Climatização e Desempenho Estudantil - Análise do Conforto Térmico

ANÁLISE DA INFLUÊNCIA DA CLIMATIZAÇÃO DO AMBIENTE NO DESEMPENHO ESTUDANTIL Ricardo Henrique Sousa Oliveira1 Stéfanny Guimarães Rodrigues2 RESUMO Fazer com que um ambiente qualquer permaneça numa faixa de temperatura favorável ao que se quer preservar ou manter de forma confortável é um dos objetivos deste Projeto de Climatização Isto significa tratar a temperatura umidade pureza e movimentação do ar ao mesmo tempo em recintos fechados para obter conforto térmico Vamos analisar o ambiente e verificar se há o condicionamento térmico do mesmo se realmente está adequado e viável para o que se quer alcançar ou seja procurar a neutralidade térmica Fanger concluiu que o nível de atividade é o único processo fisiológico que determina a taxa de suor e temperatura da pele e portanto influencia o equilíbrio térmico do corpo Ele ainda afirma que o nível de atividade é o único processo fisiológico que determina a taxa de suor e temperatura da pele e portanto influencia o equilíbrio térmico do corpo ASHRAE55 2013 ISO7730 2005 Os valores estabelecidos pela norma ABNT NBR 6401 serão utilizados como parâmetros na obtenção das cargas térmicas de cada fator de influência do sistema Finalmente são considerados a energia dissipada pela iluminação na unidade de Watts por metro quadrado Wm² as características do ambiente formas e níveis de iluminação e o calor liberado por outras fontes na unidade Watts W PalavrasChave Climatização Conforto Térmico Ambiente 1 Graduando em Engenharia Mecânica pela Universidade Rio Verde Rio Verde GO 2 Orientadora Professor da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade de Rio Verde UniRV 2 1 INTRODUÇÃO Grande tem sido a preocupação em relação ao equilíbrio da temperatura nos diversos tipos de ambientes não só pela questão do conforto mas também quanto à eficiência energética já que esse conforto promove maiores gastos com energia Em se tratando de ambientes fechados contase hoje com a climatização cuja função é fazer com que um ambiente qualquer permaneça numa faixa de temperatura favorável ao que se quer preservar ou manter de forma confortável Segundo Mange 1956 qualquer obra deve ser criada para prover ao ser humano uma segurança levandose em conta o clima e suas variáveis físicas e físicogeométricas da obra a ser construída devese frisar ainda a importância dos elementos materiais que se colocam entre o homem e o agente para um melhor conforto O objetivo do presente trabalho será verificar se há conforto térmico nas salas de aulas a ponto de favorecer a aprendizagem dos alunos visto que as características térmicas do ambiente são de vital importância pois o bemestar influencia diretamente no rendimento dos mesmos Sendo assim serão realizadas medições in loco para analisar as variáveis ambientais bem como os fatores relacionados à presença humana a quantidade de pessoas e atividades utilizadas 11 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 111 Climatização Climatizar ambientes significa tratar a temperatura umidade pureza e movimentação do ar ao mesmo tempo em recintos fechados para obter conforto térmico Os sistemas de climatização podem ser de zona simples atendendo apenas um recinto ou de zona múltipla atendendo simultaneamente vários recintos Um sistema de climatização envolve o emprego de unidades de refrigeração filtragem circulação do ar controle etc MACHADO 2009 Do ponto de vista da saúde as dimensões reduzidas o pouco arejamento e a escassa iluminação provocando o amontoamento de indivíduos e coisas em espaços confinados eram 3 entendidos como condicionantes de um meio propício à geração de moléstias CORREIA 2004 p 57 Segundo Machado é relevante verificar os impactos das variações ambientais e sua influência no conforto e no rendimento do trabalho ou numa atividade realizada por um grupo de pessoas Manifestações físicas como dor de cabeça fadiga alteração sensorial depressão intelectual indiferença sono têm surgido cada vez mais frequentes em ambientes onde não há a utilização da climatização de forma adequada Assim fazse necessário uma análise delicada para que cada tipo de ambiente atinja seus objetivos de forma confortável 121 Conforto térmico O conforto térmico é uma condição mental que expressa satisfação com o ambiente térmico é um dos responsáveis pelo preparo psicofisiológico que adapta o ambiente para oferecer melhores condições de saúde bemestar segurança e rendimentos mais satisfatórios A ASHRAE American SocietyofHeating Refrigerationand Ar ConditioningEngineers define conforto térmico como a condição da mente na qual o indivíduo expressa satisfação com o ambiente térmico ASHRAE Standard 55 1992 apud ASHRAE 2001 As condições de conforto térmico são analise de algumas variáveis Para quantizar essas condições o indivíduo precisa estar apropriadamente vestido e sem problemas de saúde ou de aclimatação Sabemos que as condições ambientais capazes de proporcionar sensação de conforto térmico em habitantes de clima quente e úmido não são as mesmas que proporcionam sensação de conforto em habitantes de clima quente e seco e muito menos em habitantes de regiões de clima temperado ou frio FROTA e SCHIFFER 2001 Relatos e experiências demonstram que a relação entre conforto térmico na sala de aula e os resultados obtidos nas avaliações dos estudantes são facilmente notados Fazse pertinente analisar o ambiente e verificar se o condicionamento térmico do mesmo está realmente adequado e viável para o que se quer alcançar ou seja procurar a neutralidade térmica Significa que uma pessoa com roupas normais não sente frio nem calor demais A Figura 1 ilustra o diagrama de conforto térmico humano indicado pelo Instituto Nacional de Metereologia 4 FIGURA 1 Diagrama de conforto humano Fonte INMET Instituto Nacional de Meteorologia Segundo Fanger 1970 neutralidade térmica é quando uma pessoa não prefere mais calor nem mais frio no local no qual está É uma forma de manter uma temperatura corporal constante não havendo excessivo calor ou perda do mesmo No caso da sala de aula devese observar se a climatização tem sido ponto positivo ou negativo para o desenvolvimento do aluno visto que o desgaste físico para que o corpo mantenha uma temperatura agradável pois faz com que a energia humana seja desviada causando a desatenção e consequentemente reduzindo o índice de absorção dos conteúdos ensinados WARGOCKI et al 2005 Para Frota e Schiffer 2001 a partir das variáveis climáticas relacionadas ao conforto térmico e das variáveis relacionadas às atividades que o indivíduo realiza aliando a sua vestimenta há uma série de estudos para determinar as condições de conforto térmico e os seus graus junto com conforto ou não pela sensação de frio ou calor Para saber a quantidade de resfriamento ou aquecimento bem como a umidade adequada para cada ambiente utilizase o controle da carga térmica que consiste em determinar a quantidade de calor que deverá ser retirada ou acrescida em um ambiente dandolhe condições climáticas necessárias e ideais para o que se desejam realizar ou promover Carga térmica é o valor total de calor sensível e calor latente que deve ser adicionada ou removida do ambiente a fim de obter temperatura e umidade relativas desejadas MACHADO 2009 5 Fanger 1970 avaliou em 1296 pessoas em uma câmara climática controlada com acompanhamento específico cujas roupas e atividades eram padronizadas em temperaturas variadas indicando a sensação térmica numa escala de sete pontos onde cada sensação corresponde a um valor A Figura 2 contém a escala de sensação térmica FIGURA 2 Escala de Sensação Térmica Fonte ASHRAE 2013 ISO7730 2005 Este estudo feito por Fanger 1970 resultou no desenvolvimento do modelo de balanço térmico do corpo humano que combina a teoria de equilíbrio térmico com a fisiologia da regulação térmica resultando na gama de condições de conforto para que as pessoas possam sentirse confortáveis em um ambiente Seus índices são utilizados em todo o mundo para prever e avaliar o conforto térmico e são reconhecidos como padrão internacional através de duas normas a ISO 7730 2005 e a ASHRAE 55 2010 Com esta experiência Fanger 1970 concluiu que o nível de atividade é o único processo fisiológico que determina a taxa de suor e temperatura da pele e portanto influencia o equilíbrio térmico do corpo ASHRAE55 2013 ISO7730 2005 2 MATERIAIS E MÉTODOS Para determinar a quantidade das cargas térmicas naturais de um ambiente a ser refrigerado vamos utilizar métodos para obter esses resultados Faremos uma abordagem 6 detalhada e simples para possíveis esclarecimentos das condições desse ambiente tanto dentro quanto fora do contexto Nosso objetivo é determinar a capacidade necessária de refrigeração do aparelho de arcondicionado a ser instalado O fenômeno da radiação solar será desprezado visto que as transferências de calor advindas dos raios solares não influenciam diretamente na refrigeração desse ambiente Os valores estabelecidos pela norma ABNT NBR 6401 serão utilizados como parâmetros na obtenção das cargas térmicas de cada fator de influência do sistema Serão analisados por meio de equações as condições internas e externas de temperatura para verão e inverno as possíveis entradas de ar das frestas e portas a circulação de ar exterior para renovação a ocupação dos ambientes a energia gasta com a iluminação o calor utilizado por eletroeletrônicos e o aquecimento produzido pelas pessoas que ocupam esse local Joule J é a unidade de medida que utilizaremos na abordagem para calcular a carga térmica do ambiente a ser refrigerado Esta mesma unidade será usada em função do tempo JS Joule por segundo que é equivalente a potência térmica dada em Watts W sabendo que 1 joule equivale a 0000239006 Quilocaloria Kcal A norma ABNT NBR 6401 estabelece valores para ocupação dos recintos em metros quadrados por pessoa o que vai determinar pela análise do fluxo de calor emitido pelos corpos e dependendo do caráter desta ocupação esses valores serão maiores ou menores Em análise posterior verificase o calor liberado por um adulto em função do local de ocupação na unidade de quilocaloria por hora Sequencialmente ignora a troca de calor mantida por piso teto e as paredes que interligam as salas pois o calor a ser transferido de uma área para outra menos aquecida pode ser calculado utilizando a equação referente à condução entre paredes planas das literaturas de Fenômenos de Transportes Equação 1 Equação de Fourier 𝑄 𝑘 𝐴 𝑇𝑒 𝑇𝑖 𝐿 a 𝑸 Taxa de transferência de calor W b KCoeficiente de condutividade térmica do material Wmk c AÁrea de transferência de calor m² d L Espessura da Parede m e Te Temperatura externa do ambiente a ser refrigerado K 7 f Ti Temperatura interna do ambiente a ser refrigerado K Calculando o fluxo de calor das infiltrações e da renovação de ar a norma ABNT NBR 6401 utiliza a vazão em metros cúbicos por hora m³h observando o tipo de abertura para frestas de janelas e portas e estas variam em função do local ocupado Após a coleta dos dados aplicase a equação que deriva da primeira lei da termodinâmica Equação 2 Equação derivada da primeira lei da termodinâmica 𝑄 𝜌 𝑐𝑝 𝑉 𝑇 g 𝑸 Taxa de transferência de calor W h ρ Densidade do ar kgm³ i cp Calor específico do ar a pressão constante JkgK j V Volume de ar trocado no ambiente a cada segundo m³s k ΔT Diferenças de temperatura entre o interior e o exterior Finalmente são considerados a energia dissipada pela iluminação na unidade de Watts por metro quadrado Wm² as características do ambiente formas e níveis de iluminação e o calor liberado por outras fontes na unidade Watts W A somatória das cargas resultará em um valor em Watts W sendo que para cada Watts se tem o valor de 34121 btuh Unidade térmica britânica por hora Com este valor determina se a capacidade de refrigeração também em Watts W ou BTUH do aparelho condicionador de ar A capacidade de refrigeração deve estar sempre acima da carga térmica do ambiente a ser refrigerado 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Serão administrados valores já estabelecidos para aplicação nas fórmulas apresentação dos resultados Os cálculos serão baseados nos elementos mencionados no item materiais e métodos que fornecerão dados e coeficientes para resolução da problemática A NBR64011980 fixa valores para padronização dos cálculos como l Condições internas para verão 265 C 29965 K 8 m Condições externas para verão 373 C 31045 K n Ar exterior para renovação 50 m³h 00138 m³s o Infiltrações de ar Pelas frestas Janelas comuns 30 m³h 000083 m³s Portas comuns 130 m³h 000361 m³s Pelas portas portas de vai e vem 28 m³h 000077 m³s por pessoa p Energia dissipada pelas luminárias 40 W por unidade q Calor liberado pelas pessoas 113 kcalh 1315W Outros coeficientes e dados fornecidos ao cálculo são a Largura da parede L15 cm 015 m b Coeficiente k de condutividade térmica do material Wmk Tijolo cerâmico 045 Wmk Concreto 175 Wmk c Densidade do ar ρ12kgm³ d Calor específico do ar c1000 Jkgk SALA 1 Capacidade máxima 50 pessoas Área da parede que faz ligação do meio externo para o interno 2946m² Ganho de calor pela parede 𝑄𝑎 𝑘 𝐴 𝑇𝑒 𝑇𝑖 𝐿 𝑄 𝑎 22 2946 31045 29965 015 𝑸 𝒂 𝟒 𝟔𝟔𝟔 𝟒𝟔 𝑾 9 Ganho de calor pelo ar exterior de renovação 𝑄𝑏 𝜌 𝑐𝑝 𝑉 𝑇 𝑄𝑏 12 1000 00138 31045 29965 𝑸𝒃 𝟏𝟕𝟖 𝟖𝟓 𝑾 Ganho de calor proveniente de infiltração de ar Pelas frestas Janelas comuns 𝑄𝑐 𝜌 𝑐𝑝 𝑉 𝑇 𝑄𝑐 12 1000 000083 31045 29965 𝑸𝒄 𝟏𝟎 𝟕𝟓 𝑾 Portas 𝑄𝑑 𝜌 𝑐𝑝 𝑉 𝑇 𝑄𝑑 12 1000 000361 31045 29965 𝑸𝒅 𝟒𝟔 𝟕𝟗 𝑾 Pelas portas sala com 50 alunos e o tempo de entrada e saída por aluno de 8 segundos 𝑄𝑒 𝜌 𝑐𝑝 𝑉 𝑇 𝑄𝑒 12 1000 0308 31045 29965 𝑸𝒆 𝟑 𝟗𝟗𝟏 𝟔𝟖 𝑾 Ganho de calor liberado pelas pessoas 𝑄𝑓 1315 50 𝑸𝒇 𝟔 𝟓𝟕𝟓 𝑾 Ganho de calor liberado pela iluminação 𝑄𝑔 45 𝑊 4 𝑢𝑛𝑑 30𝑊 16 𝑢𝑛𝑑 𝑸𝒈 𝟔𝟔𝟎 𝑾 10 Ganho de calor total 𝑄𝑇 𝑄 𝑎 𝑄𝑏 𝑄𝑐 𝑄𝑑 𝑄𝑒 𝑄𝑓 𝑄𝑔 𝑄𝑇 466646 17885 1075 4679 399168 6575 660 𝑸𝑻 𝟏𝟔 𝟏𝟐𝟗 𝟓𝟑 𝑾 𝒐𝒖 𝟓𝟓 𝟎𝟑𝟓 𝟓𝟕 𝒃𝒕𝒖𝒉 4 CONCLUSÃO A análise da refrigeração do ambiente é importante quando relacionada ao desempenho estudantil Quanto maior for à sensação de conforto térmico nos estudantes maior será a qualidade do seu aprendizado melhorando assim o desempenho estudantil Observase através dos cálculos que a quantidade necessária de potência para refrigerar a sala de aula 1 do bloco VII da UniRV é aproximadamente 55BTUh Atualmente a sala conta com três equipamentos de ar condicionado de 12BTUh cada A partir desta comparação concluímos que a quantidade fornecida está subdimensionada ou seja abaixo do limite padrão para o conforto térmico dos ocupantes Concluímos a partir dessa análise que se faz necessária uma maior atenção em ajustar a refrigeração da sala de aula para que haja um melhor desempenho no aprendizado dos alunos 11 ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF ENVIRONMENTAL CLIMATIZATION IN STUDENT PERFORMANCE ABSTRACT To make any environment remain within a temperature range favorable to what one wants to preserve or to maintain in a comfortable way is one of the objectives of this Climate Control Project This means treating the temperature humidity purity and movement of the air at the same time indoors for thermal comfort Lets analyze the environment and verify if its thermal conditioning is really adequate and feasible for what it wants to achieve so to seek thermal neutrality Fanger concluded that the activity level is the only physiological process that determines the rate of sweating and skin temperature and therefore influences the bodys thermal equilibrium He further states that the activity level is the only physiological process which determines the rate of sweating and skin temperature and therefore influences the bodys thermal equilibrium ASHRAE55 2013 ISO7730 2005 The values established by ABNT NBR 6401 will be used as parameters in obtaining the thermal loads of each influence factor of the system Finally the energy dissipated by the Watts unit per square meter W m² the characteristics of the environment forms and levels of illumination and the heat released by other sources in the Watts W unit are considered Keywords Climatization Thermal comfort Ambient 12 REFERÊNCIAS ASHRAE American Society of Heating and Air Conditioning Engineers Physiological principles for comfort and health In Handbook Fundamentals Atlanta 2001 p 81 82 ASHRAE A S OF H R AND AC E ASHRAE HANDBOOK ASHRAE Handbook Refrigeration 2010 ASHRAE55 Thermal environmental conditions for human occupancy American Society of Heating Refrigerating and Airconditioning Engineers Inc Atlanta GA USA 2013 CORREIA T B A Construção do habitat moderno no Brasil 18701950 São Carlos RiMa 2004 FANGER P O Thermal comfort analysis and application in environment engineering New York McGrawHill 1970 FROTA A B SCHIFFER S R Manual de Conforto Térmico arquitetura urbanismo 5ª edição São Paulo Studio Nobel ISO7730 Ergonomics of the thermal environment Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria International Organization for Standardization Geneva Switzerland 2005 MACHADO H A Refrigeração e ar condicionado Rio de Janeiro 2009 apostila MANGE E R C A Função abrigo em arquitetura São Paulo Atena Originalmente apresentado como tese cátedra na Faculdade de Arquitetura da Universidade de São Paulo 1956 PIRANI M J Refrigeração e Ar Condicionado Parte I Refrigeração 2011 SILVA J C SOUZA G J ROCHA S P Desenho técnico para refrigeração e climatização 1ªed São José Sn 2014 134p STOECKER W F JONES JW Refrigeração e ar condicionado São Paulo McGrawHill do Brasil 1985 WARGOCKI P et al The effects of classroom air temperature and outdoor air supply rate on performance of school work by children Proceedings of Indoor Air I v 1 p 36872 2005