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André Busse Gomes
AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DE CONDIÇÕES DE
CONFORTO TÉRMICO EM AUTOMÓVEIS DE PASSEIO
UTILIZANDO MANEQUIM
Trabalho de conclusão de curso
apresentado à Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo para obtenção
do título de Mestre em Engenharia
Automotiva (Mestrado Profissionalizante)
São Paulo
2005
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André Busse Gomes
AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DE CONDIÇÕES DE
CONFORTO TÉRMICO EM AUTOMÓVEIS DE PASSEIO
UTILIZANDO MANEQUIM
Trabalho de conclusão de curso
apresentado à Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo para obtenção
do título de Mestre em Engenharia
Área de Concentração:
Engenharia Automotiva
(Mestrado Profissionalizante)
Orientador:
Arlindo Tribess
São Paulo
2005
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Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, sob
responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador.
São Paulo, 19 de Setembro de 2005
André Busse Gomes Arlindo Tribess
Autor Orientador
Gomes, André Busse.
Avaliação Experimental de Condições de Conforto Térmico em
Automóveis de Passeio utilizando Manequim. André Busse Gomes.
São Paulo, 2005.
54p.
Trabalho de concluão de curso (Mestrado Profissionalizante em
Engenharia Automotiva) - Escola Politécnica da Universidade de São
Paulo.
1. Engenharia automotiva 2. Climatização veicular 3. Conforto
térmico 4. Manequim 5 . Temperatura equivalente 6 . Tecnologia
I. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. II. t
Aos meus pais Antônio e Tânia,
pelo apoio e dedicação à minha formação acadêmica.
À Maria Eduarda,
pela importante participação e estímulo para a conclusão deste trabalho.
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador Prof. Dr. Arlindo Tribess, pela motivação, confiança, paciência
inesgotável e cooperação incansável na realização deste trabalho.
Ao colega do Mestrado em Engenharia Mecânica da EPUSP, Victor Barbosa Felix, pela
imensa ajuda prestada durante os ensaios em laboratório e em campo.
À graduanda em Engenharia Mecânica pela EPUSP, Cláudia Denise Okuyama, pela
fundamental ajuda prestada durante as calibrações do manequim.
Aos professores da Escola Politécnica da USP e colegas, pelos momentos de convivência e
pela troca de conhecimentos, que tanto enriqueceram minha formação pessoal e
acadêmica.
À Mônica e à Rosangêla da Secretaria do Mestrado Profissional em Engenharia
Automotiva da EPUSP, pela dedicação e atenção prestadas durante a realização do Curso.
A todos que, direta ou indiretamente, colaboraram na execução deste trabalho.
A todos vocês, muito obrigado!
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS
LISTAS DE TABELAS
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
RESUMO
ABSTRACT
1. INTRODUÇÃO 1
1.1 Objeto de estudo e objetivo do trabalho 3
1.2 Organização do trabalho 3
2. CONFORTO TÉRMICO 4
2.1 O sistema termorregulador 4
2.2 Conforto térmico e segurança veicular 5
2.3 Balanço térmico do corpo humano 6
2.4 Equação de conforto de Fanger 7
2.5 Avaliação de ambientes térmicos 10
2.5.1 Voto médio estimado (PMV) 11
2.5.2 Percentagem de pessoas insatisfeitas (PPD) 13
2.5.3 Desconforto térmico local 14
3. AVALIAÇÃO DE CONFORTO TÉRMICO EM VEÍCULOS
AUTOMOTIVOS
15
3.1 Avaliação de conforto térmico em ambientes não homogêneos 15
3.2 Avaliação de conforto térmico em automóveis 16
3.2.1 Avaliação de conforto térmico realizado pelas empresas montadoras 16
3.2.2 Avaliação de conforto térmico pela temperatura da pele 18
3.2.3 Avaliação de conforto térmico em regime transitório 19
4. AVALIAÇÃO DE CONFORTO TÉRMICO EM AUTOMÓVEIS
UTILIZANDO MANEQUINS
21
4.1 Manequins térmicos 21
4.2 Manequins com sensores aquecidos 24
4.2.1 Determinação de temperaturas equivalentes utilizando manequim 24
4.2.2 Procedimentos de calibração do manequim 25
5. PROCEDIMENTO DE ENSAIO UTILIZANDO MANEQUIM 28
5.1 Descrição do manequim utilizado nos ensaios 28
5.2 Calibração do manequim 30
5.3 Procedimento de ensaio nas avaliações nos automóveis 33
5.3.1 Ensaios em condição de verão 36
5.3.2 Ensaios em condição de inverno 37
6. RESULTADOS DOS ENSAIOS E ANÁLISE DOS RESULTADOS 38
6.1 Condições de ensaio 38
6.2 Resultados dos ensaios para condições de verão 39
6.3 Resultados dos ensaios para condições de inverno 43
6.4 Análise das condições de conforto térmico 46
6.4.1 Análise das condições de conforto térmico para condições de verão 47
6.4.2 Análise das condições de conforto térmico para condições de inverno 48
7. CONCLUSÕES 50
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 52
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Modelo cilindrico da interação térmica: corpo humano – meio
envolvente
6
Figura 2.2 Diagrama psicrométrico com a indicação da zona de conforto em
ambientes climatizados segundo a norma ASHRAE 55
11
Figura 2.3 Relaçãoentre PMV e PPD 13
Figura 3.1 Representação esquemática do problema analisado 17
Figura 3.2 Índices EHT para 16 segmentos do corpo 18
Figura 3.3 Stickman e instrumentação utilizada 20
Figura 4.1 Manequim térmico instalado em ambiente simulando uma cabine
de automóvel
21
Figura 4.2 Manequim com 16 segmentos 26
Figura 4.3 Diagrama para avaliação de teq em função da sensação térmica:
condição de verão, resfriamento
27
Figura 4.4 Diagrama para avaliação de t
eq em função da sensação térmica:
condição de inverno, aquecimento
27
Figura 5.1 Manequim com sensores aquecidos utilizado nos ensaios 28
Figura 5.2 Módulo B de controle de potência e conexão de sensores para
levantamento de dados ambientais
29
Figura 5.3 Módula A de aquisição de sinais 29
Figura 5.4 Software de aquisição do sistema SimTer 30
Figura 5.5 Posicionamento do manequim na câmara para calibração 31
Figura 5.6 Manequim posicionado para ensaio com roupa 0,6 clo 34
Figura 5.7 Manequim posicionado para ensaio com roupa 1,0 clo 34
Figura 5.8 Posição do anemômetro e termômetro na altura da cabeça 35
Figura 5.9 Posição do anemômetro e termômetro na altura do tórax 35
Figura 5.10 Posição do anemômetro e termômetro na altura dos pés 36
Figura 5.11 Posição do anemômetro e termômetro na altura do painel 36
Figura 6.1 Gráfico das temperaturas do ar no interior do veículo: condições
de verão veículo A
39
Figura 6.2 Gráfico das temperaturas superficiais do manequim: condições de
verão veículo A
40
Figura 6.3 Gráfico das temperaturas do ar no interior do veículo: condições
de verão veículo B
41
Figura 6.4 Gráfico das temperaturas superficiais do manequim: condições de
verão veículo B
41
Figura 6.5 Gráfico das temperaturas do ar no interior do veículo: condições
de verão veículo C
42
Figura 6.6 Gráfico das temperaturas superficiais do manequim: condições de
verão veículo C
42
Figura 6.7 Gráfico das temperaturas do ar no interior do veículo: condições
de inverno veículo A
43
Figura 6.8 Gráfico das temperaturas superficiais do manequim: condições de
inverno veículo A
43
Figura 6.9 Gráfico das temperaturas do ar no interior do veículo: condições
de inverno veículo B
44
Figura 6.10 Gráfico das temperaturas superficiais do manequim: condições de
inverno veículo B
45
Figura 6.11 Gráfico das temperaturas do ar no interior do veículo: condições
de inverno veículo C
45
Figura 6.12 Gráfico das temperaturas superficiais do manequim: condições de
inverno veículo C
46
Figura 6.13 Diagrama de zonas de sensação térmica da norma ISO 14505-2
(2004) com os resultados de temperatura equivalente obtidos para
condições de verão
47
Figura 6.14 Diagrama de zonas de sensação térmica da norma ISO 14505-2
(2004) com os resultados de temperatura equivalente obtidos para
condições de inverno
49
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 Metabolismos para diferentes atividades 9
Tabela 2.2 Escala de sensação térmica da ASHRAE 10
Tabela 2.3 Determinação do voto médio estimado – PMV 12
Tabela 4.1 Escala de sensação térmica da norma ISO 14505-2. 27
Tabela 5.1 Características dos instrumentos de medição do sistema SimTer 30
Tabela 5.2 Valores dos coeficientes de troca de calor para cada parte do
corpo com vestimenta de 0,6 clo (condição de verão)
32
Tabela 5.3 Valores dos coeficientes de troca de calor para cada parte do
corpo com vestimenta de 1,0 clo (condição de inverno)
32
LISTA DE SÍMBOLOS
C Calor Perdido pela Pele por Convecção
CR Calor Convectivo Perdido pela Respiração
CFD Computacional Fluid Dynamics
Edif Calor Perdido pela Pele por Difusão de Vapor D’água
Ees Calor Perdido por Evaporação de Suor
ER Calor Evaporativo Perdido pela Respiração
EHT Equivalent Homogeneous Temperature
ELT Equivalent Living-room Temperature
h Coeficiente de troca de calor combinado, convecção e radiação
hcal Coeficiente de troca de calor calibrado
hc Coeficiente de Transferência de Calor por Condução
hr Coeficiente de Transferência de Calor por Radiação
IR Resistência Térmica da Roupa
M Metabolismo
pvar Pressão Parcial do Vapor D’água no Ambiente
PD Percentage os Dissatisfied
PMV Predicted Mean Vote
PPD Predicted Percentage of Dissatisfied
Q Perda de Calor por Radiação e Convecção; Potência dissipada
Qpele Calor Total Perdido pela Pele
Qrespirção Calor Total Perdido pela Respiração
R Calor Perdido pela Pele por Radiação
tar Temperatura do Ar
teq Temperatura Equivalente
To Temperatura Operativa
Tp Temperatura de Pele
r
t Temperatura Radiante Média
ts Temperatura de Superfície do Manequim
U Taxa de Variação de energia Interna
Var Velocidade do Ar
ω Umidade Absoluta
W Trabalho Externo
Φ Umidade Relativa do Ar
RESUMO
Atualmente as pessoas passam grande parte do tempo dentro de veículos
automotivos seja por razões profissionais ou lazer. Este fato tem contribuído para aumentar
o interesse das montadoras de veículos na avaliação de condições de conforto de
passageiros em veículos automotivos. Os critérios do consumidor, na escolha e compra de
um automóvel, têm mudado e agora não envolvem somente aspectos relacionados ao custo
e desempenho do veículo, mas também a aspectos de segurança e conforto.
O ambiente térmico no interior de um automóvel é bastante complexo e não
homogêneo. A forma mais adequada para se avaliar simultaneamente os efeitos da
temperatura do ar local, trocas de calor por radiação do corpo, velocidades do ar e a
radiação solar em um veículo é por meio do uso de manequins.
No presente trabalho foi realizado estudo da utilização de manequins na avaliação
de condições de conforto térmico em veículos automotivos e a realização de ensaios em
automóveis de passeio. Os ensaios foram realizados em três automóveis (veículo A,
veículo B e veículo C), modelos standard, com sistema de climatização para avaliação de
condições de conforto térmico para condições de verão (resfriamento) e de inverno
(aquecimento).
Na avaliação das condições de conforto térmico foram utilizadas temperaturas
equivalentes, cujo procedimento de determinação utilizando manequins foi baseado na
norma ISO 14505-2.
Nos ensaios realizados para as condições de verão (resfriamento), pode-se
verificar que em nenhum veículo foram observadas condições de conforto térmico para os
vários segmentos do manequim quando os veículos estavam ao sol. Já quando o veículo
estava sob a sombra, todos os veículos atingiram facilmente uma condição de conforto
(com uma leve sensação de frio em alguns segmentos do manequim).
Nos ensaios para condições de inverno (aquecimento) verificou-se que, na
ausência da radiação solar e com temperaturas externas mais baixas, os sistemas de
climatização conseguiram proporcionar melhores condições térmicas no interior dos
veículos, apresentando condições de conforto térmico em quase todas as situações.
O automóvel B foi o que apresentou as melhores condições de conforto térmico
tanto nos ensaios para condições de verão (resfriamento) quanto de inverno (aquecimento);
o que é um bom indicativo de um melhor controle e distribuição de ar naquele veículo.
ABSTRACT
Nowadays people pass great part of the time inside automotive vehicles due to
professional reasons or leisure. This fact has been contributing to increase the OEMs
interest in the evaluation of comfort conditions of passengers in automotive vehicles. The
consumer's criteria, in the choice and acquisition of an automobile, have been changing
and now it does not only involve aspects related to the cost and performance of the vehicle,
but also involves aspects of safety and comfort.
The thermal environment inside an automobile is very complex and no
homogeneous. The most appropriate form to evaluate simultaneously the effects of the
local air temperature, radiation heat changes of the body, air velocities and the solar
radiation in a vehicle are by means of the use of mannequins.
In the present work a study of the use of mannequins in the evaluation of thermal
comfort conditions in automotive vehicles was done and tests in automobiles were
accomplished. The tests were accomplished in three automobiles (vehicle A, vehicle B and
vehicle C), standard models, with climatization system for the evaluation of thermal
comfort conditions for summer conditions (cooling) and for winter conditions (heating). In
the evaluation of thermal comfort conditions equivalent temperatures were used, whose
determination procedure using mannequins was based on the norm ISO 14505-2.
In the tests accomplished for summer conditions (cooling), it could be verified
that in any vehicle conditions of thermal comfort were observed for the segments of the
mannequin when the vehicles were in the sun. Already when the vehicle was under the
shadow, all the vehicles reached a comfort condition easily (with a light sensation of cold
in some segments of the mannequin).
In the tests for winter conditions (heating) it was verified that, in the absence of
the solar radiation and with lower external temperatures, the climatization systems got to
provide better thermal conditions inside the vehicles, presenting conditions of thermal
comfort in almost all the situations.
The automobile B was what presented the best conditions of thermal comfort so
much in the tests for summer conditions (cooling) as for winter conditions (heating); what
is a good indicative of a better climatization control and air distribution in that vehicle.
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
Atualmente as pessoas passam grande parte do tempo dentro de veículos
automotivos seja por razões profissionais ou lazer. Este fato tem contribuído em muito
para aumentar o interesse na avaliação de condições de conforto de passageiros em
veículos automotivos. Os critérios do consumidor, na escolha e compra do veículo, têm
mudado e agora não envolvem somente aspectos relacionados ao custo e desempenho do
veículo, mas também a aspectos de segurança e conforto.
Existem também fatores de marketing do ponto de vista das fabricantes de
automóveis (montadoras) no aumento do interesse em melhorar as condições de conforto
dos passageiros em veículos. E o conforto interno dos veículos passa a ser um fator cada
vez mais importante dentro de um mercado muito competitivo e com modelos muito
parecidos em termos de construção e tecnologia, onde detalhes começam a ter um peso
grande na decisão de compra dos clientes (Gameiro da Silva, 2002).
Acrescente-se que as condições ambientais, principalmente nos grandes centros
urbanos, repletos de poluição sonora, poluição do ar e aspectos de segurança, levam as
pessoas a cada vez mais desejarem um ambiente confortável dentro de seus veículos
quando estão a conduzi-los. Um veículo com um ambiente interno confortável melhora a
segurança dos ocupantes do veículo e reduz a fadiga decorrente de se passar várias horas
dentro do veículo.
O ambiente térmico no interior de um veículo automotivo, principalmente em um
automóvel, é bastante complexo e não homogêneo. Em um automóvel ocorrem elevados
gradientes de temperatura, velocidade do ar e temperatura radiante em condições altamente
transientes. Além disso, há uma grande influência da radiação solar através da área
envidraçada do veículo e do isolamento térmico causado pelos bancos. (Hosni et al.,
2003a).
Dentro deste ambiente térmico complexo estará uma pessoa executando um certo
nível de atividade física e vestindo roupas que possuem propriedades de isolamento
térmico. Para se obter conforto térmico nestas condições há a necessidade de se ajustar
estes fatores dentro de padrões pré-determinados. Para se poder ajustar e controlar estes
fatores há, normalmente, a necessidade de se adotar sistemas de climatização (HVAC -
Heating, Ventilating and Ar Conditioning).
O objetivo do sistema HVAC de um veículo automotivo é criar condições de
conforto térmico para os ocupantes, independentemente das condições climáticas
exteriores e de manter as condições de conforto térmico durante todo o período de
utilização do sistema.
A melhor e mais confiável maneira de se avaliar o sistema HVAC de um veículo
é utilizar a resposta subjetiva de grupos de seres humanos submetidos às condições
térmicas no interior deste veículo. (Nilsson, 2004). Mas este tipo de avaliação é muito
cara, consome muito tempo e há a necessidade de se construir um protótipo do sistema a
ser analisado.
À medida que os lançamentos de veículos novos são cada vez mais frequentes há
a necessidade de se diminuir o tempo de projeto do veículo (Brown e Jones, 1997). Uma
maneira de se diminuir o tempo de projeto de um sistema HVAC é a utilização de sistemas
CAE (Computer Aided Engineering) capazes de prever o conforto térmico dentro de um
veículo (Brown e Jones, 1997). Com o objetivo de se diminuir os tempos de projeto e
implementar sistemas CAE e alcançar o conforto térmico no interior de veículos são
necessárias três condições básicas (Hosni et al., 2003b):
a) Modelos para simulação e previsão dos ambientes térmicos em veículos e a resposta do
ser humano a estas condições: modelos de conforto térmico.
b) Normas para os métodos de avaliação do conforto térmico em veículos automotivos.
c) Sistemas de controle de HVAC para atingir condições de conforto térmico no
interior de veículos.
Ainda segundo Hosni et al. (2003b), um modelo de conforto térmico completo
deve incluir:
a) Um modelo físico de troca de calor e um modelo de vestimenta
b) Um modelo de termo-regulação fisiológica do corpo humano.
c) Um modelo de sensação térmica psicológica para prever a resposta de ser humano ao
ambiente baseado nas informações dos modelos anteriores.
O problema é que, por enquanto, os modelos desenvolvidos ainda são muito
limitados e sem uma validação consistente. Segundo Gameiro da Silva (2002) a única
forma de se avaliar simultaneamente os efeitos da temperatura do ar local, trocas de calor
por radiação do corpo, velocidades do ar e a radiação solar em um veículo é por meio do
uso de manequins.
OBJETIVOS E OBJETO DE ESTUDO
Os objetivos do trabalho são o estudo da utilização de manequins na avaliação
de condições de conforto térmico em veículos automotivos e a realização de ensaios em
automóveis de passeio.
Os ensaios foram realizados em três automóveis (veículo A, veículo B e
veículo C), modelos standard, com sistema de climatização para avaliação de condições
de conforto térmico para condições de verão (resfriamento) e de inverno
(aquecimento).
ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Inicialmente, no capítulo 2 é apresentada uma revisão sobre a teoria de
conforto térmico e de avaliação de ambientes térmicos pelas normas ISO 7730 (1994) e
ASHRAE 55 (2004).
No capítulo 3 são discutidos os métodos de avaliação de conforto térmico em
ambientes homogêneos e não homogêneos. O método de avaliação de condições de
conforto térmico utilizando temperaturas equivalentes é apresentado. São discutidas
também outras formas de avaliação do conforto térmico em automóveis, sem a
utilização de manequins.
O capítulo 4 trata da avaliação de conforto térmico em automóveis utilizando
manequins térmicos e manequins com sensores aquecidos. É apresentado o
procedimento para determinação de temperaturas equivalentes utilizando manequins,
previsto na norma ISO 14505-2 (2004).
No capítulo 5 são apresentados os procedimentos de ensaio utilizando
manequim com sensores aquecidos. Inicialmente é feita a descrição do manequim
utilizado nos ensaios. Em seguida são apresentados os procedimento de calibração do
manequim e os procedimentos de ensaio nas avaliações de condições de conforto
térmico nos automóveis.
No capítulo 6 são apresentados os resultados dos ensaios e a análise dos
resultados. Inicialmente são apresentadas as condições de ensaio. Depois são
apresentados os resultados dos ensaios para condições de verão (resfriamento) e de
inverno (aquecimento). Ao final do capítulo é realizada a análise das condições de
conforto térmico para condições de verão (resfriamento) e de inverno (aquecimento).
Finalmente, no capítulo 7 são apresentadas as conclusões do trabalho.
CAPÍTULO 2
CONFORTO TÉRMICO
Em muitas situações as pessoas ficam sujeitas a ambientes térmicos criados
artificialmente para que se sintam em conforto e possam produzir melhor as suas
tarefas. Isto acontece tanto em ambientes de edificações quanto em ambientes de
veículos automotivos. Se o objetivo é atingido, a pessoa tem uma sensação de bem
estar, expressa pela sua satisfação com aquele ambiente térmico
1
.
O corpo humano gera calor continuamente e a sua temperatura interna deve ser
controlada dentro de limites estreitos para evitar o desconforto e o estresse térmico. O
calor gerado (produzido pelo metabolismo) por meio da digestão e da reação química
das células, deve ser dissipado para o ambiente de forma a manter a temperatura interna
do corpo dentro desses limites.
Em condições térmicas diferentes daquelas na qual a pessoa se sentiria
confortável, o organismo provoca reações desencadeadas pelo sistema termorregulador
que age no sentido de manter constante a temperatura interna do corpo frente a
variações térmicas internas e externas. Esta ação mais intensa do sistema
termorregulador acarreta uma sensação de desconforto.
2.1 O sistema termorregulador
Em condições normais a temperatura média do corpo é de 37 ºC. Dentro de um
certo intervalo o sistema de controle de temperatura do corpo humano se esforça para
manter esta temperatura frente a perturbações térmicas internas ou externas.
1
Conforto térmico é definido pela ASHRAE 55 (2004) como sendo “um estado de espírito que reflete
satisfação com o ambiente térmico que envolve a pessoa”.
Mudanças em condições climáticas produzem reações no organismo relacionadas
com respostas fisiológicas autônomas, mas também com mudanças de comportamento. As
respostas autônomas são controladas pelo hipotálamo, controlando as diferentes formas de
perda de calor pelo sangue da pele, suor e respiração. Mudanças de comportamento podem
se dar por alteração no nível de atividade, no ajuste da vestimenta e na mudança de
posição.
O centro de controle de temperatura do corpo humano está no hipotálamo, que
funciona como um termostato. Neuro-receptores termo-sensíveis enviam sinais ao centro
de controle e o set-point da temperatura pode mudar durante diferentes condições
fisiológicas (Nilsson, 2004).
Em ambientes frios a excitação dos receptores sensíveis ao frio irá baixar o set-
point e a perda de calor pode diminuir por meio de vaso-constrição e de “tremores”. Em
ambientes quentes, por outro lado, o set-point aumenta e a perda de calor pode aumentar
por meio de vaso-dilatação na pele e suor.
Uma pessoa em repouso produz aproximadamente 100 W de calor. Se a
vestimenta e as condições do ambiente estiverem adequadas a mesma quantidade de calor
será perdida ao ambiente. Ocorrerá um balanço de calor adequado para o corpo como um
todo e a pessoa se sentirá termicamente neutra. Com o aumento da temperatura ambiente,
convecção e radiação diminuirão, e a evaporação de suor terá que compensar a perda de
calor para restabelecer o equilíbrio entre a geração e a troca de calor de 100 W. Suar é
associado com uma sensação de calor e eventualmente desconforto. Em um ambiente mais
fresco, convecção e radiação aumentarão, fazendo com que as perdas de calor sejam
maiores que 100 W. A resposta fisiológica ocorre para reduzir o fluxo de sangue na pele
para diminuir o gradiente térmico externo. Neste caso as pessoas sentirão um pouco de frio
ou frio e estarão desconfortáveis.
Uma revisão muito boa do assunto pode ser encontrada em Ferreira (1997) e
Ferreira (2001).
2.2 Conforto térmico e segurança veicular
O conforto térmico é um aspecto importante quando se trata de segurança
veicular. Motoristas sonolentos devido ao calor, ou com sinais de hipotermia devido ao
frio, estão mais sujeitos a sofrerem ou causarem acidentes.
A exposição excessiva a um ambiente quente ou frio pode levar ao “stress
térmico” (ISO 7243, 1989; ISO 7933, 1989), resultado de condições microclimáticas
desfavoráveis que requerem a intervenção excessiva do sistema termorregulador.
A hipotermia pode causar a perda de memória, desorientação, incoerência, fala
embaralhada, tontura, exaustão e tremor descontrolado e é um importante fator de
morte em acidentes no hemisfério norte (Steen, 2001). A exposição ao calor excessivo
causa elevação da temperatura do corpo e sonolência, podendo também levar ao
colapso físico.
Conforme apresentado em Ávila (2002), pesquisa financiada pela Nissan
Motor Netherland BV e realizada pelo Departamento de Psicologia da Universidade de
Amsterdam, mostra que as melhores temperaturas do ar para quem está dirigindo um
automóvel vestido “normalmente” se situam entre 18,5ºC ≤ Ta ≤ 21,5ºC. Nesta faixa de
temperaturas, abaixo da condição de conforto, o motorista fica mais atento por estar
sentindo um pouco de frio.
2.3 Balanço térmico do corpo humano
A temperatura interna do corpo humano é mantida constante somente se
ocorrer um equilíbrio entre o calor produzido pelo corpo e o perdido para o ambiente.
O homem interage termicamente com o ambiente trocando calor pelos mecanismos da
condução, convecção, radiação e evaporação. Esta interação do corpo humano com o
meio envolvente é apresentada na Figura 2.1.
Figura 2.1 Modelo cilíndrico da interação térmica: corpo humano - meio envolvente
(ASHRAE, 2001)
Do balanço térmico do corpo humano (1a. lei da termodinâmica), tem-se que:
respiracaopele
Q - Q - W - M U =
[W/m
2
] (2.1)
()()
C + E - EE + R + C - W - M U
RRdifes
+= [W/m
2
]
(2.2)
onde:
U taxa de variação de energia interna [W/m
2
]
M Metabolismo [W/m
2
]
W trabalho externo [W/m
2
]
Q
pele
calor total perdido pela pele [W/m
2
]
Q
respiração
calor total perdido pela respiração [W/m
2
]
C calor perdido pela pele por convecção [W/m
2
]
R calor perdido pela pele por radiação [W/m
2
]
E
es
calor perdido pela pele por evaporação de suor [W/m
2
]
E
dif
calor perdido pela pele por difusão de vapor d’água [W/m
2
]
E
R
calor evaporativo perdido pela respiração [W/m
2
]
C
R
calor convectivo perdido pela respiração [W/m
2
]
Do balanço térmico do corpo humano e aplicando-se as equações que
descrevem os mecanismos de transferência de calor, são obtidas as variáveis de
conforto térmico (Fanger, 1972):
a) Parâmetros individuais: o tipo de atividade (M, W) e a isolação da vestimenta (I
R
)
;
b)
Parâmetros do ambiente: a temperatura do ar ambiente (T
ar
); a
temperatura radiante média (
r
T
); a velocidade do ar (V
ar
) e a umidade relativa do ar
(φ).
2.4 Equação de conforto de Fanger
Fanger (1972) estabeleceu três condições para que uma pessoa estivesse em
condição de conforto térmico exposta a um dado ambiente por um período longo:
a) A primeira condição é que haja equilíbrio das trocas de calor entre o corpo e o
ambiente, isto é,
U = 0 (2.3)
b) A segunda condição é que a temperatura média da pele (T
p
) seja dada pela equação:
()
WMT
p
−−= 0275,07,35 (2.4)
c) A terceira condição é que a produção de suor (E
es
) seja igual a:
Ees = 0,42 (M – W – 58,2)
(2.5)
As equações (2.4) e (2.5) foram obtidas a partir de dados experimentais
levantados em ensaios com 1300 pessoas. Inserindo as Eqs. 2.3 a 2.5, juntamente com
as equações de transferência de calor, na Eq. (2.2), obtém-se a equação de conforto de
Fanger (Fanger, 1972), dada por:
[]
()
[
]
()
()
()
()
()
[]
27327310 x 96,3 +
340014,087,50173,0 +
+ 007,073,505,358,2-W-M0,42 =W -
4
4
8-
+−+
+−+−+−
−−−+
rroupaR
arroupacRarv
v
TTf
TThfTMp
pWMM
ar
ar
(2.6)
com:
()
() ()
[]
()
()
()
T
MW MW p
MW M p
roupa
v
v
ar
ar
=−
−− − −− +
−−−− −+
−
35,7 - 0,0275 M - W Iroupa
M34-T
ar
0155
305573 0007
042 582 00173 587
0 0014
,
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(2.7)
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()
1,12T 2,38 para ; 1,12
1,12T 2,38 para ; T 2,38
= h
25,0
roupa
25,0
roupa
25,0
roupa
c
≤−
≥−−
ararar
ararar
VTV
VTT
(2.8)
CLO 0,5 I para ; I 0,1 + ,051
5,0 I para ; I 2,0 0,1
= f
RR
RR
R
≤+
≥
CLO
(2.9)
onde:
M = metabolismo (W/m
2
)
W = trabalho externo (W/m
2
)
I
R
= índice de isolamento da roupa (clo)
T
ar
= temperatura do ar (°C)
V
ar
= velocidade média do ar (m/s)
p
var
= pressão parcial do vapor d’água no ambiente (kPa)
r
T = temperatura média radiante (°C)
A equação 2.6 relaciona os fatores pessoais (M, W, I
R
) e ambientais (T
ar
, V
ar
,
p
var ,
r
T
) para conforto térmico
O metabolismo, função da atividade, normalmente é expresso em termos de
unidades de metabolismo met
2
. Na Tabela 2.1 são apresentados valores de metabolismo
para diferentes atividades.
Tabela 2.1 – Metabolismos para diferentes atividades (www.hku.hk/bse/bbse3004/)
Atividade Taxa metabólica
Sentado reclinado 46 W/m
2
0,8 met
Sentado relaxado 58 W/m
2
1,0 met
Reparador de relógios 65 W/m
2
1,1 met
Em pé relaxado 70 W/m
2
1,2 met
Dirigindo carro 80 W/m
2
1,4 met
Em pé, atividade leve 93 W/m
2
1,6 met
Caminhando horizontalmente (2 km/h) 110 W/m
2
1,9 met
Em pé, atividades moderadas (trabalho doméstico) 116 W/m
2
2,0 met
Caminhando horizontalmente, 5 km/h 200 W/m
2
3,4 met
2
1 met = 58,2 W/m
2
(atividade sedentária)
Trabalhadores da construção civil 275 W/m
2
4,7 met
Esportes – correndo a 15 km/h 550W/m
2
9,5 met
A vestimenta representa uma resistência à troca de calor entre o corpo e o meio,
e portanto, afeta o equilíbrio térmico. A resistência térmica da roupa (I
R
) é
normalmente representada pela unidade clo
3
.
Uma vestimenta leve (calça comprida, camisa de manga curta, sapato e meia),
apresenta um clo em torno de 0,5. Em atividades de escritório, no Brasil, a vestimenta
mais usual é a calça comprida, camisa de manga comprida, gravata, sapato e meia, que
corresponde a um clo em torno de 0,6 (Leite, 2003). Este valor de clo também é aquele
da vestimenta nos ensaios de resfriamento (Capítulos 5 e 6 )
Já uma vestimenta mais pesada, de inverno, com calça comprida, camisa de
manga comprida, gravata, sapato, meia e paletó assume valores em torno de 1,0 clo;
que é o valor de clo da vestimenta nos ensaios de aquecimento (Capítulos 5 e 6 ).
Para a obtenção das variáveis ambientais: velocidade média do ar, V
ar
,
temperatura média radiante,
r
T , temperatura do ar, T
ar
e umidade do ar: umidade
absoluta, ω, e umidade relativa, φ, são realizadas medições no ambiente. A norma ISO
7726 (1996) apresenta procedimentos de medição e métodos para a determinação
destas variáveis ambientais.
2.5 Avaliação de ambientes térmicos
3
1 clo = 0,155 m
2
°C/W (vestimenta típica de inverno, pesada)
No item anterior foi apresentada a equação de conforto de Fanger (Eq. 2.6).
que trata de situações de conforto térmico, isto é, das combinações dos parâmetros (M,
W, I
R
, T
ar
, V
ar
, p
var
,
r
T
) que causam conforto térmico. A sensação de conforto em um
ambiente térmico, contudo, depende das pessoas.
Assim, há a necessidade de uma avaliação das pessoas quanto às condições de
conforto que o ambiente térmico proporciona. Esta avaliação subjetiva, normalmente, é
realizada por meio do voto das pessoas segundo critérios definidos na escala de
sensação térmica da ASHRAE, apresentada na Tabela 2.2.
Tabela 2.2 – Escala de sensação térmica da ASHRAE (ASHRAE, 2001)
+3 muito quente
+2 Quente
+1 ligeiramente quente
0 Neutro
-1 ligeiramente frio
-2 Frio
-3 muito frio
2.5.1 Voto médio estimado (PMV)
Nos ensaios realizados por Fanger, as pessoas, desempenhando uma certa
atividade (metabolismo, M) e vestindo uma certa roupa (clo), eram colocadas em
câmaras climatizadas (com determinadas condições ambientais) e davam os seus votos
quanto à sensação que percebiam. Destes votos resultou a equação do voto médio
estimado (PMV – Predicted Mean Vote) que correlaciona as variáveis pessoais ((M, W,
I
R
), as variáveis ambientais (T
ar
, V
ar
, p
var
,
r
T ) e o voto (sensação) das pessoas.
O trabalho de Fanger (Fanger, 1972) é a base da norma ISO 7730 (1994) de
conforto térmico. Uma vez que o cálculo do voto médio estimado (PMV) é um pouco
trabalhoso, Fanger (1972) e a ISO 7730 (1994) apresentam tabelas, como aquela da
Tabela 2.3, e uma rotina para utilização em microcomputador, que permitem
determinar o PMV para diferentes atividades, tipos de vestimenta e condições
ambientais.
A ASHRAE 55 (ASHRAE, 2004) também apresenta gráficos para a
determinação das condições de conforto térmico em ambientes condicionados - as
Cartas de Conforto da ASHRAE. Na Figura 2.2 mostra-se uma carta psicrométrica com
a zona de conforto representada pela área hachurada.
Bulbo úmido
Bulbo úmido
g
Figura 2.2 Diagrama psicrométrico com a indicação da zona de conforto em ambientes
climatizados segundo a norma ASHRAE 55 (2004).
Tabela 2.3 Determinação do voto médio estimado - PMV (ISO 7730, 1994)
Atividade sedentária (MET=1.0) e umidade relativa do ar de 50%
Vestimenta Velocidade Relativa do ar – m/s
CLO
m
2
ºC
W
Temperatu
ra
Operativa
ºC
< 0.10
0.10 0.15 0.20 0.30 0.40 0.50 1.00
0
0
26
27
28
29
30
31
32
33
– 1.62
– 1.00
– 0.39
0.21
0.80
1.39
1.96
2.50
– 1.62
– 1.00
– 0.42
0.13
0.68
1.25
1.83
2.41
– 1.96
– 1.36
– 0.76
– 0.15
0.45
1.08
1.71
2.34
– 2.34
– 1.69
– 1.05
– 0.39
0.26
0.94
1.61
2.29
0.25
0.039
24
25
26
27
28
29
30
31
– 1.52
– 1.05
– 0.58
– 0.12
0.34
0.80
1.25
1.71
– 1.52
– 1.05
– 0.61
– 0.17
0.27
0.71
1.15
1.61
– 1.80
– 1.33
– 0.87
– 0.40
0.07
0.54
1.02
1.51
– 2.06
– 1.57
– 1.08
– 0.58
– 0.09
0.41
0.91
1.43
– 2.47
– 1.94
– 1.41
– 0.87
– 0.34
0.20
0.74
1.30
– 2.24
– 1.67
– 1.10
– 0.53
0.04
0.61
1.20
– 2.48
– 1.89
– 1.29
– 0.70
– 0.10
0.50
1.12
– 2.66
– 1.97
– 1.28
– 0.58
0.11
0.83
0.50
0.078
23
24
25
26
27
28
29
30
– 1.10
– 0.72
– 0.34
0.04
0.42
0.80
1.17
1.54
– 1.10
– 0.74
– 0.38
– 0.01
0.35
0.72
1.08
1.45
– 1.33
– 0.95
– 0.56
– 0.18
0.20
0.59
0.98
1.37
– 1.51
– 1.11
– 0.71
– 0.31
0.09
0.49
0.90
1.30
– 1.78
– 1.36
– 0.94
– 0.51
– 0.08
0.34
0.77
1.20
– 1.99
– 1.55
– 1.11
– 0.66
– 0.22
0.23
0.68
1.13
– 2.16
– 1.70
– 1.25
– 0.79
– 0.33
0.14
0.60
1.06
– 2.22
– 1.71
– 1.19
– 0.68
– 0.17
0.34
0.86
0.75
0.118
21
22
23
24
25
26
27
28
– 1.11
– 0.79
– 0.47
– 0.15
0.17
0.49
0.81
1.12
– 1.11
– 0.81
– 0.50
– 0.19
0.12
0.43
0.74
1.05
– 1.30
– 0.96
– 0.66
– 0.33
– 0.01
0.31
0.64
0.96
– 1.44
– 1.11
– 0.78
– 0.44
– 0.11
0.23
0.56
0.90
– 1.66
– 1.31
– 0.96
– 0.61
– 0.28
0.09
0.45
0.80
– 1.82
– 1.46
– 1.09
– 0.73
– 0.37
0.00
0.36
0.73
– 1.95
– 1.58
– 1.20
– 0.83
– 0.46
– 0.08
0.29
0.67
– 2.36
– 1.95
– 1.55
– 1.14
– 0.74
– 0.33
0.08
0.48
1.00
0.155
20
21
22
23
24
25
26
27
– 0.85
– 0.57
– 0.30
– 0.02
0.26
0.53
0.81
1.08
– 0.87
– 0.60
– 0.33
– 0.07
0.20
0.48
0.75
1.02
– 1.02
– 0.74
– 0.46
– 0.18
0.10
0.38
0.66
0.95
– 1.13
– 0.84
– 0.55
– 0.27
0.02
0.31
0.60
0.89
– 1.29
– 0.99
– 0.69
– 0.39
– 0.09
0.21
0.51
0.81
– 1.41
– 1.11
– 0.80
– 0.49
– 0.18
0.13
0.44
0.75
– 1.51
– 1.19
– 0.88
– 0.56
– 0.25
0.07
0.39
0.71
– 1.81
– 1.47
– 1.13
– 0.79
– 0.46
– 0.12
0.22
0.56
1.50
0.233
14
16
18
20
22
24
26
28
– 1.36
– 0.94
– 0.52
– 0.09
0.35
0.79
1.23
1.67
– 1.36
– 0.95
– 0.54
– 0.13
0.30
0.74
1.18
1.62
– 1.48
– 1.07
– 0.64
– 0.22
0.23
0.68
1.13
1.56
– 1.58
– 1.15
– 0.72
– 0.28
0.18
0.63
1.09
1.56
– 1.72
– 1.27
– 0.82
– 0.37
0.10
0.57
1.04
1.52
– 1.82
– 1.36
– 0.90
– 0.44
0.04
0.52
1.01
1.48
– 1.89
– 1.43
– 0.96
– 0.49
0.00
0.49
0.98
1.47
– 2.12
– 1.63
– 1.14
– 0.65
– 0.14
0.37
0.89
1.40
2.00
0.310
10
12
14
16
18
20
22
24
– 1.38
– 1.03
– 0.68
– 0.32
0.03
0.40
0.76
1.13
– 1.39
– 1.05
– 0.70
– 0.35
– 0.00
0.36
0.72
1.09
– 1.49
– 1.14
– 0.79
– 0.43
– 0.07
0.30
0.67
1.05
– 1.56
– 1.21
– 0.85
– 0.48
– 0.11
0.26
0.54
1.02
– 1.67
– 1.30
– 0.93
– 0.56
– 0.18
0.20
0.59
0.98
– 1.74
– 1.37
– 0.99
– 0.61
– 0.23
0.16
0.55
0.95
– 1.80
– 1.42
– 1.04
– 0.65
– 0.26
0.13
0.53
0.93
– 1.96
– 1.57
– 1.17
– 0.77
– 0.37
0.04
0.45
0.87
OBS: 1) Valores de PMV em torno de zero indicam condições de conforto térmico.
2) Valores de CLO igual a 0,5 representam uma vestimenta leve de verão (calça
comprida com camisa de mangas curtas), enquanto valores de CLO igual a 1,0
representam uma vestimenta pesada de inverno.
Verifica-se na Tabela 2.3 e na Figura 2.2 que os resultados são apresentados em
função da temperatura operativa, T
o
4
, que é função da temperatura média radiante,
r
T
, e
da temperatura do ar, T
ar
, dado pela equação 2.10
5
:
()
r
aro
TaTaT ⋅−+⋅= 1
(2.10)
onde a constante
a varia de acordo com a velocidade do ar (V
AR
):
V
ar
(m/s) 0 – 0,2 0,2 – 0,6 0,6 – 1,0
a
0,5 0,6 0,7
2.5.2 Percentagem de pessoas insatisfeitas (PPD)
Os valores de PMV não são suficientes para definir a sensação de desconforto,
pois, “ligeiramente frio ou quente” ou qualquer outro valor da escala, não indicam o
quão insatisfeitas as pessoas estão. Para isto, Fanger (1972), associou aos índices de
voto médio estimado (PMV) com a percentagem de pessoas insatisfeitas (PPD -
4
T
o
= temperatura operativa (ºC): a temperatura de um meio imaginário (envolvendo ar
e superfícies) com o qual a pessoa troca a mesma quantidade de calor por convecção
e radiação que aquela trocada com o meio real.
5
ANSI/ASHRAE 55 (2004) e ISO 7730 (1994).
Predicted Percentage of Dissatisfied).
Na Figura 2.3 é mostrada a relação entre PMV e PPD. Verifica-se nesta figura
que, mesmo com PMV igual a zero (neutralidade térmica), 5% estão insatisfeitos.
Figura 2.3 Relação entre PMV e PPD
2.5.3 DESCONFORTO TÉRMICO LOCAL
As condições de conforto térmico de Fanger foram obtidas para o corpo como
um todo. Contudo, uma pessoa pode sentir neutralidade térmica (PMV = 0), mas pode
não estar confortável se uma parte do corpo está “quente” e uma outra “fria”. Portanto,
para se ter condições de conforto é necessário também que não haja desconforto local
(quente ou frio) em diferentes partes do corpo.
Este desconforto térmico local pode ser causado por:
! Correntes de ar (“draft” ou “draught”);
Voto médio estimado - PMV
Percentual de
p
essoas insatisfeitas - PPD
! Assimetria de radiação;
! Diferença de temperatura vertical do ar entre os pés e a cabeça;
! Diferença de temperatura entre os pés e o piso.
Limites máximos previstos para cada uma das causas de desconforto térmico
local são apresentados nas normas ASHRAE 55 ( 2004) e ISO 7730 (1994).
CAPÍTULO 3
AVALIAÇÃO DE CONFORTO TÉRMICO
EM VEÍCULOS AUTOMOTIVOS
Pode-se dizer, de uma forma geral, que existem dois tipos de métodos para
avaliar condições de conforto térmico. Estes métodos dependem do meio ser
homogêneo ou não (Nilsson, 2004):
A. Ambientes homogêneos: Em residências e em ambientes de edificações
ocorrem condições relativamente homogêneas de temperatura, velocidade do ar,
umidade e radiação térmica. O método de Fanger, visto no Capítulo 2, foi
desenvolvido para avaliação de conforto nestes tipos de ambientes. Os índices
PMV e PPD foram obtidos para condições de regime permanente, mas podem
ser aplicados com boa aproximação se ocorrerem “flutuações pequenas” de uma
ou mais variáveis. Além disto, para levar em conta efeitos de correntes de ar
(drafts)), Fanger et al. (1988) introduziram um índice complementar, o índice
PD (Percentage of Dissatisfied).
B. Ambientes não homogêneos: Nos veículos automotivos, normalmente, ocorrem
gradientes de temperatura e velocidade do ar significativos, com grandes
assimetrias de temperatura, velocidade do ar e temperaturas radiantes, mesmo
em condições de regime permanente. Em um automóvel, por exemplo, as saídas
de ar geralmente são pequenas e o espaço confinado prejudica a circulação do
ar. Além disso, há uma grande incidência solar e uma isolação adicional devido
aos bancos. Em função disto, o uso dos índices PMV (ISO 7730) ou das cartas
da ASHRAE (ASHRAE 55) não são os mais apropriados (Madsen et al., 1986;
Gameiro da Silva, 2002; Hosni et al., 2003; Nilsson, 2004).
3.1 Avaliação de conforto térmico em
ambientes não homogêneos
Para ambientes não homogêneos, onde diferentes partes do corpo experimentam
diferentes condições térmicas, o conceito mais amplamente utilizado (Nilsson, 2004) é o
de temperatura equivalente (t
eq
), definida como sendo a temperatura uniforme de um
ambiente imaginário com velocidade do ar igual a zero, no qual a pessoa troca a mesma
quantidade de calor sensível, por radiação e convecção, que no ambiente real.
Desde 1932, quando Duffon (1932) apud Gameiro da Silva (2002) propôs medir
temperatura equivalente utilizando manequim, modernos e sofisticados métodos de medir
temperatura equivalente têm sido propostos: Madsen (1976); Wyon et al (1985); Madsen
et al (1986) e Olesen (1988) apud Gameiro da Silva (2002).
Dentre as equações para o cálculo de temperatura equivalente, t
eq
, em ambientes
internos, o equacionamento apresentado por Madsen et al. (1984), função das variáveis
ambientais (T
ar
, V
ar
,
r
T
) e da vestimenta (I
R
) é mais utilizado, onde:
()
ar
R
ar
rar
T - 36,5
I 1
V 0,75 - 0,24
T 0,45 T 0,55
+
++=
eq
t (Var
>
0,1 m/s ) (3.1)
2
rar
oeq
TT
Tt
+
==
(Var
≤
0,1 m/s) (3.2)
e T
o
é a temperatura operativa (ver Cap. 2, Eq. 2.10).
Em alguns trabalhos da literatura aparecem algumas variações com relação à
denominação da temperatura equivalente: ELT – equivalent living-room temperature
(temperatura equivalente do “ambiente”) e EHT – equivalent homogeneous temperature
(temperatura equivalente homogênea), mas o conceito é o mesmo.
3.2 Avaliação de conforto térmico em
automóveis
Atualmente, o índice de conforto térmico mais utilizado pela indústria
automobilística também é a temperatura equivalente (Gameiro da Silva, 2002;
Martinho, Silva e Ramos, 2004; Nilsson, 2004). A utilização deste índice na avaliação
de condições de conforto térmico em automóveis, com a utilização de manequins, será
vista em detalhes no Capítulo 4.
No presente capítulo serão discutidos brevemente alguns outros trabalhos,
utilizando diferentes técnicas de avaliação de condições de conforto em automóveis.
3.2.1 – Avaliação de conforto térmico realizado pelas empresas montadoras.
Muitos dos métodos de avaliação utilizados pela indústria automobilística são
desenvolvidos pelos próprios fabricantes (montadoras) e seguem critérios e
procedimentos próprios para cada montadora.
Esta diversidade de técnicas de avaliação de conforto térmico resulta em um
sem número de padrões e critérios utilizados, o que traz problemas para os
fornecedores de sistemas de climatização veicular. Assim, como forma de uniformizar
o critério de avaliação de conforto em automóveis, pesquisadores da Delphi (Han e
Huang, 2004) desenvolveram um método baseado na temperatura equivalente
homogênea (EHT) e em um modelo fisiológico do corpo humano. Neste modelo o
corpo é dividido em 16 segmentos compostos por quatro camadas (núcleo, músculo,
gordura, e pele) e uma camada de roupa. Na Figura 3.1 é apresentada uma
representação esquemática do problema analisado.
Figura 3.1 – Representação esquemática do problema analisado (Han e Huang,
2004).
A representação dos índices EHT para os 16 segmentos do corpo (Fig. 3.2) do
trabalho de Han e Huang (2004) é apresentada de forma similar aos valores de
t
eq
na
norma ISO 14505 (ISO, 2004); discutidos no Capítulo 4.
Segundo Han e Huang (2004), os resultados do modelo para EHT foram
comparados com dados de testes subjetivos durante ensaios realizados pelas
Modelo Térmico da
Cabine
Modelo Fisiológico
Humano
Q Radiação Solar
Tr1
Tr2
Ta
Va
Tsk
Ocupante
Tórax
Tsk
Tr3
C Convecção
Pára-brisa
Tcl
R Radiação
montadoras com 16 pessoas (qualificadas) e em 16 diferentes veículos. Embora os
autores afirmem que o modelo para EHT tenha produzido excelente concordância com
os dados dos testes subjetivos (tanto para condições de inverno quanto de verão), os
mesmos autores também dizem que o índice EHT ainda não é aceito totalmente pelas
montadoras norte-americanas (para as quais a aplicação do índice se destina).
Figura 3.2
– Índices EHT para 16 segmentos do corpo (Han e Huang, 2004)
Cabeça
Braço esq.
Braço dir.
Ante
-
braço
Ante
-
braço
Mão
Mão direita
Tórax
Costas
Pélvis
Coxa
Coxa direita
Canela
Canela
Pé esquerdo
Pé direito
Máximo Mínimo Simulado
3.2.2 – Avaliação de conforto térmico pela temperatura da pele.
Alguns pesquisadores têm associado o controle das condições de conforto
térmico com a temperatura da pele (uma das condições de conforto térmico de Fanger).
Wei e Dage (1995) apresentaram um controlador automático para aplicação em
veículos automotivos baseado na leitura da temperatura da pele dos ocupantes através
de um sensor infravermelho (bastante utilizado em empresas montadoras de
automóveis). Os resultados experimentais mostraram que a resposta do sistema é mais
rápida ao incluir no controlador a informação da temperatura da pele do que
simplesmente controlar a temperatura do ar. Os resultados obtidos também mostraram
correlação entre a temperatura medida na pele com o voto relativo à sensação térmica
dos ocupantes.
Furuse e Komoriya (1997) realizaram experimento simulando a cabine de um
automóvel e apresentaram um modelo de redes neurais para calcular a sensação de
conforto e a sensação térmica total e parcial. O modelo de redes neurais apresentado
usa informações da temperatura da pele medidas em 15 pontos diferentes do corpo. A
limitação do estudo é que não foram consideradas a radiação solar e umidades do ar
elevadas.
3.2.3 – Avaliação de conforto térmico em regime transitório
Brown e Jones (1997) desenvolveram um modelo de conforto térmico para
regime transitório e realizaram experimentos em veículos para demonstrar a correlação
do modelo com o voto de indivíduos submetidos a diversas condições de transientes
térmicos durante 45 minutos (típicos de aquecimento no inverno e de resfriamento no
verão). O modelo foi alimentado com informações coletadas por diversos sensores de
temperatura, umidade relativa e velocidade do ar, instalados em um painel de madeira
chamado de stickman (Figura 3.3) colocado nos assentos dianteiros. Os resultados
mostraram que o modelo apresenta boa correlação com o voto médio dos indivíduos
durante os 10 a 15 minutos iniciais, porém tende a divergir do voto subjetivo após este
intervalo.
Hosni et al (2003a; 2003b) fizeram alterações no modelo de Brown e Jones
para estudar o conforto térmico sob condições fortemente transientes. Foram simuladas
condições de inverno e verão em câmara climatizada. A câmara foi provida de
lâmpadas para simular uma carga solar de 1000 W/m
2
(condição de verão).
Dispositivos dotados de globos para medição da temperatura radiante, temperatura,
umidade e velocidade do ar foram utilizados para coletar dados nos ensaios.
Paralelamente, foram realizados ensaios nas mesmas condições com pessoas (avaliação
subjetiva) Com os dados coletados foi desenvolvido um modelo térmico e os resultados
foram comparados com os votos subjetivos para verificar a sua validade.
Figura 3.3 Stickman e instrumentação utilizada.
Verifica-se que não existe um número significativo de estudos com ensaios
envolvendo a participação de pessoas (ensaios subjetivos) em automóveis. Isto ocorre
devido ao alto custo envolvido, da necessidade de protótipos representativos e de
câmaras climatizadas para a realização dos ensaios.
Uma tendência é a utilização de manequins virtuais (manequins numéricos) e
simulação das trocas de calor utilizando CFD (computacional fluid dynamics), que
permite redução do número de testes a um número mínimo, somente para validação da
modelagem das trocas de calor e do processo de simulação numérica realizados (Ambs,
2002; Nilsson, 2004).
CAPÍTULO 4
AVALIAÇÃO DE CONFORTO TÉRMICO
EM AUTOMÓVEIS UTILIZANDO MANEQUINS
Conforme visto no Capítulo 3, em ambientes não homogêneos como os que
ocorrem em automóveis, com assimetrias de temperatura, velocidade do ar e de
temperaturas radiantes (mesmo em condições de regime permanente), há a necessidade de
utilização de métodos específicos para a avaliação das condições de conforto térmico. Uma
das formas de se fazer isto é com a utilização de manequins.
4.1 – Manequins térmicos
Segundo Gameiro da Silva (2002) o manequim térmico seria o único
instrumento capaz de avaliar simultaneamente os efeitos da temperatura do ar local,
trocas de calor por radiação do corpo, velocidades do ar e a radiação solar em um
veículo (Figura 4.1). Todos estes fenômenos estão presentes dentro de um ambiente
pequeno como a cabine de um veículo e tem uma distribuição bastante irregular. O
bloqueio causado pelo corpo, o isolamento dos bancos e as trocas de calor do corpo
contribuem para a irregularidade de distribuição dos fenômenos mencionados.
Figura 4.1 Manequim térmico instalado em ambiente simulando uma cabine de
automóvel (Nilsson, 2004).
Nilsson (2004) apresenta um estudo detalhado da utilização de manequins
térmicos. Um manequim térmico deve ter algumas características para poder ser
usado em avaliação de conforto térmico no interior de veículos. Este deve ter o
tamanho e o formato de um corpo humano, ser capaz de ser colocado na posição
sentada, ser capaz de ser vestido com roupas e permitir a determinação da influência
dos parâmetros físicos relevantes ao conforto térmico ao longo de todo o corpo e com
a possibilidade de dividir este corpo em partes ou zonas.
Os manequins atualmente utilizados são divididos em 16 zonas ou mais, até um
limite de 32 zonas, independentemente controladas. Para reduzir custos e peso são
utilizados materiais como alumínio e plástico. Os controles de regulação dos manequins
mais modernos são do tipo digital, mas ainda existem muitos manequins com controles de
regulação analógicos (Nilsson, 2004).
Uma completa compreensão da troca de calor do corpo humano requer o
conhecimento das perdas de calor do corpo por convecção, condução, radiação e, em
alguns casos, perda de calor do corpo por evaporação do suor. Por este motivo, muitos
manequins que simulam a sudorese humana estão em desenvolvimento (Nilsson, 2004).
Um manequim térmico com formato humano mede a perda de calor por
convecção, condução e radiação de toda a superfície do corpo e em todas as direções.
Somando as perdas de calor das áreas das zonas em que o manequim térmico está dividido
se determina a perda de calor do corpo inteiro. Um manequim térmico determina a perda
de calor de uma maneira relevante, confiável e com acurácia. Este método é rápido,
facilmente padronizado e reproduzível (Nilsson, 2004).
Um manequim térmico típico, que não simula sudoreses, é construído com
estrutura em alumínio revestida por espuma plástica. Cada zona aquecida
independentemente é coberta por resistências elétricas que depois são cobertas por uma
resina plástica. Na superfície do manequim são montados sensores de temperatura. Cada
uma destas zonas é regulada para uma temperatura constante, por exemplo 24,0° C, e a
potência requerida para manter esta temperatura é indicada pelo sistema de regulação do
manequim. Durante estados de equilíbrio esta potência usada para manter o manequim à
temperatura constante é igual à potência perdida pelo manequim, ou seja, igual à perda de
calor sensível do manequim. A determinação desta perda de calor sensível leva em
consideração fatores como temperatura do ar, velocidade do ar, radiação e isolamento das
vestimentas utilizadas no manequim.
O manequim requer um determinado tempo para responder a uma alteração no
equilíbrio de troca de calor. Dependendo da construção do manequim e do sistema de
regulação utilizado, este tempo pode variar entre 20 e 30 minutos.
Uma vez que os manequins térmicos atuais só permitem determinar a perda de
calor sensível, em condições ambientais onde o ser humano começar a suar para perder
calor por evaporação do suor haverá uma subestimação do calor total perdido. Entretanto,
para pesquisas de conforto térmico realizadas próximo da zona de neutralidade térmica em
atividades leves, onde a perda de calor por evaporação representa uma parte mínima da
perda de calor total, não haverá um desvio muito grande se for utilizado um manequim
térmico que não seja capaz de reproduzir a sudorese humana (Nilsson, 2004).
Antes de ser utilizado, um manequim precisa ser calibrado em um ambiente
térmico padrão. O manequim deve ser calibrado com as mesmas vestimentas e na mesma
posição que será usado para avaliar o ambiente térmico em estudo. As vestimentas afetam
o coeficiente de transferência de calor sensível e, portanto, devem ser escolhidas
adequadamente para a situação climática a ser avaliada e devem ser mantidas durante todo
o processo de avaliação. Após a calibração o manequim é colocado no local a ser avaliado,
o fluxo de calor em W/m
2
das diferentes zonas do manequim são medidos e controlados
pelo sistema de regulação do manequim. Os dados do sistema de regulação são levados em
consideração somente quando o manequim entra em equilíbrio térmico devido ao atraso de
resposta as condições transientes dos manequins.
As desvantagens de se utilizar manequins térmicos são o custo destes
equipamentos, a dificuldade de manuseá-los e são equipamentos delicados e difíceis de
manter. Além disso, os manequins que não são capazes de simular a sudorese humana,
quando expostos a ambientes muito quentes, não serão capazes de avaliar as condições de
conforto térmico de tal ambiente, pois o manequim não irá perder calor para o ambiente e
sim ganhar calor do ambiente e o sistema de regulação destes manequins não é capaz de
medir corretamente este ganho de calor. Além disso, a demora em responder às alterações
de condições no ambiente limita a utilização do manequim apenas às condições de
equilíbrio térmico, não sendo possível avaliar as condições transientes (Hosni et al., 2003a;
2003b).
Atualmente existe um grande número de manequins térmicos sendo
construídos e utilizados no mundo inteiro, mas a falta de uma norma padronizando
sua construção dificulta a comparação entre resultados obtidos por diferentes
manequins em diferentes ambientes (Nilsson, 2004).
4.2 – Manequins com sensores aquecidos
Uma outra forma de se avaliar condições de conforto térmico em automóveis é
com a utilização de manequins com sensores aquecidos, previsto na norma ISO 14505-2
(2004). Neste caso o manequim não é aquecido como no caso do manequim térmico. Em
vez de se fazer a avaliação das trocas de calor em diversos segmentos do corpo aquecido,
são colocados sensores aquecidos nestes segmentos do corpo (normalmente 16 ou 32
segmentos). No presente estudo será utilizado um manequim com sensores aquecidos,
descrito no Capítulo 5.
Semelhante ao que é feito com manequins aquecidos, antes de ser utilizado, o
manequim com sensores aquecidos também precisa ser calibrado em um ambiente térmico
padrão. Detalhes deste procedimento e da avaliação das temperaturas equivalentes serão
descritos a seguir.
4.2.1 – Determinação de temperaturas equivalentes utilizando manequim
(ISO, 14505-2)
A norma ISO 14505-2 (2004) trata da determinação de temperaturas
equivalentes, t
eq
, na avaliação de conforto térmico em automóveis. Esta norma prevê a
utilização dos métodos de medição da temperatura equivalente usando manequins
térmicos e também sensores aquecidos.
A determinação de t
eq
é baseada na transferência de calor por convecção e
radiação para manequins com vestimentas padrão para cada tipo de ensaio: condições
de inverno (aquecimento) e condições de verão (resfriamento). Para condições de verão
a norma prevê uma vestimenta com 0,6 clo e para a de inverno com 1,0 clo.
A transferência de calor por condução é assumida como sendo pequena e a
perda de calor por evaporação de suor não é considerada já que em condições normais
de uso do veículo (atividade leve) a quantidade de suor é pequena. Assim, as trocas de
calor se limitam as trocas de calor por radiação R e por convecção C , dadas pelas eqs.
4.1 e 4.2:
)(
rsr
tthR −= [W/m
2
] (4.1)
)(
arsc
tthC −= [W/m
2
] (4.2)
onde:
C = troca de calor por condução [W/m
2
]
R = troca de calor por radiação [W/m
2
]
h
r
= coeficiente de transferência de calor por radiação [W/m
2
ºC]
h
c
= coeficiente de transferência de calor por condução [W/m
2
ºC]
t
s
= temperatura da superfície [ºC]
r
t = temperatura radiante média [ºC]
t
ar
= temperatura do ar ambiente [ºC]
Estas trocas de calor por convecção e radiação ocorrem simultaneamente.
Assim, a temperatura equivalente, t
eq
, definida pela norma é função das trocas de calor
por convecção e radiação e é dada por:
h
Q
tt
seq
−= [ºC] (4.3)
onde:
Q= R + C = troca de calor por radiação e convecção [W/m
2
]
t
eq
= temperatura do ambiente padrão [ºC]
t
s
= temperatura da superfície
[ºC]
h = coeficiente de transferência de calor combinado, convecção e radiação
[W/m
2
ºC]
4.2.2 Procedimento de calibração do manequim
A norma ISO 14505-2 (2004) também apresenta o procedimento de calibração
de manequins em um ambiente térmico padrão. O ambiente padrão é um ambiente
homogêneo com temperatura de bulbo seco de 24ºC,
r
t = t
ar
, e com velocidade do ar
V < 0,1 m/s. O manequim deve ser calibrado com as mesmas vestimentas e na mesma
posição que será usado para avaliar o ambiente térmico em estudo.
No procedimento de ensaio de calibração considerando sensores aquecidos,
todos os segmentos do corpo deverão dissipar a mesma quantidade de calor, Q. Na
norma são padronizados fluxos de calor de 70 W/m
2
(1,2 met) e 90 W/m² (1,6 met).
Uma vez satisfeitas estas condições em ensaio realizado em câmara
climatizada e obtidas condições de regime permanente nas trocas de calor do
manequim com o ambiente, são realizadas leituras de temperaturas superficiais, t
s
, e de
fluxo de calor para cada segmento do corpo e calculados valores de coeficientes de
troca de calor, h
cal
, que são os coeficientes de troca de calor calibrados, dados pela
equação:
eqs
cal
tt
Q
h
−
= [W/m
2
ºC] (4.4)
Os valores de coeficientes de transferência de calor calibrados, h
cal, serão os
valores de coeficiente de troca de calor, h, da Equação 4.3 no cálculo das temperaturas
equivalentes no ambiente real.
Uma vez calibrado o manequim para a posição e vestimenta do ensaio real, o
método de avaliação consiste em posicionar o manequim no ambiente real como, por
exemplo, na Figura 4.1, e medir os fluxos de calor e as temperaturas de superfície de
cada segmento. Por meio da Equação 4.3 é possível determinar a t
eq
para cada
segmento ou para todo o corpo utilizando os valores de h
cal
calibrados e os novos
valores de Q e t
s
.
A temperatura equivalente assim determinada é um indicador do nível de
afastamento entre a temperatura do ambiente e a temperatura correspondente a uma
sensação térmica de neutralidade.
A norma ISO 14505-2 (2004) apresenta diagramas para avaliação da t
eq
em
função da sensação térmica, para manequim com 16 segmentos (Fig. 4.2). Os
diagramas apresentados se referem a uma condição de verão, com o sistema de
climatização operando na condição de resfriamento e pessoas usando roupas leves com
clo igual a 0,6 (Fig. 4.3) e a uma condição de inverno, com o sistema operando na
condição de aquecimento e pessoas usando roupas pesadas com clo igual a 1,0 (Fig.
4.4).
Figura 4.2 Manequim com 16 segmentos (ISO 14505-2, 2004)
Figura 4.3 Diagrama para avaliação de t
eq
em função da sensação térmica:
condição de verão, resfriamento (ISO 14505-2, 2004).
Figura 4.4 Diagrama para avaliação de t
eq
em função da sensação térmica:
condição de inverno, aquecimento (ISO 14505-2, 2004).
Os valores de Y nas Figuras 4.3 e 4.4 correspondem às temperaturas equivalentes,
t
eq
, e os valores de X aos segmentos do corpo (manequim). O segmento 17 corresponde à
t
eq
para o corpo como um todo. Os números 1 a 5 representam as faixas de sensação
térmica conforme apresentado na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 Escala de sensação térmica da norma ISO 14502-2 (2004).
Escala de sensação térmica
1 2 3 4 5
Muito frio Frio/confortável Confortável Quente/confortável Muito quente
CAPÍTULO 5
PROCEDIMENTO DE ENSAIO
UTILIZANDO MANEQUIM
5.1 Descrição do manequim utilizado nos ensaios
Para a realização dos ensaios foi utilizado um manequim (Figura 5.1),
denominado Sim Ter
6
, de 16 segmentos, com sensores aquecidos com potência de
aquecimento regulável analogicamente (40 a 120 W/m
2
) dispostos um na testa, dois nos
braços, dois nos ante-braços, dois nas mãos, dois nas coxas, dois nas canelas, dois nos
pés, um no peito, um nas nádegas e um nas costas (Figura 5.1). Cada região (sensor
aquecido) é dotado também de um sensor para leitura de temperatura superficial.
Figura 5.1 Manequim com sensores aquecidos utilizado nos ensaios.
6
Projetado e construído no Laboratório de Meios Porosos e Propriedades Termofísicas do Departamento de
Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina , Florianópolis – SC.
O sistema de controle é composto por dois módulos que são conectados com o
manequim e sensores adicionais. O manequim é conectado a um módulo B de controle de
potência (Fig. 5.2), no qual ainda podem ser conectados 6 termoanemômetros
omnidirecionais, 1 termômetro de globo e 1 sensor de temperatura.
Figura 5.2 Módulo B de controle de potência e conexão de sensores para
levantamento de dados ambientais.
O Módulo B é conectado a um módulo A de aquisição (Figura 5.3.), que por sua
vez é conectado ao micro computador através da porta serial. O software de aquisição
(SimTer.exe) roda em sistema Windows, onde podem ser visualizados os valores de calor
dissipado em cada segmento e as respectivas temperaturas superficiais, bem como a
velocidade, temperatura do ar e a temperatura de globo do ambiente analisado.
Figura 5.3 Módulo A de aquisição de sinais
Os dados podem ser registrados no disco rígido em intervalo definido pelo
usuário, sendo que os valores registrados representam as médias do período. O ambiente
do software de aquisição de dados é apresentado na Figura 5.4.
Figura 5.4
Software de aquisição do sistema SimTer
As faixas de medição e precisão nas medições de temperaturas, velocidades e
potências são apresentadas na Tabela 5.1.
Tabela 5.1 Características dos instrumentos de medição do sistema SimTer.
Variáveis Faixa de medição Precisão
Temperatura superficial 0-50
0
C
± 0,3 ºC
Temperatura do ar 0-50
0
C
± 0,3 ºC
Velocidade do ar 0 – 3 m/s
± 0,04 + 3% m/s
Potência 40 - 120 W/m2 3%
5.2 Calibração do manequim
Inicialmente foi feita calibração do manequim SimTer de acordo com
procedimento previsto na norma ISO 14505-2 (2004), apresentado no Capítulo 4. A
calibração foi realizada em ambiente climatizado com condições controladas utilizado na
avaliação de condições de conforto em ambientes de escritórios com insuflamento pelo
piso (Leite, 2003). O manequim foi colocado no ambiente climatizado em posição similar
àquela em que seria posteriormente colocado no veículo para teste, conforme apresenta na
Figura 5.5.
Figura 5.5 Posicionamento do manequim na câmara para calibração
A temperatura da câmara foi monitorada durante os ensaios, bem como a
velocidade, que permaneceram nos valores previstos na norma: em torno de 24 ºC, com
V < 0,1 m/s (em torno de 0,03 m/s).
Foram realizadas duas calibrações. Uma calibração foi executada com o
manequim trajando vestimenta com 0,6 clo, para condições de verão, e a outra calibração
com vestimenta de 1,0 clo, para condições de inverno.
Uma vez atingidas condições de regime permanente (tanto do ambiente, quanto da
troca de calor no manequim), foram realizadas as medições de temperatura superficial t
s
e
de fluxo de calor em cada segmento do corpo, Q. Depois foram obtidos os valores de
coeficientes de troca de calor calibrados, h
cal
, aplicando a Eq. (4.4) (reapresentada aqui):
eqs
cal
tt
Q
h
−
= [W/m
2
ºC] (4.4)
Os resultados das calibrações do manequim são apresentados nas tabelas 5.2 e 5.3.
Tabela 5.2 Valores dos coeficientes de troca de calor para cada parte do corpo com
vestimenta de 0,6 clo (condição de verão).
Q (W/m2)
t
s
(ºC) t
ar
(ºC) h
cal
(W/m
2
o
C)
Corpo todo 71,4 27,4 23,9 20,4
Face 70,6 27,0 23,9 23,2
Tórax 71,1 29,9 23,9 11,8
Costas 70,4 27,1 23,9 22,5
Braço esquerdo 72,8 28,2 23,9 17,1
Braço direito 71,1 27,7 23,9 19,0
Ante-braço esquerdo 72,0 27,1 23,9 22,8
Ante-braço direito 70,6 26,6 23,9 26,4
Mão esquerda 70,0 26,6 23,9 25,9
Mão direita 71,5 26,9 23,9 24,5
Coxa esquerda 69,9 27,1 23,9 22,3
Coxa direita 70,8 27,4 23,9 20,2
Canela esquerda 70,8 27,8 23,9 18,4
Canela direita 71,4 27,4 23,9 21,6
Pé esquerdo 69,6 27,2 23,9 21,0
Pé direito 70,2 27,6 23,9 19,4
Nádegas 71,0 27,6 23,9 19,3
Tabela 5.3 Valores dos coeficientes de troca de calor para cada parte do corpo com
vestimenta de 1,0 clo (condição de inverno).
Q (W/m2)
t
s
(ºC) t
ar
(ºC) h
cal
(W/m
2
o
C)
Corpo todo 70,7 27,5 23,8 19,3
Face 71,9 26,9 23,8 23,2
Tórax 71,0 29,9 23,8 11,6
Costas 70,2 27,7 23,8 17,9
Braço esquerdo 71,4 28,3 23,8 15,8
Braço direito 71,2 27,1 23,8 22,1
Ante-braço esquerdo 72,7 27,8 23,8 18,3
Ante-braço direito 70,2 27,7 23,8 18,3
Mão esquerda 71,2 26,6 23,8 25,9
Mão direita 70,3 26,7 23,8 24,5
Coxa esquerda 70,2 26,9 23,8 22,2
Coxa direita 70,7 27,3 23,8 20,3
Canela esquerda 70,7 27,5 23,8 19,0
Canela direita 70,6 27,2 23,8 21,2
Pé esquerdo 69,8 27,3 23,8 20,1
Pé direito 70,0 27,4 23,8 19,5
Nádegas 70,8 27,5 23,8 19,3
Verifica-se pela análise dos resultados apresentados nas Tabelas 5.2 e 5.3 que
houve problemas em se conseguir manter os fluxos de calor constantes em 70 W/m
2
, (valor
recomendado na norma) em todos os segmentos. Isto é uma deficiência apresentada pelo
equipamento relacionado com o controle analógico. Contudo, estas diferenças não
influenciam significativamente os resultados finais de temperaturas equivalente levantados
(Capítulo 6), com incertezas em torno de ± 0,5 ºC.
5.3 Procedimento de ensaio nas avaliações nos automóveis
Após a calibração do manequim foram realizados três ensaios diurnos para
condições de verão com vestimentas de 0,6 clo (resfriamento) e três ensaios noturnos com
condições de inverno com vestimentas de 1,0 clo (aquecimento)
Os ensaios foram realizados em três veículos de passeio, modelos standard, de
três diferentes montadoras, identificados como Veículos A, B e C. Todos os três veículos
são equipados com sistemas de ar condicionado e ar quente sendo que os Veículos A e B
possuem sistema de controle de temperatura eletrônico e o Veículo C possui sistema de
controle de temperatura manual. Todos os sistemas de controle de temperatura operam
através de mistura de ar frio proveniente do sistema de ar condicionado e ar quente
proveniente do sistema de aquecimento do veículo. Estas misturas são obtidas por meio
das combinações de abertura de válvulas do tipo portinhola. Os sistemas podem ser
regulados para frio máximo com ar proveniente apenas do sistema de ar condicionado,
quente máximo com ar proveniente apenas do sistema de aquecimento do veículo ou
qualquer mistura de ar frio e ar quente entre estes dois pontos. No caso dos veículos com
controle manual de temperatura as portinholas, depois de reguladas, permanecem em uma
posição fixa e no caso do controle eletrônico de temperatura as portinholas são controladas
por um módulo eletrônico e um sensor de temperatura interno no veículo para manter a
temperatura no interior do veículo constante e dentro da faixa selecionada pelo ocupante
do veículo.
Os ensaios foram realizados em três dias consecutivos, um dia para cada veículo,
e com condições climáticas praticamente iguais, com dias quentes e noites frias típicas de
“veranico de inverno”: dias ensolarados e noites estreladas (sem nuvem alguma), ausência
de ventos e baixa umidade relativa (em torno de 40%).
Cada dia de ensaio foi dividido em duas partes. A primeira parte do ensaio foi
realizada durante o dia em condições de verão e o manequim com roupas de 0,6 clo
(Fig. 5.6). A segunda parte do ensaio foi realizada durante a noite em condições de inverno
e com o manequim com roupas de 1,0 clo (Fig. 5.7).
Figura 5.6 Manequim posicionado para ensaio com roupa 0,6 clo (verão)
Figura 5.7 Manequim posicionado para ensaio com roupa
1,0 clo.
Os veículos foram instrumentados com o manequim e com quatro conjuntos de
sensores de temperatura e velocidade (para monitorar as temperaturas e velocidades no
interior da cabine). O manequim e os termopares foram montados na mesma posição em
todos os veículos, a saber, o manequim na posição dianteira lado do passageiro e os
termopares na altura da cabeça, tórax, pés e sobre o painel de instrumentos como pode ser
visto nas Figuras 5.8 a 5.11.
Figura 5.8 Posição do anemômetro e termômetro na altura da cabeça
Figura 5.9 Posição do anemômetro e termômetro na altura do tórax
Figura 5.10 Posição do anemômetro e termômetro na altura dos pés
Figura 5.11 Posição do anemômetro e termômetro na altura do painel
5.3.1 Ensaios em condições de verão
O automóvel era estacionado ao sol. O procedimento de ensaio era iniciado por
volta das 13 horas. O manequim e os demais instrumentos de medição eram posicionados
no interior do veículo. A regulagem do sistema de controle de temperatura era colocada no
frio máximo, o ventilador colocado na velocidade 2, o fluxo de ar dirigido para as grelhas
do painel, que foram colocadas nas posições centrais horizontalmente e verticalmente, e a
reciclagem desligada. Uma vez regulado o sistema de controle do sistema de climatização
do veículo este não era mais alterado.
As medições eram iniciadas por volta das 14h30m. Por volta das 15 horas, o carro
que estava totalmente ao sol, ficava totalmente na sombra (em função da sombra projetada
da edificação). Embora este fato tenha impedido realizar avaliações em regime
permanente, permitiu verificar mais claramente a influência da insolação nas condições
térmicas no interior dos veículos, conforme apresentado no Capítulo 6.
5.3.2 Ensaios em condições de inverno
O mesmo veículo instrumentado com o manequim e demais sensores permanecia
estacionado na sombra com o sistema de climatização ligado “no frio” até que a
temperatura no interior diminuísse. Depois o sistema de climatização era desligado e a
vestimenta do manequim alterada para clo igual a 1,0.
No início da noite, por volta das 20 horas, eram realizados os ensaios com
aquecimento. A regulagem do sistema de aquecimento era colocado na posição central da
escala de temperatura, o ventilador colocado na velocidade 2, o fluxo de ar dirigido para
as grelhas do painel, que foram colocadas nas posições centrais horizontalmente e
verticalmente, e a reciclagem desligada (de forma similar ao realizada na análise das
condições de resfriamento). Uma vez regulado o sistema de controle do veículo este não
era mais alterado.
CAPÍTULO 6
RESULTADOS DOS ENSAIOS
E ANÁLISE DOS RESULTADOS
6.1 Condições de ensaio
A. Ensaio com automóvel de passeio denominado Veículo A
a)
condições de verão
As condições climáticas eram de céu limpo e temperatura do ar de 25,5°C. A
temperatura da superfície externa do veículo sob o sol era de 56,2°C e a
temperatura da superfície do veículo na sombra durante o ensaio caiu para 27,4°C
(temperaturas superficiais medidas com termômetro digital de mira laser). A
temperatura do ar de insuflamento foi de 8,5°C.
b)
condições de inverno
As condições climáticas eram de céu limpo e temperatura do ar de 18°C. A
temperatura da superfície externa do veículo foi de 21,6°C. A temperatura do ar
de insuflamento foi de 24,5°C.
B. Ensaio com automóvel de passeio denominado Veículo B
a)
condições de verão
As condições climáticas eram de céu limpo e temperatura do ar de 26,5°C. A
temperatura da superfície externa do veículo sob o sol era de 54,9°C e a
temperatura da superfície do veículo na sombra durante o ensaio caiu para 27,4°C
(temperaturas superficiais medidas com termômetro digital de mira laser). A
temperatura do ar de insuflamento também foi de 8,5°C. As condições climáticas
eram de céu limpo e temperatura do ar de 26,5°C.
b)
condições de inverno
As condições climáticas eram de céu limpo e temperatura do ar de 19°C. A
temperatura da superfície externa do veículo foi de 21,5°C. A temperatura do ar
de insuflamento foi de 24,0°C.
C. Ensaio com automóvel de passeio denominado Veículo C
a)
condições de verão
As condições climáticas eram de céu limpo e temperatura do ar de 26,5°C. A
temperatura da superfície externa do veículo sob o sol era de 52,6°C e a
temperatura da superfície do veículo na sombra durante o ensaio caiu para 27,4°C
(temperaturas superficiais medidas com termômetro digital de mira laser). A
temperatura do ar de insuflamento foi de 11,5°C. As condições climáticas eram de
céu limpo e temperatura do ar de 26,5°C.
b)
condições de inverno
As condições climáticas eram de céu limpo e temperatura do ar de 18°C. A
temperatura da superfície externa do veículo foi de 20,9°C. A temperatura do ar
de insuflamento foi de 24,0°C.
6.2 Resultados dos ensaios para condições de verão
Nas Figuras 6.1, 6.3 e 6.5 estão apresentados os gráficos de temperatura do ar no
interior do veículo e nas Figuras 6.2, 6.4 e 6.6, são apresentadas as temperaturas
superficiais do manequim, respectivamente, para o veículo A, veículo B e veículo C.
Temperaturas do ar- Veículo A
Resfriamento
15,0
17,0
19,0
21,0
23,0
25,0
27,0
29,0
31,0
33,0
35,0
37,0
39,0
0 1020304050
Tempo (min)
Temperatura (ºC)
Pés
Tórax
Painel
Cabeça
Figura 6.1 – Gráfico das temperaturas do ar no interior do veículo:
condições de verão veículo A
As legendas utilizadas na Figura 6.1 se referem às temperaturas do ar medidas,
respectivamente, na altura da cabeça, do pé, do tórax e no sensor instalado no painel,
conforme apresentado nas Figuras 5.8 a 5.11. Esta legenda para as temperaturas do ar no
interior do veículo será utilizada em todas as análises realizadas neste capítulo.
Temperaturas superficiais do manequim - Veículo A
Resfriamento
15,0
17,0
19,0
21,0
23,0
25,0
27,0
29,0
31,0
33,0
35,0
37,0
39,0
41,0
43,0
45,0
47,0
49,0
51,0
0 1020304050
Tempo (min)
Temperatura (ºC)
Tsup_Testa
Tsup_Peito
Tsup_Ante_Braco_D
Tsup_Ante_Braco_E
Tsup_Braco_D
Tsup_Braco_E
Tsup_Mao_D
Tsup_Mao_E
Tsup_Coxa_D
Tsup_Coxa_E
Tsup_Canela_D
Tsup_Canela_E
Tsup_Pe_D
Tsup_Pe_E
Tsup_Nadega
Tsup_Costas
Figura 6.2 Gráfico das temperaturas superficiais do manequim:
condições de verão veículo A
Durante o ensaio houve uma alteração da posição do sol em relação ao veículo.
No início do ensaio o veículo estava totalmente ao sol e começou a ser coberto por sombra.
Na metade do tempo de ensaio já estava totalmente coberto por sombra. Isto é evidenciado
na Figuras 6.1 de temperatura no interior do veículo, onde há uma queda abrupta da
temperatura na primeira metade do teste e uma queda mais branda na segunda metade do
teste. Isto também é verificado com relação às temperaturas superficiais, Figura 6.2 e se
repetiu em todos os testes realizados durante o dia (condições de verão).
Na Figura 6.2 também é possível verificar que as temperaturas superficiais do
manequim mais próximas ao plano horizontal do fluxo de ar das grelhas do painel foram as
que tiveram maior queda durante o ensaio. As temperaturas superficiais do manequim
próximas ao plano do assoalho do veículo foram as que apresentaram as maiores
temperaturas ao final do teste, também provavelmente devido à obstrução ao fluxo de ar
causada pelo próprio manequim. As temperaturas das costas e nádegas também ficaram
altas devido ao isolamento causado pelo banco.
Na Figura 6.3, veículo B, nota-se que a temperatura do ar na altura do plano do
assoalho (altura dos pés) ficou mais próxima ao das outras temperaturas. Isto pode
evidenciar uma melhor distribuição do ar neste veículo. Nota-se também um gradiente de
temperatura menor no interior deste veículo, provavelmente devido ao sistema de controle
de temperatura eletrônico usado por este veículo.
Temperaturas do ar -Veículo B
Resfriamento
15,0
17,0
19,0
21,0
23,0
25,0
27,0
29,0
31,0
33,0
35,0
37,0
39,0
0 102030405060
Tempo (min)
Temperatura (ºC)
Tórax
Cabeça
Pés Painel
Figura 6.3 – Gráfico das temperaturas do ar no interior do veículo:
condições de verão veículo B
Temperaturas superfíciais - Veículo B
Resfriamento
15,0
17,0
19,0
21,0
23,0
25,0
27,0
29,0
31,0
33,0
35,0
37,0
39,0
41,0
43,0
45,0
47,0
49,0
51,0
0 102030405060
Tempo (min)
Temperatura (ºC)
Tsup_Testa
Tsup_Peito
Tsup_Ante_Braco_D
Tsup_Ante_Braco_E
Tsup_Braco_D
Tsup_Braco_E
Tsup_Mao_D
Tsup_Mao_E
Tsup_Coxa_D
Tsup_Coxa_E
Tsup_Canela_D
Tsup_Canela_E
Tsup_Pe_D
Tsup_Pe_E
Tsup_Nadega
Tsup_Costas
Figura 6.4 Gráfico das temperaturas superficiais do manequim:
condições de verão veículo B.
As temperaturas do ar no interior do veículo C (Figuras 6.5) foram as que ficaram
mais homogêneas. Este fato realmente é interessante, pois este veículo conta com o sistema
de climatização mais simples de todos. Talvez isto possa se dever ao fato da temperatura
do ar insuflado não ter sido tão baixa (neste veículo foi de 11,5 ºC e nos outros dois foi de
8,5 ºC) nos outros modelos e por isso não houve variações de temperatura maiores dentro
do veículo.
Por outro lado, o veículo C apresentou as maiores variações de temperatura
superficiais no manequim (Figura 6.6). Talvez isto se deva ao fato da configuração deste
veículo ser do tipo caminhonete e ter uma grande área interior de troca de calor.
Temperaturas do ar - Veículo C
Resfriamento
15,0
17,0
19,0
21,0
23,0
25,0
27,0
29,0
31,0
33,0
35,0
37,0
39,0
0 102030405060
Tempo (min)
Temperatura (ºC)
PainelCabe
ç
a
Pés
Tórax
Figura 6.5 – Gráfico das temperaturas do ar no interior do veículo:
condições de verão veículo C
Temperaturas superfíciais - Veículo C
Resfriamento
15,0
17,0
19,0
21,0
23,0
25,0
27,0
29,0
31,0
33,0
35,0
37,0
39,0
41,0
43,0
45,0
47,0
49,0
51,0
0102030405060
Tempo (min)
Temperatura (ºC)
Tsup_Testa
Tsup_Peito
Tsup_Ante_Braco_D
Tsup_Ante_Braco_E
Tsup_Braco_D
Tsup_Braco_E
Tsup_Mao_D
Tsup_Mao_E
Tsup_Coxa_D
Tsup_Coxa_E
Tsup_Canela_D
Tsup_Canela_E
Tsup_Pe_D
Tsup_Pe_E
Tsup_Nadega
Tsup_Costas
Figura 6.6 Gráfico das temperaturas superficiais do manequim:
condições de verão veículo C
6.3 Resultados dos ensaios para condições de inverno
Nas Figuras 6.7, 6.9 e 6.11 estão apresentados os gráficos de temperatura do ar no
interior do veículo e nas Figuras 6.8, 6.10 e 6.12, são apresentadas as temperaturas
superficiais do manequim, respectivamente, para o veículo A, veículo B e veículo C.
Temperaturas do ar - Veículo A
Aquecimento
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
0102030
Tempo (min)
Temperatura (ºC)
Pés
Painel
Cabeça
Tórax
Figura 6.7 – Gráfico das temperaturas do ar no interior do veículo:
condições de inverno veículo A
Temperaturas superficiais do manequim - Veículo A
Aquecimento
18,0
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0102030
Tempo (min)
Temperatura (ºC)
Tsup_Testa
Tsup_Peito
Tsup_Ante_Braco_D
Tsup_Ante_Braco_E
Tsup_Braco_D
Tsup_Braco_E
Tsup_Mao_D
Tsup_Mao_E
Tsup_Coxa_D
Tsup_Coxa_E
Tsup_Canela_D
Tsup_Canela_E
Tsup_Pe_D
Tsup_Pe_E
Tsup_Nadega
Tsup_Costas
Figura 6.8 Gráfico das temperaturas superficiais do manequim:
condições de inverno veículo A
Nos resultados da Figura 6.7, veículo A, pode-se notar que a temperatura do
interior do veículo na altura do assoalho (pés) foi a que se manteve mais estável. As outras
temperaturas oscilaram em decorrência da ação do fluxo de ar do sistema de climatização.
Esta oscilação provavelmente é decorrente do sistema de regulagem de temperatura do
sistema.
Nas Figuras 6.8 e 6.9, pode-se perceber uma maior uniformidade das temperaturas
do interior do veículo e superficiais do manequim, respectivamente, do que aquelas
verificadas nas condições de verão. A ausência de radiação solar é a grande causa deste
comportamento mais homogêneo à noite. Novamente se percebe que as temperaturas
superficiais do manequim na altura do fluxo de ar do sistema de climatização oscilaram um
pouco neste veículo devido ao sistema de regulagem de temperatura do sistema.
Temperaturas do ar - Veículo B
Aquecimento
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
01020
Tempo (min)
Temperatura (ºC)
Pés
Painel
TóraxCabe
ç
a
Figura 6.9 – Gráfico das temperaturas do ar no interior do veículo:
condições de inverno veículo B
Na Figura 6.9, veículo B, verifica-se que a temperatura no interior do veículo na
altura do assoalho teve um aumento de cerco de 1°C durante o teste. Isto pode ser
decorrente da proximidade desta área da caixa do radiador de aquecimento do ar do
habitáculo.
Embora tenham sido verificadas algumas oscilações nas temperaturas do ar no
interior do veículo (Fig. 6.9), os resultados das temperaturas superficiais (Fig. 6.10),
mostram que neste caso foram atingidas condições de regime permanente. Isto deve ter
sido possível em função da ausência de radiação solar e também porque este veículo possui
um sistema eletrônico de controle de temperatura interna e uma boa distribuição de ar.
Temperaturas superficiais do manequim - Veículo B
Aquecimento
18,0
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0102030
Tempo (min)
Temperatura (ºC)
Tsup_Testa
Tsup_Peito
Tsup_Ante_Braco_D
Tsup_Ante_Braco_E
Tsup_Braco_D
Tsup_Braco_E
Tsup_Mao_D
Tsup_Mao_E
Tsup_Coxa_D
Tsup_Coxa_E
Tsup_Canela_D
Tsup_Canela_E
Tsup_Pe_D
Tsup_Pe_E
Tsup_Nadega
Tsup_Costas
Figura 6.10 Gráfico das temperaturas superficiais do manequim:
condições de inverno veículo B
Temperaturas do ar - Veículo C
Aquecimento
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
0 102030
Tempo (min)
Temperatura (ºC)
Tórax
Pés
Cabeça
Painel
Figura 6.11 – Gráfico das temperaturas do ar no interior do veículo:
condições de inverno veículo C
No gráfico da Figura 6.11, veículo C, verifica-se que as
temperaturas internas do veículo sobem durante o teste. Isto se
deve à ausência de um sistema de controle eletrônico de
temperatura. Na Figura 6.12, das temperaturas superficiais do
manequim também se verifica que as temperaturas sobem um
pouco ao longo do ensaio, o que provavelmente também seja
devido à ausência do sistema de controle eletrônico de
temperatura.
Temperaturas superficiais do manequim - Veículo C
Aquecimento
18,0
20,0
22,0
24,0
26,0
28,0
30,0
32,0
34,0
0 102030
Tempo (min)
Temperatura (ºC)
Tsup_Testa
Tsup_Peito
Tsup_Ante_Braco_D
Tsup_Ante_Braco_E
Tsup_Braco_D
Tsup_Braco_E
Tsup_Mao_D
Tsup_Mao_E
Tsup_Coxa_D
Tsup_Coxa_E
Tsup_Canela_D
Tsup_Canela_E
Tsup_Pe_D
Tsup_Pe_E
Tsup_Nadega
Tsup_Costas
Figura 6.12 Gráfico das temperaturas superficiais do manequim:
condições de inverno veículo C
6.4 Análise das condições de conforto térmico
Uma vez obtidas as temperaturas superficiais, t
s
, (apresentadas nas Figuras 6.2,
6.4, 6.6, 6.8, 6.10 e 6.12) e os fluxos de calor Q durante os ensaios, foram determinadas as
temperaturas equivalentes, t
eq,
para análise de condições de conforto térmico. Isto é feito
utilizando-se a Eq. 4.3 modificada, isto, é com os coeficientes de transferência de calor
calibrados, h
cal
, apresentados nas Tabelas 5.2 e 5.3, na equação a seguir:
h
Q
tt
seq
−= (5.1)
Os valores de fluxos de calor foram mantidos o mais próximo possível de 70
W/m
2
com variações máximas de 2 W/m
2
. Estas variações, contudo, não tiveram influência
significativa nos resultados de t
eq
, pois, conforme pode ser verificado pela análise da
Equação 5.1, variações pequenas de Q não alteram significativamente os resultados das
temperaturas equivalentes t
eq
.
6.4.1 Análise das condições de conforto térmico para condições de verão
(resfriamento)
Na Figura 6.13 é apresentado o diagrama de zonas de sensação térmica da norma
ISO 14505-2 (2004) com os resultados de temperatura equivalentes, t
eq
, obtidos para
condições de verão. A parte central do diagrama de sensação térmica (na cor branca),
refere-se à região de conforto térmico.
Na obtenção das temperaturas equivalentes, t
eq
, (Eq. 5.1), as temperaturas
superficiais, t
s
, apresentadas nas Tabelas 6.2, 6.4 e 6.6 (respectivamente, para o veículo A,
para o veículo B e para o veículo C) foram consideradas como uma média dos valores no
diagrama na condição sol (metade inicial dos gráficos) e na condição sombra (metade final
dos gráficos).
*
Figura 6.13 Diagrama de zonas de sensação térmica da norma ISO 14505-2 (2004) com
os resultados de temperatura equivalentes obtidos para condições de verão.
Analisando-se os resultados no diagrama da Figura 6.13, pode-se verificar que em
nenhum veículo foram observadas condições de conforto térmico para os vários segmentos
do corpo quando os veículos estavam ao sol. Já quando o veículo estava sob a sombra,
todos os veículos atingiram facilmente uma condição de conforto (inclusive com uma leve
sensação de frio em alguns segmentos).
Mesmo considerando-se que os ensaios de condições de verão foram realizados
em condições transientes, os resultados mostram claramente a grande influência da
insolação e, por conseguinte, da radiação solar no interior do veículo; que dificulta
enormemente a obtenção de condições de conforto térmico em um automóvel.
Verifica-se também do diagrama da Figura 6.13 que o veículo B apresentou
condições mais favoráveis de conforto térmico, o que deve ser decorrência de uma menor
transferência de calor por radiação para dentro do veículo (qualidade dos vidros), bem
como de uma melhor distribuição de ar.
6.4.2 Análise das condições de conforto térmico para condições de inverno
(aquecimento)
Na Figura 6.14 é apresentado o diagrama de zonas de sensação térmica da norma
ISO 14505-2 (2004) com os resultados de temperatura equivalentes, t
eq
, obtidos para
condições de inverno. A parte central do diagrama de sensação térmica (na cor branca),
também se refere à região de conforto térmico.
Analisando-se os resultados no diagrama da Figura 6.14 verifica-se que, na
ausência da radiação solar e com temperaturas externas mais baixas, os sistemas de
climatização conseguiram proporcionar melhores condições térmicas no interior dos
veículos, apresentando condições de conforto térmico em quase todas as situações.
Os resultados apresentados na Figura 6.4 foram obtidos em condições muito
próximas do regime permanente para os automóveis A e C e, em condições que podem ser
consideradas em regime permanente, para o automóvel B.
Também nos ensaios de condições de inverno (aquecimento), o automóvel B
apresentou as melhores condições de conforto térmico; o que reforça a conclusão de uma
melhor distribuição de ar naquele veículo.
Figura 6.14 Diagrama de zonas de sensação térmica da norma ISO 14505-2 (2004) com
os resultados de temperatura equivalentes obtidos para condições de inverno.
CAPÍTULO 7
CONCLUSÕES
O desenvolvimento do presente trabalho permitiu verificar a importância e a
abrangência da utilização de manequins na avaliação de condições de conforto térmico em
automóveis.
A utilização de manequins, em conjunto com a instalação de sensores de
temperatura e velocidade, permite verificar também as condições térmicas no interior do
veículo. Os resultados permitem inferir conclusões com relação à distribuição do ar,
função do sistema de climatização, e de características construtivas do veículo, tais como:
qualidade dos vidros (nível de transferência de calor por radiação solar) e o próprio projeto
(design), na obtenção de condições de conforto térmico.
Nos ensaios realizados para as condições de verão (resfriamento), pode-se
verificar que em nenhum veículo foram observadas condições de conforto térmico para os
vários segmentos do corpo quando os veículos estavam ao sol. Já quando o veículo estava
sob a sombra, todos os veículos atingiram facilmente uma condição de conforto (inclusive
com uma leve sensação de frio em alguns segmentos do “corpo).
Mesmo considerando-se que os ensaios de condições de verão (resfriamento)
foram realizados em condições transientes, os resultados mostram claramente a grande
influência da insolação e, por conseguinte, da radiação solar no interior do veículo; que
dificulta enormemente a obtenção de condições de conforto térmico em um automóvel.
Verificou-se também que o veículo B apresentou condições mais favoráveis de
conforto térmico nas condições de verão (resfriamento), o que deve ser decorrência de uma
menor transferência de calor por radiação para dentro do veículo (qualidade dos vidros),
bem como de uma melhor distribuição de ar.
Nos ensaios em condições de inverno (aquecimento) verificou-se que, na ausência
da radiação solar e com temperaturas externas mais baixas, os sistemas de climatização
conseguiram proporcionar melhores condições térmicas no interior dos veículos,
apresentando condições de conforto térmico em quase todas as situações.
Verificou-se ainda que nos ensaios em condições de inverno (aquecimento) as
condições estavam muito próximas do regime permanente para os automóveis A e C e, em
condições que podem ser consideradas em regime permanente, para o automóvel B.
O automóvel B também apresentou as melhores condições de conforto térmico
nos ensaios de condições de inverno (aquecimento); o que reforça a conclusão de uma
melhor distribuição de ar naquele veículo.
Verifica-se, enfim, pelos resultados obtidos que um sem número de informações
podem ser obtidas e extraídas de ensaios utilizando manequins e sensores adequados no
levantamento das condições térmicas no interior de veículos.
Como sugestão de continuidade do trabalho, seria importante repetir os ensaios,
principalmente para condições de verão (resfriamento), para analisar melhor as condições
durante o resfriamento (cold down) e obter resultados mais próximas de uma condição de
regime permanente.
CAPÍTULO 8
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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