Thermal comfort evaluation in residences with natural ventilation: an application in the Brazilian hot and humid climate

Abstract

Uma abordagem recente de conforto térmico humano em condições de calor em ambientes internos inclui fluxos de ar dinâmicos, cujas velocidades médias do ar variam no tempo. Os estudos sobre fluxos de ar dinâmicos se baseiam nas características do vento natural, reconhecido como mais agradável do que os fluxos de ar mecânicos. Os fluxos de ar induzidos pelo vento natural podem ocorrer nas edificações se as características climáticas do sítio e de projeto forem favoráveis. Além disso, a ventilação natural é a principal estratégia de condicionamento utilizada nas residências brasileiras ? um cenário favorável para avaliar os fluxos de ar dinâmicos. Esta pesquisa aborda a ventilação natural e o conforto térmico em climas quentes e úmidos com base em duas vertentes principais: o impacto da velocidade do ar de fluxos de ar dinâmicos na sensação de agradabilidade proporcionada pelo ambiente térmico (deleite térmico) e na satisfação dos residentes (1) e a adoção rotineira da ventilação natural nas residências com base em preferências, motivações e fatores econômicos (2). Os métodos de pesquisa envolveram uma pesquisa nacional on-line e uma pesquisa de campo local realizada em São Luís, no nordeste do Brasil, durante o regime local de ventos. A pesquisa de campo começou com uma visita às residências (pesquisas do tipo instantâneas com medições da velocidade do ar) e terminou com o monitoramento de longo prazo da temperatura do ar interno e da umidade relativa nas residências. A condição de agradabilidade sob ventilação natural foi definida considerando-se atividades sedentárias e roupas leves em ambientes residenciais situados em clima quente e úmido. A avaliação ótima dos residentes correspondeu a velocidades do ar de pelo menos 0,4 m/s sob temperatura operativa de 27 a 30 °C. Os resultados indicaram que, se o limite mínimo de velocidade do ar for mantido, as flutuações na intensidade do movimento do ar não prejudicariam a sensação de agradabilidade relativa ao ambiente térmico, resultando na satisfação com o movimento do ar no final da pesquisa instantânea. As rotinas das famílias, as restrições econômicas e as condições ambientais de temperatura do ar interno e da velocidade do vento externo influenciaram a adoção de uma estratégia de condicionamento nas residências pesquisadas. Na faixa de renda mais alta, o uso e a preferência pelo ar-condicionado aumentaram, enquanto que o uso e a preferência pelo ventilador diminuíram. No entanto, o fator renda não afetou significativamente a preferência pela ventilação natural apenas. Os padrões de preferência e uso com relação a uma estratégia de condicionamento também estiveram alinhados, de modo que aqueles que preferem a ventilação natural em casa estão propensos a usá-la com mais frequência. Os resultados deste estudo indicam a importância do movimento do ar da ventilação natural para o conforto térmico das residências, especialmente em residências consideradas bem ventiladas pelos seus ocupantes. Essa relevância ocorre em meio à adoção favorecida da ventilação natural no setor residencial brasileiro.

Abstract: A recent approach to human thermal comfort under warm-to-hot conditions indoors includes dynamic airflows, whose mean air velocities vary in time. The dynamic airflow background is based on the features of the widely accepted natural wind, recognised as more pleasant than constant mechanical airflows. Natural wind-induced airflows may occur inside buildings if climatic and building design characteristics are favourable. Moreover, natural ventilation is a primary conditioning strategy in Brazilian residences ? an optimal scenario to assess dynamic airflows. This research addresses natural ventilation and thermal comfort in hot and humid climates based on two main approaches: the impact of air velocity from dynamic airflows on households? thermal delight and satisfaction (1) and the routine adoption of natural ventilation at home based on preferences, motivations and economic background (2). The research methods involved an online national survey and a local field campaign conducted in São Luis, Brazil?s Northeast, during the local wind regime. The field campaign started with a visit to residences (point-in-time surveys with air velocity measurements) and ended after long-term indoor air temperature and relative humidity monitoring. A thermal delight condition from natural ventilation was defined based on sedentary activity and light clothing in residential environments in a hot and humid climate. Households? optimal evaluation corresponded to air velocities of at least 0.4 m/s under an operative temperature range of 27-30 °C. The outcomes indicated that if the minimum air velocity threshold was maintained, the fluctuations in air movement intensity did not impair thermal delight, resulting in households? satisfaction with air movement at the end of the point-in-time survey. Households? routines, economic constraints and environmental conditions of indoor air temperature and outdoor wind speed were behind adopting a conditioning strategy at home. Air-conditioning usage and preference increased, whilst fan usage and preference decreased towards the highest income range. Nevertheless, income did not significantly affect the preference for natural ventilation only. Preference and usage patterns regarding a conditioning strategy were also aligned so that those who prefer natural ventilation at home are prone to use it more frequently. The results of this study indicate the relevance of air movement from natural ventilation to households? thermal comfort, particularly in well-ventilated homes. The relevance arises within the favoured adoption of natural ventilation in the Brazilian residential sector.