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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.16.2015.tde-15072015-142805
Documento
Autor
Nome completo
Renan Cid Varela Leite
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2015
Orientador
Banca examinadora
Frota, Anesia Barros (Presidente)
Cóstola, Daniel
Franieck, Rosana Maria Caram
Gonçalves, Joana Carla Soares
Shimomura, Alessandra Rodrigues Prata
Título em português
Cidade, vento, energia: limites de aplicação da ventilação natural para o conforto térmico face à densificação urbana em clima tropical úmido
Palavras-chave em português
Adensamento urbano
Conforto térmico
Morfologia urbana
Ventilação (Simulação computacional)
Resumo em português
O objeto desta pesquisa é a alteração das condições de ventilação natural e de incidência solar provocadas pelo meio urbano. Objetiva-se comprovar a hipótese de que o maior adensamento urbano através da verticalização é compatível com o conforto térmico em edifícios residenciais multifamiliares em altura utilizando apenas a ventilação natural durante 80% das horas do ano. Obstáculos no entorno modificam o comportamento do vento, reduzindo ou incrementando o campo de pressões sobre as fachadas. Por outro lado, edifícios altos situados nas proximidades podem reduzir parcelas significativas da radiação solar sobre planos verticais. O estudo tem como foco o clima quente e úmido de Fortaleza (3° S) e analisa quatro diferentes configurações representativas da morfologia urbana presentes nesta cidade. A investigação vale-se de simulações computacionais em diferentes etapas e escalas de abordagem numa metodologia sequencial e complementar na qual cada fase fornece dados necessários ao estágio seguinte. Partiu-se da avaliação da ventilação urbana através de CFD para as duas direções de vento predominantes, que forneceram dados de Cp sobre as aberturas do edifício adotado. Em seguida, simulou-se o comportamento dos fluxos internos, determinando as taxas de renovação do ar e o campo de velocidades no interior do apartamento. O desempenho térmico anual de três ambientes de permanência prolongada foi calculado e os resultados analisados com base no total de horas dentro da zona de conforto utilizando o modelo adaptativo da ASHRAE (2004). A sensação de resfriamento a partir do movimento do ar foi considerada para a extensão dos limites da zona de conforto. A hipótese mostrou-se válida, uma vez que formas urbanas mais verticalizadas como os cenários 2 e 3 obstruíram parcelas significativas da radiação solar em pavimentos mais baixos comparados a conjuntos urbanos formados por edificações mais baixas. Mesmo diante de vazões de ar cerca de 40% mais baixas em alguns casos com vento sudeste, o cenário 2 apresentou maior quantidade de horas em conforto. O mesmo ocorreu com o cenário 3, cujos valores de vazões de ar com vento leste foram discretamente superiores àqueles obtidos nos cenários 1 e 4, porém alcançando maiores períodos em conforto térmico nos pavimentos mais baixos, reforçando a atuação conjunta da obstrução à radiação solar e a manutenção de condições para ventilar naturalmente as fachadas de edifícios. Ao considerar o efeito de resfriamento provocado pelo movimento do ar, foi possível atingir a condição de conforto térmico em 85% dos casos. Ainda, as baixas correlaçõesentre a vazão de ar e a taxa de ocupação do solo em cada cenário ou a altura média das edificações reforçam a premissa de que a variabilidade do vento e o dinamismo da forma urbana impedem a determinação imediata de quais configurações espaciais reduzirão ou potencializarão as condições de ventilação natural, indicando, também, a possibilidade de compatibilizar maiores níveis de densidade urbana e condições ambientais satisfatórias em edifícios.
Título em inglês
City, wind, energy: limits for applying natural ventilation for thermal comfort in its relation to urban densification in the hot-humid tropical climate
Palavras-chave em inglês
Thermal comfort
Urban density
Urban morphology
Ventilation (Computational simulation)
Resumo em inglês
The object of this research is the changes in natural ventilation conditions and sunlight caused by the urban environment. The aim is to prove the hypothesis that higher urban density levels thru vertical buildings is compatible with thermal comfort in naturally ventilated residential buildings during 80% of total year´s hours. Surrounding obstacles modify wind patterns, reducing or increasing the pressure field over façades. On the other hand, tall buildings located nearby might reduce significant solar radiation portions over vertical planes. This study focus the hot-humid climate of Fortaleza, Ceará, Brazil (3° S) and analyses four different representative urban forms within this city. The investigation uses computational simulations in different stages and approaching scales in a sequential and complementary methodology in which each phase supplies the necessary data to the next level. Starting point was to evaluate the urban ventilation using a CFD tool according to two dominant wind directions, which provided Cp data over buildings openings. Then, internal flows were simulated in order to determine air changes rates and velocity field in the apartment. Annual thermodynamic performance in threelong permanence rooms was calculated and the results were evaluated using ASHRAE (2004) adaptive model. Cooling effect due to air movement was considered to extend the limits of thermal comfort zone. The hypothesis proved to be valid since more vertical urban forms such as scenarios 2 and 3 obstructed significant solar radiation portions over lower floors compared to urban settlements with lower buildings. Even with airflow rates about 40% lower in some cases with southeast wind, scenario 2 had more hours within the comfort zone. The same occurred with scenario 3, in which airflow rates for east wind were slightly higher than that obtained in scenarios 1 and 4, but achieving greater comfort periods in lower floors, reinforcing the combined effect of obstructing solar radiation and maintaining the conditions to naturally ventilate building´s façades. Considering the cooling effect due to air movement made possible to achieve thermal comfort situations in 85% of the cases. Yet, lower correlations between airflow rates and land use in each scenario or average height of buildings reinforce the premise that wind variability and the dynamism of the urban form prevent the immediate determination of which spatial configuration may reduce or enhance natural ventilation conditions, also indicating that high-density urban levels are compatible with satisfactory environmental conditions within buildings.
 
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Data de Publicação
2015-10-01
 
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