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MOTEZUKI, Fábio. Um estudo sobre a simulação computacional da ventilação cruzada em habitações e sua aplicação no projeto arquitetônico.. 108p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Construção Civil e Urbana) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2009.
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Resumo
Nos últimos anos, devido à crescente preocupação com a sustentabilidade, foram despendidos mundialmente grandes esforços para a redução do consumo de energia pelos sistemas prediais. Em países tropicais como o Brasil, a ventilação natural é uma maneira efetiva e econômica para melhorar o conforto térmico dentro de habitações, para diminuir o uso do condicionamento de ar e para renovar o ar da edificação, ajudando a reduzir as chances de se ter a Síndrome do Edifício Doente (Sick Building Syndrome – SBS) e melhorando a qualidade do ar interno (Indoor Air Quality – IAQ). Para tirar proveito destas vantagens da ventilação natural, o comportamento do fluxo de ar dentro da edificação deve ser analisado considerando o clima local. Existem diversos códigos computacionais baseados na Dinâmica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics – CFD) que podem ser utilizados para esta finalidade, no entanto, o CFD é um campo que requer conhecimentos altamente especializados e experiência prática para se obter bons resultados e este conhecimento geralmente está além da formação da maioria dos engenheiros e arquitetos. Com base nas dificuldades listadas e na necessidade de complementar a formação de engenheiros e arquitetos nesta área do conhecimento, este trabalho está focado em dois objetivos: O primeiro é implementar um simulador numérico computacional baseado no algoritmo Solution Algorithm for Transient Fluid Flows – SOLA e as condições de contorno necessárias para a simulação da ventilação, sendo que a validação do simulador foi realizada por comparação com resultados numéricos e experimentais existentes na literatura. O segundo objetivo é propor uma ferramenta prática para a análise da ventilação natural na fase de projeto, com uma abordagem baseada na teoria de sistemas nebulosos, para identificar as melhores configurações de aberturas para um dado leiaute. Para isto, adotou-se a idéia utilizada por Givoni em seu estudo experimental: o espaço interno de uma sala é dividido em subdomínios onde a velocidade média do ar, sob diversas configurações de aberturas, é registrada. Como as velocidades médias refletem bem a eficácia da ventilação no subdomínio, elas formam a base para a definição espacial da função de pertinência para boa circulação de ar dentro da sala, considerando cada configuração de abertura. No entanto, ao invés de usar resultados experimentais, uma série de simulações computacionais baseadas em CFD, foram executadas para compor um banco de dados para avaliação das funções de pertinência. Por outro lado, temos o leiaute, que é produzido durante a concepção do projeto. Na medida em que o leiaute provê as informações para elaborar os requisitos do fluxo de ar, a função de pertinência relacionada ao fluxo de ar em cada subdomínio deve ser avaliada baseada no leiaute e nos requisitos do usuário. Acertando os requisitos providos pelo leiaute com a eficácia do fluxo de ar provido pela configuração de abertura, pode ser identificada a configuração que melhor se adapta ao leiaute. Nos casos analisados neste trabalho, o método mostrou-se promissor, indicando a configuração típica que melhor atende aos requisitos de projeto com uma boa conformidade com os resultados obtidos pela simulação da sala completa, incluindo a mobília.
Abstract
In the last years, due to the concerns on sustainability, a great effort in energy saving of building systems is being carried out worldwide. In tropical countries such as Brazil, the natural ventilation is an effective and economical option to improve thermal comfort inside the dwellings, to avoid the use of costly HVAC systems, and to renew the indoor air, contributing to mitigate the Sick Building Syndrome (SBS) and to improve the Indoor Air Quality (IAQ). In order to take advantage of the natural ventilation, the behaviors of the airflow inside the buildings must be analyzed considering the local climate. There are many computer simulation codes based on Computational Fluid Dynamics (CFD) that may be adopted for this purpose, however, CFD is a field that requires highly specialized knowledge and experience to achieve good results and this expertise, which is needed to obtain reliable numerical results, is generally beyond the formation of the most part of architects and engineers. Owing to these difficulties and on the necessity to form engineers and architects in this area of knowledge, this work is focused in two main objectives: The first one is to implement a numeric computational simulation program based on Solution Algorithm for Transient Fluid Flows (SOLA) and the boundary conditions needed to simulate ventilation. The validation of the code is made by comparing the numerical results with results obtained using numerical or experimental methods published by other authors. The second objective is to propose a practical tool for the analysis of natural ventilation in the design of dwellings, with an approach based on the concepts of the Fuzzy Systems Theory to identify the best configurations of the openings for a given layout. For this, the idea used by Givoni’s experimental study is adopted: the inner space of a room is divided in sub-domains whose mean air velocities under different opening configurations are recorded. As the mean velocities reflect very well the effectiveness of the ventilation in the sub-domain, they form the basis for the definition of spatial distribution of the membership function for good air circulation inside the room concerning each opening configuration. However, instead of the experimental ones, a series of computer simulations were carried out to build a database for the assessment of the membership functions. On the other hand, we have the sketch of the layout, which is produced during the conceptual stage of design. As the layout provides the information about the requirements for the airflow, the membership function regarding the desirable air flow for each sub-domain might be assessed based on the layout and considering the user´s requirements. By matching the requirements provided by the layout with the effectiveness of the airflow provided by the opening configurations, the opening configuration that best fits the layout can be identified. In the cases analyzed in this work, the method shows promising results. The typical configuration that best fits the design requirements with a good conformity with the results was obtained by full room simulation, including the furniture.
