O ano de 2023 já bateu record de altas temperaturas ao redor do mundo e esse calor gera um forte impacto na qualidade do ar, na saúde humana e no ambiente.
Como forma de se proteger do calor, é natural que a busca por aparelhos de ar condicionado cresça nesse período, elevando também as tarifas de energia elétrica e o acionamento de usinas térmicas para suprir a alta demanda do verão.
Muitos projetos não consideram a adaptação climática em suas premissas, como ventilação natural, delegando ao usuário a responsabilidade de climatizar toda a edificação em busca de condições de sobreviver nos ambientes projetados.
As estratégias de ventilação ativa funcionam com o uso de ventiladores sozinhos ou em coordenação com sistemas de climatização artificial para resfriar pessoas e oferecem melhorias significativas em comparação aos sistemas de climatização convencionais.
Há dois tipos básicos de ventilação ativa: o resfriamento e a higienização dos espaços, que usa ventiladores para trazer o ar externo, a uma temperatura inferior, para dentro da edificação, removendo o calor e renovando o ar, e o resfriamento das pessoas, que usa ventiladores para mover o ar que passa pelos usuários e remove o calor de seus corpos. Em especial, esse segundo tipo de ventilação é muito eficiente em períodos de altas temperaturas para manter um nível de conforto em ambientes residenciais e até mesmo de trabalho, gastando pouca energia, considerando o nível de conforto individual do usuário.
Ventiladores que deslocam o ar à velocidade de 0,75–1,0 m/s podem criar um efeito de resfriamento de até 2,2 °C, aumentando de forma eficaz a zona de conforto. Isso pode aumentar os horários e os dias em que as estratégias para resfriamento passivo serão eficientes e reduzir o número de horas de funcionamento do ar condicionado.
Apesar dos inúmeros benefícios dos ventiladores, não estão disponíveis recursos abrangentes para orientar arquitetos e engenheiros no projeto e implementação.
Pensando nisso, pesquisadores da Universidade de Berkeley, na Califórnio, lançaram o portal "Fans for cooling people guidebook", e nós vamos trazer alguns tópicos que devem auxiliar nos seus projetos e responder algumas das principais dúvidas sobre o assunto.
Benefícios de usar ventiladores
Conforto térmico: O aumento do movimento do ar através da pele remove o calor do corpo por convecção e evaporação. Dada a capacidade de alguns ventiladores em fornecer condições térmicas mais personalizadas, eles podem aumentar o conforto na mesa de trabalho por exemplo, sem precisar condicionar todo o ambiente.
Melhor qualidade do ar: O aumento da velocidade do ar pode reduzir a exposição dos ocupantes a poluentes interiores através da diluição da concentração de fontes locais, do aumento da taxa de deposição de partículas transportadas pelo ar nas superfícies interiores.
Economia de energia: Os ventiladores geram economias de energia significativas ao reduzir a demanda de resfriamento do sistema de climatização quando os pontos de ajuste da temperatura interna são aumentados. O potencial de poupança de climatização é cerca de 2x superior ao consumo de energia dos ventiladores.
Economia de custos: Além da economia de custos relacionada à economia de energia, o uso de ventiladores de teto para distribuir o ar de maneira mais eficaz por um espaço pode reduzir os dutos e difusores necessários para atender uma zona climatizada, por exemplo. Além disso, a configuração de resfriamento de temperatura mais alta permite a redução do tamanho do sistema de climatização para chillers e unidades de tratamento de ar, reduzindo assim o custo de capital investido.
Conforto térmico através do movimento do ar
O Padrão ASHRAE 55 identifica seis fatores que afetam o conforto térmico, incluindo isolamento das roupas, metabolismo, temperatura do ar, temperatura média radiante, umidade relativa e velocidade do ar. O aumento da velocidade do ar melhora a transferência de calor por convecção e evaporação, o que proporciona uma sensação de resfriamento. Permite que o corpo mantenha o conforto térmico em temperaturas do ar mais altas do que seria confortável no ar parado. A imagem abaixo mostra como a velocidade do ar está associada ao efeito de resfriamento. Este efeito de arrefecimento é instantâneo e benéfico durante os momentos de transição (isto é, entrar no edifício vindo de um ambiente exterior quente e húmido).
Pesquisam demonstram que as pessoas preferem um ambiente onde possam usar ventiladores com uma temperatura ligeiramente mais alta do que o normal (26 °C) em comparação com a temperatura típica do ar condicionado (23 °C) sem ventiladores (Schiavon et al., 2016). Além disso, usando um modelo de equilíbrio de calor humano, um estudo descobriu que ventiladores podem ser usados para resfriar os ocupantes mesmo que a temperatura ambiente exceda a temperatura normal da pele (35 °C) (Tartarini et al., 2021).
Projetando com ventiladores
Existem vários tipos de ventiladores, mas os modelos de teto, em geral, são preferíveis em comparação com outros tipos devido à sua eficácia na circulação de ar e baixo consumo de energia, especialmente para atender a vários ocupantes no mesmo espaço. Além disso, a instalação e operação devem fazer parte do projeto arquitetônico, o que é diferente de outras opções de ventiladores portáteis.
O formato das pás e o número de pás são fatores importantes para aumentar a eficiência energética e, ao mesmo tempo, maximizar o fluxo de ar. Geralmente, existem dois tipos principais de pás de ventilador: pás planas e pás tipo aerofólio. A curvatura das pás do aerofólio ajuda a aumentar o fluxo de ar, minimizando a turbulência do ar no bordo de fuga, o que é mais eficiente e silencioso quando comparado às pás planas.
A variação das velocidades do ar em um espaço é uma importante consideração de projeto. Normalmente, a velocidade máxima do ar no espaço está entre 1,3 e 1,5 vezes a velocidade do ar do ventilador e ocorrerá abaixo da ponta da pá do ventilador.
Na figura abaixo (Gao et al., 2017) demonstra um exemplo de distribuição da velocidade do ar em um ventilador de teto de 1,5 m de diâmetro. O ‘jato’ do fluxo de ar do ventilador estreita-se imediatamente para um diâmetro ligeiramente menor do que as pás do ventilador. O jato então atinge o chão, criando um ponto de estagnação, e então se espalha radialmente para fora ao longo do chão. Longe do diâmetro do ventilador e acima da zona de espalhamento do piso, existe uma zona de ar parado onde a velocidade do ar quase não é afetada. A profundidade da zona de propagação do ar ao longo do piso e a sua velocidade média do ar dependem do diâmetro do ventilador.
Em geral, ventiladores de diâmetro maior têm velocidades de ar mais baixas diretamente abaixo do centro do ventilador (ou seja, perto do ponto de estagnação), mas a distribuição da velocidade do ar é mais uniforme do que ventiladores de diâmetro menor.
Tipos de ventiladores
O termo 'ventilador de mesa' geralmente descreve um ventilador portátil com tamanho pequeno o suficiente para ser colocado sobre uma escrivaninha ou mesa ao alcance de um ocupante. Pode ser subdividido em ventiladores com pás. Os ventiladores sem pás ainda possuem pás operando dentro do corpo do ventilador. As pás internas do motor puxam o ar pela parte inferior e empurram o ar para cima, para dentro da parte do anel do ventilador, para criar o fluxo de ar.
Os ventiladores de pedestal, também conhecidos como ventiladores de pé, são bastante semelhantes aos ventiladores de mesa, mas com a cabeça do ventilador montada em um pedestal de altura ajustável, elevando o ventilador a cerca de 0,6 a 1,2 metros do piso. O ventilador funciona em um suporte alto para melhorar a circulação de ar (evitar obstáculos no chão) em salas maiores, e sua capacidade de oscilar fornece ar para uma área mais ampla.
Outro tipo comum de ventilador usado no chão é o ventilador de torre. Ao contrário dos ventiladores axiais (extraem e fornecem ar ao longo do eixo do ventilador), um ventilador em torre é uma variedade de fluxo cruzado (extraem e fornecem ar perpendicularmente ao eixo do ventilador do impulsor). Um ventilador de fluxo cruzado puxa o ar da entrada para uma palheta cilíndrica do impulsor alojada dentro da estrutura alta e estreita do ventilador, estabelecendo um vórtice cilíndrico de ar giratório. O vórtice então balança o ar para o lado oposto das pás do impulsor e empurra o ar para fora ao longo da placa de retificação (ou seja, o duto de saída). O design fechado da lâmina do impulsor maximiza a segurança para uso residencial, especialmente com crianças e animais de estimação por perto. A estrutura em forma de torre é fixada em uma base e gira horizontalmente para estender a área de movimento do ar. Os ventiladores em torre são compactos e leves e se adaptam bem a qualquer espaço interno, servindo para resfriamento pessoal e circulação de ar.
Um ventilador de parede é um ventilador de pedestal sem base montado na parede. Às vezes, esses ventiladores também podem ser montados no teto. No entanto, diferentemente dos ventiladores de teto convencionais, estes ventiladores “montados no teto” podem oscilar a 180°. É uma boa opção para proporcionar uma brisa ao corpo humano e melhorar a circulação do ar ambiente quando o espaço e a altura do chão ao teto são limitados.
Os circuladores de ar visam fornecer um jato de ar de alta velocidade para circular o ar e mantê-lo em movimento contínuo na sala. Esses ventiladores são ideais para circulação de ar em ambientes pequenos, como quartos e escritórios fechados. Um circulador de ar extragrande, também conhecido como soprador de tambor, com construção metálica, fornece fluxo de ar de velocidade alta para serviços pesados em armazéns, oficinas industriais e docas de carga.
A imagem abaixo ilustra exemplos de fluxo de ar para ventiladores de mesa, ventiladores de pedestal, ventiladores de torre e ventiladores de parede. A função oscilante desses ventiladores ajuda a fornecer movimento de ar em uma faixa de cobertura mais ampla e a minimizar o risco de correntes de ar indesejadas devido ao resfriamento pontual de longo prazo.
Conforto e eficiência na prática
Estudos destacam o desempenho energético e dos usuários em edifícios reais instalados com ventiladores de teto.
O design integrado do centro de pesquisa LEED Gold da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, destaca os benefícios dos ventiladores de teto em espaços com ventilação natural para garantir o conforto térmico dos ocupantes em ambientes educacionais. A estratégia de fachada integrada utiliza vidros eletrocrômicos, janelas operáveis e ventiladores de teto fáceis de operar para garantir um conforto acima da média dos ocupantes em temperaturas mais altas no verão.
O Bullitt Center é um edifício comercial de escritórios e foi premiado como o edifício comercial mais sustentável do mundo no ano de 2013. Entre todas as estratégias, os ventiladores de teto são uma parte fundamental para alcançar um desempenho ambiental de classe mundial e proporcionar um ambiente interno confortável para os usuários.
Para ajudar a cumprir as metas de baixo consumo de energia, ventiladores de teto foram combinados com janelas automatizadas para resfriamento passivo e para fornecer ventilação natural e ar fresco. Os ventiladores utilizam apenas 2% da energia final, mas permitem pontos de ajuste de resfriamento mais elevados para reduzir a dependência de climatização. Estima-se que este sistema compense cerca de 750 horas de resfriamento anual. Os ocupantes utilizam os ventiladores para proporcionar conforto térmico e garantir que o edifício funcione de forma sustentável. O resultado é uma satisfação térmica muito acima da média e um desempenho energético de classe mundial.
A atualização das instalações em um residencial para idosos mostra como os ventiladores de teto integrados ao ar condicionado podem proporcionar melhorias no conforto térmico e economia de energia para habitações comunitárias.
O Franco Center está localizado no clima quente da Califórnia. Trinta e cinco ventiladores de teto foram instalados nas áreas comuns com sensores integrados de ocupação e temperatura, reduzindo o uso de energia e aumentando o conforto térmico em espaços flexíveis de uso misto. As velocidades do ar dos ventiladores melhoraram o conforto dos ocupantes, permitindo que os pontos de ajuste de resfriamento da climatização fossem aumentados para economizar o uso de energia. Este projeto demonstra como retrofits simples podem proporcionar resultados.
Após todos esses resultados e exemplos, você já possui senso crítico para agregar aos seus projetos residencias e comerciais estratégias que integrem o uso de ventilação ativa como meio de aprimorar a eficiência energética e o conforto ambiental.
Para continuar aprimorando seus estudos sobre o assunto, indicamos o excelente portal do Centro para o Ambiente Construído (CBE) da Universidade da Califórnia, Berkeley, que conta diversas pesquisas científicas e ferramentas de cálculo.
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