Tipo de janela e renovação do ar: análise de habitação de interesse social

Elisa Morande Salles, Adriana Camargo de Brito, Marcelo de Mello Aquilino, Laboratório de Conforto Ambiental, Eficiencia Energética e Instalações Prediais do IPT

Publicado em: 27/10/2021

Texto: Redação AECweb/e-Construmarket

Coordenação técnica: Adriana Camargo de Brito
Comitê de revisão técnica: Adriana Camargo de Brito, Cláudio Vicente Mitidieri Filho, José Maria de Camargo Barros, Luciana Oliveira e Maria Akutsu
Apoio editorial: Cozza Comunicação

28/10/2021 | 09h30 - A renovação do ar, no interior dos edifícios, é condição necessária para a manutenção da salubridade nos recintos, assim como para contribuir na melhoria das condições térmicas no seu interior. A renovação deve ser olhada com cuidado, especialmente, em edifícios habitacionais brasileiros que, em sua maioria, dependem da ventilação natural para resfriar os ambientes.

A renovação do ar depende da resposta térmica do ambiente, das diferenças de temperaturas das superfícies internas e do ar exterior, bem como da presença ou ausência da ação de ventos. Na ausência de ventos, tem-se as condições menos propícias para se obter taxas de ventilação adequadas, visto que a renovação do ar é proporcionada somente pelas diferenças de temperaturas no interior e exterior.

Para se obter informações preliminares sobre a taxa de renovação do ar a ser obtida em ambientes típicos habitacionais sem a presença de vento, que é a situação mais crítica, foram realizadas simulações computacionais da resposta térmica de uma habitação térrea de interesse social e simulações em programa de movimentação de fluidos.

Método

Inicialmente foram feitas simulações com o programa EnergyPlus, que considera condições dinâmicas de trocas de calor para se obter informações quanto às temperaturas superficiais internas. Foram consideradas taxas fixas de renovação do ar dos recintos considerando 1, 3 e 5 trocas do volume de ar do ambiente por hora.

Para a habitação descrita na Figura 1, foram feitas simulações para duas Zonas Bioclimáticas 3 e 8. As cidades escolhidas foram São Paulo-SP para a zona 3, que contempla condições de verão e inverno, e para a zona 8 a cidade de Manaus–AM, com predominância de condições de verão. Foram consideradas condições climáticas de dias típicos de projeto dessas cidades.

A habitação utilizada nas simulações apresenta paredes e laje de concreto com espessura de 15 cm e telhado em telhas cerâmicas. Os acabamentos externos das paredes são em cores médias, com absortância à radiação solar igual a 0,5, e a cobertura, com cor escura, com absortância à radiação solar de 0,7.

Para as simulações, as janelas do dormitório 1 e da sala foram orientadas para a face Oeste. Para o estudo, foram analisados os dados obtidos para o dormitório 1.

Tipo de janela e renovação do ar
Figura 1 – Projeto arquitetônico de casa térrea (sem escala) / Fonte: CDHU (1997)

Com base nos resultados obtidos nessas simulações, considerando as temperaturas superficiais internas dos componentes de pisos, paredes e teto, foram efetuadas simulações computacionais de movimentação do ar no interior da habitação com o programa CFD, (Computational Fluid Dynamics), que permite modelar de modo detalhado o escoamento do ar para ventilação natural dos ambientes.

Foram determinadas a velocidade e temperatura do ar em alguns planos no interior do ambiente e vazões de ar que atravessam as janelas, convertidas em taxas de ventilação. Para a determinação da vazão foram simulados “sensores de vazão” colocados a cada 10 cm de altura do vão da janela, como indicado na Figura 2.

Tipo de janela e renovação do ar
Figura 2 – Tipos de janela analisadas

Verificou-se a taxa de renovação do ar obtida com essas simulações, sem considerar efeitos da ação do vento, ou seja, abordando somente a renovação do ar que ocorre em decorrência das diferenças de temperaturas entre os ambientes interno e externo.

O programa CFD utilizado é o FDS (Fire Dynamics Simulator) versão 5.5, desenvolvido e testado pelo NIST para simulação de movimentação de ar; geração e movimentação de fumaça; de combustão; de sistemas de distribuição de ar, dentre outros. Esse programa permite considerar escoamento em regime transitório, com modelagem válida para situações nas quais os efeitos de compressibilidade são desprezíveis.

A habitação foi simulada com dois tipos de janela, intituladas “guilhotina” e “de correr”, como indicado na Figura 3, mantendo-se a mesma área da janela considerada nas simulações da resposta térmica do ambiente, que corresponde a 1,44 m², com metade da área para ventilação. A habitação foi exposta a duas condições climáticas das cidades de São Paulo e Manaus, com movimentação do ar devido apenas à convecção natural, em três condições, sendo considerada a condição mais favorável a condição 3:

Condição 1 – menor diferença entre as temperaturas superficiais internas e o ar exterior;
Condição 2 – uma hora após a menor diferença entre as temperaturas superficiais internas e o ar exterior;
Condição 3 – maior diferença entre as temperaturas superficiais internas e o ar exterior.

Tipo de janela e renovação do ar
Figura 3 – Tipos de janela analisadas

Resultados 

Nas Figuras 4 e 5 são apresentados, para as zonas 3 e 8, gráficos dos valores das temperaturas do ar interno e externo e das temperaturas superficiais internas de paredes, teto e piso do dormitório analisado. Como exemplo dos resultados obtidos, foram indicadas as situações com ventilação dos recintos a uma taxa de 1 Ren/h (Renovação do volume de ar do ambiente por hora), uma vez que mesmo com maior renovação do ar foram obtidos valores semelhantes das grandezas. Nas Figuras 6 e 7 são indicados, respectivamente, valores da temperatura superficial da parede voltada à direção Oeste, obtido para as duas condições climáticas, com as várias taxas de ventilação dos recintos.

Tipo de janela e renovação do ar
Figura 4 - Valores das temperaturas do ar e superficiais internas do dormitório analisado na Z3 com 1 Ren/h
Tipo de janela e renovação do ar
Figura 5 - Valores das temperaturas do ar e superficiais internas do dormitório analisado na Z8 com 1 Ren/h
Tipo de janela e renovação do ar
Figura 6 - Valores das temperaturas superficiais internas do dormitório analisado na Z3 com três taxas de ventilação
Tipo de janela e renovação do ar
Figura 7 - Valores das temperaturas superficiais internas do dormitório analisado na Z8 com três taxas de ventilação

Como os valores da temperatura superficial interna dos componentes são da mesma ordem de grandeza com as três taxas de renovação utilizadas, para as simulações de CFD foram adotados os valores de temperaturas superficiais obtidos com uma renovação do volume de ar do ambiente por hora.

Na Figura 8 são apresentados exemplos dos resultados obtidos nas simulações de CFD, indicando valores da temperatura do ar, em graus Celsius, em uma seção do ambiente e, na Figura 9, os vetores de velocidade, em metros por segundo, decorrentes da movimentação do ar para ambiente em São Paulo considerando a pior condição, com janelas de correr. Nas Figuras 10 e 11, são apresentados os mesmos elementos, considerando a melhor condição.

Tipo de janela e renovação do ar
Figura 8 - Valores da temperatura do ar em seção do ambiente, para São Paulo, considerando a pior condição, com janelas de correr
Tipo de janela e renovação do ar
Figura 9 - Vetores de velocidade do ar em seção do ambiente, para São Paulo, considerando a pior condição, com janelas de correr
Tipo de janela e renovação do ar
Figura 10 - Valores da temperatura do ar em seção do ambiente, para São Paulo, considerando a melhor condição, com janelas de correr
Tipo de janela e renovação do ar
Figura 11 - Vetores de velocidade do ar em seção do ambiente, para São Paulo, considerando a melhor condição, com janelas de correr

Na Tabela 1 é apresentada uma síntese dos resultados, indicando as taxas de renovação de ar obtidas para as três condições estudadas, considerando o ambiente exposto às condições climáticas de São Paulo e Manaus, com os dois tipos de janelas, guilhotina e de correr.

Tipo de janela e renovação do ar
Tabela 1 – Valores da taxa de ventilação obtida – número de renovações do volume de ar do ambiente por hora

Observou-se que nas situações 1 e 2, consideradas as mais desfavoráveis, é possível ter uma taxa de ventilação de, pelo menos, 1 Ren/h, exceto com a Janela tipo guilhotina. Entretanto, a taxa de ventilação de 5 Ren/h somente é obtida em horários favoráveis, onde existe maior diferença entre as temperaturas superficiais internas e o ar exterior e somente para as janelas do tipo de correr.

Considerações Finais

As taxas de renovação do ar obtidas no ambiente analisado, sem ação dos ventos, variam de 0,74 Ren/h a 5,38 Ren/h, dependendo do tipo de janela, do clima e dos valores das temperaturas superficiais internas do ambiente.

A janela de correr proporcionou maior renovação do ar interno em comparação com a janela guilhotina. Todavia, na pior situação considerada, na cidade de São Paulo, mesmo com a janela de correr, são obtidas taxas de renovação do ar próximas de 1 Ren/h, valor que geralmente se consegue com janelas típicas habitacionais fechadas, com trocas de ar por infiltração por frestas. Em edifícios reais, podem ocorrer situações similares, ou seja, ausência da contribuição do vento para a renovação do ar, fator que precisa ser considerado pelo projetista no momento do projeto.

Para se identificar se essas taxas de ventilação são suficientes para proporcionar condições térmicas adequadas ao conforto térmico dos moradores, é necessário efetuar análises especificas, incluindo as características do entorno onde o empreendimento será construído, por exemplo.

Colaboração técnica

 
Elisa Morande Salles — Doutora em Física pela Universidade de São Paulo (2018), mestre em Física (2012) e bacharel em Física com habilitação em pesquisa básica (2009) pela mesma instituição. Desde 2012, é pesquisadora do Laboratório de Conforto Ambiental do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo com atuação em consultorias e avaliações do desempenho acústico e térmico de edifícios e componentes construtivos, mapeamento de ruído e simulações computacionais.
 
Marcelo de Mello Aquilino — Físico formado pela PUC-SP com mestrado em tecnologia na construção de edifícios pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo (IPT). Atualmente pesquisador do IPT vinculado ao Laboratório de Conforto Ambiental. Experiência de 32 anos na área de acústica e térmica. Professor do curso de mestrado do IPT.