ELECS-530-José Rodrigo Viana Monteiro

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VI Encontro Nacional e IV Encontro Latino-americano sobre Edificações e Comunidades Sustentáveis - Vitória – ES - BRASIL - 7 a

9 de setembro de 2011

A aplicação da Termografia como ferramenta de investigação térmica noespaço urbano

José Rodrigo Viana Monteiro¹ , Solange Maria Leder²

(1) Mestrando do Programa de Pós-graduação em Engenharia Urbana e Ambiental, PPGEUA-UFPB,Brasil. E-mail: [email protected]

(2) Drª em Engenharia Civil, Departamento de Arquitetura e Urbanismo, Universidade Federal daParaíba, Centro de Tecnologia, João Pessoa. E-mail: [email protected]

Resumo: Nas regiões de clima quente, com elevada temperatura e níveis de radiação solar, é

recomendável o uso de materiais leves, de baixa absorção e o uso de sombreamento. Contudo, no meio

urbano o uso de materiais de alta inércia térmica e a constante redução da vegetação e áreas verdes

resultam em uma morfologia urbana com características opostas à recomendação e com elevado

acúmulo de calor. A temperatura superficial acaba por moldar a temperatura do ar, gerandodesconforto no ambiente urbano e aumentando a necessidade de consumo energético para a obtenção de

conforto nas edificações. Este trabalho investiga o comportamento térmico do entorno, como corpos

emissores de calor, em um recorte urbano. Para a investigação das temperaturas superficiais foi

empregada a técnica inovadora da Termografia, com a captação de imagens em infravermelho, com

medições em três períodos do dia. No centro comercial da João Pessoa algumas áreas com

características heterogênea, com forte presença de vegetação e outras com quase total ausência de

vegetação serviram de estudo para a utilização de imagens termográficas, construindo uma metodologia

de análise no espaço urbano ainda não explorada, podendo-se constituir uma fértil possibilidade de

análise micro-climática e das condições de conforto no meio urbano.

Palavras-chave: Termografia, temperatura superficial, espaço urbano.

Abstract: In warm climates with high temperature and solar radiation levels, we recommend the use of

lightweight materials, low absorption and use of shading. However, in urban areas the use of materials

with high thermal inertia and the constant reduction of vegetation and green areas result in an urban

morphology with opposite characteristics to the recommendation and with a high heat buildup. The

surface temperature ultimately shape the air temperature, causing discomfort in the urban environment

and increasing the need for energy to achieve comfort in buildings. This work investigates the thermal

behavior of the surroundings, as heat-emitting bodies in an urban section. For the investigation of

surface temperatures were employed the innovative technique of thermography, the capturing of infrared

images, with measurements in three periods of the day. In the commercial center of Joao Pessoa some

areas with heterogeneous characteristics, with a strong presence of other vegetation and almost total

absence of vegetation were used to study the use of thermographic images, building a methodology for

analyzing the urban space not yet explored, and it can be constitute a fertile opportunity for analysis and micro-climatic comfort conditions in urban areas.

Key-words: Thermography, Surface Temperature, Urban Space.

1. INTRODUÇÃO

Segundo dados da ONU referentes de 2002, mais de 75% da população mundial reside em áreas urbanas,e com o crescimento da economia e aumento da expectativa de vida em muitos países vem acompanhadado processo de adensamento e verticalização do sitio urbano, modificando o clima urbano, substituindo-seas áreas verdes e permeáveis por edifícios e áreas pavimentadas, as cidades vão se expandindo e alterandoas condições naturais, intensificando o conjunto de elementos condicionantes do clima.

O calor antropogênico, produzido pelo homem, com a reduzida velocidade dos ventos e a poluição do arnas áreas urbanas contribuem para a formação de ilhas de calor. As estruturas urbanas estão expostas a





ação de diferentes elementos que caracterizam o clima, e dentre os principais parâmetros que influenciamo clima urbano podemos citar a geometria urbana e a propriedade térmica dos materiais (Arnfield, 2003).

A radiação solar é responsável por uma parcela significativa da carga térmica nos edifícios. A radiaçãosolar – direta ou difusa, ao ser absorvida pelas superfícies exteriores origina um armazenamento de calorque, por convecção e condução, pode aquecer e causar o desconforto no espaço urbano e,conseqüentemente, no interior das edificações, contribuindo para o aumento no consumo energéticoatravés do aumento da necessidade de condicionamento artificial nos ambientes internos.

As temperaturas de superfície são mais variantes do que as temperaturas do ar ao longo do dia, superfíciesurbanas, como coberturas e calçadas, são aquecidas rotineiramente pelo sol, e suas temperaturas podemficar de 27 a 50º C. À noite, essas superfícies liberam o calor acumulado, geralmente voltando àtemperatura original do ar. Árvores, gramas e outros tipos de vegetação tendem a se manter mais frescossob o sol de verão, com temperatura igual ou inferior a temperatura do ar, desde que devidamentehidratados. Em dias nublados, com ventos fortes, os efeitos da temperatura da superfície sobre atemperatura do ar são menores. (Gartland, 2010). As coberturas dos edifícios tendem a reter o calorgerado pela radiação direta, por estarem expostas por um longo período do dia a ação do sol. Os materiaisempregados nas cobertas, estanques e de coloração escura, contribuindo na retenção do calor nasuperfície urbana. As coberturas das edificações cobrem cerca de 20% das áreas urbanas e suburbanas esão as características mais quentes vistas em imagens térmicas de satélites. Já os pavimentos cobrem entre25% a 50% das cidades sendo geralmente o aspecto mais dominante em nosso ambiente urbano. Ascaracterísticas térmicas dos pavimentos exercem muita influencia sobre a formação das ilhas de calor(Gartland, 2010).

Todos os materiais apresentam capacidade de absorver a radiação infravermelha, convertendo-a em umaumento de temperatura, e todos os materiais acima do zero absoluto emitem radiação, sendo a radiaçãoinfravermelha compreendida entre a região visível e as microondas do espectro magnético, comcomprimento de onda de 0,75 a 10µm. A técnica da termografia infravermelha transforma a emissão

padrão do objeto em imagem visível, medido a radiação infravermelha emitida pelos objetos, sendodetectada pela câmera três componentes de radiação nos objetos, a emissão, transmissão e reflexão(Ocaña,2004). A termografia infravermelha vem sendo empregada também no diagnostico de ganhos eperdas de calor nas edificações e no meio urbano. Dentre as principais condições que influenciam amedição está o valor de emissividade, a condição ambiental, o tipo de cor da superfície e a refletividadeda superfície (Freitas, 2007).

Destacando o clima de João Pessoa, segundo estudo realizado por Carvalho (2001) - que consistiu notratamento estatístico de uma séries de dados climáticos medidas na estação meteorológica do AeroportoCastro Pinto, referentes ao período de 1985 a 1994 e no qual se definiu dias típicos de projetoconsiderando níveis de freqüências de ocorrência acumuladas (NFOA) de 10% - as temperaturas em umdia típico de verão para João Pessoa variam de 24°C, às 2:00 horas, até 31°C, observada às 14:00 horas.

A umidade relativa observada variando de 92% a 57%. Calmarias na madrugada e velocidades do ventomaiores para o período da tarde.

2. OBJETIVO

O objetivo desta pesquisa é analisar o efeito causado pela radiação solar sobre as superfícies urbanas,diagnosticando no espaço urbano as principais fontes acumuladoras de calor, assim como, avaliar autilidade da termografia infravermelha como técnica de detecção da performance térmica de recintosurbanos.

3. JUSTIFICATIVA

Os estudos referentes ao clima urbano servem de base para se constituir o desenvolvimento sustentável noplanejamento urbano. O conforto térmico é essencialmente importante nos espaços abertos e sua





concepção provem da análise climática da mesoescala urbana e, a partir de vários estudos, a definição deum “clima urbano ideal” proverá da combinação dos diferentes níveis de planejamento e escalasclimáticas (Katzschner, 2002). Nesse contexto, é necessário ampliar os estudos sobre o impacto do

aumento das superfícies acumuladoras de calor no meio urbano, em diferentes condições climáticas.Assim como, o estudo de novas metodologias de investigação e análise.

Nas áreas urbanas diversas construções absorvem e retém mais calor do sol do que materiais naturais, osmateriais de construção em sua maioria são impermeáveis e estanques, e não apresentam umidadedisponível para dissipar o calor do sol, e os materiais de revestimento de cor escura, em edifícios epavimentos, também apresentam maior capacidade de reter o calor quando expostos a radiação direta.

Além dos materiais construtivos o fluxo de pessoas e veículos incrementam o ganho e acúmulo de calorda atmosfera urbana. A complexidade de se analisar esta diversidade de elementos carece de estudos,mais especificamente, o centro comercial da cidade de João Pessoa é mais complexo ao se destacar nolocal o conjunto de edificações históricas existente - patrimônio material a ser preservado.

Para o referido estudo foram analisados, através da termografia, vários pontos localizados no centrocomercial da cidade de João pessoa, local de intensa atividade econômica, associada a algumas áreasverdes de parques e praças. Os pontos averiguados demonstram as rotas e percursos de grande uso, comobjetivo de identificar as principais fontes de calor.

4. MÉTODO

O estudo está baseado, principalmente, na medição da temperatura de superfície, utilizando-se umacâmera termográfica da marca FLIR modelo B400 para o registro de imagens térmicas. A técnica datermografia é uma tecnologia inovadora já utilizada em testes não destrutivos, detectando a temperaturasuperficial, investigando causas e extensões patológicas em objetos. As câmeras captam a radiaçãoinfravermelha emitida pela superfície convertendo em sinais elétricos, criando uma imagem térmica com

um gradiente de temperatura superficial (Barreira, 2007).A radiação corresponde ao mecanismo de trocas de calor entre dois corpos, distantes entre si, capazes deabsorver e emitir energia térmica. Quando a energia incide sobre um corpo parte dela é refletida, outra éabsorvida e uma terceira é transmitida, sendo a parcela absorvida a responsável pelo aumento detemperatura do corpo (Santos Apud Carvalho, 2001). Todos os objetos com temperaturas acima do zeroabsoluto (-273,15ºC ou 0ºK) emitem radiação eletromagnética, e a termografia é a técnica de mediçãobaseada na detecção do espectro infravermelho, usualmente de ondas de 2-5,6 µm e 8-14 µm (Avdelidis,Moropoulou, 2003). Os materiais ao absorverem a radiação infravermelha convertem esta radiação emaumento de temperatura (Ocaña, Guerreiro, Requena, 2004). Para a detecção desta radiaçãoinfravermelha são utilizadas câmeras especiais que permitem mapear gradientes de temperatura nasuperfície de objetos, mas a realização correta destas medições depende algumas recomendações e

procedimentos.Conforme estudos realizados por Marinoski (2010), algumas informações do ambiente e da superfície aser analisada devem servir de parâmetro para os dados de entrada da câmera termográfica, que sãodefinidos pelo operador, como a emissividade e a temperatura refletida.

A emissão da radiação eletromagnética depende de uma propriedade chamada emissividade (), queapresenta valores na faixa de 0 à 1, superfícies com baixos valores de emissividade, próximos a 0 sãoaltamente refletores, enquanto valores próximos a 1 são perfeitos emissores, propriedade esta que fornecea capacidade de emissão de energia de uma superfície em relação a um corpo negro (Avdelidis,Moropoulou, 2003). O outro dado de entrada é a temperatura refletida (Tr), parâmetro que serve paracompensar a radiação emitida pelo objeto e a radiação emitida pela atmosfera. No caso da emissividadeser baixa, a distância entre câmera e objeto ser grande e, a temperatura do objeto, estar relativamentepróxima a do ambiente, será necessário regular e compensar (Flir System, 2005).





Os testes realizados por Marinoski (2010), para se realizar um ajuste simplificado da TemperaturaRefletida (Tr), durante medições em campo, é aconselhável aplicar a esta variável o mesmo valor datemperatura do ar (Tar). A maioria dos materiais de construção apresentam valores de emissividade de

0,90 a 0,95, o que torna possível obter-se corretos valores de temperatura (Ocaña, 2004). Contudo algunsmateriais apresentam baixos valores de emissividade (materiais metálicos e materiais com superfíciesbrilhantes), fazendo com que pesquisas e medições através da termografia demonstrem maus resultados,com temperaturas abaixo da situação real. Para as medições de temperatura do ar e umidade relativa,dados utilizados também no registro das imagens termográficas, foi utilizado o Multimeter ITPM 600, damarca Instrutherm, aferindo-se em cada ponto e horário de medição com a câmera estas variáveis. Asmedições ocorreram em dois dias consecutivos do mês de fevereiro, em condição de céu claro, semnuvens, assim como nos dias anteriores a medição.

Os testes com a câmera termográfica no meio urbano foram realizados nos pontos distribuídos conforme afigura 1. Para a realização dos testes algumas recomendações são importantes, deve-se evitar a exposiçãoda direção da lente diretamente à radiação solar, o conhecimento dos parâmetros das variáveis de entrada,

emissividade, temperatura refletida, temperatura do ar, umidade relativa e distância do objeto, énecessário para melhores resultados. A velocidade do vento deve ser menor que 1m/s, a fim de evitar quea condição de convecção do calor pelo vento altere os resultados no momento do registro da imagem.Também, devem-se evitar registros em períodos com fortes chuvas, devido a ausência de diferenças detemperatura superficial e temperatura do ar nestas condições. (Albatici, Tonelli, 2010).

Figura 1 Bairro do Centro da cidade de João Pessoa

5. RESULTADOS

Com a técnica utilizada neste trabalho - termografia na investigação das temperaturas superficiais emrecintos urbanos – pode-se observar que o pavimento de ruas e calçadas tem uma contribuiçãosignificativa para o armazenamento de calor. As temperaturas das superfícies de pavimentos, vedações ecoberturas das edificações e mobiliário urbano mantiveram-se mais elevadas que a temperatura do ar,devido principalmente a maior exposição solar. O sombreamento, de árvores e prédios, foi o elementoque amenizou a condição de calor retido nas superfícies.

As imagens foram, no primeiro dia de medição, registradas em quatro intervalos de hora: 8:00 h, 12:00 h,

15:00 h e 17:00 h. Após a análise sobre as primeiras medições constatou-se que os horários maispropícios seriam o início da manhã, por volta das 8:00 h, e o período próximo ao final da tarde, entre15:00 h e 16:00 h. Essa constatação coincide com as recomendações de outros autores, que indicam

LEGENDA

Figura 2 à 6Figura 7Figura 8Figura 9Figura 10Figura 11Figura 12Figura 13





horários de início e final do dia para medições com a câmera termográfica (Ocaña, Guerreiro, Requena,2004).

As medições nos horários de 12:00 h e 17:00 h apresentam imagens desfocadas, enquanto que os registrosnos horários de 8:00 h e 15:00 h apresentam uma nitidez maior, possibilitando melhores interpretações eresultados. Estes fatos resultam de variáveis como a direção da radiação solar e a condição da atmosferaurbana.

As imagens das figuras 2 a 6 representam as primeiras medições realizadas com este trabalho. Ogradiente de temperatura, faixa vertical, no canto direito das imagens, representa a temperatura mais baixae a mais elevada da cena observada. Na figura 3 - parada de ônibus, pode-se observar que a temperaturano asfalto apresenta-se na faixa dos 40ºC, enquanto a temperatura na calçada (em sombra) está próximada temperatura do ar, às 8:00 h. A temperatura superficial da calçada no período da tarde, a partir das12:00 h, é similar comportamento verificado no asfalto, ainda que a calçada tenha coeficiente de reflexãomenor que o asfalto, contrariando a afirmação de Gartland (2009), que pavimentos de concreto mantém-se mais frescos quando comparados a pavimentos de asfalto, mesmo nos dias mais quentes e ensolarados.Pavimentos de concreto, segundo a autora apresentam temperaturas abaixo de 50ºC, enquanto o asfalto,comumente, apresenta valores superiores a 65ºC.

Figura 2 Pontos de parada dos onibus, Parque Solon de Lucena-Centro

Figura 3 Registro Termográfico as 8hs








Após a constatação do horário mais adequado, as medições subseqüentes foram realizadas nos horários de8:00 h e 17:00 h. As imagens apresentadas a seguir foram registradas em diversos locais do centro urbanoem analise, com presença e ausência de vegetação.

Na figura 8, pode-se perceber que a circulação de veículos e as áreas de estacionamento próximas àscalçadas contribuem no acúmulo de energia térmica, através da retenção de calor devido à baixaemissividade dos materiais dos veículos, assim como, o calor gerado pelos motores – valores de até 105ºC.





Figura 7 Área de estacionamento e registro termográfico as 15:00h

Figura 8 Viadulto Damásio Franca e registro termográfico as 15:00h

As superfícies verticais – correspondentes as fachadas dos edifícios, tem um comportamento detemperatura mais heterogêneo, influenciado pela constituição do material de revestimento, forma edetalhes construtivos, reentrâncias e saliências e coeficiente de reflexão. Observa-se na figura 11 ainfluência da cor na temperatura superficial da fachada da edificação, assim como, alguns efeitos desombreamento.

É importante observar que a emissividade adotada, nas medições realizadas com este trabalho,corresponde àquela comumente encontrada nos materiais de construção opacos e não metálicos. Atemperatura superficial encontrada nas aberturas, gradis e outros elementos com emissividade em outrafaixa, não representa a situação real.

As coberturas dos edifícios tendem a reter o calor gerado pela radiação direta, pois estão expostas durantequase todo o dia a ação do sol. Os materiais empregados nas cobertas, estanques e de coloração escura

contribuem ainda mais para reter o calor na superfície urbana. Na Figura 12, destaca-se a imagem docoreto, que apresenta na sua cobertura, temperatura superficial em torno de 38 ºC.





Figura 9 Paraíba Palace Hotel e e registro termográfico as 8:00h

Figura 10 Pavilhão do Chá e registro termográfico as 8:00h

Figura 11 Academia de Comércio Epitácio Pessoa e registro termográfico as 8:00h

O efeito do sombreamento em parques e praças amenizam a ação da radiação, nestes locais de altaobstrução de céu, as temperaturas de superfície apresentam reduzida amplitude térmica entre os horários,sem grandes diferenças em relação a temperatura do ar.

A ausência de áreas sombreadas construídas ou naturais e a alta incidência de radiação nos primeiros

horários do dia cerca de 700wh/m² a 1.110wh/m² (Carvalho, 2001) na superficie já nos primeiros horáriosda manha, provoca o aquecimento de todas as superficies expostas moldando a temperatura do ar.





As temperaturas de superficie horizontal com piso impermeável sombreadas apresentam-se comumentena faixa de temperatura igual a do ar. A temperatura superficial em árvores e jardins verdes, comtemperaturas superficiais similares e inferiores a temperatura do ar, pode ser relacionado com o processo

de evapotranspiração realizado pelas plantas.

Figura 12 Parada de onibus e registro termográfico realizado as 8:00h

Figura 13 Praça Rio Branco e Registro Termográfico as 8:00h

A ausência de elementos de sombreamento nas fachadas de edificios, transparece em alta na temperaturasuperficial vertical que se reflete em aumento da sensação de calor no meio externo. As cores escuras nasfachadas absorvem mais as ondas de calor dada a radiação incidente, causando o desconforto nosusuários. Com o aumento da temperatura externa superficial nestes imoveis, há tambem um aumento noconsumo energetico demandada pelo condicionamento termico artificial traduzidas em um aumento noconsumo de energia eletrica.

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Este trabalho investiga o comportamento térmico superfícial em recintos urbanos, através da termografia.A área em análise é o centro comercial de João Pessoa, os locais analisados diferenciaram-seprincipalmente pela presença e ausência de vegetação e sombreamento. A radiação solar é uma variávelde grande impacto, principalmente nas superfícies horizontais, porem estudos referenciado-se assuperfícies verticais urbanas ainda demonstra-se ausente de correlatos, principalmente em relação ao usoda termografia.





A técnica mostrou-se similar as imagens térmicas geradas por satélite, com a vantagem da percepção ecaptação das superfícies verticais no espaço urbano, tratando-se de uma investigação de rápida apreensãodas condições de temperatura de superfície em variados pontos de medição, mapeando no ambiente

elementos acumuladores de calor no nível do usuário do espaço urbano.

Os materiais de construção considerados frescos, com a utilização de cor mais clara, ou pavimentopermeável, permitindo a evapotranspiração, não são suficientes a mitigar o aquecimento do espaçourbano, principalmente em locais de baixa latitude com alta potencia de radiação global.

A condição de sombreamento ameniza a temperatura de superfície de forma mais eficaz, reduzindo asreflexões e absorção das ondas de calor providas da radiação direta, reduzindo a temperatura do ar nomeio urbano. Contribuindo também para a não restrição e uso de determinados materiais considerados“quentes”. Temperaturas superficiais registradas na condição de sombreamento apresentam valoressimilares a temperatura ambiente do ar, enquanto que a vegetação, mesmo exposta a radiação, apresentatemperaturas até menores que a condição dada pela temperatura do ar.

O uso da termografia para observar a carga térmica na superfície urbana demonstra que o período deinicio da manha, até as 8:00h, e próximos ao final da tarde, a próximo as 16:00h são os períodos do diaque melhor respondem a investigação térmica. Dentre as principais condições que influenciam a mediçãoestá no ato da medição buscar-se momentos de calmaria, com ausência de ventos fortes, acima de 1m/s,alem da posição da câmera em relação ao objeto, que deve está protegida da ação da radiação solar diretasobre a lente, e o tipo de superfície e sua refletividade.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ALBATICI, R.; TONELLI, A.M. Infrared Thernovision Technique for the Assessment of ThermalTransmittance Value of Opaque Building Elements on Site. Energy and Buildings 42 (2010) 2177-2183.

AVDELIDIS, N.P.; MOROPOULOU, A. Emissivity Considerations in Building Thermography. Energy andBuildings, v.35 (2003) p.663-667

ARNFIELD, A.J. Two Decade of Urban Climate Research: A Reciew of Turbulence, Exchanges of Energy andWater, and The Urban Heat Island. International Journal of Climatology, v.23 (2003) 1-26.

BALARAS, C.A.; ARGIRIOU, A. A. Infrared Thermography for Building Diagnostics. Energy and Buildings34 (2002) 171–183.

BARREIRA, E.; FREITAS, V.P. Evaluation of Buildings Materials Using Infrared Thermography.Construction and Building Materials, v.21 (2007) p.218-224.

CARVALHO, H. J. M. de , Parâmetros Climatológicos para o Estudo do Balanço Termo-Energético deEdificações da Cidade de João Pessoa -Pb. Dissertação do Mestrado em Arquitetura e Urbanismo da UFRN,2001.

GARTLAND,L. Ilhas de Calor como Mitigar Zonas de Calor em Áreas Urbanas. São Paulo: Oficina de textos,2010.

MARINOSKI, D. L.; SOUZA, G. T. DE; SANGOI, J. M.; LAMBERTS, R. Utilização de Imagens emInfravermelho para Análise Térmica de Componentes Construtivos. 13° Encontro Nacional de Tecnologia doAmbiente Construído – Canelas/Brasil. ENTAC 2010.

OCAÑA, S.M.; GUERRERO, I.C.; REQUENA, I.G. Thermographic survey of two rural buildings in Spain. Energy and Buildings 36 (2004) 515–523

SYNNEFA, A.; KARLESSI, T.; GAITANI ,N.I; SANTAMOURIS, M.; ASSIMAKOPOULOS,D.N;PAPAKATSIKAS, C. Experimental Testing Of Cool Colored Thin Layer Asphalt An Destimation Of ItsPotential To Improve The Urban Microclimate. Building and Environment 46(2011)38-44.

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