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I
DIEGO BOSCHETTI MUSSKOPF
ESTUDOS EXPLORATÓRIOS SOBRE VENTILAÇÃO
NATURAL POR TUBOS ENTERRADOS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
como parte dos requisitos para obtenção do título de mestre em
Engenharia na modalidade Acadêmico
Porto Alegre
setembro, 2006
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II
DIEGO BOSCHETTI MUSSKOPF
ESTUDOS EXPLORATÓRIOS SOBRE VENTILAÇÃO
NATURAL POR TUBOS ENTERRADOS
Esta Dissertação de Mestrado foi julgada adequada para a obtenção do título de MESTRE EM
ENGNHARIA e foi aprovada em sua forma final pelo professor orientador e pelo Programa
de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.
Porto Alegre, 30 de setembro de 2006.
Prof. Miguel Aloysio Sattler
PhD pela University of Sheffield, UK
Orientador
Prof. Fernando Schnaid
Coordenador do PPGEC/UFRGS
BANCA EXAMINADORA
Ana Lucia Torres Seroa da Motta (UFF)
Doutora pela University College, London, Londres
Pós-Doutora pela Fachhochschule, Köln, Alemanha
Ana Luiza Raabe Abitante (UFRGS)
Doutora pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil
Paulo Renato Perez dos Santos (PUCRS)
Doutor pela Universidade de São Paulo, Brasil
Pós-Doutor pelo Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Portugal
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III
AGRADECIMENTOS
Antes de todos, aos meus pais e meu irmão, pela compreensão demonstrada e ajuda prestada
ao longo do trabalho, bem como pela estabilidade transmitida nos momentos de crise.
Ao meu orientador, professor PhD. Miguel Aloysio Sattler, por sua dedicação, incentivo e por
abrir meus horizontes.
Aos professores Arno Krenzinger, Paulo Renato dos Santos e Paulo Smith Schneider, pelos
conselhos, esclarecimentos das dúvidas e auxílio prestados prontamente.
Prof. Jandyra Fachel e sua equipe do Núcleo de Estatística Aplicada (UFRGS).
Aos demais professores do NORIE pelos conhecimentos transmitidos e pelos bons momentos
divididos.
Um agradecimento especial ao funcionário do LETA, Batista da Rosa e ao bolsista Rodrigo
Danielli pela ajuda prestada de imediato e inesperadamente.
Ao empresário Samuel da Silveira pelo financiamento à construção da edificação, ao Emprei-
teiro Arno Stein pela mobilização da equipe de obras, ao eletricista Daniel da Silveira pela
ajuda, a todos demais funcionários pela companhia e ao Saulo da Silveira pelo apoio e auxílio
prestado inúmeras vezes, mas, principalmente, pelos laços de amizade desenvolvidos.
A CAPES (Coordenadoria de Auxílio à Pesquisa e Extensão) pela bolsa de estudos fornecida
durante o período de março de 2004 a fevereiro de 2006.
Aos camaradas Joaquim Vaz e Pery Bennet, por compartilharem suas experiências profissio-
nais durante os trabalhos do mestrado e cuja convivência proporcionou um constante aprendi-
zado.
Aos colegas do NORIE, por saberem escutar os problemas, mesmo sem saber muito bem co-
mo ajudar (especialmente aqueles com quem eu convivi a maior parte do tempo: Caroline
Kehl, Cristiano Richter, Edna Possan, Eugenia Kuhn, Fernanda Moscarelli, Geilma, Nauira
Zanardo, Marcos e Maurício Magro – pretendo conviver com vocês por muito tempo ainda).
Aos demais amigos, familiares e todos aqueles que incentivaram ou colaboraram de alguma
forma para a realização deste trabalho.
IV
RESUMO
MUSSKOPF, D. B. Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos
Enterrados. 2006. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Civil, UFRGS, Porto Alegre, 2006.
O uso do solo como massa inercial para condicionamento térmico de edificações por contato
direto é uma prática antiga, porém, seu uso como trocador de calor através de dutos enterra-
dos, para ventilação natural de edificações é recente. A prática consiste em enterrar dutos a
profundidades entre 0,5m e 1,5m – com extensões e diâmetros variáveis – por onde o ar circu-
la do exterior para o interior dos ambientes através da ação do vento externo e da convecção
natural. Durante o trajeto, o ar troca calor com o solo e ingressa no ambiente a temperaturas
mais amenas. Embora seja um sistema já empregado na arquitetura bioclimática, existem
poucos estudos conclusivos sobre a sua real eficácia. Dessa forma, o objetivo do trabalho é
investigar o comportamento higrotérmico de uma edificação construída no sul do Brasil com
o sistema e compreender a atuação dos fatores climáticos responsáveis pelo deslocamento de
ar no seu interior. O estudo foi realizado através do monitoramento do Protótipo Ventura,
localizado em Viamão (Brasil – 30º01'59"S, 51º13'48"W) no período de verão. No desloca-
mento de ar, foi estudada a influência do vento e da diferença de temperatura nos 2 diâmetros,
nas 2 inclinações e nas 2 orientações dos dutos existentes, bem como a influência da chaminé
solar. O desempenho higrotérmico foi avaliado comparando o ar na sala ventilada com uma
sala de referência (de mesmas dimensões, porém de orientação distinta) e com o exterior. Os
resultados demonstram que o solo de Viamão é eficiente para o condicionamento térmico da
edificação, pois a pequenas profundidades, ele apresenta uma temperatura mais estável que o
ar, próxima à média anual de temperatura do ar local (18ºC). Dessa forma, ao passar pelo du-
to, o ar externo é aquecido nos períodos frios e refrigerado nos períodos quentes, mantendo o
ar interno próximo da zona de conforto. Também foi possível observar que o principal fator
responsável pelo deslocamento de ar observado é o vento externo, porém as diferenças de
temperatura entre as extremidades dos tubos, bem como entre o interior e exterior da edifica-
ção, não podem ser desprezadas, pois geram velocidades de mesma magnitude que o primei-
ro. Por fim, conclui-se que a ventilação da sala reduziu seu retardo térmico, porém não preju-
dicou o seu conforto térmico, apresentando inclusive uma redução de sua umidade interna.
Palavras chave: tubos enterrados, ventilação natural, condicionamento térmico passivo.
V
ABSTRACT
MUSSKOPF, D. B. Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos
Enterrados. 2006. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) – Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Civil, UFRGS, Porto Alegre, 2006.
The use of the ground as an inertial mass for thermal conditioning of buildings, such as the
Italians cellars, is an old practice. However, its use as a heat exchanger with buried pipes for
natural indoor ventilation is quite recent. The system uses pipes with variable length and di-
ameter buried at a depth between 0.5m and 1.5m. The air flows trough the pipes from the out-
side to the inside by convection or wind effects. Although it’s already a bioclimatic architec-
ture system, there are few conclusive studies about its real effectiveness. The objective of this
study is to investigate the benefits of natural ventilation through buried pipes in a building
located in the south of Brazil. A prototype building and a buried pipe system have been built
and measured during a period in the summer of 2005-2006, in Viamão (30º 01'59"S,
51º13'48"W). The influence of the pipes diameter, inclination and orientation has been studied
as well as the thermal comfort indoors. The system is efficient for thermal building condition-
ing and air renovation. At small depths, the ground presents a more steady temperature than
the air, close to the annual average temperature (18ºC), cooling the air in hot days, warming it
in cold nights – a similar effect is expected on a yearly period. The main factor responsible to
the air flow is the outside wind, but the air temperature differences between the pipes, the
room and the solar chimney edges are very relevant. The room ventilation reduces its thermal
delay without interfering with its thermal performance, and also shows a decrease in its inter-
nal humidity.
Keywords: buried pipes, natural ventilation, passive cooling.
VI
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: delineamento da pesquisa........................................................................................ 7
Figura 2: exemplo de tubos verticais (esquerda) de tubos horizontais (direita) (fonte: FISK;
TURIEL, 1995).................................................................................................................... 15
Figura 3: exemplo de sistema aberto com uso de água (esquerda) (fonte: FISK; TURIEL,
1995) e uso de ar (direita) (fonte: SANTAMOURIS et alli, 1995)........................................ 16
Figura 4: esquema do sistema de bombas de calor fonte-ar típico (esquerda) e fonte-solo
típico (direita) (fonte: FISK; TURIEL, 1995) ....................................................................... 18
Figura 5: sistema de operação básico das bombas de calor (fonte: FISK; TURIEL, 1995) .... 19
Figura 6: esquema de ventilação pelo subsolo (fonte: LENGEN, 2004)................................ 21
Figura 7: gráfico demonstrando os resultados das comparações de logaritmos executado por
Tzaferis (fonte: TZAFERIS et alli, 1992)............................................................................. 24
Figura 8: gráficos demonstrando o calor armazenado no solo em função do conteúdo de
umidade (%) (fonte: LOMBARDI, 2005)............................................................................. 27
Figura 9: gráfico demonstrando os resultados calculados (linha) e medidos (símbolo) para as
mudanças dinâmicas no substrato para temp. (esquerda) e conteúdo de água (direita).
(legenda: ---- +: 5cm; -.-.-.- ∆: 15cm; ...... x: 25cm) (fonte: KURUPASKA et alli, 2004) ..... 28
Figura 10: gráfico da curva ideal anual e diária de temperatura do solo e do ar..................... 28
Figura 11: gráfico demonstrando as isolinhas de temperatura e conteúdo de água no substrato
após 48h (esquerda) e 64h (direita) (fonte: KURPASKA et alli, 2004) ................................. 29
Figura 12: gráfico do calor armazenado no solo em função do comprimento do duto (fonte:
LOMBARDI, 2005)............................................................................................................. 32
Figura 13: gráfico do calor armazenado no solo em função da velocidade de escoamento do ar
(fonte: LOMBARDI, 2005).................................................................................................. 33
VII
Figura 14: gráfico do calor armazenado no solo em função da distancia entre centros dos
dutos (fonte: LOMBARDI, 2005) ........................................................................................ 35
Figura 15: gráficos do distanciamento ideal entre os dutos para a situação de pré-aquecimento
(esquerda) e pré-refrigeração (direita) e da temperatura mínima, máxima e interna (fonte:
HOLLMULLER, 2004) ....................................................................................................... 35
Figura 16: Esquema de circulação natural do ar no interior do laboratório de energia solar da
UFRGS durante o verão (fonte: FIGUEIRA, 2005).............................................................. 39
Figura 17: corte esquemático de funcionamento do sistema de dutos enterrados (esquerda) e
gráfico de temperatura interna (direita) (fonte: HOLLMULER; LACHAL, 2004) ................ 41
Figura 18: croquis explicativos das distribuições de pressões em uma caixa cúbica de aresta
“a” (fonte: FROTA; SCHIFFER, 1988) ............................................................................... 50
Figura 19: exemplo da distribuição da pressão na ventilação por ação dos ventos (fonte:
FROTA; SCHIFFER, 1988)................................................................................................. 52
Figura 20: mapa de localização do Vila Ventura (fonte: VILA VENTURA, 200-) ............... 55
Figura 21: foto externa da fachada norte do Protótipo Ventura ............................................. 61
Figura 22: implantação do Protótipo Ventura ....................................................................... 62
Figura 23: planta baixa, fachada norte e corte AA do Protótipo Ventura............................... 63
Figura 24: fotos da construção do protótipo (em ordem: construção das paredes, tubos
enterrados, estrutura da cobertura, assoalho da cobertura, estrutura da chaminé solar e
fechamento da cobertura)..................................................................................................... 64
Figura 25: composição de cada conjunto de tubos enterrados; é demonstrado os tubos
superiores, mas as dimensões se aplicam também aos tubos inferiores ................................. 66
Figura 26: fotos da montagem e forma final da chaminé solar.............................................. 67
Figura 27: esquema do sentido do fluxo de ar esperado pela atuação da temperatura no verão
............................................................................................................................................ 68
VIII
Figura 28: foto do equipamento de medição usado, linha BABUC/A® (fonte: LSI, 200-) .... 73
Figura 29: foto do psicrômetro (fonte: LSI, 200-)................................................................. 75
Figura 30: foto do termômetro de globo (fonte: LSI, 200-)................................................... 76
Figura 31: foto do anemômetro de fio quente (fonte: LSI, 200-)........................................... 77
Figura 32: foto da controladora TC 900 clock e dos sensores de temperatura encapsulados
(fonte: Fullgauge Controles, 2006)....................................................................................... 79
Figura 33: fotos da calibração dos sensores NTC de medição de temperatura....................... 80
Figura 34: gráfico demonstrando a variação dos resultados com o aumento da temperatura.. 80
Figura 35: foto da controladora MT-530 e dos sensores de temperatura encasulados (fonte:
Fullgauge Controles, 2006) .................................................................................................. 81
Figura 36: foto da tela da rotina criada no software HP-VEE Pro 6.01 da Agilent
Technologies®..................................................................................................................... 83
Figura 37: foto do anemômetro de copos KW-820 ............................................................... 84
Figura 38: fotos do conserto, calibração e instalação dos anemômetros de copos utilizados.. 85
Figura 39: curva de calibração dos anemômetros de copos utilizados ................................... 85
Figura 40: foto da biruta eletrônica construída e utilizada nas medições ............................... 86
Figura 41: foto do Solarímetro utilizado............................................................................... 87
Figura 42: curva de calibração do solarímetro ...................................................................... 88
Figura 43: foto do termômetro de globo analógico utilizado................................................. 89
Figura 44: esquema com a posição dos sensores durante o estudo do comportamento
higrotérmico dos ambientes.................................................................................................. 92
Figura 45: esquema com a posição dos sensores durante a observação das grandezas físicas
influentes na circulação de ar no interior dos dutos .............................................................. 95
IX
Figura 46: fotos da instalação dos sensores de temperatura e umidade relativa e de
temperatura do solo.............................................................................................................. 96
Figura 47: fotos dos sensores de radiação solar global, velocidade e direção do vento externo
instalados............................................................................................................................. 96
Figura 48: foto dos equipamentos instalados nas das salas estudadas.................................... 98
Figura 49: gráfico da radiação solar global média mensal junto ao Protótipo Ventura e ao 8º
Distrito de Meteorologia (2005-2006) ................................................................................ 103
Figura 50: gráfico da velocidade do vento média mensal junto ao Protótipo Ventura e ao 8º
Distrito de Meteorologia (2005-2006) ................................................................................ 104
Figura 51: gráfico da direção dos ventos mensal junto ao Protótipo Ventura (2005-2006) .. 105
Figura 52: gráfico da temperatura do ar média mensal junto ao Protótipo Ventura e ao 8º
Distrito de Meteorologia (2005-2006) ................................................................................ 106
Figura 53: gráfico da umidade relativa do ar média mensal junto ao Protótipo Ventura e ao 8º
Distrito de Meteorologia (2005-2006) ................................................................................ 107
Figura 54: gráfico da temperatura do ar e do solo média (esquerda) e amplitude máxima
(direita) registrada junto ao Protótipo Ventura (2005-2006). .............................................. 109
Figura 55: gráfico de temperatura do ar e do solo (a diversas profundidades) e precipitação no
período (2005-2006) .......................................................................................................... 110
Figura 56: gráfico da radiação solar total (global) e velocidade do vento a 10 metros de altura
.......................................................................................................................................... 111
Figura 57: gráfico da temperatura do ar externa e interna ................................................... 112
Figura 58: gráfico da umidade absoluta do ar interna.......................................................... 113
Figura 59: fotos do Protótipo Ventura tiradas a cada hora do dia 30 de outubro de 2005..... 114
Figura 60: gráfico da radiação solar total (global) e velocidade do vento a 10 metros de altura
.......................................................................................................................................... 115
X
Figura 61: gráfico da temperatura do ar (esquerda) e umidade absoluta do ar (direita), externo
e interno............................................................................................................................. 116
Figura 62: gráfico da velocidade do ar no interior do tubo (obs.: valores negativos de
velocidade do ar indicam sentido do fluxo saindo da edificação através dos dutos) ............ 117
Figura 63: gráfico da diferença de temperatura entre as extremidades interna e externa dos
tubos e superior e inferior da chaminé solar ....................................................................... 118
Figura 64: gráfico da radiação solar total (global) e velocidade do vento a 10 metros e 0,5
metros................................................................................................................................ 120
Figura 65: gráfico da de temperatura do ar externa e interna............................................... 121
Figura 66: gráfico da umidade absoluta do ar externa e interna........................................... 122
Figura 67: gráfico demonstrando a relação entre a velocidade do ar dentro dos tubos com a
velocidade do vento externo a 10m (à esquerda) e a 0,5m de altura (à direita) .................... 123
Figura 68: gráficos demonstrando a relação entre a velocidade do ar dentro dos tubos com a
velocidade do vento a 10m (à esquerda) e a 0,5m de altura (à direita), excluindo períodos de
calmaria ............................................................................................................................. 124
Figura 69: gráfico demonstrando a relação entre a velocidade do ar dentro do tubo com a
velocidade do vento a 10m para diferentes diâmetros (à esquerda) e diferentes situações da
chaminé (à direita), excluindo situações de calmaria .......................................................... 126
Figura 70: gráfico demonstrando a relação entre a velocidade do ar dentro do tubo e a
diferenças de temperatura entre as extremidades inferior e superior dos tubos (à esquerda) do
ambiente (ao centro) e da chaminé solar (à direita)............................................................. 127
Figura 71: gráfico demonstrando a relação entre a velocidade do ar dentro dos tubos inferiores
e a diferenças de temperatura para cada configuração do sistema ....................................... 128
Figura 72: gráfico demonstrando a relação entre a velocidade do ar dentro dos tubos
superiores e a diferenças de temperatura para cada configuração do sistema ...................... 129
XI
Figura 73: Gráfico do sentido do deslocamento de ar para cada conjunto de tubos (obs.:
registros negativos indicam ar saindo da edificação pelos tubos)........................................ 130
Figura 74: gráfico da radiação solar total (global)............................................................... 134
Figura 75: gráfico da velocidade do ar no interior dos tubos, velocidade do vento a 10 metros
e a 0,5 metros de altura ...................................................................................................... 134
Figura 76: gráfico da temperatura do ar interno e externo................................................... 135
Figura 77: gráfico de temperatura do ar externo e interno médio a cada semana ................. 137
Figura 78: histograma de temperatura do ar externo e interno na sala A e na Sala B........... 139
Figura 79: gráfico da umidade relativa do ar externa e interna na sala A e na Sala B .......... 139
Figura 80: gráfico da umidade absoluta do ar externa e interna na sala A e na Sala B......... 140
XII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: índices de renovação de ar por pessoa para cada tipo de ambiente (fonte: NB-10 da
ABNT) ................................................................................................................................ 45
Tabela 2: produção de dióxido de carbono e de vapor de água na combustão (fonte: LNEC,
1994) ................................................................................................................................... 46
Tabela 3: liberação de calor e produção de dióxido de carbono e de vapor de água no
metabolismo humano (LNEC, 1994).................................................................................... 46
Tabela 4: efeito da velocidade do vento sobre o usuário e influência na sensação térmica
(fonte: EVANS; SCHILLER, 1994)..................................................................................... 49
Tabela 5: determinação do incremento de vazão causado pela razão das áreas de abertura
(fonte: Frota e Schiffer, 1988).............................................................................................. 53
Tabela 6: dimensões e áreas das esquadrias do protótipo...................................................... 65
Tabela 7: variáveis da pesquisa ............................................................................................ 71
Tabela 8: valores de temperatura do ar registrados pela sonda BABUC/A® e os sensores do
MT-530 PLUS ..................................................................................................................... 82
Tabela 9: valores de umidade relativa do ar registrados pela sonda BABUC/A® e os sensores
do MT-530 PLUS ................................................................................................................ 82
Tabela 10: valores de temperatura média radiante registrados pela sonda BABUC/A® e o
termômetro de globo analógico ............................................................................................ 89
Tabela 11: dados coletados durante o estudo do comportamento higrotérmico dos ambientes
............................................................................................................................................ 93
Tabela 12: diferença de temperatura média entre as salas e grau de correlação de Pearson . 112
Tabela 13: diferença de temperatura do ar nas extremidades dos tubos interna e externa em
graus Celsius...................................................................................................................... 136
Tabela 14: somatório de graus-hora para refrigeração ........................................................ 138
XIII
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO................................................................................................................. 1
1.1 JUSTIFICATIVA ............................................................................................................ 3
1.2 OBJETIVOS DA PESQUISA .......................................................................................... 4
1.3 DELIMITAÇÕES E LIMITAÇÕES DA PESQUISA....................................................... 5
1.4 HIPÓTESES .................................................................................................................... 6
1.5 DELINEAMENTO .......................................................................................................... 6
2 O USO DO CALOR DO SOLO PARA O CONDICIONAMENTO TÉRMICO DE
AMBIENTES CONSTRUÍDOS.......................................................................................... 9
2.1 BREVE HISTÓRICO .................................................................................................... 10
2.2 O USO DO POTENCIAL CALORÍFICO DO SOLO PARA CONDICIONAMENTO
TÉRMICO DE AMBIENTES CONSTRUÍDOS .................................................................. 12
2.2.1 Contato Direto............................................................................................................. 14
2.2.2 Contato Indireto .......................................................................................................... 15
2.2.2.1 Bombas de Calor...................................................................................................... 17
2.2.2.2 Dutos Enterrados...................................................................................................... 20
2.2.2.3 Ventilação Natural através do Subsolo...................................................................... 21
2.3 INFLUÊNCIA DA CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA NA EFICIÊNCIA DAS TROCAS
DE CALOR COM O SOLO................................................................................................. 22
2.3.1 Modelos Matemáticos ................................................................................................. 22
2.3.2 Variáveis do Sistema................................................................................................... 25
2.3.2.1 O Clima.................................................................................................................... 25
2.3.2.2 O Solo...................................................................................................................... 26
2.3.2.3 Os Dutos .................................................................................................................. 31
2.4 ESTUDOS DE CASO OU EXPERIMENTOS ............................................................... 36
2.4.1 Complexo de Seis Casas localizadas na Vila Costozza, Itália....................................... 36
2.4.2 Escola em La Pampa, Argentina.................................................................................. 37
2.4.3 Laboratório de Energia Solar da UFRGS..................................................................... 38
XIV
2.4.4 Estufas para Vegetais .................................................................................................. 39
2.4.5 Prédio Caroubier em Genebra, Suíça ........................................................................... 40
3 VENTILAÇÃO NATURAL DE HABITAÇÕES .......................................................... 42
3.1 FINALIDADES DA VENTILAÇÃO............................................................................. 43
3.1.1 Ventilação Higiênicas, Mínima ou de Inverno ............................................................. 44
3.1.2 Ventilação Térmica ou de Verão ................................................................................. 47
3.1.3 O Efeito da Ventilação no Conforto Térmico............................................................... 48
3.2 TIPOS DE VENTILAÇÃO............................................................................................ 49
3.2.1 Ventilação por Diferença de Densidade ou Efeito Chaminé......................................... 50
3.2.2 Ventilação pela Ação dos Ventos ................................................................................ 52
4 DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO VENTURA, DA SUA ENVOLTÓRIA E DO
FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE TUBOS ENTERRADOS................................ 55
4.1 BREVE CARACTERIZAÇÃO CLIMÁTICA DO ESTADO E DA CIDADE DE
VIAMÃO ............................................................................................................................ 56
4.2 DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO VENTURA................................................................. 60
4.2.1 Características dos materiais empregados.................................................................... 64
4.2.2 Descrição dos Sistemas de Dutos Enterrados e da Chaminé Solar................................ 66
4.2.2.1 Funcionamento do Sistema no Verão durante o Dia e a Noite................................... 67
5 ABORDAGEM EXPERIMENTAL ............................................................................... 70
5.1 DEFINIÇÃO DA ESTRATÉGIA DO MÉTODO DE PESQUISA ................................. 70
5.2 INSTRUMENTAÇÃO................................................................................................... 72
5.2.1 Laboratori di Strumentazione Industriale®.................................................................. 72
5.2.1.1 Psicrômetro .............................................................................................................. 74
5.2.1.2 Termômetro de Globo ou Globo de Vernon digital................................................... 76
5.2.1.3 Anemômetro de fio quente ....................................................................................... 77
5.2.2 Full Gauge Eletro Controles Ltda® ............................................................................. 78
5.2.2.1 TC-900 CLOCK®.................................................................................................... 78
5.2.2.2 MT-530 PLUS®....................................................................................................... 81
XV
5.2.3 Sondas independentes.................................................................................................. 82
5.2.3.1 Anemômetro de copos fabricado no LETA............................................................... 83
5.2.3.2 Anemômetro de copos KW-820 ............................................................................... 83
5.2.3.3 Biruta Eletrônica ...................................................................................................... 86
5.2.3.4 Solarímetro............................................................................................................... 86
5.2.3.5 Termômetro de Globo Analógico ou Globo de Vernon Analógico............................ 88
5.3 MONTAGEM EXPERIMENTAL ................................................................................. 90
5.3.1 Estudo Piloto............................................................................................................... 90
5.3.2 Descrição da Montagem Experimental ........................................................................ 91
5.3.2.1 Comparação do Comportamento Higrotérmico dos Ambientes................................. 91
5.3.2.2 Observação dos fatores influentes na circulação de ar no interior dos dutos enterrados
............................................................................................................................................ 94
5.3.2.3 Observação do Desempenho Higrotérmico na Sala Ventilada pelo Sistema de Tubos98
5.3.3 Tratamento dos dados.................................................................................................. 99
5.3.4 Constatações sobre o andamento da pesquisa, o método adotado e os equipamentos
utilizados ............................................................................................................................. 99
6 ANÁLISE DOS RESULTADOS .................................................................................. 102
6.1 DADOS EXTERNOS MÉDIOS MEDIDOS NO PERÍODO ESTUDADO .................. 102
6.1.1 Radiação solar global (total)...................................................................................... 102
6.1.2 Velocidade e direção do vento................................................................................... 103
6.1.3 Temperatura do ar ..................................................................................................... 106
6.1.4 Umidade relativa do ar .............................................................................................. 107
6.1.5 Temperatura do Solo ................................................................................................. 108
6.2 COMPARAÇÃO DO COMPORTAMENTO HIGROTÉRMICO DOS AMBIENTES. 111
6.2.1.1 Primeiras Observações sobre o Funcionamento Geral do Sistema de Ventilação
Natural por Tubos Enterrados ............................................................................................ 115
6.3 OBSERVAÇÃO DOS FATORES INFLUENTES NA CIRCULAÇÃO DE AR NO
INTERIOR DOS DUTOS.................................................................................................. 119
6.3.1 Dados Climáticos do Período .................................................................................... 120
6.3.2 Observação da Influência das Grandezas Físicas no Deslocamento de Ar no Interior dos
Tubos enterrados................................................................................................................ 123
XVI
6.4 OBSERVAÇÃO DO DESEMPENHO HIGROTÉRMICO........................................... 132
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS........................................................................................ 142
7.1 CONSIDERAÇÕES SOBRE O MÉTODO ADOTADO .............................................. 142
7.2 CONSIDERAÇÕES SOBRE O COMPORTAMENTO DO SISTEMA........................ 143
7.2.1 Fatores Influentes na Circulação de Ar dentro dos Tubos .......................................... 143
7.2.2 O Desempenho Higrotérmico .................................................................................... 146
7.3 CONSIDERAÇÕES SOBRE O APRIMORAMENTO DO SISTEMA E SOBRE A
INTERVENÇÃO DO USUÁRIO ...................................................................................... 148
7.4 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS:........................................................ 149
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Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
1 INTRODUÇÃO
O consumo anual de energia elétrica no Brasil vem aumentando paulatinamente. Diferente do
senso comum – que o relaciona ao crescimento da produção industrial – esse aumento se mos-
tra mais acentuado justamente nos setores residencial e comercial. Dentre os possíveis fatores
geradores de tal aumento é possível destacar: o modelo consumista em voga que se traduz,
entre outros, em uma maior aquisição de eletrodomésticos em geral de pouca eficiência ener-
gética; um modelo de arquitetura inabitável sem o uso de climatização e iluminação artificial;
e um urbanismo que constrói cidades baseadas em interesses imobiliários, deixando de lado
aspectos como salubridade e economia.
Como decorrência desse processo, aliado à falta de investimentos em geração de energia (hí-
drica e, principalmente, alternativa) e ao longo período de estiagem, o país passou recente-
mente por uma forte crise energética que atingiu principalmente os grandes centros urbanos
que ficaram sob ameaça de “apagões” e ainda enfrentam consecutivos aumentos de tarifas em
energia elétrica e combustíveis.
Esta problemática não é restrita ao Brasil ou a países em desenvolvimento. Muitos países de-
senvolvidos apresentam um consumo de energia (elétrica ou de qualquer outra natureza) mui-
to mais acentuado por habitante, principalmente pelo alto padrão de conforto exigido, e por
isso também já enfrentam racionamento energético.
Além da questão econômico-energética, que demanda grandes investimentos do Estado em
geração e distribuição, é necessário considerar o fator ambiental envolvido. Diferente do Bra-
sil, que possui a maior parte da geração de energia elétrica livre de emissão de poluentes atra-
vés das hidrelétricas, outros países têm de recorrer à queima de combustíveis fosseis ou a rea-
ções nucleares para atender sua demanda crescente, resultando em uma grande quantidade de
resíduos sólidos, gasosos e radioativos liberados para o ambiente.
Desse modo, demonstra-se pertinente pesquisar e desenvolver sistemas alternativos, de baixo
consumo de energia para operação, principalmente de condicionamento térmico, uma vez que
esse tipo de equipamento é um dos principais responsáveis pelos picos de energia anual em
países tropicais. Além do mais, com a evolução das envoltórias da edificação, passaram a ser
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Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
requeridos sistemas de renovação de ar internos, principalmente os que possibilitem o pré-
aquecimento no inverno e o pré-resfriamento no verão.
A criação do Protótipo Ventura teve início na busca do empresário Samuel da Silveira, do
Grupo SAMPAR, de construções e sistemas construtivos de menor impacto ambiental para
sua Unidade de Negócios Vila Ventura (de onde surgiu o nome). O empreendimento está lo-
calizado no município de Viamão, cidade integrante da Grande Porto Alegre no Estado do Rio
Grande do Sul, Brasil.
Aliada a esta necessidade, no NORIE (Núcleo Orientado pela Inovação da Edificação), per-
tencente ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da UFRGS, era ministrada a
disciplina de “Edificações e Comunidades Sustentáveis 1” pelo Prof. PhD. Miguel Sattler. O
objetivo era de desenvolver edificações que apresentassem arquitetura bioclimática e que fi-
zessem uso de materiais de baixo impacto ambiental durante a produção, o transporte, a cons-
trução, a utilização e a demolição, bem como de apresentar sistemas alternativos e mais sus-
tentáveis para a utilização de recursos naturais.
Desta maneira, foi estabelecido um vínculo de caráter público-privado. O empresário se com-
prometeu na construção do protótipo (que futuramente seria utilizado como uma pequena es-
cola de artesanato) e a manteria desocupada pelo período de dois anos. Em contraponto, a
Universidade, representada pelo grupo de alunos do NORIE, se encarregaria do projeto arqui-
tetônico e estrutural, do acompanhamento das obras, da instalação de monitoramento de di-
versos sistemas mais sustentáveis para diversos fins e da transmissão do conhecimento gerado
para a comunidade acadêmica, para o empresário e para a sociedade.
Entre os sistemas empregados – e pertinentes com a problemática acima mencionada – encon-
tra-se o denominado “ventilação pelo subsolo”. Ele consiste em captar o ar exterior e transmi-
ti-lo ao interior da edificação através de um ou mais feixes de tubos enterrados sem utilizar
elementos mecânicos para tal circulação. Uma vez que o solo apresenta uma variação térmica
– ao longo do dia e do ano – menor que a do ar, o contato do ar com as paredes do tubo, e
conseqüente troca de calor com o solo, permitiria ser pré-aquecido na situação de inverno ou à
noite e pré-refrigerado na situação de verão ou durante o dia.
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Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
1.1 JUSTIFICATIVA
Embora o sistema de ventilação natural pelo subsolo já seja utilizado em edificações e seus
princípios sejam difundidos pela arquitetura sustentável, poucos estudos discorrem sobre sua
influência no desempenho térmico e não são do conhecimento do autor estudos que descre-
vam as variáveis influentes no deslocamento do ar no sistema.
A ventilação mecânica por dutos enterrados, como citado por diversos autores, apresenta i-
números benefícios como melhorar o condicionamento térmico, e, através da renovação do ar,
promover sua higiene e reduzir sua quantidade de umidade. Além disso, indiretamente, ela é
capaz de promover o conforto acústico e o controle de insetos de ambientes construídos uma
vez que estamos fechando as esquadrias (BOJIÉ et alli, 1997; FISK; TURRIEL, 1982;
HAZER, 1975; HOLLMULLER; LACHAL, 2001 e 2003; JACOVIDES et alli, 1996;
MIHALAKAKOU et alli, 1996; SANTAMOURIS, 1995, 1996). É bem possível que, a venti-
lação natural pelo subsolo, possa promover os mesmos benefícios.
Além do mais, existe uma quantidade considerável de estudos sobre o sistema ventilação por
tubos enterrados com atuação mecânica. Hazer (1975) cita inúmeras edificações que utilizam
o sistema. Fisk e Turiel (1995) descrevem formas e alternativas de configuração. Tzaferis
(1992) descreve e compara oito logaritmos que simulam com uma boa precisão o comporta-
mento térmico do sistema. A influência do clima foi descrita por Tselpidaki et alli (1993),
Santamouris et alli (1996) e Hollmuller (2004) e é notória pela sua grande influência no de-
sempenho do sistema. O comportamento térmico do solo de diferentes propriedades já foi
estudado e é bem conhecido (JACOVIDES et alli, 1996, SANTAMOURIS et alli, 1996, KU-
RUPASKA et alli, 2004, HOLLMULLER, 2004, BOJIÉ et alli, 1997). A influência de dife-
rentes coberturas do solo também já foi descrita e comparada por Mihalakakou et alli (1996).
A configuração do sistema de tubos, também já é bem conhecida, determinando a influência
do diâmetro dos tubos (SANTAMOURIS, 1996 e LOMBARDI, 2005), de seu comprimento
(KABASHNIKOV et alli, 2002 e GAUTHIER et alli, 1997), da velocidade do ar dentro dos
tubos (HOLLMULLER e LACHAL, 2001) e do distanciamento entre os tubos (LOMBADI,
2005 e HOLLMULLER, 2004).
Estes inúmeros estudos, através de adaptações, podem representar rápidos avanços no sistema
de ventilação natural pelo subsolo. E eles, além de representar a base teórica para o estudo em
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Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
questão, denotam que avanços nessa nova área serão de grande valia do ponto de vista energé-
ticos.
O trabalho mais próximo encontrado, com o mesmo tema, foi desenvolvido por Larsen et alli
(2003) em La Pampa, Argentina. Ele demonstra uma possibilidade de uso do sistema para
climas subtropicais, mas não aprofunda sobre o dimensionamento do sistema ou sobre as va-
riáveis influentes no deslocamento de ar dentro dos tubos.
Da mesma forma que a Argentina, o estado do Rio Grande do Sul possui condições climáticas
e de solo favoráveis para o uso do solo como armazenador térmico como descrito por Vaz e
Sattler (2004), entre outros fatores, por apresentar grande amplitude térmica diária e sazonal
da temperatura do ar e características do solo propícias, indicadas pelos autores.
Outra justificativa importante é que uma vez estudado o sistema atuante em uma edificação,
passa a ser possível o estudo dos agentes atuantes separadamente a fim de aperfeiçoar o sis-
tema os quais servirão de base para validações matemáticas.
Além do mais, Lengen (2004) coloca que, por não necessitar de fontes energéticas, possuir
uma fácil instalação e ser adaptável a praticamente qualquer terreno, espera-se que o sistema
pode ser facilmente assimilado por classes menos favorecidas.
O momento do estudo também se mostrou propício, pois havia um investidor interessado no
sistema que se propôs a montar o protótipo experimental em sua propriedade, bem como aju-
dou o custeio da estadia do pesquisador e pretende, caso os resultados sejam positivos, insta-
lar o sistema em outras edificações.
1.2 OBJETIVOS DA PESQUISA
A pesquisa possui dois objetivos de igual importância. Ambos são baseados na avaliação a-
través de monitoramento do sistema de ventilação natural por dutos enterrados, instalado no
Protótipo Ventura. O primeiro objetivo consiste em detectar as grandezas físicas significativas
na circulação de ar dentro dos tubos do sistema instalado no Protótipo Ventura. Desse, deri-
vam-se os seguintes objetivos secundários:
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Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
a) a estimativa da faixa de influência de cada elemento para o sistema instalado
no protótipo em questão;
b) a observação dentre os elementos estudados, dos mais significativos no senti-
do do deslocamento de ar no interior dos tubos (de dentro para fora, ou, de fora
para dentro);
c) a observação da influência dos 2 diâmetros, das 2 orientações e das 2 inclina-
ções dos tubos enterrados instalados, bem como da chaminé solar (aberta e fe-
chada), na velocidade do deslocamento de ar no interior do sistema instalado.
O segundo objetivo constitui-se em avaliar o desempenho higrotérmico da sala na qual está
instalado o sistema de ventilação natural pelo subsolo instalado no Protótipo Ventura. Desse
objetivo, derivam-se os seguintes objetivos secundários:
a) a comparação da temperatura e da umidade do ar da sala ventilada pelo siste-
ma com uma sala de referência e com o meio externo;
b) a observação e comparação do retardo térmico nos dois ambientes internos;
c) a observação da temperatura do ar no interior dos tubos e sua relação com as
condições de temperatura no interior da sala e no retardo térmico;
d) a observação da velocidade máxima atingida na boca interna do tubo de modo
a não prejudicar o conforto do usuário;
1.3 DELIMITAÇÕES E LIMITAÇÕES DA PESQUISA
Por se tratar de um monitoramento de edificação, os resultados obtidos neste trabalho se limi-
tam ao período de 21 de outubro de 2005 a 11 de março de 2006 e são válidos apenas para o
sistema instalado no Protótipo Ventura.
Não é do foco deste trabalho analisar isoladamente cada uma das variáveis influentes no des-
locamento de ar dentro do sistema. Essa definição surge, pois se pretende observar os elemen-
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Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
tos significativos que geram a circulação de ar dentro dos tubos do sistema de maneira mais
abrangente, estipulando faixas de atuação para o sistema instalado.
O estudo se caracteriza, também, como monitoramento de/em edificação com características
rústicas e artesanais, na qual fatores climáticos externos têm grande influência nos resultados,
devido principalmente à existência de frestas. A este fato é adicionada a não-intenção de ava-
liar as variáveis independentemente, as quais geram uma grande interferência (ou dispersão)
nos resultados, de modo que se optou por desenvolver um estudo qualitativo e não quantitati-
vo, não sendo do escopo deste trabalho buscar uma explicação numérica dos resultados obti-
dos.
1.4 HIPÓTESES
O trabalho apresentado possui as seguintes hipóteses:
a) dentre as grandezas físicas estudadas, a diferença de temperatura do ar gerada
no interior da chaminé é a predominante no deslocamento de ar no sistema;
b) o deslocamento do ar no interior dos tubos, devido às trocas térmicas, é des-
cendente durante o dia, pois o ar externo, que neste turno está mais quente que
o solo, será refrigerado. O oposto irá ocorrer durante a noite;
c) o retardo térmico da sala ventilada é menor que o da sala testemunho;
d) os tubos atuam como atenuantes da temperatura do ar externo que penetra na
sala, causando um pré-aquecimento à noite e um pré-resfriamento durante o di-
a.
1.5 DELINEAMENTO
Durante o desenvolvimento da disciplina de Edificações e Comunidades Sustentáveis 1, a
revisão da literatura determinou as características da construção coerentes com uma arquitetu-
ra energeticamente eficiente e sustentável, bem como as técnicas construtivas a serem empre-
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Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
gadas (com vista em estudos futuros) e a melhor configuração dos espaços para o monitora-
mento de tais sistemas. A descrição física do protótipo, bem como dos materias empregados
encontra-se no capítulo 4.
Um estudo mais aprofundado e mais específico da bibliografia, descrito nos capítulos 2 e 3,
foi realizado para a execução do pré-dimensionamento do sistema de tubos. O delineamento
da pesquisa pode ser visto na figura 1.
Apresentação dos Resultados
e Validação das Hipóteses
Construção do Protótipo
e Instalação do Sistema
Revisão da Literatura
Instalação dos Sensores
e Medições
Projeto: Projeto:
Sistema de Dutos
Edificação
Avaliação
Figura 1: delineamento da pesquisa
Uma vez tendo os projetos definidos, foi executada a construção do protótipo, que se estendeu
até o dia 20 de outubro de 2005. Concomitantemente com a obra, foram determinados os tipos
de sensores necessários (baseados nas suas faixas de abrangência e precisão), bem como se
executou a calibração dos instrumentos. Nesse período também ocorreu o estudo piloto. Os
equipamentos utilizados, suas características e seu processo de calibração são descritos no
capítulo 5.
Uma terceira busca no referencial teórico ocorreu para determinar a melhor posição e configu-
ração dos equipamentos para uma correta leitura dos dados, sendo, inclusive, discutidos com
profissionais atuantes na área de experimentação os melhores meios para o registro de valores
sem interferências. Sendo assim, no momento em que a edificação apresentou as característi-
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Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
cas mínimas para ser monitorada (as medições ocorreram sem o protótipo apresentar revesti-
mentos de piso e parede) os sensores foram instalados, do modo descrito no capítulo 5.
Após a coleta dos dados, eles foram tratados estatisticamente e expostos a fim de validar ou
não as hipóteses iniciais do trabalho. O cruzamento dessas informações coletadas com a bibli-
ografia permitiu a tomada de conclusões e a avaliação do sistema do ponto de vista do desem-
penho higrotérmico.
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Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
2 O USO DO CALOR DO SOLO PARA O CONDICIONAMENTO
TÉRMICO DE AMBIENTES CONSTRUÍDOS
Neste capítulo, serão abordados os temas sobre o uso do potencial calorífico do solo, dando
ênfase aos relacionados ao condicionamento térmico de ambientes construídos.
Segundo a raiz etimológica, energia geotérmica é a energia em forma de calor armazenada na
crosta terrestre, que está contida nas rochas, cascalhos, areias e fluídos (água e ar) que preen-
chem seus poros e fraturas (VAZ; SATTLER, 2004). Poderíamos, então, descrever o trabalho
em questão como pertencente a tal grupo, pois geotermia seria o conjunto de ciências e técni-
cas que estuda e explora este calor.
Entretanto, o estudo bibliográfico revela que o termo “geotermia” é mais aplicado na prática
da geologia (na localização de jazidas naturais de fontes quentes no solo, principalmente água,
a temperaturas entre 90ºC e 180ºC) e da engenharia eletromecânica (na geração de energia
elétrica, na calefação, ou em processos industriais de secagem), como descrito por Pesce
(2003).
Para sistemas com temperaturas inferiores às mencionadas (inferiores a 90ºC), os recursos
geotérmicos apresentam uma grande variedade de atividades agrupadas sob o nome genérico
de “usos diretos” ou de “sistemas de baixa entalpia”. Entre eles, pode-se mencionar a calefa-
ção de ambientes, o processamento de alimentos, a lavagem e a secagem de lã, a fermentação,
a indústria papeleira, a produção de ácido sulfúrico, a manufatura de cimento, etc. (PESCE,
2003).
Embora incluídas no grupo anterior, os estudos do calor da terra em temperaturas ordinárias
têm seu principal foco em processos mecânicos de transferência de calor e massa com o solo.
Esses estudos são recentes e procuram aproveitar a grande inércia térmica da crosta terrestre
como um “reservatório” de energia calorífica, de onde é possível retirar ou armazenar calor
(HOLLMULER; LACHAL, 2001). A esse terceiro grupo é atribuída a ventilação natural pelo
subsolo, tema deste trabalho, para o qual será dirigido este capítulo.
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Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
2.1 BREVE HISTÓRICO
O uso da energia geotérmica remonta aos primeiros povos, principalmente nas regiões onde o
calor telúrico aflora à superfície ou em regiões de clima severo. Seu uso contempla propósitos
de recreação, de terapia e de adaptação ao meio (PESCE, 2003).
Os etruscos, há 3500 anos atrás, utilizavam a água aquecida naturalmente para a higiene pes-
soal e os colonos escandinavos, na Islândia, a levavam desde as fontes até suas vivendas, a-
través de dutos de madeira (PESCE, 2003). Oliveira (200-) aponta que os romanos, em Pom-
péia, construíam edificações diferentes das da época, pois eram dotadas de boa orientação
solar e eólica e incluíam o uso racional de iluminação e aproveitamento do vapor geotérmico
para o aquecimento dos ambientes, a higiene pessoal, o tratamento de doenças e o lazer.
O exemplo de uso do solo como armazenador térmico de data mais remota é apresentado pe-
los Vikings, na Escandinávia, que construíam suas casas parcial ou totalmente enterradas,
usando muita madeira e com telhado recoberto de turfa, de modo a manter os ambientes mais
aquecidos (FIGUEIREDO, 200-). Essa técnica foi usada em diferentes tempos da história e
em diferentes partes do mundo. Importantes habitações subterrâneas em vilas e comunidades
desenvolveram-se na região do Mediterrâneo (MIHALAKAKOU et alli, 1992) e suas aplica-
ções no período moderno foram descritas por inúmeros autores, como colocam Jacovides et
alli (1996).
Na América, os Maias desfrutavam de recursos de calor terrestre na arquitetura, na agricultura
e na higiene pessoal. São dessa época os fundamentos da tradição mexicana do ritual Temaz-
calli (Temaz = vapor, calli = casa) que busca a cura, a limpeza e a purificação do corpo e do
espírito através de banhos com vapor termal (VAZ; SATTLER 2004).
Alguns séculos depois surgiram os spas geotérmicos na Bélgica (1326). Esses centros eram
dedicados à recuperação física e mental, a partir do relaxamento obtido por banhos quentes
aproveitando o calor de fontes térmicas minerais. Os resorts americanos e os banhos sociais
japoneses são mais recentes. Em 1852 houve a inauguração do centro Calistoga, na Califórnia
(VAZ; SATTLER 2004). Os fluidos geotérmicos eram usados também como calefação de
cidades, como em Budapeste (Hungria), em algumas zonas de Paris, em cidades islandesas e
em várias regiões dos Estados Unidos (PESCE, 2003).
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Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Na Idade Moderna, se inicia o uso de vapores provenientes de fontes termais para a produção
de produtos químicos, derivados do ácido bórico na região de Larderello (Itália), hoje conhe-
cida como Boraciferous (VAZ; SATTLER, 2004). Com o tempo, o processo se desenvolveu e
as fontes passaram a ser aproveitadas na geração de energia elétrica a partir de 1904, onde a
produção continua até a atualidade (PESCE, 2003). Em 1913, a eletricidade era vendida e
aquecia poucas residências. Porém, em 1943, a geração geotérmica de eletricidade na Itália
era responsável pelo aquecimento de mais de 130.000 residências e produzia cerca de
130MW de potência (VAZ; SATTLER, 2004).
O século XX foi marcante para a humanidade, não apenas pelos conflitos mundiais, mas tam-
bém pelos impressionantes avanços tecnológicos. Vaz e Sattler (2004) colocam que a grande
oferta de combustíveis fósseis e o baixo entendimento dos resultados prejudiciais ao meio
ambiente, quando usados indiscriminadamente, tornaram inviável o desenvolvimento de qual-
quer outra fonte energética. Até a década de 60, quando o petróleo dava os primeiros sinais de
crise, a tecnologia da energia geotérmica ficou estagnada e restrita aos locais tradicionais de
uso. Após os choques políticos e econômicos gerados, a crise mostrou a fragilidade do siste-
ma econômico-energético vigente. Essa visão, aliada ao desenvolvimento de uma consciência
de proteção ao meio ambiente, criou o campo necessário para que as tecnologias limpas vol-
tassem a ser atrativas.
Hoje, o vapor produzido por líquidos quentes naturais em sistemas geotérmicos é uma alterna-
tiva às plantas de energia por queima de combustível fóssil, por fissão nuclear e por outros
meios. As perfurações modernas alcançam reservas de água e vapor aquecidos por magma,
até uma profundidade de 3.000m abaixo do nível do mar. Sistemas novos estão sendo desen-
volvidos, buscando furar rochas secas e quentes, situadas abaixo de vulcões inativos, para
nessas fissuras, forçar a circulação de água superficial, a qual regressará como vapor que po-
derá ser usado na geração de energia (PESCE, 2003).
No campo da construção, retomou-se o desenvolvimento de técnicas para explorar o calor do
solo a baixas temperaturas e seu uso como aquecedor ou refrigerador da edificação tem tido
um crescente interesse durante as últimas quatro décadas (JACOVIDES et alli, 1996). Hazer
(1975) coloca que duas estratégias são definidas: o contato direto com a terra que envolve
parte, ou totalmente, a edificação e o contato indireto, que envolve o uso de tubos enterrados,
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Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
por onde o ar interior ou exterior da edificação circula antes de ser trazido para dentro da edi-
ficação.
O uso de trocadores de calor terra-ar, na arquitetura moderna, para aquecimento ou refrigera-
ção de espaços, tem sido reportado freqüentemente durante as últimas décadas. Sistemas de
tubos enterrados, que garantem 100% do resfriamento da edificação, foram descritos por di-
versos pesquisadores na década de 90 (JACOVIDES et alli, 1996).
2.2 O USO DO POTENCIAL CALORÍFICO DO SOLO PARA
CONDICIONAMENTO TÉRMICO DE AMBIENTES CONSTRUÍDOS
Existem três fontes naturais de calor que influem no aquecimento do solo: zonas de aflora-
mento do magma do núcleo terrestre, desintegração de elementos radioativos – tais como po-
tássio, urânio e tório (existentes na plataforma continental) – e a radiação solar (PESCE,
2003). Dentre elas, a radiação solar é a fundamental para a vida no planeta por atuar em toda a
superfície terrestre, enquanto as demais atuam na crosta apenas em zonas anômalas. Desta
forma, muito pouco do aquecimento terrestre ocorre por fonte diferente do calor absorvido
diretamente da radiação solar pelo solo, o qual é re-emitido para a atmosfera (GRIMM, 200-).
Como os gases atmosféricos são bastante transparentes à radiação solar (ondas curtas) e mais
absorvente para radiação terrestre (ondas longas), a Terra é a maior fonte de calor do ar. A
atmosfera, portanto, é aquecida a partir da superfície terrestre, ocorrendo um decréscimo de
aproximadamente 6,5°C para cada quilometro de altitude. Quando a atmosfera absorve radia-
ção terrestre, ela se aquece e eventualmente irradia esta energia, para cima e para baixo, onde
é novamente absorvida pela Terra. Portanto, a superfície da Terra é continuamente suprida
com radiação da atmosfera e do sol. Esta energia será novamente emitida pela superfície da
Terra e uma parte retornará à atmosfera que, por sua vez, re-irradiará uma parte para a Terra e
assim por diante. Esse processo entre a superfície da Terra e a atmosfera torna a temperatura
média da Terra aproximadamente 35°C mais alta do que seria sem os gases absorvedores da
nossa atmosfera, tornando o planeta habitável (GRIMM, 200-).
A parte absorvida pelo solo aquece também as suas camadas superficiais por condução. Ex-
cluindo as zonas de afloramento de calor, as camadas entre 0,1m a 1,0m de profundidade (de
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Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
acordo com a sua difusidade térmica) sofrem variação diária de temperatura, enquanto as ca-
madas de até 20m sofrem apenas variação no ano, sendo, em ambos os casos, ao redor da mé-
dia anual. Essa variação é pequena se comparada com a da temperatura do ar nos mesmos
períodos, sendo assim, climas com noites frias e dias quentes ou invernos e verões rigorosos
são mais propícios ao uso do solo como “reservatório” térmico para o condicionamento de
ambientes (HOLLMULLER; LACHAL, 2001). Este é o foco do trabalho devido à maior uti-
lização, à maior disponibilidade, à possibilidade também de resfriamento do ambiente (dife-
rente das demais) e por ser a única disponível no sul do Brasil.
Não foram localizados dados muito precisos sobre a capacidade energética instalada na utili-
zação do potencial calorífico do solo no condicionamento térmico, uma vez que, como descri-
to anteriormente, os dados estão atribuídos ao nome comum.
Pesce (2003) não faz distinção entre a porcentagem que é utilizada por sistemas de baixas
temperatura e os sistemas de inércia térmica do solo, mas coloca que dos 80 países que con-
tam com a possibilidade de explorar comercialmente este recurso, 55 os empregam em uso
direto e não na geração de energia elétrica. Em 1999, o potencial instalado era de 16,2 MW.
Dessa potência, utilizava-se 37% no aquecimento de ambientes, 22% em águas medicinais,
14% em bombas de calor, 12% em estufas, 7% em aqüíferos, 6% em aplicações industriais e
2% em agricultura e outras aplicações.
Entre os citados, os referentes a condicionamento de edificações (calefação, bombas de calor
e estufas) totalizam 63% da energia total instalada e, dentro deste grupo, provavelmente este-
jam incluídos os sistemas inerciais, pois apresentam o mesmo princípio de funcionamento. O
mesmo autor coloca que este total demonstra que o uso direto é a forma de calor geotérmico
mais difundido atualmente para calefação de ambientes. Os países que se destacam em seu
uso são a Islândia, os Estados Unidos e a Nova Zelândia e as principais cidades são Budapeste
(Hungria), Reykjavík (Islândia) além de algumas zonas de Paris (França).
Mesmo sendo indiretamente a maior responsável pelo aquecimento atmosférico, por apresen-
tar uma grande inércia térmica, a temperatura do solo varia menos que a do ar durante o ano.
Sendo assim, durante o inverno, a temperatura do solo é consideravelmente maior que a dos
ambientes e, durante o verão, é menor (SANTAMOURIS et alli, 1996). Esse fenômeno tam-
bém é observado em variações diárias com o efeito do retardo térmico. À noite, quando a
temperatura do ar decresce rapidamente, o solo conserva o calor por mais tempo, perdendo-o
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lentamente e, durante o dia, o adquire com menor velocidade (HOLMULLER, 2003). Desta
forma, é possível utilizar a massa terrestre como um recurso de resfriamento ou aquecimento
natural para uma edificação, tanto de uma maneira passiva como ativa. No verão, a uma pro-
fundidade de poucos metros, é possível reduzir a temperatura ambiente, caso utilizemos seu
potencial como reservatório de calor (LENGEN, 2004).
O uso do solo como armazenador térmico, retirando o excesso de calor no verão e fornecen-
do-o no inverno pode ocorrer através dos contatos direto e indireto (HAZER, 1975).
2.2.1 Contato Direto
O uso do solo para condicionamento térmico de edificações por contato direto foi o mais utili-
zado ao longo da história. As edificações construídas parcial ou totalmente enterradas têm
suas variações de temperatura amenizadas por essa troca de calor constante com o solo. Há
muitos exemplos, em sua maioria estão localizados em regiões de frio severo ou com grande
variação de temperatura ao longo do ano. Entre eles, se destacam as casas de praticamente
todos dos povos antigos do norte da Europa, as adegas italianas e os índios da serra do sul do
Brasil (descrito respectivamente por OLIVEIRA, 200-; FIGUEIREDO, 200-; JACOVIDES et
alli, 1996 e WEIMER, 1992).
Edificações com contato direto com o solo oferecem várias vantagens, como limitadas infil-
tração e perdas de calor, proteções solar e de calor, reduções do barulho e da vibração, prote-
ções contra o fogo e contra tempestades e grande segurança. Em adição, elas apresentam be-
nefícios ambientais, já que sua manutenção e sua operacionalidade são de custo reduzido. Em
contraste, freqüentemente são encontrados problemas de condensação na parte interna de su-
perfícies em contato com o solo, de resposta demorada do ar interno à variação climática e de
baixa qualidade desse ar uma vez que nem sempre esses ambientes são adequadamente venti-
lados (JACOVIDES et alli, 1996).
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Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
2.2.2 Contato Indireto
O uso do solo por contato indireto é bastante recente e ainda pouco difundido, apesar de suas
inúmeras vantagens (FISK; TURIEL, 1995). O mecanismo para usar o solo dessa maneira é
enterrar dutos no solo e fazer circular ar (ou outro fluído) por dentro deles. A troca de calor
entre o solo e o fluido através de tubos pode reduzir o consumo energético requerido de uma
edificação e é largamente usado para prover ar refrigerado a estufas e outras edificações
(SANTAMOURIS; LEFAS, 1986).
Os dutos que percorrem o subsolo podem adquirir diversas configurações que variam com as
capacidades do local e com as exigências de uso. Quanto à circulação do fluido, o sistema
pode ser aberto ou fechado e, quanto à distribuição dos dutos, horizontal ou vertical. A esco-
lha do sentido da serpentina no solo depende da disponibilidade de espaço. Os trocadores ver-
ticais (figura 2) exigem escavações mais profundas, mas podem ser utilizados em terrenos
com restrições de espaço e prejudicam menos a cobertura do solo. São geralmente mais caros,
porém apresentam melhor rendimento que os tubos horizontais (FISK; TURIEL, 1995).
Figura 2: exemplo de tubos verticais (esquerda) de tubos horizontais
(direita) (fonte: FISK; TURIEL, 1995)
O sistema horizontal é indicado em locais onde não há restrições de terreno. É o desenho mais
popular. Tubos de plástico especial são enterrados em linhas com profundidades entre 1m e
2m. A profundidade depende do clima e do número de tubos em cada linha. Para locais com
certa restrição de espaço, pode ser utilizada uma espiral. Para garantir a eficiência do sistema
16
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
e impedir vazamentos, deve ser utilizada como tubo uma liga especial de polietileno, com
ligação a fusão (FISK; TURIEL, 1982).
No sistema fechado, o fluido utilizado para a transferência de calor circula constantemente
pressurizado através dos tubos enquanto o sistema está em operação, trocando calor com o
solo, sem ser disperso no exterior ou no interior. Esse sistema permite o uso de fluidos com
características térmicas mais propícias e que executam trocas térmicas com mais eficiência
com o solo através de dutos plásticos ou de cobre. O fluído pode trocar calor com o ar da cen-
tral de condicionamento que será conduzido pelo sistema de tubulação, ou ser conduzido dire-
tamente para o local final de uso (FISK; TURIEL, 1995).
Figura 3: exemplo de sistema aberto com uso de água (esquerda)
(fonte: FISK; TURIEL, 1995) e uso de ar (direita) (fonte:
SANTAMOURIS et alli, 1995)
No sistema aberto (figura 3), o fluído (ar ou água) é disperso em um ou ambos os meios. Sis-
temas abertos que utilizam água são recomendados em locais onde haja um poço, uma fonte
ou um córrego. O ideal é que a coleta e o descarte não ocorram no mesmo recipiente ou ocor-
ram com o máximo de diferença de altura ou de distância. A quantidade de água é variável
dependendo do tamanho do sistema; para residências, geralmente é de 20 a 75 litros por minu-
to. Águas de baixa qualidade podem causar sérios problemas no sistema, pois podem entupir
os registros. Leis locais de proteção ambiental podem restringir ou proibir do uso do sistema.
Esse sistema é principalmente utilizado em instalações industriais ou habitações coletivas,
17
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
permitindo explorar grandes quantidades de calor a custos relativamente baixos (FISK; TU-
RIEL, 1995).
Os sistemas abertos, que utilizam o ar como fluído, podem captar e insuflar o ar de dentro da
própria edificação ou captar ar no exterior e injetá-lo no interior. O primeiro modelo é mais
difundido e empregado, principalmente em estufas vegetais. O segundo apresenta uma maior
renovação do ar e é conhecido como ventilação pelo subsolo (LENGEN, 2004).
As transferências térmicas entre o ar dos dutos e o solo influenciam-se mutuamente, indican-
do que há acoplamento entre os gradientes de temperatura desses dois elementos. O solo que
envolve os dutos é um meio poroso insaturado, caracterizado por espaços (poros) onde exis-
tem água e ar. Assim sendo, em resposta ao gradiente de temperatura produzido pelo escoa-
mento interno, há diferenças simultâneas de calor e de umidade no solo, devido à ação combi-
nada dos gradientes de temperatura e de umidade (LOMBARDI, 2005).
Foram localizados na bibliografia 3 sistemas do uso indireto do calor do solo: as bombas de
calor, a ventilação por tubos enterrados e a ventilação natural pelo subsolo.
2.2.2.1 Bombas de Calor
Segundo o site da International Ground Source Heat Pump (IGSHPA, 200-), bombas de calor
são sistemas movidos a energia elétrica que utilizam a energia do sol armazenada no solo ou
no ar. Esses sistemas utilizam a temperatura relativamente constante do solo para prover a-
quecimento ou refrigeração do ar, além de água quente para casas e edificações comerciais.
As bombas de calor, através de um compressor, transferem o calor de fontes naturais para a
edificação durante o inverno, e o oposto durante o verão. Elas também podem prover água
quente, controle de umidade e controle da infiltração de ar. A eficiência é alta devido ao
transporte de calor de um ponto para outro, sendo melhor que a criação de calor através da
combustão (IGSHPA, 200-).
Embora o princípio exista desde o início do século XX (geladeiras e condicionadores de ar
são bombas de calor), para aquecimento residencial, ele não foi adaptado, até os anos 70.
Mesmo após os 30 anos seguintes de avaliação, esse sistema ainda não é totalmente entendido
18
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
e apreciado pela população. O sistema de bombas de calor não pode ser substituído por um
sistema solar passivo em qualquer situação, pois o segundo não funciona em invernos frios e
nublados dos climas nórdicos (FISK; TURIEL, 1982), enquanto o primeiro atua sem restri-
ções.
O fluido que circula em um sistema de bombas de calor varia conforme o equipamento insta-
lado e a configuração do sistema, podendo ser água, ar ou gás refrigerante. O uso do ar é o
mais comum, podendo ser utilizado em praticamente qualquer situação. A água é utilizada em
situações onde as condições do ambiente permitem e o gás quando se pretende um alto rendi-
mento do sistema (FISK; TURIEL, 1995).
Figura 4: esquema do sistema de bombas de calor fonte-ar típico
(esquerda) e fonte-solo típico (direita) (fonte: FISK; TURIEL, 1995)
Existem dois modelos de bombas de calor (figura 4): os que utilizam o ar interno da casa para
pré-aquecer ou pré-refrigerar o ar novo (sistema de bombas de calor fonte-ar
1
) e os que utili-
zam a terra para o mesmo fim (sistema de bombas de calor fonte-solo ou GeoExchange). Em-
bora o sistema fonte-ar, se bem dimensionado, possa ser utilizado mesmo em climas mais
1
Não foram localizados textos em português que se refiram aos termos ground-source e air-source, neste traba-
lho se adotou a tradução fonte-terra e fonte-ar, respectivamente.
19
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
severos, ele consumirá mais energia quando comparado ao sistema fonte-solo, que é útil e
econômico em qualquer tipo de clima. (FISK; TURIEL, 1995).
Os sistemas fonte-ar consomem entre 25% e 50% menos eletricidade que sistemas de óleo e
gás natural e até 70% menos eletricidade que sistemas de ar condicionado (dados adquiridos
nos EUA). O GHPC (Ground-source Heat Pump Council) estima que, se comparado com
sistemas tradicionais de aquecimento e resfriamento, o sistema tenha reduzido 1,5 milhões de
toneladas de gases emitidos por estufas e/ou 300 trilhões de Btus, em 2005. Inclusive, a A-
gência de Proteção Ambiental Americana destaca que o sistema é o mais energeticamente
eficiente, mais ambientalmente limpo e com melhor relação custo-benefício entre os sistemas
de condicionamento de ambientes (IGSHPA, 200-).
Figura 5: sistema de operação básico das bombas de calor (fonte:
FISK; TURIEL, 1995)
A figura 5 mostra de maneira esquemática o sistema de operação do sistema de bombas de
calor. As válvulas permitem o ciclo reverso do sistema, possibilitando aquecimento e resfria-
mento. Os trocadores de calor são feitos de tubos em serpentina para aumentar a superfície de
contato e transferir o calor de um meio para o outro (fonte → gás refrigerante → ambiente).
Caso necessário, uma fonte alternativa de calor é instalada, para casos onde a temperatura
20
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
externa possa cair drasticamente e impeça que as bombas de calor aqueçam devidamente o
ambiente. Os termostatos garantem que as condições internas respeitem parâmetros de míni-
mo e de máximo de temperatura. É possível utilizar-se também de termostatos externos ou
programáveis com horário, para melhorar a eficiência do sistema (FISK; TURIEL, 1982).
Sistemas fonte-solo são compostos de três equipamentos: o grupo de tubos no subsolo exteri-
or à casa, a unidade de bombeamento interna e o sistema de distribuição do ar. Por não existir
unidade externa exposta, não ocorrem problemas de vandalismo, de congelamento, de danos
por gelo ou por neve, nem outros incidentes climáticos (FISK; TURIEL, 1995).
2.2.2.2 Dutos Enterrados
O fluido que circula em um sistema de dutos enterrados pode ser água ou ar. O uso do ar é o
mais comum, podendo ser utilizado em praticamente qualquer situação. Boulard e Baille
(1986) constataram que o sistema terra-ar induz menos perdas de eficiência que o sistema ar-
água.
Existem vários exemplos de uso de tubos enterrados em estufas, como demonstrado por San-
tamouris et alli (1996). Os tubos geralmente são de plástico, de alumínio ou de concreto, de
diâmetros entre 10 e 20cm. Eles são enterrados a profundidades entre 0,5m e 2,0m abaixo da
estufa, em uma ou duas linhas horizontais espaçadas em aproximadamente de 0,4m. Estufas
que contêm tubos enterrados têm um consumo anual de energia reduzido em 30-60% em rela-
ção a estufas convencionais. A temperatura interna é de 3 ºC a 10 ºC maior que a temperatura
externa (SANTAMOURIS et alli, 1996). Segundo Hollmuller (2004), para que ocorra pré-
aquecimento no inverno, é necessária a estação quente.
O estudo da bibliografia permite concluir que a eficiência do sistema dos tubos enterrados
depende das características do tubo (material e diâmetro), da configuração do sistema (distân-
cia ente eixos, comprimento, inclinação, profundidade e velocidade de circulação do fluido) e
das características do solo (difusidade térmica, umidade e tipo de cobertura). Santamouris e
Lefas (1986) colocam que seu correto dimensionamento exige o conhecimento aprofundado
sobre os ciclos diário e anual de temperatura do ar e do solo. Tzaferis et alli (1992) comentam
que as fórmulas logarítmicas desenvolvidas pelos centros de pesquisa na Europa e na América
21
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
do Norte permitem simular seu comportamento com um erro médio de aproximadamente
3,3%.
2.2.2.3 Ventilação Natural através do Subsolo
Um sistema derivado e variante do sistema de dutos enterrados é a ventilação através do sub-
solo. Sua principal diferença (e característica) é a inexistência de componentes mecânicos
para a circulação de ar. Essa peculiaridade exige que o sistema apresente uma forma linear e
seja aberto nos meios exterior e interior.
Lengen (2004) coloca que este sistema é uma forma de ventilar o ambiente por diferença de
temperatura e, para que ocorra de uma maneira eficiente, é preciso uma abertura na parte su-
perior da casa, permitindo que o ar quente saia. A tubulação deve passar pelo menos a 2,0m
de profundidade. Para refrigerar, o adequado são manilhas de drenagem de barro ou de cimen-
to com diâmetro de 0,10m. Deve-se proteger a entrada de ar com um chapéu de lata para que
não entre chuva, mas deixando passar o ar. A entrada de ar no ambiente deve ter uma tela de
mosquiteiro para que não entrem insetos. A tela é fixada em uma moldura aparafusada na
parede, para facilitar sua limpeza periódica. Sobre a tela de mosqueteiro, colocamos um gradil
para controlar a entrada de ar, como vemos na figura 6.
Figura 6: esquema de ventilação pelo subsolo (fonte: LENGEN, 2004)
22
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
A saída de ar pode ficar escondida sob um banco ou base de armário. Este tipo de ventilação
não funciona quando o nível do lençol freático está acima do nível dos tubos enterrados. O
tamanho das manilhas depende da temperatura e da umidade do subsolo, do tamanho dos
quartos, da vegetação e do tamanho do terreno. Caso o terreno seja curto, é possível fazer tu-
bos separados para cada cômodo da casa (LENGEN, 2004).
2.3 INFLUÊNCIA DA CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA NA EFICIÊNCIA
DAS TROCAS DE CALOR COM O SOLO
Como anteriormente colocado, os tubos enterrados permitem o uso da inércia do solo de for-
ma indireta. Entretanto, estudos sobre o comportamento da ventilação pelo subsolo são raros e
não foram localizadas pesquisas conclusivas sobre o assunto. Os poucos exemplos encontra-
dos apresentam dados escassos e nenhuma fonte que permita a comparação entre os sistemas.
Devido a similaridades nas configurações dos sistemas, este capítulo apresenta conclusões de
trabalhos pertinentes aos três sistemas acima descritos (bombas de calor, tubos enterrados e
ventilação pelo subsolo).
Na revisão de bibliografia, identificamos que, atualmente, existem três pólos de estudos sobre
o uso da inércia do solo para condicionamento de ambientes: Grécia, Suíça e os Estados Uni-
dos. Outros estudos foram encontrados, inclusive no Brasil, mas todos estavam conectados de
alguma forma a esses centros principais.
2.3.1 Modelos Matemáticos
Como em qualquer outro sistema baseado em energias renováveis, o uso de tubos enterrados
necessita de um dimensionamento cauteloso e complexo (HOLLMULLER; LACHAL, 2001).
Como visto por Santamouris et alli (1995 e 1996), Hollmuller (2003) e Lombardi (2005) ele
envolve características do tubo (material e diâmetro), da configuração do sistema (distância
ente eixos, comprimento, inclinação, profundidade e velocidade de circulação do fluido) e das
características do solo (difusidade térmica, umidade e tipo de cobertura).
23
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Para simular sua eficiência e determinar seu dimensionamento, vários algoritmos foram pro-
postos, cada um deduzindo e validando um específico parâmetro (TZAFERIS et alli, 1992).
As fórmulas logarítmicas desenvolvidas pelos centros de pesquisa, na Europa e na América
do Norte, permitem simular seu comportamento com um erro médio de 3,2% (SANTAMOU-
RIS et alli, 1996). Contudo, há importantes dependências e variabilidade do desempenho do
sistema em função das características térmicas e geométricas. Conseqüentemente, tais algo-
ritmos não são automaticamente válidos para todo conjunto de fatores, e são necessários estu-
dos mais detalhados (TZAFERIS et alli, 1992).
Tzaferis et alli (1992) realizaram um estudo comparativo entre oito algoritmos para dimensio-
namento de dutos enterrados. Eles foram classificados em dois grupos. O primeiro grupo in-
clui os que primeiro calculam a transferência de calor convectiva da circulação do ar no tubo
e depois a troca de calor por condução do tubo para o solo e dentro da massa do solo. Os in-
clusos nesse grupo necessitam, como dados de entrada, as características geométricas do sis-
tema, as características térmicas do solo, as características térmicas do tubo e a temperatura
do solo não variável. O segundo grupo inclui os que calculam somente a convectividade da
transferência de calor da circulação do ar dentro de um tubo. Eles necessitam, como dados de
entrada, as características geométricas do sistema, as características térmicas do tubo e a tem-
peratura da superfície do tubo. Como é possível observar, as fórmulas matemáticas desenvol-
vidas não consideram todos os parâmetros existentes.
O referido autor estudou o algoritmo de Schiller (1982), o algoritmo de Santamouris e Lefas
(1986), o algoritmo de Rodriguez et alli (1988), o algoritmo de Levite et alli (1989), o algo-
ritmo de Motta e Younf (1985), o algoritmo de Elmer e Schiller (1982), o algoritmo de Sodha
et alli (1984) e o algoritmo de Chen et alli (1983). Todos os algoritmos apresentam um erro
em torno de 3,4%, à exceção de Shodha et alli, 1984 e o algoritmo de Schiller, 1982, que a-
presentam erros de 4,3% e 5,4% respectivamente.
Os resultados dos algoritmos estudados por Tzaferis et alli (1992) demonstram que, com o
aumento do comprimento do tubo, é previsto um aumento rápido da troca de calor com o solo
até o limite de 50m, a partir do qual as trocas de temperatura se mostram praticamente nulas.
O aumento do diâmetro se mostra desfavorável para a troca de calor, pois a velocidade é cons-
tante e, embora a superfície de contato aumente linearmente, a vazão aumenta exponencial-
mente. Sendo assim, a variação de temperatura reduz-se rapidamente até 0,15m e se mantém
24
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
praticamente constante a partir dos 0,2m. Já com o aumento da profundidade, a temperatura
de saída decresce exponencialmente.
O autor conclui, assim, que somente mudanças dentro de certo limite de velocidade do ar den-
tro do tubo, bem como de seu comprimento e de seu diâmetro podem mudar a temperatura de
saída. Após este limite, as mudanças não são muito eficientes. O autor comparou, também, os
resultados das simulações com os obtidos em um protótipo experimental e constatou que to-
das as linhas médias estavam bastante precisas, porém as máximas e mínimas apresentavam
maiores diferenças, como vemos na figura 7.
Figura 7: gráfico demonstrando os resultados das comparações de
logaritmos executado por Tzaferis (fonte: TZAFERIS et alli, 1992)
Gauthier et alli (1997) sugerem a substituição de dutos de seção circular por dutos de seção
quadrada de área de superfície iguais através da fórmula: DL .2/
π
= . O autor esclarece
que, assim, ocorre redução no tempo de cálculo, uma vez que o modelo matemático apresenta
linhas paralelas e perpendiculares com a superfície (e conseqüentemente também com o gra-
diente de temperatura). Lombardi (2005) utiliza este conceito e também constata que a dife-
rença nos resultados é insignificante.
Kabashnikov et alli (2002) colocam a dificuldade de pré-dimensionamento dos tubos e sugere
o uso de método rápido e relativamente simples de cálculo, embora ainda rigoroso. Considera
que a temperatura do solo é constante abaixo de 1m, que a distância entre tubos permite seu
25
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
cálculo independente, que a temperatura ao longo do tubo é constante e que a bomba de ar
independe do tempo. Nesse modelo simplificado, devido à exclusão da influência de convec-
ção dentro do tubo, quanto mais lento o fluxo de ar e mais estreito o tubo, mais próximo o
valor obtido será do resultado experimental.
Hollmuller (2003) desenvolveu um modelo matemático que depois foi validado em uma solu-
ção analítica e em monitoramento in loco. O modelo permite geometria flexível com diferen-
tes tipos de solo e condições de borda. Permite estudo da difusão de calor nas três dimensões,
leva em consideração os calores latente e sensível, permite o ensaio com infiltração de água,
permite o controle do sentido do ar e é compatível com o sistema TRNSYS.
2.3.2 Variáveis do Sistema
Conforme visto anteriormente, uma série de variáveis interfere no comportamento dos dutos
enterrados. Na seqüência, serão descritas as mais relevantes destacadas pela bibliografia, co-
mo se comportam e como diferentes autores abordaram o tema.
2.3.2.1 O Clima
Um projeto energeticamente eficiente de edificações requer um detalhado e aprimorado co-
nhecimento da amplitude e da distribuição da temperatura do ambiente (TSELPIDAKI et alli,
1993). O sistema de tubos enterrados exige o mesmo cuidado, principalmente com os ciclos
diários e anuais (SANTAMOURIS et alli, 1996). O desenvolvimento recente de importantes
técnicas de uso passivo de energia solar tem oferecido uma análise detalhada das informações
sobre os dados de temperatura ambiente. Contudo, a compilação dos dados é feita principal-
mente para motivos de aquecimento, e pouca informação é executada para o projeto e a avali-
ação de sistemas de refrigeração ou para avaliar o desempenho de edificações no verão
(TSELPIDAKI et alli, 1993).
Técnicas e sistemas passivos e híbridos requerem informações adicionais às tradicionalmente
coletadas, a exemplo do potencial de ventilação noturno, tais como a variação diária de tem-
peratura com valores máximos e mínimos, a freqüência e a distribuição das temperaturas em
26
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
porcentagem e o número de dias consecutivos com temperatura acima de um determinado
valor (HOLLMULLER, 2004 e TSELPIDAKI et alli, 1993). Não foi encontrado qualquer
trabalho ou medição desta natureza com dados em períodos relevantes para o estado do Rio
Grande do Sul.
Tselpidaki et alli (1993) colocam que o dimensionamento de sistemas de refrigeração com
base nas normas da ASHRAE leva ao super-dimensionamento do sistema de refrigeração e é
inapropriado para o dimensionamento de técnicas passivas e híbridas, baseadas na dissipação
natural para armazenadores de calor (convecção, evaporação, radiação e contato).
Não é do conhecimento do autor a existência de trabalhos que descrevam da relevância do
clima sobre a ventilação pelo subsolo. Imagina-se, porém, que entre os elementos climáticos
possíveis de apresentar influência estão: a temperatura do ar, a radiação solar, o vento (velo-
cidade e direção) e a pluviosidade.
2.3.2.2 O Solo
Como visto anteriormente, o principal responsável pelo aquecimento do ar é o solo. Este fe-
nômeno faz com que as variações de temperatura do solo e do ar ocorram de maneira senoidal
similar. Para prever o funcionamento das técnicas de captação do calor do solo direta ou indi-
reta, é necessário o conhecimento deste perfil da variação da temperatura do solo em várias
profundidades, ao longo do dia e do ano (JACOVIDES et alli, 1996 e SANTAMOURIS et
alli, 1996).
2.3.2.2.1 Tipos de solo
O tipo de solo interfere significativamente no processo de troca de calor com os dutos. Quanto
maior a condutividade, maior será a troca térmica (BOJIÉ et alli, 1997). O calor no solo se
armazena de maneira latente e pode ser guardado dessa forma por entre 10h e 12h. Assim, é
possível armazenar o calor durante o dia e utilizá-lo à noite (SANTAMOURIS et alli, 1996).
Como será visto na seqüência, solos mais úmidos têm maior capacidade calorífica. Essa pro-
priedade é mais importante para situações onde os dutos estão mais próximos e são mais cur-
27
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
tos. No momento em que distanciamos os tubos ou aumentamos seu comprimento, essa pro-
priedade é minimizada, chegando a ser independente o armazenamento de calor no solo para
distâncias entre eixos de mais de 0,25m para qualquer comprimento. Esta conclusão é aponta-
da por Lombardi (2005) para solos com fator de umidade acima de 25%, velocidade abaixo de
4m/s e diâmetro do tubo de 0,10 m como demonstrado na figura 8.
Desta forma, é correto afirmar que, em climas com grande amplitude térmica diária, é preferí-
vel solos com baixa difusidade térmica, que permitam a utilização do calor armazenado. Para
situação de clima predominantemente quente ou frio, o ideal são solos com maior dissipação
de calor (LOMBARDI, 2005).
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
Conteúdo de umidade
0
5
10
15
20
Calor armazenado por unidade de volume (MJ/m³)
Diâmetro do duto = 0,1 m
Velocidade do ar = 4 m/s
L = 5 m
d
=
0
,
2
0
m
d
=
0
,
2
5
m
d
=
0
,
3
0
m
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
Conteúdo de umidade
0
5
10
15
20
Calor armazenado por unidade de volume (MJ/m³)
Diâmetro do duto = 0,1 m
Velocidade do ar = 4 m/s
L = 10 m
d
=
0
,
2
0
m
d
=
0
,
2
5
m
d
=
0
,
3
0
m
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
Conteúdo de umidade
0
5
10
15
20
Calor armazenado por unidade de volume (MJ/m³)
Diâmetro do duto = 0,1 m
Velocidade do ar = 4 m/s
L = 20 m
d
=
0
,
2
0
m
d
=
0
,
2
5
m
d
=
0
,
3
0
m
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50
Conteúdo de umidade
0
5
10
15
20
Calor armazenado por unidade de volume (MJ/m³)
Diâmetro do duto = 0,1 m
Velocidade do ar = 4 m/s
L = 30 m
d = 0,20 m
d = 0,25 m
d = 0,30 m
Figura 8: gráficos demonstrando o calor armazenado no solo em
função do conteúdo de umidade (%) (fonte: LOMBARDI, 2005)
28
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
2.3.2.2.2 Profundidade
A temperatura do solo varia com a profundidade. Quanto maior a camada de solo, maior será
sua capacidade calorífica e maior também o seu potencial de aquecimento ou resfriamento. As
variações diárias e sazonais no subsolo, porém, são pequenas a profundidades de apenas al-
guns metros (SANTAMOURIS et alli, 1996). Segundo Kurpaska et alli (2004), esse efeito
ocorre porque a influência da radiação solar diária na temperatura do solo é insignificante
abaixo de 0,15m e, na umidade, é insignificante abaixo de 0,25m (figura 9).
Figura 9: gráfico demonstrando os resultados calculados (linha) e
medidos (símbolo) para as mudanças dinâmicas no substrato para
temp. (esquerda) e conteúdo de água (direita). (legenda: ---- +: 5cm; -
.-.-.- ∆: 15cm; ...... x: 25cm) (fonte: KURUPASKA et alli, 2004)
10ºC 10ºC
40ºC 40ºC
30ºC 30ºC
20ºC 20ºC
0ºC 0ºC
JAN
12h
JAN
12h
MAR
20h
MAR
MAI
4h
MAI
JUL
12h
JUL
SET
20h
NOV
4h
Média diária de temperatura
Temperatura do ar
Temperatura do solo
Média anual de temperatura
Temperatura do ar
Temperatura do solo
Figura 10: gráfico da curva ideal anual e diária de temperatura do solo
e do ar
29
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Vaz e Sattler (2004) colocam que dependendo da difusidade do solo, as profundidades do solo
que são influenciadas pelos ciclos diário e anual se alteram. Segundo os autores, o limite da
profundidade do solo que sofre variação diária equivale aproximadamente 1/15 da profundi-
dade que sobre variação anual. Os autores colocam ainda que, abaixo dessa profundidade, a
temperatura é constante e próxima à média anual de temperatura. Dessa forma, temos uma
variação senoidal anual que varia em torno da temperatura média do ano e uma variação se-
noidal diária em torno da média do dia, como mostrado a figura 10.
É importante ressaltar que as medições sobre a temperatura do solo, a várias profundidades,
são espacial e temporalmente limitadas. Os dados de temperatura existentes, bem como as
propriedades do solo, só podem ser utilizados localmente (JACOVIDES et alli, 1996).
Uma vez implantado o sistema de dutos, ocorre uma modificação no comportamento térmico
do solo, como vemos na figura 11, de Kurpaska et alli (2004). O aumento da temperatura do
substrato durante o processo passa a ser resultado de duas trocas de calor que afetam o subs-
trato: o calor dos dutos e a radiação do sol. É bom observar que a radiação do sol é cíclica e,
com a chegada do verão, transfere cada vez mais calor para o solo com o aumento dos dias.
Figura 11: gráfico demonstrando as isolinhas de temperatura e
conteúdo de água no substrato após 48h (esquerda) e 64h (direita)
(fonte: KURPASKA et alli, 2004)
Hollmuller (2004) coloca que o ideal para o pré-aquecimento é a colocação de tubos entre 2m
e 3m de profundidade, para não sofrerem com a variação diária de temperatura. Caso os tubos
estejam colocados no subsolo da edificação, eles devem estar distanciados em, pelo menos
30
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
3m, ou poderá ocorrer perda energética. Para o resfriamento, o ideal são profundidades em
torno de 0,50m.
2.3.2.2.3 Cobertura do solo
Em estudos comparativos com solos cobertos por asfalto e crus, Santamouris et alli (1996)
observaram que diferentes coberturas do solo causam impactos sobre o desempenho dos tro-
cadores de calor, dependendo das características da superfície do solo. Com base em estudos
similares, Hollmuller (2004) sugere, para resfriamento, profundidades de 0,50m dos tubos
enterrados para áreas sombreadas. Essa profundidade, porém, aumenta para entre 1m a 2m
nas áreas com elementos na superfície de grande absorção de radiação solar.
Mihalakakou et alli (1996), em Atenas, através de estudos em solos cobertos com vegetais,
apresentam resultados similares. Segundo seus estudos, durante o inverno, solos cobertos a-
presentaram temperaturas de 1ºC a 1,5ºC menores que os expostos. Já no verão, os solos co-
bertos apresentaram as temperaturas em média 8ºC abaixo das registradas nos solos descober-
tos, chegando a 12ºC em dias de grande insolação. No período da noite, os solos cobertos fi-
caram em média entre 1ºC e 2ºC mais quentes que os cobertos durante todo o ano. O autor
conclui que solos cobertos por vegetais são mais isolantes, reduzindo positivamente suas vari-
ações térmicas.
2.3.2.2.4 Umidade
Puri (1986) concluiu de que os movimentos de umidade produzem efeitos na transferência de
calor no solo, porque sua difusidade térmica varia com o conteúdo de água. Ferreira (1993),
estudando cabos de alta tensão enterrados, conclui que, a altas temperaturas, ocorre a migra-
ção da umidade de locais mais quentes (próximos do tubo) para regiões mais frias, onde con-
densam. A baixa umidade reduziu a condutividade térmica dos solos, gerando um superaque-
cimento dos cabos e, conseqüentemente, sua ruptura.
Esse fenômeno ocorre devido à atuação de dois processos no solo adjacente aos dutos: trocas
de calor e trocas de massa (água do solo). O processo de troca de calor é conseqüência da di-
31
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
ferença de temperatura entre a área quente dos tubos e as partículas do solo. Isto resulta em
uma região de temperaturas não-uniformes adjacentes ao substrato do solo, que gera fluxo de
água. Como conseqüência desse mecanismo, ocorrem trocas de calor e de massa no leito do
solo, resultando em aumento da temperatura e em redução da umidade (KURPASKA et alli,
2004).
Gautiher et alli (1994), conduzindo uma análise dimensional do processo de transferência de
calor em solos que sofreram uma variação de temperatura de até 10ºC por um período de 24
horas, concluíram que os fluxos de umidade contribuem com menos de 0,1% do calor total
transferido no solo, sendo considerado insignificante. Essa é a principal justificativa para não
incluir a variação de umidade no estudo do sistema trocador-armazenador de calor no solo.
Lombardi (2005), através de simulações matemáticas, confirma os dados encontrados pelos
autores acima citados, sendo a umidade do solo irrelevante para o calor armazenado nos solos
no caso de dutos enterrados para ventilação. Kurpaska et alli (2004), porém, através de simu-
lações e estudos em campo, encontraram uma variação de umidade de 9%, o que discorda das
conclusões de Puri (1986), de Gautiher et alli (1994) e de Lombardi (2005), embora também
coloque que o valor seja desprezível.
2.3.2.3 Os Dutos
Este capítulo trata da importância das características dos dutos bem como de suas proprieda-
des físicas para os resultados obtidos.
2.3.2.3.1 Diâmetro do duto
É previsível que o aumento do diâmetro reduza a temperatura final do ar de saída, devido ao
maior volume de ar em transição (para uma mesma velocidade). Além disso, Santamouris et
alli (1996), em ensaios com tubos de 0,12m, 0,18m e 0,25m e com velocidade constante, con-
cluíram que o aumento do diâmetro dos tubos reduz também a transferência de calor por con-
vecção no interior do duto, acarretando na diminuição de trocas térmicas entre o ar e o solo,
reduzindo a capacidade do sistema.
32
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
Lombardi (2005) chegou a uma conclusão semelhante, observando que, em tubos de menor
diâmetro, as diferenças entre as trocas de calor com o solo são mais acentuadas do que com
os de maior diâmetro. Ele destaca, porém, que tubos com maior diâmetro perdem menos efi-
ciência caso seu comprimento seja aumentado.
2.3.2.3.2 Comprimento dos Dutos
O aumento do comprimento do tubo aumenta a área de contato com o solo, facilitando as to-
cas térmicas com o solo (SANTAMOURIS et alli, 1996). Porém, as trocas térmicas entre o ar
e o solo decrescem exponencialmente ao longo do duto, pois a diferença de temperatura do ar
e o solo, ao longo do tubo, diminui (LOMBARDI, 2005). Isso quer dizer que a capacidade de
trocar calor do solo aumenta com o aumento do tubo até um “ponto de saturação”, que depen-
de da freqüência de oscilações da temperatura e do volume de ar circulando no interior do
duto. O “ponto de saturação” ocorreria quando a temperatura do ar se iguala à temperatura das
paredes dos tubos (KABASHNIKOV et alli, 2002).
0 5 10 15 20 25 30
L (m)
0
4
8
12
16
20
24
28
Calor armazenado por unidade de volume (MJ/m³)
d
=
0
,
2
5
m
d
=
0
,
2
0
m
d
=
0
,
3
0
m
d
=
0
,
4
5
m
d
=
0
,
6
0
m
Diâmetro do duto = 0,1 m
Conteúdo de umidade = 0,25
Velocidade do ar = 4 m/s
0 5 10 15 20 25 30
L (m)
0
4
8
12
16
20
24
28
Calor armazenado por unidade de volume (MJ/m³)
Diâmetro do duto = 0,2 m
Conteúdo de umidade = 0,25
Velocidade do ar = 4 m/s
d
=
0
,
3
0
m
d
=
0
,
3
5
m
d
=
0
,
4
0
m
d
=
0
,
4
5
m
d
=
0
,
6
0
m
Figura 12: gráfico do calor armazenado no solo em função do
comprimento do duto (fonte: LOMBARDI, 2005)
Gauthier et alli (1997), em estudos com tubos de diâmetro de 10,8cm, descrevem como inter-
valo ideal para tubos enterrados as faixas entre 5m e 20m e denominam os tubos maiores de
33
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
“dutos de grande comprimento”. Esse comprimento máximo representa a saturação dos tubos
para esse diâmetro.
Lombardi (2005) observa que tubos com maior diâmetro apresentam menor perda de eficiên-
cia com seu aumento do comprimento e disposição mais linear na perda de calor para o solo
por comprimento, como observa-se na figura 12. Ou seja, tubos com maior diâmetro aumen-
tam o limite de saturação de 20m, recomendados por Gauthier et alli (1997), em decorrência
do aumento de superfície e da vazão.
2.3.2.3.3 Velocidade / vazão
A renovação do ar tem um efeito negativo no inverno e deve ser mantido em níveis mínimos.
No verão tem efeitos positivos quando acoplado com um buffer inercial, como o sistema de
tubos enterrados (HOLLMULLER; LACHAL, 2001).
2 4 6 8 10
Velocidade do escoamento (m/s)
0
5
10
15
20
25
Calor armazenado por unidade de volume (MJ/m³)
Diâmetro do duto = 0,1 m
Conteúdo de umidade = 0,25
L = 5 m
d
=
0
,
2
0
m
d
=
0
,
2
5
m
d
=
0
,
3
0
m
1
1
.0
1
6
.
5
1
9
.
5
2
1
.3
2
2
.
5
2 4 6 8 10
Velocidade do escoamento (m/s)
0
5
10
15
20
25
Calor armazenado por unidade de volume (MJ/m³)
Diâmetro do duto = 0,1 m
Conteúdo de umidade = 0,25
L = 20 m
d
=
0
,
2
0
m
d
=
0
,
2
5
m
d
=
0
,
3
0
m
Figura 13: gráfico do calor armazenado no solo em função da
velocidade de escoamento do ar (fonte: LOMBARDI, 2005)
O aumento da velocidade de escoamento do ar dentro do duto aumenta as trocas térmicas en-
tre o ar e o solo, pois há um incremento no fluxo de massa dentro do tubo. Esse crescimento
não é linear, como indica a figura 13 (LOMBARDI 2005). Gauthier et alli (1997), baseado em
modelagens em dutos isolados, recomendam velocidades de 4m/s para o escoamento máximo
34
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
dentro dos dutos, alegando que valores maiores são contrabalançados pelo crescimento subs-
tancial da potência do sopro (proporcional ao quadrado da velocidade de escoamento).
O sistema de tubos enterrados pode ser utilizado da mesma forma que a ventilação noturna,
fornecendo grande volume de ar quando a temperatura final do sistema é menor que a tempe-
ratura de conforto. Na Europa central, a redução da variação diária de temperatura com tubos
enterrados oferece o mesmo resfriamento da ventilação noturna, fornecendo temperaturas em
níveis agradáveis mesmo durante as horas quentes (HOLLMULLER, 2004).
2.3.2.3.4 Utilização de água no sistema
Hollmuller e Lachal (2001) observam que a infiltração de água no sistema de dutos, no verão,
afeta sensivelmente a extração de calor do ar de uma maneira positiva, aumentando em torno
de 26% o resfriamento do ar através da evaporação. Os autores colocam que os parâmetros
higiênicos não estão em evidência em seus estudos e que pode gerar problemas de higiene e
de proliferação de larvas, uma vez que a água fica parada dentro dos dutos.
2.3.2.3.5 Distanciamento entre dutos
Quanto maior a distância entre os dutos, mais eficiente é o funcionamento do sistema (figura
14). A redução do espaço entre os dutos representa uma perda de 5% a 15% da capacidade de
troca com o solo por metro. À distância de 1m, os solos perdem entre 10% e 25 % de capaci-
dade se comparados com o sistema de tubos ideais dispostos em distâncias infinitas. Essa in-
fluência praticamente não depende do diâmetro dos tubos (KURUPASKA et alli, 2004). Para
caso de dutos muito próximos, a temperatura do solo variará muito rapidamente e ele perderá
sua eficiência como trocador de calor caso não tenha uma difusidade térmica adequada, como
vemos na figura 14 (LOMBARDI, 2005).
35
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
d (m)
0
5
10
15
20
25
Calor armazenado por unidade de volume (MJ/m³)
Conteúdo de umidade = 0,25
Velocidade do ar = 4 m/s
D
i
â
m
=
0
,
1
m
L = 5 m
L = 10 m
L = 20 m
D
i
â
m
=
0
,
1
5
m
D
i
â
m
=
0
,
2
m
Figura 14: gráfico do calor armazenado no solo em função da
distancia entre centros dos dutos (fonte: LOMBARDI, 2005)
Figura 15: gráficos do distanciamento ideal entre os dutos para a
situação de pré-aquecimento (esquerda) e pré-refrigeração (direita) e
da temperatura mínima, máxima e interna (fonte: HOLLMULLER,
2004)
Hollmuller (2004) coloca que o ideal, para uma situação de pré-aquecimento, são dutos dis-
tanciados equivalentes à zona de perturbação de temperatura anual do duto no solo, enquanto
36
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
para pré-refrigeração, o ideal é a colocação de dutos mais próximos, gerando uma zona de
perturbação anual linear, como vemos na figura 15.
2.3.2.3.6 Inclinação
Não foram localizados estudos quantitativos quanto à influência da inclinação no sistema de
dutos enterrados. Lengen (2004) coloca que, para a situação de resfriamento, os dutos podem
ser horizontais, contando que haja uma janela alta na peça ventilada. Já na situação de aque-
cimento, é necessária uma inclinação ascendente da boca de entrada e ar para a boca interna.
2.4 ESTUDOS DE CASO OU EXPERIMENTOS
Existem inúmeros experimentos e edificações onde se utiliza o solo para climatizar termica-
mente os ambientes, em distintas regiões do globo. Os exemplos aqui demonstrados são os
mais representativos em termos de documentação bibliográfica e de demonstração de resulta-
dos.
2.4.1 Complexo de Seis Casas localizadas na Vila Costozza, Itália
Bottero et alli (1983) descrevem o complexo de seis casas localizadas na vila Costozza, um
subúrbio de Longare, no sopé das montanhas Berici, a 10km de Vicenza, Itália. As edifica-
ções foram construídas em tempos diferentes, iniciadas no ano de 1550, e sujeitas a várias
modificações e renovações nos séculos seguintes. Contudo, todas elas mantêm um denomina-
dor comum: seu sistema de refrigeração natural, que utiliza o ar gelado provindo de grandes
buracos no subsolo chamados “covoli” (parte naturais e parte escavados dentro das monta-
nhas) ao fundo das casas. A temperatura do ar dentro dessas cavernas é bastante estável, apro-
ximadamente entre 11ºC e 12ºC.
Os mesmos autores colocam que o “covoli” se comunica com o exterior através de diversas
aberturas localizadas em alturas diferentes. Quando o ar exterior é mais quente que o interior,
37
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
é estabelecida uma circulação de ar natural: o ar aquecido entra no “covoli” através das aber-
turas superiores e é refrigerado antes de sair através das aberturas inferiores. Para tirar provei-
to deste refrigerador natural, as casas foram conectadas às partes inferiores do “covoli”, dire-
tamente ou através de túneis cavados no subsolo. Esses túneis chamados “ventidotti” (literal-
mente dutos de vento) chegam a ter algumas centenas de metros.
Segundo os autores, o “ventidotti” termina na base das edificações. Através dele, o ar refrige-
rado chega aos quartos superiores e uma grelha, de pedra ou de mármore, liga esses compar-
timentos aos do térreo. O efeito refrigerador é considerável, por exemplo, ao final de julho,
enquanto a temperatura medida em uma sala onde a grelha estava fechada estava em torno de
20,5ºC a 21,5ºC, na sala ao lado, com a grelha aberta, o ar estava a uma temperatura de 16ºC
enquanto o ar exterior estava a 33ºC. O sistema de refrigeração das casas de Costozza é famo-
so e foi admirado nos seus tempos. Há relatos do sistema descritos pelo arquiteto Palladio, no
primeiro volume dos seus “Quatro Livros de Arquitetura”.
2.4.2 Escola em La Pampa, Argentina
A escola construída em La Pampa, na Argentina, para alunos de ensino médio, tem 950m².
Apresenta três salas de aula, uma área administrativa, uma pedagógica, um auditório multiuso
e banheiros. Foi construída de modo a utilizar meios passivos para reduzir a energia, como
janelas norte para captação de energia solar no inverno e iluminação natural, ventilação natu-
ral por duto de seção retangular e coletores solares para condicionamento de ar (LARSEN et
alli, 2003).
O duto único enterrado foi projetado para prover conforto térmico no verão a área de 167m²
do laboratório. Foi executado com paredes de tijolo de 0,11m, está enterrado a 0,40m de pro-
fundidade, tem 29m de comprimento e seção retangular de 40x65cm. Os últimos metros do
tubo estão localizados sob a escola. O ar exterior que circula através do duto entra no labora-
tório através de uma abertura localizada na parede sul. Essa abertura foi colocada dentro de
um closet no qual a porta pode ser fechada quando não se desejar renovações de ar (LARSEN
et alli, 2003).
38
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
Foi monitorada a temperatura e a umidade do ar no interior do tubo (a 6m e 12m de distância),
a temperatura do ar externa, as temperaturas do solo a 2m e 4,5m de profundidade sob o labo-
ratório, a radiação solar e a velocidade do vento exterior. As medições ocorreram em 15 dias
no verão a cada 15 minutos e em 7 dias no inverno (LARSEN et alli, 2003).
A temperatura do ar no duto foi, em média, aquecida em 1,4ºC durante a noite, e resfriada em
1,5ºC durante o dia. A amplitude térmica dentro do tubo foi menor que a do ar exterior. A
temperatura do ar registrada, no interior da sala, foi sempre superior à temperatura do ar que é
insuflado pelo duto, e a velocidade média computada foi de 0,5 m/s. Através de simulações
executadas com o programa SIMEDIF, concluiu-se que a presença do tubo não alterou subs-
tancialmente a distribuição de temperatura do solo (LARSEN et alli, 2003).
2.4.3 Laboratório de Energia Solar da UFRGS
O prédio do laboratório de pesquisas em energia solar da UFRGS, localizado no Campus Vale
dessa universidade, afastado do centro da cidade, foi projetado de acordo com os princípios da
arquitetura solar, empregando sistemas passivos para ganho direto e indireto, conforme des-
crito por Figueira, 2005.
Esse autor coloca que o prédio foi projetado para melhorar o conforto térmico ao longo do
ano. É conhecido o fato de que na latitude de Porto Alegre a fachada norte recebe mais radia-
ção solar durante o inverno. Sendo assim, o prédio foi construído alongado no sentido leste-
oeste, de modo a dispor uma grande área de janelas para o norte, onde estão também localiza-
dos os sistemas passivos.
A forma adotada permite a entrada de luz e radiação solar no interior do prédio durante o in-
verno, quando se tem as menores altitudes solares, e impede a sua entrada durante o verão,
quando se tem as maiores altitudes, através da marquise dimensionada para esse fim. A distri-
buição dos ambientes também considerou a orientação além do tempo de ocupação. Os locais
de serviço estão voltados para a face sul do prédio (que recebe menos radiação e esfria com os
ventos desta direção) e as de uso mais freqüente localizam-se a norte (FIGUEIRA, 2005).
39
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Figura 16: Esquema de circulação natural do ar no interior do
laboratório de energia solar da UFRGS durante o verão (fonte:
FIGUEIRA, 2005)
Entre os sistemas passivos instalados encontra-se o de ventilação pelo subsolo. A Figura 16
ilustra o modo de operação do sistema no verão. Observe que existe um canal que permite que
o ar seja retirado da face sul e inserido no interior do laboratório, produzindo uma ventilação
natural. Essa tomada de ar na face sul capta ar de um local sombreado por vegetação. A venti-
lação é potencializada pela exaustão do ar aquecido pelo coletor solar na fachada norte, atra-
vés da chaminé. Nos dias em que há vento, as janelas superiores são abertas, proporcionando
outra fonte de ventilação. No inverno o sistema fica fechado e opera apenas com o coletor
solar acumulador (FIGUEIRA, 2005).
2.4.4 Estufas para Vegetais
Santamouris et alli (1995) colocam que tubos enterrados de plástico ou alumínio são usual-
mente utilizados em estufas vegetais. Na maioria das vezes, dispostos longitudinalmente, com
entrada e saída de ar nas extremidades opostas do ambiente. O ar do interior da estufa circula
através dos tubos no subsolo, que atuam como trocadores de calor entre a terra e o ar. O sis-
tema pode atuar tanto para aquecimento durante a noite (quando há perdas de calor para o
meio), quanto para resfriamento durante o dia (quando a temperatura do ar interna é elevada,
resultado do aquecimento provido pela radiação solar).
40
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
Mesmo em dias claros do inverno, os ganhos por radiação solar podem ser grandes, tornando
necessário reduzir a temperatura interna. A ventilação natural pode ser usada para remover
este calor contido na estufa. Porém, alternativamente, o excesso de calor pode ser removido
da estufa e transferido ao solo, que atua como um armazenador de calor para uso posterior
(noturno). O ar quente da estufa é circulado através do subsolo pelos tubos e o excesso de
calor é transferido para ele. Este processo reduz a temperatura do ar interno a níveis aceitáveis
durante o dia, enquanto o excesso de calor é armazenado na forma de calor latente por até 12
horas. Durante a noite, o solo funciona como um fornecedor desse calor em processo similar
ao ocorrido durante o dia, somado ao efeito de condução do calor até a superfície, onde por
ser transferido ao ambiente por condução e radiação (SANTAMOURIS et alli, 1995).
Estes sistemas podem ser combinados com princípios da arquitetura bioclimática, tanto no
caso de estufas quanto de outras edificações térreas, principalmente com paredes trombe vol-
tadas para orientação norte, que servem como sistema armazenador de calor passivo. Materi-
ais com alta inércia térmica, como concreto, blocos de concreto e tonéis de água podem ser
usados para absorver a grande radiação solar durante o dia e, durante a noite, transferir esse
calor por radiação ou convecção para a estufa. Esta combinação satisfaz entre 30 e 55% das
exigências de energia em estufas convencionais (SANTAMOURIS et alli, 1995).
2.4.5 Prédio Caroubier em Genebra, Suíça
O prédio residencial multifamiliar e comercial Caroubier (figura 17) fica na cidade de Gene-
bra, Suíça, e tem uma área de 2.900m². O sistema consiste em 49 tubos enterrados de 0,125m
de diâmetro, 50,0m de comprimento, 0,30m de distância entre eixos, enterrados a 0,50m sob o
subsolo do estacionamento, totalizando 980m² de superfície de contato entre o ar nos tubos e a
terra. Sua principal destinação é o aquecimento. O volume de ar no inverno varia entre
2.400m³/h e 3.000m³/h. A descarga final dos tubos, após circular pela edificação, é feita na
garagem e tem efeitos positivos na renovação do ar desse ambiente. Com o uso do sistema, o
custo da área aquecida ficou em 250Mj/m²/ano e a economia para refrigeração em
82Mj/m²/ano, fazendo com que o investimento tenha retorno em um ano de uso (HOLL-
MULLER; LACHAL, 2001 e HOLLMULLER, 2004).
41
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Figura 17: corte esquemático de funcionamento do sistema de dutos
enterrados (esquerda) e gráfico de temperatura interna (direita) (fonte:
HOLLMULER; LACHAL, 2004)
42
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
3 VENTILAÇÃO NATURAL DE HABITAÇÕES
Como descrito na ABNT (1980), ventilação é o processo de renovar o ar de um recinto. Frota
e Schiffer (1988) complementam essa definição colocando que “a ventilação natural é o des-
locamento do ar através do edifício, através de aberturas, umas funcionando como entrada e
outras, como saída. (...) Ela proporciona a renovação do ar dos ambientes, sendo de grande
importância para a higiene e (até certo ponto) para o conforto térmico de verão, em regiões de
clima temperado e clima quente úmido”. O fluxo que entra ou sai do edifício depende da dife-
rença de pressão entre os ambientes internos e externos, da resistência ao fluxo de ar ofereci-
do pelas aberturas, pelas obstruções internas e por uma série de fatores relativos à incidência
do vento e à forma do edifício (idem).
Além do período do ano, as exigências de ventilação também variam de acordo com as dife-
renças tipológicas e construtivas entre as edificações. Além disso, são dependentes, da finali-
dade de uso de cada compartimento, bem como com a quantidade de ocupantes e seus hábitos
(fumar ou praticar exercícios, por exemplo). A ventilação deve ser controlada de forma a não
gerar correntes de ar incômodas para os ocupantes e não incrementar desnecessariamente as
perdas energéticas nos meses em que, por razões de conforto térmico, é necessário proceder o
aquecimento das habitações. São relevantes as condições de temperatura no interior e no exte-
rior das habitações para o estabelecimento das necessidades de ventilação e dos métodos a
adotar (LNEC, 1994).
Uma vez que a utilização dos espaços é variada, de acordo com o período do dia, as normas
técnicas de alguns países fazem diferenciação para a taxa de renovação de ar exigida para
situação do ambiente em uso e do ambiente sem uso. Essa postura é favorável, principalmen-
te, para situações onde a ação mecânica é imprescindível na ventilação, por permitir a redução
do consumo energético. O Município de Porto Alegre, através do seu Código de Edificações
(L.C. 289/92), permite a ventilação mecânica em lavabos (quando dotados exclusivamente de
sanitários e lavatórios), em circulações, em garagens e em depósitos condominiais. O código,
porém não deixar claro o número de renovações necessárias entre os períodos de uso e desu-
so, sendo o usual acionar o dispositivo de ventilação, juntamente com a chave de luz.
43
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
3.1 FINALIDADES DA VENTILAÇÃO
A maioria dos autores aborda a ventilação natural com duas funções básicas: a higiênica e a
térmica. TOLEDO (2001), porém, subdivide a segunda função em outras duas partes: o con-
forto do usuário e a remoção do calor do ambiente. O primeiro critério, de ventilação dos am-
bientes, se baseia nos requisitos básicos de exigências humanas, tais como o oxigênio e o gás
carbônico, além de desconcentrar odores corporais que podem causar náuseas, dores de cabe-
ça e mal estar. Outra importante função da ventilação é a remoção do excesso de calor e de
umidade dos ambientes e o terceiro fator é o conforto termo-higrométrico, com o incremento
de trocas de calor por convecção e evaporação entre o corpo e o ar do recinto. Desta forma, a
ventilação obedece a necessidades diferentes, já que a primeira tem que ser de caráter perma-
nente e deve ser satisfeita em qualquer época do ano, enquanto as demais importam apenas
quando o microclima interno é quente e o ar exterior tem uma temperatura menor que o inte-
rior.
Costa (1983) coloca que, no verão, quando o calor interno é maior que o externo e há grande
concentração de pessoas e equipamentos, uma ventilação interna é necessária, mesmo que
com o ar exterior não tratado. No inverno, a ventilação com o ar exterior não tratado é um
ônus para o conforto térmico do ar interior da habitação e deve se restringir àquela necessária
à manutenção das condições higiênicas do ambiente. Em ambos os casos, segundo o autor, o
tratamento do ar de ventilação é sempre vantajoso. Ele pode ser feito ao natural (a) tomando-
se o ar em microclima adequado (zonas arejadas, claras ou com vegetação intensa), (b) provo-
cando, em climas secos, a umidificação adiabática parcial do ar ou (c) tomando o ar através de
túneis, com uma elevada área de contacto com a terra (mais de 2m²/m³ de habitação).
Note-se que é impossível assegurar, recorrendo exclusivamente a processos de ventilação
natural, que a renovação de ar de projeto seja cumprida em qualquer instante considerado.
Contudo, respeitando algumas recomendações mínimas, é de se esperar que as taxas de reno-
vação de ar possam se aproximar das exigidas para um conjunto bastante abrangente de con-
dições interiores e exteriores (LNEC, 1994).
44
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
3.1.1 Ventilação Higiênicas, Mínima ou de Inverno
Como descrito por alguns autores (FROTA e SCHIFFER, 1988 e GIVONI, 1976), a utiliza-
ção corrente das habitações inclui atividades das quais resultam substâncias poluentes, cuja
remoção é necessária para a existência de um ambiente adequado à permanência dos ocupan-
tes ou para a realização das diversas atividades, garantindo o comburente necessário à realiza-
ção de combustões completas. Para tanto, é necessário proceder a evacuação das substâncias
poluentes e a admissão de ar limpo do exterior. Costa (1982) coloca que um ambiente é con-
siderado salubre quando o ar que o mesmo contém apresenta propriedades físicas (pressão,
temperatura, umidade e movimentação) e químicas tais que, possibilitem favoravelmente a
vida em seu meio.
Essas substâncias (entre as quais se destacam o vapor d’água, o dióxido de carbono, o monó-
xido de carbono e os odores) resultam, principalmente, da atividade fisiológica humana, da
combustão nos aparelhos termodomésticos, do uso de tabaco e de atividades domésticas, co-
mo a preparação dos alimentos, a lavagem e secagem de louça e de roupa e a utilização das
instalações sanitárias. Essas substâncias podem afetar diretamente a permanência dos ocupan-
tes pela sua toxicidade, nomeadamente o caso do monóxido de carbono, ou pelo incômodo,
como é o caso dos odores (LNEC, 1994).
Os limites para as concentrações dessas substâncias variam de acordo com a sua toxicidade e
com as características do uso do ambiente. Costa (1982) coloca que, caso o ar fosse totalmen-
te substituído, os índices de troca seriam bem menores. A questão, entretanto, é que não ocor-
re a substituição e sim a diluição, pois o ar resultante da ventilação se mistura com o ar do
ambiente e, assim, exige taxas maiores de renovação. Os valores correntemente mais aceitos
são os indicados pela American Conference of Governmental Industrial Hygienists de onde é
derivada a NB-10 da ABNT (tabela 1).
Quando a umidade relativa do ar é elevada para além do desconforto que os ocupantes sen-
tem, podem ocorrer condensações em locais cuja temperatura superficial se encontra abaixo
do ponto de orvalho. A existência de água no estado líquido, depositada nas superfícies ou
atingindo materiais higroscópicos, pode criar um meio propício ao desenvolvimento de fun-
gos e de bolores, podendo resultar daí a danificação desses materiais ou a criação de um am-
biente pouco saudável para a permanência dos ocupantes. Para o caso de vapor d’água, as
45
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
condensações serão evitadas, desde que não existam superfícies com temperaturas inferiores à
de orvalho. A satisfação destes limites requer a renovação do ar do interior das habitações,
dependendo a sua intensidade da massa de água que é libertada para o ar ambiente, por unida-
de de tempo (LNEC, 1994).
Tabela 1: índices de renovação de ar por pessoa para cada tipo de
ambiente (fonte: NB-10 da ABNT)
Local m³ por pessoa
preferível mínima
percentagem de
pessoas fumando
Apartamentos 35 25 Baixa
Bancos 25 17 Baixa
Barbearias 25 17 Baixa
Bares 35 25 30%
Escritórios (geral) 25 17 Baixa
Estúdios 35 25 0
Lojas 13 8 0
Quartos (hospitais) 25 17 Baixa
Quartos (hotéis) 25 17 Baixa
Residências 35 25 Baixa
Restaurantes 35 25 25%
Salas de diretores 50 40 100%
Salas de operações (hospitais) - - 0
Teatros, cinemas, auditórios 12 10 0
Salas de aula 50 40 0
Sala de reunião 35 25 Baixa
A tabela 2 ilustra a produção de dióxido de carbono e de vapor d’água na queima de combus-
tíveis decorrentes da utilização doméstica. A tabela 3 ilustra a liberação de calor e a produção
de dióxido de carbono e de vapor d’água devido ao metabolismo dos seres humanos em fun-
ção da intensidade da atividade desenvolvida (LNEC, 1994).
Este tipo de ventilação deve ser geral e permanente, mesmo durante os períodos em que as
temperaturas exteriores obrigam a manter as janelas fechadas. Para tanto, é necessário prever
46
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
aberturas, através da envoltória do edifício e dos limites internos dos diversos espaços, fun-
cionando permanentemente. Essas aberturas podem estar providas de dispositivos de regula-
ção, que permitam o controle das taxas de renovação de ar e não inibam a ventilação na tota-
lidade. Entende-se por índice de renovação do ar a relação entre o volume de ar que penetra
no ambiente, por hora, e o volume do mesmo.
Tabela 2: produção de dióxido de carbono e de vapor de água na
combustão (fonte: LNEC, 1994)
Combustível Vapor de água
(g/h por kW)
Dióxido de Carbono
(L/s por kW)
Gás natural 150 0,027
GPL 130 0,033
Querosene 100 0,034
Coque 30 0,048
Antracito 10 0,048
Tabela 3: liberação de calor e produção de dióxido de carbono e de
vapor de água no metabolismo humano (LNEC, 1994)
Atividade Metabolismo
(W)
Dióxido de Carbono
(L/s)
Vapor de água
(g/h)
Repouso 100 0,0040 40
Trabalho leve 160 a 320 0,0064 a 0,0128 50
Trabalho moderado 320 a 480 0,0128 a 0,0192 50
Trabalho pesado 480 a 650 0,0192 a 0,0260 50
Trabalho muito pesado 650 a 800 0,0260 a 0,0320 50
Embora, de maneira geral, todos os elementos que constituem a envoltória do edifício sejam
permeáveis ao ar, devido à existência de juntas ou de fendas, estas pequenas aberturas não são
adequadas para efeito de ventilação. As infiltrações ou extrações que por aí ocorrem são difí-
ceis de controlar e podem produzir nichos de ar parado que provocam distúrbios nos esque-
mas de ventilação. Essas infiltrações devem ser, todavia, consideradas sob o ponto de vista de
conservação de energia, pois seu valor não pode ser negligenciado (LNEC, 1994).
47
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
3.1.2 Ventilação Térmica ou de Verão
Como descrito por Rivero (1985), quando, além da ventilação necessária para a respiração,
deseja-se melhorar as condições de conforto térmico do ambiente, é necessário taxas de reno-
vação de ar bem maiores do que as recomendadas para assegurar a qualidade do ar respirável.
O mesmo autor coloca que este benefício deve se estender a todos os elementos que compõem
o espaço interior, como os fechamentos e os móveis, que são sempre grandes depósitos de
calor.
Costa (1983) coloca que o resfriamento do edifício por ventilação, na estação quente, é dese-
jável apenas quando os ganhos de temperatura (somatório dos ganhos internos e externos)
elevam a temperatura acima da temperatura exterior. Mascaró et alli (2001) complementa que
em climas quentes e úmidos o efeito do vento sobre as superfícies é desejável e favorece o
resfriamento, uma vez que estas superfícies estão frequentemente úmidas e tendem a resfriar
mais facilmente devido à evaporação.
Segundo Frota e Schiffer (1988) a carga térmica transferida pela ventilação será:
tVNQ
vent
∆
=
...35,0 (equação 1)
Onde “N” é o número de renovações por hora, “V” é a velocidade do vento externo ou inci-
dente nas fachadas em m/s, “
t
∆
” é a diferença de temperatura entre o ar interno e o externo
em ºC.
É importante observar que existem limites para a velocidade de circulação de ar dentro do
ambiente. A não-observação desse parâmetro pode causar sério desconforto, como menciona-
do pela ASHRAE (2001). De acordo com a ABNT (NB-10), a velocidade do ar na zona de
ocupação, isto é, no espaço compreendido entre o piso e o nível de 1,5m, deve ficar compre-
endida entre 0,025m/s e 0,25m/s, se constante. Excepcionalmente, será permitido ultrapassar
esses limites na vizinhança das grelhas de retorno e de insuflamento que, por necessidade de
construção, forem localizadas abaixo do nível de 1,50m e no espaço normalmente ocupado
por pessoas.
48
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
3.1.3 O Efeito da Ventilação no Conforto Térmico
A velocidade do vento é uma variável determinante no conforto térmico que influencia dire-
tamente na quantidade de calor transmitido por convecção. Ela é referenciada nos índices de
conforto – tanto biofísicos quanto fisiológicos e subjetivos – como uma estratégia para situa-
ções onde a temperatura está (até certo ponto) acima da situação de conforto (TOLEDO,
2001). Segundo Mascaró et alli (2001), ela é a única variável de conforto capaz de reduzir o
estresse térmico gerado pela alta temperatura associada à alta umidade.
Toledo (2001) observa que a legislação brasileira estabelece valores de taxas de renovação de
ar apenas para ambientes climatizados artificialmente, não havendo similar para os natural-
mente ventilados. Porém, a influência da velocidade do vento sobre o conforto já foi estudada
por inúmeros autores, que apresentam recomendações bioclimáticas, tanto no espaço urbano,
quanto para o interior edificado, sobretudo em climas quentes e úmidos. Entre eles podemos
destacar Olgyay (1998), Givoni (1976, 1992), Mascaró et alli (2001), Rivero (1985) e Lam-
berts e Xavier. (2002).
Estes estudos demonstram que, para climas tropicais, em edifícios naturalmente ventilados e
para indivíduos adaptados ao calor, há uma tolerância maior às variáveis térmicas e, nesse
caso, os limites de conforto estabelecidos podem ser significativamente ampliados (GIVONI,
1992). Lamberts et alli (2004) apresentam as estratégias construtivas propostas por GIVONI
(1976), adaptadas para a situação de países em desenvolvimento – onde os edifícios não apre-
sentam condicionamento do ar e a reação à variação do clima externo é mais assimilada pelo
usuário. Na Carta Bioclimática proposta, a zona de conforto é apresentada entre os limites de
18ºC e 26ºC, para umidade relativa do ar de 80%, sendo ampliada para 29ºC, para umidade de
50%. Nela são apresentadas seis estratégias bioclimáticas para corrigir as condições de con-
forto térmico e duas estratégias artificiais. Segundo a carta, a ventilação natural se aplica para
situações onde a temperatura do ar ultrapassa os 29ºC ou a umidade relativa do ar for superior
a 80%, até um limite de temperatura do ar exterior de 32ºC.
Mascaró et alli (2001) afirma que, em condições quentes e úmidas, a velocidade do ar é tão
importante quanto o volume de ar por pessoa. Mesmo com pequenas diferenças de temperatu-
ra entre o ar interior e o exterior, a ventilação natural poderá reduzir a excessiva umidade do
interior e proporcionar conforto térmico aos seus usuários, através do aumento das trocas de
49
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
calor pela convecção, com a evaporação do suor. A tabela 4 apresenta esta afirmação de for-
ma numérica, com a sensação subjetiva e térmica causada no usuário. Como observado na
mesma tabela, e descrito pela ASHRAE (2001), a velocidade do ar apresenta um limite má-
ximo aceitável pelo usuário da edificação a extrapolação de tal limite é apontado como um
fator de extremo desconforto.
Tabela 4: efeito da velocidade do vento sobre o usuário e influência na
sensação térmica (fonte: EVANS; SCHILLER, 1994)
Velocidade
do ar (m/s)
Efeito sobre o usuário Redução aparente na
temperatura (ºC)
0,1 Falta de ventilação 0,0
0,25 Significante só quando as temperaturas são baixas 0,7
0,5 Refrescante 1,2
1,0 Confortável, mas sempre o movimento do ar é nota-
do. Máxima velocidade do ar à noite
2,2
1,5 Máxima velocidade do ar dentro da edificação 3,3
2,0 Aceitável apenas sob condições de alta umidade e
temperatura.
4,2
3.2 TIPOS DE VENTILAÇÃO
Frota e Schiffer (1988), entre outros autores, colocam que a ventilação natural ocorre pela
diferença de pressão exercida pelo ar sobre um edifício, pelo vento externo, ou pela diferença
de densidade do ar, por ação da temperatura. A força dos ventos promove a movimentação do
ar através do ambiente, produzindo a ventilação denominada ação dos ventos. O efeito da
diferença de densidade provoca o chamado efeito chaminé. Quando a ventilação natural de
um edifício é criteriosamente estudada, verifica-se a conjugação dos dois processos. No en-
tanto, sua simultaneidade pode resultar em um somatório de forças ou fazer com que ajam em
contraposição e prejudiquem a ventilação dos ambientes.
O aquecimento do interior dos edifícios, que decorre das atividades aí desenvolvidas, dos ga-
nhos solares através dos vãos envidraçados e do funcionamento dos aparelhos de aquecimen-
50
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
to, intensifica a ação da ventilação e tem um papel fundamental em situações climáticas de
inverno. Quando a temperatura exterior é muito elevada, pelo contrário, é indesejável que a
temperatura no interior das habitações seja ainda mais elevada, sendo, portanto, conveniente
intensificar a ventilação por ação do vento para evitar o sobre-aquecimento. Em qualquer das
situações, é posta em evidência a necessidade de realizar de forma controlada a ventilação dos
edifícios de habitação, sob pena de serem criadas condições inadequadas à permanência de
pessoas (LNEC, 1994).
3.2.1 Ventilação por Diferença de Densidade ou Efeito Chaminé
O efeito chaminé resulta da diferença de pressão originada da diferença de temperatura ou do
ar interno e externo ao edifício ou das massas de ar junto ao piso e junto ao forro. Os ganhos
de calor a que o edifício está submetido ocasionam a elevação da temperatura do ar contido
em seu interior, que se torna menos denso e ascende. Se o recinto dispuser de aberturas pró-
ximas ao piso e ao teto, o ar interno (por estar mais aquecido que o externo) tenderá a sair
pelas aberturas superiores e entrar pelas inferiores. O fluxo de ar será mais intenso quanto
maior for essa diferença de alturas (entre as aberturas) ou de temperatura (LNEC, 1994).
Figura 18: croquis explicativos das distribuições de pressões em uma
caixa cúbica de aresta “a” (fonte: FROTA; SCHIFFER, 1988)
O fenômeno de deslocamento de ar por efeito chaminé é freqüentemente exemplificado atra-
vés de uma caixa cúbica de aresta “a”, cuja temperatura interna é maior que a externa. A figu-
ra 18 demonstra as resultantes da pressão para caso exista uma abertura nas paredes, junto (a)
a base da caixa, (b) ao topo da caixa e (c) em ambas as posições. No primeiro caso, o interior
estará em estado de subpressão ou rarefação, enquanto no segundo em sobrepressão ou com-
51
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
pressão. A terceira situação ocasionará um efeito combinado das duas anteriores, com sobre-
pressão na região inferior e subpressão na superior. Nessa condição, o ar penetra no cubo pelo
rasgo inferior e sai do cubo pelo rasgo superior. A linha que dá a passagem da região de rare-
fação para a de compressão representa a zona neutra, onde a diferença de pressão entre o inte-
rior e o exterior é nula. Uma pequena abertura realizada nessa altura não ocasionará fluxo de
ar (FROTA; SCHIFFER, 1988).
Existem duas fórmulas básicas para cálculo do fluxo de ar por efeito chaminé. Na primeira,
admite-se uma temperatura média do ar externo e interno e é valida para casos mais gerais,
como escolas e habitações, e exclui situações de grande produção de calor interno (equação
2). A segunda pode ser empregada na generalidade dos casos em que se conhece a diferença
de temperatura do ar próximo ao piso e ao forro (equação 3) (FROTA; SCHIFFER, 1988 e
COSTA, 1982).
IttHA
eic
.)(.128,0 −=Φ
(Equação 2)
∑
−
=Φ
b
bs
c
T
TTHg
.
)(.2
1
λ
(Equação 3)
Em ambas, “
c
Φ
” é o fluxo de ar por de diferença de temperatura, “A” é a menor área de en-
trada ou saída do ar, “H” é a diferença de altura, “t
i
” é a temperatura do ar interno médio, “t
e
”
é a temperatura do ar externo médio, “I” é o incremento da vazão causado pelo excesso de
área de uma abertura em relação à outra, “g” é a aceleração da gravidade, “T
s
” é a temperatura
junto à base, “T
b
” é a temperatura junto ao topo e “
∑
1
λ
” é o somatório das resistências.
Salienta-se que os processos de ventilação natural estão inteiramente dependentes do delicado
balanço das ações promovidas pela pressão do vento e pela diferença de temperatura (quando
não são implementados quaisquer dispositivos mecânicos de ventilação forçada). Considera-
se, no entanto, que a ação térmica só poderá promover uma ventilação eficaz quando a tempe-
ratura média no interior do edifício apresentar, em relação à temperatura exterior, um diferen-
cial superior a 8ºC. Isto implica que esta solução seja normalmente levada em consideração
52
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
em situações de inverno. Nos restantes períodos do ano, admite-se que seja a ação do vento a
garantir, em regra, a renovação do ar no interior dos edifícios (LNEC, 1994).
3.2.2 Ventilação pela Ação dos Ventos
Como colocado por Frota e Schiffer (1988), a diferença de pressões exercida sobre o edifício
é causada pela ação dos ventos. O vento, ao encontrar um obstáculo, no caso um edifício,
desvia e tende a retornar em seu trajeto normal após transposto o obstáculo. Com demonstra a
figura 19, as paredes expostas ao vento estarão sujeitas a pressões positivas ou sobrepressões,
enquanto as não expostas, incluindo a cobertura, a pressões negativas ou subpressões. Deste
modo, esse tipo de ventilação pode ser intensificado por meio de aberturas dispostas conveni-
entemente, ou seja, a abertura de vãos em paredes sujeitas a pressões positivas, para a entrada
de ar, e negativas, para sua saída.
Figura 19: exemplo da distribuição da pressão na ventilação por ação
dos ventos (fonte: FROTA; SCHIFFER, 1988)
A distribuição das pressões sobre o edifício depende da direção dos ventos com relação ao
edifício e do fato de ele estar exposto às correntes de ar ou protegido por outro edifício ou
obstáculo. Diferenças de pressão da ordem de 0,05mm
H2O
já são suficientes para causar cor-
53
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
rentes de ar apreciáveis, desde que haja caminho para as mesmas. O fluxo da ventilação, de-
vido à diferença de pressão nas fachadas, pode ser expresso pela vazão ou pela velocidade do
vento como mostram as expressões abaixo (FROTA; SCHIFFER, 1988 e RIVEIRO, 1985):
)(..
seoav
ccvAc −=Φ (Equação 4)
222
111
seo
AAA
+=
(Equação 5)
VFAV
ea
..
=
(Equação 6)
Onde “
v
Φ
” é o fluxo ou vazão de ar pela ação dos ventos (m³/s), “c
a
” é o coeficiente de perda
de carga pela ação do vento (0,6), “v” é a velocidade do vento externo resultante na abertura
(m/s), “c
e
” é o coeficiente de pressão na abertura de entrada de ar, “c
s
” é o coeficiente de pres-
são da abertura de saída de ar, “A
o
” é a área equivalente das aberturas (m²), “A
e
” é a área da
abertura de entrada (m²), “A
s
” é a área da abertura de saída (m²).“
a
V ” é o volume de ar reno-
vado, “
e
A ” é a área da abertura onde entra o ar, “
s
A ” é a área de abertura onde sai o ar, “F” é
um valor que depende da relação, conforme a tabela 5. No caso do vento não ser normal à
abertura, deve-se multiplicar a velocidade do vento externo com o cosseno do ângulo de inci-
dência.
Tabela 5: determinação do incremento de vazão causado pela razão
das áreas de abertura (fonte: Frota e Schiffer, 1988)
As/Ae F As/Ae F As/Ae F As/Ae F
0,25 210 0,75 510 2 760 4 825
0,5 380 1 600 3 805 5 835
Ao se lidar com edificações na área urbana, a ventilação por ação dos ventos tende a ser redu-
zida em relação a locais com edificações distanciadas, pois o fluxo do vento nas ruas tende a
ser no sentido das ruas paralelo às fachadas. É necessário considerar, também, que obstáculos
produzidos por edificações vizinhas, muros ou até mesmo a vegetação podem interferir neste
54
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
sentido, modificando as pressões do ar sobre as superfícies externas (MASCARÓ et alli,
2001).
É necessário observar os possíveis sentidos do fluxo de ar no interior das edificações, pois,
para que a circulação de ar seja realizada, é necessário que sejam previstas aberturas de co-
municação permanentes no interior da habitação, que permitam a livre movimentação do ar.
As aberturas consideradas devem ter seções de passagem compatíveis com as massas de ar em
circulação (LNEC, 1994).
Os esquemas de ventilação podem ser conjuntos de toda a habitação ou por setores. Em qual-
quer caso, se coexistirem, no mesmo setor, compartimentos principais e de serviço, é preferí-
vel que o sentido do fluxo de ar corresponda à entrada de ar exterior nos compartimentos
principais e à saída de ar viciado pelos compartimentos de serviço. O estabelecimento deste
sentido de circulação do ar destina-se a evitar a contaminação dos compartimentos principais
com poluentes, vapor de água e odores, que são gerados nos compartimentos de serviço. Para
tanto, é necessária uma boa orientação das aberturas aos ventos (LNEC, 1994).
O fato de as ações que promovem este tipo de ventilação não serem muitas vezes passíveis de
controle direto implica que, para situações particulares de ocupação ou para alguns locais en-
clausurados, seja recomendável o recurso de ventilação mecânica (LNEC, 1994).
55
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
4 DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO VENTURA, DA SUA ENVOLTÓRIA E
DO FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE TUBOS ENTERRADOS
Este capítulo apresenta uma descrição do Protótipo Ventura construído através da parceria
entre o NORIE/UFRGS e o grupo SAMPAR na unidade de negócios Vila Ventura
(30º07”07”S; 51º01’52’’O) à qual o acesso desde Porto Alegre é demonstrado na figura 20. É
descrito também o clima local, a área de implantação, as estratégias bioclimáticas adotadas e
o funcionamento do sistema de tubos enterrados.
Figura 20: mapa de localização do Vila Ventura (fonte: VILA
VENTURA, 200-)
Através deste conhecimento, pode-se descrever como o sistema de tubos atua e justificar co-
mo o sistema mantém a temperatura interna em valores bem abaixo da temperatura ambiente.
As informações foram extraídas de visitas semanais ao canteiro, do memorial descritivo exe-
56
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
cutado pelo empreiteiro Arno Stein e em entrevistas com os projetistas: o Arquiteto Pery
Bennet e o Engenheiro Mecânico e Civil Joaquim Vaz.
4.1 BREVE CARACTERIZAÇÃO CLIMÁTICA DO ESTADO E DA
CIDADE DE VIAMÃO
O clima afeta a execução, a segurança, o conforto e o desempenho de edificações (GOU-
LART, 1993). Sendo assim, o estudo do clima é imprescindível para que se possa avaliar com
coerência o comportamento térmico do sistema de dutos enterrados estudados nesse trabalho.
Considera-se importante apresentar as características climáticas globais, a fim de poder com-
pará-las com o seu comportamento peculiar ocorrido no local e no período em que foi execu-
tado o estudo.
A maior fonte de dados da cidade de Viamão, com séries históricas, foi executada pela Fun-
dação Estadual de Pesquisa Agropecuária do Rio Grande do Sul (FEPAGRO/RS) no período
entre março de 1980 e setembro de 1988
2
. Os valores registrados de temperatura do ar ambi-
ente foram analisados por Vaz e Sattler (2004) e mostram temperatura média de 18,4ºC, as
temperaturas médias das mínimas e das máximas com distribuição senoidal, oscilando em
torno de 12,3ºC e 24,5ºC, respectivamente, com uma variação anual da temperatura do ar en-
tre os limites médios de 8,9ºC e 30,0ºC.
Provavelmente por não haver registros de tal natureza, os referidos autores não fazem men-
ção, em seus estudos, sobre o comportamento da umidade relativa do ar nem sobre o regime
de ventos no período. Por esse motivo, aliado à falta de registro por períodos mais longos, o
clima da cidade de Viamão é constantemente classificado com os dados coletados na estação
meteorológica mais próxima, que corresponde ao 8º Distrito de Meteorologia, localizado em
Porto Alegre.
2
Medidas relativas à 50cm E 1m de altura, em ambiente sem obstáculos às 12h, 18h e 24h
57
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Segundo o sistema de Köppen, a cidade de Viamão se enquadra na zona fundamental tempe-
rada, ou "C", e no tipo fundamental “Cf", ou temperado úmido. No Estado, esse tipo "Cf" se
subdivide nas variedades "Cfa" e "Cfb". A segunda se restringe ao planalto basáltico superior
e ao escudo Sul-Rio-Grandense, enquanto que as demais áreas pertencem à variedade "a"
(MORENO, 1961) – que inclui a capital juntamente com a cidade de Viamão.
A variedade "Cfa" se caracteriza por apresentar chuvas durante todos os meses do ano e pos-
suir a temperatura média do mês mais quente superior a 22°C, e a do mês mais frio superior a
3°C. A variedade "Cfb" apresenta características similares a anterior, porém, a temperatura do
mês mais quente é inferior a 22°C.
Segundo NIMER (1990), no Sul do Brasil, a temperatura média exerce um papel de uniformi-
zadora da classificação do clima regional. Isto não significa que os valores e o comportamento
da temperatura sejam semelhantes, mas apenas que há uma relativa semelhança que impede a
determinação de áreas intra-regionais muito distintas, diferente do verificado em outras regi-
ões geográficas do Brasil.
O mesmo autor coloca que a média anual da temperatura é ao redor de 18ºC na totalidade do
Estado, caracterizando isotermas típicas da Zona Temperada com distribuição estreitamente
condicionada à latitude, maritimidade (posição em relação a massas d’água) e, principalmen-
te, ao relevo. As médias anuais de temperatura mais elevadas são registradas nas regiões mais
próximas ao nível do mar e diminuem gradativamente com o aumento da altitude, chegando a
16ºC nas regiões mais altas.
Esta classificação pela temperatura média não demonstra a variação térmica anual que ocorre
ao longo do ano na capital e arredores, visto que, durante o solstício de verão, a pequena in-
clinação dos raios solares acarreta na ocorrência de forte calor com registros de temperaturas
durante o dia de até 40ºC, com valores médios de 24,3ºC. Da mesma forma, o inverno é, na
sua maior parte, acentuado em virtude do balizamento intertropical da marcha zenital do sol.
Nos meses entre maio e agosto, a temperatura média se mantém relativamente baixa em toda
a Região Sul, e a cidade de Porto Alegre registra valores médios de 14,7ºC (FERRARO E
HASENACK, 2000). Neste período, todo o estado sente os efeitos típicos do inverno em fun-
ção das sucessivas e intensas invasões de frentes polares. Essas frentes trazem abundantes
chuvas acompanhadas de forte queda de temperatura, com valores comumente atingindo re-
gistros inferiores a 0ºC e tornando notável a ocorrência de geadas.
58
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
Quanto à curva diária de temperatura na cidade de Porto Alegre, Uber (1992) coloca que os
valores máximos de temperatura do ar ocorrem, normalmente, por volta das 15 horas, enquan-
to os mínimos ocorrem cerca das 6 horas da manhã. Nos quatro meses de medição junto ao
Protótipo Ventura, no verão, se constatou que esse ciclo e esses horários também são repre-
sentativos do microclima local.
Segundo NIMER (1990), no Rio Grande do Sul, o valor de umidade relativa do ar é muito
elevado, pois varia, em média, de 75% a 85%. No verão e primavera, os valores giram em
torno de 68% a 85%, enquanto no outono e inverno estes se encontram entre 76% e 90%. Es-
ses registros demonstram relativa estabilidade durante as diferentes estações do ano. Na capi-
tal e cidades limítrofes, a localização na faixa litorânea norte do estado, a aproximadamente
100Km da costa do Oceano Atlântico, e muito próxima às margens do lago Guaíba, confere
ao município uma elevada umidade relativa devido à evaporação natural, ficando as faixas de
abrangência muito próximas à média do estado.
A precipitação no Sul do Brasil se apresenta, segundo NIMER (1990), com distribuição espa-
cial uniforme, com precipitação anual variando de 1.250mm a 2.000mm, ao longo de quase
todo seu território. Portanto, não há, no Rio Grande do Sul, nenhum lugar caracterizado por
carência de chuva. Para o autor, tal efeito se deve ao relevo apresentar características gerais
suaves, de modo a não criar diferenciações importantes na distribuição pluviométrica anual.
As chuvas também ocorrem bem distribuídas durante todos os meses do ano como apontado
por MOTA et alli (1971). Embora existam casos extremos registrados, no qual alguns meses
registram mais de 400mm de pluviosidade, enquanto outros apresentaram valores inferiores a
1mm, a amplitude de variação entre os meses de máxima e mínima não chega a ser significa-
tiva para caracterizar o clima como tendo um período chuvoso e outro seco.
Quanto ao regime de ventos, MOTA et alli (1971) colocam que o Estado se encontra na zona
subtropical de alta pressão, justamente na faixa divisória de influência dos eventos alísios e
ventos de oeste. Esta posição implicaria que, na metade norte do Estado dominassem os ven-
tos alísios (do mar para o continente) e na metade sul, ventos de oeste (do continente para o
mar). Entretanto, esse comportamento não se verifica, uma vez que há predominância dos
ventos de leste e sudeste, tanto no Estado quanto em Porto Alegre, durante todo o ano, devido
a fenômenos de alta e baixa pressão. Ventos predominantes entre os quadrantes oeste e leste
ocorrem apenas nos primeiros meses de inverno com ocorrência de baixas velocidades.
59
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Ocorre uma série de ventos, provenientes de diferentes zonas do globo, que afetam o clima do
estado. De acordo com NIMER (1990), da zona depressionária subantártica partem os antici-
clones polares, que periodicamente invadem o continente sul-americano, com ventos de oeste
a sudoeste nas altas latitudes, e adquirem a direção sul a sudeste, ao se aproximar do trópico,
no território brasileiro. Embora, em sua origem, estes anticiclones apresentem ar seco, frio e
estável, em sua trajetória eles absorvem calor e umidade da superfície morna do mar. Sendo
assim, no verão são eles os principais responsáveis pelas abundantes precipitações que ocor-
rem no Sul, dentre as quais os aguaceiros de grande concentração.
O mesmo autor coloca que, a partir meados da primavera até meados de outubro, todo o terri-
tório intertropical brasileiro é, periodicamente, invadido por sucessivas ondas de ventos de
oeste a noroeste trazidas por linhas de instabilidades tropicais. Esses ventos são provindos de
depressões barométricas alongadas. No interior desta linha de instabilidade tropical, o ar apre-
senta convergência dinâmica e acarreta, geralmente, em chuvas (e por vezes granizo), trovoa-
das e ventos de moderados a fortes (com rajadas que atingem de 60km/h a 90km/h).
Tal fenômeno também ocorre, e com maior freqüência, no verão, quando há um decréscimo
geral da pressão, motivado pelo forte aquecimento do interior do continente. À medida que a
frente polar caminha para o Equador, as instabilidades tropicais se deslocam para leste ou,
mais comumente, para sudeste, acumulando-se com nuvens pesadas e geralmente acarretando
em chuvas tipicamente tropicais. Tais chuvas se verificam, principalmente, no final da tarde
ou início da noite e constituem as chamadas chuvas de verão, que, ao contrário das chuvas
frontais, duram poucos minutos, raramente ultrapassando uma hora.
Em Porto Alegre, a velocidade dos ventos, em termos médios, é baixa, com valores de apro-
ximadamente 1m/s durante os meses de inverno e 2,3m/s no final da primavera e todo o ve-
rão. Os demais meses são considerados por Aroztegui (1977) como meses de transição. Ferra-
ro e Hasenack (2000) colocam que, embora a velocidade média seja baixa, eventualmente
podem ocorrer rajadas que atingem valores muito superiores aos padrões médios, principal-
mente no outono e primavera.
O ciclo diário de oscilação da velocidade do vento para a cidade de Porto Alegre foi descrito
por Uber (1992). Ela coloca que “observa-se uma tendência diária, que persiste ao longo de
todo o período anual, de ocorrer uma queda na velocidade do vento pela madrugada e manhã,
havendo, após, um incremento que atinge seu pico máximo entre o fim da tarde e início da
60
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
noite, quanto volta a decrescer.” A mesma autora coloca que “o que varia durante o ano é a
amplitude entre os valores máximos e mínimos, que atinge seu maior valor entre os meses de
dezembro e janeiro e o menor entre junho e julho”.
4.2 DESCRIÇÃO DO PROTÓTIPO VENTURA
Como descrito na introdução, o processo de desenvolvimento do Protótipo “Ventura” teve
início na demanda do empresário Samuel da Silveira do Grupo SAMPAR na busca do desen-
volvimento de construções e sistemas mais sustentáveis para sua Unidade de Negócios Vila
Ventura e no interesse e disponibilidade do Prof. Miguel Sattler, do NORIE, em atingir tais
metas em sua disciplina. Deste conjunto de experiências, surgiu o vínculo público-privado
que culminou, após o projeto, na construção da edificação.
O prédio do Protótipo Ventura (figura 21) foi projetado de acordo com os princípios da arqui-
tetura bioclimática e sustentável. Desta forma, foi empregado sistemas passivos diretos e indi-
retos de controle de temperatura e materiais de baixo impacto ambiental e/ou selecionados dos
já existentes no depósito da empresa. Embora tenham ocorrido modificações no projeto e na
especificação dos materiais durante a execução da obra, essas diretrizes básicas estabelecidas
nas fases de projeto foram mantidas. Outra premissa foi a utilização de mão-de-obra local,
uma vez que existe um corpo de obras permanente no empreendimento.
O sistema de tubos enterrados proposto foi dimensionado seguindo algumas recomendações
básicas da bibliografia para a instalação. O sistema desenvolvido consiste em dois feixes de
dutos enterrados no solo com inclinações diferentes, um ascendente e outro descendente em
relação à edificação. A convecção gerada pela diferença de temperatura no duto, no ambiente
e na chaminé solar, bem como o efeito do vento sobre o conjunto gera a movimentação do ar
no interior dos tubos que então renova o ar do ambiente.
O entusiasmo inicial do empresário, porém, diminuiu com o tempo e a mão-de-obra dedicada
a finalizar a obra foi relocada para outras construções mais urgentes do ponto de vista dos
sócios. Desta forma, a obra que estava programada para ser finalizada no final de mês de fe-
vereiro apresentava condições mínimas de ser monitorada apenas no dia 20 de outubro de
2005.
61
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Figura 21: foto externa da fachada norte do Protótipo Ventura
A edificação foi construída junto ao talude natural do terreno, integrando-se à topografia e
tirando proveito da inércia térmica do solo. A vegetação local foi observada para que não o-
corressem cortes ou gerassem sombreamento excessivo. Ao leste da edificação existe um
bambuzal, que se desenvolve linearmente sobre o eixo norte sul, como visto na figura 22.
A edificação, de pavimento único, possui uma área útil de 45m², dividindo-se em uma sala de
aula de 36m², uma administração de 4,5m² e sanitários de 4,5m². Foi projetada com o objetivo
de melhorar o conforto térmico ao longo do ano. É conhecido o fato de que na latitude de Vi-
amão a fachada norte recebe mais radiação solar no inverno e menos durante o verão. Desta
forma, o prédio foi construído ao longo do eixo leste-oeste, dispondo uma grande quantidade
de área de janelas para o norte. A forma adotada permite a entrada de luz e radiação solar no
interior do prédio, durante o inverno, quando ocorrem as menores altitudes solares, e impede a
sua entrada no verão, através do beiral do telhado projetado para este fim.
A distribuição dos ambientes internos leva em consideração o tempo de ocupação das salas.
Os locais de serviço estão localizados nas extremidades, a fim de servirem de isolamento adi-
cional, enquanto as de uso mais constante estão no centro.
62
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
Em virtude da primeira utilização da edificação ser para o experimento, as janelas foram cons-
truídas fixas. Elas, porém, foram localizadas nas paredes norte e sul possibilitando que, caso
desejado, possam ser substituídas por outras, do tipo móvel, e permitir a ventilação cruzada. A
disposição dos ambientes, as dimensões internas com pé-direito e a localização das aberturas
são apresentadas na figura 23.
Figura 22: implantação do Protótipo Ventura
63
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Figura 23: planta baixa, fachada norte e corte AA do Protótipo
Ventura
64
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
4.2.1 Características dos materiais empregados
Dois fatores influenciaram fortemente a escolha dos materiais empregados. O primeiro é que
a empresa possui um grande depósito de materiais de construção, que foram adquiridos em
leilões públicos ou são refugos de obras antigas. O segundo é que ela conta com uma grande
área de reflorestamento de eucalipto disponível para corte, e apresenta mão-de-obra qualifica-
da e equipamentos propícios disponíveis para seu manuseio. Sendo assim, optou-se por ma-
ximizar o uso destes recursos. Na aquisição de material, quando necessária, foram escolhidos
materiais atóxicos, pouco poluentes e de baixo conteúdo energético envolvido. Na figura 24,
mostra-se algumas fotos da seqüência de construção do protótipo, com detalhes construtivos
das paredes, impermeabilização, estrutura da cobertura e telhado verde.
Figura 24: fotos da construção do protótipo (em ordem: construção
das paredes, tubos enterrados, estrutura da cobertura, assoalho da
cobertura, estrutura da chaminé solar e fechamento da cobertura)
A fundação foi executada com uma cinta de amarração de concreto de 25cm x 25cm, utilizan-
do tijolos como fôrma, disposta ao longo da linha das paredes. Embora as paredes sejam auto-
portantes, foram executados pilares de concreto (20cm x 20cm) na parede junto ao talude do
terreno, para conter o empuxo do solo sobre a edificação. Os pilares estão amarrados pela viga
(20cm x 20cm), que estrutura e distribui a carga do telhado.
65
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Para o experimento, foi executado apenas o contra piso de argamassa. As paredes são de pe-
dra de grês até a altura de 2,6m. Estas pedras apresentam a dimensão média de 60cm x 20cm
x 15cm, foram partidas ao meio nos trechos curvos e configuram uma edificação como de
grande inércia térmica. Acima das pedras, até o acabamento junto ao telhado, foram utilizados
tijolos cerâmicos, com dimensões médias de 11cm x 5cm x 22cm fornecidos por uma olaria
local. A espessura da argamassa de assentamento, utilizada no interior e exterior da adminis-
tração e sanitários é de aproximadamente um centímetro.
Foi determinado o uso de “telhado verde”, tendo em vista as inúmeras qualidades desse tipo
de cobertura e sua grande potencialidade como fonte de pesquisas futuras. Sua estrutura é
constituída de toras de eucalipto (Ø15cm) e madeira em lâminas na parte curva junto ao te-
lhado (3 lâminas de 10cm x 2,5cm). O assoalho da cobertura é de eucalipto laminar. Para evi-
tar a transpiração, foi colocado um carpete entre o assoalho e a lona de impermeabilização. A
drenagem é executada por uma camada de 7cm de brita, separada do solo por uma membrana
geotêxtil. O solo é do próprio local e, durante o experimento, não foi plantado nenhum tipo de
vegetação.
As esquadrias são de madeira de eucalipto. Foi solicitado ao executor cuidado na confecção e
instalação das esquadrias, de modo a evitar as frestas ao máximo. As dimensões das esquadri-
as estão indicadas no tabela 6.
Tabela 6: dimensões e áreas das esquadrias do protótipo
Localização
Dimensões –
vão luz (cm)
Área da es-
quadria (m²)
Superfície
vidro (%)
Superf. de
ventil. (%)
Porta externa 80x240 1,68 43 0 ou 14
Porta interna 80x210 1,68 0 0
Janela anterior 115x115 1,32 94 0
Administração e
Sanitários
Chaminé solar 85x45 0,46 96 0 ou 11
Porta externa 80x240 1,68 43 0 ou 14
Janela anterior 115x135 1,56 94 0
Salas de aula
(2 vezes)
Janela posterior
115x45 0,52 93 0
66
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
4.2.2 Descrição dos Sistemas de Dutos Enterrados e da Chaminé Solar
Existem dois sistemas geotérmicos indiretos instalados na edificação. O primeiro retira água
de um poço artesiano próximo, através de bombas hidráulicas e a conduz até o interior da sala
de aula onde um trocador de calor atua para o condicionamento do ar. O segundo – foco deste
trabalho – está instalado na administração. É composto por um conjunto de tubos enterrados e
uma chaminé solar, que procuram ventilar a sala da administração com o ar proveniente do
exterior, sem o auxílio de componentes mecânicos. O ar captado no exterior troca calor com o
solo durante sua passagem pelos dutos, ganhando ou perdendo temperatura até o ingresso no
ambiente. A chaminé solar, instalada na cobertura, procura aumentar a eficiência da circula-
ção desse ar.
Figura 25: composição de cada conjunto de tubos enterrados; é
demonstrado os tubos superiores, mas as dimensões se aplicam
também aos tubos inferiores
Aproveitando as características da topografia, os tubos estão divididos em superiores e inferi-
ores. Cada conjunto é formado por dois tubos de PVC
3
, de diâmetro 100mm e um tubo de
PVC de 200mm, com 18m de comprimento. A boca interna dos tubos se encontra junto ao
piso da administração. Os tubos superiores ascendem 2,8m, no sentido sul-sudeste enquanto
os inferiores descendem 1,8m no sentido norte, como visto na figura 22 (implantação). A dis-
3
Os tubos de PVC, em sua maioria, são refugos de obra. Para o tubo de 100mm foi adquirido uma vara de 6m,
quatro tampões e três curvas a 45º. Para o tubo de 200mm, dois tampões uma curva de 90º e outra de 45º.
67
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
tância entre os eixos dos tubos é de 0,3m (figura 25), pois o pré-dimensionamento previa o
estudo e uso em separado dos tubos de diâmetro 100mm e de 200mm (resultando em um dis-
tanciamento de 0,6m entre os tubos mais estreitos). A boca externa do tubo superior permane-
ce a maior parte do tempo sombreada, durante a manhã pelo bambuzal a leste e durante a tar-
de por um grande pinheiro a oeste. A boca externa do tubo inferior, passa a maior parte do
tempo exposta à radiação solar.
A chaminé solar (figura 26) está instalada em um prolongamento da parede sul da edificação.
Tem 0,46m² e está voltado para norte, com inclinação de 50º. Foi construída em madeira e a
superfície absorvente é uma chapa metálica de zinco, pintada de preto. Possui uma cobertura
única de vidro 3mm colocada de modo a deixar um espaço para a circulação de ar com a cha-
pa.
Figura 26: fotos da montagem e forma final da chaminé solar
4.2.2.1
Funcionamento do Sistema no Verão durante o Dia e a Noite
Para melhor ilustrar o funcionamento do sistema no ambiente, é apresentado um esquema
simplificado de seu perfil, sem escala. A figura 27 ilustra o modo de operação do sistema es-
perado durante o dia de verão, caso todos os tubos estejam abertos, considerando apenas o
efeito térmico. Prevê-se que o ar no interior do ambiente e na chaminé solar seja ascendente
devido ao ganho de energia por radiação e convecção em suas superfícies envoltórias. No
interior dos tubos, porém, o sentido do deslocamento depende das diferenças de temperatura
do ar interno do ambiente, do ar do meio externo e do solo. Como sabemos, a temperatura do
solo apresenta uma variação menor de temperatura que o ar. Dessa forma, a temperatura do
solo deve ser menor que a do ar durante o dia. Espera-se que as trocas térmicas por radiação e
68
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
convecção nos períodos quentes façam com que o ar que penetra no interior dos tubos perca
calor para o solo, resfrie e desça, ou seja, o sentido tende a ser descendente.
Figura 27: esquema do sentido do fluxo de ar esperado pela atuação da
temperatura no verão
69
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
No período noturno, por sua vez temos uma inversão de sentido do fluxo de ar por temperatu-
ra. As envoltórias do ambiente e da chaminé solar passam a liberar o calor adquirido durante o
dia, através de radiação e convecção, por suas superfícies envoltórias, fazendo com que a
massa de ar interna descenda. O solo, porém, manterá sua temperatura praticamente inalterada
em relação ao período diurno, ao passo que as temperaturas do ar do ambiente e do ar externo
sofrerão decréscimos significativos. Nesse caso, o solo passará a fornecer o calor absorvido
para o ar no interior dos dutos, gerando um movimento ascendente. Durante a alvorada e o
entardecer, ocorre a situação em que o sentido do fluxo do ar depende do resultado das pres-
sões geradas nesses três meios – no interior dos tubos, no ambiente e na chaminé solar.
O efeito gerado pela ação do vento também será influente na determinação do sentido e da
velocidade do deslocamento do ar no interior do sistema. Sua ação sobre a chaminé e sobre a
boca dos tubos deve ser principalmente de sucção, uma vez que estes elementos são verticais.
Embora ele atue desta maneira independentemente do período diurno ou noturno, na cidade
de Viamão há a predominância de períodos de calmaria durante a noite, e rajadas de vento
durante o dia. Desta forma, prevê-se que o efeito dinâmico do vento ocorra, principalmente,
durante o dia.
70
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
5 ABORDAGEM EXPERIMENTAL
Em um primeiro momento, este capítulo apresenta uma breve discussão sobre a definição da
estratégia de pesquisa. Após, são descritos as características dos sensores utilizados, para en-
tão serem descritos a montagem experimental adotada para o monitoramento da circulação do
ar através dos dutos enterrados e do comportamento térmico diário das salas e do exterior.
5.1 DEFINIÇÃO DA ESTRATÉGIA DO MÉTODO DE PESQUISA
Como descrito nos objetivos, com este trabalho se pretende descobrir como irá ocorrer a cir-
culação do ar no sistema, como essa renovação de ar afeta o desempenho térmico da edifica-
ção e qual a interferência gerada pela inclinação, pela orientação e pelo diâmetro dos dutos,
bem como o da chaminé solar.
Como colocado por Yin (2005), estas perguntas determinariam a estratégia do método como
um “experimento”. O autor do trabalho entende, porém, que o desenvolvimento de um ensaio
experimental puro poderia gerar uma falsa compreensão do sistema, pois nele não estariam
atuando inúmeras variáveis do clima e das características construtivas das edificações tradi-
cionais.
Com este pensamento – de que o trabalho devesse ser representativo para edificações constru-
ídas – especulou-se, inclusive, o desenvolvimento de um “estudo de caso”, no qual algumas
habitações que empregam o sistema seriam monitoradas. Essa idéia, porém, mostrou-se inviá-
vel, uma vez que os sistemas encontrados nas cidades próximas a Porto Alegre apresentam
características muito distintas e tais edificações se encontram em uso, impossibilitando com-
parações ou medição por períodos prolongados.
Sendo assim, averiguou-se que o ideal é a condução do estudo em um protótipo de edificação,
pois desse modo, seria possível observar o sistema em condições muito próximas ao real, e
sem a interferência dos usuários.
71
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Yin (2005) coloca que, embora tal estratégia possa ser classificada como de “observação”,
pois se trata de um monitoramento onde não haverá interferência ou manipulação de variá-
veis, sua melhor descrição é de “quase-experimento”. Esta classificação, corriqueiramente
utilizada nas ciências sociais, representa estudos bastante similares com experimentos – no
qual para determinar a resposta existem variáveis fixas e outras controladas – porém incluem
variáveis não controladas, resultantes da interação com o meio. É possível ver na tabela 7, as
variáveis atuantes no sistema com sua respectiva classificação para este estudo.
Tabela 7: variáveis da pesquisa
Variáveis
Controlável Não controlável Fixa Resposta
Temperatura do ar externo X
Umidade relativa do ar externo X
Temperatura do ar interno X
Umidade relativa do ar interno X
Insolação X
Velocidade do vento X
Direção do vento X
Clima
Precipitação X
Profundidade X
Tipo de solo X
Cobertura do solo X
Solo
Umidade X
Material X
Diâmetro X
Comprimento X
Velocidade / vazão X
Distancia entre dutos X
Inclinação X
Dutos
Orientação X
Características da edificação X
72
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
As variáveis fixas são as que não variam, geralmente fruto de um controle experimental. As
não controláveis são as resultantes da interferência do meio (são essas que, em geral, tornam-
se fixas em estudos de laboratório). As variáveis controláveis representam aquelas que são
possíveis de serem manipuladas ou graduadas, podendo ser entendidas por aquelas as quais se
pretende estipular a influência sobre as variáveis de resposta.
Todas as variáveis fixas (as quais não necessitam de monitoramento) estão descritas neste
trabalho. Todas as demais (à exceção da umidade do solo, indicada como de baixa relevância
pela revisão bibliográfica) foram monitoradas.
5.2 INSTRUMENTAÇÃO
Neste capítulo é descrito o equipamento utilizado no monitoramento, apresentando-se os limi-
tes de operação, as faixas de leitura, a resolução e a precisão de cada uma das sondas, bem
como seu processo de calibração. Para um melhor entendimento, os equipamentos utilizados
estão agrupados por fabricante.
Para realizar as medições in loco, foram utilizados três diferentes controladores, cada um ad-
quirindo dados de dois ou mais sensores. A combinação das incertezas de medição dos senso-
res, de sua posição e de seu tempo de varredura não está aqui descrita, pois o erro gerado é
pequeno, não afetando a análise de resultados para a sensação de conforto do usuário e não
comprometendo os valores na complexidade estipulada para os estudos.
5.2.1 Laboratori di Strumentazione Industriale®
Na coleta de dados da sala da administração, que possui o sistema de ventilação por dutos
enterrados, foi utilizado um analisador de ambientes internos, da linha instrumental BA-
BUC®. Esse corresponde a um controlador de um conjunto de sensores, que possui progra-
mas para a aquisição, visualização, memorização e elaboração de uma grande variedade de
grandezas físicas, geradas em um ambiente de informações. O aparelho possui ingressos uni-
versais, isto é, pode receber qualquer combinação de sensores, dos mais diversos tipos.
73
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
O modelo específico BABUC/A® (figura 28) utilizado na medição, possui 11 canais de in-
gresso. Três deles possuem finalidades específicas (anemômetro e sinal voltimétrico), enquan-
to os outros oito canais reconhecem, automaticamente, qualquer um dos sensores do Labora-
tori di Strumentazione Industriale conectados. Algumas sondas ocupam mais de um canal de
entrada; no entanto, uma mesma sonda pode medir ou calcular uma série de grandezas, como
é o caso do psicrômetro.
Figura 28: foto do equipamento de medição usado, linha BABUC/A®
(fonte: LSI, 200-)
Outro aspecto a ser destacado em sua utilização, é o nível de informação desejado, já que o
aparelho permite a visualização imediata de todos os valores, instantaneamente, ou a memori-
zação dos dados em taxas programáveis e a transferência das informações para um computa-
dor, desde que ele possua o programa de intercâmbio InfoGAP®. Embora esse programa exe-
cute funções de análise de dados, na pesquisa ele foi utilizado apenas para transferência de
dados entre o BABUC/A® e o software Microsoft Excel®.
74
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
A alimentação do aparelho é realizada em 9V, sendo que possui 6 baterias internas de 1,2V,
que são recarregáveis e possuem autonomia de dois dias de trabalho contínuo (desde que o
visor esteja desligado). Para medições mais longas, o aparelho deve ser ligado à rede elétrica.
A tensão do aparelho é 220V, porém, suas baterias operam também em 110V, com redução
do período de autonomia.
Todas as sondas conectadas ao BABUC/A® vêm calibradas de fábrica e devem ser recalibra-
das a cada dois anos no laboratório da empresa, conforme orientações constantes nos manuais
do fabricante. Por ser um equipamento novo, seus resultados foram apenas comparados com
os de outros sensores, para corrigir eventuais discrepâncias. No Protótipo Ventura, foi medida
ou calculada a temperatura de globo, temperatura de bulbo seco (com ventilação forçada),
temperatura de bulbo úmido (com e sem ventilação forçada), a umidade relativa do ar e a ve-
locidade do ar.
Segundo o Laboratori di Strumentazione Industriale (LSI, 200-), os sensores do BABUC/A®
não devem ser expostos diretamente à radiação solar, para que não ocorra deformação nos
dados registrados e/ou danos de caráter irreversível aos sensores. Em nenhum momento, du-
rante todo o período de medição, os valores registrados ultrapassaram os limites estabeleci-
dos.
5.2.1.1
Psicrômetro
Esta sonda é projetada conforme a ISO/DIS 7726 (1996). A partir dos valores medidos para a
temperatura do ar, com o bulbo seco e bulbo úmido, ambos sob ventilação forçada, ela permi-
te ao equipamento calcular, com uma boa confiabilidade, a umidade relativa do ar e a tempe-
ratura de orvalho.
A sonda psicrométrica é constituída de dois sensores de temperatura do tipo Pt100 (platina). O
primeiro é um termômetro que mede a temperatura de bulbo seco do ar. O segundo é um ter-
mômetro revestido por uma bainha de algodão, imersa em um recipiente com água destilada,
o qual mede a temperatura de bulbo úmido, sob ventilação forçada, através de um pequeno
ventilador, que proporciona uma velocidade do ar superior a 4,5 m/s. Os termômetros estão
localizados dentro de um duto metálico, de alumínio anodizado, ficando protegidos da influ-
75
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
ência da radiação solar, ou, mesmo, da ação das correntes de ar externo, que poderiam interfe-
rir na precisão dos valores medidos (figura 29).
Figura 29: foto do psicrômetro (fonte: LSI, 200-)
Esta sonda ocupa dois canais de ingresso no BABUC/A® e apresenta os seguintes limites
ambientais de operação: 0ºC a 60ºC, para situações em que o recipiente está com água, e 10ºC
a 60ºC, para situações onde o recipiente está sem água (situação inexistente no método adota-
do). As faixas de leitura das variáveis medidas e calculadas pelo equipamento são de -25ºC a
150ºC, para temperatura de bulbo seco; de 0 a 60ºC para temperatura de bulbo úmido; de -
20ºC a 60ºC para a temperatura de orvalho e de 0 a 100%, para a umidade relativa. A água
destilada foi acrescida, com intervalo máximo, semanal.
A precisão indicada nos manuais do fabricante, para os termômetros, é de 0,13ºC, para a tem-
peratura em torno de 20ºC. Para a umidade relativa (em faixas de temperatura entre 15ºC e
20ºC) o aparelho apresenta 2% de precisão, para umidade entre 15% e 40%, 1%, para umida-
de entre 40% e 70%, e 0,5%, para umidade entre 70% e 98%.
76
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
5.2.1.2
Termômetro de Globo ou Globo de Vernon digital
Esta sonda é constituída de um globo metálico negro, de 15cm de diâmetro. Seu interior é oco
e, no centro, é fixado o sensor térmico. Na sonda ligada ao BABUC/A®, o sensor é do tipo
Pt100. A temperatura medida corresponde à temperatura média radiante.
O globo possui emissividade elevada (maior ou igual a 0,98) e reflexão baixíssima (menor
que 2%), de forma a funcionar como um corpo negro em relação à radiação infravermelha. Na
figura 30 pode ser observada uma sonda semelhante àquela utilizada no experimento.
Mediante os valores registrados por essa sonda, é possível avaliar e verificar a carga térmica
radiante, que é extremamente importante para a análise dos ambientes quentes e moderados.
Em particular, esta sonda é indispensável para o cálculo dos índices PMV, PPD e IBUTG,
entre outros.
Figura 30: foto do termômetro de globo (fonte: LSI, 200-)
A sonda necessita de um tempo de resposta equivalente a 20 minutos para estabilizar o valor
da temperatura interna. A que está ligada ao BABUC/A® ocupa um canal de ingresso. O seu
campo de leitura abrange a faixa de –10ºC a 100ºC, com a precisão indicada pelo manual do
fabricante que é de 0,15ºC para temperaturas de 0ºC. A sonda não necessita nenhuma manu-
77
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
tenção especial, mas o globo não pode estar amassado, nem sujo, visto que isso poderia alterar
suas características físicas e distorcer os dados medidos. O globo foi limpo semanalmente.
5.2.1.3
Anemômetro de fio quente
O anemômetro de fio quente (figura 31) mede a velocidade do ar. Nesse instrumento, uma
corrente elétrica percorre um filamento de platina e, através do efeito Joule, mantém sua tem-
peratura superior à do ambiente. Sabendo-se do coeficiente de dispersão de calor do filamen-
to, a velocidade do ar é calculada baseada na intensidade da corrente necessária para mantê-lo
a uma temperatura constante. A sonda é utilizada para medir a velocidade do ar em todas as
direções.
Figura 31: foto do anemômetro de fio quente (fonte: LSI, 200-)
Quando conhecido o diâmetro dos dutos, o volume da sala e a sua temperatura, é possível
programar o BABUC/A® para calcular o fluxo de ar em volume (m³/s) e massa (kg³/s) e o
número de renovações de ar. A sonda opera com movimentos do ar maiores que 0,01m/s, sua
resolução é de 0,01m/s e sua precisão é de 4% para ventos menores que 1m/s. A temperatura
de operação do filamento de platina é entre -10ºC e 200°C e do sistema elétrico, entre -10ºC e
78
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
80°C. A umidade relativa de operação, para ambos, é entre 0% e 98%, antes de haver conden-
sação.
5.2.2 Full Gauge Eletro Controles Ltda®
Na coleta de dados do ambiente exterior, sanitários e tubos, foram utilizados controladoras de
climatização da linha TC-900 CLOCK® e MT-530 PLUS®, desenvolvidos pela Full Gauge
Controls®. Essas controladoras possuem programas para a aquisição e visualização de dados
de temperatura e umidade para dois sensores. A configuração do aparelho permite o controle
automático de equipamentos de refrigeração e umidificação.
Como descrito nos manuais do fabricante, caso ligado a um computador, é possível visualizar
e armazenar os dados com o uso do programa SITRAD®, em períodos programáveis. A co-
municação com os instrumentos é feita através da porta serial (COM 1), sendo necessário um
conversor de RS232 para RS485. Os controladores são configurados com números de proto-
colo, e o sistema executa uma varredura à taxa de comunicação de 28.800bps. Desta forma, os
sensores são identificados automaticamente e há garantia da integridade dos dados, sem inter-
ferência. Embora este programa execute funções de análise de dados, na pesquisa, ele foi uti-
lizado apenas para transferência de dados entre o software e o Microsoft Excel®.
Todas as sondas conectadas às controladoras vêm calibradas de fábrica, porém devem ser
igualadas a uma mesma temperatura conhecida. Mesmo sendo os equipamentos novos, seus
resultados foram comparados com os de outros sensores. Com esse equipamento, no Protótipo
Ventura, mediu-se a temperatura de bulbo seco (sem ventilação forçada) e a umidade relativa
do ar.
5.2.2.1
TC-900 CLOCK®
O TC-900 CLOCK® (figura 32) é um controlador inteligente de refrigeração, degelo e fases
posteriores, que proporciona melhoria do rendimento frigorífico e economia de energia. Pos-
sui relógio interno, que pode ser ajustado conforme a hora do computador. A cada controlador
são integrados dois sensores de temperatura, tipo termistores (NTC). O primeiro é responsável
79
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
por medir a temperatura do ambiente climatizado e o segundo, a do evaporador, permitindo o
controle do final do degelo, o retorno do ventilador e outras funções importantes. Na pesquisa,
essas funções foram desabilitadas, e os termômetros foram utilizados independentemente ape-
nas para medir a temperatura em pontos específicos do sistema.
Figura 32: foto da controladora TC 900 clock e dos sensores de
temperatura encapsulados (fonte: Fullgauge Controles, 2006)
Os sensores possuem encapsulamento de aço inoxidável de fábrica, para proteção física. A
forma final é cilíndrica, com diâmetro de 0,5cm e comprimento de 4cm. O cabo utilizado é
PP2x24AWG e pode ser prolongado até 200m, sem prejuízos ao sinal. Dados mais específicos
sobre a construção do sensor, cabeamento e encapsulamento não puderam ser fornecidos pela
fábrica. Os termômetros operam entre –50ºC a 75ºC. A precisão é de 1ºC para temperaturas
entre –50ºC e –10ºC, e de 0,1ºC para temperatura entre –10ºC e 75ºC.
5.2.2.1.1
Calibração dos sensores do TC-900 CLOCK®
Os sensores NTC de temperatura, fornecidos pela Full Gauge Eletro Controles LTDA®, já
vêm calibrados de fábrica. Porém, foi executada uma averiguação da dispersão de seus resul-
tados entre si e em comparação a dois termômetros de mercúrio, fabricados pela INCO-
TERM®, com precisão de 0,1ºC e abrangência de -10ºC a 50ºC. Um conjunto de seis sensores
NTC foi mergulhado em banho termostático, juntamente com os termômetros de mercúrio
(figura 33). Iniciaram-se os registros com a temperatura da água de 0ºC e, nesse momento, as
controladoras TC-900 CLOCK® foram “zeradas”. Através de uma rotina computacional, o-
correu o aquecimento da água até a temperatura de 36ºC, com momentos de estabilização a
cada 5ºC.
80
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
Figura 33: fotos da calibração dos sensores NTC de medição de
temperatura
-0,4
-0,2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0
Temperatura (ºC)
Variação de Temperatura (ºC)
Term. B NTC A NTC B NTC C NTC D NTC E NTC F
Figura 34: gráfico demonstrando a variação dos resultados com o
aumento da temperatura
Os termômetros de mercúrio apresentaram dispersão de, no máximo, 0,2ºC. Na figura 34,
observa-se que a dispersão máxima dos sensores NTC, em relação aos termômetros de mercú-
rio, foi de 0,7ºC e, entre si, de 0,8ºC. Constata-se, também, que quanto maior a diferença de
temperatura em relação à temperatura inicial (na qual todos sensores apresentavam registros
iguais), maior é a dispersão dos resultados. Dessa forma, optou-se por estabelecer a tempera-
tura de 25ºC como base para ajuste dos sensores.
81
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
5.2.2.2
MT-530 PLUS®
O MT-530 PLUS® (figura 35) é um instrumento que controla e indica a temperatura ambien-
te e a umidade relativa do ar. É útil para locais que necessitem ser monitorados e supervisio-
nados, como CPDs, desumidificadores, adegas climatizadas, secagem de grãos, etc.. Possui
relógio interno, que pode ser ajustado conforme a hora do computador.
Figura 35: foto da controladora MT-530 e dos sensores de temperatura
encasulados (fonte: Fullgauge Controles, 2006)
O sensor de temperatura é do tipo termistor (NTC) e o de umidade é um umidostato. Os sen-
sores estão fixados juntos, dentro de uma envoltória permeável protetora. Como a controlado-
ra anterior, dados mais específicos sobre a construção do sensor, cabeamento e encapsulamen-
to não puderam ser fornecidos pela fábrica. Os termômetros operam entre –10ºC a 70ºC com
precisão é 0,1ºC. Os umidostatos operam na faixa de 5% a 100% (sem condensação, até
90%), com precisão de 0,1%.
5.2.2.2.1
Calibração dos sensores do MT-530 PLUS®
Os sensores do MT-530 PLUS não permitem mergulho em meio líquido. Dessa forma, as
duas controladoras utilizadas e o termômetro de globo analógico (descrito posteriormente)
foram colocados, juntamente com os sensores do BABUC/A®, que serviram de prova, em
uma sala fechada com ventilação forçada por 24h. Após 18h na sala, seus resultados foram
igualados em mesma temperatura e umidade relativa. Os resultados foram monitorados e re-
gistrados manualmente durante as horas restantes, em intervalos de 90min, e expostos na tabe-
la 8 e 9. Não ocorreram grandes variações de temperatura ou de umidade relativa dentro da
sala, e a dispersão de resultados foi pequena.
82
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
Tabela 8: valores de temperatura do ar registrados pela sonda
BABUC/A® e os sensores do MT-530 PLUS
horário TBS
BABUC/A
TBS
Sensor A
dispersão
Sensor A
TBS
Sensor B
dispersão
Sensor B
16:30 19,8 19,4 -0,4 19,6 -0,2
18:00 19,6 20,0 0,4 20,0 0,4
19:30 19,4 19,8 0,4 20,0 0,6
21:00 19,5 19,6 0,2 19,5 0,1
Tabela 9: valores de umidade relativa do ar registrados pela sonda
BABUC/A® e os sensores do MT-530 PLUS
horário UR (%)
BABUC/A
UR (%)
Sensor A
dispersão
Sensor A
UR (%)
Sensor B
dispersão
Sensor B
16:30 83,2 81,1 -2,1 80,9 -2,3
18:00 85,4 82,1 -3,3 83,9 -1,5
19:30 88,7 82,4 -6,3 84,1 -4,6
21:00 80,6 81,1 0,5 79,6 -1,0
5.2.3 Sondas independentes
Na coleta dos dados de radiação solar horizontal, velocidade e direção do vento no exterior
foram utilizadas sondas de outros fornecedores. Esses equipamentos foram controlados a par-
tir de uma placa CIO-DAS802/16, instalada em um computador Pentium 266MZ, com 64MB
de memória RAM.
A placa possui três contadores, baseados no 82C54, com oito canais analógicos de entrada
absolutos ou oito diferenciais configuráveis individualmente por chave com 1Kamostras de
FIFO. Sua resolução é de 12 bits, para conversor analógico/digital, e a velocidade é de 50kHz,
com gatilhos digital ou programável. As faixas de entrada são de ± 10V, ± 5V, ± 2.5V, ±
1,25V ou 0 a 10V, 0 a 5V, 0 a 2,5V, 0 a 1,25V.
No software HP-VEE Pro 6.01®, da Agilent Technologies®, foi desenvolvida uma rotina para
leitura do sinal, conversão para a escala desejada, cálculo, visualização e armazenamento dos
dados coletados (figura 36). A comunicação com os instrumentos ocorreu através de cabo
83
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
com malha devidamente aterrado. Os dados foram armazenados em formato de texto (TXT) e
exportados para o Microsoft Excel®. Todas as sondas conectadas à placa foram calibradas
independentemente. No Protótipo Ventura, mediu-se a radiação solar no plano horizontal, a
direção do vento a 7m de altura e sua velocidade a 10m e a 0,5m de altura.
Figura 36: foto da tela da rotina criada no software HP-VEE Pro 6.01
da Agilent Technologies®
5.2.3.1
Anemômetro de copos fabricado no LETA
O anemômetro de copos é um instrumento eletrônico de medição destinado a fornecer indica-
ções diretas da velocidade do ar. É indicado para medições no campo do vento atmosférico e
de sistemas industriais de ventilação e ar condicionado. O elemento sensível à velocidade do
vento é um rotor de três hemisférios (Sistema Robinson), com eixo de rotação vertical. Por
meio de um sistema indutivo, essa rotação é transformada em tensão que é aplicada a um cir-
cuito de medição que, no caso desta pesquisa, é a rotina computacional desenvolvida, na qual
essa tensão é automaticamente convertida para valores de velocidade do vento.
5.2.3.2
Anemômetro de copos KW-820
O anemômetro KW-820 (figura 37) foi fabricado pela SCR (Sistemas de Controle e Regula-
ção LTDA). Tem as mesmas aplicações e o mesmo elemento sensível à velocidade do vento
84
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
que o anterior. Porém, por meio de um sistema indutivo, esta rotação é transformada em pul-
sos (2 a cada volta) que são aplicados ao circuito de medição. Para a conversão dos pulsos em
valores de velocidade do vento, o aparelho vem dotado de um galvanômetro de alta sensibili-
dade que, no caso desta pesquisa, não foi utilizado, pois foi empregada a rotina computacional
desenvolvida.
O sistema rotativo do sensor consta de um eixo vertical, dotado de dois micro-rolamentos de
esfera. O instrumento vem equipado de fábrica com uma lubrificação permanente. Não devem
ser utilizados óleos, graxas ou outros lubrificantes quaisquer. O fabricante recomenda limpar
periodicamente com uma flanela seca e, convenientemente, guardá-lo em seu estojo quando
não estiver em uso. Deve-se evitar exposições prolongadas em ambientes com temperaturas
superiores a 50ºC, bem como os que contenham muita umidade e poeira em suspensão. O
aparelho encontrava-se danificado foi reparado antes da calibração.
Figura 37: foto do anemômetro de copos KW-820
5.2.3.2.1
Calibração dos anemômetros de copos
O anemômetro usado como padrão é o Termo Anemômetro AVM-03 que fornece os dados já
convertidos em velocidade do vento. Sua faixa de operação é de 0,0m/s a 45,0m/s, sua resolu-
ção é de 0,1m/s, sua linearidade é de 0,3m/s e sua precisão é de ±0,1m/s ou ±3%.
85
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Figura 38: fotos do conserto, calibração e instalação dos anemômetros
de copos utilizados
y = 0,0449x + 0,3031
R
2
= 0,9993
y = 0,0303x + 0,2286
R
2
= 0,999
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
0 50 100 150 200 250 300 350
Anemômetros de Copos:
Número de Pulsos ou Tensão Gerada x100
Velocidade do vento (m/s)
Anemômetro de pulsos Anemômetro de tensão
Figura 39: curva de calibração dos anemômetros de copos utilizados
A curva de calibração dos anemômetros foi feita no túnel de vento do Laboratório de Estudos
Térmicos e Aerodinâmicos (LETA), na Engenharia Mecânica da UFRGS. Em um primeiro
momento, foi posicionado o anemômetro padrão, com auxílio de hastes metálicas, e estipula-
das as velocidades de ciclos do motor de 15, 17,5, 22,5, 30, 40 e 52,5. Para cada velocidade,
foram feitos, no mínimo, 45 registros, manualmente. A operação foi repetida com ambos os
anemômetros de copos e os resultados foram registrados com o auxílio da mesma rotina com-
putacional utilizada para aquisição de dados no protótipo (figura 36). Foi feita a média dos
86
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
resultados e, com o auxílio do programa CurveExpert 1.3 (Copyright de Daniel Hyam), foi
encontrada a curva ideal de calibração de cada anemômetro, demonstrada na figura 39.
5.2.3.3
Biruta Eletrônica
Para o registro da direção do vento, foi construída uma biruta eletrônica com oito quadrantes.
Ela é constituída de um tubo de PVC de 60cm, uma chapa de PVC de 40x30cm como cauda e
uma barra metálica de contrapeso. Ela se sustenta sobre um rolamento que gira sobre uma
placa eletrônica de silício dividida em quatro quadrantes eletrificados. Nas laterais do tubo de
PVC, foram instalados dois sensores que lêem o sinal emitido pelos quadrantes. Eles estão
afastados a uma distância equivalente a 1/8 do tamanho total do círculo gerado pela rotação
do eixo. Desta forma, dependendo da direção do vento, os sensores lêem o sinal de um ou
dois quadrantes permitindo, por combinação, a leitura de oito quadrantes (figura 40).
Figura 40: foto da biruta eletrônica construída e utilizada nas
medições
5.2.3.4
Solarímetro
O solarímetro utilizado (figura 41) foi construído e calibrado pelo Laboratório de Energia
Solar da UFRGS. O solarímetro é constituído de uma célula fotovoltaica fixada dentro de um
recipiente cilíndrico de alumínio de 200 mm de diâmetro e 300 mm de altura. A superfície
87
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
superior é constituída de um material difusor, que cobre a célula fotovoltaica e fornece prati-
camente a mesma reflexão para qualquer ângulo azimutal.
A célula fotovoltaica é um dispositivo semicondutor, que converte parte da energia solar inci-
dente em eletricidade. Sua principal característica é a curva corrente X tensão, que varia com
a irradiância solar incidente de forma diretamente proporcional. O solarímetro foi instalado a
10m de altura do solo, sobre a cobertura do protótipo, em posição horizontal.
Figura 41: foto do Solarímetro utilizado
5.2.3.4.1
Calibração do solarímetro
O solarímetro utilizado já apresentava, gravado na base do aparelho, o fator de conversão de
sua tensão gerada para irradiância global. Entretanto foi executado, junto ao Laboratório de
Energia Solar da UFRGS, a conferência desse fator.
Para tanto, ele foi instalado junto com um piranômetro Eppley (considerado com padrão) em
um plano inclinado a 45º. O experimento de coleta de dados foi realizado em um dia parcial-
mente nublado, com grande alternância entre nuvens e sol, no período da manhã, entre as 10 e
11 horas solares (31 de outubro). O sistema de aquisição de dados foi configurado para fazer
leituras com intervalos de 2 segundos, usando três casas decimais. Os dados foram gravados
em disco rígido e apresentados na figura 42. Como observado, a curva de calibração anteri-
ormente calculada apresenta uma pequena dispersão dos valores registrados pelo piranômetro
padrão e foi mantida durante a pesquisa.
88
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
10:52:17
10:52:27
10:52:37
10:52:47
10:52:57
10:53:07
10:53:17
10:53:27
10:53:37
10:53:47
10:53:57
10:54:07
10:54:17
10:54:27
10:54:37
10:54:47
10:54:57
10:55:07
10:55:17
10:55:27
Hora Solar
Irradiância Solar Global (W/m²)
Piranômetro Eppley
Fotovoltaico A
Figura 42: curva de calibração do solarímetro
5.2.3.5
Termômetro de Globo Analógico ou Globo de Vernon Analógico
O termômetro de globo analógico utilizado não possuía manual determinando suas caracterís-
ticas ou precisão. Trata-se de uma esfera negra com diâmetro de 15cm e interior oco, onde é
fixado o termômetro de mercúrio. O campo de leitura do termômetro varia de –20ºC a 100ºC,
divididos em escalas de 0,2ºC – fato que indica seu campo de abrangência e precisão.
O globo possui emissividade elevada (maior ou igual a 0,98) e reflexão baixíssima (menor
que 2%), de forma a ser um corpo negro em relação à radiação infravermelha. Na figura 43
pode ser observada a sonda semelhante àquela utilizada no experimento. Mediante os valores
registrados por essa sonda, é possível avaliar e verificar a carga térmica radiante, que é extre-
mamente importante para a análise dos ambientes quentes e moderados. Em particular, esta
sonda é indispensável para o cálculo dos índices PMV, PPD e IBUTG, entre outros. Os resul-
tados desta sonda foram coletados apenas manualmente.
89
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Figura 43: foto do termômetro de globo analógico utilizado
5.2.3.5.1
Calibração do Termômetro de Globo Analógico
Assim como os sensores do MT-530 PLUS®, o termômetro de globo analógico foi colocado,
juntamente com os sensores do BABUC/A®, em uma sala fechada, com ventilação forçada,
para a aferição de seus resultados por 24h. Seus resultados foram monitorados e registrados
manualmente durante as quatro últimas horas, também em intervalos de 90min, e expostos na
tabela 10. Observamos que a variação de temperatura radiante dentro da sala foi mínima, as-
sim como a dispersão dos resultados.
Tabela 10: valores de temperatura média radiante registrados pela
sonda BABUC/A® e o termômetro de globo analógico
hora TGB TGA dispersão
16:30 19,6 19,4 -0,2
18:00 19,7 19,6 -0,1
19:30 19,6 19,6 0,0
21:00 19,5 19,4 -0,1
90
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
5.3 MONTAGEM EXPERIMENTAL
Neste capítulo é descrita a montagem experimental. Considera-se importante descrever minu-
ciosamente esta etapa, para que trabalhos futuros tenham uma referência clara do procedimen-
to adotado e, no caso de uma repetição do experimento, os resultados possam ser comparados.
Por ocorrer no período de primavera e verão, o horário da medição sofreu influência do horá-
rio de verão brasileiro. Esta diferença de uma hora, porém, foi descartada, mantendo os reló-
gios das controladoras no horário convencional.
5.3.1 Estudo Piloto
Foi executado um estudo piloto durante o mês de julho de 2005, no qual foi monitorada uma
edificação no Centro Integria que utiliza dutos enterrados na ventilação interna. As medições
ocorreram durante um dia e permitiram a familiarização do pesquisador com a programação e
com o funcionamento da controladora BABUC/A® e suas sondas, bem como avaliar os pro-
cedimentos e as grandezas que implicariam na determinação das condições térmicas do ambi-
ente e no deslocamento do ar nos dutos.
Não foi localizada na bibliografia uma definição sobre o intervalo de tempo ideal para as me-
dições, pois os sistemas similares não apresentam elementos de variação abrupta, como a ve-
locidade do vento. Dessa forma, para o estudo preliminar, foi eleito o intervalo de dez minu-
tos para a coleta de dados devido à disponibilidade do pesquisador e à melhor avaliação dos
parâmetros de conforto.
No exterior, manualmente e à sombra, foram coletados dados de temperatura com um termô-
metro de mercúrio, e umidade relativa do ar com um higrômetro. No interior, através da con-
troladora BABUC/A®, os dados de temperatura do ar de bulbo seco (com ventilação forçada),
de bulbo úmido (com e sem ventilação forçada), temperatura radiante assimétrica e média,
além da velocidade do vento em um dos dutos enterrados (existe um total de três dutos).
Os resultados numéricos adquiridos no estudo piloto não estão listados neste trabalho. A prin-
cipal conclusão deste estudo foi que o intervalo de tempo não estava apropriado. O ambiente
não apresentava variações tão bruscas de temperatura e umidade que justificassem medições
91
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
em períodos curtos, ao mesmo tempo, a velocidade do ar dentro do duto variava constante-
mente e o valor instantâneo coletado não era significativo. Outra observação foi que, devido à
pequena extensão do cabo do anemômetro de fio quente, as demais sondas não puderam ser
posicionadas no centro da sala, de modo que as medições de temperatura de globo ficaram
prejudicadas.
5.3.2 Descrição da Montagem Experimental
A montagem experimental iniciou-se no dia 20 de outubro e apresentou três etapas distintas
que serão descritas posteriormente. Sendo assim, a montagem experimental sofreu alterações
no decorrer do monitoramento com o intuito de melhor responder aos objetivos de cada uma.
Para manter a segurança dos equipamentos, optou-se por manter portas e janelas fechadas,
porém, diferente de Becker (1992), não foram vedadas as esquadrias para reduzir o efeito das
infiltrações, visto que, em situações reais de uso, ela sempre ocorrerá sem o controle dos usu-
ários sobre esse aspecto. Preocupou-se, porém, em encomendar esquadrias com a menor
quantidade de frestas possíveis.
As portas internas permaneceram fechadas durante todo o período de medições, para não cir-
cular ar entre elas. As medições foram executadas sem qualquer ocupante ou equipamento
diferente dos de medição no interior dos ambientes. Foram desconsiderados os dados quando
ocorreram visitas.
5.3.2.1
Comparação do Comportamento Higrotérmico dos Ambientes
Como vimos no capítulo de descrição do protótipo, a configuração da planta é simétrica em
relação ao eixo norte-sul. Desta forma, além do ambiente externo, foi monitorada a sala da
administração (na qual está instalado o sistema de tubos) e os sanitários, que possuem as
mesmas dimensões, porém orientações diferentes.
A intenção desta etapa foi observar o comportamento térmico das salas, primeiramente estan-
do ambas totalmente fechadas e, na seqüência, com o sistema de tubos aberto. Com isso, pre-
tende-se determinar o padrão da curva diária de temperatura do ar das salas juntamente com
92
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
as diferenças médias de umidade relativa e absoluta, averiguando a possibilidade de futuras
comparações e as modificações significativas ocorridas nesses elementos, juntamente com o
deslocamento do ar com a abertura dos tubos e da chaminé solar.
Figura 44: esquema com a posição dos sensores durante o estudo do
comportamento higrotérmico dos ambientes
93
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Este estudo ocorreu por sete dias, cinco dos quais os ambientes estavam selados e dois onde
os tubos foram abertos. Com a permanência do pesquisador junto ao experimento, tornou-se
viável o estudo de um número maior de variáveis com a utilização de instrumental mais sim-
ples e sem capacidade de armazenamento de dados. A tabela 11 representa o cabeçalho da
tabela preenchida no período e expõe as grandezas climáticas monitoradas nas posições indi-
cadas na figura 44. O intervalo de tempo estipulado nesta etapa, para todas as sondas, foi de
30 minutos.
No exterior, foram coletados manualmente os dados de temperatura e umidade relativa do ar,
com um termômetro de mercúrio e um higrômetro, à sombra. A velocidade foi registrada por
um anemômetro de copos a 2 metros de altura do telhado (ou 10m do solo), juntamente com a
direção do vento que foi registrada manualmente com a ajuda de um balão de festas. A medi-
ção externa permaneceu inalterada ao longo dos sete dias.
Tabela 11: dados coletados durante o estudo do comportamento
higrotérmico dos ambientes
DADOS EXTERNOS
Vento
Hora
Velocidade (m/s)
Direção
Temperatura do Ar (ºC) Umidade (%)
AMBIENTE SEM VENTILAÇÃO NATURAL – SANITÁRIO
Hora Temperatura (ºC) Umidade Relativa (%) Calor médio radiante (ºC)
AMBIENTE COM VENTILAÇÃO NATURAL POR DUTOS ENTERRADOS – ADMINISTRA-
ÇÃO
Vento: Velocidade (m/s) e Sentido
Hora
Temperatu-
ra (ºC)
Umidade
Relativa
(%)
Calor mé-
dio radiante
(ºC)
IF Ø100 IF Ø200 SP Ø100 SP Ø200
No interior dos sanitários, foram instalados um termômetro de globo, um sensor de temperatu-
ra e um higrômetro no centro da sala a uma altura de 1,1m. O termômetro de globo exigiu a
entrada do pesquisador no ambiente, pois a leitura é analógica e não possibilitava registros
eletrônicos. Buscando reduzir a troca de ar com o exterior, a entrada nos banheiros se deu pela
sala central.
94
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
No interior da administração, nos primeiros cinco dias, foram coletados os dados de tempera-
tura média radiante e temperatura, umidade relativa e velocidade do ar através das sondas da
BABUC/A®, no centro da sala, a uma altura de 1,1m. Ao serem abertos todos os tubos e o
exaustor, foram registrados os dados de velocidade instantânea do ar com o anemômetro de
fio quente e o sentido do deslocamento do ar junto à extremidade interna, com a observação
de um barbante previamente fixado. Como se possuía apenas um anemômetro de fio quente,
esta operação teve de ser realizada em um tubo de cada vez e exigiu a entrada do pesquisador
no ambiente. Da mesma forma que nos sanitários, a entrada na administração se deu pela sala
central.
5.3.2.2
Observação dos fatores influentes na circulação de ar no interior dos dutos enterrados
Esta etapa tem por objetivo observar os fatores influentes na circulação de ar no interior dos
dutos. Por exigir dias de sol (para maximizar a influência da diferença de temperatura), as
medições ocorreram em dias não consecutivos entre os dias 10 de dezembro de 2005 a 12 de
janeiro de 2005.
Devido à disponibilidade de apenas um anemômetro de fio quente, o qual deveria coletar da-
dos em um pequeno intervalo de tempo, optou-se por estudar um tubo de cada vez, mantendo
os demais selados. Desta forma, monitorou-se ao longo de um dia o comportamento da sala
com diferentes configurações, resultando em um total de nove dias. Primeiramente, ela per-
maneceu totalmente fechada (incluindo os tubos, esquadrias e chaminé), na seqüência, foi
aberto cada um dos tubos e, por último, foi mantida aberta a chaminé solar e novamente a-
briu-se independentemente cada um dos tubos.
Com a finalidade de estudar também o comportamento noturno e em períodos menores, a par-
tir deste estudo ocorreu a inclusão de novas sondas, e os registros passaram a ser eletrônicos
em praticamente sua totalidade (à exceção do sentido do fluxo no interior dos tubos). A loca-
lização das sondas está demonstrada na figura 45.
No exterior, foram registradas a temperatura e a umidade relativa do ar a uma altura de
110cm, com um sensor NTC e um higrômetro, respectivamente. A temperatura do solo pas-
sou a ser monitorada em cinco profundidades diferentes, com sensores NTC (5cm, 50cm,
100cm, 200cm e 300cm).
95
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Figura 45: esquema com a posição dos sensores durante a observação
das grandezas físicas influentes na circulação de ar no interior dos
dutos
Para proteger e sombrear as sondas e a superfície do solo no local da medição, foi construído
um abrigo de 2m de altura, que era sombreado por vegetação a leste e a oeste. Os controlado-
res TC-900 e o MT-530 foram organizados e protegidos de intempéries (figura 46). As telhas
96
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
do abrigo foram revestidas na parte inferior com papel alumínio para reduzir as trocas de calor
com as sondas por radiação.
Figura 46: fotos da instalação dos sensores de temperatura e umidade
relativa e de temperatura do solo
Para garantir a profundidade das sondas, elas foram fixadas em um tubo de PVC, através de
furos executados nas alturas estipuladas. Desta forma, os sensores NTC ficaram para fora e a
fiação percorria seu interior até a superfície. Os termômetros foram protegidos por duas ca-
madas de fita alumínio, que teve sua borda selada com silicone. Para que o registro de tempe-
ratura não abrangesse apenas a posição do sensor, foi fixada uma braçadeira metálica que o
envolvia, juntamente com o tubo.
Figura 47: fotos dos sensores de radiação solar global, velocidade e
direção do vento externo instalados
Uma vez que, na etapa anterior, constatou-se a grande influência do vento externo sobre esta
vazão nos dutos e que ele sofre variações abruptas, fez-se o acréscimo de sensores eletrônicos
para monitorar sua velocidade e direção, sendo incluídos dois anemômetros de copos e uma
97
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
biruta (figura 47). Um destes anemômetros, juntamente com o solarímetro, foi posicionado a
10m do solo através da fixação de um mastro sobre a cobertura da edificação. A direção do
vento foi registrada com uma biruta de construção artesanal posicionada acima da cobertura,
junto à fachada frontal da edificação, a 7m de altura. O segundo anemômetro de copos foi
responsável pelo registro da velocidade do vento junto à boca externa do tubo, a uma altura de
50cm.
As posições foram escolhidas por representar as de menor influência dos fatores externos, tais
como a vegetação e as edificações, sobre os sensores. Tomou-se o devido cuidado com a hori-
zontalidade na instalação e os equipamentos foram protegidos de descargas elétricas por um
pára-raios.
Não mais se monitorou a temperatura média radiante nos sanitários e na administração, de
modo que, esta etapa, dispensou a entrada regular do pesquisador no recinto. Sendo assim,
eles passaram a registrar apenas valores de temperatura e umidade relativa do ar, ambos no
centro da sala, a 110cm de altura. A primeira sala contava com sensores NTC e higrômetro,
enquanto a segunda, com as sondas da BABUC/A® (figura 48).
Foram monitorados quatro (dos seis) tubos com características distintas, resultados da combi-
nação de dois diâmetros (100mm e 200mm) e duas inclinações (ascendente e descendente em
relação ao piso da edificação). Os valores de temperatura foram registrados com sensores
NTC a 50cm de cada extremidade. A superfície interna dos tubos próxima aos sensores foi
revestida com papel alumínio e o sensor foi fixo com uma base de madeira para melhor regis-
trar a temperatura do ar e reduzir a influência das trocas de calor por radiação e condução com
paredes do tubo.
A velocidade do ar nos tubos foi registrada com o anemômetro de fio quente no centro a uma
distância equivalente a cinco vezes o diâmetro na extremidade interna (ou seja, 50cm no tubo
de 100mm e 100cm no tubo de 200mm). Para tanto, foi criado um extensor dos tubos. A ver-
ticalidade foi garantida por uma haste de segurar tubos de ensaio com duas presilhas.
As modificações no sistema eram feitas no período noturno, após as 23h, e os registros inicia-
vam à 1h do dia seguinte. Nesta etapa, os dados de velocidade do vento dos três anemômetros
e os de radiação solar foram coletados cada 10s e feita a média cada 12min. Os registros de
98
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
temperatura e umidade ocorreram a cada 12min. Como nas etapas anteriores, o ingresso do
pesquisador no ambiente nunca era de maneira direta do exterior, ocorrendo pela sala lateral.
Figura 48: foto dos equipamentos instalados nas das salas estudadas
5.3.2.3
Observação do Desempenho Higrotérmico na Sala Ventilada pelo Sistema de Tubos
Uma vez observado e avaliado o comportamento térmico das salas fechadas e do deslocamen-
to geral da circulação de ar no sistema, executou-se uma medição mais prolongada para avali-
ar as condições de desempenho higrotérmico nos ambientes internos e no externo.
A coleta de dados, nesta etapa, seguiu os mesmos moldes da etapa anterior, permanecendo os
sensores nos mesmos locais, porém com tempo de coleta diferenciada. Todos os tubos, junta-
mente com a chaminé solar, permaneceram abertos e o anemômetro de fio quente era posicio-
nado para avaliar a velocidade do ar de um tubo diferente a cada semana (ao invés de cada
dia). Os dados de radiação, direção e velocidade do vento (externa e nos tubos), devido ao
limite de memória da controladora BABUC/A®, passaram a ser coletados a cada minuto, e
sua média registrada junto com os valores absolutos das demais sondas a cada meia hora.
99
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
5.3.3 Tratamento dos dados
Como existem muitas variáveis influenciando o sistema e três controladoras diferentes, houve
uma grande quantidade de dados coletados (os dados foram colocados no CD que acompanha
o trabalho), fornecidos em diferentes formatos de arquivo. Para facilitar o entendimento do
leitor e tratamento, eles foram importados para o programa Microsoft Excel® e organizados
em forma de planilhas eletrônicas, nas quais foram contabilizados, tratados estatisticamente e
convertidos em gráficos similares. Desta forma, os resultados obtidos pelos três ambientes
(dois internos e um externo), puderam ser comparados.
O tratamento estatístico consiste em calcular a média das variáveis nos intervalos previamente
descritos e localizar a máxima em alguns períodos. Os gráficos comparados são de desenvol-
vimento linear ao longo do tempo, de dispersão (cruzando as variáveis influentes com a velo-
cidade do ar no interior dos tubos) e histogramas de temperatura e sentido do fluxo de ar.
5.3.4 Constatações sobre o andamento da pesquisa, o método adotado e os
equipamentos utilizados
Ao longo das medições, foram realizadas constatações que se considera importante descrever
para facilitar o trabalho de outros pesquisadores, em estudos similares, no futuro. Tais consta-
tações podem ser interpretadas como conselhos ou advertências sobre possíveis problemas a
serem encontrados. Considera-se importante serem aqui relatados, pois tiveram forte influên-
cia nos resultados obtidos.
A conclusão da obra sofreu atraso. A edificação deveria ter ficado pronta em março de 2005,
porém apenas seis meses depois ela possuiu condições mínimas para a instalação dos senso-
res. Desta maneira, medições in loco desenvolveram-se sem os acabamentos da edificação e a
pesquisa limitou-se ao período de outubro de 2005 a março de 2006 (período de primavera e
verão).
Quanto à preparação do experimento, um bom embasamento teórico sobre métodos de medi-
ção ajudou na coleta adequada das grandezas físicas desejadas com a menor quantidade de
100
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
interferência possível. Esta etapa bem definida permitiu que os intervalos de tempo determi-
nados para as medições fossem suficientes para a avaliação dos objetivos.
Para a coleta de alguns dados, fez-se necessário a entrada do pesquisador no interior das salas.
Com intuito de diminuir a interferência gerada, esse ingresso ocorreu pelas salas centrais, cri-
ando assim uma antecâmara, impedindo a troca direta de ar interno com o externo. O tempo
de permanência do pesquisador no interior das salas foi o mínimo necessário para a coleta de
dados.
Algumas sondas se fizeram necessárias e foram adquiridas ao longo do estudo, resultando que
o estudo piloto realizado não contemplou a totalidade das sondas empregadas. Este fato acar-
retou em problemas decorrentes da instalação e programação dos equipamentos, sendo neces-
sário uma série de deslocamentos até os centros de pesquisa ou locais de assistência técnica
para re-configuração. Outro inconveniente atribuído à aquisição de sondas durante o experi-
mento é que a quantidade de informação nas diversas etapas do estudo não é homogênea, difi-
cultando as comparações.
O número de controladoras (no total de três), de gerações tecnológicas diferentes, utilizadas
concentradas sobre um equipamento desatualizado, de baixa estabilidade e capacidade de pro-
cessamento e memória – caso do computador e sistema operacional utilizados – acarretou em
várias interrupções, limitando a quantidade e periodicidade dos dados obtidos, e em perdas de
dados. Este fato também gerou um esforço dobrado para a redução de erros nos registros, uma
vez que, entre outros efeitos, cada controladora apresentava um relógio interno próprio, e eles
entravam em descompasso em tempos maiores de medição.
Outro limitador da quantidade de informação adquirida foi a ocorrência de problemas mecâ-
nicos na sonda analisadora de ambientes internos (BABUC/A®), possivelmente devido a in-
filtração de umidade, que encerraram prematuramente o estudo do desempenho térmico den-
tro das salas, restringindo-o a três semanas.
O uso de equipamentos não dedicados ao monitoramento experimental foi outro problema
encontrado, principalmente devido ao grau de exigência dos dados, à falta de informação dis-
ponível em manuais e à inexistência de suporte técnico. Entre os equipamentos, a sonda anali-
sadora de ambientes internos BABUC/A® se mostrou a mais adequada para a execução do
101
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
experimento, pois não requer um acompanhamento constante, apenas visitas de rotina para a
reposição da água destilada no psicrômetro e a limpeza das demais.
A existência de um único anemômetro de fio quente também dificultou a comparação dos
dados coletados, pois determinou que a coleta de dados da velocidade do ar dentro de cada
tubo fosse executada em dias diferentes. Também não se encontrou meios técnicos e financei-
ros compatíveis para se monitorar o sentido do fluxo no interior dos tubos eletronicamente,
sendo ele restrito ao período onde o pesquisador permaneceu junto ao Protótipo Ventura, du-
rante o dia e em períodos a cada 30 minutos.
102
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
6 ANÁLISE DOS RESULTADOS
O presente capítulo, além de apresentar os dados coletados no interior e exterior do protótipo,
tem por objetivo analisar e discutir os resultados obtidos no período. O capítulo está dividido
conforme o enfoque e o tratamento dos dados obtidos.
6.1 DADOS EXTERNOS MÉDIOS MEDIDOS NO PERÍODO ESTUDADO
A seguir serão apresentadas as médias mensais, no período, dos dados coletados junto ao Pro-
tótipo Ventura e comparados aos registrados no 8º Distrito de Meteorologia em Porto Alegre.
As medições foram iniciadas à meia noite do dia 21 de outubro de 2005 e transcorreram até às
12h do dia 11 de março de 2006.
O período englobado no estudo corresponderia a um total de 3.394 horas de leitura, porém,
devido a pausas, foi medido um total de 2.220 horas, distribuídas de forma desigual entre os
meses, sendo 115 horas entre os dias 21 a 31 de outubro, 192 horas entre os dias 2 a 9 e 25 a
30 de novembro, 464 horas entre os dias 1 a 22 e 29 de dezembro, 525 horas entre os dias 4 a
31 de janeiro, 672 horas entre os dias 1 a 28 de fevereiro e 251 horas entre os dias 1 a 11 de
março. Devido a esta perda de dados não é possível caracterizar os meses, mas é possível,
sim, apresentar um panorama geral dos dias estudados. Os dados do 8º Distrito foram coleta-
dos e aqui dispostos de forma contínua e ininterrupta.
6.1.1 Radiação solar global (total)
Foi realizada a medição da radiação solar global (direta e difusa) recebida por hora, sobre o
plano horizontal, junto ao Protótipo Ventura. A radiação solar global é uma característica que
varia muito de acordo com a posição do local, devido à grande variação de nebulosidade e às
características das superfícies envolventes.
103
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Observa-se na figura 49 que, em geral, os dados coletados no Vila Ventura se apresentam
aproximadamente 50Wh/m² inferiores aos registrados no 8º Distrito Meteorológico no mesmo
período, possivelmente devido à vegetação abundante e elevada próxima ao protótipo. A ex-
ceção ocorre no mês de dezembro, no qual essa diferença passa a ser 115Wh/m² superior. Isso
se justifica pelo fato dos estudos realizados, neste mês, terem selecionado exclusivamente os
dias de sol.
Os dados coletados pelo 8º Distrito demonstram que os meses de dezembro e janeiro foram
atípicos, pois receberam uma intensidade de radiação solar abaixo do esperado e menor que os
meses de novembro, fevereiro e março, junto ao 8º Distrito de Meteorologia. Estes meses,
além de serem tradicionalmente mais ensolarados devido à pequena inclinação relativa ao sol
do eixo terrestre são caracterizados em séries históricas por apresentarem nebulosidade inferi-
or à dos meses anteriormente mencionados (UBER, 1992).
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
out nov dez jan fev mar
Mês
Radiação (Wh/m²)
Vila Ventura (2005-2006) 8º Distrito de Meteorologia (2005-2006)
Figura 49: gráfico da radiação solar global média mensal junto ao
Protótipo Ventura e ao 8º Distrito de Meteorologia (2005-2006)
6.1.2 Velocidade e direção do vento
Junto ao protótipo, as velocidades médias dos ventos registradas são menores que àquelas
encontradas no 8º Distrito de Meteorologia. Isso já era esperado devido à interferência de uma
104
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
série de fatores, entre os quais podem ser citados: a influência da topografia, das massas vege-
tais e das edificações no entorno, bem como da altura de medição. O valor médio calculado
no Vila Ventura foi de 0,46m/s, sendo que a velocidade média mais elevada foi no mês de
dezembro (0,82m/s), como visto na figura 50.
Assim como já observado por Uber (1992), na região de em Porto Alegre, o vento é caracteri-
zado por ciclos diários onde ocorre uma queda na velocidade do vento pela madrugada e ma-
nhã, seguida de um incremento até o fim da tarde onde atinge seu pico. O valor máximo de
velocidade do vento ocorreu no dia 4 de novembro às 20 horas.
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
out nov dez jan fev mar
Mês
Vel do Vento a 10m (m/s)
Vila Ventura (2005-2006) 8º Distrito de Meterorologia
Figura 50: gráfico da velocidade do vento média mensal junto ao
Protótipo Ventura e ao 8º Distrito de Meteorologia (2005-2006)
Embora os ventos de Porto Alegre sejam predominantes do quadrante leste e sudeste, junto ao
Protótipo Ventura foi predominante do quadrante norte. É possível explicar o ocorrido pelos
mesmos motivos que influenciam na velocidade do vento. O registro dessa divergência é de
grande valia, pois sem dados gerais da direção do vento atmosférico, não seria possível um
estudo mais aprofundado da influencia da ventilação natural sobre o deslocamento de ar den-
tro dos tubos.
105
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
NOVEMBRO - 2005
0,00%
2,50%
5,00%
7,50%
10,00%
12,50%
15,00%
N
NL
L
SL
S
SO
O
NO
Número de Registros
DEZEMBRO - 2005
0,00%
10,00%
20,00%
30,00%
40,00%
N
NL
L
SL
S
SO
O
NO
Número de Registros
JANEIRO - 2006
0,00%
2,50%
5,00%
7,50%
10,00%
12,50%
15,00%
N
NL
L
SL
S
SO
O
NO
Número de Registros
FEVEREIRO - 2006
0,00%
2,50%
5,00%
7,50%
10,00%
12,50%
15,00%
N
NL
L
SL
S
SO
O
NO
Número de Registros
MARÇO - 2006
0,00%
2,50%
5,00%
7,50%
10,00%
12,50%
15,00%
N
NL
L
SL
S
SO
O
NO
Número de Registros
PRIMAVERA - VERÃO
0,00%
2,50%
5,00%
7,50%
10,00%
12,50%
15,00%
N
NL
L
SL
S
SO
O
NO
Número de Registros
Figura 51: gráfico da direção dos ventos mensal junto ao Protótipo
Ventura (2005-2006)
106
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
Nos gráficos da figura 51, é possível visualizar com clareza a direção dos ventos predominan-
tes no local, em cada um dos meses de medição. Observa-se que a maioria dos meses é carac-
terizada por períodos de calmaria (velocidades do vento menores que 0,5m/s, nos quais a biru-
ta registra valores nulos de direção), à exceção do mês de dezembro, onde ocorre uma predo-
minância de ventos de noroeste. Outra constatação é a baixíssima freqüência de registros pro-
venientes de leste, possivelmente devido a uma grande massa vegetal (bambuzal) localizada a,
aproximadamente, 5m desse quadrante da edificação. À exceção de novembro, os demais me-
ses são caracterizados por uma grande constância de ventos provindos da mesma direção.
Deve-se salientar que a biruta é de fabricação caseira e sua precisão é baixa, além de cobrir
apenas oito quadrantes.
6.1.3 Temperatura do ar
No gráfico da figura 52 são apresentados os valores médios mensais de temperatura do ar,
junto ao Protótipo Ventura e no 8º Distrito de Meteorologia durante o período estudado.
18
19
20
21
22
23
24
25
26
out nov dez jan fev mar
Mês
Temperatura (ºC)
Vila Ventura (2005-2006) 8º Distrito de Meteorologia (2005-2006)
Figura 52: gráfico da temperatura do ar média mensal junto ao
Protótipo Ventura e ao 8º Distrito de Meteorologia (2005-2006)
Ocorreu uma equivalência dos valores registrados ao longo do período, a exceção do mês de
novembro, que se mostrou com temperaturas superiores. Essa diferença já era esperada, devi-
107
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
do ao registro manual de temperatura do ar ter ocorrido apenas durante o dia (excluindo a
noite). A média de temperatura do ar no período foi de 23,8ºC. O mês de janeiro apresentou o
valor médio de temperatura mais elevado, com 25,5ºC, como esperado para Porto Alegre e
arredores. Analisando os dados detalhadamente, observou-se que o período mais quente ocor-
reu entre os dias 6 e 16 de janeiro, quando a média dos valores manteve-se em 29,5ºC e os
valores máximos chegaram às marcas de 41,2ºC e 40,4ºC, às 17 horas, do dia 8 e do dia 10 de
janeiro, respectivamente.
6.1.4 Umidade relativa do ar
Os valores registrados para a umidade relativa do ar externo, junto ao Protótipo Ventura, pas-
saram a ser registrados às 19 horas do dia 3 de dezembro de 2005. As médias mensais se apre-
sentam, em média, 12% maiores do que as registradas no 8º Distrito de Meteorologia, e este
comportamento é uniforme durante o período (figura 53). A média foi de 81,5%. O mês de
janeiro apresentou o valor médio mais elevado, com 84,7%, diferente do esperado para Porto
Alegre e arredores, pois em séries históricas registradas pelo 8º Distrito de Meteorologia e
apontadas no trabalho de Uber (1992), este mês é tipicamente o mais seco do ano juntamente
com dezembro.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
out nov dez jan fev mar
Mês
Umidade Relativa (%)
Vila Ventura (2005-2006) 8º Distrito de Meteorologia (2005-2006)
Figura 53: gráfico da umidade relativa do ar média mensal junto ao
Protótipo Ventura e ao 8º Distrito de Meteorologia (2005-2006)
108
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
6.1.5 Temperatura do Solo
Conforme caracterizado por Streck et alli (2002), o solo de Viamão/RS apresenta um relevo
suavemente ondulado, composto por granitos e magmáticos nos declives e partes mais altas
das ondulações e por depósitos sedimentares recentes nas planícies aluviais.
Foi executada por Vaz e Sattler (2004) uma análise da distribuição de temperaturas nas cama-
das mais superficiais do solo do município de Viamão, a partir de séries históricas de tempe-
raturas, registradas pela FEPAGRO, para as profundidades de 5cm, 10cm, 15cm, 30cm e
50cm, durante oito anos.
O estudo mostra uma distribuição anual de temperaturas do solo segundo a profundidade osci-
lando com formato senoidal, em torno do valor médio de 21,6
º
C e amplitudes que chegam a
7,5ºC, logo abaixo da superfície, diminuindo para valores desprezíveis, a 6 metros de profun-
didade e tornando-se praticamente nula nas profundidades em torno de 12 metros.
No estudo, a defasagem do ciclo térmico anual (característico à profundidade de 50cm), rela-
tiva ao ciclo na profundidade de 5cm (superfície), foi próxima a 11 dias. Isto significa que as
variações na superfície do solo só se fazem sentir a 50cm de profundidade por volta de 11 dias
depois e de forma amortecida. Segundo o estudo, para os ciclos diários, a expectativa é que as
variações em torno da temperatura diária média se façam sentir, no máximo, a até 40cm de
profundidade.
Os autores colocam ainda que, considerando os fenômenos de amortecimento e defasagem
dos eventos térmicos nas camadas profundas em relação à ocorrência na superfície, o subsolo
na região apresenta potencial de receber calor durante o dia e transmitir esta energia armaze-
nada ao ambiente durante a noite. Sendo assim, o solo se mostra capaz de funcionar como um
reservatório inercial de energia renovável e limpa, naturalmente disponível para aproveita-
mento no atendimento de necessidades energéticas da comunidade.
Da mesma forma que o observado pelos autores acima citados, os dados coletados mostraram
que a temperatura média do subsolo do município de Viamão apresenta valores inferiores à
média das temperaturas máximas e superiores à média das temperaturas mínimas no ar ambi-
ente, mesmo a pequenas profundidades. Nos gráficos das figuras 54 e 55, vemos o comporta-
mento da temperatura do ambiente e do solo, em diversas profundidades. Como era de se es-
109
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
perar, à medida que aumentamos a profundidade, a oscilação diária de temperatura passa a ser
cada vez menos observada, de modo que à profundidade de 1 metro, a temperatura se apresen-
ta bastante constante e próxima à média de 22,9ºC.
É importante ressaltar que, embora as amplitudes máximas a partir dos 50cm de profundidade
sejam similares (apresentada no gráfico 53 à direita), elas são de característica diferentes, pois
a pequenas profundidades essa variação ocorreu várias vezes ao longo do período, enquanto
que a profundidades maiores (a partir dos 2 metros), ela representa praticamente o aquecimen-
to sofrido pelo solo em todo o período de verão.
Observamos que, na profundidade de 5cm, a resposta do solo à variação térmica é diária. Nas
profundidades de 50cm, essa variação passa a acompanhar períodos de oscilação e é influen-
ciada por entradas de frentes de calor e de frio. A 1m, o comportamento é similar à profundi-
dade anterior, porém ocorre de maneira mais amortecida. A 2m e 3m, as perturbações são
sentidas apenas em momentos pontuais de chuvas extremas e se apresentam crescentes até o
final do período. Essa característica demonstra o seu retardo térmico, pois o mês de março
representa a entrada do outono e a temperatura ambiente se encontra em declínio.
19,5
20,0
20,5
21,0
21,5
22,0
22,5
23,0
23,5
24,0
24,5
AR
-5
-50
-100
-200
-300
Profundidade (cm)
Temperatura (ºC)
Temperatura média no período
0 10 20 30 40 50
-300
-250
-200
-150
-100
-50
-5
AR
Profundidade (cm)
Temperatura (ºC)
Amplitude Térmica
Figura 54: gráfico da temperatura do ar e do solo média (esquerda) e
amplitude máxima (direita) registrada junto ao Protótipo Ventura
(2005-2006).
110
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
10
15
20
25
30
35
40
45
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05/03/06
07/03/06
09/03/06
11/03/06
Data
Temperatura (ºC)
0
5
10
15
20
25
30
35
Precipitação (mm de água)
Temperatura do Ar Ambiente Temperatura do Solo a 5cm Temperatura do Solo a 50cm
Temperatura do Solo a 100cm Temperatura do Solo a 200cm Temperatura do Solo a 300cm
Precipitação (8º Distrito de Meteorologia)
Figura 55: gráfico de temperatura do ar e do solo (a diversas profundidades) e precipitação no período (2005-2006)
111
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Embora bastante constante, a temperatura em profundidades elevadas demonstrou, no decor-
rer do período, algumas oscilações bruscas. Esse fenômeno se deve à ação da chuva sobre o
solo. A chuva, à medida que penetra no solo tende a homogeneizar a temperatura. No caso do
verão, refrigera as camadas menos profundas e aquece as mais profundas. É possível observar
essa afirmação, claramente, entre os dias 18 e 20 de janeiro e 25 e 27 de fevereiro, quando
ocorreram precipitações com volumes consideráveis de água. Chuvas mais intensas geraram
oscilações em camadas mais profundas.
6.2 COMPARAÇÃO DO COMPORTAMENTO HIGROTÉRMICO DOS
AMBIENTES
Os ambientes com as esquadrias e tubos fechados foram medidos nos dias 21 e 27 a 31 outu-
bro e o dia 2 de novembro de 2005. No total foram feito 260 registros, a cada meia hora, não
contínuos. O período monitorado foi caracterizado por radiação solar variável, com alguns
dias ensolarados e outros nublados. O vento externo apresentou um comportamento cíclico
regular ao longo dos dias com predominância de calmaria durante a noite e rajadas durante o
dia. Sua velocidade média foi de 0,61m/s, com rajada máxima de 2,65m/s (figura 56).
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
21/10/05 00:00
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21/10/05 18:00
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31/10/05 06:00
02/11/05 12:00
02/11/05 18:00
Data e Hora
Radiação Solar Total (W/m²)
0
1
2
3
4
5
6
7
Velocidade do Vento (m/s)
Radiação Solar Total Velocidade do Vento a 10m
Figura 56: gráfico da radiação solar total (global) e velocidade do
vento a 10 metros de altura
112
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
Na figura 57, vemos que os dias com sol correspondem àqueles com maior amplitude térmica
do ar externo, evento típico da primavera, diferente dos dias nublados, que apresentaram bai-
xas variações. As temperaturas dos ambientes estudados apresentaram um padrão senoidal
similar ao longo do dia, com um retardo térmico médio, no período, de cinco horas.
10
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35
21/10/05 00:00
21/10/05 06:00
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28/10/05 00:00
28/10/05 06:00
28/10/05 12:00
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29/10/05 00:00
29/10/05 06:00
29/10/05 12:00
29/10/05 18:00
30/10/05 00:00
30/10/05 06:00
30/10/05 12:00
30/10/05 18:00
31/10/05 00:00
31/10/05 06:00
02/11/05 12:00
02/11/05 18:00
Data e Hora
Temperatura (ºC)
Temperatura do ar externo Temperatura do ar sala A Temperatura do ar sala B
Figura 57: gráfico da temperatura do ar externa e interna
A temperatura do ar externo, no período diurno, teve média de 20,4ºC com mínima de 11,6ºC
e máxima de 28,4ºC. Na Sala A, a temperatura média do ar foi de 19,8ºC enquanto que na
Sala B, de 20,5ºC. Nos dias nublados, as temperaturas do ar dos ambientes se mostraram bas-
tante próximas, com diferença média de 0,4ºC. Já nos dias ensolarados, as diferenças aumen-
taram para 1,0ºC em média, sendo a máxima de 1,5ºC.
Tabela 12: diferença de temperatura média entre as salas e grau de
correlação de Pearson
Diferença média (ºC) Correlação de Pearson
Totalidade dos dias 0,73 0,954
Dias ensolarados 0,99 0,980
Dias nublados 0,39 0,995
113
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Através do recurso estatístico do Teste-T, de duas amostras em par, em relação à média, a alta
correlação de Pearson permite concluir que o comportamento da Sala A é similar ao da Sala
B, sendo possível ser descrito pela temperatura do ar da primeira acrescida da média da dife-
rença para cada situação de nebulosidade, como mostra na tabela 12. A correlação de Pearson
é o fator que determina a significância dos resultados comparativos com esse teste. Seus valo-
res variam de 0 a 1 e níveis acima de 0,9 são tidos como significativos.
A umidade relativa média da Sala A foi de 87,4% e da Sala B foi de 85,6%. Essa diferença de
1 ponto percentual se manteve durante praticamente todo o período, oscilando entre 79% e
91%. É necessário comentar que, tanto as faixas de oscilação quanto as médias são elevadas,
uma vez que não ocorreu chuva no período e que o diagrama bioclimático para edificações
sugerido por Givoni (1992) identifica como limite superior a umidade relativa de 80% para o
conforto.
10
11
12
13
14
15
16
17
21/10/05 00:00
21/10/05 06:00
21/10/05 12:00
21/10/05 18:00
27/10/05 00:00
27/10/05 06:00
27/10/05 12:00
27/10/05 18:00
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28/10/05 06:00
28/10/05 12:00
28/10/05 18:00
29/10/05 00:00
29/10/05 06:00
29/10/05 12:00
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30/10/05 00:00
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30/10/05 18:00
31/10/05 00:00
31/10/05 06:00
02/11/05 12:00
02/11/05 18:00
Data e Hora
Umidade em g/Kg de ar
Umidade Relativa do ar sala A Umidade Relativa do ar sala B
Figura 58: gráfico da umidade absoluta do ar interna
Essa elevada umidade relativa foi constatada mesmo no dia de maior calor e pode ser atribuí-
da a dois fatores: ao contato contínuo das paredes da edificação com o solo, uma vez que ela
se encontra “encostada” no talude e ao início do experimento no dia seguinte à conclusão da
obra, com as paredes sem acabamento final. A umidade elevada aumenta consideravelmente o
desconforto e, combinado à alta temperatura e à carência de ventilação, é a principal causa de
114
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
desconforto térmico (MASCARÓ et alli, 2001). Embora a umidade relativa da sala A seja
maior, a Sala B se apresenta mais úmida em valores absolutos, como visto na figura 58. A
média de umidade absoluta registrado na sala A foi de 12,7g/kg
ar
e da sala B, de 13,0 g/kg
ar
.
7 horas
8 horas
9 horas
10 horas
11 horas
12 horas
13 horas
14 horas
15 horas
16 horas
17 horas
18 horas
Figura 59: fotos do Protótipo Ventura tiradas a cada hora do dia 30 de
outubro de 2005
No dia 30 de outubro, juntamente com as medições, foram tiradas fotos, a cada hora, para
uma melhor avaliação da insolação sobre o protótipo. As fotos demonstram que a Sala B (sala
115
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
mais da direita) recebe mais insolação que a Sala A (mais da esquerda), inclusive durante o
período da manhã, devido à massa vegetal localizada ao leste (fotos da figura 59).
6.2.1.1
Primeiras Observações sobre o Funcionamento Geral do Sistema de Ventilação
Natural por Tubos Enterrados
Com a abertura de todo o conjunto de tubos e da chaminé solar da Sala A, foi possível obser-
var o comportamento geral da circulação de ar e monitorar a temperatura e a velocidade do ar
no interior dos tubos. As medições foram realizadas nos dias 3 e 4 de novembro de 2005. No
total, foram feitos 85 registros contínuos, a cada meia hora.
Como visto na figura 60, o período monitorado foi caracterizado por radiação solar intensa,
com baixa nebulosidade, atingindo valores de 1200Wh/m². O vento externo apresentou um
comportamento cíclico regular ao longo dos dias, com predominância de calmaria durante a
noite e rajadas durante o dia. Sua velocidade média foi de 0,7m/s, com rajada máxima de
2,7m/s às 17 horas do segundo dia.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
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03/11/05 02:00
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03/11/05 08:00
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03/11/05 22:00
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04/11/05 10:00
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Data e Hora
Radiação Solar Total (W/m²)
0
1
2
3
4
5
6
7
Velocidade do Vento (m/s)
Radiação Solar Total Velocidade do Vento a 10m
Figura 60: gráfico da radiação solar total (global) e velocidade do
vento a 10 metros de altura
116
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
Na figura 61, vemos que a temperatura do ar externo atingiu valores de até 32,6ºC com média
(para valores entre as 8 e 19 horas) de 25,8ºC. No interior de ambas as salas, a temperatura do
oscilou, alcançando 21,1ºC, na Sala A, e 21,9ºC, na Sala B. Como observado, a diferença de
1,0ºC, em média, registrada no momento em que as salas estavam fechadas, diminuiu para
0,8ºC.
Outra constatação é que, ao final do período, as temperaturas internas do ar das duas salas
praticamente se igualaram, visto que, por um período de 4 horas, suas diferenças não ultrapas-
saram 0,3ºC. Este evento, como será visto posteriormente, é resultante do sentido de desloca-
mento do ar no interior dos tubos. O retardo térmico médio de ambas as salas, porém, perma-
neceu de cinco horas.
10
15
20
25
30
35
03/11/05 00:00
03/11/05 04:00
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04/11/05 04:00
04/11/05 08:00
04/11/05 12:00
04/11/05 16:00
04/11/05 20:00
Data e Hora
Temperatura (ºC)
Temperatura do ar externo
Temperatura do ar sala A
Temperatura do ar sala B
10
11
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13
14
15
16
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03/11/05 04:00
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03/11/05 16:00
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04/11/05 00:00
04/11/05 04:00
04/11/05 08:00
04/11/05 12:00
04/11/05 16:00
Data e Hora
Umidade em g/Kg de ar
Umidade do ar sala A
Umidade do ar sala B
Figura 61: gráfico da temperatura do ar (esquerda) e umidade absoluta
do ar (direita), externo e interno
A umidade relativa média das salas permaneceu elevada e acima do limite de 80%. Na Sala
A, a média foi de 83,0% e na sala B de 82,0%. Ambas oscilaram aproximadamente 3,3% em
torno da média.
Embora as médias de umidade absoluta tenham aumentado para 13,06g/kg
ar
, na sala A, e
13,90g/kg
ar
, na Sala B (figura 60 à direita), a diferença entre elas aumentou de 0,3g/kg
ar
para
0,8g/kg
ar
. A baixa quantidade de registros não permite uma conclusão, mas indica que a venti-
117
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
lação gerada pelo sistema empregado contribui na diminuição da umidade interna, fator que
será mais bem avaliado nos estudos seguintes.
Foi observado que o fluxo de ar no interior dos tubos é, na maioria dos casos, para dentro e
inferior a 0,2m/s (valores positivos do gráfico da figura 62).
-0,6
-0,5
-0,4
-0,3
-0,2
-0,1
0,0
0,1
0,2
0,3
03/11/05 00:00
03/11/05 02:00
03/11/05 04:00
03/11/05 06:00
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03/11/05 10:00
03/11/05 12:00
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03/11/05 22:00
04/11/05 00:00
04/11/05 02:00
04/11/05 04:00
04/11/05 06:00
04/11/05 08:00
04/11/05 10:00
04/11/05 12:00
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04/11/05 16:00
04/11/05 18:00
04/11/05 20:00
04/11/05 22:00
Data e Hora
Vel. do ar no interior do tubo (m/s)
Tubo INFØ100 Tubo INFØ200 Tubo SUPØ100 Tubo SUPØ200
Figura 62: gráfico da velocidade do ar no interior do tubo (obs.:
valores negativos de velocidade do ar indicam sentido do fluxo saindo
da edificação através dos dutos)
Apenas no final do período, a partir das 14 horas do dia 4 de novembro, a velocidade do vento
no interior do tubo aumenta e a direção de seu fluxo passa a ser dispersa. Neste curto período,
os tubos superiores, independentemente do diâmetro, mantiveram o fluxo para dentro e velo-
cidades de até 0,3m/s, enquanto os tubos inferiores apresentaram fluxo para fora e velocidades
superiores aos anteriores, atingindo 0,5m/s. Esta relação, da inclinação com a velocidade e
com o sentido do fluxo do ar dentro dos tubos, demonstrou-se válida e possivelmente influen-
ciada pela direção do vento externo em estudos descritos adiante.
Embora nesta etapa não tenha sido encontrada relação entre a velocidade do ar externo ou da
diferença de temperatura com a velocidade do ar interno aos tubos, estas relações se mostra-
ram válidas em estudos detalhados adiante.
118
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
A temperatura nos extremos interno e externo dos tubos é geralmente próxima à temperatura
do ar da sala e da temperatura do ar externo respectivamente. Desta forma, conforme visto na
figura 63, a diferença de temperatura do ar, entre as extremidades dos tubos e do exterior e do
interior apresenta um comportamento que tende a ser similar ao longo do tempo.
-16,00
-12,00
-8,00
-4,00
0,00
4,00
8,00
03/11/05 00:00
03/11/05 02:00
03/11/05 04:00
03/11/05 06:00
03/11/05 08:00
03/11/05 10:00
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04/11/05 12:00
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04/11/05 16:00
04/11/05 18:00
04/11/05 20:00
04/11/05 22:00
Data e Hora
Diferença de Temperatura
(interna - interna) (ºC)
INFØ100 INFØ200 SUPØ100 SUPØ200 Ambiente
Figura 63: gráfico da diferença de temperatura entre as extremidades
interna e externa dos tubos e superior e inferior da chaminé solar
Durante o período, ocorrem exceções, sendo a de maior duração a ocorrida a partir das 14
horas do dia 4 de novembro, para os tubos inferiores. Comparando simultaneamente as figuras
62 e 63, vemos que ela ocorre justamente quando os valores de velocidade do ar são altos e
negativos (sentido para fora). Este fato justifica o aquecimento da Sala A, relativo à tempera-
tura da Sala B, descrita anteriormente, uma vez que temos uma grande vazão de ar saindo da
edificação pelos tubos inferiores e uma pequena entrando pelos tubos superiores.
Embora não tenhamos os dados do solo no período, é possível fazer especulações para o en-
tendimento do fenômeno, baseado nas séries históricas apresentadas por Vaz e Sattler (2004).
No nosso entendimento, o fato ocorre, pois estamos retirando ar refrigerado da edificação a
aproximadamente 22ºC e extraindo pelo tubo. O solo, por estar a uma temperatura próxima à
da edificação, não troca calor com esse ar em deslocamento, de modo que refrigeramos a por-
ção externa dos tubos inferiores. Como a velocidade do ar nos tubos inferiores é maior que a
dos superiores, o ar que está penetrando na edificação, possivelmente, pelas frestas e pela
119
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
chaminé solar gera o aquecimento interno verificado no mesmo período e observado na figura
61 à esquerda.
Observamos com esta etapa que o comportamento da temperatura do ar das salas, enquanto
fechadas, é similar ao longo do tempo. Ambas as temperaturas internas ficaram dentro da fai-
xa de conforto sugerida por Givoni (1992), o que é indicativo de que as estratégias de arquite-
tura bioclimática adotadas resultaram positivas. A Sala B manteve-se em média 1ºC mais a-
quecida, nos dias de sol, que a Sala A. O retardo térmico de ambas as salas foi de 5 horas. A
umidade das salas (relativa e absoluta) é elevada para os padrões de conforto, sendo a Sala B,
em média, 0,3g/kg
ar
mais úmida que a Sala A.
Com a abertura dos tubos, a diferença média de temperatura do ar, para dias de sol, diminuiu
para 0,8ºC, demonstrando o aquecimento da Sala A, em relação a B. O retardo térmico das
salas, porém, manteve-se inalterado. Já a diferença de umidade teve um aumento, de 0,3g/kg
ar
para 0,8g/kg
ar
, indicando uma melhora nas condições de umidade na sala ventilada. O fluxo
de ar apresentou baixa velocidade e predominância de sentido para dentro na maioria do perí-
odo. A exceção ocorreu no final do segundo dia, quando ocorreram as maiores velocidade e
fluxo para fora, nos tubos inferiores, acarretando em um aquecimento significativo da Sala A
em relação a B, ao ponto de ambas apresentarem temperaturas similares.
Quanto ao monitoramento, ficou clara a influência acentuada da velocidade e direção do ven-
to externo na velocidade e sentido do fluxo de ar no interior dos tubos, exigindo outras sondas
para registro dessas grandezas e intervalo entre registros diferenciados. Viu-se também a ne-
cessidade de registros no período noturno, de temperatura e umidade do ar, além da tempera-
tura do solo, o que exigiria novas controladoras eletrônicas.
6.3 OBSERVAÇÃO DOS FATORES INFLUENTES NA CIRCULAÇÃO DE
AR NO INTERIOR DOS DUTOS
O objetivo deste estudo é buscar compreender as grandezas físicas influentes no deslocamento
do ar no interior do sistema, com o estudo separadamente de cada tubo. No total foram execu-
tados 872 registros, a cada 12 minutos, em dias não contínuos. Foram medidos os dias 10 a 14
e 20 a 22 de dezembro de 2005 e o dia 13 de janeiro de 2006.
120
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
Em um primeiro momento, são expostos os valores registrados de maneira cronológica para,
em seguida, os dados serem arranjados sob gráficos de dispersão, mais elucidativos, para ob-
servar os resultados e comparações.
6.3.1 Dados Climáticos do Período
A radiação solar global no período foi alta, registrando média de 445,5Wh/m², e chegou a
valores da ordem de 1441,4Wh/m², às 14 horas do dia 11 de dezembro.
O vento externo medido a 10 metros de altura, apresentou velocidade média de 0,8m/s e man-
teve o comportamento cíclico ao longo dos dias com predominância de calmaria durante a
noite de e rajadas durante o dia. Como visto no gráfico da figura 64, os cinco primeiros dias
apresentaram as maiores velocidades, sendo a máxima atingida de 4,8m/s, às 13h36min do dia
10 de dezembro de 2005.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
10/12/05 00:00
10/12/05 08:00
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11/12/05 00:00
11/12/05 08:00
11/12/05 16:00
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12/12/05 08:00
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13/12/05 00:00
13/12/05 08:00
13/12/05 16:00
13/12/05 00:00
14/12/05 08:00
14/12/05 16:00
20/12/05 00:00
20/12/05 08:00
20/12/05 16:00
20/12/05 00:00
21/12/05 08:00
21/12/05 16:00
21/12/05 00:00
22/12/05 08:00
22/12/05 16:00
12/01/06 00:00
12/01/06 08:00
12/01/06 16:00
13/01/06 00:00
Data e Hora
Radiação (W/m²)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Velocidade do Vento (m/s)
Radiação Solar Global Vel. do Vento a 10m Vel. do Vento ext. junto a boca do Tubo
I N FØ 10 0 F I N FØ 2 0 0 F FEC H A D O S U P Ø 10 0
F
S UP Ø 2 0 0
F
S UP Ø 20 0
A
S UP Ø 10 0
A
I N FØ 10 0 A I N FØ 20 0 A
Figura 64: gráfico da radiação solar total (global) e velocidade do
vento a 10 metros e 0,5 metros
A velocidade do vento externo a 0,5m do solo, junto à extremidade externa, mostrou-se dife-
renciada para os tubos superiores e inferiores. No conjunto de tubos superiores, a velocidade
121
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
média foi de 0,12m/s e a máxima de 1,5m/s foi obtida às 16 horas, do dia 11 de dezembro. Já
os tubos superiores apresentaram média de 0,02m/s, com máxima registrada de 0,58m/s às
19h24min do dia 21 de dezembro. Pode-se observar no mesmo gráfico que os valores de ve-
locidade do vento, junto à boca do tubo, não são proporcionais aos registrados a 10 metros de
altura, em todo o período. Uma vez que a posição do primeiro é mais influenciada pelos obs-
táculos ao redor do que o segundo, essa relação é proporcional apenas para situações de orien-
tação de vento favorável (lembrando que a orientação dos tubos superiores é sul-sudeste e a
dos tubos inferiores é norte).
Na figura 65, observamos a variação de temperatura externa e interna ao longo do tempo. Du-
rante os dias medidos, a temperatura média do ar externo foi de 23,6ºC, com mínima de
12,3ºC, e máxima de 39,7ºC. Os dias 22 de dezembro de 2005 e 12 de janeiro de 2006 foram
os de maior temperatura externa. A temperatura do ar da Sala A se manteve durante todo o
período inferior à da Sala B, sendo a média da primeira de 23,8ºC e da segunda de 25,2ºC.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
10/12/05 00:00
10/12/05 08:00
10/12/05 16:00
11/12/05 00:00
11/12/05 08:00
11/12/05 16:00
12/12/05 00:00
12/12/05 08:00
12/12/05 16:00
13/12/05 00:00
13/12/05 08:00
13/12/05 16:00
13/12/05 00:00
14/12/05 08:00
14/12/05 16:00
20/12/05 00:00
20/12/05 08:00
20/12/05 16:00
20/12/05 00:00
21/12/05 08:00
21/12/05 16:00
21/12/05 00:00
22/12/05 08:00
22/12/05 16:00
12/01/06 00:00
12/01/06 08:00
12/01/06 16:00
13/01/06 00:00
Data e Hora
Temperatura do Ar (ºC)
Temperatura Externa Temperatura Sala A Temperatura Sala B
I N F Ø 100 F I N FØ 2 0 0
F
FEC HAD O S UP Ø 100
F
S UP Ø 2 0 0
F
S UP Ø 20 0 S U P Ø 10 0 I N F Ø 10 0 A I N F Ø 2 0 0
A
Figura 65: gráfico da de temperatura do ar externa e interna
A umidade relativa externa no período apresentou grande oscilação, principalmente devido à
variação térmica diária. A umidade relativa média foi de 71,4%, porém na totalidade dos dias
foram registrados valores superiores a 90,0% e inferiores a 51,0%. Nas salas, a umidade rela-
tiva apresentou uma oscilação bem menor, não variando mais de 10% durante os dias. Na
122
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
maior parte do período, a Sala A apresentou umidade relativa mais elevada, ficando com mé-
dia de 81,1%, enquanto na Sala B o seu valor médio foi de 78,7%.
Como visto na figura 66, a umidade absoluta externa também apresentou grande oscilação,
com a média de 12,5g/kg
ar
. Mas os valores chegaram a variar de 7,9g/kg
ar
para 18,3g/kg
ar
em
um único dia. A oscilação da umidade absoluta no interior das salas foi menos brusca e ocor-
reu de forma similar. A Sala A apresentou média de 15,1g/kg
ar
e a Sala B, de 16,01g/kg
ar
. A
diferença média de 0,89g/kg
ar
é similar à encontrada nos estudos previamente descritos.
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
10/12/05 00:00
10/12/05 08:00
10/12/05 16:00
11/12/05 00:00
11/12/05 08:00
11/12/05 16:00
12/12/05 00:00
12/12/05 08:00
12/12/05 16:00
13/12/05 00:00
13/12/05 08:00
13/12/05 16:00
13/12/05 00:00
14/12/05 08:00
14/12/05 16:00
20/12/05 00:00
20/12/05 08:00
20/12/05 16:00
20/12/05 00:00
21/12/05 08:00
21/12/05 16:00
21/12/05 00:00
22/12/05 08:00
22/12/05 16:00
12/01/06 00:00
12/01/06 08:00
12/01/06 16:00
13/01/06 00:00
Data e Hora
Umidade do ar em g/Kg de ar
Umidade externa Umidade sala A Umidade sala B
I N FØ 100
F
I N FØ 20 0 F FEC H A D O S UP Ø 100
F
S UP Ø 2 0 0
F
S U P Ø 20 0
A
S U P Ø 10 0
A
I N FØ 10 0 A I N FØ 2 0 0
A
Figura 66: gráfico da umidade absoluta do ar externa e interna
Uma vez que estamos avaliando o comportamento higrotérmico da sala ventilada por tubos
enterrados no verão e que a comparação dos ambientes foi executada na primavera, no dia 12
de dezembro, novamente se monitorou ambas as salas com a totalidade de esquadrias e siste-
mas de ventilação fechados com a intenção de validar os dados anteriormente adquiridos. Es-
tes dados são apresentados no sub-capítulo 6.4 devido à sua maior relação com a sua temática.
123
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
6.3.2 Observação da Influência das Grandezas Físicas no Deslocamento de
Ar no Interior dos Tubos enterrados
Como visto anteriormente na bibliografia, a totalidade dos trabalhos encontrados sobre o tema
coloca a diferença de temperatura como o principal gerador do deslocamento de ar dentro dos
tubos para o sistema de ventilação natural por dutos enterrados, ou utiliza o sistema de venti-
lação de maneira empírica. O estudo piloto, entretanto, demonstrou que essa relação não é tão
clara e que existem outros fatores influentes.
Duas grandezas físicas foram aqui estudadas: a velocidade e direção do vento e a temperatura
do ar. Estes fatores foram medidos em pontos determinados da edificação e arredores e foram
subdivididos na análise gráfica.
Nos gráficos da figura 67, onde estão correlacionados os valores de velocidade do ar a 10 me-
tros (esquerda) e a 0,5 metros (direita) com a velocidade do ar no interior dos tubos, é possível
observar que existe uma grande dispersão de valores. Esta dispersão é mais intensa (coeficien-
te de correlação menor do que 0,1) para situações onde o vento externo a 10 metros é menor
que 0,3m/s e o vento externo a 0,5 metros é menor que 0,1m/s.
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
Velocidade do vento externo (m/s)
Velocidade do ar no tubo (m/s)
Vento a 10m
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Velocidade do vento externo (m/s)
Velocidade do ar no tubo (m/s)
Vento na boca do tubo
Figura 67: gráfico demonstrando a relação entre a velocidade do ar
dentro dos tubos com a velocidade do vento externo a 10m (à
esquerda) e a 0,5m de altura (à direita)
124
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
A causa dessa dispersão para valores baixos do vento externo é o início da atuação da diferen-
ça de temperatura para esses valores. Sendo assim, optou-se por analisar os dados da influên-
cia da velocidade do vento no deslocamento de ar dentro dos tubos excluindo estas zonas de
grande dispersão e por fazer a análise da influência da diferença de temperatura apenas para
essas situações excluídas.
No gráfico à direita na figura 68, observamos a atuação do vento externo, medido a 10 metros,
sobre o deslocamento do ar dentro, separadamente, para os tubos inferiores e superiores. Ob-
servamos que existe uma tendência de crescimento da velocidade do ar dentro do tubo com o
aumento da velocidade do vento externo para ambos os casos. Porém, é encontrada uma cor-
relação bem mais forte no cruzamento dos dados para o caso dos tubos superiores do que para
o dos tubos inferiores.
R² = 0,1409
R² = 0,6707
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
Vel. do vento a 10m (m/s)
Velocidade do ar no tubo (m/s)
Tubos Inferiores Tubos Superiores
R² = 0,0322
R² = 0,2228
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Vel. do vento na boca do tubo (m/s)
Velocidade do ar no tubo (m/s)
Tubos Inferiores Tubos Superiores
Figura 68: gráficos demonstrando a relação entre a velocidade do ar
dentro dos tubos com a velocidade do vento a 10m (à esquerda) e a
0,5m de altura (à direita), excluindo períodos de calmaria
Dentre as possíveis causas à baixa correlação, podem ser citadas a execução de um estudo não
caracterizado por ser um experimento puro (no qual as demais variáveis são fixas e controla-
das), pois as medições não ocorrerem em laboratório (onde é possível controlar melhor as
interferências externas). Além das demais variáveis influentes monitoradas (caso da diferença
de temperatura que não foi excluída), podemos citar a característica artesanal da edificação,
125
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
que apresenta esquadrias de madeira, tradicionalmente com alta permeabilidade ao ar através
das frestas, como um dos principais motivos para o baixo coeficiente encontrado. Um baixo
índice de correlação indica que a linha gerada não é suficiente para explicar a totalidade dos
resultados, mas indica a tendência dessa correspondência devido ao tamanho da amostra.
Uma vez, porém, que os itens acima citados atuam sempre de maneira igual na edificação,
dentre os fatores monitorados, aquele que acreditamos explicar melhor a alta dispersão dos
valores atingidos pelos tubos inferiores é a maior exposição de suas bocas externas aos ventos
dominantes. Como vimos na figura 68 à esquerda, os tubos superiores apresentam uma corre-
lação muito mais significativa que a dos tubos inferiores.
Como visto anteriormente, a velocidade média do ar que incide sobre os tubos inferiores é
0,1m/s maior que a incidente nos tubos superiores. Essa baixa diferença na média ocorre de-
vido à grande quantidade de registros nulos obtidos, porém, existem 129 registros de veloci-
dades superiores a 0,1m/s incidentes na boca externa dos tubos inferiores, contra apenas 19
incidentes na dos tubos superiores (gráfico à direita da figura 68).
Diferentemente do vento medido a 10 metros, o vento junto à boca do tubo (gráfico à direita
da figura 68) apresentou pequenas inclinações de reta e relação crescente para os tubos inferi-
ores e decrescentes para os tubos superiores, em relação à velocidade atingida no interior dos
tubos. Dessa forma, não fica claro se a velocidade do vento junto à boca do tubo aumenta ou
diminui a velocidade do ar no interior dos tubos e o porquê dessa ocorrência diferenciada.
Como visto no gráfico à esquerda da figura 69, o efeito do vento externo na velocidade do ar
dentro do tubo não se apresentou diferenciado com relação ao diâmetro dos tubos, uma vez
que ambas as linhas apresentam-se com pouca diferença de inclinação. Constata-se, porém,
que os tubos de 100mm apresentam uma maior extensão de resultados de obtidos (devido ao
vento externo ser mais intenso nos dias em que foram monitorados) e um coeficiente de re-
gressão mais elevado (embora também baixo para um experimento).
É importante colocar, aqui, que está se tratando de valores absolutos, medidos no centro do
tubo, e não de valores médios de vazão em toda a sua seção. Caso aplicássemos este fator, as
velocidades médias, no tubo de 100mm seriam inferiores e os ângulos de inclinação das retas
seriam diferentes (o tubo de 200mm teria um ângulo mais acentuado), porém o grau de corre-
lação permaneceria inalterado.
126
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
R² = 0,3532
R² = 0,1235
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
Vel. do vento a 10m (m/s)
Velocidade do ar no tubo (m/s)
Tubos Ø100mm Tubos Ø200mm
R² = 0,3173
R² = 0,6114
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
Vel. do vento a 10m (m/s)
Velocidade do ar no tubo (m/s)
Chaminé Fechada Chaminé Aberta
Figura 69: gráfico demonstrando a relação entre a velocidade do ar
dentro do tubo com a velocidade do vento a 10m para diferentes
diâmetros (à esquerda) e diferentes situações da chaminé (à direita),
excluindo situações de calmaria
A abertura da chaminé (aqui funcionando como exaustor eólico) proporcionou uma melhora
significativa na relação entre velocidade do vento e do ar dentro dos tubos como visto no grá-
fico à direita da figura 69. A linha de tendência apresentou um crescimento bem mais acentu-
ado e a dispersão dos pontos diminuiu significativamente. Essa constatação demonstra a me-
lhora provinda de uma área franca para a exaustão do ar.
A segunda variável estudada foi a diferença de temperatura do ar entre (a) dos extremos dos
dutos, (b) do centro do ambiente interno e do externo e (c) da base e do topo da chaminé solar
(gráfico à direita, ao centro e à esquerda, respectivamente da figura 70).
Embora esta grandeza física seja uma força atuante na totalidade do período estudado, como
descrito anteriormente, foi constatado que sua influência na velocidade do ar, dentro do tubo,
é melhor observável nas situações na qual o vento externo está em calmaria. Desta forma, os
gráficos das figuras 71 e 72 apresentam a atuação da diferença de temperatura em situações
nas quais a velocidade do ar externo a 10 metros é inferior a 0,3m/s e do vento externo a 0,5m
é inferior a 0,1m/s.
Não foi possível executar um agrupamento de dados por diâmetro, por inclinação e por situa-
ção da chaminé no estudo da influência da temperatura no deslocamento de ar no interior dos
127
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
tubos (a exemplo do estudo da atuação dinâmica). Tal fato ocorre, porque os tubos enterrados,
junto ao Protótipo Ventura, apresentam características distintas (apontadas na descrição do
protótipo) e o efeito térmico no deslocamento do ar apresenta relações intrínsecas com a dife-
rença de altura, com as resistências físicas ao fluxo de ar e com a profundidade (temperatura
do solo), como apresentado na revisão bibliográfica (através da equação 2 e 3). Desta forma,
os gráficos são apresentados independentemente para cada situação. Os valores de diferença
de temperatura do ar não foram colocados em módulo (manteve-se o sinal negativo) justa-
mente para demonstrar o turno em que foram registrados (sinais negativos indicam o turno
noturno).
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-15,0
-7,5
0,0
7,5
15,0
∆ Temperatura (ºC)
Velocidade do ar no tubo (m/s)
Tubos
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-15,0
-7,5
0,0
7,5
15,0
∆ Temperatura (ºC)
Velocidade do ar no tubo (m/s)
Ambiente
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-15,0
-7,5
0,0
7,5
15,0
∆ Temperatura (ºC)
Velocidade do ar no tubo (m/s)
Chaminé
Figura 70: gráfico demonstrando a relação entre a velocidade do ar
dentro do tubo e a diferenças de temperatura entre as extremidades
inferior e superior dos tubos (à esquerda) do ambiente (ao centro) e da
chaminé solar (à direita)
Podemos observar que existe a tendência de aumento da velocidade do ar dentro do tubo, à
medida que aumenta a diferença de temperatura do ar no interior dos tubos e entre o interior
do ambiente e o exterior. Esta relação, porém, é clara e com alto coeficiente de relevância
apenas nos tubos inferiores. Os resultados adquiridos nos tubos superiores se apresentaram
dispersos e, até certo ponto, incoerentes, fato que exigiria estudos mais aprofundados para
serem avaliados, não possíveis neste trabalho.
A diferença de temperatura entre os ambientes externo e interno se manifesta levemente mais
influente no deslocamento de ar nos tubos, que a ocorrida dentro do próprio tubo, pois valores
128
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
menores (em módulo) representam uma maior velocidade do ar. As possíveis justificativas
são a menor resistência ao fluxo de ar, ao maior volume de ar envolvido e a maior diferença
de altura entre os extremos inferiores e superiores da sala.
TUBO INFØ100 COM EXAUTOR FECHADO
R² = 0,7963
R² = 0,8277
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-13,0 -6,5 0,0 6,5 13,0
∆T Externa e Interna
Vel. do ar no tubo (m/s)
tubo ambiente
TUBO INFØ200 COM EXAUTOR FECHADO
R² = 0,9722
R² = 0,9558
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-13,0 -6,5 0,0 6,5 13,0
∆T Externa e Interna
Vel. do ar no tubo (m/s)
tubo ambiente
TUBO INFØ200 COM EXAUTOR ABERTO
R² = 0,8156
R² = 0,8105
R² = 0,0539
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-13,0 -6,5 0,0 6,5 13,0
∆T Externa e Interna
Vel. do ar no tubo (m/s)
tubo ambiente chaminé
TUBO INFØ100 COM EXAUTOR ABERTO
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
-13,0 -6,5 0,0 6,5 13,0
∆T Externa e Interna
Vel. do ar no tubo (m/s)
tubo ambiente chaminé
Figura 71: gráfico demonstrando a relação entre a velocidade do ar
dentro dos tubos inferiores e a diferenças de temperatura para cada
configuração do sistema
Os valores negativos de diferença de temperatura são característicos do período noturno, onde
a temperatura externa é menor que a interna. Como observado nos gráficos, eles correspon-
dem à maioria dos registros, pois como descrito anteriormente, ocorreram períodos de calma-
129
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
ria predominantemente à noite. Sendo assim, um estudo mais aprofundado sobre a influência
da chaminé solar no deslocamento de ar no interior dos tubos, por diferença de temperatura
ficou prejudicado. Mesmo nos poucos registros diurnos (positivos), porém, sua influência
demonstrou-se baixa, possivelmente pela ação das frestas da edificação, que anularam seu
potencial de deslocamento de ar nos tubos.
TUBO SUPØ100 COM EXAUTOR FECHADO
R² = 0,4282
R² = 0,2406
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
-13,0 -6,5 0,0 6,5 13,0
∆T Externa e Interna
Vel. do ar no tubo (m/s)
tubo ambiente
TUBO SUPØ100 COM EXAUTOR FECHADO
R² = 0,8629
R² = 0,7483
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
-13,0 -6,5 0,0 6,5 13,0
∆T Externa e Interna
Vel. do ar no tubo (m/s)
tubo ambiente
TUBO SUPØ100 COM EXAUTOR FECHADO
R² = 0,3886
R² = 0,3287
R² = 0,3306
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
-13,0 -6,5 0,0 6,5 13,0
∆T Externa e Interna
Vel. do ar no tubo (m/s)
tubo ambiente chaminé
TUBO SUPØ100 COM EXAUTOR FECHADO
R² = 0,2700
R² = 0,2128
R² = 0,0234
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
-13,0 -6,5 0,0 6,5 13,0
∆T Externa e Interna
Vel. do ar no tubo (m/s)
tubo ambiente chaminé
Figura 72: gráfico demonstrando a relação entre a velocidade do ar
dentro dos tubos superiores e a diferenças de temperatura para cada
configuração do sistema
130
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
O sentido do deslocamento do ar dentro do tubo segue um padrão tênue e pouco relacionado
com as variáveis medidas. A indicação mais evidente é sua relação com a orientação dos tu-
bos e a direção do vento. Nos gráficos da figura 73, os tubos são agrupados em superiores
(orientação sul-sudeste) e inferiores (orientação norte) e cruzados os registros de direção do
vento com o sentido do fluxo de ar.
TUBOS SUPERIORES
-100%
-80%
-60%
-40%
-20%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
CL
N
NL
L
SL
S
SO
O
NO
Porcentagem de Registros
ar entrando ar saindo parado
TUBOS INFERIORES
-100%
-80%
-60%
-40%
-20%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
CL
N
NL
L
SL
S
SO
O
NO
Porcentagem de Registros
ar entrando ar saindo parado
Figura 73: Gráfico do sentido do deslocamento de ar para cada
conjunto de tubos (obs.: registros negativos indicam ar saindo da
edificação pelos tubos)
Nos tubos superiores, em 64,3% dos registros, o ar estava se deslocando do exterior da edifi-
cação para o interior. Em 31,0% dos casos não foi registrada movimentação e em apenas
4,7% ocorreu fluxo reverso. De maneira geral, os momentos onde o ar está saindo da edifica-
ção estão divididos uniformemente nas direções do vento externo, com poucos registros a
mais na orientação sul (situação na qual a extremidade externa do tubo está mais exposta).
Já nos tubos inferiores, em 31,2% dos registros, o ar estava se deslocando do exterior da edifi-
cação para o interior. Ocorreram apenas 16,2% de casos onde o ar não estava se deslocando e,
na maioria das vezes, 52,6% dos casos, ocorreu fluxo para fora. Os registros de fluxo com
sentido para o interior da edificação se concentraram em situações de vento oriundo dos qua-
131
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
drantes de sudeste, sul, sudoeste e oeste, representando as situações onde a boca deste tubo
está mais protegida.
Este padrão de comportamento, encontrado tanto em tubos superiores quanto em inferiores,
leva a crer que proteger as bocas externas dos tubos frente aos ventos predominantes no sis-
tema monitorado colabore para a circulação de ar de fora para dentro da edificação através
dos tubos. A possível explicação é o impedimento da criação de zonas de pressão negativa nas
bocas externas dos tubos, as quais gerariam sucção. Esta colocação faz sentido quando pen-
samos a atuação do vento, causando este mesmo efeito de sucção, sobre a chaminé solar (ou
exaustor eólico), uma vez que, como vimos, a velocidade do ar é acentuada com a abertura da
chaminé.
Ela, porém, contrasta quanto ao referenciado na maior parte da bibliografia, sobre o compor-
tamento do ar dentro de tubos de sistema linear, com diferença de altura e temperatura entre
as extremidades. A bibliografia consultada aponta que, em situações onde o ar está com mais
calor que o solo (dias de verão), o sentido do ar em um tubo inclinado seria descendente, o-
correndo o oposto (sentido ascendente) para situações onde o ar está com menos calor que o
ar (noites ou inverno).
Em contraste com o indicado na bibliografia, observamos que este efeito é valido apenas para
as horas de calmaria do vento externo registradas (que no caso do estudo foram poucas, pois o
período diurno, no qual ocorreram os registros, apresentaram poucos momentos de calmaria).
Contudo, embora o aumento da diferença de temperatura tenha uma correlação alta com a
velocidade do ar, nos tubos inferiores (como visto anteriormente), isso não representou uma
uniformidade de registros do sentido do fluxo.
Como vimos nesta etapa, existem 2 fatores monitorados influentes no deslocamento e sentido
da velocidade do ar dentro dos tubos: a diferença de temperatura e o vento com sua velocida-
de e direção. Dentre eles, o dominante é o efeito dinâmico, ocorrendo o efeito térmico apenas
nos momentos de calmaria do vento externo.
A correlação entre vento e velocidade do ar nos tubos é diretamente proporcional para os ven-
tos medidos a 10m de altura. Esta correlação é maior para os tubos superiores do que para os
tubos inferiores, possivelmente devido à proteção dos primeiros aos ventos dominantes. O
vento medido junto à extremidade externa dos tubos, não apresenta uma relação clara (se dire-
132
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
ta ou inversamente proporcional à velocidade do ar nos tubos), porém, sua presença determina
um acréscimo na velocidade do ar nos tubos.
Os diâmetros estudados não demonstraram influência significativa na relação entre velocidade
do vento e a velocidade do ar dentro dos tubos para os limites monitorados. Já a chaminé solar
melhorou significativamente esta relação, demonstrando a importância de uma abertura fun-
cionando como exaustor de ar.
No efeito dinâmico, a diferença de temperatura dentro dos tubos e entre os ambientes (interno
e externo) foram o que apresentou maior índice de correlação com a velocidade do ar nos tu-
bos. Para este efeito, não foi possível um estudo mais aprofundado sobre a influência do diâ-
metro e da orientação, nem se identificou a atuação da chaminé solar na velocidade do ar.
Ambos os efeitos atuam no sentido de deslocamento de ar dentro dos tubos. Para esse, o efeito
dinâmico também é dominante e está relacionado principalmente com o grau de exposição das
bocas externas ao vento. O efeito térmico ocorre nos períodos de calmaria do vento e atua
conforme apontado pela bibliografia (o ar dentro dos tubos ascende quando o solo está mais
aquecido que o ar e descende na situação oposta).
6.4 OBSERVAÇÃO DO DESEMPENHO HIGROTÉRMICO
O estudo que segue tem por objetivo observar o desempenho higrotérmico do ar da sala com o
sistema funcionando por completo em um período de tempo maior que os estudos anteriores.
Como o estudo anterior, em um primeiro momento, são expostos os valores registrados de
maneira cronológica, para em seguida, os dados serem arranjados sob gráficos mais elucidati-
vos, para se observar os resultados e se executar comparações.
Além de apresentar os dados coletados no interior e no exterior do Protótipo Ventura, se dis-
cute aqui os resultados obtidos no período observando os limites e critérios de conforto térmi-
co para edificações em países em desenvolvimento e clima quente sugeridos por Givoni
(1992), o número de graus de desconforto proposto por Barbosa (1997), o grau-hora e o retar-
do térmico.
133
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
No período de verão, o comportamento das salas foi novamente comparado. Embora aqui
descritos, as figuras demonstrando estes gráficos são expostas no sub-capítulo 6.3 (figura 65 e
66) devido ao respeito à ordem cronológica utilizada no trabalho. A curva interna de tempera-
tura mostrou-se, novamente, idêntica, atingindo uma correlação de Pearson de 0,992 no Teste-
T pareado. Observamos que, com a entrada do verão, a diferença entre as temperaturas médias
subiu de 1,0ºC para 1,6ºC. O mesmo ocorreu com a diferença entre as umidades absolutas
médias que subiu de 0,3 g/kg
ar
para 1,0g/kg
ar
.
Um fator que influenciou nessas diferenças elevadas registradas foi a existência de dias com a
sala sendo ventilada pelos tubos precedentes ao monitorado com a sala totalmente fechada.
Como vimos na descrição do protótipo, as paredes da edificação (de pedra tipo grês) apresen-
tam elevada inércia térmica e alto poder de retenção de umidade. É bem provável que durante
o período em que foi ventilada a sala tenha alterado sua quantidade de umidade e de calor
armazenados nessas paredes, sendo necessários períodos maiores para que ocorra novamente
a estabilização.
Desta forma, por ter ocorrido em apenas um dia e por terem os valores apresentado diferenças
significativas, os resultados dessa conferência não foram considerados nesta etapa, mas ser-
vem de indicativo que estudos mais aprofundados devem ser executados para confirmar as
conclusões de desempenho higrotérmico apresentados.
O desempenho térmico foi monitorado em dias ininterruptos no período entre as zero hora do
dia 14 de janeiro de 2006 e às 19h30min do dia 03 de fevereiro de 2006. Foram efetuados 994
registros a cada meia hora, de um total de 1008 possíveis. Como visto na figura 74, o período
monitorado foi caracterizado por radiação solar variável, com alguns dias ensolarados e outros
nublados. A quantidade média horária de radiação solar diária no período foi de 329,5Wh/m².
Como visto na figura 75, o vento externo manteve seu comportamento cíclico ao longo dos
dias. Sua velocidade média foi de 0,3m/s, com rajada máxima de 3,9m/s às 17h30min do dia
16 de janeiro de 2006. Assim como no estudo anterior, a velocidade do vento externo, a 0,5m
do solo, junto à boca externa, se mostrou diferenciada para os tubos superiores e inferiores e
não proporcional aos valores registrados a 10 metros de altura. Neste estudo, não foram regis-
trados os valores de sentido do ar dentro do tubos. Supõe-se, porém, que a proporção de valo-
res seja mantida.
134
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
0
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400
600
800
1000
1200
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26/01/06
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30/01/06
31/01/06
01/02/06
02/02/06
03/02/06
Data
Radiação Solar Total (W/m²)
Radiação Solar
Inf Ø200 Inf Ø100 Sup Ø200
Figura 74: gráfico da radiação solar total (global)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
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15/01/06
16/01/06
17/01/06
18/01/06
19/01/06
20/01/06
21/01/06
22/01/06
23/01/06
24/01/06
25/01/06
26/01/06
27/01/06
28/01/06
29/01/06
30/01/06
31/01/06
01/02/06
02/02/06
03/02/06
Data
Vel. do vento externo (m/s)
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Vel. do ar no tubo (m/s)
Vento a 10m Vento junto a boca externa do tubo Vento no interior do tubo
Inf Ø200
Inf Ø100 Sup Ø200
Figura 75: gráfico da velocidade do ar no interior dos tubos,
velocidade do vento a 10 metros e a 0,5 metros de altura
A velocidade do ar interno da edificação, entretanto, apresentou registros entre 0,25m/s e
0,5m/s. Estas velocidades são apontadas por Evans e Schiller (1994) como refrescantes para
135
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
as temperaturas internas registradas, reduzindo a sensação térmica entre 0,7ºC e 1,2ºC. Mes-
mo as velocidades máximas não gerariam desconforto, pois não ultrapassaram 0,7m/s, ficando
aquém da velocidade do limite máximo de 1,5m/s sugerido pelos mesmos autores para o inte-
rior da edificação durante o dia.
Observamos, na figura 76, que os primeiros dias de medição representam aqueles nos quais as
temperaturas do ar externo estiveram mais elevadas. No dia 16, de janeiro verificaram-se os
maiores registros de temperatura do ar externo, com o valor de 39,4ºC, às 15h 30min. No
mesmo dia, a Sala A registrou a temperatura de 31,1ºC às 16 horas. Já na Sala B, o pico ocor-
reu um dia antes, às 19 horas do dia 15 de janeiro.
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
14/01/06
15/01/06
16/01/06
17/01/06
18/01/06
19/01/06
20/01/06
21/01/06
22/01/06
23/01/06
24/01/06
25/01/06
26/01/06
27/01/06
28/01/06
29/01/06
30/01/06
31/01/06
01/02/06
02/02/06
03/02/06
Data
Temperatura do ar (ºC)
Externa Sala A Sala B
Figura 76: gráfico da temperatura do ar interno e externo
Três dias após o início do estudo, na noite do dia 16 de janeiro, ocorreu uma entrada de frente
fria, na qual as temperaturas externa e interna decresceram rapidamente. O menor valor exter-
no de temperatura foi registrado às 4h 30min do dia 27 de janeiro, com registro de 16,7ºC. A
menor temperatura do ar no interior da Sala A ocorreu no mesmo dia, às 8 horas da manhã,
quando o termômetro de bulbo seco registrou 22,6ºC. Na Sala B, ocorreu às 5h do dia 19 de
janeiro, na qual foi registrada a temperatura de 23,8ºC.
136
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
A temperatura média do ar externo foi de 24,5ºC, na Sala A foi de 25,4ºC e na Sala B foi de
26,7ºC. A diferença de 1,28ºC entre as médias registradas no período, não representa perdas
ou ganhos significativos se comparada aos resultados obtidos durante a comparação dos am-
bientes (a diferença registrada, para dias de sol, foi de 1,0ºC).
Comparando os gráficos 74 e 76, vemos que, nos dias de sol, ocorre grande amplitude térmica
do ar externo, diferente dos dias nublados, que apresentaram baixas variações.
Percebe-se também que o número de horas de desconforto por calor, no ambiente externo, é
maior do que o ocorrido no interior da sala. Sob esse aspecto, observa-se que a edificação
conseguiu amortecer os efeitos das amplitudes externas, já que a maior parte da curva com a
oscilação dos valores internos permaneceu dentro da faixa de conforto (entre 20ºC e 29ºC).
No dia 15 de janeiro, ocorreu o registro das maiores amplitudes da temperatura do ar externo:
17,0ºC de variação. No mesmo dia, porém, a Sala A variou apenas 3,05ºC e a Sala B 2,5ºC.
O retardo térmico médio durante todo o período, na Sala A, foi de 2 horas, enquanto, na Sala
B, foi de 4 horas. Essa diminuição do tempo de retardo térmico da Sala A em relação à Sala
B, e em relação ao verificado nos estudos anteriores, era esperada, uma vez que estamos ven-
tilando a sala com ar externo.
Essa característica da edificação, de apresentar boa inércia térmica e um bom retardo térmico,
se demonstrou recomendável para edificações que utilizam ventilação por dutos, pois no mo-
mento crítico de temperatura do ar interior (como, por exemplo, às 17 horas, que representa o
horário na qual é registrada as maiores temperaturas interna na Sala A) está sendo captado do
exterior um ar com temperaturas mais amenas, já com o início do entardecer.
Tabela 13: diferença de temperatura do ar nas extremidades dos tubos
interna e externa em graus Celsius
Temp. interna < Temp. externa
Temp. interna > Temp. externa
INFØ100 INF Ø200
SUPØ100
SUPØ200
INFØ100 INF Ø200
SUPØ100
SUPØ200
Mínima
-0,90 -0,20 -5,00 -4,20 -9,80 -7,30 -11,00 -9,50
Média
4,08 4,09 1,52 0,69 -2,27 -1,95 -3,19 -2,56
Máxima
9,30 8,20 5,10 5,10 2,50 1,90 1,30 1,10
Para efeitos comparativos entre a temperatura do ar interior e exterior, porém, este retardo
pode trazer má interpretação dos resultados de variação de temperatura, pois não pode ser
137
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
avaliado apenas entre períodos diurnos e noturnos. Desta forma, a tabela 13 foi elaborada bus-
cando a variação de temperatura nos tubos, nos momentos onde a temperatura interna é menor
e maior que a externa, respectivamente.
A análise da tabela permite concluir que os tubos atuam como amortecedores da temperatura
interna. Nos momentos onde a temperatura da sala é menor que a externa, o ar é aquecido no
interior dos dutos, enquanto é resfriado na situação oposta. É possível concluir então que, de
maneira geral, o solo refrigera o ar nos dutos durante o dia e o aquece durante a noite. Uma
observação mais detalhada permite dizer que os tubos inferiores permitem um maior aqueci-
mento da sala, ao passo que os superiores, uma maior refrigeração. Esta conclusão é observá-
vel também na figura 77 na qual está representada a média de temperatura de cada semana.
Vemos que os tubos superiores mantêm uma temperatura do ar, em média, inferior à da sala,
ao passo que os tubos inferiores, uma temperatura superior.
20
22
24
26
28
30
32
34
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
21:00
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
21:00
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
21:00
Hora
Temperatura do ar (ºC)
Externo Sala A Tubo SUPØ100
Tubo SUPØ200 Tubo INFØ100 Tubo INFØ200
Figura 77: gráfico de temperatura do ar externo e interno médio a cada
semana
A mesma figura mostra ainda que, em média, a temperatura do ar na saída do tubo apresenta
uma amplitude térmica menor que a da sala. Esse efeito pode ser explicado pelo fato do solo
apresentar uma massa térmica muito maior à edificação e demonstra que a troca de calor do ar
138
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
com o solo é efetiva. Conforme observado pela bibliografia e pelas medições, temperaturas
médias menores podem ser obtidas através de tubos enterrados a maiores profundidades.
Como não houve nenhum registro de temperatura inferior a 20ºC no interior do protótipo,
optou-se por executar o estudo de graus-hora, para o verão, apenas para os de refrigeração. A
seguir, na tabela 14, podem ser visualizados os valores de grau-hora para refrigeração e o nú-
mero de horas com temperatura superior às bases determinadas.
Tabela 14: somatório de graus-hora para refrigeração
Temperatura externa Temperatura Sala A Temperatura Sala B
Temperatura
base (ºC)
Graus-hora Nº. de horas
Graus-hora Nº. de horas
Graus-hora Nº. de horas
25
421,6 172,5 217,7 237 454,72 401,5
26
340,4 153,5 127,03 129,5 280,25 296,5
27
269,8 130 74,585 88,5 159,5 175
28
210,6 110 39,31 53,5 91,7 104,5
29
161,8 88 21,38 20 50,2 59,5
30
122,9 70 16,32 6 26,225 34
Durante as três semanas, no exterior, ocorreram 70 valores horários acima da temperatura-
base de 29ºC, os quais produziram um somatório de 122,9 graus-hora para refrigeração. Já no
interior da Sala A, foram registradas apenas 6 horas acima da mesma temperatura base e
16,32 graus-hora. A Sala B mostrou-se mais aquecida, com 34 horas registradas e 26,2 graus-
hora de refrigeração. É importante destacar que, com a ocupação da sala por pessoas e equi-
pamentos, ocorrerá produção de calor e incremento de temperatura, possivelmente aumentan-
do o número de horas que extrapola esses valores.
Para facilitar a compreensão da distribuição da temperatura do ar no verão, é apresentado um
histograma contendo a temperatura do ar do ambiente externo e dos ambientes internos (figu-
ra 78). Também é possível observar os valores que aparecem com maior freqüência nas medi-
ções. As colunas marcadas, dentro da linha tracejada representam o intervalo das horas consi-
deradas dentro da zona de conforto (entre 20ºC e 29ºC para o verão).
Como observado, no exterior, os valores de temperatura apresentam-se melhor distribuídos e
com a maioria dos valores entre 20ºC e 24ºC. No interior da Sala A, ocorre uma predominân-
cia significativa de valores na faixa entre os 23ºC e os 26ºC (229,5 horas), enquanto, na Sala
B, na faixa de 24ºC a 27ºC (291 horas). Esta diferença, de aproximadamente 1ºC, é idêntica à
139
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
obtida no estudo de comparação dos ambientes e demonstra que não há ganhos ou perdas sig-
nificativos da Sala A com a abertura dos tubos.
0
50
100
150
200
250
300
16 a 17
17 a 18
18 a 19
19 a 20
20 a 21
21 a 22
22 a 23
23 a 24
24 a 25
25 a 26
26 a 27
27 a 28
28 a 29
29 a 30
30 a 31
31 a 32
32 a 33
33 a 34
34 a 35
35 a 36
36 a 37
37 a 38
38 a 39
39 a 40
Faixa de Temperatura
Número de Registros
Externo Sala A Sala B
Figura 78: histograma de temperatura do ar externo e interno na sala A
e na Sala B
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
14/01/06
15/01/06
16/01/06
17/01/06
18/01/06
19/01/06
20/01/06
21/01/06
22/01/06
23/01/06
24/01/06
25/01/06
26/01/06
27/01/06
28/01/06
29/01/06
30/01/06
31/01/06
01/02/06
02/02/06
03/02/06
Data e Hora
Umidade Relativa do ar (%)
Externa Sala A Sala B
Figura 79: gráfico da umidade relativa do ar externa e interna na sala
A e na Sala B
140
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
No histograma, destaca-se o amortecimento das temperaturas externas, principalmente aque-
las superiores a 29ºC, que somam 179 registros e foram reduzidos para 40 na Sala A e 125 na
Sala B. Novamente salienta-se que, em uma situação real de uso, porém, é possível que mui-
tos valores internos superem o limite de 29ºC, no qual se deve ponderar inclusive sobre uma
maior ventilação, através das esquadrias (nos momentos em que a temperatura do ar externo
seja menor que a do interior).
Com relação à umidade relativa do ar, a figura 79 mostra a oscilação no exterior e no interior
das salas do protótipo. Nota-se a grande variação de valores externos, com mínima de 38,3%
e freqüentemente atingindo valores de 100% (mesmo com poucos dias de precipitação). No
interior das salas, a predominância está entre 85% e 95%. A média externa foi de 86,4% e a
interna, da Sala A, de 89,3% e da Sala B, de 87,0%.
0
5
10
15
20
25
30
14/01/06
15/01/06
16/01/06
17/01/06
18/01/06
19/01/06
20/01/06
21/01/06
22/01/06
23/01/06
24/01/06
25/01/06
26/01/06
27/01/06
28/01/06
29/01/06
30/01/06
31/01/06
01/02/06
02/02/06
03/02/06
Data
Umidade em g/Kg de ar
Externa Sala A Sala B
Figura 80: gráfico da umidade absoluta do ar externa e interna na sala
A e na Sala B
Dos 708 registros (a cada meia hora) de umidade relativa, em 70,2% dos momentos, eles es-
tavam em zona de desconforto. No interior das salas, esse número cresce. Na Sala A ocorre-
ram 963 registros (ou 95,5%) e, na Sala B, 955 registros (ou 94,7%). Conforme colocado an-
teriormente, esta elevada umidade relativa, constatada mesmo no dia de maior calor, pode ser
atribuída ao contato contínuo das paredes da edificação com o solo. A umidade elevada au-
141
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
menta consideravelmente a sensação térmica e, combinado à alta temperatura e à carência de
ventilação, é a principal causa de desconforto térmico.
A figura 80 demonstra que as salas são mais úmida que o ambiente exterior também em rela-
ção à umidade absoluta. A média calculada para o exterior foi de 16,5g/kg
ar
, enquanto na Sala
A foi de 18,2g/kg
ar
e na Sala B foi de 19,3g/kg
ar
. Observamos que ocorreu a diminuição da
umidade absoluta medida na relação da Sala A, em relação à Sala B, sendo que a diferença
passou de 0,3g/kg
ar
, no estudo de comparação dos ambientes, para 1,1g/kg
ar
, com a atuação do
sistema estudado.
Pudemos observar com este estudo que, embora as temperaturas do ar externo tenham atingi-
do valores elevados, o ar interno (de ambas as salas) apresentou temperaturas dentro da faixa
de conforto sugerida por Givoni (1992), na maioria das horas do período (entre 20ºC e 29ºC).
A diferença média de 1ºC registrada durante o estudo de comparação dos ambientes, manteve-
se, demonstrando que a ventilação através de tubos enterrados, embora não melhore termica-
mente o ambiente, também não piora essa condição. Esta constatação é válida, pois como des-
crito anteriormente, a edificação já apresentava um bom condicionamento térmico devido sua
arquitetura bioclimática.
O retardo térmico da Sala A reduziu para 2 horas, em comparação às 5 horas do estudo ante-
rior e às 4 horas da Sala B. Este efeito era esperado, pois estamos ventilando a sala com ar
externo. Contudo, a circulação do ar externo pelos tubos amenizou-o antes de seu ingresso na
edificação, refrigerando o ar nos períodos de calor e o aquecendo nos períodos de frio.
Ocorreu uma redução da umidade absoluta da Sala A (ventilada) em relação à Sala B, ao
compararmos os valores de ambos ambientes fechados. Da mesma forma, a velocidade do
vento junto à extremidade interna dos tubos não apresentou valores elevados. A redução da
umidade e a renovação do ar interior com controle, sem prejudicar a qualidade térmica do
ambiente, podem ser apontadas como as principais vantagens do sistema de ventilação natural
por tubos enterrados ao desempenho higrotérmico da edificação.
142
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS
No capítulo anterior foi descrito o comportamento da edificação frente às condições climáti-
cas do período estudado, bem como as grandezas físicas influentes no deslocamento de ar
dentro dos tubos. Neste capítulo, primeiramente é feita uma avaliação sobre o método empre-
gado, para então ser apresentada as principais conclusões sobre o experimento realizado, as
recomendações de melhoria do sistema e, por fim, as sugestões para o desenvolvimento de
trabalhos futuros.
7.1 CONSIDERAÇÕES SOBRE O MÉTODO ADOTADO
O método e os critérios para avaliação das variáveis influentes no deslocamento de ar dentro
dos tubos mostraram-se válidos, pois permitiram avaliar as faixas de atuação das grandezas
físicas estudadas, para o sistema instalado no Protótipo Ventura.
Uma vez que a estratégia do método é um quase-experimento (e não um experimento puro),
ocorreu uma série de interferências nos resultados, que se traduzem em baixos índices de cor-
relação (R²). As principais causas dessa dispersão podem ser atribuídas (a) à atuação conjunta
dos fenômenos, uma vez que os mesmos não foram medidos isoladamente; (b) à existência de
outros fatores não monitorados; (c) à inconstância dos fatores climáticos que são tomados em
média de um período (diferentemente de um laboratório no qual se mantém esses fatores
constantes); e (d) às características da edificação, principalmente das esquadrias, que apresen-
tam infiltração de ar;
Da mesma forma, estes resultados obtidos não podem ser generalizados para a totalidade dos
casos onde se empregue a ventilação natural por tubos enterrados, uma vez que este sistema é
fortemente ligado a variáveis climáticas e às características do solo e da edificação.
Embora com grande dispersão, os valores adquiridos demonstram a tendência das variáveis
influentes no deslocamento do ar nos dutos e servem de base para trabalhos e construções
futuros que utilizem o sistema. Possivelmente, um estudo em laboratório ou em uma edifica-
143
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
ção estanque obtenha resultados diferentes, porém não representaria a realidade das edifica-
ções construídas na região.
Com relação ao método para a avaliação do desempenho higrotérmico do protótipo, o critério
de graus-hora é de simples aplicação e constitui um recurso representativo do abrandamento
das condições externas proporcionadas pela edificação. Já os limites de conforto propostos
por Givoni (1992), para países em desenvolvimento, demonstraram-se úteis e representativos
para demonstrar as faixas de conforto de temperatura e umidade do ar no interior das salas e
no exterior.
7.2 CONSIDERAÇÕES SOBRE O COMPORTAMENTO DO SISTEMA
Os resultados apontam uma série de constatações sobre o real comportamento do sistema es-
tudado, e alguns deles destoam do registrado na bibliografia e mesmo das hipóteses formadas
para este trabalho. Este contraste não descarta os resultados anteriormente encontrados, ape-
nas serve de complemento aos mesmos, pois o presente estudo procurou compreender o sis-
tema de uma forma mais abrangente – e, na medida do possível, apresentar conclusões mais
precisas e aprofundadas.
7.2.1 Fatores Influentes na Circulação de Ar dentro dos Tubos
O primeiro dos objetivos deste trabalho foi o de detectar as grandezas físicas que contribuem
para a circulação de ar dentro dos tubos do sistema instalado no Protótipo Ventura, estimando
suas faixas de influência e identificando a mais significativa no sentido do deslocamento. A-
lém disso, procurou-se observar as modificações da velocidade de ar nos tubos geradas pelas
2 inclinações e pelos 2 diâmetros instalados, bem como pela abertura da chaminé solar.
Com o estudo, constatou-se que duas grandezas físicas são influentes no deslocamento de ar
dentro dos tubos: o efeito dinâmico gerado pelo vento e o efeito térmico gerado pelas diferen-
ças de temperatura. O efeito dinâmico, embora pouco referenciado pela bibliografia como
influente em sistemas de ventilação por tubos enterrados, demonstrou-se dominante no siste-
ma instalado, sendo ele, quando atuante, o principal responsável pelo deslocamento de ar no
144
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
interior dos tubos. Esta conclusão é observada a partir da forte tendência de crescimento da
velocidade do ar no interior dos tubos com o aumento da velocidade do vento externo, inde-
pendente de outros fatores.
Esta constatação difere da hipótese formada durante o projeto e construção do protótipo, de
que o aquecimento do ar gerado na chaminé solar seria o fator mais influente no deslocamento
de ar no interior do tubo.
Das duas alturas monitoradas, observamos que o vento a 10m apresenta-se atuante no deslo-
camento de ar dentro dos tubos para velocidade acima de 0,3m/s enquanto o atuante junto à
boca do tubo apresenta influencia similar para velocidades acima de 0,1m/s. É bem provável
que o vento junto ao solo mostre-se influente desde menores valores de velocidade, pois as
medições foram tomadas junto à extremidade externa dos tubos.
Estes limites são baseados nos gráficos relacionando a velocidade do vento com a velocidade
do ar nos tubos, que demonstram que para os valores de velocidade do vento abaixo dos valo-
res acima citados, o coeficiente de correlação (R²) é baixíssimo (menor do que 0,1). O efeito
térmico, embora atuante na totalidade dos períodos, apenas nessas situações pode ser obser-
vado, ou, em outras palavras, passa a ser dominante na vazão do ar no interior dos tubos.
A observação desse limitado conjunto de registros de calmaria do ar, porém, demonstrou que
as diferenças de temperatura do ar entre as extremidades (interna e externa) dos tubos e entre
o interior e o exterior da edificação são os mais influentes na circulação de ar. Esta afirmativa
é valida, pois as diferenças de densidade do ar geraram vazões de ar dentro dos tubos com
valores de mesma magnitude do gerado pelo efeito dinâmico do vento (de até 0,6m/s, com
coeficiente de correlação de até 0,97).
Já o sentido do deslocamento do ar no interior dos tubos não apresentou um padrão claro rela-
cionado com as diferenças de temperatura estudadas ou com as velocidades do vento nas altu-
ras monitoradas. Diferente do esperado – no qual as diferenças de temperatura entre o ar no
interior dos tubos e o solo seriam determinantes no sentido do fluxo de ar – a variável que
melhor explica o sentido do deslocamento é a orientação do tubo, ou, em outras palavras, é a
proteção da extremidade externa do tubo à atuação dos ventos dominantes. A maioria dos
registros, no qual o fluxo de ar nos tubos foi do exterior para o interior da edificação, ocorreu
nas situações nas quais a porção externa do tubo estava protegida dos ventos dominantes.
145
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
A possível explicação para tal constatação é que, uma vez que as extremidades externas dos
tubos estão voltadas para cima, o vento atua sobre elas, na maioria dos casos, gerando zonas
de pressão negativa, succionando o ar para o exterior da edificação através dos tubos. Como
descrito anteriormente, os tubos superiores encontram-se menos expostos ao vento externo, e
é nesse conjunto em que observamos a maior quantidade de registros do vento circulando do
exterior para o interior pelos tubos. Em contrapartida, os tubos inferiores, mais expostos, a-
presentaram a maioria dos registros de vazão saindo da edificação por eles.
Essa afirmativa é intensificada, pois a exceção ocorre, justamente para ventos próximos do
quadrante sul, no qual a situação se inverte: a extremidade externa dos tubos superiores (vol-
tada para sudeste) fica mais exposta e a dos tubos inferiores (voltada para norte), mais prote-
gida. Nestes casos, ocorreram mais registros de vazão de vento entrando pelos tubos inferiores
e saindo pelos superiores.
As influências dos diâmetros e das inclinações dos tubos estudados, bem como da chaminé
solar demonstraram um comportamento distinto nos casos da atuação dinâmica do vento e do
efeito térmico.
Para estas situações onde o efeito predominante é o dinâmico, os diâmetros dos tubos estuda-
dos (100mm e 200mm) mostraram-se pouco influentes na velocidade do ar dentro dos tubos.
As retas resultantes da regressão linear para os diâmetros, nos gráficos comparando a veloci-
dade do vento a 10m de altura com a velocidade do ar no interior dos tubos, são paralelas,
demonstrando que ambos geraram velocidades do ar nos tubos similares para a mesma velo-
cidade do vento externa.
Avaliando ainda o efeito dinâmico, para as diferentes inclinações encontraram-se valores de
velocidade do ar no interior dos tubos significativamente distintos tanto em valores quanto em
dispersão quando observamos o gráfico comparando a velocidade do vento a 10m de altura
com a velocidade do ar no interior dos tubos. Para este efeito dinâmico, contudo, estas dife-
renças são atribuídas, principalmente a maior exposição da extremidade externa dos tubos
inferiores aos ventos dominantes, por esse ser um fator de grande influência no acréscimo da
velocidade do ar no interior dos tubos.
Do ponto de vista térmico, não foi possível um estudo efetivo da influência do diâmetro e da
inclinação dos tubos sobre o deslocamento de ar no sistema. Os valores registrados em cada
146
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
configuração dos tubos mostraram-se distintos, não permitindo agrupamentos de dados (da
mesma forma que o executado para o estudo da ação dinâmica do vento) principalmente no
cruzamento de dados entre os tubos inferiores e superiores. A explicação para esta não-
conformidade de resultados é que esses conjuntos de tubos apresentam diferentes resistências
físicas ao fluxo de ar, desigual variação de alturas e diferentes profundidades do solo (e con-
seqüentemente diferentes temperaturas médias para a troca de calor). Maiores explicações
sobre essa diferença, porém, não é o foco do presente trabalho.
A abertura da chaminé solar determinou um incremento na velocidade do ar no interior dos
tubos do ponto de vista da atuação dinâmica do ar (nesse caso, funcionando como um exaus-
tor eólico). Infelizmente, porém, os momentos de calmaria ocorreram à noite, impedindo um
melhor estudo do efeito da chaminé solar (que depende de radiação solar) do ponto de vista
térmico. Embora na bibliografia pesquisada não sejam apontados resultados de tal natureza,
os poucos registros diurnos e observações em outras edificações que utilizam o sistema de-
monstram que a influência da chaminé solar é pequena no deslocamento de ar no sistema,
principalmente devido à existência de frestas nas edificações. Possivelmente, uma melhor
configuração da chaminé solar (como modificação da forma e aumento da altura) e um me-
lhor controle de frestas aumentem sua influência no deslocamento do ar do sistema.
7.2.2 O Desempenho Higrotérmico
O segundo objetivo constituía em avaliar o desempenho higrotérmico da sala na qual está
instalado o sistema de ventilação natural por tubos enterrados. Para tanto, comparou-se o seu
retardo térmico, a sua temperatura e a sua umidade do ar com o de uma sala de referência e
com o do meio externo. O objetivo constituía também a observação da temperatura do ar no
interior dos tubos, bem como da velocidade máxima atingida na boca.
No período em que ambos ambientes estavam sem ventilação natural, eles apresentaram uma
curva próxima a uma senoidal de variação térmica similar entre si, variando ao redor de uma
média que era superior na Sala B (voltado para oeste). A diferença entre essas médias se mos-
trou maior em períodos de alta radiação e menor em dias de nebulosidade, possivelmente pelo
fato da Sala A receber menos radiação inclusive no período da manhã, pois está sombreada
pelo bambuzal a leste.
147
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
Devido ao pequeno número de dias e a comparação dos ambientes ter ocorrido na primavera,
enquanto os estudos com tubos abertos, no verão, essa semelhança não é estatisticamente re-
levante para as pequenas diferenças de temperatura registradas entre os ambientes. De modo
que, não podemos afirmar que houve uma melhora do desempenho higrotérmico com a insta-
lação do sistema de tubos enterrados em relação à sala não ventilada.
Porém, uma vez que ambos os ambientes internos se encontram com temperaturas, na maioria
das horas registradas, dentro da faixa de conforto (entre 20º e 29ºC), podemos afirmar que o
sistema de ventilação por tubos enterrados instalado, pelo menos, não piora tais condições.
Essa constatação é importante, uma vez que estamos ventilando o ambiente, permitindo a re-
novação do ar, juntamente com a remoção de umidade e outras substâncias nocivas geradas
no interior dos ambientes, sem prejuízos ao conforto térmico.
O retardo térmico da sala ventilada pelos dutos diminuiu. Este efeito já era esperado, uma vez
que estamos ventilando o ambiente com ar externo. Constatou-se, porém, que edificações que
apresentam componentes de grande massa térmica são adequadas para o uso do sistema de
ventilação natural por tubos enterrados em regiões com grande amplitude térmica diária, uma
vez que o pico de temperatura do ar (máxima ou mínima) interna ocorre em situações onde o
ar externo já está mais ameno. Apenas ilustrando, as temperaturas máximas no interior da sala
ventilada ocorreram às 17 horas, quando a temperatura externa já estava em declínio com o
início do entardecer.
Na média, a extremidade interna dos tubos apresentou uma temperatura do ar menor que a
medida no interior da sala. Uma vez que estamos tratando da análise de dados no período de
verão, essa observação revela que os tubos estão, de maneira geral, resfriando o ambiente. Um
estudo mais profundo revela que este resfriamento ocorre primordialmente nas situações diur-
nas (quando o interior está mais aquecido), e o oposto ocorre em situações noturnas. Ou seja,
o sistema de dutos aquece a sala nos períodos frios e a resfria nos períodos quentes, reduzindo
sua amplitude térmica.
A umidade do ar registrada no interno das salas foi, em média, maior que a externa na totali-
dade do período estudado. Como citado anteriormente, as possíveis causas são o contato cons-
tante com o talude natural, a cobertura verde e ao início prematuro do experimento, sem o
tempo de cura da argamassa. Na grande maioria dos registros, essa umidade interna foi supe-
rior a 80% – limite superior de umidade relativa do ar sugerido por Givoni (1992). A umida-
148
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
de, somada às altas temperaturas características do período, é a principal causa de desconfor-
to, devido ao agravamento da sensação térmica. Conforme apontado por Mascaró (2001), o
único elemento ambiental capaz de amenizar tal desconforto é a ventilação natural. Neste ca-
so, ela pode atuar na redução da umidade interna e no aumento das trocas de calor da pele
com o ar, através da convecção natural.
A velocidade do ar interno da edificação ficou controlada durante o período. A maioria dos
registros ficou entre os limites de 0,25m/s e 0,5m/s, sendo considerado por Evans e Schiller
(1994) como um deslocamento de ar refrescante para o verão. Mesmo as velocidades máxi-
mas não gerariam desconforto. Enquanto no exterior foram registrados valores de velocidades
acima de 4,0m/s, a velocidade do ar, mesmo medida na boca interna do tubo, não ultrapassou
0,7m/s. Pelos mesmos autores, este valor é colocado entre os limites de refrescante e confor-
tável para a situação de verão, além de estar abaixo do limite máximo de 1,5m/s sugerido para
o interior da edificação durante o dia.
7.3 CONSIDERAÇÕES SOBRE O APRIMORAMENTO DO SISTEMA E
SOBRE A INTERVENÇÃO DO USUÁRIO
O sistema empregado no Protótipo Ventura é bastante incipiente e carece de mais estudos e de
aprimoramentos para seu uso efetivo. Ao longo do estudo, foram constatadas situações que
trazem prejuízo ao comportamento do sistema.
Entre elas estão as características construtivas da edificação, que apresenta em suas esquadrias
de madeira uma grande quantidade de frestas. Essas frestas reduzem ou anulam a capacidade
de extração de ar do recinto da chaminé solar (tanto o atribuído pelo efeito térmico, quanto o
pela ação do vento). O estudo mais aprofundado dessa problemática não é o foco deste traba-
lho. Uma solução plausível para este problema seria a criação de um dispositivo, de preferên-
cia não consumidor de energia, ligado diretamente aos tubos (para evitar perdas de carga), que
infle o ar para o interior da edificação.
Um segundo problema constatado foi a orientação diferenciada dos tubos. Neste sentido, o-
correu uma série de registros onde o vento que ingressava por um conjunto de tubos passava
através da edificação, junto ao piso, e saía pelo outro conjunto, sem ventilar o ambiente. Esse
149
Estudos Exploratórios sobre Ventilação Natural por Tubos Enterrados
inconveniente poderia ser facilmente resolvido com o fechamento de um conjunto de tubos
ou, no momento em que existam mais estudos sobre o tema, a instalação de apenas uma tubu-
lação com orientação adequada.
Sejam quais forem os problemas e soluções encontradas nos trabalhos futuros sobre o tema, o
usuário terá papel fundamental no desempenho do sistema, assim como na maioria dos de-
mais sistemas passivos de condicionamento térmico. Um exemplo prático poderia ser coloca-
do quanto ao fechamento e abertura dos tubos. Como o intuito de melhorar o condicionamen-
to térmico no verão, o ideal seria não ocorrer trocas de ar durante o dia (manter o sistema fe-
chado) e permitir a circulação do ar durante a noite, aproveitando a ventilação noturna. Desse
modo, o calor ganho pela edificação durante o dia seria removido durante a noite não apenas
pela envoltória da edificação, mas também através da circulação de ar, mantendo sua tempera-
tura interna mais baixa (no caso de verão) durante todas às 24 horas do dia.
7.4 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS:
As considerações apresentadas nos capítulos anteriores podem embasar ou servir de referência
para vários outros trabalhos de pesquisa. Como sugestões para estes estudos, são indicados,
inclusive, alguns temas distintos deste trabalho, mas que estão relacionado com o Protótipo
Ventura, que poderão ser explorados por outros pesquisadores:
a)
como a edificação é simétrica, e de características idênticas, poderia se compa-
rar, no Protótipo Ventura, a variação de temperatura das salas da Administra-
ção (a leste) e a dos Sanitários (a oeste), para avaliar a influência da orientação
no desempenho térmico de ambientes construídos;
b)
a cobertura verde instalada é outra possível fonte de pesquisas, tanto do ponto
de vista térmico e hídrico, quanto do ponto de vista biológico, com o estudo
dos tipos de forração vegetal mais propícia;
c)
um terceiro estudo sobre a edificação seria o comportamento térmico e hídrico
de edificação, executada em contato com talude (sistema geotérmico de contato
direto);
150
Diego Boschetti Musskopf. Porto Alegre: PPGEC/UFRGS, 2006
Sobre o tema da ventilação dos tubos enterrados:
a)
é importante um monitoramento mais aprofundado, isolando cada um dos pa-
râmetros, torna-se possível e de grande valia. O estudo de velocidade e direção
do vento poderia ser simulado com maquete em túnel de vento, permitindo ob-
servar, inclusive, diferentes orientações dos tubos. A diferença de temperatura,
porém, deveria contemplar uma maior quantidade de inclinações, além de estu-
dar a estação quente e a fria;
b)
avaliar a possibilidade e criar um modelo matemático para sistemas de venti-
lação por tubos enterrados também é uma possibilidade. É necessário colocar
que, uma vez que todos os sistemas similares utilizam fontes mecânicas de e-
nergia para a circulação de ar, o novo modelo deve levar em condição as variá-
veis climáticas;
c)
o estudo de uma maior quantidade de diâmetros e quantidade de tubos, bem
como de uma maior variedade de inclinações e sua influência no deslocamento
de ar dentro do sistema;
d)
a bibliografia aponta a condensação interna dos tubos uma problemática. Este
efeito não foi encontrado no verão. Estudos levando em consideração essa va-
riável, no inverno, poderiam ser analisados;
e)
uma medição por um período prolongado para o aprofundamento das caracte-
rísticas de conforto geradas pelos tubos, ao longo do ano, podendo inclusive
abranger o período de uso da sala, para verificar a influência de pessoas e equi-
pamentos na geração de calor;
f)
uma observação feita durante o experimento, que poderia ser tema de estudos,
é o controle do ruído no interior da edificação, uma vez que o fechamento das
esquadrias possibilita a redução dos mesmos.
g)
outra carência da bibliografia, que poderia ser tema de trabalhos futuros, são
estudos relativos à implantação do sistema, tais como, técnicas, detalhes cons-
trutivos, impermeabilização, possíveis problemas de condensação, dificuldade
de limpeza e proliferação de microorganismos no interior dos tubos;
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