XIV ENTAC - Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído - 29 a 31 Outubro 2012 - Juiz de Fora
O EFEITO DA CAPACIDADE TÉRMICA E DA RESISTÊNCIA
TÉRMICA DE PAREDES NO DESEMPENHO TÉRMICO DE
HABITAÇÃO NA CIDADE DE SÃO PAULO
Maria Akutsu(1); Adriana Camargo de Brito(1), Clarice Poubel Chieppe(2)
(1) Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT, e-mail: [email protected]; [email protected]
(2) Mestrado Profissional em Habitação - IPT, e-mail: [email protected]
Resumo
Este artigo apresenta os resultados de um estudo desenvolvido com o objetivo de elucidar
como as propriedades térmicas dos materiais empregados nas paredes de uma edificação,
caracterizadas pela resistência e pela capacidade térmica, afetam a sua inércia térmica.
Dessa forma, foram considerados dois materiais básicos, o poliestireno expandido e o
concreto, compondo elementos que representam respectivamente, elementos com alta
resistência térmica e elementos com alta capacidade térmica. Foram efetuadas simulações
computacionais para verificação do comportamento térmico de uma habitação térrea, com a
utilização do software EnergyPlus, considerando-se os dados climáticos do dia típicode
verão da cidade de São Paulo. Os resultados indicam a relevância dos valores da capacidade
térmica e da resistência térmica como indicadores da inércia térmica da edificação.
Palavras-chave: Inércia térmica, Desempenho térmico, Eficiência energética.
Abstract
This paper presents contributions to elucidate how the thermal properties of materials used
on the walls of a building, characterized by resistance and thermal capacity, affect its thermal
inertia, in order to assist designers in choosing the appropriate materials and construction
systems. Thus, we considered two basic materials, expanded polystyrene and concrete,
representing respectively, high thermal resistance elements and high thermal capacity
elements. Computer simulations were performed to verify the thermal behavior of a single
storey dwelling in the design phase, using EnergyPlus software. We considered the climatic
data of the summer design day, in the city of São Paulo. The results indicated the importance
of the values of thermal capacity and thermal resistance as indicators of thermal inertia.
Keywords: Thermal inertia, Thermal performance, Energy efficiency.
1. INTRODUÇÃO
A inércia térmica tem sido utilizada milenarmente como estratégia de condicionamento
passivo de edifícios visando a obtenção de condições térmicas adequadas ao ser humano, em
especial, em locais com alta amplitude da temperatura do ar. Edifícios com alta inércia
térmica geralmente possuem componentes construtivos com alta capacidade térmica, com o
uso de materiais com valores elevados de calor específico e massa específica, bem como
grandes espesuras. Entretanto, há outros fatores que interferem na inércia térmica de um
edifício, dos quais destaca-se a presença de isolantes térmicos e sua posição nos elementos
construtivos.
Atualmente, diante das crescentes preocupações ambientais, este conceito vem sendo
retomado por projetistas, tornando-se também objeto de estudo de diversos pesquisadores
(ASTE et al., 2007; BRITO et al., 2011; BRITO et al., 2011b; DI PERNA et al., 2011).
Mesmo a inércia térmica tendo grande potencial para contribuir para a melhoria do
3220
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desempenho térmico de edifícios, o conceito não tem sido utilizado no projeto de edifícios
atuais com frequência. Ao contrário, há uma forte tendência de uso de elementos leves,
geralmente pré-fabricados, na envoltória dos edifícios, priorizando questões relacionadas à
racionalidade construtiva e à diminuição de cargas nas fundações dos edifícios, muitas vezes
incorporando materiais isolantes térmicos com o intuito de aumentar a sua resistência térmica
e assim, “melhorar” o seu desempenho térmico. Sabe-se, no entanto, que somente a
resistência térmica das paredes de uma edificação não caracteriza completamente o seu
comportamento térmico: há a necessidade de se considerar também a sua capacidade térmica
(AKUTSU, 1998, 1999). Neste sentido, a mera aplicação de materiais isolantes témicos em
uma parede, aumentando-se a sua resistência térmica, sem considerar a consequente alteração
da sua capacidade térmica, pode piorar o seu desempenho témico.
O objetivo deste artigo é evidenciar a influência das propriedades térmicas dos materiais
empregados nas paredes de uma habitação, caracterizadas pela capacidade térmica e pela
resistência térmica, na inércia térmica da edificação.
2. MÉTODO
Foram realizadas simulações computacionais de uma habitação térrea, apresentada na Figura
1 (CDHU, 1997), em fase de projeto, utilizando-seo software EnergyPlus (USDOE, 2010),
que determina o comportamento térmico de edificações sob condições dinâmicas de
exposição ao clima. Foram considerados os dados climáticos dos dias típicos de verão da
cidade de São Paulo, que faz parte da Zona Bioclimática 3 (ABNT, 2005). A edificação foi
posicionada de tal maneira que o “Dormitório 2” apresentasse duas paredes expostas à
radiação solar direta, com a janela voltada para Oeste. Foram analisados os resultados
referentes a este dormitório por serem mais críticos que os da sala, e portanto, determinantes
do desempenho térmico da edificação, devido à sua maior proporção de área envidraçada em
relação à área do piso. As simulações foram realizadas considerando-se as janelas sem
sombreamento, com ventilação dos ambientes a uma taxa de 1 Ren/h (uma renovação do
volume de ar do ambiente por hora). Esta taxa ocorre normalmente por infiltração em
habitações típicas brasileiras, com portas e janelas fechadas.
A título conceitual, foram considerados dois materiais para as paredes da edificação,
poliestireno expandido e concreto, compondo elementos com alta resistência térmica e
elementos com alta capacidade térmica, respectivamente, e algumas combinações entre estes
dois materiais, resultando em 16 tipos de paredes, apresentados no Quadro 1, indicados por
letras de “A” a “P”. Com o objetivo de se verificar a influência da isolação térmica da
cobertura, foram definidos ainda, dois tipos diferentes de cobertura: uma composta por
telhado em telhas de fibrocimento com espessura de 6 mm, com forro em laje horizontal de
concreto, com espessura de 10 cm, e outra, considerando esta cobertura com uma camada de 5
cm de poliestireno expandido sobre a laje, resultando, portanto, em 32 alternativas de
combinações entre paredes e coberturas.
As características térmicas do concreto e do poliestireno expandido, estão apresentadas no
Quadro 2. Os valores da resistência térmica e da capacidade térmica das 16 alternativas de
paredes consideradas nas análises são apresentados no Quadro 3. Observe-se que a
determinação da capacidade térmica das alternativas de paredes com isolantes térmicos foi
feita conforme procedimento apresentado na Norma NBR 15.575 (ANBT, 2010): “No caso de
paredes que tenham na sua composição materiais isolantes térmicos de condutividade térmica
menor ou igual a 0,065 W/(m.K) e resistência térmica maior que 0,5 (m2.K/W), o cálculo da
capacidade térmica deve ser feito desprezando-se todos os materiais voltados para o ambiente
externo, posicionados a partir do isolante ou espaço de ar”.
3221
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Os resultados das simulações computacionais foram analisados tendo como base a
comparação entre os perfis de variação da temperatura do ar exterior e da temperatura do ar
interior do recinto considerado, ao longo do dia típico de verão, para as várias combinações
de tipos de paredes e de coberturas. Considerando-se que o perfil de variação da temperatura
do ar interior representa a resposta térmica da edificação exposta ao comportamento
apresentado pelo perfil de variação da temperatura do ar exterior, pode-se caracterizar a
inércia térmica de um recinto comparando-se o comportamento da temperatura do ar interior e
exterior ao longo de um dia: quanto mais atenuada a amplitude da temperatura do ar interior
em relaçao à amplitude da temperatura do ar exterior maior é a inércia térmica do ambiente.
Quadro 1 – Características das paredes, indicadas pelas letras A a N, combinadas com cobertura com isolante
térmico (1 a 16) e sem isolante térmico (17 a 32).
Descrição
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16
17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
A Concreto maciço com espessura de 1 cm x
B Concreto maciço com espessura de 2 cm
C Concreto maciço com espessura de 5 cm
Concreto maciço com espessura de 10
D
cm
Concreto maciço com espessura de 15
E
cm
Concreto maciço com espessura de 20
F
cm
Poliestireno expandido com espessura
G
de 1 cm
Poliestireno expandido com espessura
H
de 2 cm
Poliestireno expandido com espessura
I
de 5 cm
Poliestireno expandido com espessura
J
de 10 cm
Poliestireno expandido com espessura
K
de 15 cm
Poliestireno expandido com espessura
L
de 20 cm
Painel duplo de concreto com espessura
M de 5 cm e espaçamento de 5 cm entre
os painéis
Painel duplo de concreto com espessura
N de 5 cm e espaço interno de 5 cm
preenchido com poliestireno expandido
Mesma constituição da parede “M”,
O com 5 cm de poliestireno expandido na
face interna
Mesma constituição da parede “M”,
P com 5 cm de poliestireno expandido na
face externa
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
3222
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Figura 1 – Projeto arquitetônico da habitação considerada nas simulações, sem escala
Quadro 2 – Propriedades térmicas dos materiais utilizados nas simulações (ABNT, 2005).
Material
Concreto
Poliestireno expandido
Condutividade
térmica(W/m.K)
1.75
0.04
Massa específica (kg/m³)
Calor específico(kJ/kg.K)
2400
20
1
1.42
Quadro 3 – Valores da resistência térmica e da capacidade térmica das paredes.
Parede
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
14
30
15
31
16
32
Composição
Concreto Maciço
Poliestireno Expandido
Painel duplo de concreto
Painel duplo de concreto, com isolante no
interior
Painel duplo de concreto, com isolante na face
interna
Painel duplo de concreto, com isolante na face
externa
3223
Espessura
total (m)
R (Resistência
térmica)
(m².K/W)
0,01
0,02
0,05
0,10
0,15
0,20
0,01
0,02
0,05
0,10
0,15
0,20
0,15
0,006
0,01
0,03
0,06
0,09
0,11
0,25
0,50
1,25
2,50
3,75
5,00
0,22
C
(Capacidade
térmica)
(KJ/m².K)
24
48
120
240
360
480
0,28
0,57
1,42
2,84
4,26
5,68
240
0,15
1,31
120
0,20
1,31
-
0,20
1,31
240
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3. ANÁLISE DOS RESULTADOS
O gráfico apresentado na Figura 2 indica as temperaturas máximas e mínimas diárias do ar
interior de cada uma das 32 alternativas de edificação consideradas, bem como do ar exterior
no dia típico de verão, na Cidade de São Paulo.
Figura 2 – Temperaturas máximas e mínimas do ar exterior e do ar interior, por tipologia construtiva, no dia
típico de verão da Cidade de São Paulo
36
Temperatura do ar ( oC)
34
Temp. máxima do ar exterior
32
30
28
26
24
Temp. mínima do arexterior
22
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
A comparação entre as amplitudes diárias da temperatura do ar interior da edificação com as
diferentes tipologias, apresentadas na Figura 2, tendo em vista as propriedades térmicas das
paredes, apresentadas no Quadro 3, indica que:
a) As tipologias 1 a 16, com isolante térmico na cobertura, apresentam amplitudes diárias
significativamente menores que as das respectivas tipologias, 17 a 32, sem isolante
térmico na cobertura;
b) A amplitude diária para as tipologias 1 a 6 e 17 a 22, com paredes de concreto maciço,
decresce com o aumento da espessura. Neste caso, a capacidade térmica aumenta
proporcionalmente com o aumento da espessura da parede, enquanto que a variação da
resistência térmica é pouco significativa;
c) A amplitude diária para as tipologias 7 a 12 e 23 a 28, com paredes de poliestireno
expandido, também decresce com o aumento da espessura, porém, em proporções
diferentes das observadas com a parede de concreto: o decréscimo é acentuado entre
as espessuras de 1 a 5 cm, e varia de modo pouco significativo até a espessura de 20
cm. Neste caso, a resistência térmica aumenta proporcionalmente com o aumento da
espessura da parede, enquanto que a variação da capacidade térmica é pouco
significativa;
d) Tanto a amplitude diária quanto os valores máximos diários da temperatura do ar
interior são sempre significativamente maiores para as tipologias com paredes de
poliestireno expandido, comparando-se com as tipologias com paredes de concreto
com mesma espessura. Para as tipologias com paredes de poliestireno expandido, sem
isolante térmico na cobertura, a temperatura máxima do ar interior é sempre maior que
a temperatura máxima do ar exterior. A título de exemplo, são apresentados na Figura
3, os perfis diários da variação da temperatura do ar exterior e interior para as
tipologias 20 e 26, que correspondem à edificação com paredes de concreto e de
poliestireno expandido com 10 cm de espessura e cobertura sem isolante térmico;
3224
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e) A amplitude diária para as tipologias com paredes duplas de concreto e isolante
térmico na face interna, é significativamente maior se comparada com as tipologias
com paredes iguais e isolante térmico na face externa, para a edificação com ou sem
isolante térmico na cobertura. Este efeito é ilustrado na Figura 4, onde se pode
observar o perfil de variação diária da temperatura do ar exterior e do ar interior das
edificações com as tipologias 31 e 32;
f) As tipologias 6, 14 e 16 apresentam mesma amplitude diária, embora tenham paredes
diferentes, constituidas respectivamente por: 20 cm de concreto, painel duplo de
concreto com isolante no interior e painel duplo de concreto com isolante na face
externa. Estes casos são exemplos típicos em que se obtém a mesma resposta térmica
da edificação com paredes apresentando diferentes combinações de valores de
resistência e de capacidade térmica.
Figura 3 – Temperatura horária do ar exterior e do ar interior, no dia típico de verão da Cidade de São Paulo,
com emprego das tipologias 20 e 26
34
Temperatura do ar (oC)
32
30
28
26
24
22
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Horário (h)
Exterior
20
26
Figura 4 – Temperatura horária do ar exterior e do ar interior, no dia típico de verão da Cidade de São Paulo,
com emprego das tipologias 31 e 32.
34
Temperatura do ar (oC)
32
30
28
26
24
22
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Horário (h)
Exterior
3225
31
32
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4. CONCLUSÃO
As análises realizadas considerando-se as condições climáticas da cidade de São Paulo, com
amplitude de variação diária da tempertura do ar da ordem de 10º C, evidenciam a
importância da inércia térmica da edificação para se conseguir uma atenuação da amplitude de
variação diária da temperatura do ar interior, tendo em vista reduzir assim, os valores
máximos da temperatura do ar interior num dia típico de verão.
A inércia térmica da edificação depende não somente das características térmicas das
paredes, como também, da isolação térmica da cobertura. A presença de material isolante
térmico na cobertura propicia aumento significativo da inércia térmica da edificação,
caracterizada pela dimuição das amplitudes diárias da temperatura do ar interior.
De modo geral, o aumento da capacidade térmica das paredes propicia elevação na inércia
térmica da edificação, o que não ocorre com o simples aumento da resistência térmica das
paredes. Entretanto, diminuições da capacidade térmica da parede podem ser compensadas
com o aumento da resistência térmica em proporções que dependem também das
características de isolação térmica da cobertura.
REFERÊNCIAS
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