Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Civil (Construções). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2013

O uso do solo como massa inercial para condicionamento térmico de edificações por contato direto é uma prática antiga, porém, seu uso como trocador de calor através de dutos enterrados, para ventilação natural de edificações é recente. A prática consiste em enterrar dutos a profundidades entre 0,5m e 1,5m – com extensões e diâmetros variáveis – por onde o ar circula do exterior para o interior dos ambientes através da ação do vento externo e da convecção natural. Durante o trajeto, o ar troca calor com o solo e ingressa no ambiente a temperaturas mais amenas. Embora seja um sistema já empregado na arquitetura bioclimática, existem poucos estudos conclusivos sobre a sua real eficácia. Dessa forma, o objetivo do trabalho é investigar o comportamento higrotérmico de uma edificação construída no sul do Brasil com o sistema e compreender a atuação dos fatores climáticos responsáveis pelo deslocamento de ar no seu interior. O estudo foi realizado através do monitoramento do Protótipo Ventura, localizado em Viamão (Brasil – 30º01'59"S, 51º13'48"W) no período de verão. No deslocamento de ar, foi estudada a influência do vento e da diferença de temperatura nos 2 diâmetros, nas 2 inclinações e nas 2 orientações dos dutos existentes, bem como a influência da chaminé solar. O desempenho higrotérmico foi avaliado comparando o ar na sala ventilada com uma sala de referência (de mesmas dimensões, porém de orientação distinta) e com o exterior. Os resultados demonstram que o solo de Viamão é eficiente para o condicionamento térmico da edificação, pois a pequenas profundidades, ele apresenta uma temperatura mais estável que o ar, próxima à média anual de temperatura do ar local (18ºC). Dessa forma, ao passar pelo duto, o ar externo é aquecido nos períodos frios e refrigerado nos períodos quentes, mantendo o ar interno próximo da zona de conforto. Também foi possível observar que o principal fator responsável pelo deslocamento de ar observado é o vento externo, porém as diferenças de temperatura entre as extremidades dos tubos, bem como entre o interior e exterior da edificação, não podem ser desprezadas, pois geram velocidades de mesma magnitude que o primeiro. Por fim, conclui-se que a ventilação da sala reduziu seu retardo térmico, porém não prejudicou o seu conforto térmico, apresentando inclusive uma redução de sua umidade interna. / The use of the ground as an inertial mass for thermal conditioning of buildings, such as the Italians cellars, is an old practice. However, its use as a heat exchanger with buried pipes for natural indoor ventilation is quite recent. The system uses pipes with variable length and diameter buried at a depth between 0.5m and 1.5m. The air flows trough the pipes from the outside to the inside by convection or wind effects. Although it’s already a bioclimatic architecture system, there are few conclusive studies about its real effectiveness. The objective of this study is to investigate the benefits of natural ventilation through buried pipes in a building located in the south of Brazil. A prototype building and a buried pipe system have been built and measured during a period in the summer of 2005-2006, in Viamão (30º 01'59"S, 51º13'48"W). The influence of the pipes diameter, inclination and orientation has been studied as well as the thermal comfort indoors. The system is efficient for thermal building conditioning and air renovation. At small depths, the ground presents a more steady temperature than the air, close to the annual average temperature (18ºC), cooling the air in hot days, warming it in cold nights – a similar effect is expected on a yearly period. The main factor responsible to the air flow is the outside wind, but the air temperature differences between the pipes, the room and the solar chimney edges are very relevant. The room ventilation reduces its thermal delay without interfering with its thermal performance, and also shows a decrease in its internal humidity.

Recentemente foram aprovadas normas para requisitos e critérios de desempenho térmico de habitações de interesse social. Estas normas são importantes para a melhoria do desempenho térmico dessas habitações no Brasil. No entanto, a abordagem adotada é geral no que diz respeito às regiões bioclimáticas brasileiras e a análise é feita para sistemas da edificação (aberturas, paredes, cobertura) isoladamente, o que pode não expressar o comportamento térmico para determinadas condições climáticas. O presente estudo apresenta uma proposta de método de avaliação de desempenho higrotérmico de habitações térreas unifamiliares de interesse social para condições climáticas de Porto Alegre, RS, que visa à avaliação global da edificação através de requisitos e critérios que complementam aqueles propostos pelas normas e que sejam de fácil aplicação pelos envolvidos no processo de produção de habitações de interesse social. Considera-se a possibilidade de condensação sobre superfícies internas da edificação, coeficientes volumétricos globais de perda e ganho de calor através de sua envolvente, inércia térmica, entre outros, obtidos da literatura e da análise de quatro habitações construídas em Porto Alegre, duas submetidas a medições in loco e duas consideradas como referência para habitação de interesse social para as condições econômicas e culturais do público-alvo, segundo agentes ligados ao setor em Porto Alegre. O método foi submetido à opinião de agentes, envolvidos com o financiamento, projeto, execução, fiscalização e avaliação de habitações de interesse social em Porto Alegre, e a especialistas da área de conforto térmico atuando em instituições de ensino e pesquisa nacionais. São indicados três graus de qualidade que podem ser atingidos pelas habitações, de acordo com a disponibilidade de recursos para a construção da habitação. O método pode ser uma ferramenta auxiliar na tomada de decisão no processo de projeto, aprovação e avaliação de habitações de interesse social pelos agentes públicos ligados ao setor. / Recently, low cost housing thermal performance standards were developed and approved in Brazil. These standards establish requirements and criteria that low cost housing must satisfy. However, the approach used generally deals with climatic conditions and the evaluation is based on analysis of individual components. This approach cannot express the real thermal behaviour of housing. This study presents a thermal performance evaluation method for low cost single-family one-floor housing considering the climatic conditions of Porto Alegre, Brazil. The method aims toward a global evaluation of housing through requirements and criteria that complement the standards approved recently and it considers mathematical procedures that can be easily applied by government agents involved in this task. Inner surface condensation, global flow heat coefficients, thermal inertia, among others, obtained from literature, are proposed. Four low cost houses built in Porto Alegre, considered to be references according to social and economic local reality, were evaluated through the method. Government agents involved in the project, design, financing, building, overseeing and evaluation of low cost housing in Porto Alegre and experts from research institutes in Brazil also gave their opinions of the method. Three degrees of performance for housing, in accordance with availability of government resources, are defined. The method can be used as an evaluation of possible solutions, thereby aiding decision makers.

O uso do solo como massa inercial para condicionamento térmico de edificações por contato direto é uma prática antiga, porém, seu uso como trocador de calor através de dutos enterrados, para ventilação natural de edificações é recente. A prática consiste em enterrar dutos a profundidades entre 0,5m e 1,5m – com extensões e diâmetros variáveis – por onde o ar circula do exterior para o interior dos ambientes através da ação do vento externo e da convecção natural. Durante o trajeto, o ar troca calor com o solo e ingressa no ambiente a temperaturas mais amenas. Embora seja um sistema já empregado na arquitetura bioclimática, existem poucos estudos conclusivos sobre a sua real eficácia. Dessa forma, o objetivo do trabalho é investigar o comportamento higrotérmico de uma edificação construída no sul do Brasil com o sistema e compreender a atuação dos fatores climáticos responsáveis pelo deslocamento de ar no seu interior. O estudo foi realizado através do monitoramento do Protótipo Ventura, localizado em Viamão (Brasil – 30º01'59"S, 51º13'48"W) no período de verão. No deslocamento de ar, foi estudada a influência do vento e da diferença de temperatura nos 2 diâmetros, nas 2 inclinações e nas 2 orientações dos dutos existentes, bem como a influência da chaminé solar. O desempenho higrotérmico foi avaliado comparando o ar na sala ventilada com uma sala de referência (de mesmas dimensões, porém de orientação distinta) e com o exterior. Os resultados demonstram que o solo de Viamão é eficiente para o condicionamento térmico da edificação, pois a pequenas profundidades, ele apresenta uma temperatura mais estável que o ar, próxima à média anual de temperatura do ar local (18ºC). Dessa forma, ao passar pelo duto, o ar externo é aquecido nos períodos frios e refrigerado nos períodos quentes, mantendo o ar interno próximo da zona de conforto. Também foi possível observar que o principal fator responsável pelo deslocamento de ar observado é o vento externo, porém as diferenças de temperatura entre as extremidades dos tubos, bem como entre o interior e exterior da edificação, não podem ser desprezadas, pois geram velocidades de mesma magnitude que o primeiro. Por fim, conclui-se que a ventilação da sala reduziu seu retardo térmico, porém não prejudicou o seu conforto térmico, apresentando inclusive uma redução de sua umidade interna. / The use of the ground as an inertial mass for thermal conditioning of buildings, such as the Italians cellars, is an old practice. However, its use as a heat exchanger with buried pipes for natural indoor ventilation is quite recent. The system uses pipes with variable length and diameter buried at a depth between 0.5m and 1.5m. The air flows trough the pipes from the outside to the inside by convection or wind effects. Although it’s already a bioclimatic architecture system, there are few conclusive studies about its real effectiveness. The objective of this study is to investigate the benefits of natural ventilation through buried pipes in a building located in the south of Brazil. A prototype building and a buried pipe system have been built and measured during a period in the summer of 2005-2006, in Viamão (30º 01'59"S, 51º13'48"W). The influence of the pipes diameter, inclination and orientation has been studied as well as the thermal comfort indoors. The system is efficient for thermal building conditioning and air renovation. At small depths, the ground presents a more steady temperature than the air, close to the annual average temperature (18ºC), cooling the air in hot days, warming it in cold nights – a similar effect is expected on a yearly period. The main factor responsible to the air flow is the outside wind, but the air temperature differences between the pipes, the room and the solar chimney edges are very relevant. The room ventilation reduces its thermal delay without interfering with its thermal performance, and also shows a decrease in its internal humidity.

Recentemente foram aprovadas normas para requisitos e critérios de desempenho térmico de habitações de interesse social. Estas normas são importantes para a melhoria do desempenho térmico dessas habitações no Brasil. No entanto, a abordagem adotada é geral no que diz respeito às regiões bioclimáticas brasileiras e a análise é feita para sistemas da edificação (aberturas, paredes, cobertura) isoladamente, o que pode não expressar o comportamento térmico para determinadas condições climáticas. O presente estudo apresenta uma proposta de método de avaliação de desempenho higrotérmico de habitações térreas unifamiliares de interesse social para condições climáticas de Porto Alegre, RS, que visa à avaliação global da edificação através de requisitos e critérios que complementam aqueles propostos pelas normas e que sejam de fácil aplicação pelos envolvidos no processo de produção de habitações de interesse social. Considera-se a possibilidade de condensação sobre superfícies internas da edificação, coeficientes volumétricos globais de perda e ganho de calor através de sua envolvente, inércia térmica, entre outros, obtidos da literatura e da análise de quatro habitações construídas em Porto Alegre, duas submetidas a medições in loco e duas consideradas como referência para habitação de interesse social para as condições econômicas e culturais do público-alvo, segundo agentes ligados ao setor em Porto Alegre. O método foi submetido à opinião de agentes, envolvidos com o financiamento, projeto, execução, fiscalização e avaliação de habitações de interesse social em Porto Alegre, e a especialistas da área de conforto térmico atuando em instituições de ensino e pesquisa nacionais. São indicados três graus de qualidade que podem ser atingidos pelas habitações, de acordo com a disponibilidade de recursos para a construção da habitação. O método pode ser uma ferramenta auxiliar na tomada de decisão no processo de projeto, aprovação e avaliação de habitações de interesse social pelos agentes públicos ligados ao setor. / Recently, low cost housing thermal performance standards were developed and approved in Brazil. These standards establish requirements and criteria that low cost housing must satisfy. However, the approach used generally deals with climatic conditions and the evaluation is based on analysis of individual components. This approach cannot express the real thermal behaviour of housing. This study presents a thermal performance evaluation method for low cost single-family one-floor housing considering the climatic conditions of Porto Alegre, Brazil. The method aims toward a global evaluation of housing through requirements and criteria that complement the standards approved recently and it considers mathematical procedures that can be easily applied by government agents involved in this task. Inner surface condensation, global flow heat coefficients, thermal inertia, among others, obtained from literature, are proposed. Four low cost houses built in Porto Alegre, considered to be references according to social and economic local reality, were evaluated through the method. Government agents involved in the project, design, financing, building, overseeing and evaluation of low cost housing in Porto Alegre and experts from research institutes in Brazil also gave their opinions of the method. Three degrees of performance for housing, in accordance with availability of government resources, are defined. The method can be used as an evaluation of possible solutions, thereby aiding decision makers.

O uso do solo como massa inercial para condicionamento térmico de edificações por contato direto é uma prática antiga, porém, seu uso como trocador de calor através de dutos enterrados, para ventilação natural de edificações é recente. A prática consiste em enterrar dutos a profundidades entre 0,5m e 1,5m – com extensões e diâmetros variáveis – por onde o ar circula do exterior para o interior dos ambientes através da ação do vento externo e da convecção natural. Durante o trajeto, o ar troca calor com o solo e ingressa no ambiente a temperaturas mais amenas. Embora seja um sistema já empregado na arquitetura bioclimática, existem poucos estudos conclusivos sobre a sua real eficácia. Dessa forma, o objetivo do trabalho é investigar o comportamento higrotérmico de uma edificação construída no sul do Brasil com o sistema e compreender a atuação dos fatores climáticos responsáveis pelo deslocamento de ar no seu interior. O estudo foi realizado através do monitoramento do Protótipo Ventura, localizado em Viamão (Brasil – 30º01'59"S, 51º13'48"W) no período de verão. No deslocamento de ar, foi estudada a influência do vento e da diferença de temperatura nos 2 diâmetros, nas 2 inclinações e nas 2 orientações dos dutos existentes, bem como a influência da chaminé solar. O desempenho higrotérmico foi avaliado comparando o ar na sala ventilada com uma sala de referência (de mesmas dimensões, porém de orientação distinta) e com o exterior. Os resultados demonstram que o solo de Viamão é eficiente para o condicionamento térmico da edificação, pois a pequenas profundidades, ele apresenta uma temperatura mais estável que o ar, próxima à média anual de temperatura do ar local (18ºC). Dessa forma, ao passar pelo duto, o ar externo é aquecido nos períodos frios e refrigerado nos períodos quentes, mantendo o ar interno próximo da zona de conforto. Também foi possível observar que o principal fator responsável pelo deslocamento de ar observado é o vento externo, porém as diferenças de temperatura entre as extremidades dos tubos, bem como entre o interior e exterior da edificação, não podem ser desprezadas, pois geram velocidades de mesma magnitude que o primeiro. Por fim, conclui-se que a ventilação da sala reduziu seu retardo térmico, porém não prejudicou o seu conforto térmico, apresentando inclusive uma redução de sua umidade interna. / The use of the ground as an inertial mass for thermal conditioning of buildings, such as the Italians cellars, is an old practice. However, its use as a heat exchanger with buried pipes for natural indoor ventilation is quite recent. The system uses pipes with variable length and diameter buried at a depth between 0.5m and 1.5m. The air flows trough the pipes from the outside to the inside by convection or wind effects. Although it’s already a bioclimatic architecture system, there are few conclusive studies about its real effectiveness. The objective of this study is to investigate the benefits of natural ventilation through buried pipes in a building located in the south of Brazil. A prototype building and a buried pipe system have been built and measured during a period in the summer of 2005-2006, in Viamão (30º 01'59"S, 51º13'48"W). The influence of the pipes diameter, inclination and orientation has been studied as well as the thermal comfort indoors. The system is efficient for thermal building conditioning and air renovation. At small depths, the ground presents a more steady temperature than the air, close to the annual average temperature (18ºC), cooling the air in hot days, warming it in cold nights – a similar effect is expected on a yearly period. The main factor responsible to the air flow is the outside wind, but the air temperature differences between the pipes, the room and the solar chimney edges are very relevant. The room ventilation reduces its thermal delay without interfering with its thermal performance, and also shows a decrease in its internal humidity.

Recentemente foram aprovadas normas para requisitos e critérios de desempenho térmico de habitações de interesse social. Estas normas são importantes para a melhoria do desempenho térmico dessas habitações no Brasil. No entanto, a abordagem adotada é geral no que diz respeito às regiões bioclimáticas brasileiras e a análise é feita para sistemas da edificação (aberturas, paredes, cobertura) isoladamente, o que pode não expressar o comportamento térmico para determinadas condições climáticas. O presente estudo apresenta uma proposta de método de avaliação de desempenho higrotérmico de habitações térreas unifamiliares de interesse social para condições climáticas de Porto Alegre, RS, que visa à avaliação global da edificação através de requisitos e critérios que complementam aqueles propostos pelas normas e que sejam de fácil aplicação pelos envolvidos no processo de produção de habitações de interesse social. Considera-se a possibilidade de condensação sobre superfícies internas da edificação, coeficientes volumétricos globais de perda e ganho de calor através de sua envolvente, inércia térmica, entre outros, obtidos da literatura e da análise de quatro habitações construídas em Porto Alegre, duas submetidas a medições in loco e duas consideradas como referência para habitação de interesse social para as condições econômicas e culturais do público-alvo, segundo agentes ligados ao setor em Porto Alegre. O método foi submetido à opinião de agentes, envolvidos com o financiamento, projeto, execução, fiscalização e avaliação de habitações de interesse social em Porto Alegre, e a especialistas da área de conforto térmico atuando em instituições de ensino e pesquisa nacionais. São indicados três graus de qualidade que podem ser atingidos pelas habitações, de acordo com a disponibilidade de recursos para a construção da habitação. O método pode ser uma ferramenta auxiliar na tomada de decisão no processo de projeto, aprovação e avaliação de habitações de interesse social pelos agentes públicos ligados ao setor. / Recently, low cost housing thermal performance standards were developed and approved in Brazil. These standards establish requirements and criteria that low cost housing must satisfy. However, the approach used generally deals with climatic conditions and the evaluation is based on analysis of individual components. This approach cannot express the real thermal behaviour of housing. This study presents a thermal performance evaluation method for low cost single-family one-floor housing considering the climatic conditions of Porto Alegre, Brazil. The method aims toward a global evaluation of housing through requirements and criteria that complement the standards approved recently and it considers mathematical procedures that can be easily applied by government agents involved in this task. Inner surface condensation, global flow heat coefficients, thermal inertia, among others, obtained from literature, are proposed. Four low cost houses built in Porto Alegre, considered to be references according to social and economic local reality, were evaluated through the method. Government agents involved in the project, design, financing, building, overseeing and evaluation of low cost housing in Porto Alegre and experts from research institutes in Brazil also gave their opinions of the method. Three degrees of performance for housing, in accordance with availability of government resources, are defined. The method can be used as an evaluation of possible solutions, thereby aiding decision makers.