INFLUÊNCIA DE ELEMENTOS CONSTRUTIVOS DO ENVELOPE NO ...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA - UFSC
CENTRO TECNOLÓGICO - CTC
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL - ECV
INFLUÊNCIA DE ELEMENTOS CONSTRUTIVOS DO
ENVELOPE NO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES
UNIFAMILIARES
Acadêmico: Leonardo Mazzaferro
Matrícula: 08136027
Florianópolis, Julho de 2013.
LEONARDO MAZZAFERRO
INFLUÊNCIA DE ELEMENTOS CONSTRUTIVOS DO
ENVELOPE NO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES
UNIFAMILIARES
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Civil.
Área: Construção Civil Orientador: Enedir Ghisi, PhD.
Florianópolis, Julho de 2013.
3
LEONARDO MAZZAFERRO
INFLUÊNCIA DE ELEMENTOS CONSTRUTIVOS DO
ENVELOPE NO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES
UNIFAMILIARES
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado como requisito
parcial para obtenção do título de
ENGENHEIRO CIVIL
_________________________________________
Prof. Lia Caetano Bastos - Coordenadora de TCC
Banca Examinadora:
_________________________________________
Prof. Enedir Ghisi, PhD - Orientador
_________________________________________
Prof. Roberto Lamberts, PhD
_________________________________________
Ana Paulo Melo, Dra.
4
AGRADECIMENTOS
É com muita sinceridade que agradeço a todas as pessoas e instituições, que
direta ou indiretamente, tornaram este trabalho possível.
Ao meu pai, Piero Mazzaferro, por sempre ter sido minha referência, em termos
de disciplina e valores morais.
À minha mãe, Elisabetta Brunori Mazzaferro, por ser uma mãe dedicada, pelo
grande carinho e preocupação com seus filhos.
Aos meus irmãos mais novos, Luca Mazzaferro e Mario Mazzaferro, por já
serem exemplos de determinação e talento.
À minha namorada, Isabela de Paulo, que apesar da distância do último ano, é
uma das pessoas que mais estimula meu aprendizado e crescimento.
Ao Professor Enedir Ghisi, pela amizade e dedicação com a qual sempre me
orientou.
Ao Professor Roberto Lamberts, que despertou meu interesse pelo campo da
eficiência energética em edificações.
A todos os colegas do LabEEE, por terem me acolhido amigavelmente, em
especial à Ana Paula Melo, ao Marcio Sorgato e ao Rogério Versage por terem
me ajudado em muitas oportunidades.
Aos grandes amigos, Gabriel de Abreu Burgos Gonçalves e Marcelo Salles
Olinger, por estes memoráveis anos cursando Engenharia Civil na
Universidade Federal de Santa Catarina.
A todos que, de algum modo, me incentivaram ou colaboraram com este
trabalho.
5
Sumário
Lista de Figuras.........................................................................................8
Lista de Tabelas......................................................................................11
Resumo...................................................................................................13
1. Introdução .......................................................................................... 14
1.1. Apresentação do Problema e Justificativa ................................... 14
1.2. Objetivos ...................................................................................... 16
1.2.1. Objetivo Geral ........................................................................ 16
1.2.2. Objetivos Específicos ............................................................. 16
1.3. Estrutura do trabalho .................................................................... 17
2. Revisão Bibliográfica .......................................................................... 18
2.1. Introdução .................................................................................... 18
2.2. Consumo de Energia Elétrica....................................................... 18
2.3. Iniciativas Nacionais em Eficiência Energética ............................ 20
2.4. Desempenho Térmico de Edificações .......................................... 23
2.4.1. Desempenho térmico de paredes .......................................... 23
2.4.2. Desempenho térmico de coberturas ...................................... 26
2.4.3. Desempenho térmico de janelas............................................ 30
2.4.4. Desempenho térmico de edificações sem condicionamento
térmico artificial .......................................................................................... 33
2.4.5. Desempenho térmico de edificações com condicionamento
térmico artificial .......................................................................................... 36
2.5. Considerações Finais ................................................................... 38
3. Método ............................................................................................... 40
3.1. Simulação Computacional ........................................................... 41
3.2. Modelagem da Edificação ............................................................ 41
6
3.3. Modelo de Referência .................................................................. 42
3.3.1. Descrição da edificação ......................................................... 42
3.3.2. Orientação da edificação ....................................................... 44
3.3.3. Rotinas de ocupação ............................................................. 45
3.3.4. Atividade metabólica .............................................................. 47
3.3.5. Rotina de equipamentos e iluminação ................................... 48
3.3.6. Ventilação natural .................................................................. 49
3.3.7. Rotina de operação de aberturas .......................................... 50
3.3.8. Temperatura do solo .............................................................. 52
3.4. Variações no Modelo de Referência ............................................ 53
3.4.1. Elementos construtivos do envelope ..................................... 53
3.4.2. Simulações com diferentes envelopes ................................... 55
3.5. Arquivos Climáticos ...................................................................... 57
3.6. Tratamento dos Dados de Saída ................................................. 57
4. Resultados ......................................................................................... 59
4.1. Considerações Iniciais ................................................................. 59
4.2. Orientação.................................................................................... 59
4.3. Arquivos Climáticos ...................................................................... 60
4.4. Envelopes .................................................................................... 62
4.4.1. Transmitâncias térmicas obtidas............................................ 63
4.4.2. Capacidades térmicas obtidas ............................................... 64
4.4.3. Temperaturas operativas para Florianópolis .......................... 65
4.4.4. Comparação dos envelopes através das temperaturas
operativas ................................................................................................... 73
4.4.5. Temperaturas médias sazonais ............................................. 78
4.5. Graus-hora ................................................................................... 79
4.6. Correlações .................................................................................. 81
4.6.1. Transmitância térmica e graus-hora ...................................... 81
7
4.6.2. Capacidade térmica e graus-hora .......................................... 83
5. Conclusões ......................................................................................... 86
5.2 Limitações ..................................................................................... 87
5.3. Sugestões para trabalhos futuros ................................................ 88
Referências ............................................................................................ 89
8
Lista de Figuras
Capítulo 3. Método
Figura 3.1: Maquete eletrônica da edificação modelo – Vista
superior.______________________________________________________42
Figura 3.2: Maquete eletrônica da edificação modelo – Vista das fachadas leste
e norte._______________________________________________________43
Figura 3.3: Planta baixa da edificação modelo. Fonte: Schaefer et al.
(2013).________________________________________________________44
Capítulo 4. Resultados
Figura 4.1: Temperaturas de bulbo seco de Florianópolis ao longo do ano
TRY._________________________________________________________60
Figura 4.2: Temperaturas de bulbo seco de Curitiba ao longo do ano
TRY._________________________________________________________60
Figura 4.3: Temperaturas de bulbo seco de Fortaleza ao longo do ano
TRY._________________________________________________________61
Figura 4.4: Umidade relativa do ar em Florianópolis ao longo do ano
TRY._________________________________________________________61
Figura 4.5: Umidade relativa do ar em Curitiba ao longo do ano
TRY._________________________________________________________61
Figura 4.6: Umidade relativa do ar em Fortaleza ao longo do ano
TRY._________________________________________________________62
9
Figura 4.7: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 1 e 2 durante o verão.___________66
Figura 4.8: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 1 e 2 durante o inverno.__________66
Figura 4.9: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 3 e 4 durante o verão.___________68
Figura 4.10: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 3 e 4 durante o inverno.__________68
Figura 4.11: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes pesados durante o verão._____________70
Figura 4.12: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes pesados durante o inverno.____________70
Figura 4.13: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes isolantes durante o verão._____________72
Figura 4.14: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes isolantes durante o inverno.___________72
Figura 4.15: Comparação das temperaturas operativas da sala dos envelopes
localizados em Florianópolis, durante o verão._________________________74
Figura 4.16: Comparação das temperaturas operativas da sala dos envelopes
localizados em Florianópolis, durante o inverno._______________________74
Figura 4.17: Comparação das temperaturas operativas da sala dos envelopes
localizados em Curitiba, durante o verão._____________________________76
Figura 4.18: Comparação das temperaturas operativas da sala dos envelopes
localizados em Curitiba, durante o inverno.___________________________76
10
Figura 4.19: Comparação das temperaturas operativas da sala dos envelopes
localizados em Fortaleza, durante o verão.___________________________77
Figura 4.20: Comparação das temperaturas operativas da sala dos envelopes
localizados em Fortaleza, durante o inverno._________________________77
Figura 4.21: Correlação da transmitância térmica com os graus-hora para
Florianópolis.__________________________________________________82
Figura 4.22: Correlação entre a transmitância térmica e os graus-hora para
Curitiba. ______________________________________________________82
Figura 4.23: Correlação entre a transmitância térmica e os graus-hora para
Fortaleza. _____________________________________________________82
Figura 4.24: Correlação entre a capacidade térmica e os graus-hora para
Florianópolis. __________________________________________________84
Figura 4.25: Correlação entre a capacidade térmica e os graus-hora para
Curitiba. ______________________________________________________84
Figura 4.26: Correlação entre a capacidade térmica e os graus-hora para
Fortaleza. _____________________________________________________84
11
Lista de Tabelas
Capítulo 2. Revisão bibliográfica
Tabela 2.1 - Produção e Consumo de Eletricidade no Brasil. Fonte: BEN
(2012).________________________________________________________19
Tabela 2.2 - Comportamento térmico de vidros segundo RIVERO (1986).
Fonte: Lamberts et al. (2011).______________________________________30
Capítulo 3. Método
Tabela 3.1: Rotinas de ocupação adotadas. Fonte: Silva et al.
(2013).________________________________________________________46
Tabela 3.2: Taxa metabólica para diversas atividades. Fonte: Input-Output
Reference - EnergyPlus (2013).____________________________________47
Tabela 3.3: Taxa metabólica adotada para os ambientes da
edificação._____________________________________________________47
Tabela 3.4: Rotinas médias de equipamentos e potências médias instaladas.
Fonte: Silva et al. (2013)._________________________________________48
Tabela 3.5: Rotinas de operação de janelas. Fonte: Silva et al.
(2013).________________________________________________________51
Tabela 3.6: Propriedades térmicas das paredes analisadas. Fonte: NBR15220
(ABNT, 2005).__________________________________________________54
Tabela 3.7: Propriedades térmicas das coberturas analisadas. Fonte:
NBR15220 (ABNT, 2005).________________________________________55
12
Tabela 3.8: Combinações de paredes e
coberturas.____________________________________________________56
Capítulo 4. Resultados
Tabela 4.1: Quantidade de graus-hora para cada
orientação.____________________________________________________59
Tabela 4.2: Áreas de parede, janela, cobertura e total da
envoltória._____________________________________________________63
Tabela 4.3: Transmitâncias térmicas de paredes, coberturas, janelas e da
edificação._____________________________________________________63
Tabela 4.4: Capacidades térmicas de paredes, coberturas, janelas e da
edificação._____________________________________________________64
Tabela 4.5: Temperatura média de cada envelope para cada
estação.______________________________________________________78
Tabela 4.6: Quantidade de graus-hora para cada
envelope._____________________________________________________80
13
RESUMO
O objetivo principal deste trabalho é investigar a influência de elementos
construtivos do envelope no desempenho térmico de edificações residenciais
unifamiliares, através de simulação computacional. A tipologia de edificação
adotada baseia-se em um protótipo de habitação de interesse social, com 57
m². A edificação é ventilada naturalmente. As rotinas de ocupação, iluminação,
equipamentos e abertura de janelas foram definidas por estudos efetuados na
Grande Florianópolis. As simulações computacionais foram realizadas
utilizando o programa EnergyPlus. O contato com o solo foi considerado
através do pré-processador Slab, acoplado ao EnergyPlus. Adotaram-se quatro
tipos de parede e oito tipos de cobertura, sendo que oito combinações de
envelopes foram analisadas. Assim como as paredes e as coberturas, os
envelopes foram classificados em leves, pesados ou isolantes. As três cidades
contempladas nas simulações foram Florianópolis, Curitiba e Fortaleza.
Analisando os resultados obtidos para Florianópolis, através de gráficos de
temperatura operativa e de somatório de graus-hora, percebe-se que os
envelopes isolantes e os envelopes pesados obtiveram os melhores
desempenhos térmicos. Os envelopes leves, para Florianópolis, apresentaram
grandes amplitudes térmicas dentro da edificação. Para os envelopes
simulados em Florianópolis, os graus-hora de resfriamento foram superiores
aos graus-hora de aquecimento. Para Curitiba, os envelopes isolantes e os
envelopes pesados também obtiveram o melhor desempenho térmico, porém
os graus-hora de resfriamento foram inferiores aos graus-hora de aquecimento.
Por outro lado, nos casos simulados para Fortaleza não houve grandes
diferenças percentuais entre os resultados dos envelopes. Analisando as
correlações entre transmitância térmica ponderada do envelope e os graus-
hora, para Florianópolis e Curitiba, verificou-se que a transmitância térmica
ponderada do envelope teve forte influência sobre o desempenho térmico das
edificações simuladas. A correlação entre capacidade térmica ponderada do
envelope e graus-hora teve uma influência média sobre o desempenho térmico
das edificações simuladas.
14
1. Introdução
1.1. Apresentação do Problema e Justificativa
A humanidade, ao longo do tempo, foi adquirindo um conceito muito
mais amplo sobre energia e suas mais diversas formas. Com o rápido avanço
tecnológico das últimas décadas, a energia elétrica tornou-se essencial no
cotidiano da população. Numerosos estudos, distribuídos entre as diversas
engenharias, tratam de eficiência energética. Na área da construção civil,
especificamente, o desempenho térmico dos elementos construtivos, o conforto
térmico do usuário e a eficiência energética em edificações caminham juntos a
procura de soluções mais inteligentes e funcionais.
De maneira geral, a eficiência energética visa a diminuição dos custos e
a eliminação de desperdícios, sem perda da qualidade e conforto. Para
Lamberts et al. (2011), um edifício é considerado energeticamente mais
eficiente que outro quando proporciona as mesmas condições ambientais de
conforto ao seu usuário, com menor consumo de energia.
Estudos de eficiência energética têm seu enfoque em edificações e nos
aparelhos elétricos inseridos nas mesmas, especialmente os condicionadores
de ar. No caso de edificações residenciais, segundo pesquisas realizadas por
Almeida et al. (2001) e Ghisi et al. (2007), no Brasil, ocorreu um gradual
aumento no consumo de energia elétrica total destinado ao condicionamento
de ar ao longo dos últimos quinze anos. O primeiro estudo revela que, em
1997, no setor residencial brasileiro, o condicionamento de ar somava 3% do
consumo de energia elétrica total. A segunda pesquisa, por sua vez, indica que
em 1999 o condicionamento de ar já representava 10% do consumo de energia
elétrica total do setor residencial.
Levando em conta as diversas estratégias passivas de condicionamento,
a influência do envelope na temperatura interna das edificações é uma das
mais estudadas. A envoltória do edifício, responsável pelos fluxos de calor
entre os ambientes internos e externos é um dos principais determinantes do
temperatura interna do edifício. A redução de consumo de energia destinada ao
condicionamento artificial é possível através da escolha de elementos
15
construtivos e arquitetônicos específicos, que promovam uma maior eficiência
energética e um melhor desempenho térmico da edificação. Os materiais
utilizados nas superfícies que fazem a separação do ambiente interno e
externo, a geometria e a orientação da edificação, o tipo de cobertura e os
hábitos dos usuários são alguns dos fatores que influenciam diretamente no
desempenho térmico das edificações.
Através de métodos computacionais, é possível criar um modelo de
edificação para ser simulado em programas de análise termo-energética. Esta
simulação engloba as características da edificação e de dados climáticos,
efetuando uma previsão de eficiência energética da edificação para cada clima
escolhido. Depois da obtenção dos resultados, é necessário interpretá-los e
chegar a um entendimento correto de como cada variável afeta o
comportamento termo-energético da edificação simulada.
A simulação computacional envolve análises complexas, repetidos
cálculos, numerosas variáveis e uma série de incertezas causadas tanto por
simplificações dos modelos, quanto por depender do comportamento do
usuário da edificação. A simulação é uma ferramenta eficiente, que a partir do
projeto da edificação, consegue obter resultados condizentes com a realidade.
Portanto, a implantação de medidas de redução de consumo e a adoção
de novos hábitos para evitar desperdício de energia devem ser consideradas
na atual situação energética brasileira e mundial. Neste contexto, projetos de
edificações energeticamente eficientes, tanto de classe residencial quanto
comercial, estão sendo incentivados, tanto pelo governo brasileiro, quanto pelo
setor privado. Dentre estes programas, pode-se citar o PBE - Programa
Brasileiro de Etiquetagem do Inmetro, o Programa Nacional de Eficiência
Energética em Edificações - PROCEL EDIFICA da Eletrobrás/PROCEL, o
Energia Inteligente da Cemig, o Programa de Eficiência Energética da Aneel,
dentre outros.
Mendes et al. (2005) elaboraram uma lista com todos os estudos e
simulações de desempenho termo-energético em edificações realizados no
Brasil, desde o início da década de oitenta até 2004. Concluiu-se o estudo
afirmando que para promover projetos de edificações mais eficientes no Brasil,
é necessário neutralizar as principais causas da fraca disseminação desse tipo
de tecnologia. No caso, estas causas consistem em falta de normas bem
16
elaboradas e programas nacionais eficazes, juntamente com a complexidade
das ferramentas utilizadas para esse fim.
Embora haja muitos artigos sobre eficiência energética, ainda há poucos
estudos tratando especificamente de edificações unifamiliares no Brasil.
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo Geral
O objetivo geral deste trabalho é verificar a influência de elementos
construtivos do envelope no desempenho térmico de edificações residenciais
unifamiliares, através de simulação computacional.
1.2.2. Objetivos Específicos
Apresentam-se também os objetivos específicos a serem executados ao
longo do trabalho:
Avaliar o desempenho térmico de edificações residenciais
unifamiliares a partir de suas características construtivas;
Obter e comparar resultados de um mesmo modelo de edificação
residencial unifamiliar para três cidades brasileiras, localizadas
em diferentes regiões climáticas (Florianópolis, Curitiba e
Fortaleza);
Verificar se a transmitância térmica ponderada e a capacidade
térmica ponderada do envelope possuem relação com o
desempenho térmico da edificação.
17
1.3. Estrutura do trabalho
Este trabalho está dividido em cinco capítulos. O primeiro capítulo
introduz o tema a ser estudado, apresenta o contexto que motivou o trabalho e
os objetivos a serem alcançados com o mesmo.
O segundo capítulo consiste em uma revisão da literatura sobre o
assunto do trabalho. Os temas abordados neste capítulo basicamente
envolvem energia elétrica, iniciativas nacionais e desempenho térmico do
envelope.
O terceiro capítulo apresenta o método de simulação utilizado para
realizar a análise dos modelos de residência unifamiliar considerados para os
climas especificados.
O quarto capítulo apresenta os resultados obtidos a partir das
simulações, relacionando os elementos construtivos escolhidos para a
obtenção de residências unifamiliares mais eficientes para cada clima
brasileiro.
O quinto e último capítulo apresenta as conclusões do trabalho, as
limitações encontradas e sugestões para trabalhos futuros.
18
2. Revisão Bibliográfica
2.1. Introdução
No presente capítulo, será apresentada uma revisão dos assuntos
relacionados à elaboração deste trabalho. Para isso, divide-se o capítulo em
três partes principais: consumo de energia elétrica, iniciativas nacionais em
eficiência energética e desempenho térmico do envelope.
2.2. Consumo de Energia Elétrica
A eletricidade é conhecida a milhares de anos, sendo sua descoberta
atribuída ao filósofo grego Tales de Mileto, que ao esfregar um pedaço de
âmbar a um pedaço de pele de carneiro, observou que pedaços de palha e
madeira começaram a serem atraídos pelo próprio âmbar. Assim, da palavra
grega élektron, que significa ‘âmbar’, surge o termo ‘eletricidade’.
Nos séculos XVII e XVIII surgiram as primeiras máquinas geradoras e
armazenadoras de cargas elétricas. Benjamin Franklin, Alessandro Volta,
Michael Faraday e James Clerk Maxwell são alguns dos mais importantes
estudiosos, daquela época, relacionados à eletricidade.
Ao longo do século XIX, os geradores de eletricidade continuaram a ser
desenvolvidos, até que em 1875, na estação de Gare Du Nord, em Paris,
instalou-se um gerador que fornecia eletricidade para alimentar as lâmpadas de
arco da estação. Em outras palavras, a eletricidade em forma de energia
elétrica surgiu a pouco mais de cem anos, marcando e tornando possível o
início de uma nova era, também conhecida como Era da Informação.
A produção de energia elétrica deve estar em constante aumento, um
pouco superior ao consumo, a fim de evitar cenários caóticos como falta de
energia elétrica em horários de pico, racionalizações e até a paralisação parcial
da economia do país. No cenário energético brasileiro, de acordo com a Tabela
2.1, o consumo de eletricidade aumentou gradualmente nos últimos dez anos.
19
Tabela 2.1 - Produção e Consumo de Eletricidade no Brasil
Fonte: BEN (2012)
Estudando a composição do consumo de energia elétrica de quase
dezoito mil residências distribuídas em dezessete estados brasileiros, Ghisi et
al. (2007) definem que a maior parcela de consumo é composta pela geladeira
e pelo freezer juntos, chegando a representar aproximadamente 42% do
consumo total de energia elétrica. A parcela do chuveiro elétrico representa
algo em torno de 20% e o ar-condicionado é responsável por 10% do consumo
total de eletricidade, com uma variação maior que as outras, por possuir maior
dependência das condições climáticas da região da residência analisada. A
iluminação, a televisão, o ferro de passar roupa, a máquina de lavar e os outros
eletrodomésticos completam as porcentagens citadas anteriormente, variando
segundo o padrão econômico de cada residência. O estudo também indicou
que, dependendo da zona bioclimática considerada, o consumo final varia
consideravelmente devido ao chuveiro elétrico e ao ar condicionado. Uma
alternativa proposta pelos pesquisadores é a implementação de medidas que
incentivem o uso da energia térmica solar.
Devido ao acentuado aumento no consumo de energia elétrica no Brasil,
estimado em 39,9% pela ANEEL (2012) entre 1997 e 2007, julgou-se
importante estabelecer normas e regulamentações em relação à eficiência
energética de edificações no país. Duas normas foram recentemente
elaboradas com o objetivo de otimizar o desempenho térmico das edificações
Fluxo 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Produção (GWh)
345.679 364.340 387.452 403.031 419.383 445.149 463.120 466.158 515.799 531.758
Centrais Elétricas de
Serviço Público (GWh)
311.601 329.282 349.539 363.248 377.644 398.011 412.012 409.150 442.803 454.726
Autoprodutores (GWh)
34.078 35.058 37.913 39.782 41.739 47.138 51.107 57.008 72.995 77.033
Importação (GWh)
36.580 37.151 37.392 39.202 41.447 40.866 42.901 40.746 35.906 38.430
Exportação (GWh)
-7 -6 -7 -160 -283 -2.034 -689 -1.080 -1.257 -2.544
Variação de estoques, perdas e
ajustes (GWh)
-57.887 -59.272 -64.892 -66.880 -70.597 -71.850 -77.082 -79.795 -85.748 -87.524
Consumo Total (GWh)
324.365 342.213 359.945 375.193 389.950 412.131 428.250 426.029 464.699 480.120
20
e, consequentemente, torná-las mais eficientes: a NBR 15220 - Desempenho
Térmico de Edificações (ABNT, 2005) e a NBR 15575 - Edificações de até
cinco pavimentos - Desempenho (ABNT, 2008). A NBR 15220 possui cinco
partes, definindo um zoneamento bioclimático brasileiro, descrevendo os
métodos de cálculo e de medição das propriedades térmicas dos componentes
construtivos das edificações, e por fim indicando diretrizes construtivas para
habitações unifamiliares de interesse social. Por outro lado, a NBR 15575 tem
seu principal foco nos requisitos mínimos de desempenho térmico e em outros
fatores relacionados a cada zona bioclimática. Desta forma, aplicando-se os
critérios da NBR 15575, pode-se avaliar o desempenho da edificação.
2.3. Iniciativas Nacionais em Eficiência
Energética
A crise energética ocorrida no Brasil, em 2001, contribuiu para a
promulgação da Lei no 10.295 de 17 de outubro de 2001, que trata sobre a
Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia. A mesma lei foi,
posteriormente, complementada pelo Decreto 4.059 de 19 de dezembro de
2001, que define níveis mínimos de eficiência energética e máximos de
consumo específico, tanto de aparelhos e máquinas que funcionam
consumindo energia elétrica, quanto de edificações construídas. Esta iniciativa
alavancou outros programas e regulamentos, como por exemplo, o PROCEL-
EDIFICA, que por sua vez, originou dois regulamentos: o RTQ-C (Regulamento
Técnico da Qualidade do Nível de Eficiência Energética de Edifícios
Comerciais, de Serviços e Públicos) e o RTQ-R.
O PROCEL EDIFICA – Programa Nacional de Eficiência Energética em
Edificações – foi instituído em 2003, com o objetivo de promover o uso racional
de energia elétrica e de incentivar a conservação dos recursos naturais nas
edificações, reduzindo os desperdícios e os impactos sobre o meio ambiente.
O programa atua em conjunto com o Ministério de Minas e Energia, o Ministério
das Cidades, o setor de Construção Civil, centros de pesquisa, universidades e
outras entidades de áreas relacionadas.
O Regulamento Técnico da Qualidade do Nível de Eficiência Energética
de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos (RTQ-C) avalia a edificação
21
baseado principalmente na envoltória, nos sistemas de iluminação e no sistema
de condicionamento de ar. Por outro lado, o Regulamento Técnico da
Qualidade do Nível de Eficiência Energética de Edifícios Residenciais (RTQ-R),
além de avaliar minuciosamente a envoltória e os sistemas de iluminação e
condicionamento de ar, também considera a eficiência do sistema de
aquecimento de água. No final da avaliação, dependendo dos resultados
obtidos, é fornecida uma etiqueta para a edificação, contendo a classificação
parcial e geral. A etiqueta pode ser concedida de forma parcial, desde que
sempre contemple a avaliação da envoltória.
No Brasil, a metodologia para a classificação do nível de eficiência
energética de edificações comerciais foi publicada em 2009, revisada no ano
seguinte e continua sofrendo pequenas modificações e correções desde então.
Este método adota um processo de avaliação e consequente etiquetagem,
declarando quão eficiente é o edifício analisado. O processo de etiquetagem
ocorre de forma distinta para edifícios comerciais, de serviços, públicos e para
edifícios residenciais. Pode-se avaliar um projeto tanto pelo método prescritivo
quanto pelo método da simulação. O edifício construído, por sua vez, é
avaliado através de inspeção in loco.
A etiquetagem de edificações é uma ferramenta útil para reduzir o
consumo de energia das mesmas. De acordo com o World Energy Council
(2004), a etiquetagem e o critério de eficiência energética mínima são as
opções mais adequadas no momento, visando obter melhoras rápidas no setor.
Porém, no atual contexto brasileiro, não existem incentivos econômicos
consistentes para as construções consideradas eficientes energeticamente.
Ainda não há um interesse real por parte das construtoras, nem conhecimento
suficiente por parte da maioria dos seus clientes por edificações com este
diferencial.
Por outro lado, o Plano Nacional de Eficiência Energética visa mudar isto
nas próximas duas décadas, incentivando, capacitando e divulgando a
etiquetagem de edificações. Uma das metas do PNEF é economizar 106,6 mil
GWh em um período de vinte anos, incluindo todos os setores: industrial,
edificações residenciais, iluminação pública e saneamento. Já nos próximos
anos, o PNEF visa incluir e aplicar o conceito de eficiência energética nos
edifícios públicos já existentes.
22
Mendes et al. (2005) listaram uma série de pesquisas relacionadas à
simulação de desempenho térmico e energético de edificações no Brasil,
realizadas desde a década de 80, até o ano de 2002. A motivação do estudo foi
a evolução progressiva, durante aquele período, do consumo de energia
elétrica em edificações no país, tendo como ponto crítico a crise energética
enfrentada em 2001. A partir do racionamento, das perdas econômicas e do
transtorno causados pela falta de energia elétrica, começaram a surgir
pesquisas focadas em edificações energeticamente mais eficientes. No Brasil,
as instituições de ensino e pesquisa ainda são as responsáveis pela maior
parte da utilização de ferramentas de simulação para edificações, porém,
durante os últimos anos, algumas empresas de consultoria de desempenho
térmico e eficiência energética estão ganhando estabilidade no setor privado. O
ideal para o país seria acoplar as noções energéticas e de sustentabilidade já
na fase inicial do projeto das edificações, seguindo o modelo dos escritórios
alemães. Para promover projetos de edificações mais eficientes no Brasil, é
necessário neutralizar as principais causas da fraca disseminação desse tipo
de tecnologia: a falta de normas bem elaboradas e programas nacionais
eficazes, juntamente com a complexidade das ferramentas utilizadas para esse
fim. Uma melhoria nas normas existentes possibilitaria uma regularização do
setor de eficiência energética dentro da construção civil, impulsionando uma
nova mentalidade relativa a edificações. Quanto à aplicação das normas,
seriam determinados indicadores de consumo e definidos critérios de avaliação
através da utilização de programas computacionais de simulação energética.
Entre as iniciativas nacionais, com o objetivo de popularizar a simulação
computacional, pode-se citar o Domus (desenvolvido pelo Laboratório de
Sistemas Térmicos/PUCPR). Em longo prazo, esta melhoria nas normas
poderá incentivar o desenvolvimento de programas de simulação que tenham a
legislação brasileira como embasamento, e desta forma, aprimorar e oficializar
a definição de diversos níveis de eficiência energética em edificações no Brasil.
Segundo Bodach e Hamhaber (2010), no Brasil, as barreiras para uma
maior eficiência energética em habitações, especialmente de caráter social,
derivam de uma combinação de deficits típicos do setor da construção. Além
dos custos dos investimentos, da baixa conscientização e capacitação, a
regulamentação é inconsistente e as normas estão incompletas. Para chegar a
estas conclusões, em um primeiro momento, o estudo analisou o setor de
23
habitações de caráter social no Brasil e no Rio de Janeiro, identificando os
desafios a serem vencidos. Na segunda parte da pesquisa, examinou-se a
eficiência energética segundo as políticas e padrões brasileiros, identificando
possíveis barreiras para a implementação da eficiência energética no setor de
habitações de caráter social. E por fim, na terceira parte do estudo, efetuou-se
um estudo de caso com o Projeto Social Casa Lar Mangueira, no Rio de
Janeiro, visando estabelecer em qual nível tecnológico encontram-se estas
habitações. O estudo afirma que, em países em desenvolvimento, assim como
no Brasil, existe um grande potencial de melhoria na eficiência energética de
edificações residenciais. Inclusive, esta melhoria nas habitações de caráter
social pode servir como uma espécie de catalisador para que toda a indústria
da construção adote um novo padrão de edificações, mais eficiente
energeticamente.
2.4. Desempenho Térmico de Edificações
O envelope de uma edificação é o elemento responsável por separar o
ambiente interno do ambiente externo. Por isso, a especificação das
propriedades termo-físicas do envelope do edifício é, dentre as estratégias
passivas de condicionamento, uma das mais importantes e estudadas.
2.4.1. Desempenho térmico de paredes
Para ocorrer transmissão de calor entre dois corpos é necessário que os
mesmos tenham temperaturas diferentes. Assim sendo, o corpo de maior
temperatura cede energia térmica para o corpo de menor temperatura, criando
um fenômeno conhecido como fluxo de calor. Este processo tende ao equilíbrio
térmico, ou seja, a troca de energia térmica só cessa quando as temperaturas
forem iguais. No caso de paredes de edificações, o fluxo de calor tem dois
possíveis sentidos: do exterior para o interior ou do interior para o exterior. O
sentido do fluxo depende essencialmente da diferença entre temperatura
interna e externa. Quanto maior for a diferença entre as duas temperaturas,
maior será a quantidade de energia térmica transferida e, consequentemente,
maior será a intensidade do fluxo de calor. Outras duas variáveis que
24
influenciam o cálculo do fluxo de calor são a área da superfície considerada e a
transmitância térmica dos materiais utilizados. A área obedece a uma relação
linear, ou seja, quanto maior a área em questão, maior será a quantidade de
energia térmica cedida/recebida. Por outro lado, a transmitância térmica varia
dependendo do tipo de material, da espessura e da maneira como o mesmo
estiver disposto (com camadas de ar interpostas, por exemplo) na envoltória do
edifício.
Aste et al. (2009) investigaram a influência das propriedades de inércia
térmica das paredes externas na eficiência energética de edificações
residenciais. Mais especificamente, foram testados diferentes conjuntos de
paredes com a mesma transmitância térmica, porém com propriedades termo-
físicas diferentes. Para realizar as simulações, considerou-se Milão como
sendo a referência climática e o programa utilizado foi o EnergyPlus. Milão foi
escolhida devido ao seu inverno frio e seu verão quente, permitindo uma
avaliação mais detalhada do desempenho térmico da edificação, tanto no
aquecimento quanto no resfriamento. O edifício simulado foi um prédio
residencial multifamiliar (fictício) de três andares, com a maior fachada
orientada para o norte. Os diferentes tipos de paredes foram agrupados nas
seguintes categorias: paredes maciças, paredes leves constituídas
basicamente de materiais isolantes, parede com isolamento na camada
externa, parede com isolamento na camada intermediária, parede com
isolamento na camada interna, parede com isolamento na camada externa e
interna. Observou-se que a diferença de demanda energética de aquecimento
pode alcançar 10%, quando se comparam paredes de baixa inércia térmica
com paredes de alta inércia térmica. Enquanto que no resfriamento, a diferença
de demanda energética entre as paredes de baixa e alta inércia térmica pode
chegar a 20%. Concluiu-se que paredes de alta inércia térmica usualmente
proporcionam uma redução da energia necessária, tanto para o aquecimento,
quanto para o resfriamento. O estudo confirmou a importância da inércia
térmica dos componentes construtivos do envelope do edifício e sugeriu
utilizar, em conjunto, outras medidas de economia de energia, deixando a
edificação mais eficiente.
Barrios et al. (2011) analisaram as diferenças de desempenho de uma
edificação, para duas situações: com e sem condicionamento artificial. Foi
adotado um modelo unidimensional de transferência de calor para avaliar o
25
desempenho térmico de paredes com uma camada e de paredes
multicamadas. A cobertura seguiu o mesmo padrão utilizado para as paredes.
Os três materiais testados para compor as diversas paredes, tanto de uma,
quanto de três camadas, foram: concreto de alta densidade, concreto aerado e
poliestireno expandido. No caso de condicionamento artificial, o melhor
desempenho térmico foi obtido no modelo com a parede de poliestireno. Para o
caso não condicionado, o melhor desempenho térmico foi alcançado pela
parede multicamadas com o poliestireno na camada externa. Como principal
conclusão do estudo, obteve-se que uma parede (e uma cobertura) apropriada
para uma edificação condicionada artificialmente pode não ser adequada para
uma edificação não condicionada. Verificou-se também que, utilizando
aparelhos de condicionamento de ar, a propriedade física mais importante é a
condutividade térmica, ou seja, quanto mais baixa, melhor. Para os casos sem
condicionadores de ar, a propriedade mais influente foi a difusividade térmica
(como o calor de difunde através de um material) e novamente, quanto mais
baixa, melhor.
Ozel (2013) realizou pesquisas para determinar a espessura ideal de
isolamento de acordo com as necessidades de resfriamento, para paredes de
edificações em climas quentes. O estudo utilizou dados climáticos da cidade de
Antalya, possuidora de um clima caracteristicamente mediterrâneo, na costa
sudoeste da Turquia, onde predominam verões quentes e secos e invernos
amenos e chuvosos. Em um primeiro momento, foram calculadas as
propriedades térmicas, como, atraso térmico, fator de decremento e carga de
transmissão de resfriamento. Para possibilitar tais cálculos, utilizou-se um
programa desenvolvido especialmente para este caso, o qual utiliza um método
de diferenças finitas implícitas, de acordo com condições periódicas, durante o
período de verão, para as diferentes orientações das paredes da edificação. Os
resultados obtidos também foram comparados com os métodos de graus-dia e
graus-hora. A espessura ótima da camada de isolamento para cada orientação
de parede foi determinada fazendo uma análise de custo, considerando um
tempo de vida de vinte anos para a edificação. Obteve-se, como resultado, que
a parede da fachada norte é a que necessita da menor espessura de
isolamento, por possuir a menor carga de resfriamento entre as diversas
fachadas. A maior espessura de isolamento necessária foi indicada para as
fachadas leste e oeste, onde as cargas de resfriamento foram máximas.
26
Segundo Manioglu e Yilmaz (2006), a envoltória do edifício, responsável
pelos fluxos de calor entre os ambientes internos e externos, é o principal
determinante do clima interno. O estudo em questão avaliou uma escola
primária, do ponto de vista de seu desempenho térmico. Testaram-se cinco
tipos diferentes de parede. Os resultados variaram de acordo com a tipologia,
confirmando a importância do envelope no desempenho térmico das
edificações. O ambiente escolhido para ser analisado situa-se entre dois
pavimentos, logo, os fluxos de calor através do piso e teto são
desconsiderados. Mesmo para o melhor caso (ou seja, a melhor parede), as
estratégias de condicionamento passivo não foram suficientes para garantir o
conforto térmico dos usuários durante todo o intervalo de tempo simulado. No
final do estudo, concluiu-se ser necessário adotar condicionamento artificial no
ambiente simulado, mais especificamente, durante o período mais quente do
ano.
2.4.2. Desempenho térmico de coberturas
Teixeira e Labaki (2012) monitoraram o resfriamento passivo de
coberturas de residências localizadas em climas subtropicais. O material
adotado para constituir a cobertura foi telha de fibro-cimento, tanto por ter um
baixo custo, quanto por não precisar resistir a grandes cargas. A residência
analisada está localizada em Campinas, no estado de São Paulo. O clima de
Campinas é tropical de altitude, com invernos secos e amenos, e verões
chuvosos com temperaturas moderadamente altas. A cobertura é uma
superfície altamente exposta aos fatores climáticos. Em edificações,
especialmente no caso de residências com somente um pavimento, a cobertura
é a superfície que recebe a maior quantidade de energia solar. Desta forma, o
estudo teve como objetivo testar e analisar os resultados obtidos para a
cobertura da residência em questão, considerando ou não a utilização de
técnicas de resfriamento passivo. Foram monitoradas três variáveis climáticas
durante o estudo: a radiação solar, a umidade relativa do ar e a temperatura
atmosférica. Quanto às características da superfície, consideraram-se três
casos: telha com pintura branca impermeável, telha com pintura acrílica branca
e telha sem pintura. Por fim, foram analisadas duas condições para cada telha:
superfície molhada ou seca. Comprovou-se que quando a cobertura molhada
27
recebe radiação solar, o filme de água presente absorve parte da energia
oriunda da radiação solar e evapora, acarretando em um atraso no aumento de
temperatura da superfície da telha. As telhas com a superfície pintada de
branco apresentaram melhor desempenho térmico do que as sem pintura,
atingindo temperaturas menores ao longo dos dias analisados e reafirmando a
importância da escolha da cor dos elementos construtivos do envelope da
edificação. Entre os dois tipos de superfície brancas analisadas, a que
apresentou menor temperatura, ao longo dos dias, foi a telha pintada com tinta
acrílica branca. Notou-se também uma maior diferença entre as temperaturas
de superfície das telhas pintadas de branco com a telha sem pintura, quando
da utilização de água, como estratégia de resfriamento passivo. A maior
diferença de temperatura registrada na comparação das três superfícies foi em
torno de 6ºC, sem utilização de água, e de aproximadamente 9ºC quando se
considerou a aspersão de água, ou simplesmente chuva.
Batista et al. (2005) estudaram a influência de diferentes tipos de
cobertura no desempenho térmico de uma edificação, utilizando o programa
computacional EnergyPlus 1.2.1 para executar as simulações. O estudo de
caso foi realizado em Brasília, cidade que apresenta um clima quente e seco,
com elevada amplitude térmica. A estratégia de condicionamento passivo
aconselhável para ser adotada, neste caso, é a inércia térmica. Utilizando
materiais com maior capacidade térmica é possível reduzir o aumento de
temperatura da edificação durante o dia, evitando a sensação desagradável de
calor por parte dos usuários. Também é indicada a ventilação seletiva,
estratégia que permite um movimento maior de ar durante a noite (esfriando a
edificação), contrastando com um movimento de ar reduzido durante o dia
(para evitar que o ar quente externo aqueça o ambiente interno da residência).
O modelo utilizado para a simulação consiste em um único ambiente de 10m x
10m x 2,7m, com uma única janela virada para o norte. Desconsiderou-se a
ocupação de pessoas, sendo estipulada uma carga interna fixa de 200 W
durante as vinte e quatro horas diárias. As taxas de renovação assumidas são
garantidas pela ventilação natural, sendo que o ambiente não possui um
sistema de condicionamento de ar. Dentre as diversas alternativas testadas, a
cobertura isolada com lã de vidro apresentou o melhor desempenho,
garantindo temperaturas mais agradáveis tanto no verão, quanto no inverno.
Através das simulações efetuadas, o uso de isolamento térmico demonstrou
28
ser mais vantajoso que o uso de materiais com maior capacidade térmica. O
estudo também ressalta a importância de dominar e saber interpretar
corretamente os resultados obtidos em programas computacionais como o
EnergyPlus, a fim de projetar edificações eficientes que garantam a satisfação
de seus usuários.
Em Israel, região caracterizada por condições climáticas quentes e
secas, os construtores e arquitetos costumam preferir telhados em forma de
abóbada ou cúpula em suas edificações. Estes tipos de cobertura estão
presentes há séculos na arquitetura do Oriente Médio, porém, poucos foram os
pesquisadores que realizaram estudos relacionados ao desempenho térmico
deste tipo de cobertura. Por isso, Tang et al. (2006) montaram um detalhado
modelo de elementos finitos, baseado em transferência de calor bidimensional
e inconstante para estudar o desempenho térmico de edificações com telhados
abobadados. O estudo contempla especificamente as edificações não
climatizadas artificialmente, permitindo fazer uma comparação entre o
desempenho térmico de telhados abobadados com telhados planos sob
diferentes condições climáticas. Verificou-se, através de resultados numéricos,
que independentemente do tipo de edificação, as que possuíam coberturas
curvas apresentaram temperaturas internas menores, quando comparadas com
as edificações de coberturas planas. O motivo para tal fenômeno é a maior
dissipação de calor através de convecção e radiação térmica pelas superfícies
curvas, durante o período noturno. Por outro lado, a diminuição progressiva do
ângulo de curvatura do telhado, acaba minimizando esta maior dissipação de
calor, fazendo com que o desempenho térmico de tais coberturas fique similar
ao de um telhado plano. A pesquisa é finalizada concluindo que telhados em
forma de abóboda ou cúpula são fortemente aconselhados para edificações
não climatizadas artificialmente, em regiões de clima quente e seco. O
pesquisador também afirma que não se pode garantir o mesmo resultado para
climas úmidos, sugerindo a realização de ulteriores pesquisas no caso de
climas diferentes.
O telhado, em particular, é um elemento muito influente na avaliação
geral do envelope, permitindo significantes economias de energia, tanto em
relação ao resfriamento, quanto ao aquecimento. Telhados frios mantêm a
temperatura relativamente baixa refletindo a radiação solar incidente durante o
dia e perdendo calor durante a noite. Por outro lado, os telhados verdes
29
(recobertos com vegetação) baseiam-se em uma espécie de espessura de
isolamento adicional proporcionada pelo solo, juntamente com o efeito de
evapotranspiração da camada de vegetação, que ajuda a resfriar o telhado sob
efeito da radiação solar. Além de reduzir o consumo de energia, estes dois
tipos de cobertura garantem certa mitigação do efeito conhecido como ‘ilha de
calor’, comum nos grandes centros urbanos. Os estudos de Zinzi e Agnoli
(2012) foram baseados em simulações termo-energéticas em diferentes
localidades de clima mediterrâneo, utilizando telhados frios e coberturas
verdes. Os telhados frios foram fortemente indicados quando o objetivo é a
economia de energia e o resfriamento do ambiente interno, especialmente nas
regiões centrais e meridionais da bacia do Mediterrâneo. Por outro lado, em
edificações sem isolamento térmico, telhados frios causam um aumento
excessivo da demanda de aquecimento, tornando-se desaconselháveis
economicamente. Coberturas verdes, apesar de serem bastante eficientes, na
maioria dos casos são muito difíceis de serem modeladas corretamente nos
programas de simulação, devido ao alto número de variáveis que precisam ser
inseridas. O estudo também ressalta a dependência da presença de água no
telhado verde, fundamental para que o mesmo tenha um bom desempenho
térmico e corresponda com o modelo simulado.
Na França, a maioria dos avanços no desempenho térmico das
edificações está focada no isolamento do envelope, especialmente devido aos
invernos rigorosos. Porém, a adoção de telhados frios está se tornando uma
solução quase que padrão para obter melhor desempenho térmico durante o
verão também. A utilização de telhados frios (caracterizados por uma alta
refletância solar e uma alta emissividade infravermelha) é uma técnica passiva
para resfriar as cidades e o interior dos ambientes, seu desempenho costuma
depender da localização climática e da morfologia da edificação. Bozonnet et
al. (2011) estudaram o desempenho de telhados frios, analisando um pequeno
prédio residencial (sem sistema de resfriamento) localizado em Poitiers, no
centro da França. No primeiro caso considerou-se o prédio bastante isolado, ao
contrário do segundo, que não apresentava isolamento térmico. Os resultados
indicaram que mesmo em um clima moderado, o telhado frio apresentou
grande importância nas maiores temperaturas, garantindo temperaturas de
superfície menores em 10ºC ou mais. Para a edificação com isolamento,
apesar de não ter influenciado tanto na temperatura operativa interna da
30
edificação, acabou diminuindo consideravelmente os picos de temperaturas
durante o verão. Na edificação sem isolamento, as diferenças de temperatura
foram ainda maiores.
2.4.3. Desempenho térmico de janelas
Diferentemente dos materiais opacos, que absorvem uma parcela e
refletem a outra parcela da energia radiante que incide sobre sua superfície, os
vidros (materiais transparentes) absorvem, refletem e transmitem parcelas da
radiação solar que incide sobre eles. Existem diversos tipos de vidro, sendo
que cada tipo é caracterizado por seus índices de absortividade (α),
refletividade (ρ) e transmissividade (σ). A soma dos três índices é 1, ou seja,
representa toda a radiação solar incidente no vidro. A porcentagem que cada
vidro absorve, reflete ou transmite, é definida pelo comprimento de onda da
radiação incidente. Na prática, é como se o vidro tivesse um comportamento
seletivo, regulando e definindo qual a porcentagem de radiação que vai ser
absorvida, refletida ou transmitida através dele. A Tabela 2.2 apresenta alguns
dos tipos de vidro existentes e suas propriedades térmicas.
Tabela 2.2 - Comportamento térmico de vidros segundo RIVERO (1986)
Fonte: Lamberts et al. (2011)
Tipo de Vidro σ α ρ
Comum 0,85 0,07 0,08
Absorvente claro 0,52 0,41 0,07
Absorvente médio 0,31 0,63 0,06
Absorvente escuro 0,09 0,86 0,05
Refletor médio 0,25 0,42 0,33
Refletor escuro 0,11 0,42 0,47
Bojic´ e Yik (2007) analisaram, utilizando o programa de simulação
EnergyPlus, a economia de energia que pode ser obtida utilizando novas
técnicas de envidraçamento, em arranha-céus residenciais de Hong Kong. O
estudo foi baseado no projeto padrão de prédio residencial, conhecido como
Harmony Block, cada vez mais difundido em Hong Kong. O clima predominante
de Hong Kong é subtropical, com invernos frios e verões quentes e chuvosos.
31
A diminuição do consumo energético destinado à refrigeração foi analisada
para quatro tipos de vidro: vidro simples de baixa emissividade, vidro simples
de baixa emissividade reversível, vidro duplo e vidro duplo de baixa
emissividade. As economias anuais, de energia elétrica utilizada para
resfriamento de um pavimento tipo intermediário, foram de até 4,2% para o
primeiro, de até 1,9% para o segundo, de até 3,7% para o terceiro e de até
6,6% para o último tipo de vidro, respectivamente. A economia de energia
elétrica depende da orientação da edificação, do tipo e localização dos
cômodos considerados. Esses tipos de vidro foram testados levando em
consideração os cômodos condicionados artificialmente, incluindo a sala e os
quartos, excluindo cozinha e banheiros, onde foram mantidos os vidros
comuns, por serem cômodos não-condicionados artificialmente. Concluiu-se
que somente o vidro simples de baixa emissividade pode ser considerado
interessante do ponto de vista de custo-benefício. O uso das outras técnicas de
envidraçamento citadas é inviável economicamente para o caso analisado,
devido ao alto custo destes vidros juntamente com a menor demanda de
refrigeração das edificações residenciais.
O estudo de Tsikaloudaki et al. (2012) avalia o desempenho energético
de janelas de edificações residenciais, localizadas nas proximidades do Mar
Mediterrâneo, almejando o resfriamento do ambiente interno. A transferência
de calor através das janelas é responsável por uma significativa parcela da
energia utilizada para atender à necessidade, tanto de resfriamento, quanto de
aquecimento das edificações. Janelas e esquadrias, devido às características
térmicas e óticas do material pelo qual são constituídas, costumam ser o ponto
fraco do envelope, por onde ocorrem grandes transferências de energia entre o
ambiente interno e o externo. Além das características termo-óticas, o estudo
também avalia a geometria, a orientação e o nível de sombreamento das
janelas. A transparência do vidro, a orientação e transmitância solar foram
variáveis que tiveram a maior influência sobre o desempenho térmico da janela,
especialmente nas simulações que contemplavam regiões européias com
temperaturas mais elevadas. Valores moderados de transmitância solar do
vidro, combinados com a utilização de sombreamento nas janelas resultaram
no melhor desempenho em termos de demanda de energia necessária para
resfriamento do ambiente das residências. A análise estatística dos dados
obtidos resultou em expressões matemáticas que podem ser utilizadas na
32
prática, com erros mínimos, para predizer o desempenho energético de janelas
(quanto ao resfriamento), dependendo de suas características térmico-óticas.
O estudo de Gugliermetti e Bisegna (2007) analisa a economia de
energia possível através da adoção de janelas reversíveis, em diferentes
regiões da Itália (representando o clima típico mediterrâneo), para edificações
que fazem uso de sistemas, tanto de resfriamento, quanto de aquecimento. A
janela reversível consiste em um sistema de vidro duplo, composto por duas
lâminas, uma de vidro normal, e outra de vidro absorvente. Esta combinação
de vidros permite absorver a radiação solar em forma de energia térmica ao
longo da estação fria, ao mesmo tempo em que impede a entrada de calor
através das janelas no verão. A única tarefa do usuário é recordar-se de
inverter a janela, rotacionando-a em 180 graus, quando quiser mudar seu
comportamento térmico, de absorvente para refletora, de acordo com as
exigências climáticas externas. Quando utilizadas nas fachadas sul e norte, as
janelas reversíveis proporcionam uma economia de aproximadamente 10% no
consumo total de energia, tanto para resfriamento, quanto para aquecimento.
Nas fachadas leste e oeste, as economias chegaram a 15% do consumo de
energia, visto que essas fachadas costumam receber maiores quantidades de
radiação solar.
A edificação e suas formas têm grande influência sobre as temperaturas
interiores dos ambientes. Sistemas de controle solar e dispositivos de
sombreamento bem planejados afetam drasticamente a temperatura interna. A
pesquisa de Ahmed (2012) analisa a influência de persianas verticais no
desempenho térmico de edificações residenciais em New Assiut, no Egito. O
clima egípcio é caracterizado pela aridez e altas temperaturas durante o dia. O
estudo analisa diversas espessuras de persianas (12 cm, 25 cm, 50 cm, 75 cm
e 100 cm) e quatro orientações (norte, leste, oeste e sul). Os resultados
comprovaram que, persianas verticais diminuíram em até 2ºC a temperatura
interna da edificação, dependendo de seu comprimento. As menores
temperaturas internas foram obtidas com os maiores comprimentos de
persianas.
33
2.4.4. Desempenho térmico de edificações sem
condicionamento térmico artificial
Na ausência de aparelhos de ar condicionado, faz-se utilização de
estratégias bioclimáticas que proporcionam economia no consumo de energia e
melhoras nas condições de conforto térmico. Dentre estas estratégias,
relacionadas à envoltória da edificação, Lamberts et al. (2011) citam a
ventilação natural, a inércia térmica e o aquecimento solar passivo. A
ventilação natural ocorre por diferença de pressão do ar, resultante da ação de
ventos ou da diferença de temperatura do ar. Além da diferença de pressão, é
necessário existir aberturas que possibilitem a circulação de ar pela edificação.
A ventilação natural proporciona renovação do ar e acaba contribuindo para o
conforto térmico do usuário, devido à velocidade do ar sobre as pessoas, que
provoca uma sensação de resfriamento. A inércia térmica é adotada como
estratégia bioclimática quando o objetivo é estabelecer um tempo de
defasagem entre as solicitações térmicas externas e as respostas internas do
edifício. Na prática, os materiais de alta inércia térmica conseguem armazenar
grande quantidade de calor, isolando durante algum tempo o ambiente interno
do externo, caracterizando um atraso térmico. Quanto ao aquecimento solar
passivo, é um método que utiliza a energia do sol para transferir calor ao
ambiente desejado, sendo idealmente adotado em casos com baixas
temperaturas do ar. Superfícies envidraçadas orientadas para o sol possibilitam
uma maior entrada de calor na edificação, já as pequenas aberturas dificultam
as perdas de calor para o ambiente externo.
Estudos realizados por Pereira e Ghisi (2011) analisaram a eficácia da
ventilação natural em proporcionar conforto térmico aos usuários de uma
residência em Florianópolis. Através de medições in loco e simulações
utilizando o programa EnergyPlus, procurou-se estabelecer o tipo de material
ideal para o envelope, a fim de proporcionar o menor somatório de horas de
desconforto aos usuários da residência. Florianópolis possui um clima
subtropical úmido, com verão e inverno bem caracterizados, com chuvas bem
distribuídas ao longo do ano. Devido a proximidade do mar, a umidade relativa
do ar é alta, ficando em torno de 80%, em média. O melhor resultado foi
conseguido através da utilização de materiais com maior capacidade térmica
34
no envelope da residência, devido ao atraso térmico proporcionado, o que
resultou na diminuição das horas de desconforto. Idealmente, ocorreria uma
ulterior redução das horas de desconforto através de ventilação seletiva, que
consiste em somente abrir as janelas quando se deseja que a temperatura
externa prevaleça sobre a temperatura interna. Por outro lado, a ventilação
constante ao longo do verão resultou em maior desconforto térmico para os
usuários, sendo considerada desaconselhável para edificações em
Florianópolis. Estes resultados comprovam que as propriedades térmicas dos
materiais componentes do envelope influenciam o desempenho térmico das
edificações residenciais ventiladas naturalmente.
Wong e Li (2007) estudaram a aplicação de estratégias de
condicionamento térmico passivo em edificações residenciais em Singapura.
Devido à proximidade com a linha do equador, a região apresenta um clima
com temperaturas altas, umidade alta e abundantes chuvas ao longo de todo o
ano. Devido ao desenvolvimento de Singapura nas últimas décadas, o padrão
de vida da cidade aumentou consideravelmente, alavancando a instalação de
sistemas de condicionamento de ar na maior parte de suas edificações
residenciais. Dados de 1988 estimam que 19% das residências da cidade
possuíam tal aparelho. Dez anos depois, em 1998, a porcentagem de
residências condicionadas artificialmente praticamente triplicou, subindo para
58%. Como consequência óbvia deste cenário, ocorreu um grande aumento no
consumo de energia elétrica do setor residencial, que foi de 951
kWh/residência em 1991, para 1803 kWh/residência em 2001. Tendo a
redução do consumo de energia elétrica (utilizada para proporcionar conforto
térmico) como motivação, os pesquisadores testam e avaliam algumas
estratégias, que não envolvem a utilização de condicionadores de ar, para
garantir condições térmicas agradáveis no interior das residências. As
estratégias de condicionamento térmico passivo foram examinadas através de
medições efetuadas em campo e simulações termo-energéticas. Fatores como
a orientação da edificação, a constituição das fachadas, o sistema de telhado
secundário e o sombreamento de janelas foram analisados e avaliados de
acordo com a respectiva resposta térmica do ambiente interno da edificação. A
temperatura interna foi estabelecida em 24ºC, e visto que o ganho interno de
calor foi definido como zero, a carga térmica de resfriamento dependeu
somente das transferências de energia térmica através do envelope da
35
edificação. Em cada um dos cômodos e das situações estudadas, analisou-se
a carga térmica de resfriamento antes e depois da aplicação das estratégias. A
melhor orientação para as edificações em Singapura é a norte/sul, podendo
reduzir a carga de resfriamento em até 11,54% quando se muda a orientação
da edificação de leste/oeste para norte/sul. Utilizando paredes mais grossas
nas fachadas leste e oeste, pode-se diminuir o ganho de calor pela radiação
solar, reduzindo em até 9,67% a carga de resfriamento. O sistema de telhado
secundário foi muito eficiente, amenizando as temperaturas internas e
ajudando a diminuir em 11,59% a carga de resfriamento. Por fim, o
sombreamento das janelas também contribuiu para uma ulterior economia de
energia, reduzindo em até 10,13% a carga de resfriamento.
A pesquisa de Garg (1991) avaliou estratégias passivas de conforto
térmico aplicadas no envelope de casas comuns localizadas na região de
Delhi, na Índia. Foi utilizado o programa Temper para avaliar os dez envelopes
selecionados. Através da comparação dos graus-hora de cada caso,
obtiveram-se as características dos envelopes com melhor desempenho
térmico. A temperatura base de resfriamento foi definida em 27ºC. O melhor
resultado foi obtido através de ventilação seletiva, permitindo que houvesse
trocas de ar somente durante a manhã, o que resultou em uma redução de
47,67% no valor de graus-hora. Alterar a cor das paredes e das coberturas
para branco ou sombrear as mesmas também resultou em reduções
significativas, de 35,93% e 26,73% respectivamente, no valor total de graus-
hora. Outra estratégia recomendada pela pesquisa, para obtenção de um
desempenho térmico melhor ainda, consiste em agrupar os envelopes da
edificação em uma linha horizontal, ao longo do eixo leste-oeste.
Barrios et al. (2012) focaram suas pesquisas em parâmetros utilizados
para avaliar o desempenho térmico de edificações ventiladas naturalmente.
Especificamente, através de simulações numéricas de transferência periódica
de calor, foram analisados diversos grupos de parâmetros de avaliação de
desempenho térmico. Os parâmetros mais adequados para avaliação da
parede ou cobertura em edificações ventiladas naturalmente: energia
transmitida durante um dia, através da parede ou cobertura; o fator de
decremento; os graus-hora de desconforto; o índice de desempenho térmico
(quente ou frio).
36
2.4.5. Desempenho térmico de edificações com
condicionamento térmico artificial
Pesquisas de Almeida et al. (2001) revelam que no setor residencial
brasileiro, o condicionamento de ar somava 3% do consumo de energia elétrica
total, no ano de 1997. Enquanto que Ghisi et al. (2007), considerando 12 dos
26 estados brasileiros (aproximadamente 70% da população), indicam que o
condicionamento de ar já tinha aumentado para 10% do consumo de energia
elétrica total do setor residencial, entre os anos de 1997 e 1999. Comparando
com dados de 2005, provenientes da ELETROBRÁS, nota-se um ulterior
aumento nesta taxa, chegando a representar 20% do consumo de energia
elétrica total do setor residencial.
Na Tailândia, até algumas décadas atrás, costumava-se construir
residências e prédios públicos com materiais de baixa inércia térmica,
apostando em pequenas aberturas rentes ao piso e em janelas bem
sombreadas e abertas para garantir a ventilação natural. Apesar destas
estratégias, devido ao clima tropical (quente e úmido) predominante ao longo
do ano nesta região, o conforto térmico era algo incomum para os usuários das
edificações. Por outro lado, nas últimas dezenas de anos, seguindo a tendência
mundial, o concreto foi tomando o lugar da madeira, como material de
revestimento nas construções tailandesas. As janelas abertas e sombreadas
foram sendo substituídas por fachadas envidraçadas e expostas à radiação
solar, tornando essencial a utilização de aparelhos de ar condicionado nestes
ambientes. Estudos, realizados desde 1980, na Tailândia, afirmam que o
condicionamento de ar foi responsável por aproximadamente 60% do consumo
de energia elétrica em edificações comerciais, atingindo até 70% do total de
energia consumida no caso de edificações residenciais. A pesquisa de
Chiraratananon e Hien (2011) utiliza medições e simulações para comparar o
desempenho termo-energético de paredes, com baixa e alta inércia térmica,
que delimitam um ambiente condicionado termicamente. As paredes de alta
inércia térmica foram capazes de atrasar a transmissão de calor e
consequentemente atrasaram o aumento da temperatura do ambiente. Este
atraso térmico, por sua vez, acarretou em uma economia de energia (que seria
gasta para resfriar o ambiente), no caso de edificações que funcionam somente
37
durante o dia. Já no caso de edificações residenciais, onde o período noturno
também deve ser considerado, as paredes de alta inércia térmica não
apresentaram vantagem, sendo até consideradas menos eficientes do que as
paredes de baixa inércia térmica, dependendo da situação. O conceito é
simples: o material acumula energia térmica ao longo do período diurno e libera
esta mesma energia durante o período noturno, para o ambiente interno e
externo da edificação. Consequentemente, quanto mais energia for acumulada
durante o dia, mais energia terá de ser liberada durante a noite.
Mitterer et al. (2012), analisaram um estudo com protótipos de
residências unifamiliares em Dubai, afirmam que o envelope construtivo tem
forte influência direta no clima interno da edificação. Dubai está situada no
Golfo Pérsico, envolvida por um lado pelo mar e no outro pelo deserto. A região
possui um clima subtropical árido, com temperaturas altas praticamente
durante o ano inteiro, especialmente no verão, quando as temperaturas
ultrapassam quarenta graus Celsius na maior parte das horas ensolaradas. O
objetivo do estudo era provar que inclusive residências em climas considerados
extremos podem ser projetadas eficientemente. O envelope deve ser adequado
às condições climáticas locais e o comportamento do usuário deve ser
compatível com os métodos que foram previstos para garantir esta eficiência. A
pesquisa segue este raciocínio e foca primeiramente seus testes nos
componentes construtivos do envelope. Foram utilizados elementos de
sombreamento nas fachadas mais expostas ao sol. O isolamento térmico foi
aplicado em praticamente todo o envelope, com o objetivo de melhorar o clima
interno da residência. Em um segundo momento, trabalhou-se no
desenvolvimento de um sistema de condicionamento de ar mais eficiente,
utilizando dois princípios híbridos de resfriamento. O primeiro princípio consiste
em um sistema de resfriamento baseado em água. O segundo princípio é um
sistema de desumidificação baseado em ar. Assim, definiu-se que o conforto
térmico do usuário deve ser atendido por uma alta eficiência energética da
edificação, oriunda de um adequado desempenho térmico do envelope. Ou
seja, demonstrou-se através de ferramentas de simulação computacional, que
dependendo do comportamento e aceitação do usuário, o condicionamento de
ar pode ser otimizado, mesmo considerando climas extremos, com altas
temperaturas e altas taxas de umidade.
38
Quando o objetivo consiste em apresentar um bom desempenho
térmico, e uma boa eficiência energética, as edificações devem ter projetos
precisos e bem pensados, especialmente com relação aos seus envelopes
construtivos. Afinal, o que determina as trocas de calor (energia) entre o
ambiente interno e o ambiente externo é o próprio envelope. O caso analisado
por Sozer (2010) foi um hotel de alto padrão em Izmir, tendo sido utilizados
programas computacionais para efetuar as simulações. A cidade de Izmir está
localizada no sudeste da Turquia e tem seu clima caracterizado por verões
quentes e invernos frios. Um conceito conhecido a ser seguido, nestes casos,
consiste em limitar as perdas de calor durante o inverno e bloquear os ganhos
de calor pela edificação durante o verão. Esta pesquisa também estudou e
comprovou que elementos de sombreamento e específicos tipos de vidro,
utilizados nas janelas presentes na edificação, reduzem drasticamente o calor
conduzido através do envelope. Analisando os resultados da simulação, a
edificação proposta obteve uma economia de energia de 40% quando
comparada à edificação real. Enfim, concluiu-se que através de um envelope
adequado da edificação é possível alcançar altos níveis de eficiência
energética, inclusive em construções de maior porte, como por exemplo, hotéis.
2.5. Considerações Finais
Este capítulo apresentou pesquisas e estudos realizados em diferentes
países, com condições climáticas específicas, contemplando diversas variáveis
e análises, mas com um ponto em comum: o desempenho térmico das
edificações, dependendo de seu envelope.
Os numerosos estudos realizados nas áreas de desempenho térmico e
de eficiência energética em edificações demonstram a preocupação da
humanidade, ou pelo menos de uma parcela dela, em utilizar e aproveitar, de
uma maneira mais inteligente, suas construções.
Para cada estudo realizado, não foram somente reduzidos os gastos
energéticos, também surgiram ideias inovadoras, diferentes maneiras de
resolver o problema e melhorar a qualidade de vida da população.
39
Buscou-se apresentar os conceitos e definições importantes para o
entendimento do assunto, bem como apresentar pesquisas que tratassem de
situações similares às que serão simuladas neste trabalho.
Dessa forma, este trabalho contribui para o conhecimento das
características construtivas que as residências devem apresentar, dependendo
do clima no qual estão inseridas, para que tenham um melhor desempenho
térmico.
40
3. Método
O método aqui proposto se aplica ao estudo do desempenho térmico de
edificações residenciais unifamiliares. Por meio de alterações no envelope,
através de simulação computacional, foi possível avaliar o desempenho térmico
da edificação. Os métodos utilizados para a avaliação do desempenho térmico
da edificação foram: o somatório de graus-hora (de resfriamento e de
aquecimento), a análise da temperatura interna da edificação durante três dias
de verão e três dias durante o inverno.
O processo foi separado em duas etapas principais.
1. Descrição do modelo padrão da edificação residencial unifamiliar a ser
simulada, avaliando as variações de propriedades térmicas dos elementos
construtivos do envelope e verificando os efeitos de cada modificação, para o
clima de Florianópolis. Estudos de Schaefer et al. (2013) estabeleceram o
protótipo de habitação de interesse social (HIS) que será adotado nesta
análise. Pesquisas de Silva et al. (2013) forneceram as rotinas de ocupação,
operação de aberturas e uso de equipamentos em HIS. Ambos os estudos,
citados acima, foram realizados contemplando a região da Grande
Florianópolis. Na avaliação dos graus-hora foram considerados os graus-hora
de resfriamento e os graus-hora de aquecimento. Em relação aos dias
escolhidos para análise, os intervalos foram escolhidos por possuírem, de
acordo com o arquivo climático, o dia que apresenta a maior temperatura
horária e a menor temperatura horária do ano.
2. Aplicação do mesmo modelo de edificação (com as mesmas
dimensões, rotinas e propriedades construtivas) para os climas de Curitiba e
Fortaleza, seguindo o mesmo método e analisando a variação de elementos
construtivos do envelope, visando o melhor desempenho térmico da edificação.
Por último, efetuaram-se correlações entre os graus-hora obtidos e as
propriedades térmicas do envelope. Através das correlações, procurou-se
estabelecer a influência da transmitância térmica ponderada e da capacidade
térmica ponderada do envelope sobre o somatório de graus-hora, para as três
cidades.
41
3.1. Simulação Computacional
Conforme apresentado na revisão bibliográfica, pesquisadores de
diversos países utilizam a simulação computacional para analisar a influência
do envelope no desempenho térmico das edificações.
O programa escolhido para efetuar as simulações foi o EnergyPlus
(DOE, 2012) versão 7.2.0, tanto por ser um dos programas mais utilizados
atualmente em pesquisas em diversos países, quanto pela confiabilidade de
seu algoritmo. O trabalho não realiza a calibração do modelo, uma vez que a
edificação real não existe.
Anos de aperfeiçoamento renderam simulações do programa mais
condizentes com a realidade, permitindo obter bons resultados, mesmo sem a
calibração com o modelo real. Porém, em relação à simulação sem calibração,
dois requisitos são muito importantes e precisam ser satisfeitos: uma precisa
inserção dos dados de entrada e uma correta interpretação dos dados de
saída.
3.2. Modelagem da Edificação
Duas ferramentas computacionais foram utilizadas para modelar a
edificação. O programa SketchUp (Trimble, 2012) permitiu desenhar a
geometria e o plug-in Open Studio possibilitou definir as características físicas
e térmicas (iniciais) de cada superfície. A modelagem foi iniciada com a criação
de uma zona térmica para cada cômodo da edificação. Foram definidos os
tipos e as propriedades das superfícies que delimitam cada zona térmica. Os
cômodos, as janelas e portas foram desenhadas de acordo com o modelo
estabelecido por Schaefer et al. (2013). As trocas de ar da edificação são
realizadas através de ventilação natural, controlada pelo usuário, obedecendo
rotinas de operação de janelas. O contato com o solo foi levado em
consideração, aumentando a inércia térmica da residência, sendo que a
temperatura do solo foi obtida utilizando dados presentes nos arquivos
climáticos, em conjunto com o pré-processador Slab (acoplado ao EnergyPlus).
A cobertura foi representada como uma superfície horizontal e possui
beirais de 50 centímetros. Mesmo não representando a geometria real da
42
cobertura da edificação, foram inseridos parâmetros no EnergyPlus, com o
objetivo de simular a existência de um ático.
3.3. Modelo de Referência
3.3.1. Descrição da edificação
A edificação simulada é uma residência unifamiliar de um pavimento. A
faixa de renda mensal escolhida (de acordo com valores propostos pelo
Programa Minha Casa Minha Vida) está compreendida entre R$ 1.601,00 e R$
5.000,00.
O modelo base adotado é proveniente de um estudo apoiado pela
empresa pública Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP), no qual foram
realizadas visitas e coletas de dados em habitações de interesse social da
Grande Florianópolis. O mesmo estudo elaborou modelos representativos de
edificações residenciais unifamiliares.
As Figuras 3.1 e 3.2, obtidas através do programa SketchUp, são
representações gráficas do modelo de edificação adotado neste trabalho.
Figura 3.1: Maquete eletrônica da edificação modelo – Vista das fachadas leste
e norte.
43
A geometria da residência e dos cômodos é simples e
predominantemente retangular, somando uma área total de 57 m². Ghisi et al.
(2007) afirmam que 84% das residências unifamiliares no Brasil possuem área
construída inferior a 100 m². A mesma pesquisa define que 38% das
residências unifamiliares no Brasil possuem área de piso entre 51 m² e 75 m².
Logo, a adoção e análise do modelo com 57 m² são pertinentes dentro do
cenário construtivo brasileiro.
Figura 3.2: Maquete eletrônica da edificação modelo – Vista superior.
A residência em questão foi modelada com dois dormitórios de solteiro,
um dormitório de casal, uma cozinha, uma sala, um banheiro, como
apresentado na Figura 3.3, totalizando seis zonas térmicas. O banheiro será
simulado sem o uso do chuveiro, devido à complexidade das trocas de calor
realizadas pelo mesmo. A varanda e a área de serviço não foram consideradas
na simulação, visto que são áreas externas à edificação.
44
Figura 3.3: Planta baixa da edificação modelo.
Fonte: Schaefer et al. (2013).
3.3.2. Orientação da edificação
A orientação da edificação foi analisada para quatro situações possíveis:
com a maior fachada (onde se localizam as janelas dos três dormitórios)
orientada para norte, leste, sul, oeste. As simulações para definir a melhor
orientação foram realizadas utilizando o arquivo climático TRY de Florianópolis.
45
O modelo simulado nestas quatro orientações era composto por paredes de
tijolo cerâmico de oito furos, cobertura de telha de barro com forro de madeira,
não apresentava ventilação e não sofria influência da temperatura do solo.
Posteriormente, para o modelo de referência e para as simulações seguintes,
adotou-se a orientação que apresentou a menor ponderação por área do
somatório de graus-hora, ou seja, o melhor desempenho térmico. Foram
considerados todos os cômodos na ponderação do somatório dos graus-hora
(de resfriamento e de aquecimento), exceto o banheiro, pois não foi
classificado como um ambiente de permanência prolongada. A ponderação foi
realizada de acordo com a área dos ambientes.
3.3.3. Rotinas de ocupação
Cada cômodo, ou zona térmica, da edificação possui determinada
ocupação ao longo do dia. Esta ocupação (por pessoas) precisa ser levada em
consideração no balanço térmico da edificação. O EnergyPlus permite a
inclusão de ganhos internos de calor, provenientes tanto de equipamentos
elétricos e iluminação, quanto pela presença de pessoas.
O padrão de uso e ocupação da edificação residencial unifamiliar a ser
utilizado nas simulações foi estabelecido por Silva et al. (2013), cujos estudos
definiram os padrões de ocupação dos cômodos, de operação de aberturas e
de uso de equipamentos, para a Grande Florianópolis. Na Tabela 3.1, a rotina
de ocupação foi apresentada para dois períodos: inverno e verão. Outro
parâmetro utilizado para caracterizar os fatores de ocupação foi o tipo de dia,
que pode variar entre dia de semana e final de semana.
Para a rotina de ocupação de quartos, sala e cozinha, foi adotado um
método que impediu a ocorrência de números não inteiros de pessoas. Definiu-
se a população da casa em quatro pessoas: um casal e dois filhos. Sendo
assim, a ocupação máxima do quarto de casal (Dorm1) ficou limitada a duas
pessoas. Para os quartos de solteiro (Dorm2 e Dorm3), a ocupação máxima
adotada foi de uma pessoa. Nos ambientes da sala e da cozinha, a ocupação
variou entre zero e quatro pessoas.
Para obter somente números inteiros de ocupação, foram realizadas
aproximações do fator de ocupação horário médio (exibido na Tabela 3.1),
dependendo da ocupação máxima do ambiente. Para os ambientes onde a
46
ocupação máxima é de quatro pessoas, os valores utilizados variaram entre
0%, 25%, 50%, 75% e 100%. Para os ambientes onde a ocupação máxima é
de duas pessoas, somente os valores 0%, 50% e 100% foram utilizados. Para
os ambientes onde a ocupação máxima é de uma pessoa, somente os valores
0% e 100% foram utilizados, ou seja, a pessoa estava ou não estava no
ambiente. Ressalta-se que o fator de ocupação horário médio consiste na
relação entre o número de pessoas presentes no ambiente, em determinada
hora, e o número máximo de pessoas definido para aquele ambiente.
Tabela 3.1: Rotinas de ocupação adotadas.
Fonte: Silva et al. (2013).
Inverno Verão
Fator de Ocupação Médio Fator de Ocupação Médio
Dia de semana Final de semana Dia de semana Final de semana
Horário Cozinha Sala Quarto Cozinha Sala Quarto Cozinha Sala Quarto Cozinha Sala Quarto
0h 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 0,75 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 0,88
1h 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 1,00
2h 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 1,00
3h 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 1,00
4h 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 1,00
5h 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 0,88
6h 0,00 0,00 0,75 0,00 0,00 0,83 0,00 0,00 0,75 0,00 0,00 0,88
7h 0,00 0,00 0,50 0,00 0,00 0,63 0,00 0,00 0,50 0,00 0,00 0,75
8h 0,33 0,00 0,13 0,50 0,33 0,31 0,50 0,00 0,25 0,50 0,00 0,50
9h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,17 0,25 0,33 0,00 0,17 0,50 0,18 0,33
10h 0,00 0,17 0,00 0,00 0,17 0,00 0,17 0,00 0,17 0,17 0,18 0,25
11h 0,38 0,17 0,00 0,50 0,17 0,00 0,17 0,00 0,00 0,17 0,18 0,13
12h 0,50 0,35 0,00 0,50 0,50 0,00 0,50 0,50 0,00 0,83 0,54 0,00
13h 0,33 0,13 0,00 0,50 0,25 0,00 0,50 0,38 0,08 0,50 0,50 0,06
14h 0,00 0,31 0,00 0,00 0,50 0,08 0,33 0,00 0,08 0,33 0,38 0,06
15h 0,00 0,31 0,00 0,00 0,50 0,00 0,33 0,00 0,08 0,00 0,50 0,08
16h 0,00 0,25 0,00 0,18 0,50 0,00 0,33 0,00 0,06 0,00 0,50 0,00
17h 0,00 0,38 0,00 0,00 0,50 0,00 0,00 0,29 0,00 0,00 0,50 0,00
18h 0,25 0,50 0,00 0,50 0,50 0,00 0,33 0,50 0,00 0,33 0,50 0,00
19h 0,50 0,50 0,00 0,50 0,50 0,00 0,50 0,83 0,00 0,50 1,00 0,00
20h 0,40 0,50 0,17 0,50 0,50 0,13 0,33 1,00 0,00 0,33 1,00 0,00
21h 0,00 0,50 0,25 0,00 0,50 0,25 0,00 0,75 0,00 0,00 1,00 0,00
22h 0,00 0,50 0,50 0,00 0,25 0,44 0,00 0,40 0,25 0,00 0,50 0,50
23h 0,00 0,00 0,67 0,00 0,00 0,50 0,00 0,10 0,67 0,00 0,25 0,75
47
Por exemplo, na cozinha, das 18 às 19 horas de um dia de semana, no
verão, o fator de ocupação médio levantado foi de 33%, sendo que a ocupação
máxima da cozinha é de quatro pessoas. Portanto, o valor aproximado de
ocupação da cozinha, neste horário, é de 25%, o que resulta em uma pessoa.
3.3.4. Atividade metabólica
A atividade metabólica das pessoas variou de acordo com o ambiente,
pois o mesmo costuma caracterizar o tipo e a intensidade da atividade
metabólica dos indivíduos.
O calor gerado pelas pessoas, durante o tempo em que as mesmas
ocupavam o ambiente, foi calculado multiplicando o número de pessoas que se
encontravam presentes no ambiente pela atividade metabólica característica do
ambiente. A Tabela 3.2 apresenta algumas taxas metabólicas, dependendo da
atividade realizada pelo indivíduo.
Tabela 3.2: Taxa metabólica para diversas atividades.
Fonte: Input-Output Reference - EnergyPlus (2013).
Atividade Taxa Metabólica
(W/m²) Taxa metabólica
(W/pessoa)
Dormindo 40 72
Deitado 45 81
Sentado 60 108
Em pé 70 126
A Tabela 3.3, por sua vez, indica as taxas metabólicas adotadas para
cada ambiente da edificação, respeitando o tipo de atividade que costuma ser
praticada em cada cômodo. Não foi definida uma taxa metabólica para o
banheiro, por não ser caracterizado como ambiente de longa permanência
Tabela 3.3: Taxa metabólica adotada para os ambientes da edificação.
Ambiente Taxa metabólica (W/pessoa)
Quarto 81
Sala 108
Cozinha 171
48
3.3.5. Rotina de equipamentos e iluminação
Cada cômodo possui sistemas de iluminação e equipamentos elétricos
específicos que dissipam calor para o ambiente. É necessário primeiramente
determinar as potências instaladas em cada cômodo para depois definir qual é
a parcela de calor dissipada para o ambiente. Nas simulações, foram adotadas
as potências médias horárias, tanto para os equipamentos quanto para o
sistema de iluminação. A partir da Tabela 3.4, foram definidas as potências
instaladas e as porcentagens de uso (em cada cômodo) e obtiveram-se as
potências médias horárias de equipamentos e iluminação.
Tabela 3.4: Rotinas médias de equipamentos e potências médias instaladas.
Fonte: Silva et al. (2013).
Horário Cozinha Sala Quarto
Equip. Ilum. Equip. Ilum. Equip. Ilum.
0 0,20 0,35 0,03
1 0,18 0,24 0,05
2 0,17 0,18 0,05
3 0,17 0,11 0,03
4 0,17 0,11 0,01
5 0,13 0,08 0,01
6 0,12 0,02 0,01
7 0,13 0,06 0,01
8 0,12 0,07 0,00
9 0,09 0,07 0,00
10 0,09 0,07 0,12
11 0,13 0,07 0,12
12 0,16 0,10 0,27
13 0,14 0,17 0,13
14 0,12 0,17 0,20
15 0,16 0,22 0,22
16 0,15 0,24 0,21
17 0,23 0,50 0,34 0,62
18 0,26 1,00 0,31 0,50 0,29 0,25
19 0,21 1,00 0,38 1,00 0,28 0,50
20 0,16 1,00 0,49 1,00 0,29 0,25
21 0,16 1,00 0,44 1,00 0,27 0,25
22 0,20 0,25 0,36 0,50 0,22 0,29
23 0,20 0,33 0,09 0,25
Potência (W)
942,79 29,42 90,15 28,90 160,59 44,14
49
A referência para a rotina de uso de equipamentos e iluminação foi o
estudo de Silva et al. (2013). Fixaram-se as potências instaladas em cada
cômodo de acordo com os valores da última linha da Tabela 3.4 e definiram-se
as porcentagens de uso desta potência de acordo com dois padrões horários
de uso específicos, uma para equipamentos e outra para iluminação. Por
exemplo, nos quartos, das 19 às 20 horas, foram utilizados 28% da potência
instalada de equipamentos, sendo que a potência instalada nos quartos é de
160 W. Portanto, para aquela hora, obtém-se uma potência utilizada de 45 W.
Por outro lado, de um total de 44 W de iluminação instalada, 50% estava sob
utilização, logo, obtém-se uma potência de 22 W.
O EnergyPlus considera separadamente as parcelas de potência de
equipamentos e iluminação, porque os equipamentos elétricos, diferentemente
da iluminação, podem dissipar uma fração de calor latente. Esta diferenciação
entre as parcelas de iluminação e equipamentos também permite gerar
relatórios mais específicos de consumo energético.
3.3.6. Ventilação natural
A ventilação natural foi definida como sendo a principal estratégia de
condicionamento passivo da edificação. Através do SketchUp, associado ao
plug-in Open Studio Legacy, foram modeladas as aberturas pelas quais
ocorrerá a ventilação da edificação: as janelas e as portas internas.
Posteriormente, a ventilação foi detalhada no EnergyPlus, através da inserção
de dados, especificando cada parâmetro.
O objeto "AirflowNetwork:SimulationControl ", presente no EnergyPlus,
possibilita controlar a ventilação natural, considerando as trocas de ar entre o
interior e o exterior da edificação, assim como as trocas de ar entre as zonas
térmicas.
O objeto "AirflowNetwork:MultiZone:Surface" permite controlar,
individualmente, a ventilação natural em cada abertura contida no modelo,
permitindo que algumas aberturas estejam sempre abertas, sempre fechadas
ou sendo controladas por padrões de abertura ou controle (inteligente) de
temperatura por parte do usuário.
50
Foi definido um padrão horário, também chamado de rotina, através do
objeto "Venting Availability", para se controlar a abertura das janelas de acordo
com a rotina de operação de janelas, presente na Tabela 3.5, no item 3.3.7.
Também foi estabelecida a temperatura limite de 20ºC, para impedir a
abertura das janelas no caso de temperatura externa inferior a 20ºC. Esta
temperatura limite sobrepõe-se à rotina de operação de janelas, ou seja,
quando a temperatura externa for inferior a 20ºC, as janelas permanecerão
fechadas, mesmo que a rotina de operação de janelas defina que a janela deve
ser aberta.
Foram definidos dois "Opening Factors", ou seja, dois fatores de
operação relativos às janelas. Um dos fatores considera a janela fechada e o
outro, inteiramente aberta. Estes fatores de operação obedecem à rotina de
operação de janelas apresentada na Tabela 3.5.
Os coeficientes de fluxo de ar e os parâmetros restantes foram
adotados, em sua maioria, seguindo o padrão default do EnergyPlus.
3.3.7. Rotina de operação de aberturas
A abertura ou fechamento de janelas e portas deve ser considerado nas
trocas térmicas da edificação, pois são operações que permitem a entrada de
ar externo, promovendo a renovação do ar interno.
Consideraram-se as portas internas sempre abertas para não haver
grandes diferenças de temperatura entre os cômodos. As portas externas
foram consideradas sempre fechadas por motivos de segurança, mesmo que
numa situação real elas sejam abertas durante pequenos intervalos de tempo
para entrada e saída dos usuários.
Através do programa EnergyPlus, foram modelados dois fatores de
abertura de janelas: um aberto e um fechado. A Tabela 3.5 apresenta as
rotinas de operação de janelas escolhidas como base para este trabalho. Foi
utilizado o valor médio, obtido através de análise para definir qual seria o fator
de abertura utilizado para cada hora do dia.
Na Tabela 3.5, as rotinas de operação de janelas foram divididas em
dois períodos: inverno e verão. Para cada período, foram apresentados os
valores médios horários para cada cômodo, obtidos em estudos de Silva et al.
(2013). Foi adotado o fator de abertura fechado (sem ventilação) no caso de
51
valores médios horários entre 0,00 e 0,49. Nos casos em que o valor médio
oscilou entre 0,50 e 1,00 considerou-se a janela aberta.
Tabela 3.5: Rotinas médias de operação de janelas.
Fonte: Silva et al. (2013).
Horário Inverno Verão
Cozinha Sala Quarto Cozinha Sala Quarto
0h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
1h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
2h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
3h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
4h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
5h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
6h 0,00 0,00 0,00 0,50 0,00 0,00
7h 0,50 0,01 0,50 0,75 0,33 0,50
8h 0,50 0,33 0,50 0,83 0,50 0,50
9h 0,50 0,50 0,67 1,00 0,50 0,88
10h 0,67 0,50 0,75 1,00 0,50 0,88
11h 0,67 0,50 0,75 1,00 0,50 1,00
12h 0,67 0,50 0,75 1,00 0,50 1,00
13h 0,67 0,50 0,75 1,00 0,50 1,00
14h 0,67 0,50 0,75 1,00 0,50 1,00
15h 0,67 0,50 0,75 1,00 0,50 1,00
16h 0,67 0,50 0,75 1,00 0,50 1,00
17h 0,50 0,50 0,63 1,00 0,50 1,00
18h 0,50 0,50 0,42 1,00 0,50 0,83
19h 0,50 0,25 0,25 0,75 0,33 0,50
20h 0,00 0,00 0,13 0,50 0,33 0,50
21h 0,00 0,00 0,00 0,50 0,00 0,00
22h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
23h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Por exemplo, no verão, às 18 horas, as janelas dos quartos foram
definidas como abertas, porque o valor médio foi de 0,83. No banheiro, a janela
foi considerada sempre aberta, por ser um ambiente onde a renovação
constante do ar é importante.
É possível notar a similaridade entre as rotinas médias de operação de
janelas, para o período de verão e para o período de inverno. No verão, as
janelas são abertas uma hora mais cedo e são fechadas uma hora mais tarde
em relação ao período de inverno.
52
3.3.8. Temperatura do solo
A temperatura do solo é um parâmetro muito importante para as
simulações térmicas de edificações que apresentam somente o pavimento
térreo. A influência da temperatura do solo deve ser considerada porque as
trocas de calor entre o piso e o solo interferem diretamente nas temperaturas
operativas dos cômodos da edificação.
Para considerar a influência do solo, foi realizada uma simulação
preliminar, adotando os valores médios mensais de temperatura do solo,
fornecidos pelo arquivo climático de referência da cidade em questão (TRY -
Test Reference Year). Em seguida, utilizou-se o pré-processador Slab (termo
em inglês que significa laje), integrado ao EnergyPlus, que através de iterações
que englobam um intervalo de tempo de dez anos, permite obter as
temperaturas médias mensais do solo subjacente à edificação.
Para utilizar o pré-processador Slab, acoplado ao programa EnergyPlus,
foi necessário informar os seguintes parâmetros (objetos): as propriedades dos
materiais (solo e laje em contato com solo), as propriedades da edificação, o
isolamento da laje em contato com o solo (caso exista), a modelagem de uma
laje equivalente (em casos de lajes com formas não retangulares) e algumas
condições de contorno. Para todos os objetos relacionados ao tipo de solo,
foram adotados os valores default (padrão) do EnergyPlus.
Realizaram-se duas simulações sequenciais. Na primeira simulação,
inseriram-se as temperaturas do solo (presentes no arquivo climático da
localidade) no objeto Site:GroundTemperature:BuildingSurface. Nesta
simulação preliminar, o EnergyPlus somente leva em consideração a influência
das temperaturas do solo nas temperaturas internas da edificação.
Antes de passar para a segunda simulação, foi necessário calcular as
temperaturas médias mensais internas (de Janeiro a Dezembro) da edificação,
ponderando as temperaturas de cada zona, de acordo com sua área.
Na segunda simulação, foram inseridas as médias mensais da
temperatura interna da edificação (obtidos através da primeira simulação) no
objeto Tin:(January-December) Indoor Average Temperature Setpoint, e
através do pré-processador Slab foram obtidos os resultados desejados e mais
corretos.
53
É importante frisar que as temperaturas do solo obtidas, desta maneira,
valem somente para a edificação em questão, pois sofrem influência das
temperaturas internas da residência (e vice-versa).
O mesmo processo de obtenção das temperaturas médias mensais do
solo foi utilizado nas simulações envolvendo as cidades de Florianópolis,
Curitiba e Fortaleza.
3.4. Variações no Modelo de Referência
A partir do modelo de referência, foram executadas variações
relacionadas aos materiais utilizados no envelope da edificação. As variações
nos elementos construtivos do envelope podem resultar em diferentes
desempenhos térmicos da edificação. Buscou-se relacionar as variações das
propriedades térmicas dos materiais com o somatório de graus-hora resultante
de cada envelope. Para obter o somatório de cada envelope, realizaram-se as
médias ponderadas por área dos somatório de graus-hora de cada ambiente
da edificação, com exceção do banheiro.
3.4.1. Elementos construtivos do envelope
Os tipos de parede utilizados no estudo foram: parede simples leve,
parede simples média, parede simples pesada e parede dupla. A parede
simples leve pode ser dividida em três camadas: reboco, tijolo e reboco. Os
tijolos são de oito furos circulares (10 cm x 20 cm x 20 cm), assentados na
menor dimensão. A camada de emboço, tanto externo quanto interno, é
composta por argamassa de 2,5 cm de espessura. A espessura total da parede
leve é 15 cm.
A parede simples média só difere, em relação à parede simples leve, no
assentamento dos tijolos de oito furos circulares, que é executado no sentido
da maior dimensão, totalizando uma espessura de parede de 25 cm.
A parede simples pesada é composta por duas camadas de argamassa
e uma camada de tijolos maciços (10 cm x 6 cm x 22 cm), assentados na maior
dimensão. As duas camadas de argamassa possuem 2,5 cm de espessura. A
espessura total da parede pesada é 27 cm. Por apresentar as características
54
acima, a parede simples pesada apresenta uma maior inércia térmica e uma
menor transmitância, em relação à parede simples leve.
A parede dupla, por sua vez, é composta por três camadas de
argamassa intercaladas com duas camadas de tijolos. O tijolo é de cerâmica
(10 cm x 15 cm x 20 cm), com seis furos circulares, assentado na menor
dimensão. A espessura da argamassa de emboço é 2,5 cm e a espessura da
camada de argamassa entre tijolos é 1 cm. A espessura total da parede dupla
é 26 cm. As propriedades térmicas (transmitância, capacidade e atraso
térmico), das paredes citadas acima, encontram-se na Tabela 3.6. A
absortância solar adotada para todas as paredes foi de 0,4.
Tabela 3.6: Propriedades térmicas das paredes analisadas.
Fonte: NBR15220 (ABNT, 2005).
Tipo de parede
Croqui Transmitância
térmica (W/m².K)
Capacidade térmica
(kJ/m².K)
Atraso térmico (horas)
Parede Leve
2,24 167 3,7
Parede Média
1,61 232 5,9
Parede Pesada
2,25 445 6,8
Parede Dupla
1,52 248 6,5
55
Foram analisados oito tipos de coberturas, conforme demonstrado na
Tabela 3.7. A espessura da madeira utilizada nos casos com forro é 1 cm. A
espessura da laje de concreto dos últimos casos é 20 cm. A espessura da telha
de barro utilizada é 1 cm e a espessura da telha de fibro-cimento é 0,7 cm.
Foi adotado o valor de 0,6 para a absortância solar de todas as
coberturas, tanto para os casos com telha cerâmica, quanto para os casos com
telha de fibro-cimento.
Tabela 3.7: Propriedades térmicas das coberturas analisadas.
Fonte: NBR15220 (ABNT, 2005).
Tipo de cobertura Transmitância
térmica (W/m².K) Capacidade
térmica (kJ/m².K) Atraso térmico
(horas)
Telha de barro sem forro
4,55 18 0,3
Telha de fibro-cimento sem forro
4,60 11 0,2
Telha de barro com forro
2,00 32 1,3
Telha de fibro-cimento com forro
2,00 25 1,3
Telha de barro com laje de concreto
1,84 458 8,0
Telha de fibro-cimento com laje de concreto
1,99 451 7,9
Telha de barro, lâmina de alumínio e laje de
concreto 1,06 458 11,8
Telha de fibro-cimento, lâmina de alumínio e
laje de concreto 1,06 451 11,8
As janelas não variaram nos modelos, ou seja, foram analisadas sempre
com o mesmo vidro e consequentemente, com as mesmas propriedades
térmicas. Foi adotado o vidro transparente simples (com 3 mm de espessura)
para as janelas de todos os modelos.
3.4.2. Simulações com diferentes envelopes
Os elementos construtivos da edificação modelo foram analisados de
acordo com oito situações diferentes (quatro tipos de paredes e oito tipos de
coberturas). As primeiras análises consideram um envelope leve e menos
56
isolante. As segundas combinações apresentam um envelope com
transmitâncias ligeiramente menores em relação à primeira. As terceiras
análises levam em consideração um envelope pesado. Por fim, as quartas
tipologias de envelope são caracterizadas por apresentar um maior isolamento
entre ambientes interno e externo da edificação. Os valores utilizados nas
propriedades térmicas (transmitância, capacidade térmica e atraso térmico) dos
diversos casos, provêm da NBR 15220 (ABNT, 2005). Após definir a melhor
orientação do modelo de referência, em termos de desempenho térmico, uma
série de simulações foi realizada para testar diferentes combinações de
envelopes. O tipo de parede e o tipo de cobertura foram os parâmetros
variáveis. Procurou-se agrupar os materiais com características térmicas
similares, objetivando simular oito envelopes diferentes, agrupados em três
grupos: Envelopes Leves, Envelopes Pesados e Envelopes Isolantes.
A Tabela 3.8 lista os casos simulados, especificando o tipo de parede e
de cobertura para cada envelope.
Tabela 3.8: Combinações de paredes e coberturas.
Envelope Tipo de parede Tipo de cobertura
Leve1 Parede Leve Telha de barro sem forro
Leve2 Parede Leve Telha de fibro-cimento sem forro
Leve3 Parede Média Telha de barro com forro
Leve4 Parede Média Telha de fibro-cimento com forro
Pesado1 Parede Pesada Telha de barro com laje de concreto
Pesado2 Parede Pesada Telha de fibro-cimento com laje de concreto
Isolante1 Parede Dupla Telha de barro, lâmina de alumínio e laje de
concreto
Isolante2 Parede Dupla Telha de fibro-cimento, lâmina de alumínio e
laje de concreto
O grupo dos envelopes leves engloba quatro combinações. A primeira
combinação é constituída por parede leve e telha de barro sem forro. A parede
leve permanece na segunda combinação, porém, altera-se a telha de barro por
uma telha de fibro-cimento sem forro. A terceira abrange a parede média
associada à telha de barro com forro de madeira. A parede média permanece
na quarta combinação, porém, altera-se a telha de barro por uma telha de fibro-
cimento com forro de madeira.
O grupo dos envelopes pesados consiste em duas combinações
também. A parede pesada está presente em ambas, no primeiro caso a
57
simulação é realizada com uma cobertura de telhas de barro com laje de
concreto. No segundo caso, a laje de concreto permanece, mas as telhas são
de fibro-cimento.
O grupo dos envelopes isolantes utiliza paredes duplas e coberturas
com transmitância baixa. A parede dupla está presente em ambos os casos.
Na primeira combinação utiliza-se telha cerâmica, câmara de ar de baixa
emissividade (devido à lâmina de alumínio) e laje de concreto. Na segunda
combinação troca-se a telha cerâmica por telha de fibro-cimento.
3.5. Arquivos Climáticos
Os arquivos climáticos utilizados nas análises de desempenho térmico,
tanto de Florianópolis quanto das outras cidades escolhidas, são baseados nos
respectivos anos climáticos de referência (TRY - Test Reference Year). Nas
análises posteriores, também foram utilizados os arquivos climáticos das
cidades de Curitiba e Fortaleza, caracterizando climas frios e quentes,
respectivamente. Os valores de temperatura e umidade, presentes nos
arquivos climáticos utilizados neste trabalho, foram analisados através de
gráficos, ao longo de um ano. Para análises posteriores, as estações do ano
tiveram seus inícios e fins definidos pelos solstícios e pelos equinócios.
3.6. Tratamento dos Dados de Saída
A simulação computacional, através do programa EnergyPlus, gera
dados de saída, em forma de relatórios e planilhas. Os dados escolhidos para
análise dos casos simulados para Florianópolis, foram: a variação de
temperatura interna, os graus-hora de resfriamento (GHr) e os graus-hora de
aquecimento (GHa). Os casos simulados para Curitiba e Fortaleza foram
analisados somente através dos graus-hora de resfriamento e graus-hora de
aquecimento. Para facilitar interpretações e ajudar a comprovar os resultados
restantes, foram calculadas as temperaturas médias operativas da edificação
para cada estação do ano, para cada envelope, em cada uma das três cidades
simuladas. A temperatura operativa pode ser definida como sendo a média das
58
temperaturas médias radiantes e do ambiente, ponderadas pelos respectivos
coeficientes de transferência de calor.
Foram analisados os graus-hora de aquecimento e de resfriamento, para
avaliar o desempenho térmico da edificação, visto que são parâmetros
importantes em edificações ventiladas naturalmente, além de facilitar a
interpretação dos resultados. O método dos graus-hora consiste em realizar um
somatório anual de temperaturas operativas horárias que ultrapassaram a
temperatura base definida, tanto para aquecimento quanto para resfriamento.
A temperatura base de resfriamento foi definida em 26ºC, seguindo
orientação do Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência
Energética de Edificações Residenciais (INMETRO, 2012). Apesar de não
constar indicação no RTQ-R, a temperatura de base de aquecimento foi
adotada como sendo 18ºC. Quanto menor o somatório de graus-hora, de
aquecimento e resfriamento, menor será o desconforto do usuário ou o gasto
de energia para climatizar o ambiente. Logo, através da comparação dos
graus-hora de cada caso, definiu-se o modelo de edificação mais adequada às
condições climáticas de Florianópolis.
Para os casos simulados de Curitiba e Fortaleza, mantêm-se as
dimensões (área, volumetria e geometria) da edificação, juntamente com os
mesmos padrões de ocupação e uso de equipamentos. As propriedades
térmicas do envelope, através da modificação dos elementos construtivos,
foram alteradas igualmente para cada cidade. Os resultados foram
interpretados de acordo com as especificações climáticas de cada região.
Duas sequências (verão e inverno) de três gráficos (três cidades) foram
montadas para ilustrar o comportamento de quatro dos oito envelopes, tanto no
verão quanto no inverno. Adotaram-se somente os quatro envelopes de
cobertura de telha de cerâmica para serem analisados.
Para as três localizações, foram realizadas correlações entre a
transmitância térmica ponderada do envelope e o somatório de graus-hora
obtido (tanto de resfriamento quanto de aquecimento). O mesmo procedimento
foi realizado para correlacionar a capacidade térmica ponderada do envelope
ao somatório de graus-hora obtido em cada caso. Estas correlações têm como
objetivo verificar a influência que o primeiro parâmetro exerce sobre o último.
Para calcular a transmitância e a capacidade ponderada do envelope, foram
utilizadas as áreas de paredes, de janelas e de cobertura.
59
4. Resultados
4.1. Considerações Iniciais
Este capítulo apresenta os resultados deste trabalho. Serão
apresentados os gráficos, tabelas e as considerações relativas ao desempenho
térmico, obtidas para cada caso analisado.
4.2. Orientação
A influência que a orientação da edificação tem sobre o desempenho
térmico da mesma foi avaliada de acordo com os graus-hora resultantes de
cada orientação, para Florianópolis. Foram quatro as situações analisadas,
sendo que a referência para orientação foi a fachada que contém os três
dormitórios, ou seja, a maior fachada da edificação. Na Tabela 4.1 estão
relacionados os graus-hora de resfriamento (GHr) e os graus-hora de
aquecimento (GHa) para as orientações analisadas.
Tabela 4.1: Quantidade de graus-hora para cada orientação.
Orientação Leste Sul Oeste Norte
HGr 3804 2739 3821 2906
HGa -1387 -1387 -1329 -1304
Analisando os graus-hora de resfriamento, os melhores desempenhos
térmicos foram encontrados para a orientação Norte e para a orientação Sul.
As orientações Leste e Oeste apresentaram valores superiores de graus-hora
de resfriamento em relação às orientações Norte e Sul. Porém, nos graus-hora
de aquecimento, a orientação Norte destacou-se e apresentou melhores
resultados, inclusive em relação à orientação Sul. Logo, adotou-se a orientação
Norte (quartos orientados para Norte) em todas as simulações seguintes.
60
4.3. Arquivos Climáticos
Os arquivos climáticos adotados para as simulações foram os TRY (Test
Reference Year), os quais providenciam as temperaturas, a umidade, entre
outros dados referentes ao ambiente externo, ao longo das 8760 horas anuais.
A análise das Figuras 4.1, 4,2 e 4.3 comprova que os dados de temperatura
dos arquivos climáticos de Florianópolis, Curitiba e Fortaleza estão de acordo
com a normalidade para as devidas estações do ano e localização. As Figuras
4.4, 4.5 e 4.6 apresentam os valores de umidade relativa presentes nos
arquivos climáticos de Florianópolis, Curitiba e Fortaleza.
Figura 4.1: Temperaturas de bulbo seco de Florianópolis ao longo do ano TRY.
Figura 4.2: Temperaturas de bulbo seco de Curitiba ao longo do ano TRY.
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Figura 4.3: Temperaturas de bulbo seco de Fortaleza ao longo do ano TRY.
Figura 4.4: Umidade relativa do ar em Florianópolis ao longo do ano TRY.
Figura 4.5: Umidade relativa do ar em Curitiba ao longo do ano TRY.
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Figura 4.6: Umidade relativa do ar em Fortaleza ao longo do ano TRY.
Através da análise dos gráficos de temperatura de bulbo seco, nota-se a
amplitude térmica anual, apresentada pelas cidades de Florianópolis e de
Curitiba. As temperaturas variam entre 5ºC e 33ºC para Florianópolis. Para
Curitiba, as temperaturas foram de -1ºC no inverno, até 31ºC no verão. O
gráfico de temperatura de bulbo seco de Fortaleza apresentou temperaturas
constantes, entre 25ºC e 30º, ao longo do ano.
A umidade relativa do ar oscilou entre 60% e 100% para Fortaleza e
entre 40% e 100% para Florianópolis e Curitiba.
4.4. Envelopes
Primeiramente, esta seção apresenta e compara os resultados da
avaliação do desempenho térmico da edificação, localizada em Florianópolis,
de acordo com os materiais constituintes dos diferentes envelopes. Como
mencionado no método, os resultados foram analisados de duas formas:
através de somatório de graus-hora e a partir da análise de três dias durante o
verão e três dias durante o inverno. Estes intervalos de dias foram escolhidos
por possuírem, de acordo com o arquivo climático, o dia que apresenta a
temperatura horária mais quente ou mais fria do ano. Para calcular a
transmitância térmica e a capacidade térmica ponderada do envelope da
edificação, foram consideradas as áreas de paredes, janelas e cobertura
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01
h
12
/17
01
h
Um
ida
de
Rela
tiva
do
Ar
(%)
63
presentes na Tabela 4.2. O perímetro e o pé direito da edificação medem 32,82
m e 2,60 m, respectivamente. A área de parede considerada foi de 78,67 m²,
tendo sido já descontada a área de janelas, que é de 6,66 m².
Tabela 4.2: Áreas de parede, janela, cobertura e total da envoltória
Área (m²)
Parede Cobertura Janela Total
78,67 52,81 6,66 138,14
4.4.1. Transmitâncias térmicas obtidas
Através da inserção dos dados de entrada nas simulações, foi possível
obter transmitâncias, de paredes e coberturas, similares às encontradas na
norma NBR 15220 (ABNT, 2005). Os valores das transmitâncias térmicas,
calculados pelo EnergyPlus (E+), apresentaram pequenas diferenças em
relação aos valores esperados, que por sua vez foram calculadas através da
NBR 15220 (ABNT, 2005). Estas diferenças são devidas a algumas
divergências entre o cálculo efetuado pelo algoritmo do EnergyPlus e o cálculo
adotado pela norma.A Tabela 4.3 apresenta e compara as transmitâncias
calculadas pela NBR 15220 (ABNT, 2005) e as transmitâncias obtidas pelo
programa EnergyPlus, para paredes e coberturas, juntamente com a diferença
entre o valor calculado pela NBR 15220 (ABNT, 2005) e o valor obtido através
do EnergyPlus (E+), em porcentagem.
Tabela 4.3: Transmitâncias térmicas de paredes, coberturas, janelas e da
edificação.
Envelope
Transmitância Térmica (W/m².K)
Parede Cobertura Janela Total
NBR 15220
E+ Diferença
(%) NBR
15220 E+
Diferença (%)
E+ Ponderada (por área)
Leve 1 2,240 2,345 4,69 4,550 5,051 11,01 5,894 3,551
Leve 2 2,240 2,345 4,69 4,600 5,107 11,02 5,894 3,572
Leve 3 1,610 1,605 -0,31 2,000 2,107 5,35 5,894 2,004
Leve 4 1,610 1,605 -0,31 2,000 2,117 5,85 5,894 2,008
Pesado 1 2,250 2,285 1,56 1,840 1,915 4,08 5,894 2,318
Pesado 2 2,250 2,285 1,56 1,990 1,923 -3,37 5,894 2,321
Isolante 1 1,520 1,467 -3,49 1,060 1,084 2,26 5,894 1,534
Isolante 2 1,520 1,467 -3,49 1,060 1,087 2,55 5,894 1,535
64
As maiores diferenças entre os valores assim calculados, foram
encontrada nos envelopes leves: diferença de 4,69% para a parede; diferença
de 11,02% para a cobertura.
As diferenças obtidas entre os valores de transmitância, entre o valor
calculado pela NBR 15220 (ABNT, 2005) e o valor obtido através do
EnergyPlus (E+), devem-se provavelmente ao fato de o EnergyPlus considerar
valores variáveis de resistência superficial exterior (Rse).
Foram utilizados os valores de transmitância térmica calculados pelo
EnergyPlus para obter as transmitâncias ponderadas do envelope da
edificação. Por fim, calcularam-se as transmitâncias ponderadas do envelope
da edificação através de médias ponderadas (através das respectivas áreas)
entre as transmitâncias de paredes, janelas e cobertura.
4.4.2. Capacidades térmicas obtidas
A capacidade térmica ponderada do envelope variou praticamente entre
100 e 429 kJ/m².K, caracterizando os envelopes mais leves e os envelopes
mais pesados, respectivamente. A Tabela 4.4 apresenta as capacidades
térmicas calculadas através do método da NBR 15220 (ABNT, 2005).
Aparentemente, o programa EnergyPlus não fornece os valores de capacidade
térmica, por ele calculados.
Tabela 4.4: Capacidades térmicas de paredes, coberturas, janelas e da
edificação.
Envelope Capacidade Térmica (kJ/m².K)
Parede Janela Cobertura Total Ponderada
(por área)
Leve 1 167,0 6,3 18,0 102,3
Leve 2 167,0 6,3 11,0 99,6
Leve 3 232,0 6,3 32,0 144,7
Leve 4 232,0 6,3 25,0 142,0
Pesado 1 445,0 6,3 458,0 428,8
Pesado 2 445,0 6,3 451,0 426,1
Isolante 1 248,0 6,3 458,0 316,6
Isolante 2 248,0 6,3 451,0 314,0
65
4.4.3. Temperaturas operativas para Florianópolis
As temperaturas operativas das zonas térmicas da edificação foram
representadas e comparadas graficamente abaixo, para o clima de
Florianópolis, englobando cada tipo de envelope: leves, pesados e isolantes.
Analisando as temperaturas obtidas nas Figuras 4.7 e 4.8 (que
comparam as temperaturas operativas da sala e do dormitório 1 do envelope
leve 1 com os respectivos cômodos do envelope leve 2, no verão e inverno,
respectivamente), nota-se que as curvas das temperaturas de cada cômodo
praticamente se sobrepuseram, tanto no verão quanto no inverno. Esta
sobreposição é explicada pela diferença muito pequena entre os valores
calculados da transmitância térmica das telhas de cerâmica e das telhas de
fibrocimento. É importante também, lembrar que a absortância solar das telhas
de cerâmica e de fibro-cimento foi padronizada para todos os casos, e vale 0,6.
A absortância das paredes também foi estabelecida em um valor fixo para
todos os casos: 0,4.
Para os demais ambientes de longa permanência analisados (dormitório
2, dormitório 3 e cozinha) o comportamento da temperatura seguiu exatamente
o mesmo padrão sobreposto.
Percebe-se grande amplitude térmica ao longos dos dias analisados. No
verão, as temperaturas tiveram amplitude de até 12ºC no dia 08 de Fevereiro, e
no inverno, de 10ºC no dia 17 de Junho. Observa-se também que as
temperaturas operativas de todos os ambientes possuem valores sempre
acima dos valores das temperaturas externas, ao longo de todo o ano. Grandes
oscilações de temperatura caracterizaram os envelopes leves, apresentando
picos de 36ºC dentro da edificação nos dias mais quentes do verão e chegando
a temperaturas internas de até 12ºC nos dias mais frios do inverno.
É possível notar que as temperaturas operativas do dormitório 1 são
ligeiramente superiores quando comparadas com as temperaturas operativas
da sala. A orientação norte faz com que os dormitórios sejam um pouco mais
quentes que a sala (orientação sul), ao longo de todo o ano. Por outro lado, as
portas internas constantemente abertas não permitem que essa diferença de
temperatura, entre cômodos, seja maior que alguns décimos de grau.
66
Figura 4.7: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 1 e 2 durante o verão.
Figura 4.8: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 1 e 2 durante o inverno.
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Externa Dormitório 1 do Envelope Leve 1
Dormitório 1 do Envelope Leve 2
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°C)
Sala do Envelope Leve 1 Sala do Envelope Leve 2
Externa Dormitório 1 do Envelope Leve 1
Dormitório 1 do Envelope Leve 2
67
As Figuras 4.9 e 4.10 mostram as temperaturas operativas da sala e do
dormitório 1 do envelope leve 3 e do envelope leve 4, durante o verão e o
inverno, respectivamente. Novamente, as temperaturas dos mesmos
ambientes praticamente estão sobrepostas. Percebe-se ainda uma certa
amplitude térmica, porém, menor que a amplitude térmica apresentada pelos
envelopes leves 1 e 2, ao longos dos dias analisados. No verão, as
temperaturas tiveram amplitude de até 7ºC no dia 08 de Fevereiro, e no
inverno, de 6ºC no dia 17 de Junho. Observa-se também que as temperaturas
operativas dos ambientes possuem valores quase sempre acima dos valores
das temperaturas externas, ao longo de todo o ano, com exceção em alguns
picos de calor dos dias de verão.
Assim como nos envelopes leves 1 e 2, houve sobreposição nas curvas
de temperatura operativa dos ambientes dos envelopes leves 3 e 4. A adição
de um forro de madeira (na cobertura) e a utilização do tijolo de oito furos no
sentido da maior dimensão (na parede) garantiram uma transmitância térmica
menor e promoveram temperaturas internas mais constantes em relação aos
envelopes leves 1 e 2. Novamente, a única diferença entre o envelope leve 3 e
o envelope leve 4 é a telha da cobertura, o que praticamente não influenciou
nos resultados. Nas Figuras 4.9 e 4.10 estão apresentadas as temperaturas
operativas da sala dos envelopes leves 3 e 4, no verão e no inverno,
respectivamente.
Seguindo o mesmo padrão dos resultados anteriores, o dormitório 1
apresenta temperaturas praticamente idênticas nos envelopes leves 3 e 4.
Quando comparado com a sala, o dormitório 1 apresenta temperaturas
levemente superiores, devido a uma maior exposição a radiação solar ao longo
do dia. As temperaturas operativas do dormitório 1, dos envelopes leves 3 e 4,
podem ser visualizadas nas Figuras 4.9 e 4.10, a primeira analisando o período
de verão, e a segunda analisando o período de inverno.
A sobreposição das temperaturas dos cômodos é confirmada pela
análise dos graus-hora (no item 4.5), que resultaram praticamente em valores
idênticos, mesmo tendo sido analisados ao longo de um ano inteiro. É
importante ressaltar que a diferença entre os pares de envelopes (entre leve 1
e leve 2, por exemplo) é a telha da cobertura: nos envelopes sucedidos por
números ímpares é utilizada a telha cerâmica, e nos envelopes sucedido por
números pares é adotada a telha de fibro-cimento.
68
Figura 4.9: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 3 e 4 durante o verão.
Figura 4.10: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 3 e 4 durante o inverno.
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Sala do Envelope Leve 3 Sala do Envelope Leve 4
Externa Dormitório 1 do Envelope Leve 3
Dormitório 1 do Envelope Leve 4
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Tem
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°C)
Sala do Envelope Leve 3 Sala do Envelope Leve 4
Externa Dormitório 1 do Envelope Leve 3
Dormitório 1 do Envelope Leve 4
69
As Figuras 4.11 e 4.12 apresentam as temperaturas operativas da sala e
do dormitório 1 dos envelopes pesados. Observa-se que durante os dias
analisados, a amplitude térmica dos ambientes internos da edificação ao longo
de um dia foi baixa.
No verão, as temperaturas tiveram amplitude de até 3ºC no dia 08 de
Fevereiro (dia com a maior temperatura horária anual). No inverno, a amplitude
térmica foi pouco mais de 2ºC no dia 17 de Junho (dia com a menor
temperatura horária anual), mesmo que a temperatura externa tenha sofrido
uma variação de mais de 12ºC, no mesmo dia. Os períodos mais quentes
apresentaram temperaturas máximas próximas dos 30ºC. Quanto às
temperaturas mínimas obtidas, durante os períodos mais frios, não diminuíram
além dos 16ºC.
Para os envelopes pesados, no verão, as temperaturas de todos os
ambientes (mesmo sendo ambientes diferentes) estão praticamente
sobrepostas. No inverno, a sala apresenta temperaturas ligeiramente menores
que os dormitórios. Esta quase igualdade de temperaturas entre ambientes
orientados para direções opostas (norte e sul) é consequência das portas
internas abertas sempre.
Observa-se também que as temperaturas operativas dos ambientes
possuem valores que se mantém na média da temperatura externa durante o
verão. No inverno, as temperaturas operativas dos cômodos da edificação com
envelope pesado se mantêm sempre alguns graus acima das temperaturas
externas médias.
A troca do forro de madeira por uma laje de concreto (na cobertura) e a
substituição dos tijolos de oito furos por tijolos maciços (na parede) garantiram
uma capacidade térmica muito maior e promoveram temperaturas internas
mais constantes em relação aos envelopes leves.
70
Figura 4.11: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes pesados durante o verão.
Figura 4.12: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes pesados durante o inverno.
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Sala do Envelope Pesado 1 Sala do Envelope Pesado 2
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°C)
Sala do Envelope Pesado 1 Sala do Envelope Pesado 2
Externa Dormitório 1 do Envelope Pesado 1
Dormitório 1 do Envelope Pesado 2
71
As Figuras 4.13 e 4.14 apresentam as temperaturas operativas da sala e
do dormitório 1 dos envelopes isolantes. Assim como os envelopes pesados,
por causa das portas abertas, os envelopes isolantes apresentaram
temperaturas da sala (orientação sul) e dos dormitórios (orientação norte) muito
similares, tanto no verão quanto no inverno.
A amplitude térmica dentro dos ambientes da edificação foi restrita
devido ao maior isolamento do envelope, fazendo a temperatura variar entre 1
e 3ºC ao longo de um mesmo dia, mesmo nos dias mais quentes ou mais frios.
No verão, as temperaturas máximas internas mantiveram-se próximas dos
28ºC, provavelmente devido à dificuldade deste tipo de envelope em dissipar o
calor gerado pelas cargas internas (pessoas, equipamentos e iluminação).
Durante o inverno, as temperaturas permaneceram próximas dos 20ºC.
Quando comparados aos envelopes pesados, os envelopes isolantes
apresentaram resultados quase iguais, ambos mantendo constantes as
temperaturas operativas dos cômodos da edificação.
Por outro lado, quando se compara os envelopes isolantes com os
envelopes leves, percebe-se grande diferença na amplitude das temperaturas
operativas dos ambientes.
Observa-se que, seguindo a tendência dos envelopes pesados, as
temperaturas operativas dos ambientes possuem valores que se mantém na
média da temperatura externa durante o verão. No inverno, os envelopes
isolantes apresentaram o mesmo fenômeno que os envelopes pesados: as
temperaturas operativas dos cômodos da edificação se mantêm sempre alguns
graus acima das temperaturas externas médias.
A adição de uma lâmina de alumínio (na cobertura), transformou a
câmara de ar de alta emissividade em uma câmara de ar de baixa
emissividade, garantindo uma maior resistência térmica e consequente
diminuição da transmitância térmica da cobertura. A substituição dos tijolos
maciços, por uma parede dupla de tijolos de seis furos circulares (na parede),
garantiram um maior isolamento térmico e promoveram temperaturas internas
mais constantes em relação aos envelopes leves.
Ulteriores comparações, entre os diversos envelopes, foram feitas no
item 4.5, no qual comparam-se os graus-hora obtidos para cada caso.
72
Figura 4.13: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes isolantes durante o verão.
Figura 4.14: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do
dormitório 1 (norte) dos envelopes isolantes durante o inverno.
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Sala do Envelope Isolante 1 Sala do Envelope Isolante 2
Externa Dormitório 1 do Envelope Isolante 1
Dormitório 1 do Envelope Isolante 2
73
4.4.4. Comparação dos envelopes através das
temperaturas operativas
Para Florianópolis, as temperaturas mais baixas no verão foram obtidas
através da utilização dos envelopes pesados e envelopes isolantes.
Devido à grande semelhança entre os resultados obtidos (entre os
envelopes que se diferenciavam somente pelo tipo de telha), foram escolhidos
para ser comparados somente os envelopes que apresentassem telha
cerâmica. As Figuras 4.15 e 4.16 apresentam as temperaturas obtidas para os
quatro envelopes selecionados, durante um período do verão e um período do
inverno, respectivamente, para Florianópolis.
Como era de se esperar, as maiores temperaturas apresentaram-se nos
casos com envelopes leves. O envelope pesado e os envelope isolante
também apresentaram temperaturas mais altas e constantes durante o inverno.
O envelope leve 1 teve oscilações de temperatura bem maiores. O envelope
leve 3, obteve um desempenho intermediário, quando comparado aos demais,
tanto no verão quanto no inverno.
Durante o verão, analisando diretamente as diferenças nas temperaturas
apresentadas pelos diferentes envelopes, é evidente a maior amplitude térmica
dos envelopes leves, contrastando com as temperaturas mais constantes do
envelope isolante e do envelope isolante. Também é possível identificar um
atraso térmico (de algumas horas) nas temperaturas internas do envelope
pesado, devido à suas paredes e cobertura com maior capacidade térmica. O
envelope leve 3 obteve resultados intermediários, quando comparado aos
restantes, tanto nos aumentos, quanto nas diminuições de temperatura ao
longo dos dias.
Durante o inverno, os envelopes proporcionaram temperaturas que
seguem as mesmas tendências da análise do verão: envelope leve
apresentando uma elevada amplitude térmica de quase 10ºC ao longo de vinte
e quatro horas, contrastando com pequenas variações de 1ºC ou 2ºC ao longo
do dia nas temperaturas do envelope isolante.
Os envelopes leves apresentaram picos de temperatura nas horas mais
quentes dos dias de verão e mais frias dos dias de inverno. Estes picos de
temperatura foram neutralizados pelos envelopes pesados e isolantes.
74
Figura 4.15: Comparação das temperaturas operativas da sala dos envelopes
localizados em Florianópolis, durante o verão.
Figura 4.16: Comparação das temperaturas operativas da sala dos envelopes
localizados em Florianópolis, durante o inverno.
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Externa Sala Envelope Isolante 1 Sala Envelope Leve 1
Sala Envelope Leve 3 Sala Envelope Pesado 1
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Tem
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Op
era
tiv
a (
°C)
Externa Sala Envelope Isolante 1 Sala Envelope Leve 1
Sala Envelope Leve 3 Sala Envelope Pesado 1
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Para Curitiba, pode-se afirmar que no verão os envelopes isolantes e
pesados mantêm as temperaturas internas mais constantes em relação aos
envelopes leves. No inverno, os envelopes isolantes e pesados também obtêm
o melhor resultado, amenizando as quedas de temperatura e mantendo as
temperaturas internas entre 17ºC e 19ºC nos dias mais frios. Os envelopes
leves, por terem uma transmitância mais alta, acabam apresentando
amplitudes térmicas diárias altas, entre 7ºC e 10ºC, tanto no verão quanto no
inverno, prejudicando bastante seu desempenho térmico. As Figuras 4.17 e
4.18 apresentam as temperaturas obtidas para os quatro envelopes
selecionados, durante um período do verão e um período do inverno,
respectivamente, para Curitiba.
Pode-se observar que em Fortaleza, os envelopes leves também foram
os responsáveis pelas maiores amplitudes térmicas diárias. Porém, mesmo
com temperaturas mais constantes, os envelopes pesados e isolantes
apresentaram temperaturas tão altas (bastante acima da temperatura de base
de 26ºC) quanto a média de temperatura dos envelopes leves. Isso pode
indicar um desempenho térmico parecido entre as edificações com envelopes
diferentes, caso o mesmo seja avaliado através de graus-hora (o item 4.5 irá
confirmar esta hipótese). As Figuras 4.19 e 4.20 apresentam as temperaturas
obtidas para os quatro envelopes selecionados, durante um período do verão e
um período do inverno, respectivamente, para Fortaleza.
Por último, conclui-se que os elementos construtivos (e suas
propriedades) do envelope influenciam diretamente no desempenho térmico da
edificação.
76
Figura 4.17: Comparação das temperaturas operativas da sala dos envelopes
localizados em Curitiba, durante o verão.
Figura 4.18: Comparação das temperaturas operativas da sala dos envelopes
localizados em Curitiba, durante o inverno.
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Externa Sala Envelope Isolante 1 Sala Envelope Leve 1
Sala Envelope Leve 3 Sala Envelope Pesado 1
77
Figura 4.19: Comparação das temperaturas operativas da sala dos envelopes
localizados em Fortaleza, durante o verão.
Figura 4.20: Comparação das temperaturas operativas da sala dos envelopes
localizados em Fortaleza, durante o inverno.
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C)
Externa Sala Envelope Isolante 1 Sala Envelope Leve 1
Sala Envelope Leve 3 Sala Envelope Pesado 1
78
4.4.5. Temperaturas médias sazonais
A Tabela 4.5 apresenta as temperaturas médias sazonais internas para
cada envelope, para cada cidade simulada. Como citado no método, as
estações do ano tiveram seus inícios e fins definidos pelos solstícios e pelos
equinócios.
Tabela 4.5: Temperatura média de cada envelope para cada estação
Cidade Envelope Temperatura média da edificação (ºC)
Verão Outono Inverno Primavera
Florianópolis
Leve 1 26,87 22,43 19,70 24,24
Leve 2 26,88 22,43 19,70 24,26
Leve 3 26,87 22,68 20,19 23,96
Leve 4 26,87 22,68 20,19 23,97
Pesado 1 27,23 22,93 20,37 24,12
Pesado 2 27,24 22,93 20,38 24,12
Isolante 1 27,01 22,97 20,55 23,94
Isolante2 27,02 22,97 20,55 23,94
Curitiba
Leve 1 23,02 18,59 16,71 20,51
Leve 2 23,02 18,59 16,71 20,52
Leve 3 23,08 19,14 17,15 20,37
Leve 4 23,08 19,13 17,15 20,37
Pesado 1 23,58 19,31 17,21 20,45
Pesado 2 23,58 19,31 17,21 20,45
Isolante 1 23,26 19,60 17,52 20,34
Isolante2 23,26 19,60 17,52 20,34
Fortaleza
Leve 1 29,83 29,08 28,82 29,66
Leve 2 29,83 29,08 28,82 29,67
Leve 3 29,78 28,86 28,64 29,39
Leve 4 29,76 28,85 28,63 29,39
Pesado 1 30,37 29,21 28,99 29,75
Pesado 2 30,37 29,21 28,99 29,75
Isolante 1 30,07 28,99 28,75 29,48
Isolante2 30,07 28,99 28,75 29,48
Verifica-se que durante as quatro estações e independentemente da
cidade, certos envelopes leves apresentaram temperaturas médias internas
menores que os envelopes pesados e isolantes. Através dos resultados obtidos
de temperatura média sazonal, poder-se-ia afirmar que os envelopes leves
apresentariam um desempenho térmico (considerando-se os GHr) melhor por
79
apresentar as menores temperaturas ao longo do ano. Porém, o fato de obter
os menores valores de temperatura é justificado pela maior amplitude térmica
que os envelopes leves apresentam, em relação aos envelopes pesados e
isolantes. Esta maior variação das temperaturas internas dos ambientes pode
refletir em um pior desempenho térmico da edificação.
4.5. Graus-hora
Os somatórios de graus-hora foram agrupados em uma tabela. É
importante lembrar que as absortâncias solares de paredes e coberturas foram
0,4 e 0,6 para todos os casos simulados. Para cada cidade analisada, obteve-
se resultados distintos numericamente, devido às diferenças climáticas entre as
regiões analisadas. Porém, pode-se observar um comportamento comum para
Florianópolis e Curitiba na Tabela 4.6: os envelopes leves apresentaram
somatório de graus-hora (de resfriamento e de aquecimento) bem mais elevado
em relação aos envelopes isolantes ou pesados. Este resultado demonstra
como a maior amplitude térmica, apresentada pelos envelopes leves, influencia
fortemente no desempenho térmico da edificação.
Para Florianópolis, constatou-se que os envelopes isolantes
apresentaram o menor somatório de graus-hora de resfriamento e valores
muito baixos de graus-hora de aquecimento, logo, tiveram o melhor
desempenho térmico. Os envelopes pesados obtiveram resultados similares
aos envelopes isolantes, mantendo as temperaturas mais constantes,
amenizando os aumentos e diminuições das temperaturas externas. Os
envelopes leves tiveram o pior desempenho térmico, apresentando valores
altos de graus-hora de resfriamento e de aquecimento. Os resultados obtidos
têm relação com o clima de Florianópolis, caracterizado por verão e inverno
bem definidos, e primavera e outono semelhantes.
Para Curitiba, os envelopes isolantes também obtiveram o melhor
desempenho térmico, seguidos novamente pelos envelopes pesados. Por
apresentar um clima mais frio do que o de Florianópolis, os valores de graus-
hora de aquecimento foram superiores aos de resfriamento, em todos os
envelopes. Verificou-se que os envelopes leves apresentaram o pior
80
desempenho térmico, tanto para os períodos frios quanto para os períodos
quentes.
Para Fortaleza, os envelopes leves 3 e 4 apresentaram menor somatório
de graus-hora, apesar de prevalecer sobre os outros envelopes por pouco. Os
valores de graus-hora de aquecimento foram nulos em todos os casos, visto
que as temperaturas seguiram um padrão constante e relativamente alto.
Todos os envelopes seguiram o mesmo padrão porque a edificação é ventilada
naturalmente e as temperaturas externas são altas e constantes durante todo o
ano em Fortaleza.
A Tabela 4.6 apresenta os graus-hora de resfriamento e de aquecimento
obtidos para cada envelope, em cada cidade analisada.
Tabela 4.6: Quantidade de graus-hora para cada envelope
Envelope Florianópolis Curitiba Fortaleza
GHr GHa GHr GHa GHr GHa
Leve 1 6705 -1408 2070 -8513 30829 0
Leve 2 6784 -1418 2096 -8556 30871 0
Leve 3 3895 -236 453 -4679 28439 0
Leve 4 3906 -235 452 -4686 28372 0
Pesado 1 3671 -58 27 -3393 31553 0
Pesado 2 3695 -58 28 -3402 31560 0
Isolante 1 2983 -4 2 -2276 29369 0
Isolante 2 2997 -4 2 -2281 29366 0
Observou-se na comparação entre os envelopes, que de acordo com a
cidade na qual estavam inseridos, os graus-hora (para o mesmo envelope)
tiveram grandes variações. Comparando o desempenho térmico da edificação
e utilizando como referência os valores de graus-hora obtidos para os
envelopes simulados para Florianópolis, pode-se afirmar que nos envelopes
leves, os valores de graus-hora de resfriamento (GHr) foram aproximadamente
de três a nove vezes menores em Curitiba, e de cinco a sete vezes maiores em
Fortaleza. Novamente, utilizando os valores encontrados para os envelopes
localizados em Florianópolis como base, nota-se que os graus-hora de
aquecimento (GHa) de Curitiba para os envelopes leves foram de seis a vinte
vezes maiores. Em Fortaleza, por causa das temperaturas altas e constantes,
típicas do litoral nordestino, os somatórios de graus-hora de aquecimento foram
nulos.
81
Analisando os envelopes pesados, para Curitiba obtiveram-se valores
baixos de graus-hora de resfriamento, cerca de cento e cinquenta vezes
menores que os valores para os mesmos envelopes em Florianópolis. Por
outro lado, para Fortaleza os graus-hora de resfriamento (GHr) da edificação
foram quase nove vezes maiores que para Florianópolis. Em relação aos
graus-hora de aquecimento, os envelopes em Curitiba apresentaram valores
cinquenta e sete vezes maiores, quando comparados com os graus-hora de
aquecimento (GHa) obtidos para Florianópolis. Nas simulações realizadas para
Fortaleza, os graus-hora de aquecimento foram zero, assim como nos
envelopes leves.
Pode-se concluir que a divergência, obtida nos graus-hora de cada
envelope e cidade, é reflexo das diferenças construtivas dos envelopes e das
diferenças climáticas entre as cidades nas quais se encontraram as
edificações. Este resultado reforça o conceito da influência direta dos
elementos construtivos do envelope sobre o desempenho térmico das
edificações, especialmente em climas com maiores amplitudes térmicas.
4.6. Correlações
4.6.1. Transmitância térmica e graus-hora
Realizaram-se correlações entre as transmitâncias térmicas ponderadas
dos oito envelopes simulados e os respectivos graus-hora resultantes
simulados. As Figuras 4.20, 4.21 e 4.22 ilustram as correlações entre a
transmitância térmica ponderada dos envelopes e os graus-hora, referentes às
cidades de Florianópolis, Curitiba e Fortaleza, respectivamente. Os oito
envelopes estão representados por oito marcadores, apesar de parecerem
quatro devido à sobreposição dos resultados muito similares (devido aos pares
de envelopes que se diferenciam somente pelo tipo de cobertura).
82
Figura 4.20: Correlação da transmitância térmica com os graus-hora para
Florianópolis
Figura 4.21: Correlação entre a transmitância térmica e os graus-hora para
Curitiba
Figura 4.22: Correlação entre a transmitância térmica e os graus-hora para
Fortaleza
y = 1859x - 48 R² = 0,95
y = -717x + 1262 R² = 0,88
-10000
0
10000
20000
30000
1,00 2,00 3,00 4,00
Gra
us-H
ora
Transmitância Térmica (W/m².K)
GHr
GHa
y = 1044x - 1818 R² = 0,85
y = -2960x + 2248 R² = 0,89
-10000
0
10000
20000
30000
1,00 2,00 3,00 4,00
Gra
us-H
ora
Transmitância Térmica (W/m².K)
GHr
GHa
y = 909x + 27905 R² = 0,31
y = 0
-10000
0
10000
20000
30000
1,00 2,00 3,00 4,00
Gra
us-H
ora
Transmitância Térmica (W/m².K)
GHr
GHa
83
Para Florianópolis, a correlação entre as transmitâncias térmicas
ponderadas do envelope e os graus-hora obtidos foi alta, tendo alcançado
coeficiente de determinação (R²) igual a 0,95 e 0,88 para as linhas de
tendência dos graus-hora de resfriamento (GHr) e aquecimento (GHa),
respectivamente
Para Curitiba, a correlação efetuada entre as transmitâncias térmicas
ponderadas do envelope e os graus-hora obtidos apresentou coeficiente de
determinação (R²) igual a 0,85 e 0,89 para as linhas de tendência de graus-
hora de resfriamento (GHr) e aquecimento (GHr), respectivamente.
Para Fortaleza, devido a grande similaridade entre os graus-hora obtidos
para diferentes envelopes, a correlação foi baixa (R² = 0,31) entre a
transmitância térmica e os graus-hora de resfriamento. Para Fortaleza, não
existiu correlação entre a transmitância térmica e os graus-hora de
aquecimento, porque as edificações não apresentaram graus-hora de
aquecimento. As altas e constantes temperaturas típicas da região
influenciaram nas correlações, considerando as edificações naturalmente
ventiladas.
Através das análises acima, confirma-se a tendência de diminuição dos
graus-hora, tanto de resfriamento quanto de aquecimento, à medida que a
transmitância térmica também diminui. Logo, concluiu-se que a transmitância
térmica exerce uma forte influência sobre o desempenho térmico das
edificações simuladas.
4.6.2. Capacidade térmica e graus-hora
A correlação entre capacidade térmica e graus-hora não obteve
resultados que comprovassem uma forte influência da primeira sobre os
últimos, assim como no caso da transmitância térmica. Porém, é possível notar
que os graus-hora obtidos nos diversos casos sofreram uma certa influência da
capacidade térmica também. As Figuras 4.23, 4.24 e 4.25 ilustram as
correlações entre a capacidade térmica ponderada dos envelopes e os graus-
hora, referentes às cidades de Florianópolis, Curitiba e Fortaleza,
respectivamente. Assim como nas correlações anteriores, os oito envelopes
estão representados por oito marcadores, apesar de parecerem quatro devido
à sobreposição dos resultados muito similares.
84
Figura 4.23: Correlação entre a capacidade térmica e os graus-hora para
Florianópolis
Figura 4.24: Correlação entre a capacidade térmica e os graus-hora para
Curitiba
Figura 4.25: Correlação entre a capacidade térmica e os graus-hora para
Fortaleza
y = -7x + 6170 R² = 0,47
y = 3x - 1210 R² = 0,53
-10000
0
10000
20000
30000
0 100 200 300 400 500
Gra
us-h
ora
Capacidade Térmica (kJ/m².K)
GHr
GHa
y = -5x + 1872 R² = 0,59
y = 14x - 8139 R² = 0,60 -10000
0
10000
20000
30000
0 100 200 300 400 500
Gra
us-h
ora
Capacidade Térmica (kJ/m².K)
GHr
GHa
y = 4x + 29053 R² = 0,18
y = 0
-10000
0
10000
20000
30000
0 100 200 300 400 500
Gra
us-h
ora
Capacidade Térmica (kJ/m².K)
GHr
GHa
85
Para Florianópolis, a capacidade térmica influenciou em 47% os graus-
hora de resfriamento e em 53% os graus-hora de aquecimento. Para Curitiba,
as influências da capacidade térmica sobre os graus-hora foram levemente
superiores, chegando a valer 59% e 60%, para resfriamento e para
aquecimento, respectivamente. Para Fortaleza, a capacidade térmica teve uma
menor influência sobre os graus-hora, sendo de 18% para os GHr, e indiferente
para os GHa (visto que os mesmos foram sempre zero, independentemente do
envelope).
As análises realizadas acima, demonstram uma tendência de diminuição
dos graus-hora, tanto de resfriamento quanto de aquecimento, à medida que a
capacidade térmica aumenta. Logo, concluiu-se que a capacidade térmica
exerceu uma influência média sobre o desempenho térmico das edificações
simuladas.
86
5. Conclusões
Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de investigar a influência
dos elementos construtivos do envelope no desempenho térmico de
edificações residenciais unifamiliares. Foram efetuadas simulações
computacionais para posteriormente realizar análises de desempenho térmico
com os resultados das primeiras. Os objetivos específicos foram atendidos:
avaliar o desempenho térmico de edificações residenciais unifamiliares a partir
de suas características construtivas; obter e comparar resultados de um
mesmo modelo de edificação residencial unifamiliar para Florianópolis, Curitiba
e Fortaleza; verificar se a transmitância térmica ponderada e a capacidade
térmica ponderada do envelope possuem relação com o desempenho térmico
da edificação.
Analisando as temperaturas internas obtidas para a edificação em
Florianópolis, percebe-se que os envelopes isolantes obtiveram os melhores
resultados, apresentando valores mais constantes ao longo de todo o ano. Os
envelopes pesados também conseguiram obter bom desempenho tanto em
períodos frios quanto em períodos quentes. Já os envelopes leves tiveram seu
desempenho comprometido devido às maiores amplitudes térmicas dentro da
edificação. Para os envelopes simulados em Florianópolis, os graus-hora de
resfriamento foram sempre superiores aos graus-hora de aquecimento.
Utilizando os graus-hora como parâmetro de avaliação, o mesmo padrão
encontrado para Florianópolis, foi válido para Curitiba, onde os envelopes
isolantes e os envelopes pesados novamente obtiveram o melhor desempenho
térmico. Porém, neste caso, o maior problema estava nos graus-hora de
aquecimento, visto que Curitiba é mais fria que Florianópolis. Por outro lado,
nos casos simulados para Fortaleza não houve grandes diferenças percentuais
entre os resultados obtidos pelos diversos envelopes.
Através das correlações entre os parâmetros citados, verificou-se que a
transmitância térmica teve forte influência nos somatórios de graus-hora,
obedecendo à seguinte tendência: quanto menor a transmitância térmica,
menor o somatório de graus-hora e consequentemente, melhor o desempenho
térmico. É importante lembrar que os valores de transmitância térmica
ponderada do envelope oscilaram entre 1,32 e 3,40 W/m².K.
87
Em relação à correlação entre capacidade térmica e os graus-hora, os
resultados foram um pouco diferentes. Mesmo variando entre 100 e 429
kJ/m².K, os resultados indicaram que a capacidade térmica ponderada do
envelope não teve uma influência tão determinante quanto a transmitância
térmica, nos graus-hora. Ponderando os resultados das correlações entre as
três cidades, pode-se afirmar que a transmitância térmica teve forte influência
sobre os graus-hora (aproximadamente 80%), e a capacidade térmica teve
uma influência de quase 50% sobre os graus-hora obtidos.
Concluindo, pode-se afirmar que os elementos construtivos do envelope,
e suas propriedades térmicas, exerceram forte influência sobre o desempenho
térmico de edificações unifamiliares em Florianópolis e Curitiba.
5.2 Limitações
Para a realização das simulações, foram estabelecidos e fixados alguns
parâmetros. Estes parâmetros não variaram ao longo deste trabalho, nas
simulações realizadas. As limitações deste trabalho estão relacionadas aos
itens abaixo, pois poderiam ter sido considerados de formas diferentes.
a) ventilação natural;
b) contato com o solo;
c) rotinas adotadas;
d) cargas internas;
e) tipologia da edificação;
f) o próprio programa de simulação EnergyPlus;
g) quantidade de cidades analisadas.
88
5.3. Sugestões para trabalhos futuros
Os elementos construtivos são de grande importância para a obtenção
de um bom desempenho térmico da edificação, seja ela residencial ou
comercial. Entretanto, para cada clima e conjunto de parâmetros, há envelopes
mais apropriados. Algumas sugestões para a continuação deste trabalho estão
descritas abaixo:
a) Descobrir se é possível obter desempenho térmicos melhores
diminuindo ulteriormente a transmitância térmica ponderada do envelope, ou
aumentando os valores da capacidade térmica ponderada do envelope;
b) Analisar a variação de somente uma propriedade térmica ponderada
do envelope de cada vez (transmitância térmica ou capacidade térmica) e
mantendo a outra constante;
c) Determinar o desempenho energético das edificações, caso elas
fossem condicionadas artificialmente, utilizando um método de avaliação
adequado;
d) Realizar análises paramétricas combinando um maior número de
tipologias de paredes e coberturas.
89
Referências
ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 15.220: Desempenho
Térmico para Edificações. Rio de Janeiro, 2005.
ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 15.575: Edificações
de até cinco pavimentos. Rio de Janeiro, 2008.
ALMEIDA, M. A.; SCHAEFFER, R.; LA ROVERE, E. L. The potential for energy
conservation and peak load reduction in the residential sector of Brazil. Energy
and Buildings, v. 26, p. 413-429, 2001.
AHMED, A. A. E. M. A. Using simulation for studying the influence of vertical
shading devices on the thermal performance of residential buildings (Case
study: New Assiut City). Ain Shams Engineering Journal, v. 3, p. 163-174,
2012.
ANEEL. Agência Nacional de Energia Elétrica. Energia. Disponível em:
<http://www.aneel.gov.br/ >. Acesso em outubro de 2012.
ASTE, N.; ANGELOTTI, A.; BUZZETTI, M. The influence of the external walls
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BARRIOS, G.; HUELSZ, G.; RECHTMAN, R.; ROJAS, J. Wall/roof thermal
performance differences between air-conditioned and non air-conditioned
rooms. Energy and Buildings, v. 43, p. 219-223, 2011.
BARRIOS, G.; HUELSZ, G.; ROJAS, J.; OCHOA, J. M.; MARINCI, I. Envelope
wall/roof thermal performance parameters for non air-conditioned
buildings. Energy and Buildings, v. 50, p. 120-127, 2012.
90
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