO, 1997).
Trabalhos ainda como o de Araújo (1999), Voltani (2009) e Maiti (2014) também mostraram divergências entre o modelo PMV e a sensação térmica real, sendo os dois primeiros realizados no Brasil e último na Índia.
Devido a pesquisas como estas, foram feitas algumas modificações da norma ISO 7730 de 1994 para a sua nova versão de 2005, além de adicionados vários itens. O seu título foi alterado de "Moderate thermal environments: Determination of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort", para "Ergonomics of the thermal environment: Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria".
Além do título, também foram adicionados novos métodos e informações sobre o comportamento da sensação térmica e sua avaliação a longo prazo, desconforto térmico local, condições não-estacionárias, drifts, ramps, ciclos de temperatura,
draught, radiação assimétrica, aceitabilidade térmica, isolamento térmico da vestimenta,
adaptação, umidade, velocidade do ar e um anexo informando como exigências de conforto térmico podem ser expressas em diferentes categorias (ISO 7730, 2005). A última versão da norma ISO 7730 (2005) mostra que principalmente onde a temperatura é quase que constante, a lenta e pouca alteração de temperatura em torno das condições de conforto não é percebida.
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2.3.3. Categorização e Desconforto térmico local
A norma ISO 7730 (2005), em sua última versão, passou a trabalhar com diferentes categorias de ambientes e tipos de espaço, cada qual com seus requisitos de conforto térmico. As categorias de ambientes térmicos devem ser escolhidas uma entre A, B e C (ver tabela 02). E todos os critérios devem ser satisfeitos simultaneamente para cada categoria.
A tabela 2 indica a máxima porcentagem de insatisfeitos de PPD e PD para cada um dos 4 tipos de desconforto local, onde PD é a porcentagem estimada de pessoas insatisfeitas por desconforto térmico local e DR significa draught.
Tabela 2: Categorias de ambientes térmicos. Fonte: ISO 7730(2005).
Categoria
Estado térmico do corpo como
um todo Desconforto local
PPD (%) PMV DR (%) Diferença de temperatura vertical PD* (%) Piso frio ou quente Assimetria radiante A <6 -0,2 <PMV <+0,2 <10 <3 <10 <5 B <10 -0,5 <PMV <+0,5 <20 <5 <10 <5 C <15 -0,7 <PMV <+0,7 <30 <10 <15 <10 *PD: Porcentagem de pessoas insatisfeitas devido ao desconforto térmico local. 2.3.3.1. Desconforto térmico local
A insatisfação também pode ter sua causa na sensação de desconforto térmico devido o resfriamento ou aquecimento indesejado para todo o corpo (PPD) ou para uma parte definida dele (PD), o que chamamos de desconforto térmico local.
Os mais comuns fatores de desconforto local são: a assimetria da temperatura radiante (superfícies frias ou quentes), draught (definido como um resfriamento local do
30
corpo causada pelo movimento do ar), a diferença da temperatura vertical do ar, e pisos frios ou quentes.
2.3.3.2. Draught (DR)
Draught é o fluxo de ar que provoca a sensação de desconforto pelo frio em
parte do corpo (correntes de ar). É o desconforto térmico local mais comum. Para calcular a porcentagem de pessoas insatisfeitas devido a esse fenômeno deve-se utilizar a equação:
𝐷𝑅 = (34 − 𝑡𝑎) (𝑣 − 0,05)0,62 (0,37 . 𝑣. 𝑇
𝑢 + 3,14) (eq.19)
Onde:
DR: porcentagem de insatisfeitos devido ao Draught; 𝑡𝑎: temperatura do ar, (°C);
𝑣: velocidade média do ar, (m/s);
𝑇𝑢: valor da intensidade da turbulência, (%).
𝑇𝑢 =𝑆𝑣 .100
𝑣 (eq.20)
Onde:
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Na figura 06 encontra-se o gráfico que indica a velocidade do ar média permissível em função da temperatura do ar e da intensidade de turbulência (ver figura 07).
Figura 6: Velocidade do ar média permissível em função da temperatura do ar e da intensidade da turbulência.
Fonte: ASHRAE 55, 2004.
2.3.3.3. Diferença de temperatura do ar no sentido vertical
A diferença de temperatura do ar no sentido vertical é a diferença de temperaturas entre a cabeça e o tornozelo. Nesse caso, pessoas são mais tolerantes ao desconforto térmico quando a cabeça estiver mais fria.
Além da diferença de temperatura do ar no sentido vertical, o contato com pisos de superfícies frias ou quentes geram outros fatores que levam ao desconforto localizado. Na norma ISO 7730 (2005) são apresentadas tabelas indicando a diferença vertical de temperatura do ar permissível entre a cabeça e os tornozelos segundo as três
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categorias de conforto e o intervalo de temperatura permissível do piso (ver tabelas 03 e 04).
Tabela 3: Diferença vertical de temperatura do ar permissível entre a cabeça e os tornozelos. Fonte: ISO 7730 (2005).
Categoria Diferença vertical de temperatura do ar °C
A <2
B <3
C <4
Nota: Diferença vertical de temperatura do ar a 1,1m e 0,1m do chão.
Tabela 4: Intervalo de temperatura do piso permissível. Fonte: ISO 7730 (2005).
Categoria Intervalo de temperatura superficial do piso °C
A 19 a 29
B 19 a 29
C 17 a 31
2.3.3.4. Assimetria da temperatura radiante
A assimetria da temperatura radiante pode ser devido a janelas frias, superfícies não isoladas, máquinas, etc. (ver figura 07). É basicamente um desconforto causado por superfícies quentes ou frias.
Figura 7: Assimetria da temperatura radiante. Fonte: Grossmann; Silva; Toledo (2011).
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O cálculo para a assimetria da temperatura radiante depende da superfície que está emitindo a radiação e do tipo de energia radiante que é emitida (aquecimento ou resfriamento).
Assim, temos para o cálculo da porcentagem de desconforto segundo a tabela 2 considerando a assimetria da temperatura radiante vinda de diversas fontes:
∆𝑡𝑝𝑟 =Assimetria da temepratura radiante
Para teto quente: 𝑃𝐷 = 1+exp (2,84−0,174 . ∆𝑡100
𝑝𝑟)− 5,5 (eq. 21) ∆𝑡𝑝𝑟<23°C
Para paredes frias: 𝑃𝐷 = 1+exp (6,61−0,345 . ∆𝑡100
𝑝𝑟) (eq. 22) ∆𝑡𝑝𝑟<15°C
Para teto frio:
𝑃𝐷 = 1+exp (9,93−0,50 . ∆𝑡100
𝑝𝑟) (eq. 23) ∆𝑡𝑝𝑟<15°C
Para parede quente: 𝑃𝐷 = 1+exp (3,72−0,052 . ∆𝑡100
𝑝𝑟)− 3,5 (eq. 24) ∆𝑡𝑝𝑟< 35°C
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Considerando as equações eq. 21, eq. 22, eq. 23 e eq. 24, também consta na norma ISO 7730 (2005) o gráfico do PPD (ver figura 08) para cada diferente fonte (assimétrica) de temperatura radiante. É possível notar nesse gráfico, por exemplo, que no caso em que a temperatura radiante é proveniente de paredes frias ("cool wall"), uma pequena diferença no ∆𝑡𝑝𝑟 poderá causar uma grande diferença no PPD, enquanto para paredes quentes ("warm wall") é necessário uma variação maior do ∆𝑡𝑝𝑟 para que
haja uma diferença significativa no valor do PPD.
A norma ISO 7730 (2005) dividiu a assimetria da temperatura radiante em três categorias considerando cada diferente fonte que a gera conforme a tabela 05.
Figura 8: PPD devido a cada uma das assimetrias da temperatura radiante. Fonte: ISO 7730, 2005.
Onde:
35 ∆𝑡𝑝𝑟: assimetria da temperatura radiante (°C)
1: Teto quente 2: Parede fria 3: Teto frio
4: Parede quente
Tabela 5: Assimetria da temperatura radiante divido em categorias. Fonte: ISO 7730, 2005.
Categoria Assimetria da temperatura radiante (°C)
Teto aquecido Parede fresca Teto fresco Parede aquecida
A <5 <10 <14 <23
B <5 <10 <14 <23
C <7 <13 <18 <35
É importante ressaltar que pessoas sensíveis ao desconforto local devido ao
draught também o são aos outros fatores, por isso o PPD, o DR (draught) e as
porcentagens restantes de insatisfeitos causados pelos demais tipos de desconforto local não devem ser somados.
2.3.3.5. Condições para o conforto no inverno e no verão
A norma ISO 7730 (2005) apresenta combinações de algumas variáveis ambientais e pessoais para o período de inverno e de verão, representando o conforto térmico para atividade com taxa metabólica de 1,2 met.
Os critérios de projeto especificados na tabela 06 levam em consideração alguns aspectos específicos para cada espaço (neste trabalho serão apresentados apenas os critérios para restaurantes), citados a seguir. Para o ambiente térmico, os critérios para a temperatura operativa são baseados em níveis típicos de atividade, para a roupa de 0,5 clo durante o verão e 1,0 clo durante o inverno.
