Protótipo – Chaminé de ventilação natural
Projeto de um edifício ventilado por chaminés de ventilação natural
A EOLIOS Ingénierie foi contactada por um gabinete de arquitetos para estudar a ventilação natural de um futuro edifício. Trata-se de escritórios que deverão ser ventilados através de chaminés de vento. Neste tipo de ventilação natural, não é o efeito de tiragem térmica que prevalece, mas sim a ação do vento.
Neste estudo, a EOLIOS analisou vários tipos de chaminés e determinou qual delas oferece o melhor caudal de ar.
Protótipo - Chaminé de ventilação natural
Ano
2024
Cliente
Localização
Rennes
Tipologia
Engenharia climática
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Simulação numérica da ventilação natural por efeito de chaminé
Apresentação geral do projeto
A Eolios realizou um estudo aprofundado sobre um futuro projeto de arquitetura que integra duas componentes principais: uma secção dedicada a habitações e outra a instalações empresariais. A nossa atenção centra-se especificamente nesta segunda parte, uma vez que são as instalações empresariais que irão beneficiar de um sistema de ventilação natural.
Estudo climático
Para realizar este estudo de ventilação natural, começamos por efetuar uma análise climática do futuro local, de modo a realizar simulações tão realistas quanto possível. Neste projeto, a análise climática revelou que o vento sopra principalmente do sudoeste. Um segundo vento dominante provém do nordeste. Após identificarmos estes ventos dominantes, medimos a sua intensidade, ou seja, a velocidade média do vento nessas direções, bem como as velocidades mínimas e máximas, para estudar os casos extremos.
Foi também realizado um estudo das temperaturas em função das estações do ano, mas este não é apresentado nesta secção. Na sequência deste artigo, iremos apresentar os resultados relativos a um vento de sudoeste com uma velocidade de 6 m/s, que, de acordo com este estudo climático, é o vento mais frequente.
Modelo 3D
Para estudar a ventilação natural de um edifício, é fundamental ter em conta os edifícios vizinhos, que funcionam como «máscaras aeraulicas». Estas estruturas circundantes podem ter um impacto significativo no fluxo de ar à voltae através do edifício em estudo. A presença de edifícios vizinhos pode criar zonas de pressão variável e turbulências que influenciam a direção e a velocidade do vento. Por conseguinte, a modelação precisa desses edifícios vizinhos é essencial para uma avaliação realista da ventilação natural.
A modelação dos edifícios vizinhos permite simular os efeitos dos obstáculos nas correntes de ar. Isto inclui a determinação das zonas de sombra eólica, onde o fluxo de ar é reduzido ou perturbado, e dos canais de vento, onde o fluxo é acelerado. Estes fenómenos podem afetar a qualidade do ar interior, o conforto térmico e a eficiência energética do edifício em análise. Uma boa modelação ajuda a identificar as melhores localizações para as aberturas de ventilação, como janelas e aberturas de ventilação, de modo a otimizar a entrada de ar fresco e a evacuação do ar viciado.
Dimensionamento
É essencial dimensionar corretamente as condutas de ventilação para garantir uma ventilação eficaz. A Eolios contribui com a sua experiência no dimensionamento e na otimização de sistemas de ventilação natural. Posteriormente, a simulação CFD permite verificar esse dimensionamento. A vantagem da CFD reside na possibilidade de testar vários sistemas e configurações. Com efeito, é mais simples alterar os sistemas de ventilação na fase de simulação do que quando estes já se encontram instalados.
Experimenta várias chaminés através da CFD
Foram realizados estudos em várias chaminés:
- Uma com um conduto retangular de 4 m de altura e uma cobertura plana
- Duas com um conduto cilíndrico de 4 m de altura: uma com uma cobertura semiesférica fixa e a outra rotativa
- E uma fachada com 4 m de altura e duas orientações
O objetivo do estudo é determinar a forma mais adequada para o projeto, comparando os caudais extraídos pelas chaminés de acordo com as diferentes configurações. As superfícies de captação e as dimensões dos condutos são equivalentes em cada estudo, de modo a comparar apenas a eficácia da tiragem natural.
Velocidades do ar nas 4 diferentes configurações de chaminés
Os estudos demonstram que a chaminé com capota rotativa é a que gera maior tiragem. O caudal de saída é cerca de duas vezes superior ao das chaminés com capota fixa, independentemente da direção do vento ou das perturbações causadas pelos edifícios circundantes. Além disso, a coifa orienta-se de forma a encontrar as condições ideais, o que garante uma melhor tiragem.
As chaminés na fachada podem ser uma solução interessante, apesar das limitações. A sua eficácia depende em grande medida da orientação do vento; consoante a direção do vento e a orientação da chaminé, esta pode funcionar como entrada ou saída de ar, o que pode ser tanto uma vantagem como uma desvantagem.
No âmbito deste estudo, com o objetivo de obter a melhor tiragem possível, deve dar-se preferência à chaminé com coifa rotativa.
Simulações e resultados
Esta secção apresenta os resultados da simulação CFD com condutas individuais e chaminés cilíndricas móveis. Com efeito, tal como demonstram as primeiras simulações, este tipo de chaminé é o mais eficiente.
Os resultados da simulação apresentados abaixo correspondem a um vento de sudoeste com uma velocidade da ordem dos 6 m/s. Trata-se do vento dominante na região do projeto. É de salientar que foram testadas outras orientações e velocidades do vento, mas estas não são apresentadas neste artigo.
As áreas a vermelho indicam quais são as chaminés mais afetadas pelo vento proveniente do sudoeste. Aquelas em que não se observam estas manchas vermelhas são menos afetadas por este vento, devido à presença de outras chaminés a montante.
Sempre com o objetivo de comparar as chaminés fixas e móveis, foram realizados dois estudos para cada um dos casos, os quais são apresentados a seguir.
Distribuição da velocidade nos condutos individuais das chaminés móveis - Estudo de pré-dimensionamento
À primeira vista, as velocidades nos condutos das chaminés móveis são mais elevadas do que nos condutos das chaminés fixas. Além disso, é possível notar a diferença entre os condutos das chaminés fixas. Com efeito, no caso das chaminés fixas, a chaminé com o conduto mais longo (1.º andar) apresenta um caudal de 0,7 Vol/h, ou seja, bem abaixo dos 5 Vol/h esperados. Apenas o conduto mais curto (5.º andar) atinge praticamente este objetivo de 5 Vol/h, e este caudal aumenta à medida que se sobe pelos andares.
A tabela abaixo apresenta um resumo dos caudais por piso e por tipo de chaminé:
Este quadro mostra que a ventilação por chaminés fixas funciona, em média, duas vezes menos bem do que a ventilação por chaminés móveis. É igualmente importante referir e recordar que, no caso das chaminés fixas, o primeiro andar praticamente não é ventilado.
Neste estudo, as aberturas nas fachadas analisadas encontram-se na parte superior e estão abertas a cada duas vigas, como se pode ver na figura abaixo.
Verifica-se que as séries de chaminés diretamente expostas ao vento (circuladas a vermelho na figura acima) apresentam caudais bem superiores à média das restantes chaminés. No que diz respeito a estas chaminés, o objetivo de 5 Vol/h é, portanto, claramente atingido no caso móvel, mas ainda não no caso fixo.
Com base nestes primeiros resultados, podemos constatar que a ventilação natural funciona corretamente no caso da chaminé com a cobertura móvel. Neste caso, as condutas foram corretamente dimensionadas para obter um caudal de ventilação de 5 Vol/h.
Simulação da ventilação noturna por ventilação natural
Quantificar os ganhos da ventilação natural por chaminé
Na sequência dos estudos de desempenho dos diferentes tipos de chaminés, foi realizado um estudo com o objetivo de avaliar a dissipação noturna neste edifício através da ventilação natural e destas chaminés. A dissipação noturna corresponde ao processo de arrefecimento passivo que aproveita a descida das temperaturas exteriores durante a noite para evacuar o calor acumulado durante o dia. Este fenómeno baseia-se na circulação natural ou forçada do ar, permitindo assim reduzir a temperatura interior emelhorar o conforto térmico sem recorrer a um sistema de ar condicionado mecânico.
Este estudo tem como objetivo quantificara eficácia deste mecanismo em função das condições climáticas, das características do edifício e dos fluxos de ar induzidos.
Condição da descarga noturna
Para modelar uma descarga noturna correspondente a um cenário realista, optámos por simular uma diferença de temperatura de 10 °C entre o ar interior e o ar exterior. Mais concretamente, considerámos duas situações características: uma temperatura exterior de 18 °C e uma temperatura interior de 28 °C.
Esta escolha baseia-se na hipótese de que, durante os períodos de calor intenso, a acumulação de calor no interior do edifício provoca um aumento da temperatura interior, enquanto a descida das temperaturas exteriores durante a noite permite iniciar um fenómeno de arrefecimento passivo. Esta diferença de temperatura favorece a ventilação natural, criando um gradiente térmico propício à circulação do ar através das chaminés e das aberturas do edifício.
As condições de vento foram igualmente determinadas com base no estudo climático realizado anteriormente. Para este estudo, foi escolhido o vento predominante no local.
Resultados dos estudos sobre as emissões atmosféricas
Os resultados da ventilação noturna permitemidentificar facilmente as zonas devidamente ventiladas, onde as temperaturas interiores são relativamente próximas da temperatura exterior. Estas zonas beneficiam de uma renovação de ar eficaz, o que favorece o arrefecimento passivo do edifício.
Por outro lado, as zonas com pouca ventilação também são destacadas. Nestes espaços, a circulação do ar é mais limitada, o que resulta em temperaturas residuais elevadas, próximas dos 28 °C. A identificação destas zonas é essencial para otimizar a estratégia de ventilação natural, ajustando as aberturas ou integrando soluções que melhorem a renovação do ar e uniformizem a distribuição das temperaturas.
Este estudo permitiuidentificar os pontos críticos no edifício e analisar o seu impacto no conforto térmico. De um modo geral, a descarga noturna revelou-se eficaz para manter temperaturas confortáveis na maior parte do edifício, promovendo um arrefecimento passivo ideal.
Verifica-se, no entanto, que os espaços com pouca circulação de ar não beneficiam da renovação noturna do ar.
Além disso, este estudo desempenhou um papel fundamental noacompanhamento do nosso cliente naotimização da ventilação natural. Graças aos resultados obtidos, conseguimos elaborar uma lista de boas práticas que permitem maximizar a ventilação natural e, consequentemente,melhorar a renovação do ar durante a noite. Estas recomendações visam, nomeadamente, otimizar a gestão das aberturas, ajustar os caudais de ar e tirar pleno partido das diferenças de temperatura para reforçara eficácia do arrefecimento passivo.
Resumo em vídeo do estudo
Resumo em vídeo do estudo
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