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Desenvolvimento de Protótipo De Baixo Custo para Análise das Variáveis Ambientais no Ambiente Construído

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Desenvolvimento de Protótipo De Baixo Custo para Análise das Variáveis Ambientais no Ambiente Construído
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ARTIGO EM PDF

SANTOS, Ricardo Ramalho. [1]

FONSECA, Érica C. [2]

FERREIRA, Caroline [3]

OLIVEIRA, Taynara B. [4]

SAKIYAMA, Nayara R. M.  [5]

WELTER, Cezar [6]

SANTOS, Ricardo Ramalho; et.al. Desenvolvimento de Protótipo De Baixo Custo para Análise das Variáveis Ambientais no Ambiente Construído. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Edição 02. Ano 02, Vol. 01. pp 633-663, Abril de 2017. ISSN:2448-0959

RESUMO

Este trabalho tem o intuito de desenvolver um protótipo utilizando uma plataforma Arduino de baixo custo e de fácil programação que auxilie na obtenção de dados para análise de conforto térmico do ambiente construído. O protótipo coleta e armazena automaticamente, em cartão de memória SD, dados de três variáveis ambientais: (1) temperatura do ar, (2) umidade relativa e (3) temperatura radiante média, com auxílio de sensores e do termômetro de globo negro. A fim de testar os equipamentos, foi conduzida uma análise de conforto térmico no edifício do Instituto de Ciência, Engenharia e Tecnologia (ICET), da UFVJM – Campus Mucuri, Teófilo Otoni – MG, dispondo os protótipos em dois ambientes de diferentes pavimentos. As medições foram realizadas por três dias consecutivos em duas semanas diferentes, durante o horário de funcionamento do prédio. O protótipo não apresentou falhas. Os resultados mostram que os protótipos responderam bem as mudanças climáticas, coletando dados concisos e condizentes com a realidade térmica presenciada na edificação. Por fim, quanto ao custo de construção do protótipo, têm-se que cada um pode ser construído com valores que variam de R$ 87,71 a R$ 252,94, dependendo do método necessário de medição e do mercado de compra, tratando-se de uma alternativa econômica, confiável e de fácil manuseio para avaliação do ambiente construído.

Palavras-chave: Ambiente Construído, Arduino, Conforto Térmico, Sensores.

1. INTRODUÇÃO

Na busca cotidiana pelo conhecimento e evolução, o uso da tecnologia e da informação tornou-se imprescindível. Diversos profissionais, como engenheiros e arquitetos, costumam utilizar softwares e hardwares computacionais em seu ambiente profissional (DI RENNA et al., 2013). Um exemplo é o Arduino, uma unidade de processamento capaz de coletar dados externos e, através de sensores ligados ao seu terminal de entrada, emitir um sinal correspondente.

Segundo Di Renna et all (2013) o objetivo do surgimento de novas tecnologias, como a plataforma de prototipagem Arduino, foi criar um dispositivo para ser utilizado em projetos com um melhor custo do que os demais sistemas encontrados no mercado, sendo de fácil programação e aplicação. Esta plataforma utiliza como base sensores interligados por meio de circuitos simples e flexíveis, podendo ser alterado de acordo com a necessidade de cada projeto.

Por outro lado, longe do acesso à tecnologia, à informação e à inovação, as civilizações antigas utilizavam os meios naturais, como animais e plantas, para detectar ambientes com condições mais favoráveis para a construção de suas cidades. Cada civilização possui sua arquitetura tradicional respondendo princípios bioclimáticos, e assim, atendendo às suas necessidades de acordo com cada cultura (IZARD, 1983).

Nesse contexto, surgiu a necessidade de fazer uma “leitura” das interações usuário/espaço. Os dados dessas leituras ajudam a traçar um caminho seguro, na procura de características espaciais e de soluções arquitetônicas que melhor se adequem as condições de conforto dos usuários do local (MARLARD, 2002).

De acordo com Lamberts e Xavier (2011), os estudos relacionados ao conforto térmico têm como objetivo analisar e estabelecer as condições térmicas mínimas necessárias para às atividades e ocupação humana, bem como propor métodos e princípios para uma detalhada análise térmica de um ambiente. Entretanto, Lamberts e Xavier (2011) ainda ressaltam que devido à variação biológica dos indivíduos é impossível criar condições confortáveis termicamente para todos os ocupantes. Sendo assim, faz-se necessário buscar soluções viáveis nas quais a maior porcentagem das pessoas se sinta em conforto térmico.

Com base nos dados referentes à temperatura do ar, umidade relativa e temperatura radiante média, será possível verificar a efetividade do protótipo, além de averiguar algumas das condições mínimas de conforto térmico em determinada edificação. Os ambientes onde essas variáveis são medidas podem ser classificados em ambientes homogêneos e ambientes heterogêneos que, segundo a ISO/DIS 7726/98, diferem-se por cada um estar relacionado com um tipo de variação nas fontes de emissão de calor ao redor do usuário.

No âmbito dessa pesquisa, foi desenvolvido um protótipo composto por um Arduino e sensores acoplados em seus terminais, que tem como funcionalidade avaliar o conforto térmico do Instituto de Ciência, Engenharia e Tecnologia (ICET) da UFVJM – Campus Mucuri, respeitando as respectivas caracterizações das variáveis ambientais, métodos e instrumentos de medição contidos na ISO/DIS 7726/98.

2. REFERENCIAL TEÓRICO

 2.1 AVALIAÇÃO DO CONFORTO TÉRMICO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO

Situado na esfera do subjetivo, o conforto térmico é apontado como uma sensação humana que depende de fatores físicos (que definem as trocas de calor entre o corpo e o meio), fatores fisiológicos (que especificam as variações na reação fisiológica do organismo em resposta à constante exposição a certa condição térmica) e fatores psicológicos (responsáveis pelas diferenças perceptivas quantos aos estímulos sensoriais resultantes da expectativa e experiências passadas do indivíduo) (LAMBERTS; XAVIER, 2011).

Já segundo Ruas (1999), o conforto térmico pode ser definido como a sensação de bem-estar sentida pelos usuários de um determinado espaço, como resultado da combinação satisfatória de variáveis ambientais. São elas a temperatura do ar (Tar), a temperatura radiante média (Trm), a umidade relativa (UR) e a velocidade relativa do ar (Var), considerando ainda a atividade desenvolvida e a vestimenta utilizada pelo usuário.

  • Temperatura do ar: É a temperatura do ar em volta do corpo humano.
  • Temperatura radiante média: De modo geral, pode ser definida como temperatura média da superfície dos objetos que compõem um determinado espaço. O termômetro de globo negro é o instrumento mais utilizado.
  • Umidade absoluta do ar: Parâmetro relativo à quantidade real de vapor d’água presente no ar, levando em conta a análise de trocas por evaporação entre o ser humano e o ambiente. Pode ser determinada de maneira direta, usando instrumentos eletrolíticos ou de ponto de orvalho, ou de forma indireta, medindo-se vários parâmetros simultaneamente, como temperatura do ar e umidade relativa, ou temperatura do ar e temperatura do bulbo úmido.
  • Velocidade do ar: Velocidade com que a massa de ar se desloca de certo ponto para outro.

A norma internacional “ISO/DIS 7726/98 – Ambientes Térmicos – Instrumentos e Métodos para a Medição dos Parâmetros Físicos” define e orienta acerca de características mínimas dos equipamentos e métodos de medição das variáveis ambientais. De acordo com a ISO/DIS 7726/98, tais especificações podem ser subdivididas em duas classes distintas: especificações e métodos do tipo C e tipo S. As do tipo C dizem respeito às medições realizadas em ambientes moderados, próximos do conforto. Já as do tipo S, referem-se às medições realizadas em ambientes sujeitos a estresse térmico.

Ambas as medições podem ser realizadas em ambientes homogêneos ou heterogêneos, classificados de acordo com a alteração das variáveis físicas ao redor do usuário. Os ambientes homogêneos apresentam mudanças inferiores a 5% das variáveis físicas no espaço que circunda a pessoa. Por outro lado, os ambientes heterogêneos são aqueles que apresentam variações superiores a 5%.

2.2 O ARDUINO

O Arduino é uma plataforma open-source de prototipagem baseada em hardware e software flexíveis de fácil utilização. Surgiu por volta do ano de 2003, na Itália, com o intuito de complementar os estudos relacionados à programação e à computação. Por ser um projeto aberto, existem inúmeros nomes de placas com o mesmo hardware no mercado. Segundo Meira (2011), no Brasil temos dois projetos de placas clone, o Brasuíno, desenvolvido pela empresa Holoscópio, de Belo Horizonte e o Severino, desenvolvido por um grupo de usuários.

Na eletrônica, um sensor, “aquilo que sente”, pode ser definido como um componente que permite a análise de determinadas condições e características do ambiente, podendo ser algo simples como temperatura, luminosidade, ruído, umidade relativa do ar ou algo um pouco complexo, como a detecção de um objeto no caminho (PATSKO, 2006).

Juntamente com os sensores, os módulos e shields são componentes eletrônicos responsáveis por diversas funcionalidades e garantem versatilidade ao protótipo. O módulo para cartão SD, Relógio de Tempo Real, protoboard e sinalizador sonoro, auxiliam no armazenamento, datagem, montagem de circuito e confirmação de armazenamento dos dados, respectivamente.

3. MATERIAIS E MÉTODOS

 3.1 ÁREA DE ESTUDO: TEÓFILO OTONI – MG

A cidade de Teófilo Otoni se localiza no nordeste do estado de Minas Gerais, no Vale do Mucuri, e encontra-se a 450 km da capital mineira Belo Horizonte, sendo a 18ª cidade mais populosa do estado, com cerca de 140 mil habitantes. Tem latitude 17° 51’ 32” Sul, longitude 41° 30’ 32” Oeste, a 347 metros de altitude (IBGE, 2016).

O clima da cidade é caracterizado como tropical quente semiúmido, ou tropical com estação seca (IBGE, 2016), com temperatura média anual de 23 ºC, invernos secos e verões chuvosos com temperaturas elevadas. A temperatura máxima média no verão é de 31,9 °C, com maior máxima registrada até 1990 de 39,2 ºC (INMET, 2016).

A cidade de Teófilo Otoni possui duas estações meteorológicas. Localizadas em pontos distintos, a estação automática se encontra em local mais arborizado e afastado da cidade (Aeroporto Kemil Kumaira), e a estação convencional situa-se no centro da cidade. As temperaturas coletadas pelas estações são mais elevadas que as divulgadas pelo IBGE. Ambas coletam dados como: temperatura do ar, umidade, radiação solar, pressão, temperatura do ponto de orvalho, velocidade e direção do vento e precipitação.

Um estudo comparando os dados dessas estações no ano de 2014 (Figura 1) mostrou que apesar das diferenças entre elas, a temperatura média anual para Teófilo Otoni encontra-se acima dos 23 ºC fornecidos pelo IBGE, ficando mais próxima dos 30 ºC. Pode-se observar também que as temperaturas da estação convencional estão, geralmente, superiores as temperaturas da estação automática, ficando acima do limite superior de conforto (32℃) na primavera e verão, e em alguns períodos do outono e inverno abaixo do limite inferior de conforto (20℃) (CAMPOS et al., 2016).

Curva de Conforto de Givoni. Fonte: Adaptado CAMPOS et al., 2016
Figura 1: Curva de Conforto de Givoni. Fonte: Adaptado CAMPOS et al., 2016

Sendo uma região de clima predominantemente quente, Teófilo Otoni desenha-se como um cenário ideal e desafiador para desenvolvimento de pesquisas no setor de conforto térmico e eficiência energética, onde a adoção de diretrizes construtivas condizentes com o clima regional amenizariam as altas temperaturas.

3.2 EDIFICAÇÃO EXAMINADA

O Instituto de Ciência, Engenharia e Tecnologia – ICET situa-se no Campus Mucuri da Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri (Figura 2), localizada no sudeste do município de Teófilo Otoni, a cerca de 4 km da região central da cidade. A edificação foi escolhida porque seus usuários queixam-se do desconforto térmico do local, afetando diretamente seu rendimento.

Vista aérea da Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri. Fonte: Google Earth
Figura 2: Vista aérea da Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri. Fonte: Google Earth

Com uma área total de 2.438,18m², o prédio, de caráter público, possui três pavimentos. No 1º pavimento predominam laboratórios didáticos e pesquisa. Já nos demais pavimentos localizam-se gabinetes de professores e coordenações de curso.

Térreo ICET
Figura 3: Térreo ICET
 Identificação da sala escolhida na planta baixa do 1º Pav. do ICET
Figura 4: Identificação da sala escolhida na planta baixa do 1º Pav. do ICET
Identificação da sala escolhida na planta baixa do 2º Pav. do ICET
Figura 5: Identificação da sala escolhida na planta baixa do 2º Pav. do ICET
Corte AA
Figura 6: Corte AA
Corte BB
Figura 7: Corte BB
Figura 8: Fachada principal
Figura 8: Fachada principal

3.3 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS NA COLETA DE DADOS

Para a coleta das características físicas do ambiente (temperatura do ar, umidade relativa e temperatura radiante média), foi utilizada uma plataforma Arduino “Mega 2560”. A seguir, apresentam-se as tecnologias empregadas para o desenvolvimento da parte física (hardware) e da parte lógica (software) de um sistema de medidores de baixo custo das características físicas do ambiente.

3.3.1 ARDUINO

A placa de prototipagem (Arduino) utilizada nessa pesquisa é composta por 54 pinos de entrada/saída digital, 16 entradas analógicas, 4 UARTs (portas seriais de hardware), 1 oscilador de cristal de 16MHz, 1 conexão USB, 1 tomada de força, 1 cabeçalho ICSP, 1 botão de reinicialização. O Mega 2560 é projetado para atender a projetos mais complexos, os quais versões anteriores, como o UNO, não suportariam. (MAXIM INTEGRATED, 2015).

3.3.2 ENSOR DHT22 – AM2302

O AM2302 é um módulo digital formado por um sensor digital de umidade relativa do ar e um termistor que atua como sensor de temperatura. Adicionalmente, este dispositivo eletrônico possui baixo custo, estabilidade, consumo mínimo de energia, não necessita de nenhum componente externo, além de apresentar precisão satisfatória. (AOSONG ELETRONICS CO., 2014).

De acordo com o manual “Temperature and humidity module AM2302 Product Manual”, o DHT22 possui as seguintes especificações técnicas básicas:

  • Faixa de operação da variável de temperatura: -40 ºC a 80 ºC;
  • Faixa de operação da variável de umidade relativa: 0% a 100%.
  • Precisão da detecção da variável temperatura: ± 1 ºC.
  • Precisão da detecção da variável umidade relativa: ± 2%.
  • Resolução da detecção da variável temperatura: 0,1 ºC.
  • Resolução da detecção da variável umidade relativa: 0,1%.

3.3.3 SENSOR DS18B20

O sensor DS18B20 é um termômetro digital que possui um código de série exclusivo de 64 bits, permitindo o funcionamento simultâneo de vários DS18B20s. Pode ser utilizado em diversas aplicabilidades, incluindo controles ambientais, sistema de monitoramento de temperatura, sistemas internos de edifícios, máquinas ou equipamentos e controle de processos. (MAXIM INTEGRATED, 2015).

Segundo o manual “DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire® Digital Thermometer”, o sensor atua com as seguintes características:

  • Faixa de operação da variável de temperatura: -55 ºC a 125 ºC.
  • Precisão da detecção da variável temperatura: ± 0,5 ºC.
  • Resolução da detecção da variável temperatura: 0,25 ºC

3.3.4 RELÓGIO DE TEMPO REAL DS1307

O Real-Time Clock (RTC) é um relógio de tempo real, que possui um calendário integrado, apto a fornecer dados como segundos, minutos, horas, dia da semana, data do mês, mês e ano. O RTC funciona em 24 horas ou 12 horas. Havendo falhas de energia, o circuito a detecta e muda automaticamente para a bateria. (MAXIM INTEGRATED, 2015).

3.3.5 MÓDULO CARTÃO SD

De acordo com a FILIPEFLOP COMPONENTES ELETRÔNICOS (s.d), uma das distribuidoras tradicionais do comércio de eletrônicos brasileiro, o Módulo Cartão SD possui a capacidade de armazenamento dos dados coletados pelos sensores e suporta formatos de arquivo FAT16 e FAT32. Recomenda-se a utilização de uma voltagem de 3.3V ou 5V. É utilizado um adaptador junto ao cartão SD, sendo a capacidade máxima recomendada de 4GB de memória.

3.3.6 PROTOBOARD

É uma matriz de contatos reutilizável que tem como finalidade facilitar o processo de estudo e pesquisa circuitos eletrônicos. É um dispositivo versátil, podendo ser utilizado tanto em série, quanto em paralelo, possibilitando a fácil alteração e adaptação do circuito, a fim de atender as necessidades de cada projeto. (EQUIPE VIDA DE SILICIO, 2014).

3.3.7 FONTE AJUSTÁVEL A PROTOBOARD

É responsável por converter a tensão de entrada para 5V e 3,3V, que é a recomendada para a maioria de sensores, módulos e shileds (FILIPEFLOP, s.d).

Além dos dispositivos citados acima, a Figura 9 mostra todos os dispositivos utilizados como componentes dos kits.

Componentes utilizados na montagem dos kits
Figura 9: Componentes utilizados na montagem dos kits

Onde:

  1. Buzzer 5V (sinalizador sonoro)
  2. Sensor DS18b20
  3. Jumpers
  4. Sensor DHT22-AM2302
  5. Placa Arduíno Mega 2560
  6. Resistor 4k.7 ohms
  7. Cartão e adaptador micro SD
  8. Fonte ajustável a protoboard
  9. Módulo Cartão SD
  10. Cabo divisor de alimentação
  11. Cabo USB
  12. Protoboard
  13. Relógio de tempo real
  14. Globo negro
  15. Suporte de PVC
  16. Fonte de alimentação 9-12V

3.3.8 TERMÔMETRO DIGITAL WIRELESS ACURITE

É um termômetro digital com receptor externo sem fio que fornece informações como temperatura do ar e umidade relativa. Os dados coletados são transmitidos para um painel digital LCD.

3.3.9 TERMÔMETRO DE AMBIENTE INFRAVERMELHO BENETECH

Este equipamento possibilita medições sem contato com a fonte. Coleta dados instantaneamente da temperatura da superfície por meio de raios infravermelhos.

Dispositivos auxiliares. Fonte: Site de comércio eletrônico eBay
Figura 10: Dispositivos auxiliares. Fonte: Site de comércio eletrônico eBay

Onde:

  • Termômetro digital wireless Acurite
  • Termômetro de ambiente infravermelho Benetech

3.3.10 SOFTWARE ARDUINO IDE

O Arduino Integrated Development Environment ou Arduino Software (IDE) é um software desenvolvido pela Arduino, encarregado de fazer a comunicação entre a parte física (placa Arduino) e a parte lógica (código), fazendo com que a placa faça upload do algoritmo desenvolvido, executando todos os comandos de acordo com os objetivos do programador.

CÓDIGO FONTE

A plataforma Arduino utiliza como base a linguagem de programação C/C++. Para esse caso, o fluxograma a seguir (Figura 11) descreve a estruturação lógica do algoritmo utilizado em ambos no protótipo. Como pode-se perceber, o programa foi projetado para permanecer em loop infinito, sendo assim, nunca será direcionado ao fim.

Fluxograma básico do código fonte
Figura 11: Fluxograma básico do código fonte

3.4 MÉTODO

Primeiramente, duas salas foram escolhidas para a realização das medições, uma no primeiro pavimento, outra no segundo (último pavimento). A seleção foi devida às condições ambientais dessas salas que, por estarem na fachada noroeste, recebem grande incidência solar no horário de funcionamento da edificação.

Logo após, é necessário considerar as características físicas do ambiente, que são variáveis de acordo com o horário e posição no espaço, a fim de determinar se os ambientes de estudo são homogêneos ou heterogêneos (ISO/DIS 7726/98). Para isso, foram coletados dados referentes à temperatura das paredes e seus resultados parciais registrados, com o objetivo de se estipular o tipo de ambiente para posterior análise de conforto ou stress térmico.

A Figura 12 e a Figura 13 ilustram a identificação das paredes e o respectivo posicionamento do protótipo para a coleta dos dados.

Indicação das paredes e localização dos sensores na sala do 1º Pav.
Figura 12: Indicação das paredes e localização dos sensores na sala do 1º Pav.
Indicação das paredes e localização dos sensores na sala do 2º Pav.
Figura 13: Indicação das paredes e localização dos sensores na sala do 2º Pav.

Cada ambiente, homogêneo ou heterogêneo necessita de um conjunto de equipamentos de medição específico:

  • KIT 1: Elaborado para ambientes heterogêneos

Composto por todos os elementos mostrados na Figura 9, sendo que este contém 3 sensores DS18b20, 3 globos negros e 3 suportes de PVC. A Figura 14 mostra o protótipo final para os ambientes heterogêneos.

Protótipo montado para ambientes heterogêneos
Figura 14: Protótipo montado para ambientes heterogêneos
  • KIT 2: Elaborado para ambientes homogêneos

A Figura 15 mostra o dispositivo idealizado para ambientes homogêneos. É possível notar apenas 1 globo negro e 1 sensor DS18B20, razão pela qual ele se difere do KIT 1.

Protótipo montado para ambientes homogêneos
Figura 15: Protótipo montado para ambientes homogêneos

A Tabela 1 apresenta a posição na qual devem ser feitas as medições dos parâmetros físicos básicos, e os coeficientes de ponderação a serem utilizados para estabelecer o valor médio, de acordo com o tipo de ambiente analisado e a classe das especificações das medições, segundo a Norma ISO/DIS 7726/98. Os sensores devem estar posicionados nas alturas descritas, onde se executam as atividades usualmente.

Posições de medições para as variáveis físicas de um ambiente. Fonte: Adaptado da ISO/DIS 7726/98
Tabela 1: Posições de medições para as variáveis físicas de um ambiente. Fonte: Adaptado da ISO/DIS 7726/98

A classe adotada neste caso foi o tipo S, que melhor caracteriza o ambiente da coleta de dados. As medidas foram realizadas em duas semanas distintas, por três dias consecutivos (25-27 de janeiro e 15-17 de fevereiro de 2017), em períodos de 8 horas, com coleta de dados a cada 20 minutos para temperatura do ar, umidade relativa e temperatura radiante média e a cada 2 horas para temperatura externa e para as temperaturas das paredes: 8:00h, 14:00h e 18:00h.

3.4.1 MÉTODO DE DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA DO AR E UMIDADE RELATIVA

De acordo com a ISO/DIS 7726/98 a temperatura do ar é geralmente determinada por termômetros de expansão de líquidos ou sólidos e termômetros elétricos: resistência elétrica variada (resistor de platina, termistores). No protótipo deste trabalho foi utilizado o sensor DHT22, que pode ser classificado como um termômetro elétrico, possuindo um termistor que atua como sensor de temperatura. A umidade relativa é uma variável específica do sensor e é medida em função da temperatura do ar.

3.4.2 MÉTODO DE DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA RADIANTE MÉDIA

O termômetro de globo negro é utilizado como um instrumento para a medição da variável ambiental denominada temperatura radiante média. Foi utilizado um globo de alumínio de 15 cm de diâmetro, pintado com tinta na cor preto fosco.

O globo negro situado em determinado ambiente está submetido a um balanço térmico, decorrente das trocas térmicas pelos mecanismos radiação e convecção natural. As trocas de energia na forma de calor por condução entre a esfera e o suporte foram desprezadas. Sendo assim, podemos expressar as trocas de calor, conforme a equação 1:

Equação 1
Equação 1

A troca de calor por radiação pode ser calculada utilizando a Lei de Stefan-Boltzmann, que é dada pela equação 2:

Equação 2
Equação 2

A troca de calor convectiva é de acordo com a Lei de Newton do Resfriamento, conforme a equação 3:

Equação 3
Equação 3

Para o caso de convecção natural, como é o caso do ambiente de estudo, o coeficiente convectivo pode ser obtido a partir da equação 4:

Equação 4
Equação 4

Substituindo os termos das equações 2 e 3 na equação 1, temos o seguinte balanço:

Isolando a temperatura radiante média (Trm), temos a equação 5:

Equação 5
Equação 5

De modo geral, a equação 5 é a expressão que será utilizada para o cálculo da temperatura radiante média. Esta equação é válida para globos de tamanhos variados (preferencilmente 15 cm de diâmetro) e em convecção natural.

Pelo fato das salas não apresentarem convecção forçada, a velocidade do ar foi desprezada.

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

As temperaturas externas foram medidas com termômetro digital sem fio (AcuRite) e a temperatura das paredes foi aferida com termômetro de ambiente infravermelho (Benetech) para determinar as temperaturas das paredes, a fim de constatar a homogeneidade ou heterogeneidade das salas.

4.1 DETERMINAÇÃO DO TIPO DE AMBIENTE

Foram realizadas medições em duas semanas, com condições climáticas distintas. As Tabelas 2-5 mostram as temperaturas médias das paredes durante as duas semanas.
Tabela 2: Temperatura média (℃) das paredes – Sala 1º Pav. (24, 25 e 26 janeiro de 2017)

Tabela 2: Temperatura média (℃) das paredes – Sala 1º Pav. (24, 25 e 26 janeiro de 2017)
Horário P1 P2 P3 P4
08:00 28,2 27,8 27,9 27,9
14:00 28,7 28,7 28,9 29,1
18:00 29,9 29,8 30,1 31,0

 

Tabela 3: Temperatura média (℃) das paredes – Sala 1º Pav. (15, 16 e 17 de fevereiro de 2017)
Horário P1 P2 P3 P4
08:00 25,1 25,2 25,0 24,2
14:00 25,9 25,9 26,1 26,9
18:00 26,7 26,4 26,5 27,6

 

Tabela 4: Temperatura média (℃) das paredes – Sala 2º Pav. (24, 25 e 26 janeiro de 2017)
Horário P1 P2 P3 P4
08:00 28,0 27,8 28,0 25,2
14:00 29,0 29,2 29,2 32,5
18:00 31,4 31,5 31,9 43,6

 

Tabela 5: Temperatura média (℃) das paredes – Sala 2º Pav. (15, 16 e 17 de fevereiro de 2017)
Horário P1 P2 P3 P4
08:00 24,8 24,8 25,0 23,5
14:00 26,5 26,7 26,9 30,8
18:00 28,1 28,1 28,3 32,3

Segundo a Norma ISO/DIS 7726/98 e com base nas tabelas acima, observa-se que a sala do 1º pavimento caracteriza um ambiente homogêneo, enquanto a do 2º pavimento um ambiente heterogêneo. Pode-se ainda inferir que, apesar das variações climáticas, a sala do 2º pavimento é heterogênea. Por isso, fez-se necessário a utilização do kit 1 nas medições desse ambiente.

4.2 ANÁLISE DO PROTÓTIPO A PARTIR DAS VARIÁVEIS AMBIENTAIS

Nas Figuras 16, 17, 18, 19 são apresentados os resultados obtidos das medições de temperatura e umidade do ar coletados com o protótipo na 1ª semana (dias 24/01/2017 a 26/01/2017) de pesquisa nas salas dos dois pavimentos.

Temperatura do ar da sala do 1º Pav. ao longo do tempo.
Figura 16: Temperatura do ar da sala do 1º Pav. ao longo do tempo.
Temperatura do ar da sala do 2º Pav. ao longo do tempo.
Figura 17: Temperatura do ar da sala do 2º Pav. ao longo do tempo.
Umidade relativa do ar da sala do 1º Pav. ao longo do tempo.
Figura 18: Umidade relativa do ar da sala do 1º Pav. ao longo do tempo.
Umidade relativa do ar da sala do 2º Pav. ao longo do tempo.
Figura 19: Umidade relativa do ar da sala do 2º Pav. ao longo do tempo.

Quanto à temperatura do ar, a Figura 16 e Figura 17 mostram a variação da temperatura (℃) ao longo do dia (h). A média diária apresentada na Figura 16 é de 28,9 ℃, enquanto a da figura 18 é de aproximadamente 29,5 ℃. É importante ressaltar que no período vespertino o sol incide diretamente, na maior parte do tempo, na fachada onde as salas se localizam, ocorrendo uma maior variação de temperatura do ar na sala do 2º pavimento do que no 1º pavimento, visto que este último possui brises verticais.

As temperaturas média e máxima observadas nesse período para a sala do 1º pavimento são 29,5 ℃ e 30,4 ℃ respectivamente, enquanto que no 2º pavimento, a temperatura média vespertina é de 30,5 ℃ e a máxima registrada é 33,4 ℃. Não foram registrados dados da temperatura radiante média (TRM), pois os kits de medições não estavam adaptados para as condições ambientais do local.

A Figura 18 e Figura 19 retratam os resultados obtidos quanto à umidade relativa do ar. Os maiores percentuais obtidos encontram-se no período matutino e os menores no período vespertino, demonstrando, assim, que há uma inversão em relação à temperatura do ar. As médias diárias para a sala do 1º pavimento ficam em torno de 53,6% e a mínima registra na primeira semana foi de 44%. Já a média do 2º pavimento é de aproximadamente 44,3%, enquanto a mínima observada foi de 25,6%.

Após adaptação dos kits para a medição da TRM, fizeram-se necessárias novas medições para obtenção de valores da temperatura do ar, umidade relativa e temperatura radiante média, que posteriormente podem ser usadas para análise de conforto térmico da edificação. As figuras abaixo retratam as variáveis ambientais coletadas pelo protótipo na segunda semana de medições.

Temperatura do ar da sala do 1º Pav. ao longo do tempo.
Figura 20: Temperatura do ar da sala do 1º Pav. ao longo do tempo.
Umidade relativa do ar da sala do 1º Pav. ao longo do tempo.
Figura 21: Umidade relativa do ar da sala do 1º Pav. ao longo do tempo.
TRM da sala do 1º pav. ao longo do tempo.
Figura 22: TRM da sala do 1º pav. ao longo do tempo.

A Figura 20 apresentou uma temperatura do ar média de 26,1 ℃ e uma máxima de 27,9 ℃ nesta semana. Como ocorreram chuvas esporádicas durante os dias, é possível observar sucessivas oscilações nas variáveis ambientais coletadas no decorrer de cada dia.

A umidade relativa apresentada na Figura 21 evidencia tais oscilações, como pode ser observado no primeiro dia de medições, quando, no período vespertino (por volta das 17h), há um comportamento diferente se comparado com a tendência contínua de inversão da umidade em relação à temperatura apresentada na 1ª semana. A umidade relativa média nesta semana foi de 69,75%, enquanto a mínima observada foi de 52,5%.

Também ocorreram oscilações consideráveis da TRM, como é mostrado na Figura 22, e este fato também se deve a variação climática. A média para TRM, neste caso, foi de 26,1 ℃, com máxima de 28,25 ℃.

Para as medições feitas na sala do 2º pavimento, foram feitas adaptações no kit 1, acoplando-se mais 2 sensores DS18B20, dispostos em alturas diferentes, conforme os dados da Tabela 1. Foi possível observar que as temperaturas coletadas pelos sensores variam com a altura (sensor 1 a uma altura de 1,10m, sensor 2 a 0,6m e sensor à 0,1m do piso do 2º pavimento), sendo explicitado pela Figura 23.

Temperatura média dos 3 sensores DS18B20 na sala do 2º Pav
Figura 23: Temperatura média dos 3 sensores DS18B20 na sala do 2º Pav

Quanto à sala do 2º pavimento, a temperatura do ar média foi de 26,6 ℃ e a máxima de 29,9 ℃. A umidade relativa teve uma média de 60,1% e mínima de 47,6%. Se tratando da TRM, observam-se médias de aproximadamente 27,1 ℃ e máxima de 29,7 ℃. Tais dados estão relacionados com as informações ilustradas na Figura 24, Figura 25 e Figura 26.

 Temperatura do ar da sala do 2º Pav. ao longo do tempo.
Figura 24: Temperatura do ar da sala do 2º Pav. ao longo do tempo.
 Umidade relativa do ar da sala do 2º Pav. ao longo do tempo.
Figura 25 – Umidade relativa do ar da sala do 2º Pav. ao longo do tempo.
TRM da sala do 2º Pav. ao longo do tempo.
Figura 26: TRM da sala do 2º Pav. ao longo do tempo.

De modo geral, tanto a sala do 1º pavimento, quanto a do 2º mostraram oscilações das variáveis ambientais no decorrer do dia. Entretanto, é possível observar um padrão de crescimento ou declínio similares. É notória a sensibilidade de cada um dos sensores em seus respectivos kits para cada ambiente térmico no qual se encontram. Quando comparada a 1ª com a 2ª semana de medições, constata-se a influência das condições meteorológicas, como a chuva, nas três variáveis.

A Figura 27 e a Figura 28 expõem os dados da temperatura externa obtidos a partir do termômetro externo sem fio (AcuRite). As leituras dos sensores no interior, geralmente, se apresentam em concordância com a temperatura externa, demonstrando assim confiabilidade e eficiência do protótipo. Outro ponto importante a ser destacado é que os kits não apresentaram irregularidades, sendo a temperatura interna sempre menor que a externa (fonte de calor), como era de se esperar devido aos processos de transferência de calor.

Temperatura externa da 1ª semana.
Figura 27: Temperatura externa da 1ª semana.
Temperatura externa da 2ª semana
Figura 28: Temperatura externa da 2ª semana

Por fim, registra-se o baixo custo do protótipo, visto que os equipamentos utilizados atualmente são bem mais dispendiosos que o equipamento desenvolvido nesta pesquisa. Por exemplo, o valor de um termômetro de globo e um equipamento de medição de temperatura e umidade relativa automatizado custa no total em média R$ 1060,00. Ao compararmos o preço destes equipamentos com o preço do kit 1 temos uma redução de R$ 807,46, aproximadamente, isto no mercado nacional. Já ao compararmos o preço do kit 1 no mercado internacional observamos uma redução de R$ 941,41, aproximadamente.  A Tabela 6 e Tabela 7 retratam todos os custos necessários para o desenvolvimento dos protótipos no mercado nacional e internacional, respectivamente.

Tabela 6: Cotação no mercado nacional
Descrição Valor unitário Qtd. 1 Qtd. 2 Custo kit 1 Custo kit 2
Buzzer 5V R$ 4,99 1 1 R$ 4,99 R$ 4,99
Sensor DS18b20 R$ 9,90 3 1 R$ 29,70 R$ 9,90
Jumpers R$ 6,99 1 1 R$ 6,99 R$ 6,99
Sensor DHT22-AM2302 R$ 16,49 1 1 R$ 16,49 R$ 16,49
Placa Arduino Mega 2560 R$ 49,90 1 1 R$ 49,90 R$ 49,90
Resistor 4k.7 ohms R$ 0,50 2 2 R$ 1,00 R$ 1,00
Cartão e adaptador micro SD R$ 15,00 1 1 R$ 15,00 R$ 15,00
Fonte ajustável protoboard R$ 7,99 1 1 R$ 7,99 R$ 7,99
Módulo cartão SD R$ 7,95 1 1 R$ 7,95 R$ 7,95
Divisor de alimentação R$ 9,99 1 1 R$ 9,99 R$ 9,99
Cabo USB R$ 7,90 1 1 R$ 7,90 R$ 7,90
Protoboard R$ 10,00 1 1 R$ 10,00 R$ 10,00
Relógio de tempo real R$ 13,95 1 1 R$ 13,95 R$ 13,95
Globo negro R$ 15,90 3 1 R$ 47,70 R$ 15,90
Suporte de PVC R$ 2,00 3 1 R$ 6,00 R$ 2,00
Fonte de alimentação 9-12V R$16,99 1 1 R$ 16,99 R$ 16,99
Custo total R$ 252,54 R$ 196,94

 

Tabela 7: Cotação de preços no mercado internacional
Descrição Valor unitário Qtd. 1 Qtd. 2 Custo kit 1 Custo kit 2
Buzzer 5V R$ 1,66 1 1 R$ 1,66 R$ 1,66
Sensor DS18b20 R$ 3,54 3 1 R$ 10,62 R$ 3,54
Jumpers R$ 0,99 1 1 R$ 0,99 R$ 0,99
Sensor DHT22-AM2302 R$ 7,53 1 1 R$ 7,53 R$ 7,53
Placa Arduino Mega 2560 R$27,89 1 1 R$ 27,89 R$ 27,89
Resistor 4k.7 ohms R$ 0,50 2 2 R$ 1,00 R$ 1,00
Cartão e adaptador micro SD R$ 6,91 1 1 R$ 6,91 R$ 6,91
Fonte ajustável protoboard R$ 3,18 1 1 R$ 3,18 R$ 3,18
Módulo cartão SD R$ 1,53 1 1 R$ 1,53 R$ 1,53
Divisor de alimentação R$ 1,46 1 1 R$ 1,46 R$ 1,46
Cabo USB R$ 2,60 1 1 R$ 2,60 R$ 2,60
Protoboard R$ 5,45 1 1 R$ 5,45 R$ 5,45
Relógio de tempo real R$ 3,90 1 1 R$ 3,90 R$ 3,90
Globo negro R$ 9,90 3 1 R$ 29,70 R$ 9,90
Suporte de PVC R$ 2,00 3 1 R$ 6,00 R$ 2,00
Fonte de alimentação 9-12V R$ 8,17 1 1 R$ 8,17 R$ 8,17
Custo total R$ 118,59 R$ 87,71

 

É importante ressaltar que o valor do frete (R$ 20,00 a R$ 35,00 dependendo do mercado de compra) não está incluso nos valores contidos nas tabelas 6 e 7, e nem os valores de impostos sobre importação

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Através do desenvolvimento deste protótipo foi possível expor uma alternativa de baixo custo para dispositivos que coletam dados referentes às variáveis ambientais: temperatura do ar, umidade relativa do ar e temperatura radiante média, que são utilizadas em análise de conforto térmico do ambiente construído, uma vez que a maioria dos equipamentos utilizados atualmente é dispendiosa e necessitam de constante acompanhamento.

Quanto aos ambientes de coleta, é importante ressaltar que ambas as salas apresentam materiais isolantes ou refratários em suas janelas, sendo que a sala do 1º pavimento contém placas de isopor na parte interior, enquanto que a do 2º pavimento as janelas possuem revestimento de papel alumínio, também na parte interior. Tais medidas influenciam diretamente nas variáveis analisadas, principalmente devido à diminuição da incidência solar.

Com base nas variáveis medidas por cada sensor ao longo das duas semanas, pode-se perceber que tais valores coincidem com a situação vivenciada por docentes, técnicos e discentes que frequentam o local, verificando assim, a veracidade dos dados obtidos.

O dispositivo não apresentou instabilidades, tampouco houve perda de informações durante os dias de medições. A confiabilidade e a facilidade na coleta de dados por meio do protótipo com plataforma Arduino mostraram que o uso dessa tecnologia na análise de desempenho térmico em edificações deve ser mais difundido e incentivado.

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[1] Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri – Campus Mucuri

[2] Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri – Campus Mucuri

[3] Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri – Campus Mucuri

[4] Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri – Campus Mucuri

[5] Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri – Campus Mucuri

[6] Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri – Campus Mucuri

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