O efeito de tiragem térmica, ou efeito de chaminé

O que é a tiragem térmica?

A tiragem térmica, também conhecida como efeito de chaminé, é um fenómeno físico que se produz nos edifícios quando o ar quente no interior, sendo menos denso do que o ar frio exterior, tende a subir.

Este movimento natural do ar gera uma corrente ascendente nos espaços fechados, criando um fluxo de ar que pode ser utilizado para a ventilação natural dos edifícios. A tiragem térmica assenta nos princípios da flutuabilidade, em que a diferença de temperatura entre o ar interior e o ar exterior gera uma diferença de pressão. Esta diferença de pressão empurra o ar quente a escapar pelos pontos elevados do edifício, enquanto o ar frio entra pelas aberturas situadas mais abaixo.

A eficácia da tiragem térmica depende de vários fatores, tais como a altura do edifício, a diferença de temperatura entre o interior e o exterior, bem como a configuração das aberturas de entrada e de saída de ar. Este fenómeno é particularmente pertinente nos edifícios de grande altura, onde pode gerar desafios significativos em termos de conforto térmico, de consumo energético e mesmo de segurança. Compreender e dominar a tiragem térmica é, por isso, essencial para otimizar o desempenho energético dos edifícios, reduzir as perdas de energia e assegurar um ambiente interior confortável e saudável.

Efeito de tiragem térmica nos edifícios de grande altura

O efeito de chaminé

O efeito de tiragem térmica é um desafio maior para os arranha-céus, mas pode também ser um fator não negligenciável para os edifícios a partir de dois pisos. A estrutura atua como uma chaminé gigante, canalizando eficazmente o ar quente para cima até que acabe por deixar completamente a estrutura. Geralmente, estes fenómenos são favorecidos pelas caixas de escadas abertas que distribuem todos os níveis de um edifício.

O efeito de chaminé produz-se quando a temperatura exterior é sensivelmente inferior à temperatura interior. O ar frio é mais denso do que o ar quente: quando entra na estrutura por baixo, substitui o ar quente mais acima. Isto cria um fluxo de ar que aspira mais ar frio e intensifica as correntes de ar. Quanto mais alta é a estrutura, mais forte é este fluxo de ar. É por isso que as portas giratórias foram desenvolvidas pouco depois dos primeiros arranha-céus: a força de aspiração ao nível do solo era tão forte no inverno que as pessoas tinham dificuldade em abrir as portas. Continuamos a encontrar este fenómeno hoje nos elevadores, que por vezes ligam as partes baixas do edifício às zonas de cobertura para a ventilação da caixa. Contudo, na presença de vento, a tiragem torna-se tal que as portas de elevador podem ficar bloqueadas ou que surgem assobios importantes nas antecâmaras dos níveis baixos.

O problema evidente é que o ar interior tratado é perdido, e desperdiça portanto energia. Mas outro fator é que este problema pode agravar-se com o tempo. Se o fluxo de ar for particularmente forte, exerce uma pressão sobre as entradas de ar parasitas: as juntas fissuram, gerando novas vulnerabilidades. Com uma pressão sustentada, estes espaços podem alargar-se e estender-se, intensificando o fluxo de ar e acelerando a perda de energia.

O efeito de chaminé funciona porque o ar quente tem de ir para algum lado quando atinge o nível mais elevado do edifício. Em muitos casos, escapa para o sótão por tetos fissurados, defeitos de estanquidade ao nível das redes, luminárias embutidas, ou simplesmente por uma permeabilidade ao ar demasiado elevada do pavimento do sótão. Uma vez o ar quente chegado ao último nível, escapa para o exterior pela mínima vulnerabilidade que encontrar.

O plano de pressão neutra

O plano de pressão neutra é um plano horizontal imaginário onde a pressão interna é igual à pressão atmosférica externa. Nesta altitude, a diferença de pressão entre o interior e o exterior é nula: o ar não entra nem sai do edifício. O ponto de pressão neutra depende dos sistemas AVAC do edifício, que colocam em pressão ou em depressão consoante a sua zona de distribuição. Para o bom funcionamento da tiragem térmica, a posição do plano de pressão neutra deve ser estudada antecipadamente a fim de determinar a posição das entradas e saídas de ar desde a conceção. As entradas de ar devem ser posicionadas abaixo do plano de pressão neutra e as saídas acima, como mostra o esquema abaixo.

Com efeito, abaixo do plano de pressão neutra, a pressão interior é inferior à pressão exterior: o ar entra no edifício. Acima do plano de pressão neutra, é o inverso: a pressão interior é superior à pressão exterior e o ar sai do edifício.

Estimativa da tiragem térmica num edifício

Definições e fórmulas

A ventilação por flutuabilidade explora os princípios de diferença de densidade do ar para assegurar uma renovação eficaz do ar num espaço fechado. Este método pode ser aplicado de diferentes maneiras, nomeadamente pela utilização combinada de torres de arrefecimento e de chaminés.

As torres de arrefecimento, que funcionam com base no princípio da evaporação da água para arrefecer o ar, fornecem ar fresco na parte de baixo do espaço. Quando esse ar fresco é aquecido pelos ocupantes ou por outras fontes internas, a sua densidade diminui e torna-se mais leve, favorecendo a sua subida. Através de uma chaminé, esse ar quente e viciado é evacuado para o exterior, criando uma corrente de ar que permite ao ar fresco continuar a entrar pelas aberturas inferiores para o substituir.

A diferença de densidade do ar depende de fatores como a temperatura e a humidade. No inverno, quando a diferença de temperatura entre o interior e o exterior é máxima, a ventilação por efeito de chaminé é particularmente eficaz. Contudo, no verão, este método pode não funcionar eficazmente, pois exige que o interior esteja mais quente do que o exterior, o que é geralmente indesejável durante os meses quentes.

A ventilação por flutuabilidade, explorando as diferenças de densidade do ar devidas à temperatura e à humidade, pode, portanto, ser um método eficaz para assegurar uma ventilação natural e confortável dos espaços interiores, mas exige uma adaptação às condições climáticas para ser plenamente eficaz.

Uma expressão do caudal de ar ventilado por efeito de chaminé pode ser dada por:

Nota-se que o caudal é positivo quando T_i > T_e: o ar quente e viciado sai do edifício. No verão, quando T_i < T_e, o caudal torna-se negativo: o ar quente entra no edifício, o que não é o efeito procurado. A tiragem térmica não é, portanto, adaptada em caso de fortes calores exteriores para edifícios de tipo habitação ou escritórios. Pode também notar-se o caso em que T_i e T_e são da mesma ordem de grandeza (meia-estação): o caudal é então quase nulo e deixa de haver ventilação. É por isso que, para edifícios clássicos, a tiragem térmica não é adaptada a todas as estações.

Ordens de grandeza

Se tomarmos o caso de um edifício de habitação no inverno com uma chaminé de 15 m de altura, a temperatura interior (T_i) é em média de 20 °C e a temperatura exterior (T_e) de 0 °C. O coeficiente de descarga é tomado aproximadamente igual a 0,65 e a superfície (S) da chaminé é de 0,1 m². Fazendo a aplicação numérica, a ordem de grandeza do caudal de ar ventilado por tiragem térmica é: Q = 0,34 m³/s, ou seja cerca de 1200 m³/h. Uma chaminé deste tipo permite ventilar corretamente (caudal de 5 Vol/h) um espaço de 100 m². Estes valores só são válidos na situação evocada anteriormente.

O coeficiente de descarga

O coeficiente de descarga é um parâmetro utilizado para descrever o desempenho de uma chaminé ou de uma conduta no contexto da tiragem térmica. Representa a fração do caudal mássico teórico de ar que é realmente aspirada através da conduta devido ao efeito de tiragem térmica.

O coeficiente de descarga depende de vários fatores: a geometria da chaminé, a rugosidade das suas paredes, a temperatura do ar no interior da conduta, a diferença de temperatura entre o interior e o exterior, bem como outras variáveis ambientais.

Para o calcular, podem utilizar-se modelos empíricos baseados em experiências e observações, ou simulações numéricas que têm em conta as diferentes variáveis influentes. Estes modelos ou simulações permitem determinar o coeficiente de descarga para uma configuração específica de chaminé em condições dadas.

Em geral, o coeficiente de descarga é expresso como um valor compreendido entre 0 e 1, onde 1 representa uma tiragem ótima (todo o ar teoricamente disponível é efetivamente aspirado). Um valor inferior a 1 indica perdas ou ineficiências no processo de tiragem.

O contributo da simulação CFD

A simulação CFD (Computational Fluid Dynamics) oferece uma vantagem inegável na determinação dos coeficientes de descarga da tiragem térmica. Permite uma estimativa precisa e mais acessível do que os métodos experimentais tradicionais. Graças à CFD, é possível analisar virtualmente o comportamento dos fluxos de ar num sistema de tiragem térmica, oferecendo uma compreensão aprofundada dos fenómenos de convecção e de turbulência.

Além disso, esta abordagem oferece uma grande flexibilidade na modificação e na otimização do projeto, uma vez que intervém numa fase precoce da conceção, evitando assim os custos e as restrições das modificações em fase de realização. A simulação CFD tem diretamente em conta os efeitos de perdas de carga: graças à fórmula teórica sem perdas (C_d = 1), é possível remontar ao coeficiente de descarga do sistema estudado.

Em suma, a simulação CFD representa uma ferramenta essencial para uma conceção eficaz e otimizada dos sistemas de tiragem térmica.

A tiragem térmica na indústria

Os desafios

Em meio industrial, o fenómeno da tiragem térmica reveste-se de uma importância crucial. Frequentemente gerado por equipamentos como os fornos ou as máquinas, o calor a evacuar caracteriza-se por temperaturas muito elevadas. Estas condições térmicas exigem uma gestão eficaz, pois podem implicar uma acumulação de calor no interior das instalações industriais.

Além disso, é frequente que a temperatura do ar a evacuar seja nitidamente superior à do ar exterior, mesmo no verão: a tiragem térmica funciona então mesmo durante episódios de fortes calores. Este desfasamento térmico agrava os desafios ligados ao controlo da temperatura e à ventilação, exigindo soluções específicas para manter condições de trabalho ótimas e garantir a segurança das operações industriais.

Simulação CFD

Apresenta-se nas duas imagens abaixo uma simulação numérica realizada para a ventilação de uma indústria, para a qual teve de ser realizado um dimensionamento de arejadores estáticos.

O dimensionamento dos vãos de ventilação natural é fortemente influenciado pelo conceito de pressão neutra. Este último designa um nível crucial onde a pressão interna de um espaço equivale à pressão atmosférica externa, formando um plano horizontal fictício. Neste nível, os orifícios de entrada de ar são pouco eficazes; acima, a pressão interna ultrapassa a do exterior, tornando essencial o posicionamento das bocas de saída de ar nesse local. Em contrapartida, as aberturas de entrada de ar são sempre colocadas abaixo do plano neutro, pois geram uma zona de depressão. Na conceção, é primordial determinar com precisão a altura do plano neutro e repartir judiciosamente a diferença de pressão disponível entre as bocas de entrada e de saída, tendo em conta as perdas de caudal. Consoante as estações, a posição do plano neutro não é a mesma, como comprova o esquema abaixo.

Quando a temperatura exterior é muito inferior à temperatura interior (inverno), o plano de pressão neutra situa-se mais alto em altitude. Em contrapartida, no verão, quando as diferenças de temperatura são menos importantes, mas sempre com uma temperatura interior mais elevada, o plano de pressão neutra situa-se mais baixo. É por isso que, para que a tiragem térmica funcione em qualquer estação, as entradas de ar devem situar-se abaixo da posição mínima do plano de pressão neutra, e as saídas de ar acima da sua posição máxima.

Balanço

A EOLIOS é, portanto, capaz de trazer soluções no domínio do dimensionamento das chaminés, bem como dos vãos e das simulações numéricas sobre a tiragem térmica. A sua competência e o seu saber-fazer permitem oferecer serviços e ferramentas de modelação precisos e fiáveis, para responder às necessidades das indústrias preocupadas com a eficiência energética e a segurança das suas instalações.