Neste trabalho é utilizado um programa que simula o comportamento térmico de edifícios com topologia complexa e avalia, quer a qualidade do ar, quer o conforto térmico. Este programa, como se pode verificar em Conceição et al. (2004), Conceição e Lúcio (2005) e Conceição e Lúcio, (2006e), calcula não só a evolução do valor da temperatura do ar no interior dos compartimentos e condutas, das janelas de vidro, dos corpos interiores e das camadas dos corpos principais do edifício e das condutas, como também da massa de vapor de água e dos restantes gases no interior dos compartimentos e das condutas. Este programa calcula ainda as trocas de calor condutivos nas paredes dos edifícios, as trocas de calor evaporativos nos corpos principais e interiores e nos vidros, os caudais mássicos por difusão e convecção, os fenómenos de adsorção/dessorção nos corpos interiores e principais, a distribuição da radiação solar no exterior do edifício e no interior dos compartimentos, as trocas de calor no interior dos espaços, os coeficientes de transferência de calor e massa e a geração de malha em topologia complexa.
Este software tem a particularidade, ao contrário dos restantes softwares, de simular simultaneamente vários edifícios virtuais, de calcular a interferência do campo de radiação, em considerar a presença humana no interior dos edifícios, o escoamento interno e os sistemas AVAC com controlo.
Este software foi validado em condições de inverno em Conceição et al., (2004) e em condições de verão em Conceição e Lúcio (2006e).
O programa calcula ainda a radiação solar que entra através das janelas e que incide nas superfícies dos corpos principais e interiores, as trocas de calor por radiação entre superfícies exteriores do edifício e o céu ou as superfícies envolventes, as trocas radiativas verificadas no interior dos diferentes compartimentos, as propriedades radiativas dos vidros, os fatores de forma no interior de cada um dos compartimentos, o nível de conforto térmico médio em cada espaço, a potência de aquecimento ou arrefecimento do sistema de climatização, entre outros parâmetros. Mais pormenores poderão ser consultados em Conceição (2003), Conceição et al. (2004), Conceição e Lúcio (2005) e Conceição e Lúcio (2006e).
O modelo multimodal do comportamento térmico dos edifícios, que funciona em condições transitórias, é baseado nas equações de balanço térmico (equação 22) e de balanço mássico (equação 23) (ver Conceição, 2003, Conceição et al., 2004, e Conceição e Lúcio, 2006e):
i i Q dt dT mCp (22)
i i m dt dm (23)Na equação (22) m, Cp, T, t e Qi representam, respetivamente, a massa, o calor específico a pressão constante, a temperatura, o tempo e a troca de calor. Os termos do primeiro membro da equação representam a acumulação de calor sensível, enquanto os termos do segundo membro representam a troca de calor devido à condução, convecção, radiação, evaporações e outros.
Na equação (23) m, t e i
m representam, respetivamente, a massa, o tempo e o caudal mássico. O termo do primeiro membro da equação representa a acumulação de massa e o termo do segundo membro da equação representa o caudal mássico devido à convecção, difusão, entre outros.
A equação integral do balanço energético para o ar no interior dos espaços é dada por:
m Cp dT
dt = Q̇ + Q̇ + Q̇ + Q̇ + Q̇ + Q̇ + Q̇ + Q̇ (24)
Na equação (24) Q̇ representa a troca de calor existente por convecção entre o ar e as superfícies opacas dos corpos principais do edifício, Q̇ representa a troca de calor existente por convecção entre o ar e as superfícies transparentes (janelas de vidro) do edifício, Q̇ representa a troca de calor existente por convecção entre o ar e as superfícies interiores do edifício, Q̇ representa o calor gerado no interior do compartimento causado por diferentes fontes (sistema de ar condicionado, lâmpadas, equipamentos informáticos, entre outros), Q̇ representa o calor gerado pelas pessoas, Q̇ representa o calor gerado pelos sistemas de ventilação, Q̇ representa o calor latente trocado por evaporação (ou condensação) entre o ar e as superfícies circundantes e Q̇ representa o calor trocado por convecção entre o ar e as condutas.
A equação integral do balanço energético para as superfícies transparentes do edifício é dada por:
m Cp dT
Na equação (25) Q̇ representa a radiação solar incidente (direta e difusa) nas janelas de vidro, Q̇ representa a troca de calor existente por radiação entre as superfícies transparentes (janelas de vidro) do edifício e as superfícies exteriores, Q̇ representa a troca de calor existente por radiação no espaço entre as superfícies das janelas interiores e as outras, Q̇ representa a troca de calor por convecção entre as janelas de vidro e o ar do ambiente interior, Q̇ representa a troca de calor por convecção entre as janelas de vidro e o ar do ambiente exterior e Q̇ representa o calor latente trocado por evaporação (ou condensação) entre o ar e as janelas de vidro.
A equação integral do balanço energético para os corpos interiores do edifício é dada por:
m Cp dT
dt = Q̇ + Q̇ + Q̇ + Q̇ (26)
Na equação (26) Q̇ representa a radiação solar incidente (direta e difusa) nos corpos localizados dentro dos compartimentos, Q̇ representa a troca de calor existente por radiação no espaço entre as superfícies dos corpos interiores e as outras, Q̇ representa a troca de calor por convecção entre os corpos interiores e o ar do ambiente interior e Q̇ representa o calor latente trocado por evaporação (ou condensação) entre o ar e os corpos interiores.
A equação integral do balanço mássico para o vapor de água no interior dos espaços é dada por:
VdC
dt = ṁ − ṁ + ṁ − ṁ + ṁ + ṁ + ṁ + ṁ (27)
Na equação (27) ṁ representa o fluxo de vapor de água do compartimento para o ambiente exterior, ṁ representa o fluxo de vapor de água do ambiente exterior para o compartimento, ṁ representa o fluxo de vapor de água dos outros compartimentos para o compartimento em causa, ṁ representa o fluxo de vapor de água do compartimento em causa para os outros compartimentos, ṁ representa a emissão de massa (geração) de vapor de água no interior do compartimento, ṁ representa o vapor de água trocado entre o ar e as superfícies opacas dos corpos interiores, ṁ representa o vapor de água trocado entre o ar e as superfícies
transparentes do edifício e ṁ representa o vapor de água trocado entre o ar e as superfícies dos corpos interiores. V e C representam, respetivamente, o volume do compartimento e a concentração do vapor de água.
O conjunto das equações integrais do balanço mássico para os contaminantes é semelhante à equação (27), com exceção da troca mássica entre as superfícies das janelas e o ar, que não é considerada.
Na resolução do sistema de equações é utilizado o método de Runge-Kutta-Fehlberg com controlo do erro. O modelo considera os fenómenos de condução, convecção, radiação e transferência de massa.
Os dados de entrada do programa são:
A geometria do edifício e das envolventes (edifícios ou outros elementos que originem sombreamento) quando relevantes para a simulação;
Os materiais que constituem os diversos elementos do edifício; As condições fronteira;
As propriedades térmicas do edifício (a condutibilidade térmica, a resistência térmica e a massa específica) e de todos os materiais envolvidos no edifício, considerando a estratificação térmica real e a espessura das diferentes camadas constituintes;
Outras condições, como sejam as condições geográficas e ambientais exteriores (insolação, temperatura do ar, humidade relativa do ar, velocidade do ar, direção do vento, entre outros), as condições iniciais, as perdas de carga, o ciclo de ocupação, os níveis de vestuário e de atividade dos ocupantes e as topologias de ventilação.
Os dados de saída do programa são, entre outras, a evolução: Da radiação solar;
Da temperatura do ar interior; Da temperatura média radiante; Da humidade relativa do ar interior; Da velocidade do ar interior;
Da concentração de dióxido de carbono;
Dos índices PMV, aPMV, PPD, CUH, WUH e AQUH; Da potência térmica.
3 Desenvolvimento do modelo de conforto adaptativo
Neste capítulo é desenvolvido um modelo de conforto adaptativo para cada um dos edifícios escolares estudados. O modelo aqui proposto foi desenvolvido a partir do modelo de conforto adaptativo proposto por Yao et al. (2009).