Resfriamento passivo - Passive cooling
O resfriamento passivo é uma abordagem de projeto de construção que se concentra no controle do ganho de calor e na dissipação de calor em um edifício, a fim de melhorar o conforto térmico interno com baixo ou nenhum consumo de energia. Essa abordagem funciona impedindo que o calor entre no interior (prevenção de ganho de calor) ou removendo o calor do edifício (resfriamento natural).
O resfriamento natural utiliza energia local, disponível no ambiente natural, combinada com o projeto arquitetônico dos componentes do edifício (por exemplo , envelope do edifício ), em vez de sistemas mecânicos para dissipar o calor. Portanto, o resfriamento natural depende não apenas do projeto arquitetônico do edifício, mas de como os recursos naturais do local são usados como dissipadores de calor (ou seja, tudo que absorve ou dissipa calor). Exemplos de dissipadores de calor no local são a atmosfera superior (céu noturno), o ar externo (vento) e a terra / solo.
O resfriamento passivo é uma ferramenta importante para o projeto de edifícios para adaptação às mudanças climáticas - reduzindo a dependência de ar condicionado que consome muita energia em ambientes aquecidos.
Visão geral
O resfriamento passivo cobre todos os processos e técnicas naturais de dissipação e modulação de calor sem o uso de energia. Alguns autores consideram que sistemas mecânicos menores e simples (por exemplo, bombas e economizadores) podem ser integrados em técnicas de resfriamento passivo, desde que sejam usados para aumentar a eficácia do processo de resfriamento natural. Essas aplicações também são chamadas de 'sistemas de resfriamento híbridos'. As técnicas de resfriamento passivo podem ser agrupadas em duas categorias principais:
- Técnicas preventivas que visam fornecer proteção e / ou prevenção de ganhos de calor externos e internos.
- Técnicas de modulação e dissipação de calor que permitem ao edifício armazenar e dissipar o ganho de calor por meio da transferência de calor dos dissipadores para o clima. Esta técnica pode ser resultado de massa térmica ou resfriamento natural.
Técnicas preventivas
A proteção ou prevenção de ganhos de calor engloba todas as técnicas de projeto que minimizam o impacto dos ganhos de calor solar através da envolvente do edifício e dos ganhos de calor interno que são gerados no interior do edifício devido à ocupação e equipamentos. Inclui as seguintes técnicas de design:
- Microclima e projeto do local - levando em consideração o clima local e o contexto do local, estratégias de resfriamento específicas podem ser selecionadas a serem aplicadas, quais são as mais adequadas para prevenir o superaquecimento através da envolvente do edifício. O microclima pode desempenhar um papel importante na determinação da localização do edifício mais favorável, analisando a disponibilidade combinada de sol e vento. A carta bioclimática, o diagrama solar e a rosa dos ventos são ferramentas de análise relevantes na aplicação desta técnica.
- Controle solar - um sistema de sombreamento adequadamente projetado pode contribuir efetivamente para minimizar os ganhos de calor solar . O sombreamento das superfícies transparentes e opacas da envolvente do edifício minimizará a quantidade de radiação solar que induz o superaquecimento nos espaços internos e na estrutura do edifício. Ao sombrear a estrutura do edifício, o ganho de calor capturado pelas janelas e envoltório será reduzido.
- Forma e layout do edifício - A orientação do edifício e uma distribuição otimizada dos espaços internos podem evitar o superaquecimento. As divisões podem ser zoneadas dentro dos edifícios de forma a rejeitar fontes de ganho de calor interno e / ou alocar os ganhos de calor onde possam ser úteis, considerando as diferentes atividades do edifício. Por exemplo, a criação de um plano plano e horizontal aumentará a eficácia da ventilação cruzada em todo o plano. Localizar as zonas verticalmente pode tirar vantagem da estratificação de temperatura. Normalmente, as zonas de construção nos níveis superiores são mais quentes do que as zonas inferiores devido à estratificação. O zoneamento vertical de espaços e atividades usa essa estratificação de temperatura para acomodar usos de zona de acordo com seus requisitos de temperatura. O fator de forma (ou seja, a relação entre o volume e a superfície) também desempenha um papel importante no perfil energético e térmico do edifício. Essa proporção pode ser usada para moldar a forma do edifício de acordo com o clima local específico. Por exemplo, as formas mais compactas tendem a preservar mais calor do que as formas menos compactas porque a proporção entre as cargas internas e a área do envelope é significativa.
- Isolamento térmico - o isolamento na envolvente do edifício diminuirá a quantidade de calor transferido por radiação através das fachadas. Este princípio se aplica às superfícies opacas (paredes e teto) e transparentes (janelas) do envelope. Uma vez que os telhados podem ser um contribuinte maior para a carga de calor interna, especialmente em construções mais leves (por exemplo, prédios e oficinas com telhado feito de estruturas metálicas), fornecer isolamento térmico pode diminuir efetivamente a transferência de calor do telhado.
- Padrões comportamentais e de ocupação - Algumas políticas de gerenciamento de edifícios, como limitar o número de pessoas em uma determinada área do edifício, também podem contribuir efetivamente para a minimização dos ganhos de calor dentro de um edifício. Os ocupantes do edifício também podem contribuir para a prevenção do superaquecimento interno: desligando as luzes e equipamentos de espaços desocupados, operando sombreamento quando necessário para reduzir os ganhos de calor solar através das janelas ou vestir-se com roupas mais leves para se adaptar melhor ao ambiente interno, aumentando seu conforto térmico tolerância.
- Controle de ganho interno - iluminação e equipamentos eletrônicos mais eficientes em termos de energia tendem a liberar menos energia, contribuindo assim para menos cargas de calor internas dentro do espaço.
Técnicas de modulação e dissipação de calor
As técnicas de modulação e dissipação de calor contam com dissipadores de calor naturais para armazenar e remover os ganhos de calor internos. Exemplos de sumidouros naturais são céu noturno, solo de terra e massa de construção. Portanto, as técnicas de resfriamento passivo que usam dissipadores de calor podem atuar para modular o ganho de calor com massa térmica ou dissipar o calor por meio de estratégias de resfriamento natural.
- Massa térmica - A modulação do ganho de calor de um espaço interno pode ser obtida pelo uso adequado da massa térmica do edifício como dissipador de calor. A massa térmica irá absorver e armazenar calor durante o dia e devolvê-lo ao espaço posteriormente. A massa térmica pode ser acoplada à estratégia de resfriamento natural da ventilação noturna se o calor armazenado que será fornecido ao espaço durante a tarde / noite não for desejável.
- Resfriamento natural - O resfriamento natural se refere ao uso de ventilação ou dissipadores de calor naturais para dissipação de calor de espaços internos. O resfriamento natural pode ser separado em cinco categorias diferentes: ventilação, descarga noturna, resfriamento radiativo , resfriamento evaporativo e acoplamento à terra .
Ventilação
A ventilação como estratégia de resfriamento natural usa as propriedades físicas do ar para remover o calor ou fornecer resfriamento aos ocupantes. Em casos selecionados, a ventilação pode ser usada para resfriar a estrutura do edifício, que posteriormente pode servir como um dissipador de calor.
- Ventilação cruzada - A estratégia de ventilação cruzada depende do vento para passar pelo edifício com o objetivo de resfriar os ocupantes. A ventilação cruzada requer aberturas nos dois lados do espaço, chamadas de entrada e saída. O dimensionamento e a localização das entradas e saídas de ventilação determinarão a direção e a velocidade da ventilação cruzada através do edifício. Geralmente, uma área igual (ou maior) de aberturas de saída também deve ser fornecida para fornecer ventilação cruzada adequada.
- Ventilação em pilha - a ventilação cruzada é uma estratégia de resfriamento eficaz, no entanto, o vento não é um recurso confiável. A ventilação de pilha é uma estratégia de projeto alternativa que depende da flutuabilidade do ar quente para subir e sair pelas aberturas localizadas na altura do teto. O ar externo mais frio substitui o ar quente que sobe por meio de entradas cuidadosamente projetadas localizadas perto do chão.
Essas duas estratégias fazem parte das estratégias de resfriamento ventilativo .
Uma aplicação específica da ventilação natural é a descarga noturna.
Rubor noturno
A descarga noturna (também conhecida como ventilação noturna, resfriamento noturno, purga noturna ou resfriamento convectivo noturno) é uma estratégia de resfriamento passiva ou semipassiva que requer maior movimento de ar à noite para resfriar os elementos estruturais de um edifício. Uma distinção pode ser feita entre resfriamento gratuito para resfriar a água e descarga noturna para resfriar a massa térmica do edifício . Para executar a descarga noturna, normalmente mantém-se o envelope do edifício fechado durante o dia. A massa térmica da estrutura do edifício atua como um dissipador durante o dia e absorve os ganhos de calor dos ocupantes, equipamentos, radiação solar e condução através de paredes, telhados e tetos. À noite, quando o ar externo está mais frio, o envelope é aberto, permitindo que o ar mais frio passe pelo prédio para que o calor armazenado possa ser dissipado por convecção. Este processo reduz a temperatura do ar interno e da massa térmica do edifício, permitindo que o resfriamento convectivo, condutor e radiante ocorra durante o dia em que o edifício está ocupado. A lavagem noturna é mais eficaz em climas com grande oscilação diurna, ou seja, uma grande diferença entre a temperatura externa máxima e mínima diária. Para um desempenho ideal, a temperatura do ar externo noturno deve cair bem abaixo do limite da zona de conforto diurno de 22 ° C (72 ° F), e não deve ter baixa umidade absoluta ou específica . Em climas quentes e úmidos, a variação da temperatura dirunal é tipicamente pequena e a umidade noturna permanece alta. A lavagem noturna tem eficácia limitada e pode apresentar alta umidade que causa problemas e pode levar a altos custos de energia se for removida por sistemas ativos durante o dia. Assim, a eficácia da lavagem noturna é limitada a climas suficientemente secos. Para que a estratégia de lavagem noturna seja eficaz na redução da temperatura interna e do uso de energia, a massa térmica deve ser dimensionada o suficiente e distribuída em uma área de superfície ampla o suficiente para absorver os ganhos diários de calor do espaço. Além disso, a taxa total de troca de ar deve ser alta o suficiente para remover os ganhos de calor interno do espaço à noite. Existem três maneiras pelas quais a lavagem noturna pode ser realizada em um edifício:
- Lavagem noturna natural abrindo as janelas à noite, deixando o fluxo de ar impulsionado pelo vento ou pela flutuabilidade esfriar o espaço e, em seguida, fechando as janelas durante o dia.
- Lavagem noturna mecânica forçando o ar mecanicamente através dos dutos de ventilação à noite em uma taxa de fluxo de ar alta e fornecendo ar ao espaço durante o dia a uma taxa de fluxo de ar mínima exigida pelo código.
- Lavagem noturna de modo misto através de uma combinação de ventilação natural e ventilação mecânica , também conhecida como ventilação de modo misto , usando ventiladores para auxiliar o fluxo de ar noturno natural.
Essas três estratégias fazem parte das estratégias de resfriamento ventilativo .
Existem inúmeros benefícios em usar a descarga noturna como estratégia de resfriamento para edifícios, incluindo maior conforto e uma mudança no pico de carga de energia. A energia é mais cara durante o dia. Ao implementar a descarga noturna, o uso de ventilação mecânica é reduzido durante o dia, levando a economia de energia e dinheiro.
Há também uma série de limitações para usar a descarga noturna, como usabilidade, segurança, qualidade reduzida do ar interno, umidade e acústica ruim da sala. Para a descarga noturna natural, o processo de abrir e fechar as janelas manualmente todos os dias pode ser cansativo, especialmente na presença de telas de insetos. Esse problema pode ser amenizado com janelas automatizadas ou venezianas de ventilação, como no Manitoba Hydro Place . A descarga noturna natural também exige que as janelas sejam abertas à noite, quando o prédio provavelmente está desocupado, o que pode levantar problemas de segurança. Se o ar externo estiver poluído, a lavagem noturna pode expor os ocupantes a condições prejudiciais dentro do edifício. Em locais barulhentos da cidade, a abertura de janelas pode criar condições acústicas ruins dentro do edifício. Em climas úmidos, a alta descarga pode introduzir ar úmido, normalmente acima de 90% de umidade relativa durante a parte mais fria da noite. Esta umidade pode se acumular no prédio durante a noite, levando ao aumento da umidade durante o dia, levando a problemas de conforto e até mesmo ao crescimento de mofo.
Resfriamento radiativo
Todos os objetos emitem e absorvem constantemente energia radiante . Um objeto resfriará por radiação se o fluxo líquido for para fora, o que é o caso durante a noite. À noite, a radiação de ondas longas do céu claro é menor do que a radiação infravermelha de ondas longas emitida por um edifício, portanto, há um fluxo líquido para o céu. Uma vez que o telhado oferece a maior superfície visível para o céu noturno, projetar o telhado para atuar como um radiador é uma estratégia eficaz. Existem dois tipos de estratégias de resfriamento radiativo que utilizam a superfície do telhado: direta e indireta:
- Resfriamento direto por radiação - Em um edifício projetado para otimizar o resfriamento por radiação direta, o telhado do edifício atua como um dissipador de calor para absorver as cargas internas diárias. O telhado funciona como o melhor dissipador de calor porque é a maior superfície exposta ao céu noturno. A transferência de calor por radiação com o céu noturno removerá o calor do telhado do edifício, resfriando a estrutura do edifício. Os tanques de cobertura são um exemplo dessa estratégia. O projeto do tanque no telhado tornou-se popular com o desenvolvimento do sistema térmico Sky projetado por Harold Hay em 1977. Existem vários projetos e configurações para o sistema do tanque no telhado, mas o conceito é o mesmo para todos os projetos. O telhado usa água, seja em sacos plásticos cheios de água ou em um lago aberto, como dissipador de calor, enquanto um sistema de painéis de isolamento móveis regula o modo de aquecimento ou resfriamento. Durante o dia no verão, a água da cobertura é protegida da radiação solar e da temperatura do ar ambiente por um isolamento móvel, o que permite que ela sirva como dissipador de calor e absorva o calor gerado no interior através do teto. À noite, os painéis são retraídos para permitir a radiação noturna entre a lagoa do telhado e o céu noturno, removendo assim o calor armazenado. No inverno, o processo é revertido para que a lagoa do telhado possa absorver a radiação solar durante o dia e liberá-la durante a noite no espaço abaixo.
- Resfriamento radiante indireto - um fluido de transferência de calor remove o calor da estrutura do edifício por meio da transferência de calor irradiado para o céu noturno. Um projeto comum para esta estratégia envolve um plenum entre o telhado do edifício e a superfície do radiador. O ar é puxado para dentro do edifício através do plenum, resfriado do radiador e resfria a massa da estrutura do edifício. Durante o dia, a massa do edifício atua como um dissipador de calor.
- Resfriamento radiante fluorescente - Um objeto pode se tornar fluorescente : ele então absorverá luz em alguns comprimentos de onda, mas irradiará a energia novamente em outros comprimentos de onda selecionados. Ao irradiar calor seletivamente na janela atmosférica infravermelha , uma faixa de frequências em que a atmosfera é excepcionalmente transparente, um objeto pode usar efetivamente o espaço como dissipador de calor e resfriar bem abaixo da temperatura ambiente.
Resfriamento evaporativo
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Este projeto se baseia no processo evaporativo da água para resfriar o ar que entra e, ao mesmo tempo, aumentar a umidade relativa. Um filtro saturado é colocado na entrada de fornecimento para que o processo natural de evaporação resfrie o ar fornecido. Além da energia para movimentar os ventiladores, a água é o único outro recurso necessário para fornecer condicionamento aos espaços internos. A eficácia do resfriamento evaporativo depende muito da umidade do ar externo; o ar mais seco produz mais resfriamento. Um estudo de resultados de desempenho de campo no Kuwait revelou que os requisitos de energia para um resfriador evaporativo são aproximadamente 75% menores do que os requisitos de energia para um condicionador de ar convencional. Quanto ao conforto interior, um estudo descobriu que o resfriamento evaporativo reduziu a temperatura do ar interno em 9,6 ° C em comparação com a temperatura externa. Um sistema passivo inovador usa a evaporação da água para resfriar o telhado, de forma que a maior parte do calor solar não entre para dentro.
O Egito Antigo usava resfriamento evaporativo; por exemplo, juncos eram pendurados nas janelas e umedecidos com água corrente.
Acoplamento de terra
O acoplamento à terra usa a temperatura moderada e consistente do solo para atuar como um dissipador de calor para resfriar um edifício por meio da condução . Essa estratégia de resfriamento passivo é mais eficaz quando as temperaturas da terra são mais baixas do que a temperatura do ar ambiente, como em climas quentes.
- O acoplamento direto ou proteção à terra ocorre quando um edifício usa a terra como um amortecedor para as paredes. A terra atua como um dissipador de calor e pode mitigar com eficácia os extremos de temperatura. A proteção contra a terra melhora o desempenho dos envelopes do edifício, reduzindo as perdas de calor e também reduz os ganhos de calor ao limitar a infiltração.
- O acoplamento indireto significa que um edifício é acoplado à terra por meio de dutos de terra. Um duto de terra é um tubo enterrado que atua como uma via para o suprimento de ar passar antes de entrar no prédio. O ar fornecido é resfriado por transferência de calor condutiva entre os tubos e o solo circundante. Portanto, os dutos de terra não funcionarão bem como fonte de resfriamento, a menos que a temperatura do solo seja inferior à temperatura desejada do ar ambiente. Os dutos de terra normalmente requerem tubos longos para resfriar o ar fornecido a uma temperatura adequada antes de entrar no prédio. É necessário um ventilador para puxar o ar do duto de terra para o prédio. Alguns dos fatores que afetam o desempenho de um duto de terra são: comprimento do duto, número de curvas, espessura da parede do duto, profundidade do duto, diâmetro do duto e velocidade do ar.
Veja também
- Resfriamento ventilatório
- Ventilação passiva
- Superfícies reflexivas (engenharia climática)
- Qanat
- Yakhchāl
- Stepwell
- Cisterna
- Windcatcher
- Ab anbar