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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.102.2021.tde-10042024-144735
Document
Author
Full name
Michele Marta Rossi
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2021
Supervisor
Committee
Chvatal, Karin Maria Soares (President)
Bittencourt, Leonardo Salazar
Dornelles, Kelen Almeida
Frota, Anesia Barros
Leite, Renan Cid Varela
Silva, Fernando Vítor Marques da
Title in Portuguese
Dispositivos de sombreamento: avaliação do impacto no desempenho da ventilação natural
Keywords in Portuguese
coeficientes de pressão devido ao vento (Cp)
dispositivos de sombreamento
túnel de vento
ventilação natural
Abstract in Portuguese
A ventilação natural é uma eficiente estratégia para garantir os níveis adequados de renovação do ar e de conforto térmico aos usuários nos espaços internos, sendo a sua indução decorrente de um diferencial de pressão originado por ação eólica, térmica ou conjugada. Na ação eólica, esse diferencial é quantificado a partir dos coeficientes de pressão, denominados de Cps. Os Cps são sensíveis a orografia, ângulo de incidência do vento, entorno, geometria da edificação, e detalhamentos nas fachadas principalmente quando locados nas adjacências de suas aberturas. Em climas quentes e úmidos, como em grande parte do território brasileiro, a combinação de estratégias de ventilação natural e de sombreamento das aberturas pode contribuir para a melhoria do conforto térmico e para a redução do condicionamento artificial e do consumo energético nas edificações. Contudo, apesar da importância do uso de dispositivos de sombreamento, poucos são os estudos que fornecem ao projetista dados quantitativos acerca do seu impacto no desempenho da ventilação natural. A maioria dos dados disponíveis fazem referência a geometrias regulares, lisas e seladas. Desta forma, nesta pesquisa, parte-se da hipótese de que os dispositivos de sombreamento externos influenciam na distribuição de pressão e, logo, valores de Cps obtidos por meio de geometrias lisas devem ser utilizados com criticidade para avaliações e/ou estimativas de edificações naturalmente ventiladas com sombreamentos. Assim, objetiva-se avaliar e mensurar o impacto das características projetuais de diferentes dispositivos de sombreamento externos no desempenho da ventilação natural em um modelo genérico isolado de 3,0 m x 3,0 m x 2,7 m com duas aberturas (de 1 m2 cada) dispostas em faces opostas, centralizadas e posicionadas a 1,1 m do piso, através, prioritariamente, da distribuição de pressão na sua envoltória. A partir de ensaios em túneis de vento de 18 tipologias expostas a diferentes incidências, determinou-se o impacto quantitativo (nomeado de ) da adoção destes elementos arquitetônicos na ventilação natural. Ademais, indicou-se com base nos dados aferidos áreas e valores mais adequados para a determinação do diferencial de pressão efetivo (Cp) e do coeficiente de descarga (Cd). Por fim, os resultados apontaram que, exceto para geometrias mais restritivas, a adoção dos sombreamentos no intervalo de ângulo de incidência de vento de -15° a 30° resulta em incremento do potencial de ventilação (em até 40%), dependendo da tipologia de sombreamento analisada, quando comparado ao estimado por dados usuais, ou seja, Cps provenientes de aferições em modelos selados e Cd igual a 0,60. Ademais, o afastamento dos elementos do limiar da abertura pode representar uma efetiva estratégia aos 45°. E, em 90°, a incorporação de sombreamentos ao alterar a concordância nas distribuições de pressão entre as faces opostas resulta em incrementos nas taxas de renovação do ar.
Title in English
Shading devices: assessment of the impact on the natural ventilation performance
Keywords in English
natural ventilation
shading devices
wind pressure coefficient (WPC)
wind tunnel
Abstract in English
Natural ventilation is an efficient strategy to ensure adequate levels of air change rates and thermal comfort for users in indoor spaces, caused by a pressure differential resulting from wind or thermal actions, or a combination. In wind action, this differential is quantified by the wind pressure coefficients, called WPCs. The WPCs are sensitive to orography, wind direction, surroundings, buildings geometry and details on the facades, especially when located close to the openings. In hot and humid climates, as most of the Brazilian territory, the combination of natural ventilation and shading strategies can contribute to the improvement of thermal comfort and to the reduction of air conditioning and energy consumption in buildings. However, despite the importance of using shading devices, there are few studies that provide designers with quantitative data about their impact on natural ventilation performance. Most of the available data refer to the regular, smooth and sealed geometries. Thus, in this research, it is assumed that the external shading devices influence in the pressure distribution and, therefore, WPCs values obtained from smooth geometries should be used critically for evaluation and/or estimates of naturally ventilated buildings with shadings devices. Therefore, the aim is to evaluate and measure the impact of design characteristics of different external shading devices on natural ventilation performance in an isolated generic model of 3,0 m x 3,0 m x 2,7 m, primarily by the pressure distribution in its envelope. The model displays two openings (of 1 m2 each) placed on opposite sides, centered and positioned at 1,1 m from the floor. Based on wind tunnel tests of 18 typologies exposed to different wind directions, the quantitative impact (named ) of the adoption of these architectural elements in natural ventilation was determined. Furthermore, based on the measured data, the most suitable areas and values for determining the effective pressure differential (Cp) and discharge coefficients (Cd) were indicated. Finally, the results indicated that, except for more restrictive geometries, the adoption of shading devices positioned an angle varying from -15° to 30° increased the potential for natural ventilation (up to 40%), depending on the typology of shading analyzed, when compared to the values estimated by the usual data, that is, Cps from measurements in sealed models and Cd equal to 0.6. In addition, when shading elements are positioned away from the opening, they can represent an effective strategy at 45°. And, at 90°, the incorporation of shading when changing the agreement in the pressure distributions between the opposite facades results in increases in the air change rates.
 
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Publishing Date
2024-04-11
 
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