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CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS – UFSCar
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CONSTRUÇÃO CIVIL
FERNANDO ANTONIO DE MELO SÁ CAVALCANTI
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO
NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
SÃO CARLOS – SP
2010
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CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS – UFSCar
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CONSTRUÇÃO CIVIL
FERNANDO ANTONIO DE MELO SÁ CAVALCANTI
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO
NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em
Construção Civil da Universidade Federal de São Carlos, para
obtenção do título de Mestre em Construção Civil.
Área de concentração:
Racionalização, Avaliação e Gestão de Processos e Sistemas
Construtivos
ORIENTADOR: PROF. DR. MAURÍCIO RORIZ
SÃO CARLOS – SP
2010
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Ficha catalográfica elaborada pelo DePT da
Biblioteca Comunitária da UFSCar
C376cs
Cavalcanti, Fernando Antonio de Melo Sá.
Chaminé solar como alternativa para incrementar a
ventilação natural em espaços internos / Fernando Antonio
de Melo Sá Cavalcanti. -- São Carlos : UFSCar, 2010.
118 f.
Dissertação (Mestrado) -- Universidade Federal de São
Carlos, 2010.
1. Construção civil. 2. Conforto ambiental. 3. Economia de
energia. I. Título.
CDD: 690 (20
a
)
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
i
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
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"A entrada para a mente do homem é o que ele aprende, a
saída é o que ele realiza. Se sua mente não for alimentada
por um fornecimento contínuo de novas idéias, que ele põe
a trabalhar com um propósito e se não houver uma saída
por uma ação, sua mente torna-se estagnada. Tal mente é
um perigo para o indivíduo que a possui e inútil para a
comunidade."
Jeremias Whipple Jenks (1856 - 1929)
Economista e Educador Norte-Americano
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
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AGRADECIMENTOS
Expresso os meus agradecimentos :
A Deus e à Virgem Maria, pela sua presença constante na minha vida, sem que eu precise pedir,
pelo auxílio nas minhas escolhas e conforto nas horas difíceis.
Ao Professor Maurício Roriz, pela constante disposição na orientação deste trabalho em todos os
momentos que foi solicitado como mestre ou como amigo, mostrando-me sempre o caminho seguro e
correto que deveria ser trilhado, com abnegação e gosto pelo que faz.
A meus pais Antonio Manoel e Graça, pelo exemplo de vida e apoio incondicional no decorrer
deste trabalho e de toda a vida. Aos meus irmãos Antonio Jackson e André por serem uma constante
presença de sabedoria, assim como todos os meus familiares.
Aos Professores e Funcionários do PPGCiv, que com sabedoria e didática foram capazes de
transmitir seus conhecimentos e experiências ao longo destes dois anos, em especial à Solange Damha e
aos Professores Celso Novaes e Sheyla Serra.
Aos companheiros de Mestrado que dividiram momentos de alegrias, tristezas, angústias e
realizações ao longo desta jornada, em especial a Carla Barroso, Fábio Lavandoscki, André Zanfredini,
Adriana Boni, Adriano Matos e Nathália de Paula.
Às professoras Karin M. S. Chvatal e Lucila Chebel Labaki , pelas contribuições na etapa de
qualificação desta pesquisa.
À Letícia Neves e ao Victor Roriz, doutorandos da UNICAMP pela troca de experiências além dos
diálogos produtivos e esclarecedores em todos os nossos encontros.
Aos amigos do Grupo e Estudos em Conforto Ambiental (GECA), da Universidade Federal de
Alagoas, que mesmo na ausência estiveram sempre presentes na elaboração deste trabalho, em especial
aos Professores Leonardo Bittencourt, Gianna Barbirato e Juliana Oliveira e aos Arquitetos Alexandre
Sacramento, Christhina Cândido, Evelise Didoné e Isabela Passos.
Aos amigos que se tornaram irmãos em São Carlos durante este período de convivência, em
especial ao Tácito Neves, Edgar Peixoto, Guilherme Freire, Felipe Duarte, Karina Emboaba, Nelson Ponce
e Guilherme Azevedo.
Aos amigos que, embora distantes fisicamente de algum modo foram fontes de força e inspiração,
em especial os amigos: Cinho, Guebinho, Serginho, Fernandinho, Lu, Taci, Nando, Dan, Janaína, Everson
(Cabeção), Kinha, Cristianna, Karlinha, Quinho e Dezza.
À Família do Professor Maurício, em especial à sua esposa Maristela e seu filho Victor que me
acolheram sempre com simpatia e carinho durante a realização desta pesquisa.
À CAPES pela bolsa concedida durante o período de mestrado e à FAPESP pela verba
disponibilizada para que algumas etapas deste trabalho se tornassem possíveis.
Enfim, diante da certeza do esquecimento de alguns, agradeço a todos que fazem parte da minha
vida, torcem e me apóiam nas decisões tomadas ao longo da vida.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
iv
RESUMO
CAVALCANTI, Fernando A de M Sá. Chaminé Solar como alternativa para incrementar a ventilação
natural em espaços internos. 118f. Dissertação (Mestrado em Construção Civil) – Programa de Pós-
Graduação em Construção Civil, Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2010.
Este trabalho tem como finalidade investigar a influência que o uso de chaminés solares possuem
na ventilação natural em edifícios localizados no Brasil. Tendo em vista que o Brasil é um país tropical e
possui um grande potencial para aproveitamento da Radiação Solar, pretende-se verificar a hipótese de
que a utilização deste dispositivo pode incrementar a ação dos ventos em espaços internos de modo a
contribuir na promoção do conforto para os usuários destes ambientes. A metodologia utilizada para
verificar esta hipótese foi baseada na comparação entre o desempenho de dois sistemas construtivos: um
dotado de chaminé convencional e outro com chaminé solar, sendo os dois modelos com a mesma altura e
dimensões para aberturas de entrada e saída do ar. Esta comparação foi realizada a partir de simulações
computacionais utilizando o software EnergyPlus, para 8 cidades brasileiras, representativas de cada uma
das zonas bioclimáticas do país, nos períodos de inverno e verão. O dispositivo investigado apresentou
desempenho satisfatório, aumentando a ventilação natural no período diurno em todas as cidades
simuladas, inclusive no período de inverno, quando a ventilação natural pode não ser desejável em alguns
climas. Os dados foram apresentados de forma a facilitar o entendimento dos profissionais da Construção
Civil em geral, visando contribuir para estabelecer um referencial teórico sobre o assunto, além de
diretrizes projetuais para edifícios mais eficientes do ponto de vista energético. Pretende-se também
contribuir para que o potencial deste dispositivo seja investigado nas mais diversas regiões brasileiras,
buscando adaptar sempre as edificações ao clima do sítio onde serão construídas.
Palavras-chaves: Ventilação natural, Chaminé solar, EnergyPlus
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
v
ABSTRACT
CAVALCANTI, Fernando A de M Sá. Solar Chimney as alternative to increase the natural ventilation in
indoor spaces. 118f. Dissertation (M.Sc. in Civil Construction) - Post-Graduation Program in Civil
Construction, Universidade Federal de Sao Carlos, Sao Carlos, 2010.
This work aims to investigate the influence of solar chimneys in the natural ventilation in buildings
located in Brazil. Considering that Brazil is a tropical country and has a great potential for the harnessing of
solar radiation, it is intended to verify the hypothesis that the use of this device may increase air movement
in indoor spaces contributing to promote thermal comfort for users of these environments. The methodology
used to verify this hypothesis was based on comparing the performance of two construction systems: a
conventional chimney and a solar chimney. The two models have the same height and dimensions for the
air inlet and outlet. This comparison was performed by computer simulations using EnergyPlus software, for
eight Brazilian cities located in each one of the bioclimatic zones of Brazil, during winter and summer. The
investigated device showed satisfactory performance, increasing natural ventilation during the day in all
cities simulated, even in winter, when natural ventilation may not be desired in some climates. The data
were presented to facilitate the understanding of professionals in the Construction Industry in general,
contributing to establish a theoretical framework on the subject, and projective guidelines for more efficient
buildings from the standpoint of energy. It is also intended to contribute to the potential of this device is
investigated in several Brazilian regions, always trying to adapt the buildings to the climate of where it will
be built.
Keywords: Natural ventilation, Solar Chimney, EnergyPlus
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
vi
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
1 INTRODUÇÃO...............................................................................................................................................
Figura 1.1 – (a) Iglu, um exemplo de sustentabilidade e engenhosidade, (b) Habitações dos Pueblos em
Mesa Verde (Colorado, EUA), (c) Habitações em palafitas na cidade de Manaus.................01
Figura 1.2 – Esquema básico de uma chaminé solar....................................................................................03
2 REFERENCIAL TEÓRICO ............................................................................................................................
Figura 2.1 – Edifícios com pele de vidro em regiões brasileiras com climas diferentes. (a) Mossoró, RN (b)
Curitiba, PR (c) Maceió, AL.....................................................................................................07
Figura 2.2 – Estudo da oferta interna de energia elétrica no Brasil, em 2007...............................................08
Figura 2.3 – Estudo da oferta de energia elétrica no Mundo, em 2007.........................................................09
Figura 2.4 – Torres de vento na Arquitetura Iraniana...................................................................................10
Figura 2.5 – Chaminé convencional (vertical) e chaminé solar (inclinada) localizadas na cidade de São
Carlos – SP.............................................................................................................................11
Figura 2.6 – Funcionamento de uma chaminé solar......................................................................................12
Figura 2.7 – Funcionamento básico de uma chaminé solar...........................................................................13
Figura 2.8 - Esquema da Incidência dos raios solares no coletor solar.........................................................14
Figura 2.9 – Exemplo de chaminé solar vertical............................................................................................14
Figura 2.10 – Exemplo de chaminé solar inclinada.......................................................................................14
Figura 2.11 – Ventilação por ação dos ventos...............................................................................................16
Figura 2.12 - Coeficientes de correção e fórmula para o cálculo do gradiente do vento..............................18
Figura 2.13 – Coeficientes de Descarga para Aberturas Usuais em Edificações..........................................19
Figura 2.14 – Passagem do ar através de duas aberturas verticais............................................................. 19
Figura 2.15 – (a) Distribuição da pressão interna e externa para o fluxo devido ao efeito chaminé. (b) fluxo
através de uma abertura inferior e outra superior. (c) fluxo através de uma única abertura..20
Figura 2.16 – Sistema de Chaminé em uma edificação no Iraque................................................................21
Figura 2.17 – Espectro Eletromagnético........................................................................................................22
Figura 2.18 – Mapas de irradiação solar média anual para o território brasileiro obtidos com o uso do
modelo BRASIL-SR a partir de dados climatológicos e imagens de satélite GOES-8 para o
ano de 2000: (a) irradiação global para o plano horizontal, (b) irradiação global em plano
inclinado em ângulo igual à latitude local................................................................................23
Figura 2.19 – Inclinação da terra em relação ao plano elíptico da trajetória do movimento de translação...26
Figura 2.20 – Coordenadas solares: azimute e altitude.................................................................................27
Figura 2.21 – Projeção estereográfica da trajetória do sol.............................................................................28
Figura 2.22 – Carta solar para a cidade de São Carlos.................................................................................29
Figura 2.23 – Valores da Equação do tempo (em minutos)...........................................................................30
Figura 2.24 – Efeito estufa em edificações....................................................................................................30
Figura 2.25 – Exemplo de Chaminé solar estudada no Brasil para fins de secagem de grãos (Foto e Corte
esquemático)...........................................................................................................................32
Figura 2.26 – (a) Relação entre o Fluxo de ar e a razão S/L de uma Chaminé Solar (b) Relação entre o
Fluxo de ar e a altura da chaminé. Onde: L = Altura da Chaminé (m), S = Área da abertura
de saída da Chaminé (m), Ts = Temperatura superficial da parede da Chaminé (ºC)...........33
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
vii
Figura 2.27 – Modelo de Chaminé adotado por Padki e Sherif, 1999...........................................................34
Figura 2.28 – Vista da Chaminé solar e da Chaminé convencional utilizadas nas medições de Afonso e
Oliveira (2000).........................................................................................................................34
Figura 2.29 – Esquema básico do Edifício analisado por Ding et al (2005)...................................................36
Figura 2.30 – Foto do protótipo em escala reduzida utilizado por Ding et al (2005)......................................36
Figura 2.31 – Célula-Teste desenvolvida por Chungloo et al (2006).............................................................37
Figura 2.32 – Modelo da habitação simulada por Nugroho et al (2006)........................................................37
Figura 2.33 – (a) Modelo de Chaminé adotado por Ong (2003), (b) Modelo de Chaminé adotado por
Nugroho et al (2006) (c) Implantação da Chaminé na edificação analisada por Nugroho et al
(2006)......................................................................................................................................38
Figura 2.34 - Comparação do fluxo de ar em chaminés solares com vidros duplos e com baixa
emissividade (l – largura da abertura em metros)...................................................................38
Figura 2.35 – Configuração da chaminé adotada por Sakonidou et al, 2008. (a) seção da chaminé 1- Painel
Isolado, 2 – duto para passagem do ar, 3- Placa absorvedora e 4 – Sentido do fluxo (b) Foto
da chaminé..............................................................................................................................39
Figura 2.36 – Resultados obtidos por Lee e Strand, 2009 para o fluxo do ar (Volume) em função (a) da
altura da chaminé e (b) da absortância do material................................................................40
Figura 2.37 – Diagrama esquemático do sistema associando chaminé solar e refrigeração evaporativa....41
Figura 2.38 – Resumo das pesquisas apresentadas anteriormente sobre chaminé solar............................42
3 METODOLOGIA............................................................................................................................................
Figura 3.1 – Planta Baixa do modelo a ser simulado.....................................................................................44
Figura 3.2 – Vista das aberturas de entrada (a) e saída (b) do ar para os modelos computacionais de
edifícios – sem escala.............................................................................................................44
Figura 3.3 – Vista do modelo com chaminé solar horizontal (a) e do modelo com chaminé convencional (b)
– sem escala...........................................................................................................................45
Figura 3.4 – Corte esquemático do modelo com chaminé convencional (a) e do modelo com chaminé solar
horizontal (b) – sem escala.....................................................................................................45
Figura 3.5 – Inclinação ótima do coletor solar para as 8 cidades simuladas, com orientação Norte.............47
Figura 3.6 – Zoneamento Bioclimático Brasileiro...........................................................................................48
Figura 3.7 – Relação das cidades utilizadas para simulações.......................................................................48
Figura 3.7 – Inclinação ótima do coletor solar para as 8 cidades simuladas, com orientação Norte.............47
Figura 3.8 – Dados de entrada para o Módulo “Zone:ThermalChimney” do Software EnergyPlus..............49
Figura 3.9 – Objetos do Módulo AirflowNetwork utilizados para as simulações contidas neste trabalho......50
Figura 3.10 – Esquema do modelo adotado por Mathur (et al, 2006)............................................................51
Figura 3.11 – Gráfico comparativo dos fluxos de ar medidos por Mathur (et al, 2006) e Simulados no
EnergyPlus..............................................................................................................................52
Figura 3.12 – Gráfico comparativo das Radiações Incidentes no Coletor medidos por Mathur (et al, 2006) e
Simulados no EnergyPlus.......................................................................................................52
Figura 3.13– Características do vento para definição dos coeficientes de pressão nas superfícies............53
4 RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES.............................................................................................................
Figura 4.1 – Localização da Cidade de Curitiba-PR......................................................................................54
Figura 4.2 – Carta Bioclimática de Givoni para a cidade de Curitiba – PR....................................................55
Figura 4.3 – Localização da cidade de Urussanga – SC...............................................................................56
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
viii
Figura 4.4 – Carta Bioclimática de Givoni para a cidade de Urussanga – SC...............................................56
Figura 4.5 - Localização da cidade de Uberaba – MG...................................................................................57
Figura 4.6 - Carta Bioclimática de Givoni para Uberaba – MG......................................................................57
Figura 4.7 – Localização da cidade de Brasília – DF....................................................................................58
Figura 4.8 – Carta Bioclimática de Givoni para a cidade de Brasília – DF....................................................58
Figura 4.9 – Localização da cidade de Araçatuba – SP................................................................................59
Figura 4.10 – Carta Bioclimática de Givoni para a cidade de Campo Grande – MS.....................................59
Figura 4.11 – Localização da cidade de Campo Grande – MS.....................................................................60
Figura 4.12 – Carta Bioclimática de Givoni para a cidade de Campo Grande – MS.....................................61
Figura 4.13 – Localização da cidade de Petrolina – PE................................................................................61
Figura 4.14 – Carta Bioclimática de Givoni para a cidade de Petrolina – PE................................................62
Figura 4.15 – Localização da cidade de Belém – PA.....................................................................................62
Figura 4.16 – Carta Bioclimática de Givoni para a cidade de Belém – PA....................................................63
Figura 4.17 – Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e do ar no interior da
chaminé para o modelo com chaminé convencional na cidade de Curitiba – PR..................63
Figura 4.18 – Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e do ar no interior da
chaminé para o modelo com chaminé convencional na cidade de Urussanga – SC.............64
Figura 4.19 - Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e do ar no interior da
chaminé para o modelo com chaminé convencional na cidade de Uberaba – MG................64
Figura 4.20 – Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e do ar no interior da
chaminé para o modelo com chaminé convencional na cidade de Brasília – DF...................64
Figura 4.21 – Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e o ar no interior da chaminé
para o modelo com chaminé convencional na cidade de Araçatuba – SP.............................65
Figura 4.22 – Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e do ar no interior da
chaminé para o modelo com chaminé convencional na cidade de Campo Grande – MS......65
Figura 4.23 – Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e do ar no interior da
chaminé para o modelo com chaminé convencional na cidade de Petrolina – PE.................65
Figura 4.24 – Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e do ar no interior da
chaminé para o modelo com chaminé convencional na cidade de Belém – PA.....................66
Figura 4.25 – Gráfico do comportamento do fluxo de ar (Kg/h) no inverno e no verão para o modelo com
chaminé convencional nas cidades simuladas.......................................................................67
Figura 4.26 – Esquema do fluxo do ar no interior das edificações analisadas (a) para o período noturno e
(b) para o período diurno........................................................................................................67
Figura 4.27 – Gráfico do comportamento da vazão do ar (m³/s) no inverno e no verão para o modelo com
chaminé convencional nas cidades simuladas.......................................................................68
Figura 4.28 – Gráfico do comportamento da velocidade média do ar (m/s) no inverno e no verão para o
modelo com chaminé convencional nas cidades simuladas..................................................69
Figura 4.29 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da
chaminé para os modelos com chaminé solar na cidade de Curitiba – PR...........................70
Figura 4.30 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da
chaminé para os modelos com chaminé solar na cidade de Urussanga - SC......................70
Figura 4.31 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da
chaminé para os modelos com chaminé solar na cidade de Uberaba - MG........................70
Figura 4.32 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da
chaminé para os modelos com chaminé solar na cidade de Brasília - DF............................71
Figura 4.33 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da
chaminé para os modelos com chaminé solar na cidade de Araçatuba - SP........................71
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
ix
Figura 4.34 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da
chaminé para os modelos com chaminé solar na cidade de Campo Grande - MS................71
Figura 4.35 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da
chaminé para os modelos com chaminé solar na cidade de Petrolina - PE..........................72
Figura 4.36 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da
chaminé para os modelos com chaminé solar na cidade de Belém - PA..............................72
Figura 4.37 – Gráfico do comportamento do fluxo de ar (Kg/h) para os modelos com chaminé solar para as
8 cidades simuladas...............................................................................................................73
Figura 4.38 – Gráfico do comportamento da vazão do ar (m³/s) para os modelos com chaminé solar para as
8 cidades simuladas...............................................................................................................74
Figura 4.39 – Gráfico do comportamento da velocidade do ar (m/s) para os modelos com chaminé solar
para as 8 cidades simuladas...................................................................................................75
5 ANALISES DAS SIMULAÇÕES ...................................................................................................................
Figura 5.1 – Gráfico do incremento da ventilação natural (em porcentagem) promovido pelo uso de
chaminé solar nas 8 cidades analisadas................................................................................78
Figura 5.2 – Relação entre os valores da Temperatura do ar no interior da chaminé solar obtidos por
simulação e calculador por meio do modelo simplificado.......................................................79
Figura 5.3 – Relação entre a Vazão do ar no interior da chaminé e (a) Dt, (b) Radiação Solar incidente no
coletor......................................................................................................................................79
Figura 5.4 - Fluxo do ar calculado X simulado para o caso em que (a) Dt < 0 e para o caso em que (b)
Dt > 0......................................................................................................................................81
Figura 5.5 – Relação entre os valores da Temperatura do ar no interior da chaminé convencional obtidos
por simulação e calculador por meio do modelo simplificado.................................................82
Figura 5.6 – Relação entre os valores da vazão do ar no interior da chaminé convencional obtidos por
simulação e calculados por meio do modelo simplificado.......................................................83
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS...........................................................................................................................
Figura 6.1 – Diretrizes para utilização de chaminés solares em edificações localizadas no Brasil...............87
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
x
LISTA DE TABELAS
3 METODOLOGIA............................................................................................................................................
Tabela 3.1 – Altura solar para cada cidade simulada mês a mês (dia 15 de cada mês)...............................46
Tabela 3.2 – Azimute para o meio dia a cada mês (dia 15) para cada cidade simulada...............................46
Tabela 3.3 – Inclinação ótima do Coletor para cada cidade simulada mês a mês (dia 15 de cada mês) ....47
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
xi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AHS - Ângulo Horário do sol
ALT - Altitude ou altura solar
AZI - Azimute
BEN - Balanço Energético Nacional
CFD - Computational Fluid Dynamics
DEC – Ângulo de Declinação
DF – Distrito Federal
ET – Equação do tempo
GLD – Gerenciamento pelo Lado da Demanda
IEA – International Energy Agency
MG – Minas Gerais
MS – Mato Grosso do Sul
NBR – Norma Brasileira
NDA - Número do Dia no Ano
NPM – Nível de Pressão Neutra
PA – Pará
PE – Pernambuco
PR – Paraná
SC – Santa Catarina
SP – São Paulo
TBS – Temperatura de Bulbo Seco
TL - Tempo Legal (hora oficial),
TSV - Tempo Solar verdadeiro,
ZB – Zona Bioclimática
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
xii
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.............................................................................................................................................1
1.1 – CONTEXTO E PROBLEMÁTICA..........................................................................................................1
1.2 – JUSTIFICATIVA ....................................................................................................................................4
1.3 – OBJETIVOS ..........................................................................................................................................4
1.3.1 – OBJETIVO GERAL .............................................................................................................................4
1.3.2 – OBJETIVOS ESPECÍFICOS...............................................................................................................4
1.4 – ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO........................................................................................................5
2 REFERENCIAL TEÓRICO ..........................................................................................................................6
2.1 – CONSTRUÇÃO DE EDIFICAÇÕES E CONFORTO AMBIENTAL .......................................................6
2.2 – CHAMINÉ SOLAR...............................................................................................................................10
2.3 – VENTILAÇÃO NATURAL ...................................................................................................................14
2.3.1 – VENTILAÇÃO POR EFEITO CHAMINÉ ...........................................................................................19
2.4 – O SOL...................................................................................................................................................22
2.4.1 – RADIAÇÃO SOLAR ..........................................................................................................................22
2.4.2 – RADIAÇÃO SOLAR NO PLANO INCLINADO ..................................................................................24
2.4.3 – TRAJETÓRIA SOLAR.......................................................................................................................25
2.4.4 – COORDENADAS SOLARES............................................................................................................27
2.4.5 – AS CARTAS SOLARES....................................................................................................................28
2.4.6 – EFEITO ESTUFA..............................................................................................................................30
2.4.7 – ABSORTÂNCIA SOLAR ...................................................................................................................31
2.5 – PESQUISAS SOBRE CHAMINÉ SOLAR ...........................................................................................31
3 METODOLOGIA........................................................................................................................................43
3.1 – SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS ...................................................................................................43
3.1.1 – DESCRIÇÃO DOS MODELOS DIGITAIS DOS SISTEMAS SIMULADOS .......................................44
3.1.2 – CIDADES SIMULADAS ....................................................................................................................48
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
xiii
3.1.3 – SISTEMA CONSTRUTIVO ...............................................................................................................49
3.1.4 – CONSTRUÇÃO DO MODELO NO SOFTWARE ENERGYPLUS.....................................................49
3.2 – FORMA DE ANÁLISE DOS DADOS...................................................................................................53
4 RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES.........................................................................................................54
4.1 – CIDADES SIMULADAS.......................................................................................................................54
4.1.1 – CURITIBA - PR.................................................................................................................................54
4.1.2– URUSSANGA – SC ...........................................................................................................................55
4.1.3– UBERABA – MG................................................................................................................................56
4.1.4 – BRASÍLIA - DF..................................................................................................................................57
4.1.5 – ARAÇATUBA - SP............................................................................................................................59
4.1.6 – CAMPO GRANDE - MS....................................................................................................................60
4.1.7 – PETROLINA – PE.............................................................................................................................61
4.1.8 – BELÉM – PA.....................................................................................................................................62
4.2 – CHAMINÉ CONVENCIONAL ..............................................................................................................63
4.3 – CHAMINÉ SOLAR...............................................................................................................................69
5 ANÁLISES DAS SIMULAÇÕES ...............................................................................................................76
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS.......................................................................................................................85
7 REFERÊNCIAS .........................................................................................................................................90
8 APÊNDICES..............................................................................................................................................99
8.1 – APÊNDICE A – VALORES OBTIDOS POR MATHUR, ET AL (2006) E POR SIMULAÇÃO NO
ENERGYPLUS...............................................................................................................................................99
8.2 – APÊNDICE B – VALORES OBTIDOS POR MEIO DE SIMULAÇÕES PARA A TEMPERATURA DO
AR (ºC) NO INTERIOR DA CHAMINÉ SOLAR..........................................................................................100
8.3 – APÊNDICE C – VALORES OBTIDOS POR MEIO DE SIMULAÇÕES PARA A VAZÃO DO AR
(Kg/h) NA CHAMINÉ SOLAR ....................................................................................................................108
8.4 – APÊNDICE D – VALORES OBTIDOS POR MEIO DE SIMULAÇÕES PARA A TEMPERATURA DO
AR (ºC) E VAZÃO DO AR (Kg/h) NO INTERIOR DA CHAMINÉ CONVENCIONAL.................................116
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
xiv
8.5 – APÊNDICE E – VALORES OBTIDOS POR MEIO DE SIMULAÇÕES PARA A VAZÃO DO AR (m³/s)
MÉDIA EM CADA CIDADE SIMULADA ....................................................................................................117
8.6 – APÊNDICE F – VALORES OBTIDOS POR MEIO DE SIMULAÇÕES PARA A VELOCIDADE DO AR
(m/s) MÉDIA EM CADA CIDADE SIMULADA...........................................................................................118
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
1
1
INTRODUÇÃO
1.1 – CONTEXTO E PROBLEMÁTICA
Na antiguidade, o homem procurava construir seu abrigo em harmonia com os condicionantes
climáticos do lugar ao qual estava inserido, a partir do conhecimento empírico do clima e com os recursos
materiais disponíveis na natureza, utilizando sistemas energéticos passivos como a iluminação natural, o
isolamento térmico e a ventilação natural.
A Figura 1.1 apresenta alguns exemplos de edificações que foram construídas utilizando materiais
e técnicas locais, de acordo com as necessidades climáticas da região em que estão inseridas.
(a) (b) (c)
Figura 1.1 - (a) Iglu, um exemplo de sustentabilidade e engenhosidade, (b) Habitações dos Pueblos em Mesa Verde (Colorado,
EUA), (c) Habitações em palafitas na cidade de Manaus
Fonte: BITTENCOURT, 2005
No entanto, após a segunda metade do século XIX, com a Revolução Industrial e a subseqüente
evolução tecnológica, diversos sistemas de iluminação e climatização artificial foram criados e passaram a
ser largamente utilizados nas edificações, resultando em um crescente consumo energético. Enquanto a
energia apresentava baixo custo e estava disponível em grande quantidade, eram poucos os incentivos
para que os projetistas e os construtores levassem em consideração os problemas energéticos nos
edifícios. Surgiu então uma geração de arquitetos que internacionalizou a arquitetura, utilizando sistemas
sofisticados de condicionamento de ar e megaestruturas de concreto e aço, desconsiderando na maioria
dos casos as adaptações ao clima local (LAMBERTS et al., 2004).
As recentes crises energética e ambiental promoveram um aumento no preço da energia elétrica.
Sabe-se que quanto maior for o consumo energético, maiores serão os impactos ambientais. Atualmente
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
2
há uma discussão por parte dos ambientalistas acerca do aquecimento global, buscando alternativas que
possam minimizar os seus efeitos. A arquitetura não pode desconsiderar esta problemática, já que mais de
90% da vida do homem, ele passa no interior das edificações, quaisquer que sejam.
Nos dias de hoje, construir visando a obtenção do conforto, através da máxima utilização dos
recursos naturais, tornou-se uma necessidade e um desafio aos arquitetos e profissionais de projeto,
diante do panorama mundial da evolução do consumo em relação à disponibilidade de energia proveniente
das fontes convencionais (MASCARÓ, 1991).
É de vital importância para os indivíduos contar com qualidades ambientais nos espaços internos,
de modo a permitir que sejam realizadas todas as atividades de forma saudável e confortável. Para isto,
estes espaços precisam ser projetados em função do meio ambiente, garantindo condições de conforto
que satisfaçam as necessidades psicofisiológicas dos usuários (FREIXANET, 2004).
No contexto da construção civil, o uso de padrões arquitetônicos inadequados às características
climáticas locais passou a ser criticado abertamente (GONÇALVES e DUARTE, 2001). As formas de
refrigeração passiva adquiriram maior relevância quanto ao seu emprego nas edificações, uma vez que se
apresentam como opção para se alcançar um maior grau de eficiência energética e sustentabilidade que
os obtidos por meios mecânicos de condicionamento ambiental (GIVONI, 1994).
Sistemas artificiais de condicionamento de ar e iluminação vem sendo amplamente utilizados para
‘corrigir’ as insatisfatórias condições de conforto, produzidas no interior dos edifícios. Entretanto, a adoção
de um sistema passivo de refrigeração além de ser mais eficiente do ponto de vista energético, pode
resultar em um rico repertório composto pelos diversos componentes arquitetônicos, que podem promover
uma melhor integração das construções com o seu ambiente natural (FATHY, 1986).
A ventilação natural afeta consideravelmente as condições de conforto térmico dos ambientes, por
acelerar as trocas térmicas entre o homem e o meio, bem como as condições microclimáticas no interior e
em torno das edificações, por acelerar as trocas térmicas por convecção entre as envolventes e o ar,
podendo proporcionar ambientes mais confortáveis (SILVANI, 2005).
O efeito chaminé é provocado pelas diferenças de temperaturas do ar em dois pontos distintos da
edificação e que podem ser provocadas mesmo por baixas fontes internas de calor, como as decorrentes
da ocupação e realização de atividades metabólicas pelo ser humano.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
3
Porém, o movimento do ar criado somente pelo efeito chaminé, não costuma ser suficiente para
atingir o resfriamento fisiológico do corpo humano, promovendo quase sempre velocidades do ar inferiores
às necessárias para alcançar este resfriamento (entre 0,15 e 1,5 m/s para condições tropicais
1
) surgindo a
necessidade da utilização de novas estratégias, como as chaminés solares, para incrementar este
fenômeno, aumentando a ventilação natural no interior dos ambientes (NUGROHO et al, 2006).
Szokolay (2004) afirma que apenas o efeito chaminé em climas quentes, pode ser insuficiente para
produzir o fluxo de ar necessário devido à pequena diferença entre as temperaturas do ar externo e
interno. Neste caso, a adoção de “chaminés solares”, com o aquecimento das superfícies usadas para a
saída do ar, pode incrementar este efeito para regiões quentes.
Atualmente, o conceito de chaminé solar é bastante amplo e engloba dispositivos construídos com
diferentes objetivos e com considerável variedade de configurações. Estas chaminés podem ser utilizadas
com os coletores solar na forma vertical, horizontal ou inclinada. Estudos incrementaram outros recursos
no intuito de otimizar o desempenho deste sistema, aproveitando da melhor forma a incidência dos raios
solares. A chaminé solar é um sistema para melhorar a ventilação natural em edifícios com aquecimento
por convecção de ar, a partir da energia solar passiva.
A chaminé solar, também conhecida como chaminé térmica, é geralmente composta por um duto
preto, que é aquecido durante o dia a partir da energia solar, criando uma concentração de ar quente e
menos denso que o ar no interior do ambiente. Este aumento de temperatura promove a saída do ar pela
parte superior da chaminé, o que cria sucção e ventila e resfria o espaço abaixo deste duto. A chaminé
solar tem três partes principais, uma área para coletar a energia solar, que recebe luz e calor, um eixo
principal de ventilação e aberturas de entrada e saída de ar (Figura 1.2).
Figura 1.2 - Esquema básico de uma chaminé solar
1
O limite superior deste intervalo foi estabelecido em decorrência de problemas práticos, como arrasto de papéis e desmanche
de penteados.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
4
1.2 – JUSTIFICATIVA
Uma das principais aplicações das chaminés solares é proporcionar ventilação em locais onde não
haveria outra forma. Isso é obtido pelo aquecimento do ar na chaminé. A chaminé solar pode servir a
vários outros propósitos, como melhorar a ventilação em dias quentes, melhorar o fluxo de ar em uma
edificação localizada em zona urbana com alta densidade de ocupação, onde não há vento na altura das
aberturas, além de melhorar a qualidade do ar no interior dos ambientes. Diante destes aspectos,
pretende-se, por meio deste trabalho, avaliar a variação de temperatura e velocidade do ar para um
ambiente padrão, dotado de uma chaminé solar.
1.3 – OBJETIVOS
1.3.1 – OBJETIVO GERAL
Esta pesquisa tem como objetivo geral investigar a influência que o uso de chaminé solar pode
provocar na ventilação natural de edificações submetidas a climas típicos do Brasil.
1.3.2 – OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Avaliar a variação do fluxo de ar nas edificações a partir da implantação de chaminés
solares;
• Analisar as trocas térmicas entre o ar e a chaminé, decorrentes da utilização de um coletor
solar;
• Verificar a alteração do fluxo de ar em um ambiente, em função da variação da
temperatura e radiação incidente no coletor solar;
• Desenvolver um modelo simplificado, tornando possível estimar a vazão do ar no interior
dos espaços dotados de chaminé solar por meio de cálculo;
• Contribuir para o estabelecimento de bases e recomendações para a concepção de
projetos energeticamente mais eficientes nos climas brasileiros, além de ampliar a
bibliografia sobre o tema.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
5
1.4 – ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
Este documento é composto de 06 (seis) partes. Esta primeira, apresentou uma breve introdução
ao trabalho, explicitando sua contextualização, seus objetivos e a estrutura da dissertação.
A segunda parte refere-se a uma revisão bibliográfica acerca do tema em estudo, com a finalidade
de proporcionar um referencial teórico que dê suporte às análises que serão realizadas. Esta revisão
discute sinteticamente a relação entre a construção de edifícios e o conforto ambiental, eficiência
energética e a aplicação de seus conceitos na construção civil, além dos fenômenos envolvidos no
processo de ventilação natural induzida por chaminé solar.
Foi realizada nesta seção também um levantamento do estado da arte, cuja finalidade é
reconhecer os avanços e limites na produção do conhecimento a respeito de um determinado tema de
estudo. É este conhecimento do estado da arte que permite a identificação de problemáticas significativas
para a pesquisa e a ampliação dos conhecimentos em um dado campo.
A terceira parte corresponde à metodologia utilizada no trabalho, explicitando todas as etapas e
procedimentos metodológicos utilizados para alcançar o objetivo geral e os objetivos específicos da
dissertação, obtendo os dados que compõem o capítulo seguinte.
A quarta parte refere-se à apresentação das cidades onde foram realizados os estudos, além da
apresentação dos resultados obtidos por meio de simulações computacionais, expondo uma discussão dos
resultados obtidos por meio de comparações com o modelo de referência.
A quinta parte apresenta uma análise resumida das simulações, agrupando todas as cidades
simuladas e propondo um modelo simplificado para calcular o fluxo de ar em edificações dotadas de
chaminés solares no Brasil.
A sexta parte apresenta as considerações finais, resultado da análise e discussão dos dados
decorrentes das simulações computacionais realizadas, além de identificar as limitações encontradas no
decorrer da pesquisa, apresentando sugestões para futuras pesquisas.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
6
2
REFERENCIAL TEÓRICO
Nesta seção apresenta-se a revisão documental necessária para o desenvolvimento e
embasamento teórico desta dissertação, como a contextualização da problemática que despertou a
necessidade das investigações realizadas, a apresentação dos fenômenos físicos envolvidos no processo
de ventilação natural induzida por chaminés solares e uma abordagem do dispositivo arquitetônico
analisado, além de uma discussão acerca dos trabalhos relacionados com o tema desenvolvidos em várias
partes do Mundo.
2.1 – CONSTRUÇÃO DE EDIFICAÇÕES E CONFORTO AMBIENTAL
A definição de um edifício como “bioclimático” divide opiniões. O efeito estético causado pelo
aprofundamento na consideração do clima como uma demanda de projeto nas edificações, é um constante
alvo de discussões (LEÃO JR, 2008).
Hagan (2005) defende que uma arquitetura com caráter bioclimático deve considerar não somente
as diferenças culturais de cada região, mas também as características climáticas do sítio, fortalecendo de
forma ideológica a “batalha ambiental contra o consumismo”.
Bittencourt (2005) alerta que há uma leitura equivocada por parte de alguns profissionais da
Construção Civil, que acreditam no bioclimatismo como uma “corrente” ou “estilo arquitetônico”, com uma
linguagem peculiar ligada à arquitetura vernacular, porém as preocupações bioclimáticas devem estar
presentes em toda corrente arquitetônica, contrariando o “estilo Internacional” adotado por alguns
arquitetos. O grau de bioclimatismo dependerá da filosofia arquitetônica, bem como de aspectos físicos,
sociais, econômicos e culturais envolvidos em cada projeto.
Embora seja um tema discutido há mais de 30 anos, percebe-se ainda hoje que as atitudes no
intuito de alcançar uma maior adequação climática para edificações tem sido realizadas de forma discreta.
O uso intenso de materiais como aço e vidro após a revolução industrial, assim como o uso de
equipamentos mecânicos de controle térmico, por exemplo, tem afastado as edificações deste equilíbrio,
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
7
levando a arquitetura a um processo de internacionalização, no qual diferentes regiões com os climas mais
diversos apresentam edifícios com a mesma tipologia (Figura 2.1).
(a) (b) (c)
Figura 2.1 - Edifícios com pele de vidro em regiões brasileiras com climas diferentes. (a) Mossoró, RN (b) Curitiba, PR (c)
Maceió, AL
Fonte: (a) (c) arquivo do autor, 2008 (b) www.arcoweb.com.br/arquitetura/fotos/726/ft2.jpg, acesso em 21/03/2009
A adequação climática é mais uma demanda a ser atendida no projeto de edificações e que não
deveria estar atrelada ao modismo. Porém, independente da interpretação acerca do bioclimatismo, o
objetivo fundamental deve ser a busca pelo maior grau possível de sustentabilidade nas edificações,
contribuindo assim com um meio ambiente mais equilibrado.
Uma “boa arquitetura” tem de preencher necessariamente muitos requisitos, uma aproximação
sensível e consciente às questões energéticas é seguramente uma delas. Alguns edifícios, no entanto,
assemelham-se mais a “máquinas energéticas” que a propriamente edifícios. “Forma, Função e
Construção” – Estes são os três critérios regulares utilizados para avaliar a qualidade arquitetônica de um
edifício (FREIXANET, 2004).
Não há necessidade da criação de um outro critério intitulado “Consumo de Energia” uma vez que
este se encontra incorporado no critério “Função”. Os edifícios que apresentam deficiências no
relacionamento com questões de consumo de energia, possuem invariavelmente falta de funcionalidade,
sendo incapazes de responder favoravelmente às necessidades dos seus ocupantes.
Recentemente, foi aprovado no Brasil o Regulamento Técnico para Etiquetagem Voluntária de
Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos, objetivando reduzir o
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
8
consumo de energia nas edificações atuais e futuras. Assim como foi feito para os eletrodomésticos, ela
estabelece a classificação do nível de eficiência energética de edifícios, através da análise de três
principais sistemas: iluminação, condicionamento de ar e envoltória (INMETRO, 2009).
São inúmeras as variáveis que influenciam o comportamento energético de uma edificação, desde
a sua forma, orientação, os materiais e equipamentos utilizados na busca por obter um valor satisfatório
para os níveis de qualidade do ar interno, de conforto térmico e lumínico, até a disposição dos resíduos
gerados durante a operação
Segundo a IEA
2
(2004, apud BARROS FILHO, 2005), o consumo mundial de energia cresceu 60%
desde a primeira crise do petróleo, há mais de trinta anos. Este crescimento se refletiu especialmente no
consumo de eletricidade, que aumentou cerca de 159%. O crescimento da produção advinda de
combustíveis fósseis aumenta a emissão de CO
2
(dióxido de carbono), além de outras substâncias, na
atmosfera, sendo que a média mundial per capita é de 3,89 toneladas de CO
2
, enquanto no Brasil a média
é de 1,77 toneladas.
Enquanto no Brasil, a energia é gerada principalmente por fontes hidrelétricas (Figura 2.2), no
panorama mundial esta geração se dá em maior parte oriunda de fontes não renováveis como a queima de
carvão mineral (Figura 2.3). De acordo com dados do Lamberts et al (2004), 42% da energia gerada no
Brasil são consumidas em edifícios, quer sejam residenciais, comerciais ou públicos. Sendo grande parte
desta energia destinada a proporcionar ambientes mais confortáveis, através do uso de ar condicionado e
sistemas de iluminação artificial.
Figura 2.2 - Estudo da oferta interna de energia elétrica no Brasil, em 2007.
Fonte: BEN (Balanço Energético Nacional), 2008.
2
IEA – International Energy Agency
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
9
Figura 2.3 – Estudo da oferta de energia elétrica no Mundo, em 2007.
Fonte: BEN (Balanço Energético Nacional), 2008.
A população brasileira foi surpreendida no ano de 2001 com a notícia do “apagão”. Esta crise
energética intensificou a preocupação com a eficiência energética e difundiu sua relevância na sociedade,
que demonstrou um grande potencial de conservação no período em que foi implantado um plano de
racionamento. O alerta demonstrou ainda a falta de planejamento no setor (BARROS FILHO, 2005).
Esta crise também despertou e mobilizou a sociedade para uma mudança de atitude no uso da
energia elétrica. As empresas concessionárias implantaram ou intensificaram programas de gerenciamento
pelo lado da demanda (GLD).
Segundo a IEA (2007), 81% da atual oferta energética mundial, estimada em 11.435 milhões de
toneladas equivalentes de petróleo, é baseada nos combustíveis fósseis. As mudanças climáticas
decorrentes das emissões dos gases de efeito estufa apontam uma crise ambiental sem precedentes em
escala planetária.
Há que se repensar toda a estratégia de crescimento e intercâmbio até hoje utilizada com a
Natureza. Para isso, é preciso estabelecer os contornos do problema do aquecimento global e atuar no
sentido de controlá-lo e, em alguns casos, fazê-lo regredir para valores aceitáveis, tendo em vista o
equilíbrio do sistema dinâmico Homem - Natureza.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
10
2.2 – CHAMINÉ SOLAR
A busca por edificações adaptadas ao clima local, passa pela investigação do desempenho
ambiental de diversos componentes arquitetônicos, entre eles as chaminés solares, cujo potencial de
aplicação é ainda pouco explorado no Brasil. Este sistema consiste em uma chaminé, similar a uma
chaminé comum, diferenciando-se pela presença de um coletor que aproveita a energia solar para geração
de energia mecânica, a partir de seu aquecimento, promovendo um escoamento de ar quente através da
combinação do efeito estufa e do efeito de ventilação chaminé promovido pela torre central do sistema, em
que o aquecimento do ar na chaminé faz com que este se eleve para o exterior da edificação, criando um
movimento de ar no interior da mesma, devido à sua substituição pelo ar mais frio do exterior.
As chaminés tem sido utilizadas desde muitos séculos para o aproveitamento da ventilação em
arquitetura (Figura 2.4). A partir do início do século XX entretanto, a crescente disponibilidade de energia
elétrica foi provocando a gradativa substituição desses sistemas por equipamentos eletromecânicos de
condicionamento do ar. Como conseqüência, em contraste com o notável desenvolvimento dos
equipamentos mecânicos de ventilação, as pesquisas acadêmicas sobre os sistemas passivos ficou
praticamente estagnada durante décadas, só sendo retomada por efeito da crise energética das décadas
de 1970 e 1980 (CHEN et al, 2003).
(a) (b)
Figura 2.4 – Torres de vento na Arquitetura Oriental.
Fonte: (a) http://www.trekearth.com/gallery/Middle_East/Qatar/South/Ad_Dawhah/Doha/photo617290.htm
(b) http://travel.webshots.com/photo/1487924681077978848QLOLIx
Chaminés solares são aquelas que aproveitam a energia do sol para incrementar as diferenças de
pressão entre diferentes pontos do percurso de ar e, por conseqüência, otimizar os fluxos de ventilação
natural. Convertendo a energia térmica em energia cinética do movimento de ar, as chaminés solares têm
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
11
inúmeras aplicações, entre as quais se destacam a ventilação, o aquecimento ou o resfriamento solar
passivo de edificações, secagem de produtos, ou mesmo geração de eletricidade (CHEN et al., 2003).
Uma chaminé convencional opera apenas sob condição de convecção natural, quando a
temperatura do ar no interior da chaminé é maior que a temperatura do ar exterior. O fluxo de ar depende
da diferença de densidade entre o ar dentro e fora da chaminé. A chaminé solar possui uma ou mais
paredes envidraçadas. Estas superfícies estão expostas à radiação solar e a superfície interna da chaminé
também absorve energia solar e aquece o ar dentro dela. O conceito de chaminé solar é semelhante ao de
uma parede Trombe
3
. A parede Trombe utiliza um lado do vidro vertical da parede de um edifício para
absorver e recircular o ar quente para aquecimento ou resfriamento do edifício. A chaminé solar
é projetada para fornecer ventilação do edifício e está localizada na parte superior da
edificação (ONG, 2003).
A Figura 2.5 apresenta um exemplo de chaminé convencional e outro de chaminé solar,
construídas na cidade de São Carlos – SP.
Figura 2.5 – Chaminé convencional (vertical) e chaminé solar (inclinada) localizadas na cidade de São Carlos – SP
Fonte: Arquivo do autor, 2009
Para entender o funcionamento de uma chaminé solar, Ong (2003) elaborou um diagrama
ilustrando os ganhos e as perdas de calor no processo de funcionamento de uma chaminé solar.
Inicialmente o vidro é aquecido pela radiação solar (direta e difusa) ao mesmo tempo que perde calor por
convecção com o ar exterior e reflete parte desta radiação para o ambiente externo. Em seguida, a placa
absorvedora também será aquecida por radiação solar e por radiação emitida pelo vidro, ocasionando o
3
Parede orientada ao sol, preferencialmente ao norte no hemisfério sul e ao sul no hemisfério norte construída com materiais
que possam acumular calor pelo efeito de massa térmica, combinado com um espaço de ar, uma lâmina de vidro e ventilação
formando um coletor solar térmico.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
12
efeito estufa no interior da chaminé, este fenômeno irá aquecer o fluido que se tornará menos denso,
facilitando o efeito chaminé no interior deste dispositivo, conforme apresentado na Figura 2.6.
Nomeclatura:
h
céu
Coeficiente de transferência de calor por radiação entre o céu e o vidro
h
placa
Coeficiente de perda de calor por convecção da placa
h
vidro
Coeficiente de perda de calor por convecção do vidro
h
vidro/placa
Coeficiente de transferência de calor por radiação entre o vidro e a placa absorvedora
S
1
Quantidade de Calor absorvida pelo vidro por radiação
S
2
Quantidade de Calor absorvida pela placa por radiação
T
ar
Temperatura do ar
T
céu
Temperatura do céu
T
fluido
Temperatura do fluido (vento)
T
placa
Temperatura da placa absorvedora
T
vidro
Temperatura do vidro
Figura 2.6 – Funcionamento de uma chaminé solar
Fonte: Adaptado de Ong, 2003
S
1
S
2
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
13
A velocidade com que o ar percorre os ambientes dotados com este dispositivo depende da força
de empuxo existente na chaminé, (isto é, depende da diferença de temperatura obtida a partir deste
aquecimento), da resistência ao fluxo através da chaminé, bem como da resistência à entrada de ar fresco
para o ambiente interno (HERRIS and HELWIG, 2007). A Figura 2.7 ilustra o funcionamento básico de uma
chaminé solar.
Figura 2.7 – Funcionamento básico de uma chaminé solar
Fonte: Adaptado de HERRIS and HELWIG, 2007
Para as chaminés solares, o coletor deve estar isolado, evitando assim as perdas de calor por
convecção para o ar exterior. No caso das chaminés que possuam alguma face em contato com a
edificação, também deve haver um isolamento térmico entre as faces da chaminé e as faces da edificação,
reduzindo as perdas de calor por condução para o ambiente interno.
A inclinação das placas coletoras, que deve considerar a latitude do lugar e a época do ano, bem
como a altura da saída do ar quente, são fatores determinantes para a eficiência das chaminés solares,
pois à medida em que aumenta a temperatura, aumenta a velocidade do ar no interior da chaminé solar.
Este fato se dá de forma mais otimizada quando os raios solares incidem perpendicularmente na placa
coletora.
Conforme apresentado na Figura 2.8, pode-se observar a concentração maior de energia recebida
pela placa de vidro quando há incidência perpendicular dos raios solares, ocorrendo um maior
aproveitamento desta energia em uma mesma área.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
14
Figura 2.8 - Esquema da Incidência dos raios solares no coletor solar
Para edificações localizadas próximas à linha do Equador, com baixas latitudes, o coletor
horizontal (inclinação nula) recebe ao longo de um ano mais radiação solar que um coletor inclinado.
Porém, na medida em que se afasta da linha do equador esta situação se inverte, pois o ângulo de
incidência da radiação solar varia de acordo com a latitude, hora e dia do ano. As Figuras 2.9 e 2.10
apresentam os esquemas dos dois tipos de chaminé solar, vertical e inclinada.
vidro fixovidro fixo
Figura 2.9 – Exemplo de chaminé solar vertical
vidro fixo
Figura 2.10 – Exemplo de chaminé solar inclinada
2.3 – VENTILAÇÃO NATURAL
Ventilação natural é o processo de fornecimento e remoção do ar em um ambiente fechado, sem
que haja incremento de energia ao escoamento por fontes mecânicas. Seu objetivo principal é controlar a
pureza do ar e em algumas situações, auxiliar no controle da temperatura e umidade do ambiente.
A ventilação natural regula o clima interno de uma edificação por meio de trocas de ar através das
aberturas. As forças motrizes naturais geram o efeito chaminé, que tem sua origem na diferença de
temperatura entre o ar externo e o ar no interior do ambiente construído e pelas diferenças de pressão
vidro
raios solares
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
15
ocasionadas pela ação do vento. Uma circulação natural de ar adequada dentro do ambiente construído,
além de auxiliar na diminuição da sensação térmica, contribui para a renovação do ar interno (remoção dos
poluentes) que dependendo do perfil de ocupação do ambiente, pode afetar a produtividade dos ocupantes
além de ser prejudicial à saúde (MAZON, et al, 2006).
A ventilação natural é uma importante estratégia de projeto, pois consiste no escoamento do ar
através dos ambientes, melhorando assim a sensação de conforto e a qualidade do ar deste ambiente
(SILVANI, 2005), além de reduzir a necessidade de mecanismos de climatização, tornando-se também
uma estratégia importante para redução dos custos operacionais de edifícios com poucos recursos
financeiros destinados à sua manutenção (BAKER, 1987).
Segundo Givoni (1998), a ventilação no interior das edificações possui três funções que requerem
diferentes níveis de fluxo de ar através da edificação:
• Manutenção da qualidade do ar através de sua renovação constante. Essa função da ventilação
serve a todos os climas, mas é essencial em climas frios.
• Resfriamento noturno da massa construída durante a noite e utilização desse resfriamento para a
manutenção da temperatura interna diurna abaixo da externa. Essa função é conhecida como
“resfriamento noturno” e é mais adequada para climas áridos que têm grandes amplitudes térmicas diárias.
• Proporcionar o conforto térmico em climas quentes, por meio do aumento da perda de calor
corporal por convecção, através do aumento da velocidade do ar. Essa função, conhecida como
“ventilação de conforto”, é a mais indicada para climas quentes e úmidos como forma de garantir o conforto
térmico.
De acordo com Bittencourt (1993), existem diversas variáveis arquitetônicas que interferem nas
condições de ventilação interna, podendo ser destacadas as seguintes:
• Orientação do edifício, em especial das aberturas, em relação aos ventos dominantes;
• Dimensão e localização das aberturas de entrada e saída do ar;
• Tipo e configuração das aberturas usadas;
• Localização de elementos arquitetônicos próximos às aberturas, tanto externa, como
internamente, que direcionem o fluxo de ar, tais como marquises, brises ou divisórias.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
16
Diversos estudos estão sendo realizados no intuito de perceber a influencia destas variáveis no
comportamento da ventilação natural, onde é necessário considerar os diferentes padrões de distribuição
das pressões nas superfícies dos edifícios (MOESEKE et al, 2005).
Segundo Toledo (1999), a ação dos ventos em uma edificação, dá origem em suas superfícies
externas à zonas de subpressão e sobrepressão, ou seja, pressões menores ou maiores do que a pressão
do ar na zona a barlavento não afetada pela presença da edificação conforme é possível observar na
Figura 2.11. A pressão interna provocada pelo vento depende da distribuição e da intensidade das
pressões ou sucções externas e das áreas e localizações das aberturas.
Figura 2.11 – Ventilação por ação dos ventos
Fonte: Frota e Schiffer, 2001
Ao incidir sobre uma edificação, o vento provoca sobrepressões ou subpressõess, que são
apresentadas em forma de tabelas na NBR-6123, assim como em normas estrangeiras, e dependem
exclusivamente da forma e da proporção da construção, da incidência dos ventos e da localização das
aberturas (ABNT, 1988).
A distribuição das pressões nas faces do edifício é um dado fundamental no estudo da ventilação
natural, para os que se propõem a estudar este tema não há como se omitir desta análise. Porém, sabe-se
que a teoria da distribuição de pressão é de difícil aplicação em edifícios com forma ou distribuição interior
complexas, pois, para estes casos, a distribuição da pressão nas faces do edifício e o escoamento interno
são difíceis de serem observados ou estimados (TOLEDO et al, 2005).
Toda edificação deve possuir aberturas, sendo que sua localização e tamanho determinam os
coeficientes internos de pressão. A NBR-6123, no seu anexo D, apresenta os detalhes necessários para
determinação do coeficiente de pressão interna. Se a edificação for totalmente impermeável ao ar, a
pressão no interior da mesma será invariável no tempo e independente da velocidade da corrente de ar
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17
externa. Portanto, o coeficiente de pressão interna depende da permeabilidade da edificação, o índice de
permeabilidade de uma parte da edificação é definido pela relação entre a área das aberturas e a área total
desta parte. São considerados impermeáveis os seguintes elementos construtivos e vedações: lajes e
cortinas de concreto armado ou protendido, paredes de alvenaria, de pedra, tijolos, de blocos de concreto e
afins, sem portas, janelas ou quaisquer outras aberturas. Os demais elementos construtivos são
considerados permeáveis. A permeabilidade deve-se à presença de aberturas tais como: juntas entre
painéis de vedação e entre telhas, frestas em portas e janelas, ventilações em telha e telhados, vão
abertos de portas e janelas, chaminés, lanternins, etc (ABNT, 1988).
Define-se Coeficiente de Pressão (C
p
), como o quociente adimensional da pressão dinâmica
medida em um ponto x na parede do modelo (P
x
) pela pressão dinâmica do fluxo de ar (vento) não
perturbado (P
d
):
C
p
= P
x
/ P
d (
Eq. 01)
A pressão dinâmica do fluxo não perturbado é a força por unidade de área exercida pelo vento em
um plano ortogonal ao sentido do escoamento.
Define-se a pressão dinâmica do fluxo não perturbado como:
(Eq.02)
Onde:
P
d
- pressão dinâmica do fluxo (Pa)
v – velocidade do fluxo (m/s)
r – massa específica do ar (kg/m
3
)
A NBR-6123 na sua forma atual é de pouca utilidade para os estudos em ventilação natural. No
que refere-se aos dados de vento, a Norma traz apenas valores máximos de intensidade e recomenda que
a verificação dos esforços devidos aos ventos seja feita para todas as direções. Com relação aos dados de
coeficientes de pressão, eles são fornecidos apenas para algumas formas simples (paralelepípedos,
cilindros, e afins) e apenas valores médios para cada uma das faces. Vê-se que a concepção da Norma
NBR-6123 é pautada pela necessidade de determinar situações extremas às quais o edifício deve resistir,
enquanto nos estudos de ventilação natural busca-se determinar a vazão em situações cotidianas, para as
quais a norma infelizmente fornece poucos subsídios (CÓSTOLA, 2006).
As medidas da velocidade e direção do vento são feitas em áreas desimpedidas, a dez metros de
altura, e são, em geral, totalizadas a cada hora. A rigor estes dados são válidos somente para o local de
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18
leitura e seu tratamento estatístico permite uma previsão da freqüência de ocorrência da direção e
velocidade do vento. O vento em contato com uma superfície está sujeito aos efeitos da fricção. O
incremento da velocidade do vento ao longo de um eixo vertical varia de zero, na superfície terrestre, até
uma velocidade igual à do fluxo livre de obstruções, gerando um gradiente de vento.
O cálculo do gradiente de vento engloba os coeficientes de rugosidade do terreno, os dados da
velocidade do vento medidos em estação meteorológica e a altura das aberturas, conforme mostra a
Figura 2.12.
Figura 2.12 - Coeficientes de correção e fórmula para o cálculo do gradiente do vento
Fonte: JACKMAN, 1980 apud BITTENCOURT e CÂNDIDO, 2005
A velocidade do ar considerada como a máxima aceitável em ambientes internos pode variar entre
0.5 e 2.5 m/s (BITTENCOURT e CÂNDIDO, 2005). Este limite máximo é baseado em problemas práticos,
como a suspensão de papéis sobre a mesa e desarranjo de penteados pela ação da ventilação, ao invés
de exigências fisiológicas de conforto.
A geometria da abertura e sua interação com o escoamento são determinantes para o cálculo da
vazão da ventilação natural por ação dos ventos. Da energia que atinge a abertura, uma parte é dissipada
e uma parte é utilizada para promover a ventilação. Assim, a parcela útil varia entre 100% da energia (ou
seja, não há perdas) e quase 0% da energia (por exemplo, no caso de uma abertura dotada de telas
protetoras). Chama-se coeficiente de descarga (Cd) da abertura o valor entre 1 e 0 que fornece a parcela
útil da energia para a ventilação (CÓSTOLA, 2006).
O coeficiente de descarga (Cd) é a razão entre a velocidade máxima (ideal) e a velocidade teórica
(real) do fluido. O Coeficiente de Descarga (Cd) reflete as perdas de carga devidas ao atrito, que
dependem principalmente do tipo de abertura adotado na edificação. A Figura 2.13 indica alguns valores
típicos.
(Eq. 03)
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19
Tipo de abertura Cd
Veneziana com 50% de área livre 0.40
Basculante com chapas a 60
o
0.58
Abertura com bordas vivas 0.62
Abertura com bordas arredondadas 0.85
Figura 2.13: Coeficientes de Descarga para Aberturas Usuais em Edificações
Fonte: Clezar e Nogueira, 1999
2.3.1 – VENTILAÇÃO POR EFEITO CHAMINÉ
Bower (1995) afirma que o efeito chaminé é o resultado do fenômeno em que o ar mais quente
sobe, gerando diferentes pressões internas e provocando a movimentação do ar, pois, ao receber calor, as
moléculas de ar vibram mais intensamente e afastam-se umas das outras, resultando em menos moléculas
por metro cúbico. Havendo menos moléculas neste volume, ele estará mais leve que outro volume igual
com ar menos aquecido. Portanto, pela diferença de peso, o ar aquecido sobe além do ar fresco.
Quando não há vento, o efeito chaminé torna-se o único responsável pela renovação do ar nas
edificações e representa a situação mais simples da ventilação natural. Se há incidência de vento, esta
ação deve ser conjugada ao efeito chaminé, de forma que seus efeitos se somem, resultando numa
ventilação natural mais eficiente. Para que isto ocorra, é fundamental que ambos os fluxos tenham o
mesmo sentido. (TOLEDO, 1999).
Este efeito baseia-se na diferença de temperatura e conseqüentemente, de densidade entre o ar
interno e o ar externo, esta diferença produz gradientes de pressão com diferentes declividades na parte
interna e externa da edificação, conforme apresentado na Figura 2.14.
Figura 2.14 – Passagem do ar através de duas aberturas verticais
Fonte: (SILVANI, 2005)
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
20
Esta diferença de pressão que provoca o movimento do ar através das aberturas da edificação, do
exterior para o interior da edificação e vice-versa, é ocasionada pela diferença de peso entre colunas de ar
de mesma altura, mas com temperaturas diferentes (Figura 2.15a). A posição destas aberturas para
ventilação natural determina a distribuição da temperatura no ambiente interno. Se as duas aberturas
estiverem livres, uma localizada na parte mais alta da edificação e a outra na parte mais baixa, o ar frio
fluirá para o interior do edifício, através da abertura inferior, e o ar quente fluirá para o exterior da
edificação, através da abertura superior, como mostrado na Figura 2.15b. Esse tipo de ventilação,
chamado de ventilação de deslocamento, cria uma estratificação da temperatura dentro do ambiente.
Embora tenha um efeito muito mais forte para edificações com duas aberturas, uma superior e outra
inferior, a ventilação de deslocamento pode também ocorrer em edifícios com uma única abertura, como
mostrado na Figura 2.15c. Nesse caso, a abertura serve, tanto como uma entrada, quanto como uma saída
de ar. Comparada com a configuração de duas aberturas, a presença de apenas uma abertura proporciona
taxas de ventilação menores e o ar ventilado não penetra o espaço interno em grande profundidade. Um
fluxo de ar mais intenso será induzido quando houver uma grande separação vertical entre as aberturas de
entrada e saída de ar e quando há uma grande diferença entre temperaturas internas e externas. A
pressão interna mais elevada na abertura superior dirige o fluxo de ar para o exterior e a pressão interna
mais baixa na abertura inferior facilita a entrada do ar exterior, que substitui o ar quente que saiu. Esse
fluxo dirigido pelo empuxo térmico, que é conhecido por efeito chaminé (HEISELBERG et al., 2001;
ALLOCCA et al., 2003; MAZON et al, 2006).
(a) (b) (c) . .
Figura 2.15 – (a) Distribuição da pressão interna e externa para o fluxo devido ao efeito chaminé. (b) fluxo através de uma
abertura inferior e outra superior. (c) fluxo através de uma única abertura.
Fonte: MAZON, 2005.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
21
A Figura 2.16 apresenta um sistema de resfriamento para uma habitação no Iraque, contendo uma
chaminé conectada a um poço de água que por sua vez está aberto para o ambiente interno da edificação.
Este sistema funciona da seguinte forma: uma abertura na parede superior da chaminé recebe o ar e o
direciona ao poço de água, o ar esfria (por refrigeração evaporativa) e conseqüentemente esfria o
ambiente interno, este ciclo encerra-se com a saída do ar quente na parte superior de uma das paredes da
edificação.
Figura 2.16 – Sistema de Chaminé em uma edificação no Iraque.
Fonte: Gonzalez, el al (1986)
As intensidades da ventilação provocada pelo efeito chaminé dependem das relações entre
diversos fatores, e podem ser determinadas a partir de dados de pressão, obtidos experimentalmente em
túnel de vento, ou estimadas por modelos teóricos. Segundo a Ashrae (2001), a vazão causada pelo efeito
chaminé é dada pela equação que segue:
Q = C
d
. A 2g . ∆H
NPN
(Ti - Te)
1/2
(Eq. 04)
Ti .
Onde:
Q = vazão de ar (m
3
/s)
C
d
= coeficiente de descarga das aberturas (adimensional)
A = área da abertura de entrada, suposta igual à de saída (m
2
)
g = aceleração da gravidade (9.81 m/s
2
)
∆H
NPN
= diferença de altura entre o ponto médio da abertura superior e o nível de pressão neutra
(NPN, em m)
Ti = temperatura do ar interno (K)
Te = temperatura do ar externo (K)
[ ]
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
22
A equação 4 é aplicável para temperaturas internas maiores que as externas. Em caso contrário
(Ti<Te), substituir Ti por Te no denominador e inverter o numerador, que passa a ser Te-Ti.
O nível de pressão neutra (NPN) corresponde à altura em que se igualam as pressões internas e
externas. Sendo iguais as áreas de aberturas de entrada (abertura baixa) e de saída (abertura alta), este
nível se situa a meia-altura entre os centros daquelas aberturas. Em outras situações, a identificação do
NPN dependerá da análise da distribuição das pressões.
2.4 – O SOL
2.4.1 – RADIAÇÃO SOLAR
A radiação é um processo em que a energia calorífica é transferida entre corpos com diferentes
temperaturas, sendo este fenômeno a principal forma de transmissão de calor entre o Sol e a Terra. Todo
corpo aquecido emite ondas eletromagnéticas, que viajam através do vácuo. A energia radiante que
provém do sol, é denominada de radiação solar e é a principal fonte para as trocas térmicas por radiação
nas edificações (FROTA e SCHIFFER, 2001).
A radiação solar é um tipo de energia transmitida através do espaço, sem necessidade de meio de
suporte para isso. A luz visível e o calor são as formas mais facilmente observadas e sentidas de radiação,
porém, ela pode ser encontrada em muitas outras formas, conforme se observa na Figura 2.17, que
representa o espectro eletromagnético
4
.
Figura 2.17 – Espectro Eletromagnético
4
Espectro eletromagnético é o intervalo completo da radiação eletromagnética, que contém desde as ondas de rádio, as
microondas, o infravermelho, a luz visível, os raios ultravioleta, os raios X, até aos radiação gama.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
23
Pode-se observar na Figura 2.18 que devido à sua localização predominantemente tropical, o
Brasil possui um grande potencial para o uso de recursos da energia solar em todo o seu território. A média
de radiação solar no território brasileiro (5 kW.h /m².dia) (MARTINS et al, 2005), é praticamente igual ao
valor máximo de irradiação observado no continente europeu, que é de aproximadamente 5,5 kW.h /m².dia
(HELIOCLIM, 2004), onde ocorre um grande investimento tanto governamental como de iniciativa privada
no aproveitamento da energia solar.
(a) (b)
Figura 2.18 – Mapas de irradiação solar média anual para o território brasileiro obtidos com o uso do modelo BRASIL-SR a
partir de dados climatológicos e imagens de satélite GOES-8 para o ano de 2000: (a) irradiação global para o plano horizontal,
(b) irradiação global em plano inclinado em ângulo igual à latitude local.
Fonte: Martins, et al 2005
Uma forma de aproveitar esta irradiação em edificações é com a utilização de chaminés solares.
Este sistema funciona a partir da captação da energia solar através de elementos translúcidos ou
transparentes, como o vidro, gerando o efeito estufa no interior da chaminé. Este efeito estufa provoca um
aumento das diferenças de pressão e temperatura do ar no interior destes elementos. A Radiação solar
passa pelo vidro e é absorvida pela superfície da parede da chaminé, que deve ser absorvedora, se
tornando o principal elemento de transferência de calor para o ar, que é aquecido por convecção com a
placa aquecida. Deste modo, ocorre uma diminuição na densidade do ar, o que provoca sua elevação
(NUGROHO et al, 2006).
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
24
2.4.2 – RADIAÇÃO SOLAR NO PLANO INCLINADO
Para estimar a radiação global e a radiação difusa em um plano inclinado, voltado para o sol
(ângulo azimutal γ = 180
o
) são necessárias algumas definições:
Fator geométrico (Rb) é a razão entre a radiação solar direta sobre uma superfície inclinada e a
radiação solar direta sobre um plano horizontal. De acordo com o método desenvolvido por Liu e Jordan
(1963) e citado por Duffie & Beckman (1980), para o hemisfério sul, deve ser aplicada a seguinte equação:
(Eq. 05)
Onde:
b – Ângulo de Inclinação da Superfície;
F – Latitude;
d – Declinação;
w
s
-
Ângulo horário do pôr-do-sol para a superfície horizontal;
w’
s
- Ângulo horário do pôr-do-sol para a superfície inclinada.
O ângulo horário do pôr-do-sol ajustado para a superfície inclinada, segundo Duffie & Beckman
(1980), para o hemisfério sul, pode ser calculado por:
(Eq. 06)
Atualmente, para determinar a radiação solar global incidente em um plano inclinado qualquer,
parte-se do princípio que esta é composta por três componentes: radiação direta, radiação difusa e a
contribuição do albedo
5
. Este procedimento foi desenvolvido por Liu & Jordan (1963) (apud DUFFIE &
BECKMAN, 1980) a fim de encontrar curvas para estimar a radiação solar em qualquer latitude e qualquer
5
Albedo é a medida da quantidade de radiação solar refletida por um corpo ou uma superfície, sendo calculado como a razão
entre a quantidade de radiação refletida e a quantidade de radiação recebida. Em termos geográficos, o albedo representa a
relação entre a quantidade de luz refletida pela superfície terrestre e a quantidade de luz recebida do Sol. Esta relação varia
fortemente com o tipo de materiais existentes à superfície: por exemplo, em regiões cobertas por neve, o albedo ultrapassa os
80%, enquanto num solo escuro, não vai além dos 10%. Na sua globalidade, o albedo médio da Terra é de cerca de 37%. O
albedo varia também com a inclinação dos raios solares - quanto maior essa inclinação, maior será o albedo.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
25
ângulo de inclinação de coletores solares voltados para o norte. A base de seu trabalho foram os dados
coletados em 80 localidades dos Estados Unidos e do Canadá.
De acordo com o método desenvolvido por Liu e Jordan (1963) e aperfeiçoado por Klein (1977), o
cálculo da radiação solar global em um plano inclinado, apresentado em Duffie & Beckman (1980), para o
hemisfério sul é resultante da equação:
(Eq. 07)
onde:
b – Angulo de inclinação da superfície;
H - radiação solar global em uma superfície horizontal (W/m²);
H
d
- radiação solar difusa em uma superfície horizontal (W/m²);
R
b
– Fator Geométrico;
ρ - albedo.
2.4.3 – TRAJETÓRIA SOLAR
O estudo das trajetórias relativas entre o Sol e a Terra é fundamental para identificar a melhor
posição do edifício em relação ao sol durante o ano, conhecer a penetração da radiação solar direta por
uma abertura, além de visualizar as sombras produzidas por um edifício e as máscaras de sombra
projetadas no céu por um objeto. A partir do estudo da geometria solar é possível orientar uma edificação,
minimizando a carga térmica nas fachadas e nas aberturas (BITTENCOURT, 2004).
O eixo de inclinação da Terra é de 23º 27’ em relação à eclíptica (Figura 2.19). Esta inclinação faz
com que cada hemisfério receba quantidades de energia diferentes, dependendo da posição em que a
Terra se encontra. O movimento de translação da Terra, associado a essa inclinação, que determina as
estações do ano: primavera, verão, outono e inverno, esta inclinação define as linhas dos trópicos e
promove diferenças climáticas entre as estações do ano (FROTA & SCHIFFER, 2001).
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
26
Figura 2.19 – Inclinação da terra em relação ao plano elíptico da trajetória do movimento de translação
Fonte: Adaptado de Rivero, 1986
Em decorrência da grande distância entre o sol e a Terra, seus raios podem ser estudados como
paralelos ao atingir a superfície terrestre, O ângulo formado entre a direção destes raios e o plano do
Equador é chamado declinação do Sol (d). Esse ângulo varia ao longo do ano e é definido como positivo
para o hemisfério norte e negativo para o hemisfério sul. Nos dias de equinócio (21 de março e 23 de
setembro) a declinação é zero, ou seja, o Sol está no mesmo plano do Equador. Nas outras épocas do ano
esse ângulo varia entre os valores limites de +23
o
27' (22 de junho) e -23
o
27' (22 de dezembro). Esses dois
ângulos limites estabelecem as linhas dos trópicos de Câncer e de Capricórnio e, para o hemisfério sul, as
duas datas definem os solstícios de inverno (22 de junho) e de verão (22 de Dezembro) (RORIZ, 2006). O
valor médio da declinação do Sol pode ser calculado, para qualquer dia do ano, através da seguinte
expressão:
d
dd
d = 23,45
O
. sen [(360/365).(NDA+284)] (Eq. 08)
Onde:
d = Ângulo de declinação
NDA = Número do Dia no Ano (NDA=1 em 1/Jan e NDA=365 em 31/Dez)
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
27
2.4.4 – COORDENADAS SOLARES
Gonzales (et al,1986) fala da necessidade de conhecer as posições e trajetórias aparentes que
experimenta o Sol ao longo do ano, com respeito ao local onde se localiza a edificação. Para localizar o Sol
em uma posição qualquer na esfera celeste é necessário duas coordenadas, denominadas altitude ou
altura solar e azimute.
Estas coordenadas representam as posições e trajetórias aparentes do sol ao longo do ano. A
primeira diz respeito ao ângulo em um plano vertical entre os raios solares e a projeção dos mesmos sobre
o plano do horizonte. Já a segunda coordenada, azimute solar, é o ângulo no plano do horizonte que é
formado entre a projeção dos raios solares e a direção do Norte Verdadeiro (Figura 2.20).
Figura 2.20 – Coordenadas solares: azimute e altura solar
Fonte: (GONZÁLES, et al, 1986)
Conhecendo-se a latitude do lugar, positiva no hemisfério norte e negativa no sul, pode-se calcular
a posição relativa do sol, para qualquer hora de qualquer dia do ano:
ALT = arcsen (sen F
FF
F.sen d
dd
d + cos F
FF
F.cos d
dd
d.cos AHS) (Eq.09)
AZI = arccos [(cos F
FF
F.sen d
dd
d - sen F
FF
F.cos d
dd
d.cos AHS) / (cos ALT)] (Eq.10)
Onde:
ALT = Altitude ou altura solar
F
= Latitude do Lugar
d = Ângulo de declinação
AHS = Ângulo Horário do sol
AZI = Azimute
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
28
Após o meio-dia, o azimute do sol será 360
o
menos o ângulo calculado pela equação anterior.
O ângulo horário do sol (AHS) é a distância angular entre a direção dos raios solares ao meio dia e
sua direção no momento (h) considerado. Este ângulo é calculado pela seguinte expressão:
AHS = 15
o
(h - 12) (Eq.11)
2.4.5 – AS CARTAS SOLARES
Gonzáles (et al, 1986) afirmam que as coordenadas solares podem ser calculadas por
procedimentos analítico-matemáticos e estatísticos, representando-se por tabelas numéricas ou através de
um mapa da esfera celeste, melhor conhecido por gráfico ou diagrama solar.
As cartas solares são representações gráficas do percurso do sol na abóbada celeste da terra,
para os diferentes períodos do dia e do ano (BITTENCOURT, 2004). Uma carta solar pode ser desenhada
por diversos sistemas de projeções geométricas, porém o mais usado é o sistema estereográfico de
representação. Sistema este que procura representar as trajetórias do sol sobre o plano do horizonte, para
um ponto de observação localizado na superfície terrestre, a partir dos princípios das projeções cônicas.
Para este sistema de representação, o ponto de vista da projeção encontra-se no Nadir (Z’), que é o ponto
diametralmente oposto ao Zênite (Z) na esfera celeste (Figura 2.21).
Figura 2.21 – Projeção estereográfica da trajetória do sol
Fonte: (FROTA e SHIFFER, 2001)
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
29
As cartas solares são instrumentos auxiliares de suma importância para os profissionais da
Construção Civil, já que através delas se avalia a presença ou ausência de sol em determinada fachada
(BITTENCOURT, 2004). A Figura 2.22 apresenta a carta solar para as localidades situadas na latitude
22º05’, como é o caso da cidade de São Carlos-SP.
Figura 2.22 – Carta solar para a cidade de São Carlos.
Fonte: Software Luz do Sol, (RORIZ, 1995)
Uma das principais utilizações da carta solar é a mÁscara de sombra, que é a representação
gráfica dos obstáculos que impedem a visão da abóbada celeste gerando sombra por parte de um
observador localizado em um local qualquer.
Bittencourt (2004) ressalta que as linhas correspondentes às diversas horas do dia apresentadas
nos gráficos solares, referem-se às horas solares. Esta diferença entre a hora solar e a hora local, varia ao
longo do ano e pode ser dada pela expressão:
TSV = TL + ET +
l
ll
l + D
DD
DH (Eq.12)
Onde:
TSV = Tempo Solar verdadeiro,
TL = Tempo Legal (hora oficial),
ET – Equação do tempo (Figura 2.23),
l = Correção de longitude, considerando que o sol percorre 15 graus de longitude em 60 minutos,
cada grau de distância longitudinal corresponde à 4 minutos de tempo em seu percurso (4 = 60/15),
positivo à leste e negativo à oeste do Meridiano de Greenwich.
DH = Diferença de fuso horário em relação a Greenwich.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
30
Figura 2.23 – Valores da Equação do tempo (em minutos).
Fonte: Adaptado de Yañes (1982)
2.4.6 – EFEITO ESTUFA
O efeito estufa em edificações, pode ser obtido com o uso de materiais transparentes, como o
vidro, principalmente em climas quentes, que possuem altas irradiâncias. Estes materiais se caracterizam
por seu comportamento em relação à radiação solar, de onda curta, transmitida através dos vidros. Ela
penetra nos ambientes e é absorvida pelas superfícies internas, provocando elevação de sua temperatura
e em seguida a emissão de radiação de ondas longas, para a qual o vidro é opaco. Este resultado promove
um significativo aumento da temperatura e um acúmulo de densidade de energia térmica no interior das
edificações (Figura 2.24).
.
Figura 2.24 – Efeito estufa em edificações
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
31
A denominação “efeito estufa” é dada em analogia ao que ocorre nas estufas de cultivo de plantas,
normalmente feitas de vidro, pois este material permite a entrada da radiação solar (ondas curtas), mas
impede a saída das radiações em ondas longas, emitidas pelas superfícies internas aquecidas, provocando
seu aquecimento. Diante disto, vedações envidraçadas expostas ao sol contribuem para o aquecimento
das superfícies internas e conseqüentemente do ar interno, sendo, por este motivo, utilizadas em diversos
sistemas de captação da energia solar.
2.4.7 – ABSORTÂNCIA SOLAR
Tanto as normas brasileiras (ABNT, 2003a) como os Fundamentos da ASHRAE (ASHRAE, 2001)
apresentam o termo absortância para se referir à quantidade de energia absorvida por uma superfície, ou
seja, o quociente da taxa de radiação solar absorvida por uma superfície pela taxa de radiação solar
incidente sobre esta mesma superfície.
Dornelles (2008) propôs métodos de determinação da absortância solar de superfícies opacas, que
podem ser utilizados por projetistas, pesquisadores e especialistas. Além do espectrofotômetro e do
espectrômetro ALTA II, apresentou um método que se baseia na digitalização de amostras em scanner
comum e posterior classificação de suas cores a partir dos sistemas cromáticos digitais RGB e HSL
6
e um
quarto método baseado em medidas de temperaturas superficiais das amostras, a partir de absortâncias
medidas para amostras de cores branca e preta, adotadas como referência.
Aproximadamente 45% da energia solar é emitida no intervalo visível. Sabe-se então que
superfícies mais escuras tendem a apresentar absortâncias mais elevadas. Por este motivo, as placas
absorvedoras das chaminés solares geralmente são pintadas de preto, para que atinjam temperaturas
superficiais mais altas e contribuam assim para incrementar o “efeito chaminé”.
2.5 – PESQUISAS SOBRE CHAMINÉ SOLAR
No Brasil, as chaminés solares tem sido utilizadas e pesquisadas de forma restrita ao âmbito rural,
com finalidade de secar madeira ou produtos agrícolas, como grãos ou frutas (Figura 2.25), com resultados
6
RGB é a abreviatura do sistema de cores aditivas formado por Vermelho (Red), Verde (Green) e Azul (Blue). O propósito
principal do sistema RGB é a reprodução de cores em dispositivos eletrônicos. O modelo HSL (Hue, Saturation, Luminance, ou
em português TSL), baseia-se nos trabalhos do pintor Albert H.Munsell (que criou o Atlas de Munsell), é um modelo de
representação dito “natural”, ou seja, próximo da percepção fisiológica da cor pelo olho humano.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
32
muito superiores aos obtidos por meio de sistemas convencionais (Santos, 1997; Moraes-Duzat et al.,
2000; Martins et al., 2002; Souza et al., 2007, Ferreira et al, 2008, Maia et al, 2009).
Figura 2.25 – Exemplo de Chaminé solar estudada no Brasil para fins de secagem de grãos (Foto e Corte esquemático)
Fonte – (MAIA et al, 2009)
Porém, este dispositivo vem sendo estudado em diversos lugares do Mundo, inserido no contexto
da Construção Civil, desde a década de 1990 (como observa-se de forma mais clara no final desta seção)
visando sempre incrementar a ventilação natural no interior dos espaços. Barrozi et al (1992) modelaram
um sistema de chaminé solar na coberta de uma edificação com o intuito de aumentar a ventilação e
conseqüentemente o resfriamento na sala de estar a partir de avaliações experimentais em um protótipo
reduzido.
Bansal et al (1993) elaboraram um modelo matemático para chaminés solares baseado em
diferentes áreas de aberturas, coeficientes de descarga, temperatura e radiação solar para promover a
ventilação induzida por este dispositivo em edificações.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
33
Bouchair (1994), mostrou que para uma razão área/altura de abertura da chaminé solar
equivalente a 1/10, obtém-se o máximo índice para o fluxo do ar. A mesma relação ideal de 1/10 entre a
área da abertura de saída e a altura da chaminé foi também identificada por Li et al (2004), que aplicaram
técnicas de CFD (Computational Fluid Dynamics) na análise dos processos de transferência de calor e
fluxos de ventilação em chaminés solares verticais com diversas configurações geométricas (Figura 2.26).
(a) (b) .
Figura 2.26 – (a) Relação entre o Fluxo de ar e a razão S/L de uma Chaminé Solar (b) Relação entre o Fluxo de ar e a altura da
chaminé.
Onde: L = Altura da Chaminé (m), S = Área da abertura de saída da Chaminé (m), Ts = Temperatura superficial da parede da
Chaminé (ºC).
Fonte – (LI et al, 2004)
Choudhury et al (1995), apresentaram um modelo teórico para avaliar o desempenho de três tipos
de chaminés: as convencionais, constituídas apenas por duto metálico retangular com uma face coletora
pintada de preto e as outras faces protegidas por isolamento térmico; as protegidas por vidro simples e as
que adotam vidro duplo. O modelo permite fixar a diferença de pressão ao longo do duto e identificar a
eficiência proporcionada por diferentes configurações geométricas, em cada um dos três tipos.
Cho et al (1999) analisaram as características de um sistema híbrido, com um coletor de energia
solar e uma chaminé solar para produzir refrigeração passiva e aquecimento através de simulações
computacionais em CFD, apresentando os efeitos da redução da energia e do resfriamento passivo da
edificação a partir da utilização deste sistema.
Padki e Sherif (1999) desenvolveram um conjunto de equações diferenciais para analisar o
desempenho de uma chaminé solar (Figura 2.27). As equações são integradas, sendo possível fazer
algumas simplificações e encontrar expressões para a energia gerada pelo coletor, bem como o nível de
eficiência da chaminé são obtidas a partir de fórmulas algébricas.
Ts = 30 ºC
Ts = 40 ºC
Ts = 50 ºC
Ts = 60 ºC
Ts = 70 ºC
S/L
Fluxo
de ar
(Kg/s)
Fluxo
de ar
(Kg/s)
S/L
= 0,05
S/L = 0,1
S/L = 0,15
S/L = 0,2
S/L = 0,25
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
34
Figura 2.27 – Modelo de Chaminé adotado por Padki e Sherif, 1999
Fonte: (PADKI e SHERIF, 1999)
Afonso e Oliveira (2000) estudaram a influência que as chaminés solares possuem na ventilação
natural de edificações para a cidade do Porto, em Portugal, através de medições entre os meses de janeiro
e março em duas chaminés verticais construídas em tamanho real num ambiente com 12m² de área
(4x3m), sendo suas paredes, piso e laje de concreto com isolamento, que foi dividido ao meio de modo a
realizar medições isoladas para cada configuração de chaminé investigada (Figura 2.28). As chaminés
possuíam 2m de altura e aberturas de entrada e saída do ar com dimensões de 1.00x0.20m e paredes de
bloco (10cm) com isolamento de 5cm com o exterior.
Figura 2.28 – Vista da Chaminé solar e da Chaminé convencional utilizadas nas medições de Afonso e Oliveira (2000)
Fonte – (AFONSO e OLIVEIRA, 2000)
AR FRIO AR FRIO
ESTRUTURA DA CHAMINÉ
COLETOR SOLAR
TRANSPARENTE
RADIAÇÃO SOLAR
CHAMINÉ
TURBINA
AR QUENTE
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
35
Verificou-se então nos estudos de Afonso e Oliveira (2000), um aumento de 10% na velocidade do
ar para espaços com chaminé solar em relação aos espaços com chaminé convencional. Estas medições
serviram de dados de entrada para simulações computacionais em CFD, tornando possível encontrar os
valores de temperatura e velocidade do ar ao longo de todo o ano.
Khedari et al (2000) estudaram a viabilidade de utilizar telhado e parede para induzir a ventilação
natural, mostrando o potencial de telhados coletor que captam a radiação solar e aquecem o ar abaixo do
telhado, este tipo de telhado coletor pode reduzir o custo da energia mecânica para refrigeração das
habitações construída em uma região quente e úmida, bem com maximizar a ventilação natural e
minimizar a fração da energia solar absorvida por uma moradia.
Waewsak et al (2003) realizaram outra medição para o mesmo tipo de telhado coletor, onde a
parte externa deste telhado foi substituída por vidro, aumentando assim o efeito estufa no dispositivo
analisado. As funções inovadoras deste dispositivo, promoveram principalmente a diminuição diária do
ganho de calor através do telhado, por induzir uma significativa taxa de ventilação do ar, que melhorou o
conforto térmico dos residentes, garantindo também uma iluminação adequada e evitando um
superaquecimento ao agir como um telhado radiador durante a noite.
Ong (2003) apresentou um modelo matemático a partir de resultados experimentais em uma
chaminé solar com 2m de altura, usando o método de matriz para a resolução de equações simultâneas
para transferência de calor.
Drori (2004) estudou a ventilação induzida para uma casa em tamanho real, com base em
medições de temperatura contínuas, realizadas dentro e fora do edifício para o verão. Satwiko (2005)
encontrou um sistema de ventilação para telhados solares em habitações de baixo custo localizados em
regiões com alta densidade de área urbana. O protótipo do telhado gerou um aumento da ventilação
cruzada na zona do ocupante.
Ding et al (2005) analisaram o desempenho da ventilação natural a partir da implantação de uma
chaminé solar na fachada de um edifício. Foi construído um protótipo em escala reduzida de um prédio de
escritórios com oito pavimentos (Figuras 2.29 e 2.30), possuindo chaminé solar na fachada norte, além de
simulações computacionais utilizando CFD.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
36
Figura 2.29 – Esquema básico do Edifício analisado por Ding et al (2005)
Fonte – Adaptado de (DING et al, 2005)
Figura 2.30 – Foto do protótipo em escala reduzida utilizado por Ding et al (2005)
Fonte – (DING et al, 2005)
A partir destas análises, observou-se uma boa coincidência entre os valores obtidos por medição e
o resultado das simulações, obtendo uma taxa de ventilação satisfatória para as salas de escritório.
Chungloo et al (2006) investigaram o benefício da aplicação da chaminé solar no telhado Sul em
conjunto com a aspersão de água no teto de metal voltado para o norte de uma edificação-teste (Figura
2.31) na Tailândia, através de um modelo numérico construído a partir de uma dinâmica de fluidos
computacional (CFD).
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
37
Figura 2.31 – Célula-Teste desenvolvida por Chungloo et al (2006)
Fonte – CHONGLOO et al, 2006)
Mathur (et al, 2006) comparou quatro tipos de configurações para chaminés solares no intuito de
aumentar a ventilação natural em edificações residenciais e afirmou que chaminés solares inclinadas
podem incrementar em 15,94% a ventilação natural no interior das edificações quando comparado com
uma chaminé solar vertical para o clima da Malásia.
Outro grupo de Malaios (NUGROHO et al, 2006) avaliaram o uso de chaminés solares para induzir
a ventilação em condições tropicais para uma edificação padrão (Figura 2.32) por meio de simulações em
CFD. A chaminé elaborada neste estudo foi baseada nos experimentos de Ong (2003), conforme
apresentado na Figura 2.33.
Figura 2.32 – Modelo da habitação simulada por Nugroho et al (2006)
Fonte – (NUGROHO et al, 2006)
Cozinha
Quarto
Quarto
Estar / Jantar
Chaminé Solar
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
38
(a) (b) (c) .
Figura 2.33 – (a) Modelo de Chaminé adotado por Ong (2003), (b) Modelo de Chaminé adotado por Nugroho et al (2006) (c)
Implantação da Chaminé na edificação analisada por Nugroho et al (2006)
Fonte – (NUGROHO et al, 2006)
Observou-se que os parâmetros de projeto propostos neste estudo, se incorporados em uma
edificação real, incrementarão a velocidade do ar interior, promovendo o conforto humano, além da
contribuição para a eficiência energética e opções ecológicas na edificação.
Harris e Helwig (2006) utilizaram a técnica da Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD), para
avaliar a influencia das chaminés solares na ventilação natural para o clima escocês (latitude 52º). A área
de abertura das chaminés variou entre 0,1m² e 0,25m², sendo que a abertura maior apresentou melhor
desempenho (Figura 2.34).
Figura 2.34 - Comparação do fluxo de ar em chaminés solares com vidros duplos e com baixa emissividade (l – largura da
abertura em metros)
Fonte: (HARRIS e HELWING, 2006)
Esse estudo demonstrou que vidros de alta transmitância de radiação solar e baixa emissividade
para o infra-vermelho são mais efetivos na elevação do desempenho das chaminés solares do que os
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
39
vidros duplos, onde também constatou-se uma maior eficiência das chaminés inclinadas, promovendo um
aumento na velocidade do ar interna em relação à chaminé solar vertical.
Jyotirmay (et al, 2006) compararam quatro configurações diferentes de chaminés solares para a
ventilação em edifícios residenciais, encontrando a inclinação ótima do coletor solar para a condição
analisada.
Burek e Habeb (2007) investigaram a transferência de calor e fluxo de massa em aquecedores de
ar, tais como chaminés solares e Paredes Trombe. O dispositivo de ensaio foi composto por um canal
vertical aberto, com lados fechados, assemelhando-se um coletor solar com aproximadamente 1m
2
. Os
principais resultados a partir dos dados mostraram que a eficiência térmica do sistema (como um coletor
solar) é função do aquecimento e não depende da profundidade do canal.
Sakonidou et al (2008) desenvolveram dois modelos matemáticos de chaminé solar para
determinar a inclinação que maximize o fluxo de ar. Inicialmente, calculam as parcelas de calor transmitida
e absorvida pelo vidro, como função das três componentes da radiação incidente (direta, difusa e refletida)
e da inclinação da chaminé. Em seguida, estimam a temperatura e a velocidade do ar no interior da
chaminé, bem como as temperaturas do vidro e da parede coletora. Os resultados entretanto, não
apresentam boa concordância com valores obtidos por modelo mais confiável, baseado em CFD (Figura
2.35).
Figura 2.35 – Configuração da chaminé adotada por Sakonidou et al, 2008. (a) seção da chaminé 1- Painel Isolado, 2 – duto
para passagem do ar, 3- Placa absorvedora e 4 – Sentido do fluxo (b) Foto da chaminé
Fonte: (SAKONIDOU et al, 2008)
Lee e Strand (2009) apresentaram um novo módulo que foi desenvolvido e implementado no
programa EnergyPlus para a simulação e determinação do impacto da energia térmica de chaminés,
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
40
baseadas no modelo de Ong (2003) aplicando-o para diferentes climas americanos (quente, moderado e
frio), conforme apresentado na figura 2.36, para o dia 21 de agosto e encontrou que o clima é um fator
determinante no desempenho final de uma chaminé solar.
(a)
(b)
Figura 2.36 – Resultados obtidos por Lee e Strand, 2009 para o fluxo do ar (Volume) em função (a) da altura da chaminé e (b)
da absortância do material
Fonte: (LEE e STRAND, 2009)
Observa-se então que a chaminé solar na cidade de Spokane – WA (clima moderado) apresenta
melhor desempenho que as demais cidades simuladas como Phoenix – AZ, com clima quente e
Minneapolis – MN, com clima frio.
Outra pesquisa produziu um estudo numérico sobre o fluxo laminar e turbulento induzido por
convecção natural em chaminé solar, para valores do número de Rayleigh
7
entre 105 e 1012,
apresentando uma correlação para a proporção térmica ideal (ZAMORA e KAISER, 2009).
7
Em mecânica dos fluidos, o número de Rayleigh para um fluido é um número adimensional associado com os fluxos
conduzidos por empuxo (também conhecidos como convecção livre ou convecção natural). Quando o número de Rayleigh é
mais baixo que o valor crítico para aquele fluido, a transferência de calor é primariamente na forma de condução; quando excede
o valor crítico, a transferência de calor é primariamente na forma de convecção.
Altura da chaminé (m)
Absortância solar
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
41
Maerefat e Haghighi (2010a) realizaram análises teóricas a fim de investigar a refrigeração e
ventilação em uma casa através da chaminé solar agrupada com um sistema de dutos de ar no subsolo. A
descoberta mostra que a chaminé solar pode ser perfeitamente utilizada para alimentar o sistema de
refrigeração subterrâneo durante o dia, sem necessidade de eletricidade. Além disso, este sistema com um
bom projeto, pode também proporcionar um ambiente interno termicamente confortável para um grande
número de horas nos dias de verão rigoroso no Irã, em que a temperatura do ar no exterior pode chegar a
50ºC.
Estes mesmos autores realizaram outro estudo associando o incremento produzido por chaminés
solares à refrigeração evaporativa, representando uma técnica de baixo consumo de energia para melhorar
a refrigeração passiva por meio da ventilação natural em um ambiente (Figura 2.37). Os resultados
mostram que mesmo quando a umidade relativa do ar for inferior a 50% e a TBS externa a 40ºC, o sistema
pode melhorar a condição do ar interior. Verifica-se então que o sistema proposto pode ser aplicado com
sucesso em climas quente e seco para satisfazer as expectativas de conforto térmico dos usuários
(MAEREFAT e HAGHIGHI, 2010b).
Figura 2.37 – Diagrama esquemático do sistema associando chaminé solar e refrigeração evaporativa
Fonte: (MAEREFAT e HAGHIGHI, 2010b).
A Figura 2.35 apresenta um resumo destas pesquisas desenvolvidas em torno do efeito do uso de
chaminés solares na ventilação natural em edificações.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
42
Clima Aplicação Configuração Desempenho Ferramenta
Pesquisa
Quente e úmido
Frio
Quente e Árido
Temperado
Parede
Telhado
Cumeeira
Altura
Largura
Comprimento
Inclinação
Espessura
Materiais
Aberturas
Velocidade do Ar
Ren/h
Temperatura
Diferença de Temp.
Escala real
Escala reduzida
Método Simplificado
Simulação
Barrozi et al, 1992
Bansal et al, 1993
Bouchair, 1994
Choudhury et al, 1995
Cho et al, 1999
Padki e Sherif, 1999
Afonso e Oliveira, 2000
Khedari et al, 2000
Waewsak et al, 2003
Ong, 2003
Drori, 2004
Li et al, 2004
Ding et al, 2005
Satwiko, 2005
Mathur et al, 2006
Jyotirmay et al, 2006
Chungloo et al, 2006
Nugroho et al, 2006
Harris e Helwig, 2006
Burek e Habeb, 2007
Sakonidou et al, 2008
Zamora e Kaiser, 2009
Maerefat e Haghighi, 2010a
Lee e Strand, 2009
Maerefat e Haghighi, 2010b
Figura 2.35 – Resumo das pesquisas apresentadas anteriormente sobre chaminé solar
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
43
3
METODOLOGIA
Nesta seção serão descritos os procedimentos metodológicos utilizados no desenvolvimento desta
pesquisa, a fim de atingir os objetivos propostos, apresentados em capítulo anterior. A palavra método
possui origem grega e significa caminho. Na linguagem técnica atual, a palavra método pode ser utilizada
para descrever um conjunto de ações que conduzirão a um determinado conhecimento (VIEGAS, 2007).
A metodologia deste trabalho consiste em duas etapas:
1. Simulações Computacionais utilizando o software: EnergyPlus, no intuito de obter valores
referentes ao desempenho dos sistemas analisados;
2. Análise comparativa dos resultados obtidos, de modo a produzir informações que
possibilitem contemplar os objetivos propostos neste trabalho.
3.1 – SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS
Foram realizadas simulações computacionais utilizando o software EnergyPlus
8
. Estas simulações
foram realizadas tanto do modelo com a chaminé convencional, quanto do modelo dotado de chaminé
solar, sendo que o segundo sofreu alterações na inclinação do coletor, variando-a de modo que os raios
solares incidam perpendicularmente no coletor para cada mês do ano.
As simulações foram realizadas considerando dois dias típicos de projeto, um para o inverno e
outro para o verão, representados pelos dias 22 de junho e 22 de dezembro (Solstícios de inverno e verão
respectivamente) . Os modelos foram simulados de modo a verificar a influência que a temperatura,
radiação incidente, geometria e inclinação do coletor solar da chaminé possuem sobre a alteração da
velocidade do ar no interior da edificação.
8
O software EnergyPlus foi elaborado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos e é considerado internacionalmente
como um dos melhores da atualidade (HAGEL, 2005).
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
44
3.1.1 – DESCRIÇÃO DOS MODELOS DIGITAIS DOS SISTEMAS SIMULADOS
Foram investigadas duas configurações distintas de chaminés, uma chaminé convencional e uma
chaminé solar. Os espaços internos da edificação em estudo tem dimensões iguais, com 1,30m x 2,40m e
pé direito de 2,20m, gerando um volume de ar no interior da edificação de 6,89m³, onde nos dois casos, as
chaminés funcionam como abertura de saída do ar, localizadas no lado oposto às aberturas de entrada de
ar. Para as aberturas de entrada do ar nas células de teste, utilizou-se as mesmas dimensões para os dois
modelos, com peitoril de 0,30m e altura de 0,50m, com largura de 0,80m. Para a abertura de saída da
célula (abertura de entrada da Chaminé) e para a abertura de saída da chaminé, foram consideradas
dimensões de 1,00m x 0,18m e altura de 2,02m, conforme apresentado com maiores detalhes nas Figuras
3.1 e 3.2.
2.40
1.30
0,80 x 0,50
0,30
1,00 x 0,18
2,02
Figura 3.3 – Planta Baixa do modelo a ser simulado
(SEM ESCALA)
(a) (b)
Figura 3.4 – Vista das aberturas de entrada (a) e saída (b) do ar para os modelos computacionais de edifícios – sem escala
A abertura de conexão entre a célula e a chaminé localiza-se na fachada Norte e a chaminé solar
possui 1,80m de altura a partir da face externa da laje da edificação, sendo esta dimensão obtida a partir
da relação ótima proposta por Bouchair (1994) e por Li et al (2004) sendo S/L
igual a 1/10.
Face Sul
Face Norte
Conexão entre a célula-teste
e a chaminé
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
45
As paredes das Chaminés apresentam alta absortância, por estarem pintadas de preto,
favorecendo o aquecimento do ar no interior da mesma, conforme apresentado nas Figuras 3.3 e 3.4.
Figura 3.3 – Vista do modelo com chaminé solar horizontal (a) e do modelo com chaminé convencional (b) – sem escala
2.20
0.10
1.80
0.30 0.50
0.18
0.18
2.20
0.10
1.80
0.30 0.50
0.18
0.18
(a) (b)
Figura 3.4 – Corte esquemático do modelo com chaminé solar horizontal (a) e do modelo com chaminé convencional (b) – sem
escala
A inclinação do coletor solar foi considerada variável ao longo do ano, pois sabe-se que o ângulo
de incidência da radiação solar sobre qualquer superfície varia em função da latitude do lugar, da hora e do
dia. Quanto menor for este ângulo em relação à Normal, maior será a irradiância, ou seja, a quantidade de
energia solar que atinge cada unidade de área da superfície.
As simulações deste trabalho foram realizadas considerando a inclinação ótima do coletor a cada
mês do ano, com relatórios horários, para dias típicos de projeto no inverno e verão. Para tal, foi
(a)
(b)
vidro
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
46
considerado um dia médio de cada mês (dia 15) e calculada a altura solar (Tabela 1) a partir do ângulo de
declinação para estes dias, considerando cada uma das 8 cidades ao meio dia (AHS = 0
o
), bem como o
azimute (Tabela 2) para esta mesma condição, de modo a saber a posição relativa do sol e em seguida
calculou-se a inclinação do coletor (Tabela 3) a partir do ângulo complementar da altura encontrada.
Tabela 1 – Altura solar para cada cidade simulada mês a mês (dia 15 de cada mês) ao meio dia
ALT (Graus)
DEC (Graus)
Curitiba - PR
Urussanga - SC
Uberaba - MG
Brasília - DF
Araçatuba - SP
Campo Grande - MS
Petrolina - PE
Belém - PA
Janeiro -21.27 85.75 82.75 88.48 84.60 89.93 89.20 78.08 70.11
Fevereiro -13.29 77.77 74.77 83.54 87.42 82.09 82.82 86.06 78.09
Março -2.82 67.30 64.30 73.07 76.95 71.62 72.35 83.47 88.56
Abril 9.41 55.07 52.07 60.84 64.72 59.39 60.12 71.24 79.21
Maio 18.79 45.69 42.69 51.46 55.34 50.01 50.74 61.86 69.83
Junho 23.31 41.17 38.17 46.94 50.82 45.49 46.22 57.34 65.31
Julho 21.52 42.96 39.96 48.73 52.61 47.28 48.01 59.13 67.10
Agosto 13.78 50.70 47.70 56.47 60.35 55.02 55.75 66.87 74.84
Setembro 2.22 62.26 59.26 68.03 71.91 66.58 67.31 78.43 86.40
Outubro -9.60 74.08 71.08 79.85 83.73 78.40 79.13 89.75 81.78
Novembro -19.15 83.63 80.63 89.40 86.72 87.95 88.68 80.20 72.23
Dezembro -23.34 87.82 84.82 86.41 82.53 87.86 87.13 76.01 68.04
Tabela 2 – Azimute para o meio dia a cada mês (dia 15) ao meio dia para cada cidade simulada
AZIMUTE (Graus)
Curitiba - PR
Urussanga - SC
Uberaba - MG
Brasília - DF
Araçatuba - SP
Campo Grande - MS
Petrolina - PE
Belém - PA
Janeiro 0.00 0.00 180.00 180.00 0.00 180.00 180.00 180.00
Fevereiro 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 180.00 180.00
Março 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 180.00
Abril 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Maio 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Junho 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Julho 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Agosto 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Setembro 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Outubro 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 180.00
Novembro 0.00 0.00 0.00 180.00 0.00 0.00 180.00 180.00
Dezembro 0.00 0.00 180.00 180.00 180.00 180.00 180.00 180.00
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
47
Tabela 3 – Inclinação ótima do Coletor para cada cidade simulada mês a mês (dia 15 de cada mês) ao meio dia*
INCLINAÇÃO DO COLETOR (Graus)
Curitiba - PR
Urussanga - SC
Uberaba - MG
Brasília - DF
Araçatuba - SP
Campo Grande - MS
Petrolina - PE
Belém - PA
Janeiro 4.25 7.25 1.52 5.40 0.07 0.80 11.92 19.89
Fevereiro 12.23 15.23 6.46 2.58 7.91 7.18 3.94 11.91
Março 22.70 25.70 16.93 13.05 18.38 17.65 6.53 1.44
Abril 34.93 37.93 29.16 25.28 30.61 29.88 18.76 10.79
Maio 44.31 47.31 38.54 34.66 39.99 39.26 28.14 20.17
Junho 48.83 51.83 43.06 39.18 44.51 43.78 32.66 24.69
Julho 47.04 50.04 41.27 37.39 42.72 41.99 30.87 22.90
Agosto 39.30 42.30 33.53 29.65 34.98 34.25 23.13 15.16
Setembro 27.74 30.74 21.97 18.09 23.42 22.69 11.57 3.60
Outubro 15.92 18.92 10.15 6.27 11.60 10.87 0.25 8.22
Novembro 6.37 9.37 0.60 3.28 2.05 1.32 9.80 17.77
Dezembro 2.18 5.18 3.59 7.47 2.14 2.87 13.99 21.96
* Os valores em vermelho foram considerados com inclinação de 0º (coletor horizontal)
Para as poucas situações em que o coletor deveria ser ligeiramente voltado para o Sul (Inclinação
negativa), no intuito de simplificar as simulações e propor um modelo de chaminé com construtibilidade
viável, considerou-se o coletor solar horizontal, com a abertura para saída de ar ainda localizada na
fachada norte.
Deste modo, todas as simulações foram realizadas com o coletor solar orientado para o norte,
conforme recomendação para as edificações localizadas no hemisfério sul, conforme apresentado na
Figura 3.5.
-15.00
-5.00
5.00
15.00
25.00
35.00
45.00
55.00
Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro Novembro Dezembro
Meses
Graus
Curitiba - PR Urussanga - SC Uberaba - MG Brasília - DF
Araçatuba - SP Campo Grande - MS Petrolina - PE Belém - PA
Figura 3.5 – Inclinação do coletor solar simulado para as 8 cidades analisadas, com orientação Norte.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
48
3.1.2 – CIDADES SIMULADAS
Foram simulados os modelos para 8 cidades brasileiras, uma para cada Zona Bioclimática
9
Brasileira (Figura 3.6) de acordo com a classificação da NBR-15220 (ABNT, 2003b).
Figura 3.6 – Zoneamento Bioclimático Brasileiro
Fonte: NBR-15220 (ABNT, 2003b)
O critério de escolha das cidades foi inicialmente a disponibilidade de dados para gerar dias típicos
de projeto para inverno e verão no software EnergyPlus, além da localização destas cidades, devendo
contemplar todas as regiões brasileiras, com seus climas diferenciados. A Figura 3.7 apresenta as cidades
que foram escolhidas para as simulações. O coletor solar, foi orientado na direção Norte, já que todas as
cidades a serem simuladas encontram-se no hemisfério sul.
Cidades Simuladas Estado
Zona
Bioclimática
Latitude Longitude Altitude (m)
Curitiba PR 1 -25.52 -49.18 934
Urussanga SC 2 -28.52 -49.32 130
Uberaba MG 3
-19.75 -47.92
743
Brasília DF 4 -15.87 -47.92 1171
Araçatuba SP 5 -21.20 -50.43 500
Campo Grande MS 6 -20.47 -54.67 532
Petrolina PE 7 -9.35 -40.55 376
Belém PA 8 -1.38 -48.48 10
Figura 3.7 – Relação das cidades utilizadas para simulações
9
A NBR-15220 dividiu o território brasileiro em oito zonas relativamente homogêneas quanto ao clima e, para cada uma destas
zonas e formulou um conjunto de recomendações tecno-construtivas que otimizam o desempenho térmico das edificações,
através de sua melhor adequação climática.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
49
3.1.3 – SISTEMA CONSTRUTIVO
Para elaboração dos modelos digitais, foi considerado o seguinte sistema construtivo:
As paredes externas do ambiente analisado são de alvenaria constituída por tijolo cerâmico maciço
(9,0 x 5,0 x 19,0cm), revestida em ambas as faces com 3 cm de argamassa de areia, cimento e cal,
pintadas com tinta branca, sendo as chaminés construídas com chapas de alumínio pintadas de preto, com
0,001m de espessura e aberturas de entrada e saída do ar medindo 0,18 x 1,00 m.
O coletor inserido no modelo com chaminé solar é formado por uma placa de vidro simples
(3,0 mm), que segundo Caram et al (1995) é o tipo de vidro que permite maior transmissão de radiação
solar para o interior da edificação, intensificando o efeito estufa.
A seção da chaminé onde encontra-se o coletor solar, possui um isolamento térmico de 5 cm de
espessura, constituído de poliestireno expandido, de modo a evitar as trocas térmicas por convecção entre
a chaminé e o ar do entorno, assim como as trocas térmicas por condução entre as chapas que compõem
este dispositivo e o ambiente interno. A coberta é em laje de concreto com 10 cm de espessura, também
pintada de branco. A laje do piso da célula é constituída por uma camada de concreto aplicada diretamente
sobre o solo, permitindo trocas térmicas entre a célula e o solo.
3.1.4 – CONSTRUÇÃO DO MODELO NO SOFTWARE ENERGYPLUS
Para a Construção dos modelos para simulações no EnergyPlus, inicialmente pretendeu-se utilizar
o objeto “Zone:ThermalChimney” para configuração dos parâmetros utilizados na Chaminé solar, conforme
apresentado na Figura 3.8.
Figura 3.8 – Dados de entrada para o Módulo “Zone:ThermalChimney” do Software EnergyPlus
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
50
Porém, este objeto limita-se a resolver simulações em chaminés solares verticais e similares ao
modelo utilizado por Ong (2003), além de não possuir compatibilidade com os objetos “AirflowNetwork” que
calculam o fluxo de ar entre zonas e o exterior, através de frestas e janelas.
Deste modo, optou-se por utilizar os objetos do módulo AirflowNetwork (Figura 3.9). No módulo
relacionado à ventilação natural são determinados os links (entradas) do fluxo de ar, as características do
entorno da edificação, as condições de abertura das janelas e portas e as condições de ventilação. O
algoritmo permite que sejam criados schedules (agendas) de controle, de disponibilidade de ventilação,
entre outras.
Figura 3.9 – Objetos do Módulo AirflowNetwork utilizados para as simulações contidas neste trabalho
Observa-se também na figura 3.9 que os coeficientes de pressão foram inseridos diretamente pelo
usuário. A obtenção de dados precisos de coeficiente de pressão demanda um esforço considerável. Ao
mesmo tempo existe uma grande oferta de valores “aproximados” a partir de medições já realizadas em
alguns Institutos de Pesquisa.
Uma forma de determinar os coeficientes de pressão é a base de dados destes coeficientes
medidos no Japão (Wind Effects on Buildings and Urban Environment
10
). Nesta base de dados pode-se
escolher a geometria da edificação e as proporções desta para analisar os resultados encontrados dos
coeficientes de pressão.
Porém, para este trabalho, optou-se por adotar os coeficientes apresentados nos fundamentos da
ASHRAE (ASHRAE, 2004), que trata de coeficientes de pressão para edificações localizadas em
ambientes urbanos, com proporções mais semelhantes às dos objetos simulados.
10
http://www.wind.arch.t-kougei.ac.jp/info_center/windpressure/
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
51
Inicialmente, utilizou-se as medições obtidas por Mathur et al (2006) em uma chaminé solar
localizada na cidade de Jaipur, Índia (Figura 3.10), para o dia 21 de junho. Elaborou-se então um dia típico
de projeto (Designday) a partir do arquivo climático de Jaipur disponível na base de dados do software
EnergyPlus e das medições realizadas nesse estudo de referência, de modo a testar os valores para os
coeficientes de pressão adotados neste trabalho.
Figura 3.10 – Esquema do modelo adotado por Mathur (et al, 2006)
Fonte: Mathur (et al, 2006)
Esta etapa do trabalho consistiu na calibração das simulações, visto que não haviam medições dos
coeficientes de pressão para edificações idênticas às consideradas neste trabalho, de modo a verificar a
consistência dos dados obtidos para o modelo adotado, pois, como mencionado anteriormente, não
aplicou-se neste trabalho os objetos específicos para “chaminé térmica” disponibilizado pelo software
utilizado.
Desse modo, foi possível realizar a primeira simulação para calibração do Módulo AirflowNetwork,
além de verificar a possibilidade de utilização deste módulo para simular chaminés solares. Observou-se a
possibilidade de utilização do módulo, devido à semelhança entre os valores medidos por Mathur et al
(2006) e as simulações realizadas com o EnergyPlus, conforme observado nas figuras 3.11 e 3.12
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
52
150.00
155.00
160.00
165.00
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10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00
Hora
Fluxo de ar (kg/h)
45º Mathur (et al, 2006) 45º Simulação E+ 30º Mathur (et al, 2006) 30º Simulação E+
Figura 3.11 – Gráfico comparativo dos fluxos de ar medidos por Mathur (et al, 2006) e Simulados no EnergyPlus
400.00
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10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00
Hora
Radiação (W/m²)
45º Mathur (et al, 2006) 45º Simulação E+ 30º Mathur (et al, 2006) 30º Simulação E+
Figura 3.12 – Gráfico comparativo das radiações incidentes no coletor medidos por Mathur (et al, 2006) e Simulados no
EnergyPlus
Para as simulações considerou-se a direção do vento variando a cada 45 graus (Figura 3.13), e
todas as áreas para entrada e saída do ar sempre abertas, permitindo a circulação permanente do ar.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
53
Figura 3.13– Características do vento para definição dos coeficientes de pressão nas superfícies
Na elaboração dos Designdays, optou-se por manter a velocidade do vento externa igual a
0,01m/s, de modo a verificar apenas a ventilação gerada pelo efeito chaminé (diferença de pressão) e pelo
efeito estufa no interior da chaminé solar, minimizando os efeitos gerados pela força do vento exterior,
além de propor soluções para regiões com alta densidade urbana, onde a ventilação natural na altura das
aberturas é muitas vezes imperceptível pelo ser humano.
3.2 – FORMA DE ANÁLISE DOS DADOS
Neste trabalho, aplicou-se o método comparativo a partir de simulações computacionais. Este
método baseia-se em um modelo de referência (neste caso uma edificação com chaminé convencional),
comparando os resultados com os obtidos para os demais modelos analisados.
Os resultados são apresentados na forma de imagens e textos, a fim de fornecer aos profissionais
da construção civil material informativo que permita uma avaliação adequada do desempenho do
dispositivo arquitetônico aqui examinado, em relação à ventilação natural de futuras edificações para as
cidades analisadas, nas diversas regiões do território brasileiro.
Quanto a elaboração dos modelos simplificados, foram realizadas regressões utilizando o software
Origin 8.0, um programa para geração de gráficos e tratamento de dados estatísticos. A partir da
correlação encontrada entre as variáveis estudadas neste trabalho.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
54
4
RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES
Esta seção apresenta as cidades consideradas para as simulações deste trabalho, os resultados
das simulações para cada caso analisado e as comparações desenvolvidas a partir das simulações
computacionais.
4.1 – CIDADES SIMULADAS
4.1.1 – CURITIBA - PR
Curitiba está localizada na região Sul do Brasil (Figura 4.1) na Zona Bioclimática 01, ao Sul do
Trópico de Capricórnio, onde os sistemas atmosféricos intertropicais e polares travam confrontos, além de
sua localização na borda oriental do Primeiro Planalto Paranaense em altitudes de 900m. Curitiba
caracteriza-se por apresentar temperaturas mais elevadas nos meses de dezembro, janeiro e fevereiro,
quando a quantidade de energia solar disponível é maior e predomina a atuação de sistemas atmosféricos
intertropicais e temperaturas mais baixas nos meses de junho, julho e agosto, quando a energia solar
disponível é reduzida e predomina a atuação dos sistemas atmosféricos polares. Adicionalmente, a sua
situação topográfica assegura à cidade um caráter de clima mesotérmico úmido com verão quente
(DANNI-OLIVEIRA, 1999).
Figura 4.1 – Localização da Cidade de Curitiba-PR
Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Parana_Municip_Curitiba.svg
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
55
As principais estratégias bioclimáticas para a cidade de Curitiba segundo as recomendações da
Carta bioclimática de Givoni
11
são o aquecimento solar passivo e Inércia Térmica para aquecimento, porém
ainda requer em 1,5% das horas a ventilação natural principalmente no verão, entre os meses de
dezembro e março (Figura 4.2).
Figura 4.2 – Carta Bioclimática de Givoni para a cidade de Curitiba - PR
Fonte: Software ABC Versão 1.3 (2008)
4.1.2– URUSSANGA – SC
Urussanga está localizado no estado de Santa Catarina, a 185 km da capital Florianópolis,
conforme apresentado na figura 4.3. Possui uma área de 237,41 km². Está situado na Zona Bioclimática 02
e possui segundo a metodologia proposta pela classificação climática de Köppen
12
, clima subtropical
úmido, sem estação seca, com verão quente. As temperaturas variam entre 42,2°C (máxima) e -4,6°C
(mínima), com uma média de 19,2°C. O inverno é frio e úmido com geadas ocasionais. As chuvas são bem
distribuídas durante as estações do ano, não ocasionando longos períodos de secas e nem inundações
freqüentes. O seu índice pluviométrico é de 1540 mm/ano e a umidade relativa do ar é de 81,5% em
média. Velocidade média do vento é de 2,0m/s (MONTEIRO e FURTADO, 1995).
11
Em 1992, Givoni desenvolveu uma carta bioclimática para as edificações baseada nas condições internas do edifício e propõe
estratégias construtivas para adequação da arquitetura ao clima. A carta é elaborada sobre um diagrama psicrométrico, onde os
dados climáticos de uma determinada região podem ser plotados na carta, obtendo as estratégias a serem seguidas.
12
Classificação climática de Köppen-Geiger, mais conhecida por classificação climática de Köppen, é o sistema de classificação
global dos tipos climáticos mais utilizada em geografia, climatologia e ecologia.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
56
Figura 4.3 – Localização da cidade de Urussanga - SC
Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:SantaCatarina_Municip_Urussanga.svg
As recomendações bioclimáticas para a cidade de Urussanga conforme a carta de Givoni solicitam
predominantemente estratégias para aquecimento, como Aquecimento solar passivo e Inércia Térmica
para aquecimento, apenas em 0,5% das horas ocorre a solicitação de ventilação natural, entre os meses
de dezembro e fevereiro, conforme é possível perceber na figura 4.4.
Figura 4.4 – Carta Bioclimática de Givoni para a cidade de Urussanga - SC
Fonte: Software ABC Versão 1.3 (2008)
4.1.3– UBERABA – MG
Uberaba (Figura 4.5) encontra-se na latitude de 19
o
59' S, longitude de 47
o
53' W e altitude de
742,9 metros, no estado de Minas Gerais. Segundo a classificação internacional de Köppen, o clima da
região é tropical quente úmido, com inverno frio e seco. O total médio de chuvas no mês mais seco da
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
57
série foi de 12,5 mm (mês de agosto) e no mês mais chuvoso foi de 283,6 mm (mês de janeiro) e o total
anual médio, de 1584,2 mm com média anual da umidade relativa de 64%. Faz parte do Planalto Arenítico
Basáltico da Bacia do Paraná. O relevo varia de plano ligeiramente ondulado na maioria absoluta de área
do município, até fortemente ondulado (SILVA et al, 2003).
Figura 4.5: Localização da cidade de Uberaba - MG
Fonte:
http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:MinasGerais_Municip_Uberaba.svg
Figura 4.6: Carta Bioclimática de Givoni para Uberaba - MG
Fonte: Software ABC Versão 1.3, 2008
De acordo com a Norma de Zoneamento Bioclimático Brasileiro (NBR-15220/3), a cidade de
Uberaba localiza-se na zona bioclimática 3 e possui como principais estratégias bioclimáticas o
aquecimento solar passivo para o inverno e a ventilação natural no verão, principalmente entre os meses
de novembro e abril, conforme observa-se na figura 4.6.
4.1.4 – BRASÍLIA - DF
Brasília (Figura 4.7) encontra-se a 15°50’16" sul, 47°42’48" oeste. O clima de Brasília se apresenta
como semi-seco com duas estações bem definidas: a seca e a úmida. As temperaturas médias variam de
18º em julho e 23º em setembro, com grandes variações diárias e as noites mais frias. A precipitação anual
é de 1750 mm e a umidade relativa é baixa. A radiação difusa é baixa enquanto a radiação direta é
bastante intensa. Os ventos predominantes chuvosos vêm do Norte, enquanto os secos vêm do Sudeste.
Os ventos frios normalmente atingem a região pelo Sul. Brasília encontra-se a 1.100 m do nível do mar e
possui ainda o agravante de que as massas quentes conduzem pó em suspensão no período quente
(GOULART et al, 1997).
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
58
Figura 4.7 – Localização da cidade de Brasília – DF
Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Brazil_State_DistritoFederal.svg
Segundo a Carta Bioclimática de Givoni, as recomendações para a cidade de Brasília são
principalmente o aquecimento solar e a inércia térmica para aquecimento, porém para resfriar, requer
ventilação natural em alguns meses (novembro a abril), como é possível observar na figura 4.8.
Figura 4.8 – Carta Bioclimática de Givoni para a cidade de Brasília - DF
Fonte: Software ABC Versão 1.3, 2008
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
59
4.1.5 – ARAÇATUBA - SP
Araçatuba (Figura 4.9) é um município do Estado de São Paulo. Localiza-se a uma latitude
21º12'32" sul e a uma longitude 50º25'58" oeste, com uma altitude de 390 m. O Clima de Araçatuba é o
Tropical com seca no inverno (Classificação Climática de Köppen), com Médias anuais de 25,0°C, sendo o
mês mais quente o de janeiro com 28,3°C e o mês mais frio o julho com 19,8°C. A máxima absoluta já
registrada foi de 43,5°C e a mínima absoluta foi de 3,8°C (SOARES FILHO, 2001).
Figura 4.9 – Localização da cidade de Araçatuba – SP.
Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:SaoPaulo_Municip_Aracatuba.svg
A Carta Bioclimática de Givoni para a cidade de Araçatuba apresenta solicitação de ventilação
natural no verão (Dezembro a Março) incluindo a ventilação noturna, como pode-se observar na figura
4.10.
Figura 4.10 – Carta Bioclimática de Givoni para a cidade de Campo Grande - MS
Fonte: Software ABC Versão 1.3, 2008
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
60
4.1.6 – CAMPO GRANDE - MS
Campo Grande (Figura 4.11) é um município da região Centro-Oeste, capital do estado de Mato
Grosso do Sul. Está localizado geograficamente na porção central deste estado. Possui uma latitude
20º26'34" Sul e uma longitude 54º38'47" Oeste. O clima predominante de Campo Grande, conforme
classificação de Köppen, é do tipo tropical chuvoso de Savana, caracterizado por má distribuição anual das
chuvas, com ocorrência bem definida de um período seco durante os meses mais frios do ano e um
período chuvoso durante os meses de verão. A temperatura média anual é em torno de 23ºC; dezembro é
o mês mais quente, aproximadamente 25ºC, e junho o mais frio, com 18ºC em média (OLIVEIRA et al,
2003).
Figura 4.11 – Localização da cidade de Campo Grande – MS.
Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:MatoGrossodoSul_Municip_CampoGrande.svg
A figura 4.12 apresenta as estratégias bioclimáticas recomendadas para a cidade de Campo
Grande ao longo do ano, segundo a Carta de Givoni, que indica que em 22.9% das horas do ano há a
necessidade de ventilação natural, tornando esta uma das principais estratégias para obtenção de
conforto, juntamente com o aquecimento solar passivo e a Inércia Térmica para aquecimento.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
61
Figura 4.12 – Carta Bioclimática de Givoni para a cidade de Campo Grande - MS
Fonte: Software ABC Versão 1.3, 2008
4.1.7 – PETROLINA – PE
Petrolina (Figura 4.13) é um município pernambucano, banhado pelo rio São Francisco, localizado
a uma latitude 09º23'55" sul e a uma longitude 40º30'03" oeste. Em conjunto com o vizinho município de
Juazeiro, na Bahia, forma o maior aglomerado urbano do semi-árido. O clima da região é do tipo BSwh,
segundo a classificação de Köeppen, que corresponde a uma região climaticamente árida, com período
chuvoso de janeiro a abril (TEIXEIRA e AZEVEDO, 1996).
Figura 4.13 – Localização da cidade de Petrolina – PE.
Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Petrolina.png
As recomendações para a cidade de Petrolina segundo a Carta Bioclimática de Givoni apresentam
estratégias como Inércia Térmica para resfriamento e Resfriamento evaporativo como as principais
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
62
solicitações para obtenção de conforto, porém, em alguns momentos, principalmente no verão, em que há
a necessidade de ventilação natural, conforme apresentado na figura 4.14.
Figura 4.14 – Carta Bioclimática de Givoni para a cidade de Petrolina – PE.
Fonte: Software ABC Versão 1.3, 2008
4.1.8 – BELÉM – PA
Belém (Figura 4.15) é a capital do Pará e localiza-se próximo à linha do Equador, com latitude de
01º27’21” sul e longitude 48°30'14", com clima quente e úmido, tipicamente equatorial, que sofre influência
direta da floresta amazônica, onde as chuvas são constantes. O índice pluviométrico é de 2889 mm(ano)
(GOULART et al, 1997).
Figura 4.15 – Localização da cidade de Belém – PA
Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:Para_Municip_Belem.svg
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
63
A figura 4.16 apresenta as estratégias bioclimáticas recomendadas para a cidade de Belém,
conforme a Carta Bioclimática de Givoni, na qual pode-se observar a ampla necessidade de ventilação
natural (70.7% das horas anuais) ao longo de todo ano, além de resfriamento artificial.
Figura 4.16 – Carta Bioclimática de Givoni para a cidade de Belém – PA.
Fonte: Software ABC Versão 1.3, 2008
4.2 – CHAMINÉ CONVENCIONAL
As figuras 4.17 a 4.24 apresentam o comportamento da temperatura no interior da chaminé e da
TBS (Temperatura de Bulbo Seco) do ar exterior ao longo dos dias de projeto considerados neste trabalho.
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Figura 4.17 – Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para o
modelo com chaminé convencional na cidade de Curitiba – PR
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
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Figura 4.18 – Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para o
modelo com chaminé convencional na cidade de Urussanga – SC.
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Figura 4.19: Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para o modelo com
chaminé convencional na cidade de Uberaba – MG.
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TBS Temp. do ar no interior da chaminé
Figura 4.20 – Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para o modelo com
chaminé convencional na cidade de Brasília – DF.
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VERÃO
Hora
TBS Temp. do ar no interior da chaminé
Figura 4.21 – Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para o modelo com
chaminé convencional na cidade de Araçatuba – SP.
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INVERNO
VERÃO
Hora
TBS Temp. do ar no interior da chaminé
Figura 4.22 – Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para o modelo com
chaminé convencional na cidade de Campo Grande – MS.
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VERÃO
Hora
TBS Temp. do ar no interior da chaminé
Figura 4.23 – Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para o modelo com
chaminé convencional na cidade de Petrolina – PE.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
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VERÃO
TBS Temp. do ar no interior da chaminé
Figura 4.24 – Gráfico do comportamento da temperatura (ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para o modelo com
chaminé convencional na cidade de Belém – PA.
A chaminé convencional comporta-se de modo a incrementar a ventilação natural durante o dia,
quando há incidência de radiação solar, nota-se que ocorre um aquecimento do ar no interior da chaminé
no período diurno, onde a diferença de temperatura (Dt) entre o ar no interior da chaminé e a TBS externa
pode chegar a 4ºC, mesmo no período de inverno, em decorrência das trocas térmicas entre as placas de
alumínio e o ar, à medida em que estas placas recebem calor por radiação solar.
Este aumento da temperatura do ar interno é provocado principalmente pelas trocas térmicas entre
o ar no interior da chaminé e as placas de alumínio que compõem a chaminé, pois estas superfícies
possuem alta absortância, favoreceu o efeito chaminé e conseqüentemente houve um incremento da
ventilação natural no interior deste espaço.
Observa-se que caso não houvesse o aquecimento das placas de alumínio que compõem a
chaminé por meio da radiação solar, o fluxo do ar alcançaria valores entre 100 e 111Kg/h, pois durante o
período noturno as placas estão perdendo calor para o ambiente externo e alcançando temperaturas
abaixo da TBS externa, porém conforme ocorre este aquecimento, a taxa de ventilação natural também
aumenta chegando a aproximadamente 171 Kg/h no inverno e 166 Kg/h de ar no verão, para as cidades
em que este dispositivo apresentou melhor potencial nos horários próximos ao meio dia, quando há maior
incidência de radiação solar nas placas de alumínio (Figura 4.25).
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
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INVERNO VERÃO
Hora
Vazão do ar (Kg/h)
Curitiba-ZB1 Urussanga-ZB2 Uberaba-ZB3 Brasília-ZB4
Araçatuba-ZB5 Campo Grande-ZB6 Petrolina-ZB7 Belém-ZB8
Figura 4.25 – Gráfico do comportamento do fluxo de ar (Kg/h) no inverno e no verão para o modelo com chaminé convencional
nas cidades simuladas.
Deve-se observar também que ocorre uma inversão no sentido do fluxo de ar durante os períodos
com e sem a incidência de radiação solar nas placas de alumínio (dia e noite), conforme apresentado na
figura 4.26, onde é possível perceber que a chaminé no período da noite funciona como uma chaminé
captadora do ar exterior. Esta inversão ocorre nos momentos em que a temperatura do ar no interior da
chaminé se iguala à TBS exterior.
(a) (b)
Figura 4.26 – Esquema do fluxo do ar no interior das edificações analisadas (a) para o período noturno e (b) para o período
diurno.
Onde: Ti – Temperatura do ar no interior da Chaminé, Te – Temperatura do ar no exterior (TBS)
Ti < Te Ti > Te
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
68
Em relação à vazão do volume do ar, observa-se que estes valores para o período noturno
assumem valores entre 0,026 e 0,028 m³/s, no sentido em que a chaminé funciona como abertura de
entrada do ar, havendo uma diminuição desta vazão no período em que ocorre a inversão do fluxo, no
período diurno. Para este período, há um incremento significativo da ventilação natural, conforme pode-se
observar na figura 4.27.
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
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INVERNO VERÃO
Hora
Vazão do ar (m³/s)
Curitiba-ZB1 Urussanga-ZB2 Uberaba-ZB3 Brasília-ZB4
Araçatuba-ZB5 Campo Grande-ZB6 Petrolina-ZB7 Belém-ZB8
Figura 4.27 – Gráfico do comportamento da vazão do ar (m³/s) no inverno e no verão para o modelo com chaminé convencional
nas cidades simuladas.
A velocidade do vento no interior da chaminé convencional, no período noturno ficou aquém do
valor mínimo (0,15m/s) para percepção humana, atingindo um valor máximo de 0,146m/s para as cidades
de Brasília e Petrolina no inverno e no verão atingindo valores máximos de 0,146m/s em Uberaba e
0,149m/s em Brasília, porém, ainda assim este dispositivo promoveu uma renovação do ar no interior do
ambiente, promovendo a remoção de poluentes e impurezas do ar.
Já para o período diurno, observou-se um incremento de aproximadamente 0,08m/s para a
velocidade do vento no inverno em relação à ventilação natural do período noturno com a utilização do
mesmo dispositivo arquitetônico, sendo a cidade de Curitiba a que obteve menor incremento no inverno
(0,06m/s) e Brasília a cidade que apresentou o melhor desempenho, com incremento de aproximadamente
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
69
0,09m/s. No verão, a cidade de Belém, apresentou o melhor desempenho com incremento da ventilação
natural em 0,08m/s, conforme pode-se observar na figura 4.28.
0.000
0.050
0.100
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INVERNO VERÃO
Hora
Velocidade do ar (m/s)
Curitiba-ZB1 Urussanga-ZB2 Uberaba-ZB3 Brasília-ZB4
Araçatuba-ZB5 Campo Grande-ZB6 Petrolina-ZB7 Belém-ZB8
Figura 4.28 – Gráfico do comportamento da velocidade média do ar (m/s) no inverno e no verão para o modelo com chaminé
convencional nas cidades simuladas.
4.3 – CHAMINÉ SOLAR
Para os modelos dotados de chaminé solar, em que ocorre a inserção de um coletor solar, também
ocorre o aquecimento do ar no interior da chaminé, porém, neste caso há o incremento do efeito estufa
provocado pelo vidro do coletor, o que acentua a diferença de temperatura (Dt) entre as temperaturas do
ar interno e do ar externo, podendo chegar a 6ºC no inverno e 7ºC no verão.
As figuras 4.29 a 4.36 apresentam o comportamento da temperatura do ar externo para cada uma
das cidades simuladas, além da média das temperaturas obtidas para o interior da chaminé solar em cada
um dos casos analisados.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
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5.00
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15.00
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INVERNO VERÃO
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Temperatura oC
Ar externo Temperatura no interior da Chaminé Solar
Figura 4.29 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para os modelos
com chaminé solar na cidade de Curitiba – PR.
0.00
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15.00
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INVERNO VERÃO
Hora
Temperatura oC
Ar externo Temperatura no interior da Chaminé Solar
Figura 4.30 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para os modelos
com chaminé solar na cidade de Urussanga - SC.
0.00
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INVERNO VERÃO
Hora
Temperatura oC
Ar externo Temperatura no interior da Chaminé Solar
Figura 4.31 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para os modelos
com chaminé solar na cidade de Uberaba - MG.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
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0:00
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Ar externo Temperatura no interior da Chaminé Solar
Figura 4.32 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para os modelos
com chaminé solar na cidade de Brasília - DF.
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23:00
0:00
INVERNO VERÃO
Hora
Temperatura oC
Ar externo Temperatura no interior da Chaminé Solar
Figura 4.33 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para os modelos
com chaminé solar na cidade de Araçatuba - SP.
0.00
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INVERNO VERÃO
Hora
Temperatura oC
Ar externo Temperatura no interior da Chaminé Solar
Figura 4.34 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para os modelos
com chaminé solar na cidade de Campo Grande - MS.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
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INVERNO VERÃO
Hora
Temperatura oC
Ar externo Temperatura no interior da Chaminé Solar
Figura 4.35 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para os modelos
com chaminé solar na cidade de Petrolina - PE.
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INVERNO VERÃO
Hora
Temperatura oC
Ar externo Temperatura no interior da Chaminé Solar
Figura 4.36 – Gráfico do comportamento da temperatura(ºC) do ar no exterior e do ar no interior da chaminé para os modelos
com chaminé solar na cidade de Belém - PA.
Ocorre então o aumento da ventilação natural no interior destes espaços, para mais de 180 Kg/h
de ar no período de inverno, com exceção da cidade de Curitiba, onde neste período a ventilação natural é
uma estratégia de projeto indesejável, e mais de 160Kg/h de ar no verão para todas as cidades simuladas.
Estes valores geram um incremento de aproximadamente 35% na taxa de ventilação no inverno e 39% no
verão (Figura 4.37).
Para estes casos, também ocorre a inversão do fluxo do ar entre o dia e a noite, devido à
incidência de radiação solar. Observe-se que nas simulações não foram consideradas cargas térmicas
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
73
internas ao ambiente padrão, que poderiam gerar aquecimento do ar no interior da célula, elevando a
necessidade de ventilação e as diferenças de temperatura entre interior e exterior.
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INVERNO VERÃO
Hora
Vazão do ar (Kg/h)
Curitiba-ZB1 Urussanga-ZB2 Uberaba-ZB3 Brasília-ZB4
Araçatuba-ZB5 Campo Grande-ZB6 Petrolina-ZB7 Belém-ZB8
Figura 4.37 – Gráfico do comportamento do fluxo de ar (Kg/h) para os modelos com chaminé solar para as 8 cidades simuladas.
Observa-se então a partir destas figuras que o aumento da ventilação natural depende da
diferença da temperatura entre o ar no interior da chaminé e a TBS externa (Dt) e não apenas do aumento
da temperatura, pois embora no verão a temperatura do ar interno em algumas cidades, como é o caso de
Uberaba, aproxime-se de 33ºC, este Dt foi menor que no inverno, quando ocorreu um Dt de 6,5ºC,
resultando uma ventilação natural maior no inverno que no verão.
Sabe-se também que a variação da temperatura interna do ar depende principalmente da radiação
solar incidente no coletor, provocando o efeito estufa no interior da chaminé e conseqüentemente
aumentando a temperatura do ar interno. Pode-se então afirmar que o incremento da ventilação natural no
interior de espaços dotados de chaminé solar depende da diferença de temperatura (Dt) entre o ar interno
e o ar externo e da radiação solar incidente no coletor solar.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
74
Estes valores evidenciaram a eficiência do dispositivo arquitetônico estudado em relação ao
fenômeno da ventilação natural, conforme pode-se observar na figura 4.38 onde é apresentado a
distribuição da vazão volumétrica do ar (m³/s).
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INVERNO VERÃO
Hora
Vazão do ar (m³/s)
Curitiba-ZB1 Urussanga-ZB2 Uberaba-ZB3 Brasília-ZB4
Araçatuba-ZB5 Campo Grande-ZB6 Petrolina-ZB7 Belém-ZB8
Figura 4.38 – Gráfico do comportamento da vazão do ar (m³/s) para os modelos com chaminé solar para as 8 cidades
simuladas.
Quanto à velocidade do ar (m/s), mesmo no período noturno a velocidade do ar apresentou valores
acima do mínimo solicitado para a ventilação natural (1,5m/s), promovendo um aumento significativo da
ventilação natural no interior dos espaços que possuem chaminé solar quando comparados com espaços
dotados de chaminé convencional.
A figura 4.39 apresenta a distribuição da velocidade do ar para cada uma das cidades simuladas
no inverno e verão, em m/s.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
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20:00
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INVERNO VERÃO
Hora
Velocidade do ar (m/s)
Curitiba-ZB1 Urussanga-ZB2 Uberaba-ZB3 Brasília-ZB4
Araçatuba-ZB5 Campo Grande-ZB6 Petrolina-ZB7 Belém-ZB8
Figura 4.39 – Gráfico do comportamento da velocidade do ar (m/s) para os modelos com chaminé solar para as 8 cidades
simuladas.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
76
5
ANÁLISES DAS SIMULAÇÕES
Ao comparar os modelos dotados de chaminé solar com o modelo que possui a chaminé
convencional, observa-se um incremento significativo na ventilação diurna decorrente da implantação deste
dispositivo, que promove um efeito estufa no interior da chaminé tornando o ar menos denso e mais
aquecido que o ar exterior, favorecendo a ventilação pelo efeito chaminé.
Este incremento na ventilação natural é observado mesmo nos meses em que não há solicitação
de ventilação natural, como é o caso dos meses de inverno. Para as cidades de Curitiba e Urussanga,
localizadas nas zonas bioclimáticas 1 e 2, em alguns meses do ano a baixa temperatura solicita
aquecimento, dispensando a ventilação natural e solicitando um mecanismo de abertura e fechamento da
chaminé solar, de modo que o usuário tenha controle sobre o funcionamento deste dispositivo e utilize-o
predominantemente no verão, enquanto no inverno utiliza outras estratégias para obtenção de conforto.
Observa-se também para estes casos que no período de verão, quando há solicitação de
ventilação natural, embora o fluxo de ar tenha sofrido um incremento mais significativo, o que torna este
dispositivo aplicável para as edificações situadas nestas zonas bioclimáticas, há pouca solicitação de
ventilação natural, o que exige cautela no uso deste elemento arquitetônico.
Para a cidade de Uberaba, o uso de chaminés solares pode induzir a ventilação natural no interior
dos espaços, visto que esta é uma das principais estratégias bioclimáticas para obtenção de conforto
térmico para o verão nesta cidade.
Verifica-se que nas cidades de Brasília e Araçatuba, as chaminés solares promovem um
incremento da ventilação natural no interior dos espaços de forma significativa, embora ocorra pouca
solicitação de ventilação natural, em apenas 4,7% e 6,3%das horas durante o ano respectivamente.
Para a cidade de Campo Grande, onde a solicitação de ventilação natural ocorre principalmente
nos meses entre outubro e maio (estação quente), este dispositivo apresentou resultados favoráveis para
que esta estratégia fosse alcançada, incrementando a ventilação diurna nos espaços internos.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
77
Na cidade de Petrolina, as chaminés solares incrementam a ventilação natural no interior dos
espaços de forma significativa, mesmo ocorrendo pouca solicitação de ventilação natural, e necessitando
de outras estratégias para resfriamento.
Deve-se ter cautela ao utilizar este dispositivo para a cidade de Petrolina, pois possui clima seco,
porém uma possibilidade é associar os efeitos da ventilação natural à refrigeração evaporativa, que é uma
das principais recomendações para esta cidade.
Para a cidade de Belém, o uso de chaminés solares proporcionou um incremento significativo na
ventilação natural nos espaços internos e, tendo em vista que esta é a principal estratégia bioclimática para
esta cidade e para toda a Zona Bioclimática 8, este dispositivo arquitetônico apresenta grande potencial de
utilização durante todo o ano.
Este dispositivo pode ser melhor aproveitado se utilizado nos meses quentes, em que há
solicitação de ventilação natural a partir da análise a Carta Bioclimática de Givoni, havendo a necessidade
de um dispositivo de fechamento para este controle na maioria das cidades analisadas, com exceção da
cidade de Belém.
A partir dos valores obtidos por simulação, pode-se afirmar que a ventilação natural induzida nos
espaços internos por chaminés solares varia associada à variação da incidência de radiação solar no
coletor e ao aumento da temperatura do ar no interior da chaminé, provocado pelo efeito estufa e pelas
trocas térmicas entre o ar e as superfícies da chaminé.
O impacto do aumento da radiação solar incidente no coletor, uma das principais variáveis que se
desejava analisar, foi avaliado em conjunto com o aumento da temperatura do ar no interior da chaminé
que também influencia o incremento da ventilação natural em espaços internos a partir da inserção de
chaminés solares para edificações localizadas no Brasil, tanto durante o Verão quanto no período de
Inverno.
Em geral, o uso de chaminés solares mostrou-se mais eficiente no verão, com exceção na cidade
de Belém, a figura 5.1 apresenta o incremento da ventilação natural para as 8 cidades analisadas no
inverno e no verão a partir do uso de chaminés solares, comparando-os com o modelo de referência,
dotado de chaminé convencional.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
78
0%
5%
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30%
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50%
Curitiba - PR
Urussanga - SC
Uberaba - MG
Brasília - DF
Araçatuba - SP
Campo Grande -
MS
Petrolina - PE
Belém - PA
Cidades Simuladas
(%)
inverno
verão
Figura 5.1 – Gráfico do incremento da ventilação natural (em porcentagem para a vazão do ar [Kg/h]) promovido pelo uso de
chaminé solar em relação à chaminé convencional nas 8 cidades analisadas.
A temperatura do ar no interior da chaminé pode ser obtida a partir da regressão
13
linear que
determina o comportamento desta variável em função da Radiação incidente no coletor solar e da
temperatura do ar no ambiente externo, que originou a seguinte equação:
Ti = - 0.85516 + 1.0003 (Te) + 0.01244 (Rad
b
bb
b
) (Eq.13)
Onde:
Ti – Temperatura do ar no interior da Chaminé (ºC);
Te – Temperatura do ar no exterior (ºC);
Rad
b
– Radiação incidente no Coletor Solar (W/m²).
Observa-se na figura 5.2 que os valores obtidos por esta regressão estão próximos aos valores
obtidos por simulação, já que os pontos distribuem-se ao longo da reta correspondente ao erro igual a
zero, indicando que os valores para temperatura do ar no interior da chaminé calculados tendem a estar
sempre próximos aos simulados e que portanto o modelo simplificado corresponde ao comportamento
encontrado por meio de simulação. Esta regressão apresentou coeficiente de correlação igual a 0.98.
13
Em estatística, regressão é uma técnica que permite explorar e inferir a relação de uma variável dependente (variável de
resposta) com variáveis independentes específicas (variáveis explicatórias). A análise da regressão pode ser usada como um
método descritivo da análise de dados (como, por exemplo, o ajustamento de curvas) sem serem necessárias quaisquer
suposições acerca dos processos que permitiram gerar os dados.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
79
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Temperatura do ar interna simulada oC
Temperatura do ar interna calculada oC
Linha do erro zero
Figura 5.2 – Relação entre os valores da Temperatura do ar no interior da chaminé solar obtidos por simulação e calculador por
meio do modelo simplificado.
Ao plotar a relação entre a vazão do ar e as variáveis que a influenciam, observa-se que estes
pontos apresentam tendência de curva, fato que indica correlação não linear entre as variáveis analisadas
(Figura 5.3).
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
-4 -2 0 2 4 6 8
Delta T (Temp int - Temp ext) oC
Vazão do ar (Kg/h)
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
0 200 400 600 800 1000
Radiação Incidente no Coletor Solar (W/m²)
Vazão do ar (Kg/h)
Curva de ajuste
(a) (b)
Figura 5.3 – Relação entre a Vazão do ar no interior da chaminé e (a) Dt, (b) Radiação Solar incidente no coletor
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
80
Por meio de regressão não linear foi possível determinar a equação cuja curva melhor represente o
conjunto de pontos obtidos por simulação para estas variáveis. A partir de um modelo simplificado que
permite o cálculo do fluxo do ar no interior de uma edificação dotada de chaminé solar e localizada no
Brasil definida da seguinte forma:
Para Dt < 0, quando a Temperatura do ar no interior da Chaminé é menor que a TBS externa
(normalmente durante a noite, devido ao calor emitido da chaminé para a atmosfera, por radiação em
ondas longas), tem-se:
Vazão = 116.54737 – 1.53316 (Ti) – 23,83867 (D
DD
DT) - 0.60957 Rad
b
bb
b
+ 0.00416 (Rad
b
bb
b
)
2
(Eq. 14)
E para Dt > 0, quando a Temperatura do ar no interior da Chaminé é maior que a TBS externa,
tem-se:
Vazão = 46.1617 + 0.05564 Rad
b
bb
b
+ 33.95327 (Ti-Te) – 2.49463 (Ti-Te)
2
(Eq. 15)
Onde:
Vazão = Vazão do ar em Kg/h
Rad
b
– Radiação incidente no Coletor Solar (W/m²);
Ti – Temperatura do ar no interior da Chaminé (ºC);
Te – Temperatura do ar no exterior (ºC)
Nota-se na figura 5.4 que os resultados com a aplicação do modelo simplificado apresentam
razoável conformidade com os obtidos através das simulações, tendo-se em conta suas limitações e as
hipóteses admitidas, já que os pontos distribuem-se sempre ao longo da reta correspondente ao erro igual
a zero.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
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0
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0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 160.00
180.00
Vazão do ar Simulada (Kg/h)
Vazão do ar calculada (Kg/h)
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
0 50 100 150 200 250
Vazão do ar simulada Kg/h (E+)
Vazão do ar calculada (Kg/h)
Linha de erro zero
(a) (b)
Figura 5.4 - Fluxo do ar calculado X simulado para o caso em que (a) Dt < 0 e para o caso em que (b) Dt > 0.
Quanto ao Coeficiente de Correlação
14
para estas regressões, encontrou-se valores de 0.85 para a
equação 13 e 0.95 para a equação 14, o que representa uma correlação forte e fortíssima
respectivamente, além de direta entre as variáveis analisadas, tornando possível obter por meio de cálculo
valores próximos aos simulados. O desvio padrão
15
também foi satisfatório, com valores de 4.04 quando
Dt < 0 e de 7.06 quando Dt > 0.
Em relação à chaminé convencional, é possível determinar a temperatura do ar no interior da
chaminé em função da Temperatura do ar no exterior e da temperatura superficial nas paredes de alumínio
que a compõem.
Ti = 0.07464 + 0.74844 (Te) + 0.2453 (Ts) (Eq.16)
Onde:
Ti – Temperatura do ar no interior da Chaminé (ºC);
Te – Temperatura do ar no exterior (ºC);
Ts – Temperatura superficial nas paredes da chaminé (ºC).
14
O coeficiente de correlação representa a relação entre duas ou mais variáveis. Se existe relação direta, é positivo. Se a
relação é inversa, é negativo. Este coeficiente assume apenas valores entre -1 e 1.
15
Em probabilidade e Estatística, o desvio padrão é a medida mais comum da dispersão estatística. O desvio padrão define-se
como a raiz quadrada da variância.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
82
Observa-se na figura 5.5 que o modelo simplificado obtido por regressão apresentada boa
conformidade com os resultados obtidos por meio de simulação, pois os pontos plotados no gráfico
(Valores simulados x Valores Calculados) apresentam-se ao longo da reta correspondente ao erro igual a
zero, com mais evidência que os casos anteriores devido a altíssima correlação entre as variáveis
analisadas que é 0.99.
0
5
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20
25
30
35
40
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Temperatura do ar interno simulado (oC)
Temperatura do ar interno calculado (oC)
Linha de erro zero
Figura 5.5 – Relação entre os valores da Temperatura do ar no interior da chaminé convencional obtidos por simulação e
calculador por meio do modelo simplificado.
É possível também elaborar um modelo simplificado para a vazão do ar em função das variáveis
estudadas acima, de modo que seja possível estimá-la sem que haja medições ou simulações do fluxo do
ar em chaminés convencionais com características similares às estudadas neste trabalho, deste modo,
define-se a vazão do ar para uma chaminé convencional a partir da seguinte equação:
Vazão = 13.03431+36.73726(D
DD
Dt) -0.13019Ts - 34.10197(D
DD
Dt)-63.61397(D
DD
Dt
2
) +52.3603(Ts)-0.49047(Ts
2
) .
Ti
(Eq.17)
Onde:
Dt – Diferença de temperatura entre o ar interno e o externo (Ti – Te) (ºC)
Ts – Temperatura superficial nas paredes da chaminé (ºC)
Ti – Temperatura do ar no interior da chaminé (ºC)
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
83
A figura 5.6 representa a relação entre os valores da vazão do ar no interior da chaminé
convencional obtidos por meio de simulação e calculados através do modelo simplificado, que possui um
coeficiente de correlação de 0.93, além de apresentar a distribuição dos pontos no gráfico ao longo da
linha de erro zero.
0
20
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60
80
100
120
140
160
180
200
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Vazão do ar Simulado (Kg/h)
Vazão do ar Calculado (Kg/h)
Linha de erro zero
Figura 5.6 – Relação entre os valores da vazão do ar no interior da chaminé convencional obtidos por simulação e calculados
por meio do modelo simplificado.
Estas equações obtidas por meio de regressão são aplicáveis apenas para (Rad
b
> 0), quando há
influência do dispositivo analisado na velocidade do vento no interior das edificações e para as
configurações de chaminés apresentadas neste trabalho. O fluxo do ar é dado em Kg/h, porém, a partir da
densidade do ar é possível determinar o volume que atravessa o ambiente e conseqüentemente calcular o
número de renovações de ar por hora (ren/h).
Sabe-se que quanto mais aquecido estiver o ar, mais leve também será. É possível determinar a
densidade de ar em função da sua temperatura, a partir da equação que segue, sugerida por Mathur (et al,
2006):
r
rr
r
f
= [1.1614 – 0.00353 ( T
ar
– 300 )] (Eq.18)
Onde:
r
f
– Densidade do ar (Kg/m³)
T
ar
– Temperatura do ar (em Kelvin)
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
84
A radiação solar (em W/m²) incidente no coletor solar pode ser calculada ou medida no plano
inclinado, onde encontra-se o coletor.
De posse destas equações, é possível determinar o fluxo potencial de ar em espaços internos a
partir de medições ou estimativas de temperatura e radiação solar em edificações construídas no Brasil e
dotadas de chaminés solares, com características similares às estudadas neste trabalho, tendo em vista
que os aparelhos para medição de velocidade do ar no interior dos espaços, em sua maioria possuem
custo elevado, baixa precisão e pouca resistência, enquanto os instrumentos para medição de temperatura
do ar, temperatura superficial e de radiação solar são mais acessíveis.
As análises abrangeram diversos climas brasileiros, sendo uma cidade para cada zona
bioclimática, de modo a obter valores para a ventilação natural induzida por chaminé solar, indicando ser
sempre superior à ventilação induzida por chaminé convencional.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
85
6
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Este trabalho analisou a influencia do uso de chaminés solares no incremento da ventilação natural
para espaços internos em 8 cidades brasileiras, localizadas em Zonas bioclimáticas diferentes e para todos
os casos, este dispositivo apresentou resultado satisfatório. Porém, observou-se a necessidade de incluir
um sistema de fechamento que permita ao usuário controlar a ventilação. Esta necessidade acontece em
todas as regiões brasileiras, exceto na zona bioclimática 08 (Cidade de Belém-PA), onde há solicitação de
ventilação natural durante todo o ano.
A utilização de simulações computacionais mostrou-se uma ferramenta satisfatória e possibilitou a
realização das avaliações desejadas. O software utilizado, além de fornecer dados confiáveis, é capaz de
simular as edificações analisadas neste trabalho para os dias de projeto para inverno e verão em um
período de tempo reduzido, cada modelo sendo simulado em aproximadamente 3 segundos.
A inserção destas chaminés em uma edificação modifica a distribuição dos campos de pressão,
influenciando positivamente no deslocamento do fluxo de ar mesmo no inverno, quando a ventilação
natural não é desejada em algumas cidades analisadas.
A alta absortância das paredes da chaminé promoveram o aquecimento do ar de modo que
mesmo nos modelos sem o coletor solar (chaminé convencional) ocorreu um incremento significativo da
ventilação diurna, que se torna mais notável a partir do incremento desta placa, para os modelos com
chaminé solar.
No período noturno, há uma inversão no sentido do fluxo de ar, visto que nestes modelos não há
ocupação nem cargas internas de equipamentos que possam aquecer o ar no interior da chaminé, deste
modo, as chaminés durante o período em que não há radiação solar incidindo nas paredes que a
compõem, tendem a se comportar de forma similar aos captadores de ar exterior, em que a abertura mais
alta funciona como abertura de entrada do ar. Esta estratégia para ventilação natural é bastante usada na
arquitetura oriental e possui potencial de uso no Brasil conforme estudos realizados anteriormente (LIMA et
al, 2004) (SILVA et al, 2008) (LÔBO e BITTENCOURT, 2003).
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
86
A ausência de cargas internas e de pessoas (metabolismo) no interior do ambiente simulado
favoreceu esta inversão no sentido do fluxo do ar, pois sem estas cargas térmicas, a temperatura do ar no
interior da chaminé apresentou-se menor que a TBS externa para o período noturno.
Para as cidades de Curitiba e Urussanga o uso de chaminés solares deve ser melhor estudado, de
modo a não provocar desconforto por frio, principalmente nos meses de inverno, visto que estas
localidades possuem clima com períodos de frio e o aumento da ventilação natural pode aumentar as
perdas de calor da edificação para o ambiente externo por convecção.
No caso das cidades de Brasília e Araçatuba, este dispositivo apresentou bom desempenho,
porém há necessidade dos mesmos cuidados mencionados anteriormente, pois, ainda que estas duas
cidades estejam expostas a uma alta radiação solar, possuem grande amplitude térmica e períodos de frio
durante a noite e no inverno.
A cidade de Petrolina também possui alta amplitude térmica e pouca solicitação de ventilação
natural, pois se trata de um clima seco, porém esta estratégia pode ser utilizada associando a refrigeração
evaporativa aos efeitos produzidos pelo uso de chaminé solar, já que a refrigeração evaporativa é uma das
principais estratégias bioclimáticas para esta cidade, assim como foi utilizado nos estudos realizados por
Maerefat e Haghighi (2010b).
As cidades de Uberaba e Campo Grande têm a ventilação natural como principal recomendação
para obtenção de conforto no verão, porém necessitam de aquecimento no inverno, o que possibilita o uso
deste dispositivo apenas na estação quente.
Já para a cidade de Belém, o uso de chaminé solar nas edificações pode ser uma estratégia de
projeto durante todo o ano, por se tratar de uma cidade com clima quente-úmido onde a ventilação natural
é a principal estratégia de projeto para obtenção de conforto térmico dos usuários.
Diante disto, pode-se extrapolar as análises para cada zona bioclimática a respeito das diretrizes
para utilização deste dispositivo arquitetônico como estratégia de projeto de modo a incrementar o
repertório dos Profissionais de Projeto, conforme apresentado na figura 6.1.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
87
Recomendações para utilização de
Chaminés Solares
Zona Bioclimática 1
Utilização controlada, com pouca necessidade de ventilação natural
Zona Bioclimática 2
Utilização controlada, com pouca necessidade de ventilação natural
Zona Bioclimática 3
Utilização no verão
Zona Bioclimática 4
Utilização moderada no verão
Zona Bioclimática 5
Utilização moderada no verão
Zona Bioclimática 6
Utilização no verão
Zona Bioclimática 7
Utilização moderada, associada à refrigeração evaporativa
Zona Bioclimática 8
Utilização ao longo de todo ano
Figura 6.1 – Diretrizes para utilização de chaminés solares em edificações localizadas no Brasil
Para chaminés com inclinação otimizada, a velocidade do ar interior é máxima ao meio dia,
momento em que a radiação solar incidente no coletor também é máxima, aumentando assim o efeito
estufa no interior da chaminé e a diferença entre a temperatura do ar no interior da chaminé e a TBS
externa.
Foi possível também elaborar um modelo simplificado para determinar a vazão do ar a partir de
medições ou estimativas de temperatura (superficial ou do ar) e da Radiação solar incidente no coletor
inclinado de modo a facilitar o processo de projeto e tornando possível prever o desempenho deste
dispositivo para edificações construídas no Brasil.
Estas equações devem ser utilizadas apenas para chaminés similares às analisadas neste
trabalho, com dimensões e materiais semelhantes de modo a validá-las. Foram encontradas as seguntes
equações para a chaminé convencional:
Ti = 0.07464 + 0.74844 (Te) + 0.2453 (Ts)
Vazão (Kg/h) = 13.03431+36.73726(D
DD
Dt) -0.13019Ts - 34.10197(D
DD
Dt)-63.61397(D
DD
Dt
2
) +52.3603(Ts)-0.49047(Ts
2
) .
Ti
.
Para a chaminé solar foram obtidas as seguintes equações:
Ti = - 0.85516 + 1.0003 (Te) + 0.01244 (Rad
b
bb
b
) (Eq.1
Vazão = 116.54737 – 1.53316 (Ti) – 23,83867 (D
DD
DT) - 0.60957 Rad
b
bb
b
+ 0.00416 (Rad
b
bb
b
)
2
(Eq. 14)
(período noturno – DT<0)
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
88
Vazão = 46.1617 + 0.05564 Rad
b
bb
b
+ 33.95327 (Ti-Te) – 2.49463 (Ti-Te)
2
(Eq. 15)
(período diurno – DT>0)
Onde:
Vazão = Vazão do ar em Kg/h
Rad
b
– Radiação incidente no Coletor Solar (W/m²);
DT – (Ti – Te) (ºC)
Ts – Temperatura superficial nas paredes da chaminé (ºC);
Ti – Temperatura do ar no interior da Chaminé (ºC);
Te – Temperatura do ar no exterior (ºC)
Este trabalho apresentou algumas limitações, A seguir são apresentadas algumas sugestões para
trabalhos futuros que complementariam o trabalho feito nesta dissertação no intuito de avaliar o
desempenho do dispositivo arquitetônico analisado. São elas:
• Avaliar o impacto do uso de chaminé solar associado à refrigeração evaporativa para os
climas secos do Brasil;
• Avaliar o desempenho da chaminé solar em outros climas Brasileiros;
• Elaborar equações de balanço térmico para este dispositivo, quando construído em climas
brasileiros;
• Verificar o impacto que outras variáveis como altura da chaminé, área do coletor solar,
material e áreas de abertura e saída do ar possuem na ventilação natural em espaços
dotados de chaminé solar;
• Verificar o desempenho da chaminé solar por meio de medições e/ou simulações
utilizando CFD.
As edificações em geral, devem ser cuidadosamente planejadas para minimizar gastos excessivos
com dispositivos de iluminação e ventilação por meios mecânicos. Artifícios arquitetônicos, tais como as
chaminés solares, devem ter seu potencial investigado para auxiliar a construção de edifícios mais
adequados ao clima regional, objetivando sempre o maior grau de eficiência energética.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
89
A partir destas observações, pretende-se aprimorar a consciência de que a arquitetura local deve
ser conduzida de maneira que os profissionais incorporem uma linguagem adequada e de características
próprias, criando uma tipologia regional, dando uma identidade à arquitetura que vem sendo importada ou
mal copiada e que perde de vista o mais importante: o conforto dos usuários. Frente à crise energética,
necessita-se projetar bem para reduzir o consumo de energia e levar em conta as condições climáticas do
meio, aplicando-se as técnicas bioclimáticas.
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
90
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CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
99
8 APÊNDICES
8.1 – APÊNDICE A – VALORES OBTIDOS POR MATHUR, ET AL (2006) E POR SIMULAÇÃO
NO ENERGYPLUS
Radiação Solar na Placa Coletora (W/m²)
45º 30º
hora
Mathur (et al, 2006) Simulação E+ Mathur (et al, 2006) Simulação E+
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11:00 730.00 741.94 855.00 848.27
12:00 770.00 798.48 915.00 928.76
13:00 755.00 753.13 900.00 880.19
14:00 700.00 684.44 810.00 792.00
15:00 610.00 583.20 640.00 662.64
16:00 550.00 453.70 590.00 501.89
Taxa de Fluxo Mássico (Kg/h)
45º 30º
hora
Mathur (et al, 2006) Simulação E+ Mathur (et al, 2006) Simulação E+
10:00 183.00 180.27 173.00 175.25
11:00 187.00 188.08 179.00 177.60
12:00 189.00 191.14 181.00 178.60
13:00 186.00 186.12 179.00 178.50
14:00 182.00 182.66 174.00 176.01
15:00 177.00 176.50 168.00 169.12
16:00 168.00 164.45 159.00 162.09
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
100
8.2 – APÊNDICE B – VALORES OBTIDOS POR MEIO DE SIMULAÇÕES PARA A
TEMPERATURA DO AR (ºC) NO INTERIOR DA CHAMINÉ SOLAR
Curitiba - PR
Temperatura do ar (ºC)
Ar externo
2.18 Graus
4.25 Graus
6.37 Graus
12.23 Graus
15.92 Graus
22.7 Graus
27.74 Graus
34.93 Graus
39.3 Graus
44.31 Graus
47.04 Graus
48.83 Graus
1:00
9.59
6.93
6.94
6.86
6.94
6.95
6.99
7.01
7.03
7.05
7.06
7.06
7.07
2:00
8.99
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6.36
6.28
6.36
6.36
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6.43
6.45
6.46
6.48
6.48
6.48
3:00
8.59
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5.96
5.89
5.96
5.96
6.00
6.03
6.05
6.06
6.08
6.08
6.08
4:00
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5.58
5.58
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5.70
5.70
5:00
8.00
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5.38
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5.50
6:00
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5.18
5.18
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5.30
5.30
5.30
7:00
7.80
5.17
5.18
5.12
5.18
5.19
5.23
5.25
5.27
5.28
5.30
5.30
5.31
8:00
8.20
9.60
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9.86
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9:00
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11.31
11.33
11.36
11.39
11.45
11.45
11.45
10:00
11.27
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14.67
14.66
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17.65
17.63
17.62
12:00
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20.09
20.05
19.68
19.80
19.79
19.86
19.88
19.89
19.92
19.94
19.93
19.91
13:00
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21.51
21.12
21.25
21.24
21.31
21.33
21.35
21.37
21.40
21.38
21.37
14:00
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21.61
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21.70
21.72
21.75
21.77
21.77
21.76
15:00
18.30
20.67
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20.30
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20.47
20.53
20.56
20.58
20.61
20.64
20.64
20.64
16:00
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17.43
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17.59
17.67
17.71
17.76
17.82
17.89
17.91
17.92
17:00
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14.41
14.41
14.23
14.39
14.40
14.45
14.47
14.50
14.52
14.54
14.54
14.54
18:00
15.42
12.71
12.72
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12.72
12.73
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12.84
12.84
12.84
19:00
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11.61
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11.73
11.73
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9.87
9.87
22:00
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9.10
9.10
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8.32
8.33
INVERNO
0:00
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7.51
7.52
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7.61
7.62
7.64
7.64
7.64
Ar externo
2.18 Graus
4.25 Graus
6.37 Graus
12.23 Graus
15.92 Graus
22.7 Graus
27.74 Graus
34.93 Graus
39.3 Graus
44.31 Graus
47.04 Graus
48.83 Graus
1:00
16.42
13.60
13.61
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13.61
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13.72
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12.91
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28.15
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29.67
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13:00
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16:00
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24.63
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21.11
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18.56
18.56
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17.33
17.33
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16.43
16.42
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15.53
15.53
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14.71
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14.81
14.82
14.82
14.82
VERÃO
0:00
16.93
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14.11
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14.11
14.12
14.16
14.18
14.20
14.21
14.22
14.22
14.22
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
101
Urussanga - SC
Temperatura do ar (ºC)
Ar externo
5.18 Graus
7.25 Graus
9.37 Graus
15.23 Graus
18.92 Graus
25.7 Graus
30.74 Graus
37.93 Graus
42.3 Graus
47.31 Graus
50.04 Graus
51.83 Graus
1:00
11.70
9.92
9.92
9.92
9.92
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8.08
8.08
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7.85
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14.20
14.20
14.21
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14.44
14.45
14.50
10:00
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17.39
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20.70
20.75
12:00
18.60
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13:00
20.59
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15:00
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24.35
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24.52
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CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
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21.31
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VERÃO
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23.87
20.63
20.64
20.67
20.68
20.68
20.64
20.63
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
108
8.3 – APÊNDICE C – VALORES OBTIDOS POR MEIO DE SIMULAÇÕES PARA A VAZÃO DO
AR (Kg/h) NA CHAMINÉ SOLAR
Curitiba - PR
Vazão do ar (Kg/h)
2.18 Graus
4.25 Graus
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CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
109
Urussanga - SC
Vazão do ar (Kg/h)
5.18 Graus
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CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
113
Campo Grande - MS
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143.67
143.80
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145.28
145.49
VERÃO
0:00
146.68
146.26
145.04
144.51
144.63
146.11
146.32
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
116
8.4 – APÊNDICE D – VALORES OBTIDOS POR MEIO DE SIMULAÇÕES PARA A
TEMPERATURA DO AR (ºC) E VAZÃO DO AR (Kg/h) NO INTERIOR DA CHAMINÉ CONVENCIONAL
Vazão do Ar (Kg/h)
Temperatura do ar (ºC)
Chaminé Convencional
Chaminé Convecional
Curitiba-ZB1
Urussanga-ZB2
Uberaba-ZB3
Brasília-ZB4
Araçatuba-ZB5
Campo Grande-
ZB6
Petrolina-ZB7
Belém-ZB8
Curitiba-ZB1
Urussanga-ZB2
Uberaba-ZB3
Brasília-ZB4
Araçatuba-ZB5
Campo Grande-
ZB6
Petrolina-ZB7
Belém-ZB8
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1:00
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21.22
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110.66
104.63
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106.93
108.18
111.46
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15:00
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INVERNO
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12:00
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25.19
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20.20
18.68
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23:00
110.58
109.29
104.41
100.74
107.32
106.22
107.39
110.58
23:00
22.83
17.49
19.47
18.03
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20.76
23.50
22.83
VERÃO
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110.74
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110.74
VERÃO
0:00
22.21
16.71
18.86
17.38
20.01
20.15
22.80
22.21
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
117
8.5 – APÊNDICE E – VALORES OBTIDOS POR MEIO DE SIMULAÇÕES PARA A VAZÃO DO AR (m³/s)
MÉDIA EM CADA CIDADE SIMULADA
Chaminé Convencional
Chaminé Solar
Curitiba-ZB1
Urussanga-ZB2
Uberaba-ZB3
Brasília-ZB4
Araçatuba-ZB5
Campo Grande-
ZB6
Petrolina-ZB7
Belém-ZB8
Curitiba-ZB1
Urussanga-ZB2
Uberaba-ZB3
Brasília-ZB4
Araçatuba-ZB5
Campo Grande-
ZB6
Petrolina-ZB7
Belém-ZB8
1:00
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2:00
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0.034
0.034
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0.035
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VERÃO
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VERÃO
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0.035
0.035
0.034
CHAMINÉ SOLAR COMO ALTERNATIVA PARA INCREMENTAR A VENTILAÇÃO NATURAL EM ESPAÇOS INTERNOS
118
8.6 – APÊNDICE F – VALORES OBTIDOS POR MEIO DE SIMULAÇÕES PARA A VELOCIDADE
DO AR (m/s) MÉDIA EM CADA CIDADE SIMULADA
Velocidade média do ar (m/s)
Velocidade média do ar (m/s)
Chaminé Convencional
Chaminé Solar
Curitiba-ZB1
Urussanga-ZB2
Uberaba-ZB3
Brasília-ZB4
Araçatuba-ZB5
Campo Grande-ZB6
Petrolina-ZB7
Belém-ZB8
Curitiba-ZB1
Urussanga-ZB2
Uberaba-ZB3
Brasília-ZB4
Araçatuba-ZB5
Campo Grande-ZB6
Petrolina-ZB7
Belém-ZB8
1:00
0.143
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3:00
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0.137
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9:00
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9:00
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