Efeito da corrente de ar térmica
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Definição
A tiragem térmica, também conhecida comoefeito de pilha, é um fenómeno físico que ocorre nos edifícios quando oar quente no interior, sendo menos denso do que o ar frio no exterior, tende a subir.
Este movimento natural do ar gera uma corrente de ar ascendente em espaços fechados, criando um fluxo de ar que pode ser utilizado para a ventilação natural dos edifícios.
A tiragem térmica baseia-se nos princípios da flutuabilidade, em que a diferença de temperatura entre o ar interior e o ar exterior cria uma diferença de pressão.
Esta diferença de pressão faz com que o ar quente saia pelos pontos mais altos do edifício, enquanto o ar frio entra pelas aberturas mais baixas.
Aeficácia das correntes de ar térmico depende de uma série de factores, tais como a altura do edifício, a diferença de temperatura entre o interior e o exterior e a configuração das aberturas de entrada e saída de ar.
Este fenómeno é particularmente relevante em edifícios altos, onde pode apresentar desafios significativos em termos de conforto térmico, consumo de energia e mesmo de segurança. Compreender e controlar as correntes de ar térmico é, portanto, essencial para otimizar o desempenho energético dos edifícios, reduzir as perdas de energia e garantir um ambiente interior confortável e saudável.
Efeito de correntes de ar térmico em edifícios altos
Efeito chaminé
O efeito da corrente de ar térmica é um grande desafio para os arranha-céus, mas também pode ser um fator significativo para edifícios de dois ou mais andares.
A estrutura funciona como uma chaminé gigante, canalizando efetivamente o ar quente para cima até que este acabe por sair da estrutura.
Estes fenómenos são geralmente favorecidos pelas escadas abertas que distribuem todos os níveis de um edifício.
O efeito de pilha ocorre quando a temperatura exterior é significativamente mais baixa do que a temperatura interior.
O ar frio é mais denso do que o ar quente, por isso, quando o ar frio entra na estrutura a partir de baixo, substitui o ar quente mais acima.
Isto cria um fluxo de ar que atrai mais ar frio e intensifica as correntes de ar. Quanto mais alta for a estrutura, mais forte será o fluxo de ar. É por isso que as portas giratórias foram desenvolvidas pouco depois dos primeiros arranha-céus.
A força de sucção ao nível do solo era tão forte no inverno que as pessoas tinham dificuldade em abrir as portas!
É o que acontece ainda hoje com os elevadores, que por vezes ligam as partes baixas do edifício às zonas de cobertura para ventilar o poço.
No entanto, na presença de vento (ver efeito de tiragem combinado com o vento), a tiragem torna-se tão forte que as portas do elevador podem ficar bloqueadas, ou pode ocorrer um assobio significativo nas câmaras de ar nos níveis inferiores.
O problema óbvio é que o ar interior tratado é perdido, desperdiçando energia.
Mas outro fator é que este problema pode agravar-se com o tempo.
Se o fluxo de ar for particularmente forte, este exerce pressão sobre as entradas de ar parasitas finas, provocando fissuras nas juntas e criando novas vulnerabilidades. Com uma pressão constante, estas aberturas podem alargar-se e expandir-se, intensificando o fluxo de ar e acelerando a perda de energia.
O efeito de chaminé funciona porque o ar quente tem de ir para algum lado quando atinge o nível mais alto do edifício.
Em muitos casos, escapa-se para o sótão através de tectos rachados, canalizações com fugas, luminárias embutidas ou simplesmente demasiada permeabilidade ao ar no chão do sótão.
Quando o ar quente atinge o nível superior, escapa para o exterior através de qualquer pequena vulnerabilidade que possa encontrar.
Plano de pressão neutro
O plano de pressão neutra é um plano horizontal imaginário onde a pressão interna é igual à pressão atmosférica externa. A esta altitude, a diferença de pressão entre o interior e o exterior é zero, e o ar não entra nem sai do edifício.
O ponto de pressão neutra depende dos sistemas AVAC do edifício, que aplicam pressão ou pressão negativa dependendo da sua zona de distribuição no edifício.
Para que a tiragem térmica funcione corretamente num edifício, a posição do plano de pressão neutra deve ser estudada antecipadamente para determinar a posição das entradas e saídas de ar durante a fase de projeto.
As entradas de ar devem ser posicionadas abaixo do plano de pressão neutra e as saídas de ar acima dele, como mostra o diagrama abaixo.
Acima do plano de pressão neutra, o oposto é verdadeiro: a pressão interna é superior à pressão externa e o ar sai do edifício.
Estimativa das correntes de ar térmico num edifício
Definições e fórmulas
A ventilação por flutuação explora os princípios da diferença de densidade do ar para garantir uma renovação eficiente do ar num espaço fechado.
Este método pode ser implementado de várias formas, incluindo a utilização combinada de torres de arrefecimento e chaminés.
As torres de arrefecimento, que funcionam com base no princípio daevaporação da água para arrefecer o ar, fornecemar fresco na parte inferior do espaço.
Quando este ar fresco é aquecido pelos ocupantes ou por outras fontes internas, a sua densidade diminui e torna-se mais leve, facilitando a sua subida.
Ao utilizar uma chaminé, este ar quente e viciado é expelido para o exterior, criando uma corrente de ar que permite que o ar fresco continue a entrar pelas aberturas inferiores para o substituir.
A diferença na densidade do ar depende de factores como a temperatura ea humidade.
No inverno, quando a diferença de temperatura entre o interior e o exterior é maior, a ventilação por chaminé é particularmente eficaz.
No entanto, no verão, este método pode não funcionar eficazmente porque exige que o interior esteja mais quente do que o exterior, o que é geralmente indesejável durante os meses quentes.
A ventilação por flutuação, ao explorar as diferenças de densidade do ar devidas à temperatura e à humidade, pode, por conseguinte, ser um método eficaz para assegurar uma ventilação natural e confortável dos espaços interiores, mas precisa de ser adaptada às condições climáticas para ser totalmente eficaz.
Uma expressão para o caudal de ar ventilado por efeito de chaminé pode ser dada por :
Com :
- Q: o caudal de ar ventilado por correntes de ar térmicas
- C_d: coeficiente de descarga
- S: área da secção transversal da chaminé (m²)
- g:aceleração devida à gravidade
- h: altura da chaminé (em m)
- T_i: temperatura interior (em K)
- T_e: temperatura exterior (em K)
> Pode ver-se que o caudal de ar é positivo quando T_i T_e : o ar quente e viciado sai do edifício.
< No verão, quando T_i T_e , o caudal torna-se negativo, com a entrada de ar quente no edifício, o que não é o efeito desejado.
Por conseguinte, as correntes de ar térmico não são adequadas para edifícios residenciais ou de escritórios em que a temperatura exterior é muito elevada.
Há também o caso em que T_i e T_e são da mesma ordem de grandeza (meia estação): neste caso, o caudal de ar é quase nulo e não há ventilação.
É por isso que, nos edifícios convencionais, a tiragem térmica não é adequada para todas as estações do ano.
Mas vamos apresentar as situações em que a ventilação por tiragem térmica funciona sempre.
Ordens de grandeza
Se considerarmos o caso de um edifício residencial no inverno com uma chaminé de 15 m de altura, a temperatura interior (T_i) é em média 20°C e a temperatura exterior (T_e) é 0°C.
O coeficiente de descarga é considerado como sendo aproximadamente igual a 0,65 e a área de superfície (S) da chaminé é de 0,1 m².
Por aplicação numérica, a ordem de grandeza do caudal de ar ventilado por tiragem térmica é: Q = 0,34 m³/s, ou seja, aproximadamente 1200 m³/h. [Ces valeurs ne sont valables que dans la situation évoquée précédemment]Uma chaminé deste tipo permite uma ventilação suficiente (caudal de 5 Vol/h) para uma superfície de 100 m².
Coeficiente de descarga
O coeficiente de descarga é um parâmetro utilizado para descrever o desempenho de uma chaminé ou conduta no contexto da tiragem térmica.
Representa a fração do caudal mássico teórico de ar que é efetivamente aspirado através da conduta em resultado do efeito da tiragem térmica.
O coeficiente de descarga depende de uma série de factores, incluindo a geometria da chaminé, a rugosidade das suas paredes, a temperatura do ar no interior da chaminé, a diferença de temperatura entre o interior e o exterior da chaminé e outras variáveis ambientais.
Para calcular o coeficiente de descarga, podem ser utilizados modelos empíricos baseados em experiências e observações, ou simulações numéricas que tenham em conta as várias variáveis que influenciam.
Estes modelos ou simulações podem ser utilizados para determinar o coeficiente de descarga para uma configuração específica da chaminé em determinadas condições.
Em geral, o coeficiente de alívio é expresso por um valor entre 0 e 1, em que 1 representa uma tiragem óptima, ou seja, todo o ar teoricamente disponível é efetivamente aspirado através da chaminé.
Um valor inferior a 1 indica perdas ou ineficiências no processo de tiragem.
Simulação CFD
A simulação CFD (Computational Fluid Dynamics) oferece uma vantagem inegável na determinação dos coeficientes de descarga de tiragem térmica.
Fornece uma estimativa mais precisa e acessível do que os métodos experimentais tradicionais.
Graças à CFD, é possívelanalisar virtualmente o comportamento dos fluxos de ar num sistema de tiragem térmica, proporcionando uma compreensão aprofundada dos fenómenos de convecção e turbulência.
Além disso, esta abordagem permite uma grande flexibilidade na modificação eotimização do projeto, uma vez que é utilizada numa fase inicial da conceção, evitando assim os custos e os constrangimentos associados às modificações durante a fase de construção.
A simulação CFD tem em conta diretamente os efeitos das perdas de carga.
Utilizando a fórmula teórica sem perdas (C_d=1), é possível determinar o coeficiente de descarga do sistema em estudo.
Em suma, a simulação CFD é uma ferramenta essencial para uma conceção eficiente e optimizada dos sistemas de tiragem térmica.
Extração térmica na indústria
As questões
Em meio industrial, o fenómeno das correntes de ar térmico é de importância crucial.
Frequentemente gerado por equipamentos como fornos ou máquinas, o calor a evacuar caracteriza-se por temperaturas muito elevadas.
Estas condições térmicas requerem uma gestão eficaz, pois podem conduzir a uma acumulação de calor no interior das instalações industriais.
Além disso, a temperatura do ar a exaurir é frequentemente muito superior à do ar exterior, mesmo no verão, pelo que a tiragem térmica funciona mesmo em períodos de muito calor.
Note-se que este desfasamento térmico agrava os desafios associados ao controlo da temperatura e à ventilação, exigindo soluções específicas para manter as condições de trabalho ideais e garantir a segurança das operações industriais.
Simulação CFD
As duas imagens abaixo mostram uma simulação numérica efectuada para a ventilação de uma instalação industrial, para aqual foi necessário dimensionar arejadores estáticos.
O dimensionamento das aberturas de ventilação natural é fortemente influenciado pelo conceito de pressão neutra.
Este conceito refere-se a um nível crucial onde a pressão interna de um espaço é igual à pressão atmosférica externa, formando um plano horizontal fictício.
Neste nível, as entradas de ar não são muito eficazes, enquanto que acima deste nível, a pressão interna excede a pressão externa, tornando essencial posicionar as saídas de ar neste ponto.
Por outro lado, as aberturas de entrada de ar são sempre colocadas abaixo do plano neutro, uma vez que geram uma zona de pressão negativa neste ponto.
Ao projetar um sistema de ventilação natural, é essencial determinar com precisão a altura do plano neutro e distribuir judiciosamente a diferença de pressão disponível entre as aberturas de entrada e saída de ar, tendo em conta as perdas de fluxo. A posição do plano neutro varia consoante a estação do ano, como mostra o diagrama abaixo.
Quando a temperatura exterior é muito inferior à temperatura interior (inverno), o plano de pressão neutra situa-se mais acima.
Por outro lado, no verão, quando as diferenças de temperatura são menores mas a temperatura interior é ainda mais elevada, o plano de pressão neutra situa-se mais abaixo.
É por isso que, para que a tiragem térmica funcione em todas as estações, as entradas de ar devem situar-se abaixo da posição mínima do plano de pressão neutra e as saídas de ar acima da posição máxima do plano de pressão neutra.
Balanço
A Eolios está assim em condições de fornecer soluções no domínio do dimensionamento de chaminés, bem como aberturas e simulações numéricas de tiragem térmica.
A sua experiência e o seu know-how permitem-lhe oferecer ferramentas e serviços de modelização precisos e fiáveis para responder às necessidades das indústrias preocupadas com a eficiência energética e a segurança das suas instalações.
