Ventilação Natural

Ventilação Natural: Uma Revisão para Edifícios no Rio de Janeiro

Exemplo de uma torre solar utilizada para direcionar ventilação natural em um ambiente quente. Foto por theAVclub licenciada sob creative commons

 

À medida que a qualidade de vida das pessoas melhora e elas buscam um maior grau de conforto, a demanda por ar condicionado cresce.

Isso tem causado um aumento no consumo de eletricidade – noRio de Janeiro, sistemas de ar condicionado consomem 20% do uso total de energia elétrica da cidade [1]. Medidas de design passivo que reduzem a necessidade de ar condicionado podem:

  • Economizar dinheiro (através da redução nos gastos de funcionamento)
  • Reduzir a carga de energia nos picos de demanda e melhorar a resiliência do abastecimento elétrico
  • Reduzir emissões de gases de efeito estufa

A ventilação natural depende das diferenças de pressão para mover o ar fresco através de edifícios – o fluxo de ar passivo é um elemento do projeto que certamente deve ser considerado para oRio de Janeiro.

Ele serve para resfriar edifícios e os seus  usuários, e pode melhorar significativamente a eficiência energética dos edifícios, reduzindo a dependência do ar-condicionado. Economias de até 30% da energia total podem ser possíveis em alguns casos [2], [3].

As brisas do mar noRio de Janeirooferecem boas oportunidades para promover o fluxo de ar, embora estas brisas não cheguem até as áreas mais afastadas da costa.

A Ventilação Natural é Adequada para o Rio de Janeiro?

O propósito da ventilação natural é ajudar de forma passiva o ser humano a manter o conforto térmico sem qualquer alteração na temperatura do ar. A ventilação natural é eficaz porque a exposição a uma leve brisa remove o calor do corpo humano por convecção e evaporação. A perda de calor por convecção é significativa se a temperatura do ar é menor do que a temperatura da pele.

Isto significa geralmente que a perda de calor por convecção é útil quando a temperatura do ar não excede 35º C, que é a temperatura da pele de um indivíduo vestido num ambiente quente. Enquanto a umidade relativa não excede 80%, o fluxo de ar ajuda a aumentar a perda de calor por evaporação através da transpiração imperceptível, que acontece quando o suor produzido evapora sem ser percebido pelo indivíduo [4-6].

No Rio, as temperaturas são geralmente abaixo de 35 º C. Mesmo nos meses mais quentes (janeiro e fevereiro) a umidade relativa do ar durante o dia é frequentemente abaixo de 80%. Sob essas condições, a ventilação natural pode ajudar as pessoas a tolerar altas temperaturas e umidade sem desconforto. Sendo assim, a ventilação natural em prédios noRiopode melhorar  a eficiência energética e reduzir a necessidade de ar-condicionado.

A ventilação natural deve ser amplamente considerada para o Rio de Janeiro – as condições climáticas são tais que se a ventilação natural for devidamente concebida e implementada terá capacidade de melhorar o conforto térmico, e reduzir significativamente o consumo de energia, os custos de funcionamento e as emissões de gases de efeito estufa.

Os níveis de temperatura e umidade ocasionalmente excederão a capacidade da ventilação natural de oferecer um ambiente confortável e, portanto, sistemas de ar-condicionado não devem ser desconsiderados em projetos. É importante salientar que alterações de vedações verticais e de posicionamento de plantas e equipamentos ao redor do prédio feitas por usuários que não entendem o sistema podem tornar a ventilação natural menos eficaz.

Tipos de Ventilação Natural

O design específico da ventilação natural varia de acordo com o tipo de construção e as condições do local. Deve-se notar que os levantamentos de dados sobre vento em uma dada localização são em geral uma aproximação – geralmente retirada do aeroporto local.

Cuidados com o design são necessários para que a ventilação natural seja eficaz.Pararemover o calor do corpo, o ar tem de fluir pela pele – portanto a ventilação precisa ocorrer no nível dos usuários. Janelas altas removem o ar quente estagnado em uma sala, mas não promovem o arrefecimento [2]. Para oRio de Janeiro, os principais métodos de ventilação natural são:

  • Vento – ar entra por uma abertura e sai por outra
  • Flutuação – ar frio entra no edifício em um nível inferior, aquece, sobe e sai em um nível superior

Vento

Articular as janelas adequadamente

O vento traz pressão de ar positiva no lado de barlavento e pressão de ar negativa no lado de sotavento do edifício. Através de design cuidadoso de posicionamento do edifício e de suas aberturas, o vento pode ser usado para a máxima vantagem. Posicionamento é discutido em outra parte deste documento.

Quando o vento predominante ocorre paralelamente a uma parede, a ventilação natural pode ser maximizada por uma concepção cuidadosa da abertura das janelas.

Por exemplo, as janelas podem ser articuladas de forma que o ar seja captado pela primeira janela e flua através de uma segunda janela. Quando o vento predominante ocorre perpendicularmente a uma parede, janelas em ambos os lados do edifício devem ser escalonadas a fim de maximizar a mistura de ar [3]. De um modo geral, a criação e a conexão de áreas de alta e baixa pressão em torno de edifícios maximiza os fluxos benéficos de ar.

Janelas de bandeiras basculantes (estilo Louvre) permitem aos usuários controlar a quantidade de ar que entra no edifício e podem ajudar a direcionar o ar para baixo de forma a maximizar o efeito de arrefecimento da ventilação natural. As janelas ou Louvres devem ser dispostas de modo que o ar seja captado em nível baixo e ventilado para o ponto mais alto da sala, otimizando a ventilação natural e fornecendo o máximo arrefecimento para os ocupantes [7].

Sempre que possível, os edifícios devem ser projetados para facilitar a ventilação cruzada, em que o fluxo de ventos dominantes entra por um lado do edifício e sai pelo outro. No caso doRio, isso significa que as janelas devem ser posicionadas predominantemente nas faces norte e sul dos edifícios. Por sorte, janelas nessas fachadas também minimizam o ganho solar.

Estudos sugerem que em ambientes úmidos e quentes (taiscomoencontrados noRio) a ventilação mais eficaz é conseguida por grandes janelas operáveis em lados opostos de um edifício, sendo uma delas voltada para o vento predominante.

Se necessário, os ventos predominantes podem ser “canalizados” para dentro do prédio através do posicionamento adequado de árvores, arbustos e elementos de paisagismo. O posicionamento das divisórias internas também é importante para ajudar a canalizar o ar através da zona ocupada de um edifício [8]

Wing walls  são painéis sólidos usados para redirecionar ou guiar ar para dentro dos edifícios.Cuidadosamente localizados  otimizam as taxas de fluxo de ar interno, através do aumento ou diminuição do diferencial de pressão entre entradas e saídas do vento. Tais dispositivos atuamcomocoletores de vento verticais – efetivamente “coletam” ventos distorcidos se projetados devidamente [9]. Wing walls também podem servir para sombreamento

Ventilação por Flutuação

A ventilação por flutuação ocorre quando o ar entra e é aquecido pelos usuários do edifício e fontes de calor interno (computadores, aparelhos, etc.). Ao aquecer, o ar se torna menos denso, sobe pelo edificio e é expelido em nível superior – este fenômeno é conhecidocomo efeito chaminé e depende de um diferencial de temperatura entre o ar externo (frio) e o ar interno (quente) do edifício. É improvável que este método de restriamento funcione com sucesso no Rio, pois não se espera que o ar de dentro seja mais quente do que o ar de fora do edifício.

Chaminés Solares

A ventilação por efeito chaminé pode ser potencializada através de chaminés aquecidas por energia solar. O ar quente na parte superior dos edifícios sobe e sai através da chaminé aquecida, a qual cria o diferencial de pressão e faz com que o ar seja sugado dos níveis mais baixos. O projeto de chaminés solares consiste de um coletor solar em ângulo que recebe a irradiação solar e de uma chaminé que garante a altura desejada [10-12]. Existem variações sobre o tema chaminé solar, mas o princípio de funcionamento básico é a utilização da energia solar para potencializar o efeito chaminé [13].

As chaminés solares, quando combinadas com poços de luz ou átria para maximizar a incidência de luz natural, podem melhorar ainda mais a eficiência da energia.

Comoa energia solar é abundante noRio de Janeiro, o uso de chaminés solares ou torres solares para a ventilação natural deve ser fortemente considerado.

Troca de Calor Subterrâneo

O efeito de arrefecimento da ventilação natural pode ser potencializado se o ar for conduzido através de dutos subterrâneos existentes debaixo ou ao lado do prédio. Isto permite que o calor seja dissipado antes de entrar no edifício, melhorando a eficácia da ventilação natural. O uso de tubos de ventilação enterrados vem ganhando terreno na Europa, onde os projetos de demonstração e ferramentas de simulação foram desenvolvidos [14]. Sob certas circunstâncias, a oscilação de temperatura diária pode ser minimizada com apenas 15-20 cm de terra em torno dos tubos. Esta técnica é principalmente recomendada para edifícios com ocupação diurna. E como os tubos de resfriamento da terra são menos eficazes em ambientes quentes e úmidos, a aplicabilidade desta técnica noRio de Janeiro é provavelmente baixa [15].

Ventilação Mista

A ventilação pode ser uma mistura de ativa e passiva, com ventiladores de teto sendo usados quando a ventilação natural for insuficiente. Em algumas circunstâncias, sistemas de resfriamento com ventiladores podem ser mais fáceis de controlar do que um sistema de ventilação natural. A ventilação mista permite o uso de ventilação natural na maioria das vezes, ou para servir zonas particulares. Por exemplo, zonas de transição não   necessitam de medidas ativas de refrigeração se devidamente projetadas para receber refrigeração passiva.

Ventilação Noturna

A ventilação noturna, ou descarga noturna, pode impedir a acumulação de calor em algumas circunstâncias [16]. A ventilação noturna pode esfriar o ar de um ambiente, bemcomoremover o calor armazenado nas paredes, no piso e na laje. Isso ajuda a esfriar a estrutura do edifício e a reduzir a carga de refrigeração durante o dia – economizando em custo e melhorando a eficiência energética [17]. Em alguns casos, janelas podem ser projetadas para abrir automaticamente à noite permitindo que o ar seja saneado. Esta abordagem pode ser combinada com tetos demassatérmica, que absorvem o calor durante o dia e liberam calor durante a noite. Um bom exemplo desta prática é o Edifício CH2, emMelbourne[18].

A ventilação noturna é geralmente menos eficaz em ambientes quentes e úmidos (comonoRio), uma vez que as temperaturas do ar à noite são geralmente elevadas. No entanto, alguns estudos sugerem que esta técnica pode ser empregada em conjunto com amassatérmica, que absorve o calor durante a ocupação diurna. Isto seria mais apropriado para edifícios comerciais que são utilizados durante o dia.  Espera-se que uma redução da temperatura de cerca de 3-6 graus oC possa ser atingida [8].

Estratégias de uso das técnicas de ventilação noturna combinadas commassatérmica para ambientes quentes e úmidos devem ser consideradas em projetos de edifícios comerciais noRio de Janeiro.

Ventilação Natural: Resumo

A ventilação natural deve ser considerada para edifícios noRio de Janeiro. Devidamente concebida e implementada a  ventilação natural tem o potencial de reduzir significativamente o consumo de energia, custos de funcionamento e emissões de gases de efeito estufa, mantendo o conforto térmico. É importante lembrar que os sistemas de ventilação natural podem ser influenciados pela mudança de equipamentos ao redor do prédio ou por usuários que não entendemcomo o sistema funciona. Estas limitações devem ser consideradas na fase de projeto.

Referências

  1. PROCEL and ELECTROBRAS, “AVALIAÇÃO DO MERCADO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA,” 2005. [Online]. [Acessado em: 25-Set-2012].
  2. Queensland Government, “Energy Efficient House Design for Tropical Queensland,” 2005.
  3. “Natural Ventilation | Whole Building Design Guide.” [Online]. Disponível em: http://www.wbdg.org/resources/naturalventilation.php  [Acessado em: 17-Oct-2012].
  4. “Comfort: Air Movement,” Archived Ecotect WIKI. [Online]. Disponível em: http://wiki.naturalfrequency.com/wiki/Air_Movement  [Acessado em: 17-Oct-2012].
  5. P. O. Fanger, “Assessment of man’s thermal comfort in practice.,” British journal of industrial medicine, vol. 30, no. 4, pp. 313–24, Oct. 1973.
  6. M. Nguyen and H. Tokura, “Observations on normal body temperatures in Vietnamese and Japanese in Vietnam.,” Journal of physiological anthropology and applied human science, vol. 21, no. 1, pp. 59–65, Jan. 2002.
  7. Cairns Regional Council, “Sustainable Tropical Building Design: Guidelines for Commercial Buildings,” 2011. [Online]. Disponível em: http://www.cairns.qld.gov.au/__data/assets/pdf_file/0003/45642/BuildingDesign.pdf [Acessado em: 20-Oct-2012].
  8. T. Chenvidyakarn, “Review Article : Passive Design for Thermal Comfort in Hot Humid Climates,” Journal of Architectural/Planning Research and Studies Volume 5. Issue 1., 2007. [Online]. Disponível em: http://www.ap.tu.ac.th/jars/download/jars/v5-1/01%20Review%20Article.pdf [Acessado em: 20-Oct-2012].
  9. B. Givoni, Passive Low Energy Cooling of Buildings. John Wiley & Sons, 1994, p. 272.
  10. L. Neves, M. Roriz, and F. Marques, “MODELING A SOLAR CHIMNEY FOR MAXIMUM SOLAR IRRADIATION AND MAXIMUM AIRFLOW , FOR LOW LATITUDE LOCATIONS State University of Campinas , Brazil Federal University of Sao Carlos , Brazil National Laboratory of Civil Engineering , Lisbon , Portugal,” no. 2006, pp. 14–16, 2011.
  11. J. Khedari, B. Boonsri, and J. Hirunlabh, “Ventilation impact of a solar chimney on indoor temperature fluctuation and air change in a school building,” Energy and Buildings, vol. 32, no. 1, pp. 89–93, Jun. 2000.
  12. R. Khanal and C. Lei, “Solar chimney—A passive strategy for natural ventilation,” Energy and Buildings, vol. 43, no. 8, pp. 1811–1819, Aug. 2011.
  13. “KAUST Solar Tower | Gehry Technologies.” [Online]. Disponível em: http://www.gehrytechnologies.com/services/projects/kaust-solar-tower [Acessado em: 17-Out-2012].
  14. “Utilisation des échangeurs air/sol  pour le chauffage et le rafraîchissement des bâtiments .” [Online]. Disponível em: http://archive-ouverte.unige.ch/downloader/vital/pdf/tmp/lf2kl9cl87hdetmvjuq7hn7336/out.pdf  [Accessed: 18-Oct-2012].
  15. P. Hollmuller, J. Carlo, and M. Ordenes, “Potential of buried pipes systems and derived techniques for passive cooling of buildings in Brazilian climates,” 2006. [Online]. Disponível em: http://www.labeee.ufsc.br/sites/default/files/projetos/CUEPE_report.pdf  [Acessado em: 18-Out-2012].
  16. S. V. G. Goulart, “Thermal Inertia and Natural Ventilation Thermal Inertia and Natural Ventilation,” PhD Thesis, 2004. [Online]. Disponível em: http://www.labeee.ufsc.br/sites/default/files/publicacoes/teses/TESE_Solange_Goulart.pdf [Acessado em: 20-Oct-2012].
  17. J. Vorster and R. Dobson, “Sustainable cooling alternatives for buildings,” Journal of Energy in Southern Africa Vol 22 No 4, 2011. [Online]. Disponível em: http://www.erc.uct.ac.za/jesa/volume22/22-4jesa-vorster-dobson.pdf [Acessado em: 20-Oct-2012].
  18. “CH2 Building Melbourne.” [Online]. Disponível em: http://www.melbourne.vic.gov.au/Sustainability/CH2/aboutch2/Documents/CH2_How_It_Works.pdf [Acessado em: 20-Oct-2012].