RODRIGO PORTO OLIVEIRA
UTILIZAÇÃO DE UM APLICATIVO DE SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL
NA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO TÉRMICO DE PROTÓTIPO DE
HABITAÇÃO DE INTERESSE SOCIAL (HIS)
NATAL - RN
MARÇO DE 2010
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ARQUITETURA E URBANISMO
RODRIGO PORTO OLIVEIRA
UTILIZAÇÃO DE UM APLICATIVO DE SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL
NA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO TÉRMICO DE PROTÓTIPO DE
HABITAÇÃO DE INTERESSE SOCIAL (HIS)
NATAL - RN
MARÇO DE 2010
Catalogação da Publicação na Fonte. UFRN / Biblioteca Setorial de
Arquitetura
Oliveira, Rodrigo Porto.
Utilização de um aplicativo de simulação computacional na avaliação
de desempenho térmico de protótipo de habitação de interesse social
(HIS) / Rodrigo Porto Oliveira. – Natal, RN, 2010.
124 f.: il.
Orientador: Virgínia Maria Dantas de Araújo.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do
Norte. Centro de Tecnologia. Departamento de Arquitetura.
1. Habitação – Dissertação. 2. Desempenho térmico – Dissertação. 3.
Simulação computacional – Dissertação. 4. DesignBuilder – Dissertação.
I. Araújo, Virgínia Maria Dantas de. II. Universidade Federal do Rio
Grande do Norte. III. Título.
RN/UF/BSE-ARQ
CDU 728.1
RODRIGO PORTO OLIVEIRA
UTILIZAÇÃO DE UM APLICATIVO DE SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL
NA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO TÉRMICO DE PROTÓTIPO DE
HABITAÇÃO DE INTERESSE SOCIAL (HIS)
Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Arquitetura e Urbanismo, PPGAU,
da Universidade Federal do Rio Grande do Norte,
UFRN, tendo como Orientadora, a Professora
Doutora Virgínia Maria Dantas de Araújo, como
requisito à obtenção do título de Mestre em
Arquitetura e Urbanismo
NATAL - RN
MARÇO DE 2010
Ao meu pai, exemplo nesta difícil caminhada;
Á minha mãe, minha fortaleza.
AGRADECIMENTOS
A Deus, grande criador do universo;
À minha esposa Milena, pela paciência, compreensão e essencial amor;
À minha orientadora Virgínia Araújo, pelo valoroso e essencial trabalho na condução
dessa pesquisa;
Ao colega, arquiteto Leonardo Cunha, pela grande ajuda em horas difíceis, na
realização de diversas tarefas deste trabalho;
À professora Flora Mendes, pelo incentivo fundamental à realização do mestrado;
Ao professor George Marinho, pela disponibilidade e cessão do protótipo do projeto
Habitare, essencial na realização deste trabalho;
Ao CNPq, pela bolsa concedida;
À amiga e colega, arquiteta Sheila Oliveira de Carvalho, pelo incentivo em horas
difíceis;
Aos meus amigos que, de uma forma geral, colaboraram com esta pesquisa;
RESUMO
A presente dissertação de mestrado teve como objetivo estudar comparativamente os
dados das temperaturas do ar internas simuladas através de um aplicativo computacional
de simulação térmica, o DesignBuilder 1.2, e os dados registrados in loco através do
HOBO® Temp Data Logger, em protótipo de Habitação de Interesse Social (HIS), localizado
no Campus Central da Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN. O referido
protótipo foi projetado e construído buscando estratégias de conforto térmico recomendadas
para o clima do local de estudo, e construído com painéis de concreto celular pela
Construtora DoisA, interventora do projeto de pesquisa REPESC – Rede de Pesquisa em
Eficiência Energética de Sistemas Construtivos, integrante do programa Habitare. A
metodologia utilizada partiu da problemática, realizando uma revisão bibliográfica, que
levantou os principais aspectos relacionados às simulações computacionais de
desempenho térmico de edificações, como a caracterização climática da região objeto de
estudo e às exigências de conforto térmico de usuários. O aplicativo computacional
DesignBuilder 1.2 foi o utilizado como ferramenta de simulação, realizando alterações
teóricas no protótipo e comparando-os com os parâmetros de conforto térmico adotados,
com base na literatura técnica atual da área. As análises dos resultados dos estudos
comparativos foram realizadas através de saídas gráficas para a compreensão das
amplitudes de temperatura do ar e situações de conforto térmico. Os dados utilizados para a
caracterização da temperatura do ar externa foi o Test Reference Year (TRY), definidos
para a região de estudo (Natal-RN). Neste sentido, também foram realizados estudos
comparativos do TRY com os dados registrados nos anos 2006, 2007 e 2008, na estação
climática Davis Precision Station, localizada no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais –
INPE-CRN, em terreno contíguo ao Campus Central da UFRN. Dos estudos comparativos
entre as simulações computacionais e os registros in loco realizados no protótipo objeto de
estudo, conclui-se que simulações em edificações naturalmente ventiladas é uma tarefa
complexa devido às limitações dos aplicativos, principalmente devido à complexidade do
fenômeno de escoamento do ar, da influência das condições de contorno da área e dos
registros climáticos. Por fim, quanto à utilização do aplicativo DesignBuilder 1.2 no presente
estudo, pode-se definir como uma boa ferramenta de simulação computacional. Todavia, há
necessidade de alguns ajustes para maior confiabilidade na sua utilização, tendo a
necessidade de continuação da pesquisa considerando a ocupação de usuários no
protótipo, bem como as cargas térmicas de equipamentos, no sentido de aferição de sua
sensibilidade.
Palavras chave: Desempenho térmico; Simulação computacional; DesignBuilder.
ABSTRACT
This Masters’ Degree dissertation seeks to make a comparative study of internal air
temperature data, simulated through the thermal computer application DesignBuilder 1.2,
and data registered in loco through HOBO® Temp Data Logger, in a Social Housing
Prototype (HIS), located at the Central Campus of the Federal University of Rio Grande do
Norte – UFRN. The prototype was designed and built seeking strategies of thermal comfort
recommended for the local climate where the study was carried out, and built with panels of
cellular concrete by Construtora DoisA, a collaborator of research project REPESC – Rede
de Pesquisa em Eficiência Energética de Sistemas Construtivos (Research Network on
Energy Efficiency of Construction Systems), an integral part of Habitare program. The
methodology employed carefully examined the problem, reviewed the bibliography,
analyzing the major aspects related to computer simulations for thermal performance of
buildings, such as climate characterization of the region under study and users’ thermal
comfort demands. The DesignBuilder 1.2 computer application was used as a simulation
tool, and theoretical alterations were carried out in the prototype, then they were compared
with the parameters of thermal comfort adopted, based on the area’s current technical
literature. Analyses of the comparative studies were performed through graphical outputs for
a better understanding of air temperature amplitudes and thermal comfort conditions. The
data used for the characterization of external air temperature were obtained from the Test
Reference Year (TRY), defined for the study area (Natal-RN). Thus the author also
performed comparative studies for TRY data registered in the years 2006, 2007 and 2008, at
weather station Davis Precision Station, located at the Instituto Nacional de Pesquisas
Espaciais – INPE-CRN (National Institute of Space Research), in a neighboring area of
UFRN’s Central Campus. The conclusions observed from the comparative studies
performed among computer simulations, and the local records obtained from the studied
prototype, point out that the simulations performed in naturally ventilated buildings is quite a
complex task, due to the applications’ limitations, mainly owed to the complexity of air flow
phenomena, the influence of comfort conditions in the surrounding areas and climate
records. Lastly, regarding the use of the application DesignBuilder 1.2 in the present study,
one may conclude that it is a good tool for computer simulations. However, it needs some
adjustments to improve reliability in its use. There is a need for continued research,
considering the dedication of users to the prototype, as well as the thermal charges of the
equipment, in order to check sensitivity.
Key-words: Thermal performance; Computer simulation; DesignBuilder.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 01: Imagem da região de Natal-RN
24
Figura 02: Climas controlados por massas de ar
25
Figura 03: Gráfico da temperatura do ar média nos períodos diários de Natal
28
Figura 04: Carta com estratégias bioclimáticas para Natal
33
Figura 05: Foto da Estação climática Davis Precision Weather Station,
localizada no INPE-CRN
40
Figura 06: Velocidade interna em função da relação do tamanho das
aberturas e direção dos ventos para 45º e 90.
43
Figura 07: Fluxograma da Metodologia Proposta para a pesquisa.
50
Figura 08: Planta baixa do protótipo de Habitação de Interesse Social.
46
Figura 09: Perspectiva do protótipo de Habitação de Interesse Social.
52
Figura 10: Foto da fachada frontal do Protótipo
53
Figura 11: Foto da fachada posterior do Protótipo
53
Figura 12: Tela de definição da espessura e material de cada camada
55
Figura 13: Tela de composição das camadas escolhidas.
55
Figura 14: Tela de características Físicas como transmitância térmica e
absortância já calculados pelo DesignBuilder após a escolha das camadas e
materiais
56
Figura 15: Tela de dados do Local ou Location Data.
57
Figura 16: Tela de dados de ocupação do edifício, desde as taxas
metabólicas até listagem de equipamentos presentes no interior do
edifício.
58
Figura 17: Tela de dados de elementos construtivos do objeto modelado
59
Figura 18: Tela de definição da operação de aberturas.
60
Figura 19: Tela de definição do tipo de iluminação artificial, bem como a
operação das luminárias e o calor gerado por elas no ambiente interno.
61
Figura 20: Tela de definição do controle do ar-condicionado e ventilação
natural,alem dos níveis de infiltração de ar externo no interior do modelo.
62
Figura 21: Fluxograma dos Gerenciadores que organizam o funcionamento do
DesignBuilder 1.2.
64
Figura 22: Localização do protótipo de Habitação de Interesse Social no
Campus Central da UFRN.
66
Figura 23: Gráfico do comportamento dos dias típicos de temperatura para a
região de estudo.
67
Figura 24: HOBO, para as medições de temperatura do ar
68
Figura 25: Planta Baixa do Protótipo utilizado como objeto de estudo nas
medições e indicação da localização da aparelhagem.
72
Figura 26: Foto da fixação dos dataloggers no interior do protótipo em
estudo
72
Figura 27: Tela do protótipo modelado no DesignBuilder 1.2 sem as
proteções das aberturas – primeira modelagem para
arquivamento dos resultados, para posterior comparação com a
modelagem do projeto original (com proteções).
73
Figura 28: Planta baixa do protótipo em sua real implantação.
74
Figura 29: Gráfico de freqüência de horas em que o protótipo base
se encontra dentro da Zona de Conforto escolhida para
análise neste estudo.
77
Figura 30: Gráfico de cargas de aquecimento e resfriamento
do protótipo modelado sem proteções solares.
78
Figura 31: Gráfico de freqüência de horas em que o
protótipo base se encontra dentro da Zona de Conforto escolhida,
em relação ao caso base.
80
Figura 32: Gráfico de cargas de aquecimento e resfriamento do
protótipo modelado rotacionado 60° no sentido anti-horário
81
Figura 33: Gráfico de freqüência de horas dentro da zona de
conforto escolhida em relação ao meio externo e o caso base.
83
Figura 34: Gráfico de cargas de aquecimento e resfriamento do protótipo
modelado.
84
Figura 35: Gráfico de freqüência de horas dentro da zona de Conforto
escolhida em relação ao meio externo e o caso base.
85
Figura 36: Gráfico de cargas de aquecimento e resfriamento do protótipo
modelado.
86
Figura 37: Gráfico de freqüência de horas dentro da zona de
Conforto escolhida em relação ao meio externo e o caso base.
88
Figura 38: Gráfico de cargas de aquecimento e resfriamento do protótipo
modelado.
89
Figura 39: Gráfico de freqüência de horas dentro da zona de
Conforto escolhida em relação ao meio externo e o caso base.
91
Figura 40: Gráfico de cargas de aquecimento e resfriamento do protótipo
modelado.
92
Figura 41: Gráfico de freqüência de horas dentro da zona de
Conforto escolhida em relação ao meio externo e o caso base.
93
Figura 42: Gráfico de cargas de aquecimento e resfriamento do protótipo
modelado.
94
Figura 43: Foto da vedação das aberturas do protótipo
95
Figura 44: Gráfico de freqüência de horas dentro da zona de Conforto
escolhida em relação ao meio externo e o caso base.
96
Figura 45: Gráfico das temperaturas internas medidas e simuladas
da Zona 2, referente ao quarto da frente da HIS em análise
97
Figura 46: Gráfico das temperaturas internas medidas e simuladas da
Zona 4, referente cozinha da HIS em análise.
97
Figura 47: Gráfico das temperaturas internas medidas e simuladas
da Zona 3, referente ao quarto fundos da HIS em análise.
98
Figura 48: Comparação entre os dados de temperatura externa TRY e os
coletados na estação do INPE-CRN, em um dia típico no período de
medição.
101
Figura 49: Comparação entre os dados de temperatura externa TRY e os
coletados na estação do INPE-CRN, em médias.
102
Figura 50: Gráfico das temperaturas internas das Zonas térmicas
dos dados simulados no primeiro dia de medições.
103
Figura 51: Gráfico das temperaturas internas das Zonas térmicas
dos dados medidos no primeiro dia de medições
104
Figura 52: Gráfico comparativo das temperaturas internas medidas
e simuladas da Zona 2, referente ao quarto da frente,
em todos os dias de medição.
105
Figura 53: Gráfico comparativo das temperaturas internas medidas
e simuladas da Zona 2, referente ao quarto da frente,
em um dia típico no período de medições.
105
Figura 54: Gráfico comparativo das temperaturas internas medidas
e simuladas da Zona 2, referente ao quarto dos fundos,
em todos os dias de medição.
106
Figura 55: Gráfico comparativo das temperaturas internas medidas
e simuladas da Zona 3, referente ao quarto dos fundos, em um dia
no período de medições.
107
Figura 56: Gráfico comparativo das temperaturas internas medidas
e simuladas da Zona 4, referente à média de temperaturas da sala e
cozinha, em todos os dias de medição.
108
Figura 57: Gráfico comparativo das temperaturas internas medidas e
simuladas da Zona 3, referente à média entre sala e cozinha, em um
dia típico no período de medições.
108
LISTA DE TABELAS
Tabela 01: Temperatura de conforto térmico para climas quentes
e úmidos e/ou países tropicais em desenvolvimento
34
Tabela 02: Características dos materiais construtivos básicos do
protótipo de HIS modelada no DesignBuilder 1.2.
75
LISTA DE QUADROS
Quadro 01: Nomenclatura dos Ambientes da HIS
103
LISTA DE SIGLAS E ABREVIAÇÕES
ASHRAE
CIBSE
CNPq
UFRN
American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers
Chartered Institute of Buildings Services Engineering
Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
LABCON
DOE
HVAC
PROCEL
TRY
Laboratório de Conforto Ambiental do curso de Arquitetura e Urbanismo
TMY
PPGAU
ABNT
Tipical Meteorological Year
Programa de Pós Graduação em Arquitetura e Urbanismo
Associação Brasileira de Normas Técnicas
APO
HIS
IPT
EPE
Avaliação Pós Ocupação
Habitação de Interesse Social
Instituto de Pesquisas Tecnológicas
Empresa de Pesquisa Energética
INEMET
Instituto Nacional de Meteorologia
CFD
Computational Fluid Dynamics
DFC
Dinâmica Computacional dos Fluidos
Department of Energy of U.S.A.
Heating, Ventilation and Air Conditioning
Programa Nacional de Combate ao Despedício de Energia Elétrica
Test Reference Year
REPESC Rede de Pesquisa em Eficiência Energética de Sistemas Construtivos
PBCP
Associação Brasileira de Cimento Portland
Sumário
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
LISTA DE SIGLAS E ABREVIAÇÕES
RESUMO
ABSTRACT
INTRODUÇÃO
15
1.0. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
19
1.1. A Produção da Arquitetura e o Desempenho Térmico
19
1.2. Características climáticas da região de estudo
24
1.2.1. Estratégias Bioclimáticas recomendadas para o Clima Quente e
Úmido
26
1.3. Critério de Conforto Térmico para a região de estudo
29
1.4. Simulação computacional do Desempenho Térmico de Edificações
36
1.4.1
Variáveis Climáticas
38
1.4.2
Variáveis de Projeto
43
2.0 METODOLOGIA
50
2.1. O Objeto de Estudo
53
2.2. O DesignBuilder 1.2 como ferramenta de Simulação
54
2.2.1. Metodologias de Cálculo do DesignBuilder
63
2.3. Plano de Medições
67
2.4. Tratamento dos Dados Climáticos
71
2.5. Simulações
72
2.5.1
Limitações e Simplificações do Aplicativo
74
2.5.2
Simulação do Protótipo nas condições reais de implantação
75
3.0 RESULTADOS E DISCUSSÕES
80
3.1. Simulação do Protótipo – alteração 01
80
3.2. Simulação do Protótipo – alteração 02
83
3.3. Simulação do Protótipo – alteração 03
85
3.4. Simulação do Protótipo – alteração 04
88
3.5. Simulação do Protótipo – alteração 05
91
3.6. Simulação do Protótipo – alteração 06
93
3.7. Experiência com o protótipo totalmente fechado
95
3.8. Considerações sobre as simulações
100
3.9. Resultados obtidos por medições no local
101
4.0 CONSIDERAÇÕES FINAIS
111
5.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
115
6.0 APÊNDICE
122
INTRODUÇÃO
O problema da adequação da arquitetura ao clima tem sido objeto de
estudo em grandes centros de pesquisa. Porém, países desenvolvidos, que outrora
eram símbolos de estilo hightech, com muito vidro e aço, agora retomam os
materiais menos agressivos ao meio natural, e se preocupam com estratégias para
poupar energia, respeitando a natureza e o entorno onde se insere e, sobretudo,
promovendo o conforto, sem esquecer a questão estética. A redução do impacto
ambiental gerado pelas edificações nos países desenvolvidos é uma das grandes
preocupações de seus gestores. Para exemplificar isto, cita-se aqui os Estados
Unidos que, segundo Edwards (2004), é o país que mais consome energia no
mundo. Somente no setor residencial são consumidos 21% do total de energia
gerada. A preocupação em desenvolver métodos de desempenho térmico nas
habitações americanas se deve à grande quantidade de aparelhos de resfriamento
e/ou aquecimento de ar. Este dado está diretamente relacionado ao alto padrão de
vida dos cidadãos do país, que têm condições de arcar com as despesas geradas
pelos equipamentos de condicionamento artificial.
Em países em desenvolvimento, como o Brasil, o cenário é diferente. Os
critérios de avaliação do desempenho térmico de edificações, adotados em países
como os EUA, são inapropriados para o clima tropical brasileiro. O baixo número
de aparelhos de condicionamento de ar no país também representa um obstáculo à
validação desses critérios, já que esses softwares foram desenvolvidos para climas
onde só é possível reproduzi-los com esses aparelhos. Pode-se acrescer isso ao
baixo poder aquisitivo da população, trazendo para a maioria das habitações
brasileiras, sistemas de ventilação mecânica ou passiva. Existem normas que são
15
empregadas na avaliação de conforto de edificações, como a ISO-7730 (2005) e a
ASHRAE Standard 55 (2004). A primeira contém estudos dos modelos adaptativos
adotados por Fanger (1972). A última inclui estudos de um modelo adaptativo de
conforto térmico. Porém, o uso destas normas só é aceito pela falta de referências
adequadas, o que torna essencial a avaliação do conforto térmico de cada região, e
suas devidas condições e peculiaridades. Segundo Jones (2002), todos os modelos
térmicos nas normas de conforto são no máximo uma aproximação da realidade, ou
seja, desenvolvidos a partir de determinadas condições.
No Brasil, existem normas de desempenho térmico e energético, dentre
elas a NBR-15220 (ABNT, 2005) - Desempenho térmico de edificações - Parte 3:
Zoneamento Bioclimático Brasileiro e Diretrizes Construtivas para Habitações
Unifamiliares de Interesse Social, que trazem recomendações para a melhoria do
comportamento térmico e energético dos edifícios brasileiros. No nordeste
brasileiro, mais precisamente em Natal-RN, estudos sobre o assunto já foram
desenvolvidos pelo Programa de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanismo da
Universidade Federal do Rio Grande do Norte (PPGAU-UFRN), por Araújo (2001)
e Oliveira (2006) . O primeiro, de Araújo (2001), realizou um estudo de campo em
edificações escolares e seus usuários, determinando parâmetros das variáveis
ambientais que propiciam o conforto térmico, a partir da APO (Avaliação PósOcupação), confrontando-os com os índices de conforto térmico comumente
utilizados no Brasil, a fim de validar a adoção de algum deles à realidade do objeto
de estudo. O trabalho deixou claro que merece estudos posteriores, com o intuito de
correlacionar os dados encontrados com a inércia térmica das edificações
pesquisadas, no sentido de comprovar as recomendações de projeto adotadas para
Natal-RN. Já o trabalho desenvolvido por Oliveira (2006) abordou questões
relacionadas ao desempenho térmico de habitações unifamiliares no clima quente e
úmido e sua avaliação através de simulação computacional, na fase de projeto,
buscando uma forma de melhor analisar a decisão arquitetônica e assim promover o
entendimento do comportamento térmico dessas habitações. Foi escolhido o
programa VisualDOE (DOE, 2008), disponível na época, e que, segundo o próprio
16
Oliveira (2006), apresentou limitações quanto à medição da velocidade do ar,
propondo estudos futuros com programas mais avançados.
Assim, o presente estudo busca trabalhar com dados de temperatura do
ar coletados em um protótipo de Habitação de Interesse Social (HIS), localizado no
Campus Central da UFRN, na cidade de Natal, de clima quente e úmido de baixa
latitude, semelhante ao existente em algumas cidades litorâneas do nordeste
brasileiro.
Nas simulações, foi utilizado o aplicativo computacional DesignBuilder
1.2, recentemente desenvolvido pela DesignBuilder Software (DESIGNBUILDER,
2008). Há hipótese que o DesignBuilder é capaz de fornecer excelentes resultados,
que serão comparados e discutidos ao longo deste trabalho.
Este estudo poderá fornecer à área de conhecimento da Arquitetura e
Urbanismo informações pertinentes a melhores formas de projeto com o uso de
simulação térmica. Assim, os resultados desta pesquisa poderão contribuir para um
melhor aproveitamento dos recursos naturais disponíveis no local de projeto,
promovendo, a longo prazo, uma economia de energia por parte do setor residencial
da cidade de Natal, no Estado do Rio Grande do Norte.
O aplicativo utilizado é capaz de fornecer dados de temperaturas do ar
internas e externas (°C), umidade relativa do ar (%), dentre outros, necessários à
avaliação de desempenho térmico do objeto arquitetônico, fornecendo subsídio à
propostas de melhorias projetuais que podem levar o mesmo ao equilíbrio térmico.
O objeto de estudo é definido como o desempenho térmico de um
protótipo de Habitação de Interesse Social (HIS) condicionado passivamente. A
pesquisa está contextualizada para o clima da cidade de Natal no Estado do Rio
Grande do Norte – RN (Latitude 5º55’, Longitude 35º15’), pertencente à Zona
Bioclimática Z8, clima quente úmido, de acordo com a norma da ABNT 15-220, de
Desempenho Térmico de Edificações – Parte 3, que divide o país em oito zonas
bioclimáticas homogêneas quanto ao clima (ABNT, 2005).
17
Este trabalho está estruturado em cinco partes. Na Introdução, estão
expostos: a problemática, os objetivos, a relevância deste estudo, a contextualização
e a estrutura.
No Capítulo da Revisão Bibliográfica estão apresentados assuntos
referentes à arquitetura bioclimática, sustentabilidade, desempenho térmico de
edificações, conforto térmico, e outros. Além disso, será apresentado o clima da
cidade objeto de estudo, fazendo um link com a simulação computacional e
apresentação do DesignBuilder, aplicativo escolhido para esta pesquisa. Em
seguida, serão apresentadas estratégias bioclimáticas para o clima quente e úmido,
analisando as principais variáveis envolvidas rumo à melhor situação térmica local.
No Capítulo da Metodologia, são apresentados procedimentos de
pesquisa, tais como materiais e ferramentas utilizadas nas medições in loco, as
variáveis a serem utilizadas na avaliação de conforto térmico do protótipo.
O Capítulo 4 se inicia com a apresentação dos resultados obtidos nas
simulações e medições in loco, sendo em seguida esses resultados analisados e
discutidos, a fim de testar a sensibilidade do aplicativo computacional utilizado
como ferramenta de avaliação de desempenho térmico de edificações em locais de
clima quente e úmido de baixa latitude.
No Capítulo 5, Considerações Finais e Conclusões é feita uma análise
dos resultados, sendo posteriormente apresentadas as limitações e dificuldades de
metodologia, sendo feitas recomendações para estudos futuros sobre a
problemática.
18
1.0.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.1. A PRODUÇÃO DA ARQUITETURA E O DESEMPENHO TÉRMICO
A evolução tecnológica pós-Revolução Industrial modificou o panorama
da concepção arquitetônica. O arquiteto foi direcionado a buscar soluções distantes
das que levavam em consideração os elementos naturais. Embora fossem
encontrados nesse período exemplos arquitetônicos notáveis nos quais se
identificam a manutenção de princípios bioclimáticos, os desenvolvimentos na área
de sistemas estruturais, na produção do vidro e, posteriormente, no advento da luz
elétrica contribuíram para retirar a função de fontes de luz primárias (JANNUZZI,
DANELLA e SILVA, 2004).
O embargo do petróleo no início da década de 70 e o conseqüente
aumento dos preços da energia levaram a sociedade a forçar os setores a reavaliar
suas praticas de uso desta. Medidas emergenciais, como conservar os recursos
simplesmente por não usá-los, deram início a um movimento pela conscientização
do uso racional de energia.
O embargo acabou, porém os preços continuaram elevados e, além
disso, a sociedade foi forçada a encarar e apontar soluções para a crescente
degradação ambiental do planeta. Com essa pressão e a oportunidade de uma
resposta mais sensível e efetiva para uma mudança de perspectiva no projeto do
ambiente construído, a atenção tem se voltado para estratégias de eficiência
energética através do uso mais racional dos recursos naturais.
19
Ainda de acordo com Jannuzzi, Danella e Silva (2004), em 1981 foi
criado o CONSERVE pelo Conselho Nacional de Petróleo. Foi o primeiro
programa de eficiência energética de peso em nível nacional e estava sob a
coordenação do então Ministério da Indústria e Comércio. O objetivo desse
programa era a conservação de energia e a substituição de derivados do petróleo por
eletricidade no setor industrial. Paralelamente, o Instituto de Pesquisas
Tecnológicas – IPT, também elaborou uma série de estudos e materiais de
divulgação nesse sentido. Observou-se que a conservação da energia ficou muito
aquém do esperado, se considerado o forte período de recessão industrial verificado
no início da década de 80. Somente os setores de Papel e Celulose e de Siderurgia
obtiveram resultado expressivo, e em menor quantidade, os setores Energético e
Petroquímico.
Em 1985, foi criado o Programa de Combate ao Desperdício de Energia
Elétrica - PROCEL. O foco inicial do PROCEL estava voltado ao combate ao
desperdício de eletricidade, tanto na produção, quanto no uso da energia elétrica. Na
década de 90, o programa teve seu escopo ampliado, tornando-se um programa de
governo, e não mais setorial. Atualmente, o programa é coordenado pelo Ministério
de Minas e Energia e executado pela ELETROBRÁS. O financiamento dos projetos
conta com recursos do Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social –
BNDES, e da própria ELETROBRÁS. No período de 1994 a 2003, o PROCEL
conseguiu evitar a geração adicional de 15.775 GWh de energia elétrica (PROCEL,
2003).
Mesmo com programas de conservação de energia promovidos, observase muitas vezes em diversos projetos o descaso com esse critério, de forma que o
profissional da arquitetura e engenharia não tem contemplado seus trabalhos com
diretrizes de eficiência energética.
Se para o cliente ou investidor o interesse e o apoio a uma posição de
uso mais eficiente da energia passam por uma análise de custo-benefício, para o
arquiteto a questão é bastante diferente (LAMBERTS, DUTRA E PEREIRA,
2004). A tarefa assume outra magnitude, exigindo uma reavaliação dos métodos e
20
estratégias de projeto. Isso exige a retomada de um conhecimento básico necessário
para o resgate da função perdida de projetista integrador.
Ainda que as fundamentais decisões pautadas com o desempenho da
edificação sejam tomadas pelo projetista, o trabalho deste profissional vem
apontado para seu descuido para com o desempenho térmico e energético. A
principal causa é a falta de entendimento do impacto das decisões sobre os
fenômenos físicos que ocorrem entre as condições de contorno, a edificação e o seu
usuário. A partir daí, observa-se o não comprometimento com o atendimento às
condições térmicas e fatores climáticos favoráveis ao usuário no ambiente
construído, implicando na perda do bem-estar físico e mental, em baixa
produtividade, ou até mesmo no comprometimento da saúde dos usuários das
edificações projetadas.
Os fatores climáticos atuam de forma intrínseca na natureza. A ação
simultânea das variáveis climáticas terá influência no espaço arquitetônico
construído. Segundo Lamberts, Dutra e Pereira (2004), as variações climáticas são
atribuídas a elementos de controle, tais como: proximidade à água (pois a água se
aquece ou esfria mais rapidamente que a terra), altitude (a temperatura do ar tende a
diminuir com o aumento da altitude), barreiras montanhosas e correntes oceânicas.
As cidades estão crescendo em ritmo cada vez mais acelerado e com elas
as indústrias e atividades urbanas proliferam. A cobertura vegetal dá lugar a
inúmeros tipos de materiais, com diferentes comportamentos térmicos, tornando a
paisagem cinzenta e agravando cada vez mais a situação climática. Dessa forma, a
área urbana se torna mais quente que a área rural durante parte do dia e a maior
parte da noite. Nas noites de verão, pouca diferença é percebida na temperatura,
mesmo após as áreas periféricas já terem dispersado grande parte do calor do dia.
Santamouris, em pesquisas de 2001 em 30 cidades e áreas suburbanas próximas a
Atenas, encontrou diferenças de temperatura de até 15ºC e em média de 10ºC
(SANTAMOURIS apud WILLIAMSON, 2001).
21
Este fenômeno é conhecido como ilha de calor que, além de gerar
desconforto, aumenta gradativamente o consumo de energia, visto que as altas
temperaturas urbanas fazem crescer a demanda de eletricidade para resfriamento.
Oliveira (2007) afirma que muitas vezes se confunde crescimento com
desenvolvimento. O crescimento pode ser compreendido como um aumento
quantitativo do uso de materiais e energia. Desenvolvimento é a melhoria
qualitativa no uso feito dos recursos. O desenvolvimento pode decorrer de uma
melhoria técnica, que minimiza a utilização de recursos, ou de uma compreensão
mais profunda de propósito, que minimiza o consumo. O estado estável é quando as
retiradas de recursos naturais são mantidas constantes. Em um estado estável pode
haver desenvolvimento, mas não ocorre crescimento. Assim, o desenvolvimento
pode levar a um aumento do estoque de artefatos, por conta de um melhor uso dos
recursos e como resultado do progresso técnico.
De acordo com a Empresa de Pesquisa Energética - EPE (2006),
considerando-se a elevação do poder aquisitivo de significativa parcela da
população brasileira a partir de planos econômicos consistentes, supõe-se que até o
ano de 2030 haverá um aumento substancial na aquisição de equipamentos de arcondicionado.
Na visão de Maciel, Ono e Lamberts (2007), em climas quentes a tarefa
primordial do projetista é normalmente a exclusão da radiação solar para evitar
superaquecimento. Em climas moderados é desejável a admissão de parte dessa
radiação nos cômodos habitados, por razões térmicas e de iluminação. Dessa forma,
a primeira tarefa do projetista é predizer a posição solar em relação ao edifício e à
janela considerada.
De acordo com Marsh (1997) o termo ferramenta de projeto é
geralmente aplicado a uma grande quantidade de técnicas, variando de dados
tabulados em planilhas e métodos manuais de cálculo a programas sofisticados de
análise
computacional.
Entretanto,
pode-se
observar
que
embora
sejam
classificados por pesquisadores como ferramentas de projeto, a maioria focaliza
mais a análise do projeto consolidado do que a tomada de decisão durante o projeto.
22
Segundo Lima (1995), “a arquitetura passou a ser uma ‘arte da forma’
em que o produto arquitetônico é visto quase sempre como um fenômeno visual”.
Esta citação aponta para a necessidade do uso de uma metodologia de análise do
desempenho térmico e energético na fase de decisões de projeto e validação das
soluções adotadas pelos profissionais da arquitetura.
No contexto atual, modernos escritórios são construídos para depender
de iluminação artificial, condicionamento de ar e sofisticados sistemas de controle
automáticos, o que consome mais energia, pois não há uma conjugação dos
componentes da fachada e cobertura com o clima local. É o caso da tipologia
construtiva que segue o padrão internacional, com fachadas totalmente
envidraçadas, muitas vezes sem nenhuma proteção contra a alta incidência de
radiação solar direta. Assim, de acordo com Lima, Amorim e Naves (2007) essas
características, na maioria das vezes, satisfazem às necessidades estéticas do
mercado, mas estão afastadas da melhor solução com relação ao conforto ambiental,
tanto térmico quanto luminoso. Um elevado percentual de área de janela em relação
à fachada permite altos ganhos de calor e substancial incidência de radiação solar
direta para o interior dos ambientes, aumentando os custos com condicionamento de
ar e sistemas de iluminação artificial.
Uma elevada parcela de profissionais de arquitetura, engenharia e
pessoas ligadas à construção está incluindo esta forma de projetar em seus métodos
criativos, baseados no conceito de arquitetura bioclimática. O conceito de
arquitetura bioclimática integra outras definições mais sólidas, como por exemplo, a
de arquitetura integrada, que se adapta a seu espaço físico, socioeconômico e
cultural, utilizando materiais sustentáveis, técnicas e formas tradicionais, que
beneficiam a integração visual e reduzem o impacto ambiental.
Entretanto,
se
uma
arquitetura
pode
ser
caracterizada
como
“bioclimática” é porque deve também haver uma arquitetura “não-bioclimática”.
Segundo Corcuera (2003), este pensamento traz à tona o fato de que possa haver
arquiteturas não adequadas às condicionantes climáticas e geomorfológicas do sítio
23
em que se insere. Pode-se dizer que uma Arquitetura Sustentável pressupõe ser
Bioclimática.
A arquitetura sustentável também é conhecida como a de alta eficiência
energética, porque economiza e conserva a energia que capta, produz ou transforma
no seu interior, reduzindo, portanto, o consumo energético e a suposta poluição
ambiental. Em geral, é uma arquitetura pensada com o clima do lugar, o sol, o
vento, a vegetação e a topografia, com um desenho que permite tirar maior proveito
das condições naturais do lugar, estabelecendo condições adequadas de conforto
físico e mental dentro do espaço físico em que se desenvolve.
1.2. CARACTERÍSTICAS CLIMÁTICAS DA REGIÃO DE ESTUDO
O clima nordestino é bem diversificado. O Rio Grande do Norte está
próximo da zona de convergência intertropical que recebe os ventos alísios. Estes
ventos fazem parte de um grande sistema de correntes de ar no globo.
A cidade de Natal está situada num dos pontos mais orientais na costa do
Atlântico Sul, entre o mar e a margem direita do Rio Potengi. O clima é quente e
úmido. Permanentemente, sopra uma brisa vinda do oceano, sempre de sudeste,
dada a proximidade do Equador, com pequenas variações, e é predominante em
toda a região nordeste do Brasil. Os ventos mais fortes são característicos de agosto
e setembro, sendo abril a época dos mais fracos. Na figura 01, uma imagem do
Google Earth®, na qual se distingue nitidamente a posição favorável do litoral de
Natal-RN em relação aos ventos vindos do sudeste, que fazem o clima desta cidade
ser tão ameno, em relação a outras cidades do Nordeste.
24
Figura 01: Imagem da região de Natal-RN.
Fonte: Adaptado do Google Earth
Segundo Araújo (2001), a região de estudo destaca-se por apresentar
alta umidade relativa do ar, radiação solar intensa, temperaturas do ar sempre
inferiores às da pele e amplitude térmica pequena, tanto diária quanto sazonal.
Possui duas épocas características anuais com pequena variação entre elas. A
grande presença de nuvens (alto conteúdo de vapor d’água) ameniza a radiação
solar direta intensa, mas também não permite a re-irradiação para o céu à noite, o
que impede a queda acentuada da temperatura e provoca uma radiação solar difusa
bastante intensa. A perda de calor por evaporação é dificultada, embora possa ser
amenizada pelo movimento do ar. Os ventos são variáveis em velocidade, mas
quase constantes na direção sudeste, com variações para leste e sul.
Como Natal se encontra a uma latitude próxima de 6° Sul, ou seja, quase
no Equador e, particularmente, com a linha litorânea no sentido Norte-Sul, significa
que os ventos trazem para o continente, a brisa fresca do mar, numa situação
peculiar, turbilhonando por sobre as dunas localizadas a Leste da Cidade, e que
desta forma refrescam melhor a área habitada.
Segundo Araújo, Martins, Araújo (1998), o clima quente-úmido em
Natal se caracteriza pela existência de quatro períodos “distintos” ao longo do dia.
Assim, o início dos quatro períodos distintos ao longo do dia se dá nas primeiras
horas do mesmo, mais especificamente até as 6:00 h, onde apresenta
25
comportam
mento de valoores decrescentes de tem
mperatura doo ar; o segunndo, das 6:000
às 12:00 h apresenta coomportamennto bastante definido dee acréscimo acentuado de
d
temperaturaa; o terceirro, das 12::00 às 18:000 h, constta que as temperaturaas
decrescem, também de maneira aceentuada; o quuarto, das 188:00 às 24:000 h, apresentta
melhante ao primeiro, porém num patamar
p
mais elevado, de
d
um comporrtamento sem
acordo com
m o gráfico daa figura 02.
34
32
30
1 ‐ 6 hs
28
26
6 ‐ 12 hs
24
12 ‐ 18 hs
22
18 ‐ 24 hs
JAN
FEV
MAR
ABR
MAI
JUN
JUL
AGO
SET
OUT
NOV
DEZ
20
Figu
ura 02: Grááfico da Tem
mperatura do ar média noos períodos diários
d
de Natal.
Fontee: Adaptado dee Araújo, Martiins, Araújo (19998)
TRATÉGIA
AS BIOCL
LIMÁTICAS
S RECOM
MENDADAS
S PARA O
1.2.1. EST
CLIMA QU
UENTE E ÚMIDO
Ú
O clima queente e úmidoo domina grrande parte do
d Brasil, coomo é o casso
de Natal-RN
N. Nesse cllima, as osccilações das temperaturaas diárias e sazonais sãão
pequenas e o nível de umidade reelativa do arr é bastante alto. Tambéém é típica a
d céu parccialmente nuublado, prodduzindo um
ma grande quantidade
q
d
de
existência de
radiação diifusa. Nestaas regiões, as edificaçõões devem evitar ganhhos de caloor
externo, en
nquanto diissipam aquuele produzzido em seu
s
interiorr (LOBO E
BITTENCO
OURT, 20033).
2
26
Nesse tipo de clima, a ventilação pode ser usada para duas finalidades
complementares. A primeira é resfriar o edifício, aquecido pela radiação solar e por
ganhos internos de calor (ocupação, iluminação artificial etc.), onde as taxas de
ventilação podem fazer com que a temperatura interna se aproxime da externa. A
outra finalidade diz respeito ao aspecto fisiológico, isto é, a evaporação do suor e
trocas de calor por convecção, quando as correntes de ar estão em contato com o
corpo humano. Neste caso, a ventilação se torna importante em locais quentes e
úmidos, uma vez que o suor é uma das causas do desconforto térmico humano.
A ventilação pode modificar a sensação térmica, atuando na evaporação
do suor e acelerando as trocas de calor por convecção entre o fluxo de ar e o corpo
(Givoni, 1992). Com ventos de baixa velocidade, a temperatura radiante e a
temperatura do ar produzem efeitos semelhantes na sensação de conforto térmico,
mas com altas velocidades a temperatura do ar domina a sensação de conforto.
Segundo Fanger e Christensen (1986), a existência de uma ventilação turbulenta e
de qualidade variável dentro das edificações pode aumentar as trocas de calor por
convecção, e é concebível que isto possa afetar a sensação de conforto térmico
humana.
A importância da ventilação natural se acentua nas edificações que não
têm a possibilidade de utilizar equipamentos mecânicos de climatização para a
obtenção do conforto térmico, como é o caso das “habitações populares”, que
dependem basicamente de um projeto de arquitetura eficiente. De acordo com
Szokolay (2004), em edificações climatizadas passivamente, o melhor projeto que
se pode obter é aquele em que a temperatura interna não fique maior do que a
temperatura externa, o que pode ser conseguido através de ventilação natural para
remover o excesso de calor.
De acordo do Neto (1997), no clima equatorial as variações climáticas
são muito pequenas, e os requerimentos para as características do edifício são
similares para todo o ano. A predominância de alta umidade e temperatura faz com
que a velocidade do ar tenha de ser aumentada, para promover a evaporação do suor
na superfície da pele humana, amenizando a sensação se desconforto térmico.
27
Assim, Neto (1997) propõe as seguintes exigências para edificações em clima
quente e úmido de baixa latitude:
• Proteger contra o Sol, chuva e insetos;
• Prover ao edifício uma ventilação eficiente;
• Prevenir o aumento da temperatura durante o dia e garantir sua minimização
durante a noite;
Ainda segundo Neto (1997), a temperatura interna pode com dificuldade
ser mantida abaixo da temperatura externa, sem a utilização de mecanismos de
climatização. Assim, um desenho eficiente garante no mínimo que a temperatura
interna seja similar à externa. Já Szokolay (1997) afirma que em locais de clima
quente e úmido a temperatura interna das edificações naturalmente ventiladas não
apresenta diferenças significativas em relação à temperatura externa.
Na cidade em estudo, Natal-RN, devido à baixa latitude, a radiação solar
incide predominantemente nas superfícies horizontais. Assim, a maioria das cargas
térmicas positivas provém da coberta de uma edificação, durante as horas de maior
temperatura do ar, que se iniciam nas últimas horas da manhã e primeiras horas da
tarde. Destaca-se então, a importância do sistema de ventilação cruzada no interior
da edificação para retirada do calor que adentra a mesma pela coberta.
De acordo com Szokolay (2004), o clima quente e úmido é o mais
complicado para projetos diversos. As altas taxas de umidade relativa do ar
impedem a evaporação do suor, atenuando seus efeitos de resfriamento corpóreo.
Regiões equatoriais sofrem o acúmulo de ampla quantidade de calor pela
cobertura consequente da passagem do sol próximo ao zênite. Assim Oliveira
(2006) apud Szokolay (2004) sugere duas importantes recomendações para
edificações localizadas em clima quente e úmido:
• Para a coberta; o uso de superfícies reflexivas, havendo espaços que separem a
coberta do forro (ático), áticos ventilados, isolantes reflexivos sob a coberta e
isolantes resistivos sobre o forro;
28
• Para as aberturas; inexistência de janelas nas fachadas Leste e Oeste, evitando
assim a entrada de radiação solar em baixos ângulos solares;
Analisando-se a Figura 03, observa-se a grande concentração de horas
em que a ventilação natural é necessária para a promoção do conforto térmico, de
acordo com a operação do aplicativo Analisys Bio, realizada por Trindade (2005).
Assim, Lamberts, Dutra e Pereira (2004) afirmam que uma arquitetura com boas
condições de ventilação natural pode promover o conforto térmico em 83,5% das
horas anuais.
Figura 03: Carta com estratégias bioclimáticas para Natal
Fonte: Trindade (2005)
1.3. CRITÉRIO DE CONFORTO TÉRMICO PARA A REGIÃO OBJETO
DE ESTUDO
Determinar o índice de conforto térmico de uma dada região ainda é algo
complexo, visto que a maioria dos índices de conforto são baseados em modelos de
balanço térmico e modelos adaptativos. Um dos maiores obstáculos para avaliar o
desempenho térmico é a definição de critérios baseados em predição de conforto
térmico para edificações situadas nos trópicos em condições naturais de
condicionamento (sem uso de ar condicionado).
Existem poucos critérios específicos para avaliação do desempenho
térmico de edificações. Segundo Mendes, Westphal e Lamberts (2005), a avaliação
29
do desempenho térmico e energético de edificações constitui-se numa tarefa
complexa,
envolvendo
muitas
variáveis
interdependentes
e
conceitos
multidisciplinares.
Geralmente, pesquisas, programas e ferramentas de simulação costumam
adotar o consumo de energia da edificação e a temperatura interna do ar como
critérios do desempenho térmico e energético.
O primeiro é baseado no cálculo do consumo de energia da edificação, o
qual pode ser muito influenciado pelas cargas térmicas de resfriamento e/ou de
aquecimento. Neste caso, ocorre uma limitação em sua aplicação, quando
analisadas edificações naturalmente ventiladas, onde o consumo de energia é
atribuído em sua maior parte aos eletrodomésticos.
Já no critério de análise de temperatura interna do ar, as edificações
naturalmente ventiladas são objetos coerentes em sua aplicação. Resta então,
escolher a técnica que será utilizada para a análise dos dados de temperatura. De
acordo com Oliveira (2006), são elas:
•
Contagem das horas totais de desconforto (HD): expressa o número total de
horas com temperatura interna fora de zona de conforto;
•
Porcentagem de horas totais de desconforto (PD): expressa a frequência
percentual de horas totais com temperatura interna fora de zona de conforto.
•
Graus-hora de desconforto (GH): representa a contagem em graus das
diferenças entre a temperatura interna e a temperatura de conforto, em todas
as horas do ano;
•
Distribuição de temperatura (DT): através de uma análise estatística,
expressa a frequência de ocorrência de temperaturas no ano, de forma
absoluta ou relativa.
Os critérios de avaliação do conforto térmico para clima quente e úmido
ainda são polêmicos e apresentam restrições. Não foi encontrado nesta pesquisa
30
critério satisfatório em bibliografia que contemple os efeitos da temperatura de
bulbo seco, umidade relativa, velocidade do ar e temperatura radiante média.
A zona de conforto de Givoni foi vastamente difundida e utilizada para
estabelecer critérios de conforto térmico e diretrizes para projetos bioclimáticos,
principalmente em países quentes em desenvolvimento como o Brasil. Atualmente,
a zona de conforto de Givoni é adotada na norma de desempenho térmico de
edificações da ABNT (ABNT, 2005).
A restrição na zona de conforto de Givoni está na invariabilidade das
condições de conforto aceitáveis ao longo do ano, apesar da mesma indicar
condições de conforto térmico para edificações naturalmente ventiladas em climas
tropicais e aceitar adequações da faixa de conforto em função de distintas
estratégias de projeto.
Givoni (1992) afirma que a aclimatação e a expectativa quanto ao
conforto devem ser abordadas no desenvolvimento de diagramas de conforto e de
recomendações de projeto quando aplicados a climas quentes de países em
desenvolvimento. No entanto, a demarcação da zona de Givoni, baseada na
temperatura interna e estimada através de cálculos de modelos em regime estático,
não reconhece as oportunidades de adaptação dos ocupantes e fatores contextuais
como o próprio clima, condições que regem os modelos adaptativos.
De acordo com Nicol e Humphreys (2002), se a adequação ao clima
acontece devido à mudança das condições para se conseguir conforto ou pela
mudança da temperatura de conforto para acolher as condições que se destaquem, a
faixa de condições avaliada como confortável depende das peculiaridades da
edificação e das chances de adaptação do usuário.
Assim, os modelos adaptativos se encaixariam melhor às condições de
habitações naturalmente ventiladas em climas tropicais em razão das maiores
chances de adaptação que esse tipo de uso pode proporcionar, admitindo o usuário
como utilizador, em qualquer momento de ocupação, das estratégias de adaptação,
como:
31
•
Redução das resistências da vestimenta com a troca de itens;
•
Emprego do movimento de ar através da operação das esquadrias e uso de
aparelhos de ventilação mecânica (ventiladores);
•
Mudança da atividade metabólica por meio de mudança de atividades ou de sua
amplitude ou consumo de alimentos;
•
Relacionar a temperatura de conforto térmico à temperatura externa em climas
tropicais;
Para Nicol (2004), em climas tropicais o uso de movimento do ar pode
ser um importante aliado no controle das condições de conforto térmico. Oliveira
(2006) analisou as diferenças achadas entre todos os modelos de conforto térmico
existentes, e citou diferença de até 2,2° C da temperatura de conforto entre eles.
Dessa forma, Oliveira (2006) aplicou em seu trabalho o modelo que
melhor se adequaria à avaliação de edificações naturalmente ventiladas em NatalRN: o modelo adaptativo de Humphreys, publicado em 1978.
A escolha do modelo teve como critérios o próprio clima e estudos de
conforto térmico realizados por Araújo (2001) para o clima de Natal-RN. O
primeiro critério parte da consideração de que a temperatura de conforto deve
acompanhar as oscilações da temperatura externa. O segundo baseia-se em um
estudo realizado por Araújo (2001), que sugere o uso do índice de conforto térmico
proposto por Koenigsberger et al. (1974) para o clima de Natal-RN.
Assim, para o modelo adaptativo de Humphreys escolhido, Nicol (2004)
sugere uma amplitude entre 2° e 3°C para estabelecer a zona de conforto. Assim,
Oliveira (2006) utilizou uma faixa de ± 2,5°C da temperatura de conforto para
delimitar a zona adequada para Natal-RN, de acordo com o modelo, que considera
apenas os ajustes de vestimenta e na atividade metabólica como mecanismos de
adaptação ao ambiente.
Trindade (2006) também utilizou a zona de conforto de Humphreys
(1978), com sugestão de Nicol (2004) em seu trabalho, seguindo os passos de
Oliveira (2006). O autor analisou térmica e energeticamente galpões localizados nos
32
Campus Central da UFRN, enfocando principalmente a influência dos ventos no
alcance do conforto térmico. Trindade (2006) utilizou vários aplicativos
computacionais, como o VisualDOE, e simulações em CFD, através do
PHOENICS. Houve então divergência na obtenção dos resultados, já que um
trabalha com arquivo climático TRY (Test Reference Year) de 1954 e as simulações
em CFD se basearam em dados coletados nos anos de 2002 a 2005, para a região de
estudo.
Todavia, apesar das limitações, o método utilizado por Trindade (2006)
apresentou resultados qualitativos, que permitem avaliar a distribuição da
ventilação no interior da edificação, além de fornecer considerações sobre a
utilização da tipologia dos galpões pré-moldados, principalmente quanto ao
emprego dos componentes construtivos e sua influência na velocidade do ar interior
e conseqüentemente no desempenho térmico do mesmo.
Foram coletados dados de temperaturas medidos no INPE – Instituto
Nacional de Pesquisas Espaciais -, localizado no Campus Central da Universidade
Federal do Rio Grande do Norte, provindos da estação climática Davis Precision
Weather Station, da Davis Instruments (Figura 04). Contemplaram-se os anos de
2006, 2007 e 2008, por se tratarem de arquivos atuais, que refletem a presente
situação climática de Natal-RN.
33
Figura 04: Foto da Estação climática Davis
Precision Weather Station, localizada no INPECRN
No período climático escolhido para as medições, compreendido dos
meses de abril a setembro, caracterizado como período chuvoso no clima da região,
as principais características são a diminuição da temperatura do ar, e o aumento da
precipitação e a umidade relativa do ar.
Através de revisão bibliográfica e testes realizados neste trabalho, foi
possível apontar uma Zona de Conforto coerente com a intenção que este estudo se
propõe a realizar.
Sendo assim, foi utilizado um modelo simplificado de avaliação do
desempenho térmico. Dessa forma, para o presente trabalho, foi adotada a curva de
distribuição de frequência de temperaturas aliadas ao modelo simplificado de zonas
de conforto onde foram consideradas quatro zonas de classificação de conforto
térmico. Elas foram baseadas em índices de diversos autores, já utilizada
anteriormente em um estudo desenvolvido por Pedrini em 2007, para habitações em
6 diferentes climas, numa tentativa de se chegar a um índice de conforto que
pudesse ser utilizado em boa parte do território brasileiro, financiado pela Caixa
34
Econômica Federal (Tabela 01). Este estudo ainda não foi publicado, sendo sua
referência resumida à informações do LabCon – Laboratório de Conforto
Ambiental do curso de Arquitetura e Urbanismo da UFRN.
Tabela 01: Temperatura de conforto térmico para climas quentes e úmidos e/ou
países tropicais em desenvolvimento
CONDIÇÕES
TEMPERATURAS
REFERÊNCIAS
Desconforto ao frio
Conforto térmico sem
ventilação
Conforto térmico com
ventilação de até 1m/s
T < 18ºC
18º ≤ T ≤ 29ºC
Givoni (1992)
Givoni (1992)
29ºC < T ≤ 33ºC
Desconforto ao calor
T > 33ºC
Humphreys
(NICOL, 2004) e
Szokolay e
Docherty (1999)
Humphreys
(NICOL, 2004) e
Szokolay e
Docherty (1999)
Fonte: Estudo para Habitações Populares da Caixa Econômica Federal.
Fonte: Pedrini, 2007
Pretende-se com a adoção das quatro zonas a obtenção de uma maior
fidedignidade nos resultados oferecidos pelo aplicativo computacional, visto que as
mesmas se configuram coerentes para o clima quente e úmido da área de estudo.
Assim, será feita uma comparação entre os dados de temperatura do ar obtidos in
loco, medidos pelos dataloggers instalados no interior da edificação, e os dados de
temperatura do ar obtidos através do arquivo climático TRY com as simulações
feitas com a mesma edificação, modelada. Dessa forma, será possível observar o
comportamento da edificação, verificando a veracidade dos resultados que o
aplicativo DesignBuilder 1.2 apresenta.
Givoni (1998) amplia em 2 ºC a amplitude térmica da zona de conforto
para países tropicais em desenvolvimento. Já Humphreys e Nicol (1998) inclui a
ventilação natural com velocidade de até 1 m/s para temperaturas entre 29 ºC e 33
ºC para se manter o conforto térmico, e desconforto ao calor acima dos 33 ºC,
mesmo com a presença de ventilação.
35
Nicol e Humphreys (2002) afirmam que a adaptação ocorre pela
mudança das condições para se obter conforto ou pela alteração da temperatura de
conforto para atender às condições que prevaleçam. Assim sendo, a faixa de
condições considerada confortável depende tanto das características da edificação
quanto das oportunidades de adaptação individual do usuário.
1.4. SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DO DESEMPENHO TÉRMICO DE
EDIFICAÇÕES
Com a intenção de promover qualidade nas edificações, projetistas
podem recorrer à simulação computacional para auxiliar a tomada de decisões em
projeto. De acordo com Mourshed et al. (2003) os programas de simulação capazes
de avaliar o desempenho termo-energético são muito pouco usados pelos projetistas
por acreditarem não ser possível integrá-los no processo de projeto. Ainda segundo
os autores, esses programas têm avançado muito em relação à precisão, mas não o
suficiente no que tange à utilidade. Para Ghisi e Pereira (2009), as principais causas
disto são a complexidade dos programas e a consequente dificuldade e demora no
aprendizado pelos projetistas.
Segundo Marsh (1997), o termo ferramenta de projeto é geralmente
aplicado a uma grande quantidade de técnicas, variando de dados tabulados em
planilhas e métodos manuais de cálculo a programas sofisticados de análise
computacional. Entretanto, pode-se observar que embora sejam classificados por
pesquisadores como ferramentas de projeto, a maioria focaliza mais a análise do
projeto consolidado do que a tomada de decisão durante o projeto.
Para Larsen et al. (2008), os programas da simulação têm as ferramentas
importantes, utilizadas para melhorar projetos de edifícios e consumo de energia,
podendo calcular o comportamento térmico dos edifícios e mudar variáveis
diferentes, como as condições climáticas, geometria, materiais, dentre outros, para
avaliar sua resposta térmica. Assim, um “padrão” é realizado até que um projeto
final adequado esteja elaborado. Hoje em dia, uma grande variedade de programas
de simulação está disponível, dos níveis diferentes da complexidade que vão da
36
situação de estado estacionário até a sofisticada simulação do CFD. Pode-se citar o
TRNSYS, ESP-r, DOE-2, BLAST, ENERGY PLUS, TAS, DEROB-LTH
FLUENT, o DESIGNBUILDER, dentre outros.
As metodologias para a validação de programas de simulação da energia
do edifício têm sido desenvolvidas. Segundo Oliveira (2006), a maioria das
ferramentas de simulação é similar na abordagem e geralmente simulam um modelo
detalhado pelo usuário da ferramenta. Ainda segundo Oliveira (2006), na avaliação
do desempenho térmico e energético de habitações, a diversidade de parâmetros que
influenciam o comportamento térmico dos ambientes – e que devem ser
considerados na modelagem da edificação – pode ser agrupada em três categorias:
1. Variáveis climáticas: relacionado aos aspectos climáticos locais
(temperatura do ar externa, velocidade dos ventos, radiação solar, entre outros);
2. Variáveis de projeto: relacionado ao projeto arquitetônico e
construção da edificação (geometria, layout da planta, propriedades termo-físicas
dos componentes dos sistemas construtivos, entre outros);
3. Variáveis de uso e ocupação: relacionado ao comportamento dos
usuários e operação da edificação (rotinas, cargas térmicas internas, operação de
janelas, uso de equipamentos elétricos, entre outros);
Esses fatores devidamente analisados podem colaborar para um
entrosamento da complexidade dos parâmetros coligados ao projeto de habitação
que devem ser ponderados no desenvolvimento de metodologias para avaliação de
desempenho térmico e energético das mesmas, de sugestões de projeto e das
relações com a decisão projetual. Outro aspecto é a identificação das limitações e
imprecisões associada a cada grupo.
Assim, pode-se dizer que as variáveis climáticas inseridas no arquivo
TRY funcionam como referências de entrada no aplicativo computacional a ser
utilizado, que no presente trabalho será o DesignBuilder 1.2, que será apresentado
no capítulo 02. Na simulação de desempenho térmico de edificações naturalmente
ventiladas, os dados relativos à ventilação e sua modelagem em simulações
37
sugerem um destaque, em virtude do aperfeiçoamento das técnicas nos últimos anos
e das grandes imprecisões e limitações que permanecem quando consideradas a
velocidade, a direção e a pressão dos ventos no entorno e no interior do espaço
simulado, cujos aspectos serão abordados no tópico a seguir.
1.4.1. VARIÁVEIS CLIMÁTICAS
Os seres humanos avaliam como exigência para atingir um perfeito
conforto térmico as seguintes variáveis climáticas: temperatura do ar, temperatura
radiante média do ambiente, umidade relativa e velocidade do ar, segundo
AKUTSU & VITTORINO (1992). O conhecimento do clima e da geografia local é
importante auxílio para todo profissional executar um bom projeto arquitetônico,
utilizando-se dos recursos naturais, que atendam às exigências de conforto do
usuário.
Para Maciel (2006), algumas características particulares do contexto
definem as variáveis climáticas mais importantes a serem levadas em conta na
definição do partido. Por exemplo, se o edifício tiver que ser localizado no alto de
uma montanha em um clima frio, é importante considerar os ventos predominantes
e os períodos de temperaturas mais baixas para adotar estratégias de projeto que
evitem o vento frio. Por outro lado, a mesma autora aponta que às vezes a estratégia
adotada no projeto pode definir quais variáveis climáticas devem ser avaliadas no
projeto específico.
Métodos foram desenvolvidos nas últimas décadas, a partir de dados
coletados em estações meteorológicas e classificados de acordo com o tipo de
informação que apresentam bem como sua utilidade. Esses métodos geraram
diferentes tipos de arquivos climáticos com variações na qualidade dos dados.
Visando a integrar os diferentes elementos climáticos em todos os níveis
de projeto, exige-se um tratamento específico dos mesmos, voltado para o uso dos
profissionais de conforto ambiental. Isto requer um prévio tratamento estatístico ou
38
métodos que transformem uma grande quantidade de registros em ferramentas
práticas de trabalho. Algumas metodologias foram desenvolvidas com este
propósito.
Os dados climáticos são obtidos a partir de várias estações
meteorológicas que diariamente registram um grande número de variáveis. No
Brasil, esses dados são coletados pelo Instituto Nacional de Meteorologia INEMET, setor do Ministério da Agricultura, e por diversos Institutos de Pesquisas
(federais / estaduais) e órgãos ligados à aviação. O Instituto Nacional de
Meteorologia (INEMET), órgão do Ministério da Agricultura, sistematiza os dados
meteorológicos em séries de 30 anos (1931/1960 e 1961/1990) constituindo o que
se chama de Normais Climatológicas.
Os aplicativos computacionais de simulação do desempenho térmico das
construções empregam os dados climáticos de um ano típico (ano de projeto) para a
análise de desempenho térmico e de sua eficiência energética.
O ano de projeto é conhecido como TRY (Test Reference Year) e consiste
em um ano com dados climáticos horários, apresentados em um formato
padronizado, conforme necessário para simulação de desempenho térmico de
edificações. O TRY contém informações climáticas para as 8.760 horas do ano. Por
tratar-se de arquivos de grande dimensão, os TRY das localidades trabalhadas
encontram-se disponíveis na forma digital (GOULART, LAMBERTe FIRMINO,
1998).
•
Ventilação Natural
Sob a ótica do conforto térmico, os movimentos de ar aceleram as
trocas de calor das pessoas com o ambiente por convecção e por evaporação. Sua
consideração em clima quente e úmido é fundamental para obtenção das condições
de conforto.
39
Na região de estudo, a situação socioeconômica do usuário de
habitações de interesse social impossibilita a aquisição de aparelhos de ar
condicionado, bem como o pagamento da elevada conta mensal de energia elétrica,
consumida por este tipo de equipamento.
Mascaró (1985) salienta que “é indispensável conhecer e aplicar
técnicas de projeto e cálculo de ventilação natural dos edifícios; com a dupla
finalidade de oferecer conforto ao usuário e otimizar o uso da energia na
edificação”. Os fatores que condicionam a ventilação são: forma e características da
edificação e do entorno (topografia natural e edificada); localização e orientação do
edifício; posição e tamanho das aberturas; direção, velocidade e frequência dos
ventos; e diferença de temperaturas interiores e exteriores.
Nicol (2004) afirma que pesquisas realizadas em edificações ventiladas
naturalmente em regiões de clima tropical mostram que os indivíduos sentem-se
confortáveis, mesmo em temperaturas acima de 30 ºC, especialmente se houver o
uso de ventiladores. Dentre os diversos fatores que permitem a variação do limite
da temperatura da zona de conforto, a adaptabilidade dos indivíduos é a parte mais
difícil de ser quantificada. Contudo, as pesquisas mostram que uma série de fatores,
tais como a interação com a edificação, o abrir e fechar das janelas e a mudança de
posição dentro do ambiente para captar melhor a ventilação tornam as pessoas mais
tolerantes a temperaturas elevadas.
A capacidade de adaptação dos indivíduos pode elevar a temperatura de
conforto em 2 ou 3 ºC, bem como o movimento do ar. A figura 05 mostra que a
velocidade do ar em 1 m/s pode elevar a temperatura de conforto em mais de 3ºC.
Assim, mesmo que o ar externo esteja pouco acima dos 29 ºC é vantajoso fazer uso
da ventilação natural para melhorar a sensação térmica dos usuários.
40
Figura 05: Gráfico da influência do movimento do ar sobre a temperatura de conforto.
Fonte: Adaptado de Nicol, 2004
A ventilação natural pode representar importante fator de conforto e
melhoria das condições ambientais no interior dos edifícios. Trata-se de recurso
aplicado desde o início da história da arquitetura, para amenizar altas temperaturas
internas, em localidades de clima quente e úmido, sendo até hoje amplamente
empregado em habitações unifamiliares e prédios de apartamentos, entre outras
tipologias arquitetônicas. O uso do movimento de ar em edificações pode
proporcionar conforto térmico em climas quentes e úmidos por diminuir as altas
temperaturas, amenizando a sensação de desconforto ao calor na evaporação do
suor. Também reduz o consumo de energia, por evitar ou minimizar o emprego de
sistemas de condicionamento de ar. Além disso, mantém a qualidade interna do ar
pela renovação, entre outras funções.
Métodos foram desenvolvidos objetivando-se trabalhar com casos
específicos e com maior precisão. Entre estes, estão o método do túnel de vento e os
métodos baseados em simulação computacional.
O método de cálculo de renovação de ar para edificações é complexo em
sua estimativa, e quase sempre é impreciso. Todavia, estes métodos são utilizados
em países desenvolvidos de clima frio onde a aquisição de dados relativos às taxas
41
de infiltração e o uso de estratégias para reduzí-la tem grande impacto sobre a
eficiência energética de edificações climatizadas artificialmente.
Vale também citar o método CFD (Computational Fluid Dynamics) ou
DFC (Dinâmica Computacional dos Fluidos), como é conhecido em português, que
é usado para estimar o fluxo de ar interno e externo a partir de equações de
conservação de massa, momento, energia, turbulência, entre outras. Atualmente,
diversos aplicativos computacionais são desenvolvidos e utilizados em pesquisas
para estimar os padrões de comportamento do vento nas edificações a partir dessa
técnica. Este método também possui desvantagens de imprecisões e de requerer
conhecimentos em mecânica dos fluidos e computadores com alta capacidade de
processamento.
•
Temperatura do Ar
A temperatura do ar é a resultante do aquecimento e resfriamento da
superfície da terra, por processos indiretos, visto que o ar é transparente à
propagação das ondas eletromagnéticas, como a radiação solar. Fenômenos como
evaporação, convecção, condução e emissão de radiação de ondas longas
constituem o balanço térmico da superfície terrestre.
A assimetria da temperatura do ar em ambientes pode causar
desconforto térmico no corpo humano. Uma pessoa pode ter a sensação de
neutralidade térmica, mas se uma parte do seu corpo está fria e a outra está quente,
o efeito local é de desconforto.
Segundo Araújo (2001), em ambientes geralmente pouco ventilados, a
temperatura aumenta do piso para o teto e, se esta variação for muito grande, pode
ocorrer desconforto com sensação de calor no nível superior do corpo e de frio
inferior, embora o corpo, como um todo, esteja em neutralidade térmica. O
desconforto provocado pelo aquecimento ou resfriamento unilateral do corpo pode
42
também ser causado por um campo assimétrico de radiação, por uma ventilação
cruzada ou por tetos quentes ou frios.
O critério de análise de temperatura interna do ar está voltado para a
avaliação do desempenho térmico de edificações naturalmente ventiladas. Assim,
sua aplicação apóia-se em diferentes técnicas de análise de temperatura, das quais
será escolhida a técnica de gráficos com curvas de distribuição de temperatura
(DT), que permite maior rapidez na leitura dos dados com a informação da
intensidade de desconforto e dos extremos de temperatura no ambiente. Na
simulação do comportamento térmico de edificações, o uso de dados climáticos
horários e de uma destas técnicas implica no manejo de uma grande quantidade de
dados resultantes das simulações.
1.4.2. VARIÁVEIS DE PROJETO
As variáveis de projeto podem ser definidas como as características da
edificação que podem ser modificadas, podendo alterar os resultados da simulação.
Dessas variáveis, é na envoltória em que as decisões arquitetônicas têm maior
impacto sobre o desempenho térmico das edificações, pois através desta, o fluxo de
calor pode ser controlado, regulando-se a perda ou o ganho deste. No entanto, podese citar outras variáveis que influenciam o desempenho da edificação, como
orientação do lote, entorno sombreado, verticalização e/ou horizontalidade do
bairro.
A envoltória de uma edificação pode ser definida como o conjunto de
artefatos que limitam o ambiente interior do exterior. Esses componentes da
envoltória se diferenciam em função de seu comportamento em relação à radiação
solar de onda curta incidente e dividem-se basicamente em dois grupos. São eles os
fechamentos opacos e os fechamentos transparentes e aberturas.
43
O primeiro é definido como elemento que obstrui a passagem de
radiação solar de onda curta. Como exemplo, temos as paredes, as divisórias, os
pisos. Já os transparentes e aberturas são definidos como elementos que permitem
uma conexão física e visual com o exterior, permitindo a passagem de radiação
solar, principalmente de onda curta. Isto acontece pela presença de elementos
abertos à passagem do ar ou por áreas envidraçadas e translúcidas, como clarabóias
e aberturas zenitais.
•
Orientação em relação ao Norte/Sul/Leste/Oeste
A literatura apresenta diversos estudos avaliando a influência das
variáveis arquitetônicas na distribuição do fluxo de ar internamente, que geraram
recomendações
baseadas
nos
resultados
dos
experimentos,
normalmente
conduzidos em túneis de vento. Givoni (1976) correlacionou as dimensões das
aberturas de entrada e saída com o ângulo de incidência dos ventos, testando
diferentes combinações de aberturas com os ângulos de 90° e 45° dos ventos em
relação à fachada (Figura 06).
Figura 06: Velocidade interna em função da relação do tamanho das aberturas e
direção dos ventos para 45º e 90º.
Fonte: Adaptado de Givoni (1976)
44
Givoni (1976) recomenda que as fachadas estejam voltadas para os
ventos dominantes em pelo menos um ângulo de 60º, para que a ventilação seja
captada. As aberturas posicionadas a sotavento devem ser utilizadas como saída da
ventilação, promovendo assim, o efeito cruzado (GIVONI, 1998). Portanto, os
resultados demonstraram que a velocidade do fluxo interno não está diretamente
ligada à dimensão das aberturas. Além do tamanho diferente das aberturas de
entrada e saída (as menores aberturas de entrada em relação às de saída
proporcionam maiores velocidades do ar).
Outro aspecto relevante para o desempenho da ventilação interior é a
tipologia das aberturas, que podem incrementar ou prejudicar a qualidade dos
ventos internos. Para as condições do clima quente e úmido, qualquer esquadria que
permita um fluxo contínuo de ar é mais apropriada para a ventilação. Um exemplo
desse tipo de configuração são as venezianas, que conseguem permitir o fluxo de ar
mesmo com a esquadria fechada. Bittencourt (1993) destaca a solução do peitoril
ventilado que, além de oferecer segurança e um fluxo de ar ao nível das camas,
permite a ventilação contínua do ambiente mesmo com as janelas fechadas, sendo
indicado para uso em dormitórios.
Outra tipologia de abertura que permite a ventilação constante do
interior do edifício são os elementos vazados, ou cobogós, muito utilizados na
arquitetura nordestina por oferecerem uma combinação de baixo custo, segurança e
porosidade das fachadas. No entanto, é necessário considerar a influência desses
elementos no fluxo de ar interno, pois dependendo da sua geometria, o ar pode ser
direcionado de forma indesejada no ambiente.
Bittencourt (1993) avaliou o desempenho de quatro tipologias de
elementos vazados popularmente chamados de cobogós, quanto à resistência à
passagem da ventilação natural, em função da velocidade e do ângulo de incidência.
Para isso, realizou medições em duas câmaras de testes com painéis compostos
pelos quatro tipos de elementos, tomando como referência um ponto interno em
cada câmara e um externo.
45
O estudo demonstrou que os blocos apresentam uma resistência seletiva
em função da velocidade do vento e da forma de cada elemento, e que os ângulos de
incidência oblíquos à fachada diminuem a velocidade do ar interior.
Para o presente trabalho, foram realizadas simulações com combinações
de orientação do Protótipo de Habitação de Interesse Social (HIS) em relação ao
terreno. Assim, resultados diferentes foram encontrados a partir do aplicativo
computacional utilizado.
•
Caracterização do sistema de paredes do protótipo estudado
O protótipo objeto de estudo empregado é componente do projeto
REPESC - Rede de Pesquisa em Eficiência Energética de Sistemas Construtivos,
integrante do programa HABITARE (2007), que tem como objetivo geral
consolidar uma rede de pesquisa regional voltada ao estudo do desempenho térmico
de sistemas construtivos para o Nordeste, considerando as peculiaridades
climáticas, econômicas e sociais. O interesse das pesquisas pertinentes ao projeto
está concentrado em sistemas construtivos que aperfeiçoem o conforto térmico no
ambiente construído e que diminua o gasto de energia necessário à climatização
ambiental.
O sistema construtivo utilizado no protótipo é formado por painéis
modulados em concreto celular espumoso1. Este material é uma mistura homogênea
de argamassa com espuma, gerando um material fluido que logo em seguida é
despejado sobre as fôrmas nas dimensões-padrão da construtora. Vãos de aberturas
e dutos para a passagem de instalações elétricas e hidro-sanitárias já são fixados
durante esta fase, com o objetivo de evitar a quebra do painel depois de pronto. As
1
Segundo Ferreira (1986) apud Lawrence et al.(1998), “...o concreto celular é um tipo de concreto leve que
resulta da pega de uma mistura composta de aglomerantes e agregados finos, que sofre tratamento mecânico,
físico ou químico, destinado a criar na sua massa uma alta porcentagem de poros esféricos, de dimensão regular
e milimétrica, uniformemente distribuídos, que permanecem estáveis, incomunicáveis e indeformáveis durante
todo o processo, resultando numa massa específica aparente seca inferior a 1850 kg/m³ e superior a 400 kg/m³”.
46
dimensões padrão da construtora são 2,45m de altura por múltiplos de 80 cm na
largura.
De acordo com a Caixa Econômica Federal (2008), nos últimos anos o
concreto celular espumoso (ou concreto leve com adição de espuma) vem sendo
utilizado no Brasil na produção de vedações verticais, como resultado da busca de
alternativas para reduzir a geração de entulho, a baixa produtividade da mão-deobra e o desperdício de materiais em geral. Dentre os diferentes processos
construtivos em uso, aquele em que se emprega a concretagem das paredes in loco
tem-se mostrado muito competitivo com relação à otimização do processo.
No entanto, apesar das vantagens apresentadas, o concreto celular
espumoso pode apresentar um problema: a fissuração por retração. De acordo com
Barros et al (1998) apud Lawrence et al. (1998), essa fissuração pode comprometer
a estanqueidade, segurança de utilização e estética da parede produzida.
Ferreira (1986) apud Lawrence et al. (1998) apresenta as causas de
fissuras à temperatura constante. Antes da pega, são considerados causadores o
assentamento e a evaporação rápida da água de amassamento; após a pega, deve-se
considerar que o volume dos produtos de reação do concreto é menor que o volume
dos componentes anidros; portanto, há movimento de água, ou seja, sai por
evaporação e entra por capilaridade, e há água livre no interior da pasta, além de
poder ocorrer a retração devido a carbonatação2.
A produção do concreto celular está regulamentada pelas normas NBR
12.644, 12.645 e 12.646. A Caixa Econômica Federal produziu, sob a coordenação
do Departamento de Apoio e Controle Técnico de FURNAS – Centrais Elétricas
S/A, com a colaboração técnica da Associação Brasileira de Cimento Portland –
PBCP, documento técnico contendo os critérios e requisitos mínimos e a serem
observados na execução de paredes de concreto espumoso, fundido in loco dos
quais cabe ressaltar que:
2
Processo pelo qual o gás carbônico da atmosfera penetra no interior da massa do concreto celular.
47
o Só deve ser utilizado em locais isentos de cloreto (longe da orla marítima);
o Para garantia das condições térmicas da unidade, seu projeto arquitetônico deve
observar as peculiaridades de cada uma das 8 (oito) zonas bioclimáticas,
dispostas na NBR;
o Detalhe do projeto arquitetônico, em especial quanto à dimensão dos beirais,
tem influência direta na durabilidade da unidade habitacional;
o As paredes deverão ser revestidas, especialmente na face externa;
o O projeto deve prever que a sua execução seja acompanhada/monitorada por
meio de sistema de garantia de qualidade, com o objetivo de garantir a sua
conformidade aos pressupostos da tecnologia construtiva;
Estudos desenvolvidos por Givoni (1998) comprovam que, para regiões
de clima quente e úmido, a melhor estratégia para prover conforto térmico no
interior de uma edificação é a ventilação confortável ou ventilação diurna de
conforto. Ainda segundo o autor, edifícios construídos com envelope de alta inércia
térmica e providos de ventilação cruzada durante o dia podem alcançar temperatura
interna de 2ºC a 3ºC menores que a externa, diferentemente dos de baixa inércia
térmica, que mesmo quando ventilados artificialmente, mantêm a temperatura
interna próxima da externa.
De acordo com Santamouris e Asimakopolus (1996), apud Papst (1999),
o uso de inércia térmica tem efeito positivo tanto no verão quanto no inverno. No
verão, o ganho solar durante o dia é armazenado na massa térmica, reduzindo os
picos das cargas de resfriamento. Com um tempo de atraso, este calor é liberado
para o interior da edificação, provocando uma mudança no horário de pico de carga
de resfriamento e reduzindo o seu valor. Comparando edificações com pouca e
muita inércia térmica para meia estação (outono e primavera), a autora observou
que edificações leves podem precisar de aquecimento para uma parte do dia e
resfriamento para outra. Já edificações com mais inércia térmica não apresentam
esta variabilidade e, dependendo das condições externas, podem apresentar
condições internas favoráveis.
48
Todavia, a mesma autora esclarece em outro momento que o uso da
inércia térmica em ambientes comerciais pode fazer com que o pico máximo da
temperatura interna ocorra em um período posterior, normalmente o noturno,
quando não há ocupação. Mas no caso de ambientes residenciais, como o que trata
o presente trabalho, este pico de temperatura pode ocorrer quando a edificação está
tendo sua maior ocupação.
49
2.0. METODOLOGIA
O trabalho busca integrar a pesquisa de campo com a simulação
computacional do comportamento térmico de edificações, para quantificar o
impacto das decisões arquitetônicas no desempenho térmico dos edifícios. As
simulações são definidas a partir de um modelo baseado na pesquisa de campo,
onde foi possível caracterizar o desempenho térmico de uma edificação construída
através de acompanhamento e informações obtidas na literatura.
A formulação da presente metodologia foi resultado da revisão
bibliográfica, da avaliação dos recursos computacionais disponíveis e da discussão
com os colaboradores dessa pesquisa. A proposta se iniciou com a seleção de uma
tipologia arquitetônica que representa uma edificação denominada HIS – Habitação
de Interesse Social. Após a caracterização do caso base e da simulação de seu
desempenho, foi possível criar combinações de variáveis climáticas e de projeto.
Conforme fluxograma a seguir (Figura 07), a metodologia desta pesquisa
compreende 6 etapas que interagem entre si.
Na primeira etapa, foi feita a escolha do objeto de estudo, bem como dos
recursos disponíveis. Além disso, nessa etapa pesquisou-se sobre as características
climáticas da região objeto de estudo. Logo após, foi definido o método de pesquisa
para simulação do desempenho térmico do protótipo estudado.
50
Figura 07: Fluxograma da Metodologia Proposta para a pesquisa.
Fonte: elaboração própria
No que diz respeito à simulação, há duas maneiras em que as
experiências em ambientes de teste ao ar livre podem ser usadas: para a validação
empírica e para a calibração do aplicativo computacional (STRACHAN, 2008).
Enquanto a calibração tem como objetivo a avaliação do modelo ambiental de
tecnologias nos edifícios, a validação avalia a confiabilidade de predição dos
programas de simulação. Ou seja, a calibração tem ênfase na avaliação quantitativa
do desempenho do edifício modelado, enquanto que a validação tem como foco a
avaliação quantitativa do desempenho do programa.
51
A calibração requer o uso de dados experimentais para assegurar-se de
que as predições do modelo alinhem-se com os dados medidos sobre uma escala
realista de condições de funcionamento.
Na terceira etapa foi feita a escolha do aplicativo computacional a ser
utilizado como ferramenta de simulação. Neste caso, optou-se pelo DesignBuilder
1.2, um aplicativo com o qual se pode trabalhar modelos virtuais de um edifício, e
principalmente pelo fato do referido aplicativo trabalhar com simulação térmica de
edificações naturalmente ventiladas. Ainda nesta etapa, é escolhido um índice de
conforto térmico, e as variáveis climáticas que implicarão no alcance do mesmo.
Na quarta etapa, o protótipo de estudo escolhido foi modelado no
DesignBuilder 1.2, e são realizadas simulações. Os resultados dessa simulação
foram apresentados e discutidos, visando contribuir com os estudos feitos com o
programa, e se certificar de que algumas variáveis de projeto possam influir no
desempenho térmico do protótipo, ajustando os dados de entrada de orientação,
rotinas de ocupação e materiais construtivos.
Na quinta etapa, foi realizada uma série de simulações, onde várias
combinações de variáveis mostraram os casos com o melhor e o pior desempenho
térmico, sendo identificada uma faixa de desempenho possível que contemple a
maioria das combinações possíveis.
Na sexta e última etapa, os resultados foram analisados e comparados
entre si, e com os resultados de temperatura interna obtidos in loco. Nesta etapa, foi
verificada a fidelidade dos dados oferecidos pelo aplicativo computacional de
simulação escolhido para avaliação do desempenho térmico do protótipo objeto de
estudo, em clima quente e úmido, a partir do método adotado.
52
2.1. O OBJETO DE ESTUDO
A elaboração do projeto do protótipo de Habitação de Interesse Social
(HIS) buscou conciliar as estratégias de conforto térmico recomendadas para o
clima local (quente e úmido de baixa latitude) às condições de mercado propostas
pela Construtora DOIS A, interventora da pesquisa Rede de Pesquisa em Eficiência
Energética de Sistemas Construtivos (REPESC).
O sistema construtivo dos painéis de concreto celular espumoso é
utilizado nas envoltórias laterais e o sistema de cobertura utilizado é de telha
cerâmica. A coberta possui inclinação de 25% e beirais de 40 cm. Os ambientes que
constituem o protótipo são: dois quartos, um banheiro, uma sala e cozinha
americana; ao quintal se encontra uma lavanderia. O protótipo apresenta dimensões
de 5,44 x 6.64m resultando numa área total de 45,15 m². A planta baixa do
protótipo objeto de estudo está ilustrada nas figuras 08 e 09.
Figura 08 – Planta baixa do protótipo Figura 09 - Perspectiva do protótipo
de Habitação de Interesse Social.
de Habitação de Interesse Social.
Fonte: Acervo da Arquiteta Bianca Negreiros
Fonte: Acervo do Arquiteto Leonardo Cunha
53
A construção do protótipo foi iniciada em meados do mês de março de
2009, e sua entrega se deu no dia 20 de abril próximo. Trata-se, portanto, de uma
construção rápida e de baixo custo.
Na entrega do protótipo, por motivos técnicos, foi incluído um forro em
PVC, não previsto no projeto original. Também na proposta projetual, as
esquadrias, que eram metálicas, num misto de brises com vidro, foram entregues em
madeira pintada de branco, modelo em brises fixos, de folhas pivotantes. Os beirais
da coberta, que no projeto mediam 60 cm em projeção, foram entregues com 40 cm.
Outro fato bastante relevante foi a não inclusão da proteção solar frontal,
aqui denominada terraço, que protegia as esquadrias da fachada leste da radiação
solar (Figura 10 e 11). Também deve ser citada a inserção de caixas de ar
condicionado pré-moldadas, que promoverão ao protótipo uma entrada/saída de ar
não programada anteriormente.
Figura 10: Foto da fachada frontal do
Protótipo
Figura 11: Foto da fachada posterior do
Protótipo
2.2. O DESIGNBUILDER 1.2 COMO FERRAMENTA DE SIMULAÇÃO
O uso de aplicativos computacionais de simulação de desempenho
térmico de edificações como ferramentas de projeto importantes para racionalização
do gasto de energia vem crescendo entre os projetistas. Através da simulação em
54
computadores, pode-se testar diversas alternativas de orientações, aberturas,
materiais e texturas, de forma rápida e eficiente, para se chegar a uma melhor
solução de projeto.
Como já mencionado, foi escolhido para o presente trabalho uma
ferramenta de simulação computacional do desempenho térmico de fácil manuseio,
que não necessitou de longo treinamento por parte do pesquisador. A opção foi pelo
DesignBuilder 1.2, o primeiro interface gráfico para o programa de simulação
térmica EnergyPlus.
O aplicativo combina as funcionalidades de modelação de edifícios e de
uso do mesmo, com simulação energética dinâmica de ponta, oferecendo uma
plataforma de modelação de habitação em 3d de rápida manipulação. Não há
limitações de geometrias tridimensionais e estão disponíveis elementos realísticos
que fornecem de forma visual e imediata detalhes como espessuras de paredes,
janelas, lajes, dentre outros.
As pré-definições permitem que se atribuam aos modelos dados e
características de construções, atividades e ocupações, sistemas de condicionamento
artificial e iluminação, tudo a partir de menus simples. Um importante motivo de
escolha deste aplicativo foi a possibilidade de exportação de dados para elaboração
de gráficos no Microsoft Office Excel®, como forma melhor de representação dos
dados obtidos.
O DesignBuilder 1.2 inclui uma grande quantidade de bibliotecas e
planilhas de dados, das quais se pode eleger para definir os parâmetros dos
modelos. O mais importante é que também permite ao usuário criar suas próprias
bibliotecas, com informações de acordo com cada país ou região. Como exemplo,
nas telas das figuras 12, 13 e 14, pode-se visualizar o editor de componentes
construtivos. Na figura 12, define-se a espessura e o material de todas as camadas
de formam cada componente; na figura 13, é possível ver a composição da mesma e
55
na figura 14 são mostradas as principais características físicas calculadas pelo
programa.
Figura 12: Tela de definição da espessura e material de cada camada
Figura 13: Tela de composição das camadas escolhidas.
56
Figura 14: Tela de características Físicas como transmitância térmica e absortância
já calculados pelo DesignBuilder após a escolha das camadas e materiais.
Ao criar um modelo, o DesignBuilder permite que sejam definidos
automaticamente os dados do mesmo mediante as plantas baixas definidas. Uma
vez criado, é possível fazer alterações no nível global ou específico, no nível
edifício, bloco e zona. Também é possível controlar o nível de detalhe de cada
modelo, o que faz do referido aplicativo uma ferramenta útil em qualquer etapa do
processo de projeto. Nos tópicos seguintes, será apresentada uma breve descrição
dos parâmetros que o usuário pode atribuir a cada modelo.
•
Dados do Local
A primeira seção de escolha de dados se refere às características do
local, com a possibilidade de se definir os dados de locação (latitude, longitude,
altura sobre o nível do mar, zona horária), características do terreno (material
construtivo, temperatura do solo), dados climáticos de aquecimento (temperatura
externa, velocidade e direção dos ventos), dados climáticos de resfriamento
57
(temperatura de bulbo seco máxima e mínima, temperatura coincidente de bulbo
úmido).
Um aspecto relevante do DesignBuilder é o fato de o mesmo utilizar
dados climáticos reais em formato .EPW que contém informações sobre as
temperaturas exteriores, a radiação solar e condições atmosféricas, entre outros
aspectos, de cada hora durante um ano completo. Os arquivos EPW podem ser
gerados a partir de outros arquivos de dados climáticos, como o TRY, TMY2,
IWEC, DOE-2, ESP-r, entre outros (Figura 15).
Figura 15: Tela de dados do Local ou Location Data.
•
Atividades
Nesta sessão definem-se os parâmetros relacionados com o uso do
edifício, os quais desempenham um importante papel no que se refere a seu
desempenho térmico. Entre eles se encontram as atividades que se desenvolvem
no edifício e suas correspondentes taxas metabólicas; o fator metabólico, que
permite especificar a constituição física dos usuários (crianças, mulheres, homens,
grupos mistos); a densidade de ocupação; o grau de aglomeração das pessoas no
interior do edifício, parâmetro que afeta fundamentalmente os índices de conforto
e desconforto; índice de consumo de água quente por dia; as temperaturas de
58
termostato, mediante as quais é possível simular o controle dos índices médios de
climatização (sistemas de aquecimento e resfriamento, ventilação natural e
ventilação mecânica); a entrada mínima de ar fresco por pessoa; níveis ótimos de
iluminação requeridos nas zonas distintas e espaços do edifício e por fim, os
equipamentos usados no interior do edifício, com seus correspondentes valores
térmicos (Figura 16).
Figura 16: Tela de dados de ocupação do edifício, desde as taxas metabólicas até
listagem de equipamentos presentes no interior do edifício.
•
Construção
A sessão de construção permite especificar a composição dos
componentes opacos da edificação, com seus revestimentos, materiais e espessuras.
Desta maneira, o programa calcula as propriedades térmicas de cada componente,
incluindo aspectos como o coeficiente de transmissão térmica (valor U) e os
coeficientes de transferência de calor (convecção e radiação).
Entre os componentes construtivos que o DesignBuilder pode simular,
destacam-se as paredes externas e internas; superfícies planas e inclinadas; portas
internas e externas; pisos, entrepisos e pisos externos; tetos e forros. Ao mesmo
59
tempo, é possível definir as condições de contornos dos elementos construtivos,
com objetivo de estabelecer a maneira em que se dão os fluxos de calor, indicando
o número de trocas de ar por hora (Figura 17).
Figura 17: Tela de dados de elementos construtivos do objeto modelado. É possível
definir inclusive o nível de infiltração de ar externo no interior do mesmo.
•
Aberturas
Na sessão de aberturas se estabelecem as características detalhadas das
janelas e superfícies envidraçadas incluídas no modelo virtual, as quais podem ser
encontradas em pareces externas e em cobertas. Podem ser escolhidos os tipos de
vidro (claro, reflexivo), espessura, número de folhas; os marcos e divisores
(materiais, dimensões, localização no que se refere à espessura da parede, número
de separadores horizontais e verticais, entre outras funcionalidades); sombreamento
(pode incluir vários dispositivos de proteção solar, quer integrados às janelas
(persianas, telas, cortinas, sistemas eletrônicos), ou sob a forma de dispositivos
arquitetônicos (persianas, venezianas); operação (é possível definir a percentagem
das superfícies das janelas que se consideram abertas para permitir a ventilação
natural, assim como os períodos, quando isso acontece. É possível também indicar
60
nesta sessão a operação de portas, mediante células, nas quais se estabelecem os
períodos em que são considerados ativos (Figura 18).
Figura 18: Tela de definição da operação de aberturas.
•
Iluminação
O programa permite ao seu usuário definir parâmetros relacionados com
a iluminação artificial do edifício, no qual é de grande utilidade para estimar os
ganhos caloríficos resultantes, assim como o consumo energético derivado deste
conceito. Tem-se duas opções para a definição de iluminação artificial: geral e
desktop. Ambas as opções podem ser utilizadas separadamente ou em simultâneo,
com a possibilidade de indicar o tipo de luminária (fluorescente ou incandescente);
a situação das luminárias (suspensas, de chão etc.); os índices de ganhos caloríficos;
operação (para indicar em que períodos se considera ativa a iluminação geral).
Também é possível simular diversos mecanismos virtuais de controle da
iluminação. Eles têm em conta a disponibilidade de luz natural, bem como a
otimização dos níveis de iluminância criado para acionar iluminação artificial.
Assim, é possível avaliar o desempenho lumínico dos edifícios, considerando o
potencial de economia de energia através do aproveitamento da luz (Figura 19).
61
Figura 19: Tela de definição do tipo de iluminação artificial, bem como a operação
das luminárias e o calor gerado por elas no ambiente interno.
•
Aquecimento, ventilação e ar condicionado
Uma das características mais importantes do DesignBuilder 1.2 é sua
capacidade de incluir a ventilação natural como um recurso para climatizar os
edifícios, a qual representa um ganho fundamental se o objetivo é tornar mais
eficiente o desempenho térmico e reduzir o gasto energético. O programa oferece
duas maneiras de incluir a ventilação natural. Por célula (a ventilação natural é prédefinida mediante taxas de trocas de ar horárias e células de operação - parâmetros
que podem variar para cada zona do edifício), e calculada (a ventilação natural é
calculada a partir da pressão do vento, locação e medidas das aberturas, a operação
destas últimas e a infiltração, dentre outros parâmetros. Também é possível
controlar a ativação da ventilação natural como parâmetro de referência à
temperatura interna do edifício (Figura 20).
62
Figura 20: Tela de definição do controle do ar-condicionado e ventilação natural,
além dos níveis de infiltração de ar externo no interior do modelo.
2.2.1. METODOLOGIAS DE CÁLCULO DO DESIGNBUILDER 1.2
O processo de projeto pode ser auxiliado pelo uso de programas
computacionais de simulação, para os quais é necessária a escolha adequada dos
parâmetros utilizados como dados de entrada e o entendimento dos resultados de
saída obtidos pela simulação, além da compreensão geral do modelo de simulação
utilizado.
O aplicativo DesignBuilder 1.2 fornece dados de consumo de energia,
conforto interno e sistemas de ar condicionado de vários tamanhos e potências. Os
dados de saída são baseados numa detalhada simulação, de etapas sub-horárias,
usando o Programa EnergyPlus como base.
O EnergyPlus foi elaborado a partir da fusão dos códigos do BLAST e
DOE-2, porém seu código integra vários outros algoritmos, como WINDOW 5.0,
COMIS, TRNSYS e SPARK (DOE, 2004). A partir da caracterização geométrica
63
da edificação, seus componentes construtivos, cargas elétricas instaladas, sistemas
de condicionamento de ar e padrões de uso, o programa estima o consumo de
energia considerando as trocas térmicas da edificação com o exterior. Para isso,
deve-se utilizar um arquivo climático da região, com dados horários de temperatura,
umidade relativa, ventos e radiação solar. O EnergyPlus permite que o usuário
solicite diversos relatórios, com dados estimados durante o processo de simulação,
incluindo temperatura interna de cada zona térmica, consumo de energia por uso
final e carga térmica retirada ou adicionada pelo sistema de condicionamento de ar
(SCARDUELLI, WESTPHAL e LAMBERTS, 2005).
A integração entre as cargas térmicas, os sistemas de climatização e os
equipamentos utilizados é outro ponto forte do EnergyPlus. Os impactos pelo tipo
de sistema e equipamentos escolhidos são considerados diretamente na resposta
térmica do edifício, ao invés de se calcular a carga térmica primeiro, para depois
simular o tipo de sistema e os equipamentos. Isto permite ao projetista analisar a
influência sobre o conforto térmico quando se sub-dimensiona um componente do
sistema, por exemplo.
O EnergyPlus é um programa onde suas linhas de programação podem
ser facilmente apresentadas e modificadas. Dessa forma, espera-se que a exatidão e
o número de probabilidades de utilização do mesmo possam ser aperfeiçoadas. A
possibilidade de mudança do código fonte é também um fator importante para a
sobrevivência do programa frente aos avanços tecnológicos. Para manter o código
fonte e os algoritmos, o mais separadamente possível, e de forma mais modular, a
equipe de programadores muito se empenhou, a fim de minimizar a necessidade de
um conhecimento amplo que um usuário deveria ter para adicionar novos modelos
(WESTPHAL e LAMBERTS, 2005).
Após a realização da simulação, o programa produz até 23 arquivos de
saída, sendo alguns listados no decorrer deste trabalho. A interpretação desses
arquivos não é simples; eles precisam passar por uma análise ou serem rearranjados
por um outro programa de interface mais amigável, para que os resultados da
64
simulação tenham algum sentido. Um exemplo de um programa para visualizar
dados de entrada é o DesignBuilder, que é utilizado neste trabalho.
Existem cinco módulos de gerenciadores que organizam todo o
funcionamento do EnergyPlus: o gerenciador da simulação (GS), gerenciador da
solução integrada (GSI), gerenciador do balanço de calor de superfície (GBCS),
gerenciador do balanço de calor do ar (GBCA) e gerenciador da simulação dos
sistemas do edifício (GSSE), sendo que o gerenciador da simulação do EnergyPlus
está contido em um único módulo separado de todos os outros. O gerenciador da
solução integrada comanda os outros três gerenciadores (Figura 21).
Figura 21: Fluxograma dos Gerenciadores que organizam o funcionamento do
DesignBuilder 1.2.
A organização em módulos permite que diferentes pesquisadores e
programadores possam desenvolver seus blocos e sub-rotinas simultaneamente, sem
interferir em outros módulos, que estão desenvolvidos e com uma necessidade
limitada de conhecimento de toda a estrutura do programa.
Entretanto, devido às transferências de calor entre as superfícies das
zonas e as misturas de ar das mesmas, que ainda ocorrem, os novos campos de
temperaturas devem ser computados ao mesmo tempo da simulação e ao mesmo
tempo dos incrementos de todas as Zonas, ainda que as condições de uma Zona
estejam mudando muito mais rápido que as condições das outras Zonas. Este
65
método é chamado “Predictor Corrector Method”, que tem se mostrado satisfatório
para condições de limites restritas. Porém, como o EnergyPlus é um aplicativo de
simulação, ao desenvolvê-lo não se preocuparam com a interface, sendo que seus
dados de entrada e saída são simplesmente textos em ASCII. Além disso o
EnergyPlus aceita qualquer valor para os dados de entrada, exceto para alguns
parâmetros que têm limites de máximo e mínimo, e não faz nenhuma análise crítica
sobre os resultados obtidos. Por isso engenheiros e arquitetos sempre deverão ser
cuidadosos ao fornecerem dados de entrada, e ao analisarem dados de saída, para
utilizarem essa ferramenta.
Rauber et al (2005) afirmam que os resultados analisados podem
demonstrar diferenças significativas no comportamento de programas de simulação
térmica, independentemente dos dados climáticos utilizados na simulação. Em sua
pesquisa, resultados oferecidos por quatro softwares de simulação térmica,
utilizando o mesmo arquivo climático TRY, se apresentaram discrepantes, não
havendo nenhum consenso entre eles, impossibilitando assim a escolha de algum
aplicativo com o modelo de comportamento real da edificação.
O Energy Plus gera com os dados de entrada fornecidos um arquivo com
extensão “idf” (Input Data Files – Arquivo de Dados de Entrada), que possui, entre
outros, os dados de geometria, que são os de interesse desta pesquisa. O programa
gera automaticamente comentários e divide as informações em blocos, sendo que
apenas alguns desses blocos reúnem informações relativas à geometria da
construção. Nestes blocos estão presentes características físicas do material da
superfície, e algumas situações às quais a mesma está sujeita, mas que não são
relevantes no processo projetual.
Os dados para a simulação são inseridos através de arquivos de dados
climáticos, de extensão “.epw” (energy plus weather file). Em relação aos arquivos
de saída de dados tem-se: o arquivo de desenho (.dxf); o arquivo de erros (.err), que
lista os tipos de erros ocorridos no programa facilitando sua correção, o arquivo de
variáveis de saída (.rdd), que lista todas as variáveis de saída para a simulação; o
66
arquivo de parâmetros (.eio) , que especifica os parâmetros da simulação e lista os
resultados dos cálculos das funções de transferência por condução (CFTs); e o
arquivo de resultados da simulação (.eso). Vale salientar que os dois últimos
arquivos foram criados no formato (.csv) e podem ser lidos como texto ou na
planilha eletrônica do Microsoft Excel. O fato do arquivo (.eso) ser compatível com
o Microsoft Excel viabiliza a plotagem de gráficos com os resultados, facilitando a
apresentação das definições.
2.3. PLANO DE MEDIÇÕES
Têm-se como objetivo nesta fase do trabalho realizar um planejamento
de medição in loco da variável temperatura do ar no protótipo de Habitação de
Interesse Social (HIS), localizado no Campus Central da Universidade Federal do
Rio Grande do Norte, em Natal/RN (Figura 22).
Figura 22: Localização do protótipo de
Habitação de Interesse Social no Campus
Central da UFRN.
Fonte: Acervo do Arquiteto Leonardo Cunha – adaptado
do SketchUp
O planejamento experimental para a coleta de dados de campo forneceu
os subsídios necessários à análise estatística. A velocidade e direção dos ventos foi
variável de entrada constante no DesignBuilder, pois o arquivo climático TRY já
contém esses dados.
67
De acordo com Araújo, Martins, Araújo (1998), em pesquisa feita
utilizando dados da Estação do Centro de Lançamento da Barreira do Inferno, em
Natal/RN, os horários representativos na cidade de Natal, onde ocorrem menor
temperatura
aquele
intermediário
entre
os
máximos
e
mínimos
são,
respectivamente, 5h, 13h e 17h (Figura 23).
32
Temperatura Média (ºC)
30,8
30
28
28,7
26
24,8
24
23,0
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
Abril-Setembro
Horas do Dia
Outubro-Março
Média Anual
Figura 23: Gráfico do comportamento dos dias típicos de temperatura para a região
de estudo.
Fonte: Adaptado de Araújo (1998)
É então proposto um plano de medições, onde os meses e horários
representativos para o clima da cidade possam servir de instrumento para a análise
do protótipo em estudo.
Observou-se então o comportamento da temperatura do ar no interior da
HIS durante uma sequência de quinze dias, dos dias 23 de abril de 2009 ao dia 07
de maio de 2009, período que caracteriza a diminuição da temperatura média do ar
na região objeto de estudo. Para isso, utilizou-se o medidor HOBO® Temp Data
Logger da Onset Computer Corporation (Figura 24).
68
Figura 24: Foto do HOBO utilizado para
os registros de temperatura do ar
O HOBO Data Logger funciona com uma pequena bateria de
acionamento de dados, que, no caso, registra temperatura e umidade do ar de dez
em dez minutos por até 28 dias. Quando a medição se completa, é possível
descarregar rapidamente os dados para um computador, através do programa
BoxCar PRO for Windows 4.0. Depois, podem-se exportar os dados para uma
planilha do Microsoft Excel® para calcular e visualizar os dados, sob forma de
tabela ou gráfico.
Dessa forma, de acordo com a planta baixa do protótipo, os HOBO’s
foram fixados em número de 4, nos quartos, na sala e na cozinha, no centro
geométrico destes ambientes (Figuras 25 e 26). Portanto, acredita-se que a altura de
1,20m em relação ao nível do piso represente uma distância coerente em relação à
coberta (principal fonte de ganhos caloríficos por radiação solar), ao piso e às
paredes, e também represente uma altura condizente com as principais atividades
realizadas em uma habitação unifamiliar (deitar, estudar, sentar para comer ou
assistir TV), mesmo considerando que as medições foram realizadas sem a presença
de usuários.
69
Figura 25: Planta Baixa do Protótipo utilizado como objeto de
estudo nas medições e indicação da localização da aparelhagem.
Figura 26: Foto da fixação dos dataloggers no interior do
protótipo em estudo
70
2.4. TRATAMENTO DOS DADOS CLIMÁTICOS
Goulart (1993) utilizou-se dos dados da cidade de Florianópolis e,
através de metodologias, foram obtidas informações sobre temperatura de projeto
(pelo método da ASHRAE), dias típicos de projeto de verão e inverno, ano
climático de referência, graus-dia e graus-hora. Os métodos foram discutidos e
avaliados de acordo com os resultados alcançados.
Conforme Goulart (1993), a ASHRAE identifica duas fontes de ano
climático desenvolvidas para cálculos de energia utilizados no Estados Unidos: o
Test Reference Year (TRY), preparado pelo National Climatic Center e o Tipical
Meteorological Year (TMY) preparado pelo Sandia Laboratories na cidade de
Albuquerque, Estado do Novo México, EUA.
De acordo com Libos (2007), o Test Reference Year (TRY) representa
um ano real de dados referentes a um período de registro disponível de 10 anos ou
mais. A mais recente geração de sistemas informatizados para simulação de
desempenho térmico de edificações adota como dados de entrada, representando o
clima local, informações horárias de um período anual. Exemplos desses sistemas
são DOE, ESP, COMFIE e mais recentemente o DesignBuilder 1.2 (EnergyPlus),
que utilizam os dados climáticos horários de um ano típico, para cálculo do
consumo de energia e avaliação de desempenho térmico em edifícios.
Ainda segundo Libos (2007), a vantagem em se adotar um arquivo
climático com dados horários de um ano inteiro ao invés de aplicar a prática usual
de apenas o dia típico de verão e inverno encontra-se no fato de que os resultados
obtidos nas simulações com dados horários anuais representam com mais
fidedignidade as variações sazonais de um ciclo anual. Um arquivo climático de um
ano de dados permite uma visão integral das variações, que podem incidir na
simulação, e garantem o equilíbrio do método dinâmico de interações nos cálculos
de simulação térmica em regime momentâneo, para qualquer estação, mês, dia ou
hora do ano que se queira simular.
71
Akutsu et al. (1995) esclarece que o dia típico é empregado para
representação climática em simulações de desempenho térmico nos métodos usados
pelo IPT. Contudo, nessa prática, não se pondera as variações ocorridas no clima
durante os dias precedentes ao dia típico, o que é relevante quando se trata de
edificações com certa inércia térmica.
O Test Reference Year (TRY) consiste em dados climáticos horários
apresentados em um formato padronizado, conforme necessário para simulação de
desempenho térmico de edificações. No TRY, determinado pelo processo descrito
por Stamper, apud Goulart (1993), constam as seguintes informações climáticas
para as 8.760 horas do ano:
· mês, dia e hora; temperatura de bulbo seco (TBS);
· temperatura de bulbo úmido (TBU); umidade relativa (UR%);
· direção de vento (DV); velocidade de vento (VV);
· pressão barométrica (PR); nebulosidade (TN);
· radiação solar (estimada a partir da nebulosidade).
No presente estudo foi utilizado o arquivo climático TRY de Natal-RN,
datado de 1954, disponibilizado pelo Laboratório de Eficiência Energética em
Edificações – LABEEE, da Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC.
2.5. SIMULAÇÕES
O processo de simulação é composto basicamente por três fases
conectadas entre si. A primeira consiste na caracterização do edifício; a segunda na
simulação propriamente dita e a terceira na análise dos resultados. Para a
caracterização do edifício, é indispensável o fornecimento de dados do ponto de
vista geométrico e construtivo, para que sejam geradas duas bases de dados, sendo
uma referente às propriedades termofísicas de cada elemento primitivo, e outra
72
relativa às soluções construtivas das envolventes do edifício (paredes, cobertura,
superfícies) e que são definidas a partir da combinação de tais elementos primitivos.
Ainda uma terceira base de dados é gerada a partir da caracterização dos
ganhos internos de calor, ou seja, da definição das taxas de ocupação, de utilização
de iluminação e equipamentos diversos (dados operativos).
Para a definição de um modelo computacional confiável, que represente
o desempenho térmico e energético de determinado edifício avaliado, é essencial
que esse modelo seja corretamente calibrado (WESTPHAL e LAMBERTS, 2005).
Para isso, uma das opções é comparar dados obtidos por simulação com dados de
medições no edifício.
Avaliar o impacto das variáveis de projeto em função da variável
climática temperatura do ar interior, e identificar as variáveis de pior e melhor
desempenho para modelagem dos casos extremos (pior caso e melhor caso),
fazendo uma análise de sensibilidade no aplicativo em questão são os objetivos da
série de simulações feitas com o DesignBuilder 1.2 no presente trabalho.
Combinou-se, então, inicialmente algumas orientações com alterações
em elementos construtivos. Os diversos estudos sobre a influência do entorno,
quanto à geometria do edifício no comportamento da ventilação, precisam
considerar os diferentes padrões de distribuição das pressões nas superfícies do
edifício (MOESEKE et al., 2005).
O protótipo foi modelado no DesignBuilder 1.2 (Figura 27) e nesta
primeira modelagem, as proteções solares (beirais) não foram incluídas. O motivo
da não inclusão dos beirais nesta primeira série foi constatar que as próximas
simulações (modelagem seguindo o projeto – com beirais) apresentarão resultados
diferentes, com melhor desempenho térmico do protótipo, já que as proteções das
aberturas exercem no presente clima um importante papel no seu desempenho
térmico.
73
Figura 27: Tela do protótipo modelado no DesignBuilder 1.2
sem as proteções das aberturas – primeira modelagem para
arquivamento dos resultados, para posterior comparação com a
modelagem do projeto original (com proteções).
2.5.1. LIMITAÇÕES E SIMPLIFICAÇÕES DO APLICATIVO
De modo geral, qualquer que seja a opção de processamento, o
aplicativo apresenta as seguintes limitações e simplificações:
1. Utilização de grande número de memória RAM, o que exige a utilização de
microcomputadores de configuração elevada;
2. Limitação na variável de entrada “ventilação natural”. O programa não regula a
velocidade dos ventos, configurando apenas as pressões de acordo com as
aberturas. Dessa forma, impede que sejam feitas experiências com maior ou
menor ventilação com precisão. É possível modelar a ventilação natural
somente com a opção de janelas abertas, baseada no setpoint de temperatura do
ar;
74
3. Limitações no processo de modelagem do protótipo. Mesmo no caso de um
projeto simples como o da HIS (Habitação de Interesse Social) deste trabalho,
ocorreram fases em que não se conseguiu representar com clareza alguns
elementos construtivos, como o elemento madeira, presente nas janelas. O
tutorial do aplicativo não se mostrou claro para este pesquisador neste
momento;
4. A complexidade dos fenômenos envolvendo o comportamento térmico de
edifícios implica em uma grande quantidade de dados de entrada nas
simulações
com
o
DesignBuilder,
o
que
requer
conhecimentos
multidisciplinares dos usuários da ferramenta;
5.
A pouca disponibilidade de estudos e informações relacionadas ao
DesignBuilder 1.2, por se tratar de um aplicativo bastante atual, apesar do
referido aplicativo estar sendo continuamente analisado e modificado.
2.5.2. SIMULAÇÃO DO PROTÓTIPO NAS CONDIÇÕES REAIS DE
IMPLANTAÇÃO
O protótipo está na situação de implantação e sua fachada frontal se
encontra voltada para o leste, permanecendo a oeste a cozinha, o banheiro e o
quarto de casal (Figura 28).
Figura 28: Planta do protótipo em sua real
implantação.
Para as simulações realizadas, utilizou-se as propriedades físicas dos
elementos construtivos de acordo com a Tabela 02:
75
Tabela 02: Características dos materiais construtivos básicos do protótipo de HIS
modelada no DesignBuilder 1.2.
Elemento
Material
Transmitância
Térmica
(W/m²-k)
Absortância
(%)
Coberta
Telha
Cerâmica
com forro de
PVC
2,01
60
Paredes
Concreto
Celular
Espumoso
Radier + Piso
Cerâmico
1,86
25
5,07
70
Piso
As simulações realizadas utilizaram dados horários de 365 dias do ano,
em 8.760 horas. Os dados oferecidos pelo DesignBuilder 1.2 foram exportados (em
formato .csv) para uma tabela do Microsoft Excel, onde foram elaborados gráficos
para melhor representação dos resultados.
Como já mencionado, iniciaram-se as simulações com uma modelagem
sem proteções solares, a fim de se fazer uma análise de sensibilidade do aplicativo
computacional. Os dados oferecidos são obtidos com freqüência de horas em
temperatura de conforto térmico, que, como já citado no capítulo 02, parte de
modelos de vários autores como Givoni, Humphreys e Nicol, Szokolay e Docherty.
Por motivos de segurança da aparelhagem instalada no protótipo no
Campus Central da UFRN, as esquadrias (portas e janelas) permaneceram 45% das
horas do dia totalmente abertas, durante a maior parte das horas de incidência solar,
e foram fechadas em média às 19hs, de modo igual na modelagem.
De acordo com Papst e Lamberts (2001), o ganho térmico solar faz com
que, em edificações naturalmente ventiladas, a temperatura média interna seja
superior à temperatura média externa. Este calor excedente pode ser retirado pelo
uso da ventilação, mas a temperatura interna nunca seria inferior a externa.
76
Dessa
D
form
ma, já que o protótipo não foi anaalisado com
m usuários, o
pesquisadorr executou pessoalmente
p
e, de forma diária
d
nos diaas de mediçãão, o controlle
de aberturaa e fechamennto das aberrturas do prootótipo objeeto de estudoo, bem com
mo
fotografou o protótipo em diversoos horários, mostrando a incidênciaa do Sol naas
o objeto de estudo.
e
Por esse motivo, faz-se neceessário adotaar a rotina de
d
fachadas do
ocupação de
d 5%, refereente ao temppo em que o pesquisadoor entra no protótipo
p
parra
realizar a operação
o
das aberturas. No anexo deste traballho, está dissponível um
ma
tabela com
m os horárioos de abertuura e fechaamento das esquadrias do protótippo
localizado no
n Campus Central
C
da UFRN.
U
Os eletrodomésticos nãão foram inccluídos, poiss não estão presentes no
n
layout destaa habitação em análise. A infiltração do ar exteerno pelas veenezianas daas
janelas é peequena, porém relevante.
Foi
F então realizada a priimeira simullação para annálise de sennsibilidade do
d
software. Os
O resultadoss estão exprressos abaixoo, no gráficoo de frequênncia de horaas
em que o protótipo se encontra
e
em
m temperaturaa de confortto térmico deentro da zonna
escolhida co
omo padrão para este traabalho (Figuura 29).
C
Caso Bas
se
T < 19
19 < T < 29
29 < T < 33
83%
%
78%
22%
17%
%
0%
TEM
MP. EXTERNA
0%
T
TEMP. INTERNA
A CASO BASE
Figura 29:
2 Gráfico de
d frequênciaa de horas em
m que o prottótipo base se
s encontra
dentro
d
da Zonna de Conforto escolhidaa para análisse neste estuudo.
7
77
Constata-se aqui, através da figura 28, que o protótipo sem proteções
solares alcançou temperatura do ar interior em 78% das horas anuais dentro da zona
de conforto térmico aqui adotada, contra 83% para o clima externo. Com presença
de ventilação, nas temperaturas de 29° a 33°C, a frequência de horas subiu
significativamente, de 17% para 22%, também em relação ao meio externo, tido
como referência neste estudo.
A função das proteções solares é permitir que as aberturas exerçam seu
papel de prover ventilação natural para o interior de uma edificação, sem que o
calor resultante da radiação solar venha a penetrar no interior dos ambientes e eleve
a temperatura interna.
O gráfico da figura 30 mostra os ganhos térmicos do protótipo através de
seus principais elementos. As paredes externas em concreto celular, de elevada
inércia térmica, indicaram o atraso térmico previsto, mostrando-se como não
recomendada para o clima objeto de estudo. Os resultados do aplicativo mostram
que as paredes externas foram responsáveis por aquecer o interior do protótipo,
muito mais do que resfriar.
O piso interno é de concreto, elevado 20 cm do solo. Apesar de ser uma
superfície horizontal, perpendicular aos raios solares, dispõe da proteção do
telhamento cerâmico, sendo, portanto, o que melhor respondeu a esta simulação.
Todavia, os pisos externos, não presentes nesta análise, provavelmente apontariam
um baixo desempenho térmico em relação ao interno, por não possuírem nenhum
tipo de proteção.
78
ilumin
nação/ocupaçãão
infiltraação/ ventilaçãão
coberrta
as
paredes intern
p
piso
paredes
AQ
QUECIMENTO
REESFRIAMENTO ‐8
‐6
‐4
‐2
0
2
4
6
Figura 30: Gráfico de cargas
c
de aqquecimento e resfriamentto do protótiipo modeladdo
sem proteções soolares.
7
79
3.0.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
As simulações realizadas a seguir foram processadas e calculadas
ajustando o aplicativo em estudo aos dias de medição in loco, que são de 23 de abril
de 2009 a 07 de maio de 2009. Acredita-se que, dessa forma, os resultados possam
melhor servir de objeto de análise do comportamento do protótipo de HIS no clima
da região em estudo, de acordo com os dados fornecidos pelo DesignBuilder.
3.1. SIMULAÇÃO DO PROTÓTIPO - ALTERAÇÃO 01
Inicialmente, partiu-se para o estudo do comportamento do protótipo em
relação a sua orientação. Segundo algumas recomendações para o projeto em clima
quente e úmido, do ponto de vista do ganho de calor, devido à radiação solar, as
edificações devem estar orientadas com seus eixos maiores, na direção leste-oeste
(ARAÚJO, 1987). Portanto, fundamentado nesta afirmação, processou-se o
programa, simulando a rotação correspondente no protótipo.
Nesta modificação, o protótipo permaneceu sem beirais e/ou proteções
solares nas aberturas, alterando-se apenas sua orientação, que será no sentido antihorário de 60º em relação a sua real implantação.
Com base nos dados de vento da região de estudo, constatou-se a direção
predominante de 120° SE, durante 8 (oito) meses do ano, bem como uma
velocidade do vento média de 5m/s, adotada como vento de projeto (ARAÚJO,
MARTINS, ARAÚJO, 1998).
80
Processou-s
P
e esta simuulação com rotação doo protótipo, para que as
a
aberturas dee entrada dee ar dos 2 (doois) quartos situassem-se perpendicuular à direçãão
dos ventos predominant
p
tes.
O gráfico daa figura 31 mostra
m
os ressultados destta simulaçãoo em relação à
frequência de
d temperatuuras de confforto, segunddo o critério utilizado neste trabalho::
Allteração
o 01
T < 19
19 < T < 29
83%
29 < T < 33
81%
78%
22
2%
17%
0%
TEMP. EXTTERNA
0%
TEMP. INTERNA C
CASO BASE
19%
0%
%
TEM
MP. INTERNA A
ALTERAÇÃO
Figura 31:
3 Gráfico de
d freqüênciaa de horas em
m que o prottótipo base se
s encontra
dentro
d
da Zonna de Confoorto escolhida, em relaçãão ao caso baase.
Constata-se através da figura
f
31 um
m sensível aumento
a
na frequência
f
d
de
horas de co
onforto sem presença
p
de ventilação em
e relação ao
a caso basee, que adotouuse como refferência paraa análise de sensibilidad
s
e. A intençãão foi melhorrar o confortto
térmico do protótipo através
a
da entrada
e
de ventilação
v
peelas janelas dos quartos.
Porém nesta opção, apeenas os quarrtos foram beeneficiados com os venttos provindoos
do sudeste. A sala e coozinha, mesm
mo em comuunicação com
m os quartoss pelas portaas
abertas, nesste caso, paassam toda a tarde recebbendo cargaas térmicas provindas de
d
radiação solar. Dessa foorma, nota-se que o softw
ware reconhhece o protóttipo como um
m
todo nas sim
mulações, realizando cállculos de méédias de tempperaturas.
Assim,
A
tem--se um aumeento nas horaas em que o protótipo see encontra em
m
conforto térrmico nas tem
mperaturas de
d 19º a 29ºC, e uma dim
minuição coonsiderável na
n
frequência de
d horas nass temperaturaas entre 29º e 33ºC. Issoo faz com que se necessitte
menos de ventilação arttificial ou mecânica, em relação ao caso
c
base.
8
81
Em
E relação às cargas de
d aquecimento e resfrriamento doo protótipo, a
simulação mostrou
m
o seeguinte resulltado (Figuraa 32):
ilum
minação/ocupação
infilttração/ ventilação
cobeerta
paredes interrnas
p
piso
AQUEECIMENTO
RESFR
RIAMENTO
paredes
‐10
‐8
‐6
‐4
‐2
2
0
2
4
6
8
10
Figurra 32: Gráficco de cargas de aquecimeento e resfriaamento do protótipo
p
modellado rotacionnado 60° no sentido anti-horário
As
A paredes externas em
m concreto celular
c
espum
moso chamaaram atençãão
pelo aumen
nto em maiss de 50% dee sua capaciidade de aquuecimento, e aumento de
d
mais de 10
00% da cappacidade dee resfriamennto, em com
mparação aoo caso basee.
Acontece que
q boa partee do protótippo, incluindoo sala, cozinnha e banheiro, com esssa
nova orienttação, está viirada para o oeste, fachaada que posssui 3 aberturras em todo o
seu comprim
mento e outrra parte que possui paredde sem abertturas.
Os resultaddos apresenttados neste gráfico refe
ferentes à cooberta foram
m
significativo
os. Houve um
u aumento das cargas de
d aquecimeento e de resfriamento em
m
relação ao caso base. Passaram
P
coonsecutivameente de 3,000 para 7,63 MWh,
M
contrra
2,70 para -4,90
MWh. Analisandoo-se em perrcentual, constata-se quue, apesar do
d
aumento daa capacidadde de aqueciimento em 40%, a cobberta obtevee aumento da
d
capacidade de resfriam
mento de 55%. Porém
m, a coberta não deverria apresentaar
p
nãão
grandes varriações, umaa vez que appenas a muddança de orientação do protótipo
muda a posição dos raioos solares inncidentes na cobertura.
8
82
Pode-se notar o sensível aumento no item infiltração-ventilação, na
capacidade de resfriamento, de aproximadamente 7% em relação ao caso base.
Apesar do sensível progresso nas horas de conforto térmico dentro da
zona adotada neste estudo, pode-se dizer, em termos gerais, que esta primeira
modificação não trouxe melhorias significativas para o protótipo. Assim, outra
modificação no nível de orientação foi simulada.
3.2. SIMULAÇÃO DO PROTÓTIPO – ALTERAÇÃO 02
Desta vez, optou-se por rotacionar o protótipo, através do mesmo eixo
de rotação utilizado na alteração anterior, só que em sentido horário de 60º, em
relação à sua real implantação. Dessa forma, diferentemente da simulação 01,
tentou-se priorizar os ventos provindos do sudeste nas aberturas presentes na sala e
no primeiro quarto, colocando-os quase perpendicular à direção predominante dos
ventos.
O gráfico a seguir (Figura 32) mostra uma pequena melhoria na
frequência de horas de conforto térmico dentro da zona escolhida sem presença de
ventilação, e também uma diminuição nas horas de conforto na mesma zona com
presença de ventilação em relação ao caso anterior.
83
Allteração
o 02
T < 19
19 < T < 29
83%
29 < T < 33
82%
78%
22
2%
17%
0%
TEMP. EXTTERNA
0%
TEMP. INTERNA C
CASO BASE
18%
0%
%
TEM
MP. INTERNA A
ALTERAÇÃO
Figura 33: Gráfico de freqüência de
d horas denntro da zona de
d conforto escolhida em
m
r
relação
ao meio
m externo e o caso basse.
Esta
E mudançça no sentiddo real da oriientação (de 60º anti-horrário para 600º
horário) ofeereceu 1% de
d melhoria na
n situação de conforto térmico do protótipo em
m
relação à allteração 01. Assim, prioorizar a fachhada frontal com
c
os venttos provindoos
do sudeste mostraram que
q este casso se define como mais vantajoso em
e relação ao
a
simulado an
nteriormentee, supondo que a área da casa conntemplada com a melhoor
orientação corresponde
c
à maioria da área internna do protótippo em m2.
Em
E relação às cargas poositivas e neggativas que o protótipo recebeu
r
nestta
orientação, observa-se uma diminnuição de approximadamente 10% das
d cargas de
d
d
aquecimentto provindass da coberttura, mantenndo-se a caarga de resfriamento da
mesma, em
m relação à orientaçãoo modificadda do item anterior. Novamente
N
a
simulação apresentou variações na cobertura,, com a moodificação da
d orientaçãoo.
Este fato ap
presenta-se como
c
uma lim
mitação nos resultados fornecidos
f
(F
Figura 34).
8
84
ILUM
MINAÇÃO‐OCU
UPAÇÃO
INFILLTRAÇÃO‐VENTTILAÇÃO
COBERTA
PAREDES INTERNAS
PISO
P
PAREDES
AQ
QUECIMENTO
REESFRIAMENTO
‐10
‐8
‐6
‐4 ‐2 0
2
4
MWh)
carrga térmica (M
6
8
10
p
Figura 34: Gráficco de cargas de aquecimeento e resfriaamento do protótipo
modelado..
De
D forma geral, os resultadoss obtidos com esta modificaçãão
apresentaraam melhoriass, porém de forma poucoo significativvas em relaçção à anterior.
Assim, parttiu-se para ouutro tipo de alteração noo protótipo.
Escolheu-se
E
e como próxiima modificcação, a incluusão de protteções solarees
nas aberturaas. Espera-se que, com esse resultaddo, consiga-se aumentarr a frequênciia
de horas de conforto deentro da zonaa escolhida.
LAÇÃO DO
O PROTÓT
TIPO – ALT
TERAÇÃO 03
3.3. SIMUL
Em
E um clim
ma quente e úmido, sobbretudo de baixa
b
latitudee, como o de
d
Natal-RN, os ganhos térmicos
t
provindos da coberta sãoo bastante significativo
s
s,
tornando ass superfícies verticais (faachadas e abberturas) elementos mennos relevantees
no que se trrata de cargaas térmicas.
8
85
A coberta apresenta comportameento antagôônico durantte o períoddo
diurno e no
oturno. Porém nas noites de “céu lim
mpo” (ausênncia de nuveens) a cobertta
perde calorr, resfriandoo a edificaçãão. Portanto, uma boa allternativa é a redução na
n
absortividaade da superffície expostaa ao sol. Ou seja, a utilizzação de corr clara e a suua
manutenção
o. Como a película
p
de tinta praticam
mente não innterfere na condutividad
c
de
do materiall, os efeitos benéficos de
d resfriameento não seriiam alteradoos no caso da
d
simulação.
Desta form
ma, foi incluíddo, além da proteção sollar (em form
ma de beiraiss),
d cor bege clara. Além
m disso, moddificou-se a operação daas
telhamento cerâmico de
janelas, que agora perm
manecem 700% das horaas do dia abbertas. As poortas internaas
continuam abertas todoo o dia, comoo nos casos anteriores, modificando
m
o-se apenas as
a
portas exteernas que, neeste caso, fooram fechaddas nas 24h do dia. A orientação
o
d
do
protótipo permanece a original de projeto.
p
No
N gráfico da
d figura 355 mostra-se a fração de horas dentrro da zona de
d
conforto ad
dotada para este
e trabalho:
Allteração
o 03
T < 19
19 < T < 29
83%
29 < T < 33
81%
78%
22
2%
17%
0%
TEMP. EXTEERNA
0%
TEM
MP. INTERNA C
CASO BASE
19%
0%
%
TEMP. INTERNA A
ALTERAÇÃO
Figura 35: Gráfico de freqüência
f
d horas denttro da zona de
de
d Conforto escolhida em
m
r
relação
ao meio
m externo e o caso basse.
8
86
A presença do telhamennto cerâmicoo de cor begge clara deveeria prover ao
a
protótipo um
m maior nívvel de conforrto térmico. Se levado em
m conta que a opção parra
esse tipo dee telhamentoo somada à inclusão
i
de proteções
p
soolares em forrma de beiraal
onera mais recursos que as anteriorres, pode-se dizer que a presente alteeração não se
s
mostra vanttajosa, de acordo com oss resultados oferecidos pelo
p DesignB
Builder 1.2.
Em
E relação às cargas poositivas e neggativas que o protótipo recebeu
r
nestta
alteração, observa-se
o
u
uma
diminuuição de aprroximadameente 55% das
d cargas de
d
resfriamentto provindaas da cobertura, dim
minuindo-se também a carga de
d
aquecimentto do telham
mento, que, em relação à alteração do item annterior, foi de
d
60%. Dessaa forma, o protótipo se apresenta
a
coom maior cappacidade de resfriamentto
que de aqueecimento.
As
A
proteçõões
solaress,
neste
c
caso,
não
ofereceram
m
resultadoos
significativo
os, se usaddas isoladam
mente comoo estratégia, em relação à respostta
térmica doss elementos em questãoo. Ocorre apenas
a
uma diminuição de 10% daas
cargas de aquecimentoo provindass das paredees externas em relaçãoo à alteraçãão
anterior (Figura 36).
ilu
uminação/ocupação
inffiltração/ ventilação
co
oberta
paredes intternas
piso
paaredes
AQUECIMENTTO
RESFRIAMEN
NTO
‐8
‐6
‐4
‐2
0
2
4
p
Figura 36: Gráficco de cargas de aquecimeento e resfriaamento do protótipo
modelado..
8
87
Acredita-se que possa ter ocorrido uma falha no fornecimento dos dados
pelo aplicativo em estudo, pois esperava-se que, com a inclusão do telhamento
cerâmico claro aliado às proteções solares, o protótipo tivesse um aumento
significativo na frequência de horas na zona de conforto térmico escolhida. No
entanto, as alterações anteriores, que tiveram apenas suas orientações modificadas,
mostraram-se mais vantajosas em relação à presente.
3.4. SIMULAÇÃO DO PROTÓTIPO – ALTERAÇÃO 04
Nesta alteração foi mantido o mesmo material de cobertura da
modificação anterior, alterando-se apenas o elemento de forro.
Neste caso, diferentemente dos casos anteriores, foi adicionado um
sistema de laje em concreto celular, em substituição ao forro em Policloreto de
Vinilina, o PVC.
Os resultados apresentaram melhorias razoáveis, se comparados com os
obtidos na alteração anterior e, principalmente, com a situação de conforto térmico
do meio externo, tido como referência no gráfico a seguir (Figura 37).
88
Allteração
o 04
T < 19
19 < T < 29
83%
29 < T < 33
83%
78%
2%
22
17%
0%
TEMP. EXTTERNA
0%
TEM
MP. INTERNA C
CASO BASE
17%
0%
TEM
MP. INTERNA A
ALTERAÇÃO
Figura 37: Gráfico de freqüência
f
d horas denttro da zona de
de
d Conforto escolhida em
m
r
relação
ao meio
m externo e o caso basse.
Em
E 83% daas horas doo período em
m análise, o protótipo simulado se
s
encontra em
m situação de
d conforto térmico,
t
iguaalando-se coom a frequênncia de horaas
do meio ex
xterno. Assim, diminui--se considerravelmente a necessidadde do uso de
d
ventilação mecânica
m
paara obtenção da situação de conforto térmico.
Acredita-se
A
que a melhooria se deve à elevada inércia térmica do concretto
celular, já presente
p
nas paredes, e nesta
n
alteraçção no forro. Como o caalor demora a
penetrar no
o interior doos ambientess do protótippo, a temperratura se maantém menoos
elevada na maior
m
parte do tempo.
No
N gráfico abaixo (Figgura 38), observa-se
o
u sensível aumento na
um
n
capacidade de resfriam
mento da coberta,
c
de aproximadaamente 6%,, enquanto a
capacidade de aquecimento diminuuiu, em aproxximadamente 4%, em relação ao casso
e PVC.
com forro em
8
89
iluminação/ocupaçção
infiltração/ ventilaçção
cobeerta
paredes intern
nas
p
piso
pared
des
AQ
QUECIMENTO
RESSFRIAMENTO
‐8
‐6
‐4
‐2
0
2
4
Figura 38: Gráficco de cargas de aquecimeento e resfriaamento do protótipo
p
modelado..
Mesmo
M
com
m a melhoriaa na frequênncia de horaas em que o protótipo se
s
encontra em
m situação de conforto téérmico dentrro da zona adotada
a
nestee estudo, estta
alteração aiinda não se mostra
m
vantaajosa para a tipologia
t
de HIS em queestão. O forrro
de PVC ap
presenta-se ainda comoo mais baraato, de rápida e fácil instalação e
manutenção
o. Não é vaantajoso troocar o sistem
ma de forroo em PVC por concretto
celular, dian
nte dos resulltados obtidoos pelo apliccativo.
Obteve-se até
a aqui umaa idéia de coomportamennto de alguns sistemas de
d
cobertura e de orientaçãão, em relaçãão às condiçções padrão consideradas
c
s.
Partiu-se,
P
enntão, para abbordar a quuestão da veentilação e sua
s influênciia
direta no alcance da siituação de conforto
c
térm
mico. Na prróxima simuulação, foram
m
b
(referênncia inicial), modificandoomantidas ass características de projeeto do caso base
se a operaçãão das abertuuras.
9
90
3.5. SIMULAÇÃO DO PROTÓTIPO – ALTERAÇÃO 05
De forma simplificada, The Chartered Institution of Building Services
Engineers - CIBSE (1998) afirma que, para minimizar o consumo de energia em
edificações, referentes a gastos com iluminação e climatização em regiões tropicais,
a área de janela (e aberturas em geral) deve ser limitada. A instituição sugere o
limite de 30% da área da fachada exposta.
Para Ghisi, Tinker e Ibrahim (2005), a adoção da área recomendada para
garantir vista para o exterior em detrimento da área ideal de janela implicará maior
consumo de energia, pois foi mostrado na referida pesquisa que a área de janela
para garantir vista para o exterior é geralmente maior do que a AIJ (área ideal de
janela). Recomendou que mais pesquisas deveriam ser desenvolvidas para
investigar as áreas mínimas recomendadas para melhor integração de sistemas
natural e artificial, tanto para iluminação quanto para climatização.
Quando uma determinada edificação se encontra com temperaturas fora
da zona de conforto térmico coerente para determinado clima, é recomendado que
se utilizem meios de equilíbrio, a fim de se chegar a uma situação de conforto
térmico. Estes meios podem ser mecânicos (ventiladores) ou artificiais (ar
condicionados ou aquecedores). Esses mecanismos são consumidores de energia,
levando à hipótese de que, quando uma determinada edificação necessita deles para
conseguir uma situação climática favorável naquele ambiente, a mesma não é
termicamente eficiente.
Então, considerando-se essa hipótese, foram conferidas e calculadas as
áreas das aberturas do protótipo objeto de estudo em relação às áreas das fachadas.
Certificou-se que o autor do projeto preocupou-se para que a área das aberturas não
ultrapassasse os 30% das áreas das fachadas, recomendado pelo CIBSE.
91
Desta
D
formaa, a presentte simulaçãoo trabalhou com todas as janelas e
portas com
mpletamente abertas, de
d forma a não consiiderar a exxistência daas
esquadrias. Assim, ass aberturas ficam com
mpletamentee livres para promoveer
ventilação intensa.
i
Toddavia, sua opperação seráá na mesmaa frequência de horas daas
simulações anteriores (445% das horras do dia abbertas). O forrro volta a ser em PVC, e
o telhamen
nto em cerââmica colonnial. Os beiirais serão mantidos,
m
p
pois
retrata a
situação oriiginal. No gráfico
g
da figgura 38, os resultados
r
e
estão
expresssos em form
ma
de porcentaagem, com a frequência de horas dee conforto téérmico dentrro dos índicees
adotados neeste estudo.
Através
A
daa figura 399, pode-se observar uma
u
melhooria bastantte
consideráveel em relaçãão ao caso anterior, poois os elemeentos de forrro e cobertta
permanecem
m os mesmoos da situaçãão original do
d protótipo, e a freqüênncia de horaas
dentro da zona
z
de connforto escolhhida não soffre alteraçõees, também em relação à
situação antterior.
Allteração
o 05
T < 19
19 < T < 29
%
83%
29 < T < 33
83%
78%
2%
22
17%
0%
TEMP. EX
XTERNA
0%
TEMP. INTERNA C
CASO BASE
17%
0%
TEM
MP. INTERNA ALLTERAÇÃO
Figura 39: Gráfico de frequência
f
d horas denttro da zona de
de
d Conforto escolhida em
m
r
relação
ao meio
m externo e o caso basse.
Esta
E
alteraçção mostra-sse vantajosaa quando o único artifíício utilizaddo
para igualarr a frequênciia de horas dentro
d
da zonna de conforrto térmico foi
f a exclusãão
dos elementtos de esquaadrias em 45% das horass do dia.
9
92
Dessa
D
forma, observa-sse um ganhoo na capacidade de ressfriamento da
d
coberta do protótipo, de
d aproximaadamente 200% , bem coomo uma diminuição
d
d
da
capacidade de aquecim
mento de aprooximadamennte 10%, tam
mbém em rellação ao casso
anterior. O piso também
m teve diminnuição na caapacidade dee aquecimentto em relaçãão
à alteração anterior, coomo mostra o gráfico daa figura 40. Da mesma forma, com
mo
esperado, o resfriamentto através dee ventilação e infiltraçãoo de ar teve um aumentto
de aproximadamente 100% em relação ao caso anterior.
a
minação/ocupação
ilum
infiltração/ ventilação
cob
berta
paredes inteernas
piso
paredes
AQUECIMENTO
A
O
RESFRIAMENTO
R
O
‐12
‐10
‐8
‐6
6
‐4
‐2
0
2
4
Figura 40: Gráficco de cargas de aquecimeento e resfriaamento do protótipo
p
modelado..
3.6. SIMUL
LAÇÃO DO
O PROTÓT
TIPO – ALT
TERAÇÃO 06
Nesta
N
simulação, para efeito
e
de caliibração do aplicativo
a
em
m uso, optouuse por continuar a trabaalhar com opperação de aberturas.
a
A alteração 05
0 mostrou-sse
m seus resuultados, levaando-se em
m conta que promoveu uma melhoor
coerente em
circulação do ar no interior
i
do protótipo, provocando um elevaddo índice de
d
resfriamentto evaporativvo.
9
93
Foi
F então prroposto na alteração
a
06, a adoção das
d condiçõees idênticas à
da alteração
o 05, com a diferença na
n operaçãoo das aberturras. Neste caso,
c
todas as
a
aberturas, in
nternas e extternas, ficaraam abertas 24h
2 por dia. Sabe-se quee esta situaçãão
é teórica, viisto que em uma habitaçção real, na parte da noiite as portas e janelas sãão
quase semp
pre fechadas por motivo de segurança.
Porém,
P
com
mo a propossta é realizar um estuddo comparaativo com os
o
resultados fornecidos
f
p
pelo
program
ma e analisáá-los, deve-se trabalhar com todas as
a
possibilidad
des. Os resuultados ofereecidos pelo gráfico
g
de distribuição
d
d frequênciia
de
estão mostrrados no gráffico da figurra 41.
Allteração
o 06
T < 19
19 < T < 29
83%
29 < T < 33
84%
78%
22
2%
17%
0%
TEMP. EXTTERNA
0%
TEMP. INTERNA C
CASO BASE
16%
0%
%
TEM
MP. INTERNA A
ALTERAÇÃO
Figura 41: Gráfico de frequência
f
d horas denttro da zona de
de
d Conforto escolhida em
m
r
relação
ao meio
m externo e o caso basse.
Fontte: elaboração própria
p
Como
C
vistoo no gráfico da figura 40,
4 houve uma
u
grande melhoria da
d
situação dee conforto téérmico do protótipo
p
em
m relação à alteração 01, no critériio
temperaturaas de conforto. O motiivo foi a opperação das aberturas, que permitiiu
maiores tro
ocas de ar no interiorr dos ambientes do protótipo, prromovendo a
ventilação cruzada
c
e um
m consequennte aumento do resfriameento evaporaativo.
9
94
Em
E relação à simulaçãoo que serviu de modelo para esta, a diferença fooi
nas perdas térmicas
t
com
m infiltraçãoo-ventilação,, promovenddo um maiorr resfriamentto
no protótipo
o, como é mostrado
m
no gráfico
g
da figgura 42.
ilumin
nação/ocupaçãão
infiltraação/ ventilaçãão
cobertta
paredes internaas
pisso
paredees
AQUECIMENTO
RESFRIAMENTO
‐12
‐10
‐8
‐6
‐4
‐2
2
0
2
4
Figura 42: Gráficco de cargas de aquecimeento e resfriaamento do protótipo
p
modelado..
3.7. EXPER
RIÊNCIA COM
C
O PROTÓTIPO TOTALME
ENTE FECHADO
Nesta simuulação, opttou-se por trabalhar a edificaçãoo totalmentte
fechada, seendo feita meedição in locco através dos mesmos dataloggers
d
utilizados na
n
bateria de medições
m
annterior. Utiliizou-se paraa o fechamennto, o poliettileno de altta
densidade, devidamentte grampeaddo ao redor dos brises das janelas, e reforçaddo
com fita crrepe (Figura 43). O períoodo de mediições nestas condições requeridas
r
fooi
de 04/02/20
010 a 10/02//2010.
Este períoddo climáticoo destas meddições correesponde seguundo Araújoo,
Martins, Araújo
A
(19988), como o que apresennta maiores temperaturas, umidadees
9
95
mais baixas, velocidade dos ventos mais fraca e direção dos ventos no quadrante
sudeste com tendência para leste e radiação solar intensa.
Figura 43: Foto da vedação das aberturas
do protótipo
Fez-se necessário realizar essas medições para testar o aplicativo em
questão, em situação em que não se realizam trocas de ar no interior do protótipo
objeto de estudo.
Tratou-se esta comparação dos dados medidos com os dados simulados,
separadamente dos resultados das demais simulações, por se tratar de uma situação
bem distinta das realizadas no outro período climático.
A seguir, na figura 44, o gráfico de frequência de horas na zona de
conforto escolhida mostra uma grande diminuição das mesmas em relação às
demais simuladas.
96
Allteração
o 07
T < 19
19 < T < 29
72%
29 < T < 33
66%
TEMP. EXTEERNA
41%
34%
28%
0%
59%
%
0%
TEMP. INTERNA CASO BASE
0%
%
A TEEMP. INTERNA
ALTERAÇÃO
Figura 44: Gráfico de frequência
f
d horas denttro da zona de
de
d Conforto escolhida em
m
r
relação
ao meio
m externo e o caso basse.
Na maioriaa das horass, os resultaados mostraaram que o protótipo se
s
encontra em
m situação de
d temperatuuras acima de
d 29º C, coom 59% da freqüência
f
d
de
horas no peeríodo em annálise.
O caso basse permanecce em sua maioria
m
denntro da zonaa de confortto
escolhida, visto
v
que, suuas janelas e portas foram
m operadas simulando
s
60% das horaas
totalmente abertas.
a
Para efeitoo de comparação, com
m os resulttados mostrrados, foram
m
elaborados gráficos sepparados por zonas. No gráfico das figuras 45, 46 e 47, sãão
comparadoss os resultaddos de tempperatura do ar
a registradoos pelos dataaloggers e os
o
simulados através
a
aplicativo compuutacional.
9
97
Q
Quarto Fr
rente (Zona 2 ‐ Z2)
Z
01:00:00
07:00:00
13:00:00
19:00:00
01:00:00
07:00:00
13:00:00
19:00:00
01:00:00
07:00:00
13:00:00
19:00:00
01:00:00
07:00:00
13:00:00
19:00:00
01:00:00
07:00:00
13:00:00
19:00:00
35
5,0
32
2,0
29
9,0
26
6,0
23
3,0
20
0,0
4/2
TEMP‐ MED
DIÇÃO
TEMP‐ SIMU
ULAÇÃO
Figura 45:
4 Gráfico das temperaaturas internaas medidas e simuladas da
d Zona 2,
a
referrente ao quarrto da frente da HIS em análise
Saala e Cozzinha (Zona 4 ‐ Z4)
Z
01:00:00
07:00:00
13:00:00
19:00:00
01:00:00
07:00:00
13:00:00
19:00:00
01:00:00
07:00:00
13:00:00
19:00:00
01:00:00
07:00:00
13:00:00
19:00:00
01:00:00
07:00:00
13:00:00
19:00:00
35,0
32,0
29,0
26,0
23,0
20,0
4/2
TEMP. MED
DIÇÃO
TEMP. SIMU
ULAÇÃO
4 Gráfico das temperaaturas internaas medidas e simuladas da
d Zona 4,
Figura 46:
referente coozinha da HIIS em análisse
9
98
Q
Quarto Fu
undos (ZZona 3 ‐ Z3)
01:00:00
07:00:00
13:00:00
19:00:00
01:00:00
07:00:00
13:00:00
19:00:00
01:00:00
07:00:00
13:00:00
19:00:00
01:00:00
07:00:00
13:00:00
19:00:00
01:00:00
07:00:00
13:00:00
19:00:00
38,0
35,0
32,0
29,0
26
6,0
23,0
20
0,0
4/2
TEMP. MED
DIÇÃO
TEMP. SIMU
ULAÇÃO
Figura 47:
4 Gráfico das temperaaturas internaas medidas e simuladas da
d Zona 3,
referrente ao quarrto fundos da
d HIS em annálise no perríodo de meddições.
Através
A
dessses gráficoss, é possíveel verificar a grande influência
i
d
do
movimento
o de ar nos resultados. Os valoress de temperratura do arr medidos no
n
interior do
o protótipo vedado moostram que as temperaaturas do ar
a obtidas na
n
simulação apontam um
ma significattiva diferençça nos resulttados. Nas três
t
zonas, as
a
maiores differenças são nos momenntos de tempperatura máxxima do dia, em torno daas
13 horas, quando
q
a dife
ferença chega a 5°C na zona
z
2, 4°C na zona 4 e 7°C na zonna
3.
Conclui-se
C
q as freqqüências de horas dentrro da zona de confortto
que
definido em
m relação ao meio externno e o caso base
b
apresenttam distorçõões.
9
99
3.8. CONSIDERAÇÕES SOBRE AS SIMULAÇÕES
As simulações aqui realizadas foram feitas de modo a representar com
fidedignidade o protótipo construído no Campus Central da UFRN. Porém, alguns
materiais
e
elementos
no
DesignBuilder
tiveram
limitações
quanto
à
disponibilidade em sua biblioteca, e algumas propriedades dos mesmos, não sendo
possível obedecer rigidamente a todos os pontos.
No item “openings” do DesignBuilder, que opera as aberturas de uma
forma geral, o material madeira, não foi encontrado na biblioteca. Recorreu-se,
então, à norma NBR 15220 (ABNT, 2005), e obteve-se o valor das propriedades
térmicas da madeira usual para janelas e portas, pintadas de branco. Já no elemento
“glazing”, o programa calcula situações onde todas as janelas possuem vidro.
A carga gerada no ambiente é a variável mais difícil de ser declarada na
modelagem, e é onde há maior chance de erro, principalmente por se tratar de
simulação de habitação unifamiliar. O comportamento das pessoas numa casa é
muito peculiar, não periódico e, portanto, pouco previsível. Como a maior parte dos
equipamentos (eletrodomésticos) é acionada quando há ocupação, o erro torna-se
acumulativo. Ou seja, se houver um equívoco ao declarar o tempo de permanência
das pessoas dentro da edificação, não só estará contribuindo no erro do cálculo do
calor gerado pelas pessoas, mas também na contribuição gerada pelos
equipamentos dos quais elas provavelmente estariam fazendo uso. Desta forma o
meio mais seguro é tentar fazer uma estimativa baseada em algum padrão de
comportamento e deixar claro nas análises das simulações.
Tendo em vista que, no período considerado a edificação foi ocupada
apenas pelo pesquisador em aproximadamente 5% das horas diárias e não houve
uso de lâmpadas, os ganhos de calor pela iluminação e por pessoas é constante em
todos os resultados de cargas térmicas, representados nas simulações anteriores.
100
Assim, para comparação dos resultados das simulações com os valores
medidos na edificação real, foi requerido como dado de saída do modelo a
temperatura média do ar no interior [°C], nas zonas do quarto de casal, quarto dos
filhos, sala e cozinha. Os dados obtidos por medição e simulação foram
comparados, verificando-se as diferenças entre os valores. No item a seguir, iniciase essa etapa.
3.9. RESULTADOS OBTIDOS POR MEDIÇÕES NO LOCAL
O presente tópico é iniciado com a análise das temperaturas externas
colhidas na estação climática Davis Precision Weather Station, localizada no
LAVAT INPE-CRN, que se encontra em terreno contíguo à UFRN. Esses dados de
temperaturas externas foram comparados aos fornecidos pelo arquivo climático
utilizado no aplicativo computacional usado nesta pesquisa, TRY.
O gráfico da figura 48 mostra a visível diferença entre os dados usados
como referência para as simulações do clima de Natal-RN no DesignBuilder 1.2 e
os registrados na estação climática mencionada.
101
T. Ext. Simulada e T. Ext. Registrada
Temperatura C°
30,0
28,0
26,0
24,0
22,0
Temp. Ext. Medições
23:00
21:00
19:00
17:00
15:00
13:00
11:00
09:00
07:00
05:00
03:00
01:00
20,0
Temp. Ext. TRY
Figura 48: Comparação entre os dados de temperatura externa TRY e os coletados
na estação do INPE-CRN, em um dia escolhido aleatoriamente no período de
medição.
De acordo com o gráfico da figura 48, pode-se afirmar que em poucas
horas do dia os dados simulados e registrados se assemelham, ocorrendo diferenças
de 3,4°C às 11:00 hs, e outras consideráveis das 1:00 hs às 7:00 da manhã, de 2°C
em média. O gráfico da figura 49 mostra a comparação entre os dados de
temperatura externa TRY e as médias das temperaturas do ar externas no período
das medições in loco no protótipo, realizadas no período de 23 de abril à 07 de maio
de 2009.
102
Médias Diárias dos Dias de Análise
29,0
27,0
25,0
MÉDIA DIÁRIA SIMULADA
7/5
6/5
5/5
4/5
3/5
2/5
1/5
30/4
29/4
28/4
27/4
26/4
25/4
24/4
23/4
23,0
MÉDIA DIÁRIA MEDIÇÕES
Figura 49: Comparação entre os dados de temperatura externa TRY e os coletados
na estação do INPE-CRN, em médias diárias do período de medições in loco no
protótipo.
De acordo com Melo e Lamberts (2008), uma das evidências do
aquecimento global em que o planeta se encontra é a mudança brusca de
temperatura. Portanto, prever temperaturas é algo passível de contestações na
atualidade. Entretanto, essa limitação do arquivo climático é habitual em
aplicativos computacionais utilizados para a definição de desempenho térmico e/ou
energético de edificações.
Para os registros das temperaturas nos quatro ambientes do protótipo de
Habitação de Interesse Social (HIS), foram definidas zonas térmicas. O aplicativo
utilizado nesta pesquisa, o DesignBuilder 1.2, apresentou limitação na separação
dos ambientes cozinha e sala, por constituírem-se, no estilo cozinha americana, ou
seja, integrados. Por este motivo, foram feitas médias entre as temperaturas
medidas na sala e na cozinha para se chegar à Zona 4 (Quadro 01).
103
Quadro 01: Nomenclatura dos ambientes da HIS
Nomenclatura
Ambiente
Z2
Quarto Filhos (Frente)
Z3
Quarto Casal (Fundos)
Z4
Sala e Cozinha
Inicia-se a análise pelo primeiro dia de medições, 23/04/09,
separadamente. A seguir, são mostrados os gráficos comparativos dos ambientes,
separados por data, hora e zona de medição (Figuras 50 e 51):
Dados de Temperatura Simulados
Temperaturas °C
30,0
28,0
26,0
24,0
01:00
02:00
03:00
04:00
05:00
06:00
07:00
08:00
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
22,0
Temp. Int. Z2
Temp. Int. Z3
23/4
Temp. Int. Z4
Temp. Externa
Figura 50: Gráfico das temperaturas internas das Zonas térmicas dos dados
simulados no primeiro dia de medições.
104
Dados de Temperatura Medidos In Loco
Temperaturas °C
30,0
28,0
26,0
24,0
01:00
02:00
03:00
04:00
05:00
06:00
07:00
08:00
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
22,0
23/4
Temp. Int. Z2
Temp. Int. Z3
Temp. Int. Z4
Temp. Externa
Figura 51: Gráfico das temperaturas internas das Zonas térmicas dos dados
medidos no primeiro dia de medições
Através dos gráficos das figuras 49, 50 e 51, constata-se uma diferença
de temperaturas significativa por volta das 15:00 hs, das temperaturas fornecidas
pelas medições in loco, onde a Zona 4 e a Zona 3 se mostraram os ambientes que
mais alcançaram temperaturas próximas ao limite da zona de conforto escolhida. Já
nos dados de temperatura simulados, a temperatura externa aparece como
semelhante nos picos de temperatura máxima juntamente com a Zona 4.
Através dos dados medidos in loco, constata-se que em nenhum
momento o protótipo alcança temperaturas iguais à externa, se aproximando apenas
por volta de 1:00 hs, onde, de acordo com a operação de aberturas feita pelo
pesquisador, as portas e janelas estariam fechadas. Neste horário, o ambiente em
maior semelhança com a temperatura externa é o correspondente à Zona 03,
relativo ao quarto do casal.
Todavia, de acordo com a zona de conforto térmico escolhida, a mesma
apresenta elevada freqüência de horas em que se encontra termicamente em
equilíbrio. A seguir, são expostos gráficos comparativos das temperaturas internas
105
medidas in
n loco e as fornecidas
f
peelas simulaçções com o aplicativo
a
coomputacionaal
DesignBuillder, referentte a cada Zoona.
Comp
paração Zona 2 32,0
29,0
26,0
23,0
01:00
15:00
05:00
19:00
09:00
23 00
23:00
13:00
03:00
17:00
07:00
21:00
11:00
01:00
15:00
05:00
19:00
09:00
23:00
13 00
13:00
03:00
17:00
07:00
21:00
11:00
01:00
15:00
20,0
23/4
TEMP.IN
NTERNA Z2 (SIMUL)
TEMP. INTEERNA Z2 (MEDIIDA)
Figura 52: Gráfico comparativo das
d temperatuuras internass medidas e simuladas
s
daa
Zona 2, refeerente ao quaarto dos filhoos no períoddo de mediçãão.
Fontte: elaboração própria
Comp
paração Zona 2
32,0
29,0
26,0
23,0
00:00
01:00
02:00
03:00
04:00
05:00
06:00
07:00
08 00
08:00
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21 00
21:00
22:00
23:00
20,0
28/4
Temp. Interna Sim
mulada
Temp. Intterna Medida
Figura 53: Gráfico comparativo das
d temperatuuras internass medidas e simuladas
s
daa
Zona
Z
2, referrente ao quaarto dos filhoos no períodoo de medições.
1006
Através doos gráficos das
d Figuras 52 e 53, verifica-se quue a Zona 2,
2
referente ao
o quarto da frente da HIS,
H apresenttou-se em grande parte das horas do
d
dia em situação de confforto térmicoo dentro do índice
í
aqui adotado.
a
De acordo com o gráfi
fico da figurra 52, no diaa 3/5/2009, caracterizaddo
pela agend
da de mediçõões, observoou-se que see tratava dee um dia chuvoso e com
m
ventos denttro da média, o aplicatiivo não recoonheceu estaa peculiaridaade climáticaa.
Desta form
ma, trabalhar com arquivvos climáticoos exige quee sejam feitaas as devidaas
alterações quando
q
ocorrrem particullaridades com
mo esta.
No gráfico da figura 53,
5 com resuultados mediidos comparrados com os
o
fornecidos pela simuulação em um dia noo período de
d mediçõees, escolhiddo
aleatoriameente, houve diferenças de
d até 2°C no final do dia, por voolta das 23hs.
Todavia, para um apliicativo de simulação quue ainda vem
m passandoo por testes e
verificações, essas differenças se configuram coerentes na
n avaliaçãoo da situaçãão
térmica de um protótipoo como o em
m análise.
A seguir, parte-se para a comparaçãão da Zona 3,
3 referente ao quarto doos
fundos, tido
o como de caasal na HIS em análise.
Comp
paração Zona 3
32,,0
29,,0
26,,0
23,,0
01:00
17:00
09:00
01:00
17:00
09:00
01:00
17:00
09:00
01:00
17:00
09:00
01 00
01:00
17:00
09:00
01:00
17:00
09:00
01:00
17:00
09:00
01:00
17:00
20,,0
23/4
TEMP. INTERNA Z3 (SSIMUL.)
TEMP. INTER
RNA Z3 (MEDID
DA)
Figura 54: Gráfico comparativo das
d temperatuuras internass medidas e simuladas
s
daa
Zona
Z
2, referrente ao quarrto dos fundos, no períoddo de mediçção.
1007
Comp
paração Zona 3
00:00
01:00
02:00
03:00
04:00
05:00
06:00
07:00
08:00
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
32,0
0
30,0
0
28,0
0
26,0
0
24,0
0
22,0
0
20,0
0
26/4
Temp.Interna Sim
mulada
Temp. Intterna Medida
Figura 55: Gráfico comparativo das
d temperatuuras internass medidas e simuladas
s
daa
Zona 3,
3 referente ao
a quarto doss fundos, em
m um dia no período
p
de medições.
m
De acordo com
c
o gráficco da figura 54, os resulttados mostraam diferençaas
mperaturas medidas
m
e simuladas
s
noos dias 3/5//2009, já meencionado na
n
entre as tem
comparação
o anterior, e 7/5/2009 de
d maio. O dia 7/5/20099 de maio último
ú
dia de
d
medições, caracterizou
c
u-se como nublado,
n
e com
c
ventilaçção inferior à média. Os
O
resultados obtidos
o
pelo aplicativo não
n reconhecceram essas particularida
p
ades.
Todavia, dee acordo com
m o gráfico da figura 55,
5 referentee a um dia de
d
medições escolhido aleeatoriamente, os estudos comparativos da Zona 3 mostraram
mse mais sem
melhantes do
d que o os resultados da Zona 2, analisada anteriormente
a
e.
Apenas porr volta das 17hs, os daados de tempperatura inteerna foram superiores às
à
temperaturaas medidas no
n mesmo am
mbiente, com
m diferença de
d 1,6°C.
A seguir, será
s
realizadda a comparração a seguuir dos dadoos medidos e
simulados das
d médias entre
e
cozinhaa e sala, caraacterizado coomo Zona 4.
1008
Comp
paração Zona 4
32,0
0
29,0
0
26,0
0
23,0
0
01:00
16:00
07:00
22:00
13:00
04:00
19:00
10:00
01:00
16:00
07:00
22:00
13:00
04:00
19:00
10:00
01:00
16:00
07:00
22:00
13:00
04:00
19:00
10:00
20,0
0
23/4
TEMP. INTERNA Z4 (SSIMUL.)
TEMP. INTERNA Z4 (MEDIDA)
Figura 56: Gráfico comparativo das
d temperatuuras internass medidas e simuladas
s
daa
Zona 4,
4 referente à média de teemperaturas da sala e coozinha, no peeríodo de
medição.
Comp
paração Zona 4
32,0
0
29,0
0
26,0
0
23,0
0
00:00
01:00
02:00
03:00
04:00
05:00
06:00
07:00
08:00
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
20,0
0
25/4
Tem
mp. Interna Sim
mulada
Temp. Intterna Medida
Figura 57: Gráfico comparativo das
d temperatuuras internass medidas e simuladas
s
daa
Zona 3, refferente à méédia entre salla e cozinha,, em um dia no período de
d mediçõess.
1009
De acordo com o gráfico da figura 56, ocorre o mesmo que nas
comparações anteriores, onde os resultados simulados não refletem as temperaturas
menores ocorridas nos dias 3 à 7/05/2009.
De uma forma geral, a Zona 4 apresentou dados coerentes na
comparação dos resultados medidos e simulados. No gráfico da figura 57, os
resultados medidos e simulados são praticamente iguais até 14hs de um dia típico
no período de medições. Após essa hora, a temperatura simulada continua a subir,
enquanto que a temperatura medida decresceu. Isso acontece até o final do dia, com
uma diferença de 2,4°C.
110
4.0 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Esta teve como objetivo apresentar o estudo comparativo de um modelo
computacional para análise de desempenho térmico de um protótipo de habitação
de interesse social (HIS) localizada na cidade de Natal, Estado do Rio Grande do
Norte. Foram comparados valores de temperatura do ar medidos no interior da
referida habitação e valores obtidos por meio da simulação do modelo no aplicativo
computacional DesignBuilder 1.2.
Concluiu-se que a simulação de edificações naturalmente ventiladas
ainda é uma tarefa complexa devido às limitações dos programas de simulação de
desempenho térmico, da complexidade do fenômeno de escoamento do ar, da
influência das condições de contorno e dos registros climáticos.
No estudo comparativo realizado considerou-se que houve uma razoável
concordância entre as temperaturas medidas e simuladas no período de análise. No
entanto, é necessário ressaltar que, dependendo dos ajustes necessários a serem
realizados no aplicativo computacional pelo usuário do mesmo, as diferenças entre
os resultados medidos e simulados poderão ser diferentes.
Muitos fatores podem ter contribuído para as diferenças apresentadas
entre os resultados medidos e simulados, tais como:
•
As características termofísicas dos materiais, que podem não representar
exatamente as que foram utilizados na construção;
•
Os dados de entrada resumidos em arquivos climáticos, obtidos a partir de
medições que pressupõe muitas incertezas em sua obtenção
111
•
A infiltração do ar, que ocorreu em horas indesejáveis devido às janelas do
tipo venezianas fixas.
A infiltração do ar, que trata-se de uma grandeza difícil de ser
determinada ou estimada, merece muitas horas de simulações e ajustes até se obter
um valor adequado e coerente com a bibliografia disponível pesquisada.
A partir dos resultados obtidos é possível verificar a importância de
determinar com cuidado os parâmetros dos modelos de simulação de desempenho
térmico. Destaca-se a importância da correta definição da operação de aberturas,
bem como o material e mecanismos das mesmas, que podem provocar grandes
alterações nos resultados simulados. Os valores de temperatura e velocidade do ar
que constam nos arquivos climáticos TRY são obtidos, geralmente, em estações
meteorológicas localizadas em áreas distintas das situações de contorno do
protótipo analisado.
Dentre os ambientes do protótipo analisado, o quarto da frente foi o
ambiente que manteve as maiores diferenças de temperatura entre simulação e
medição, seguido do ambiente sala-cozinha. Vale salientar que mesmo as menores
diferenças, de 0,8°C nos momentos de menor temperatura do dia ainda não é um
resultado satisfatório.
Já o quarto dos fundos foi o que apresentou melhor resultado final
apresentando diferença média de temperatura entre os dados simulados e
registrados em torno de 1,0°C.
Quanto à experiência com o protótipo totalmente fechado, observa-se
uma grande diferença entre os valores simulados e medidos. Acredita-se que essas
discrepâncias possam ser amenizadas com a realização de experimentos utilizando
aberturas com esquadrias em vidro, que podem simular mais fidedignamente
situações abertas e fechadas. Nesse caso, o software reconhece a opção de
ausência de movimento de ar claramente em suas opções.
112
Com os valores apresentados, considera-se que os resultados finais
proporcionaram uma boa proximidade entre os simulados e registrados, com erro
médio de 1,4°C entre eles, na situação e objeto de estudo propostos. Dessa forma,
permite-se constatar que o aplicativo DesignBuilder 1.2 é uma boa ferramenta de
simulação. Contudo, vale salientar que os dados de temperatura externa
apresentaram resultados com diferenças de até 5°C, reforçando-se a necessidade
de uma série de dados mais atuais que a utilizada na bibliografia, o que poderá
melhorar o desempenho atual do aplicativo.
O arquivo climático TRY utilizado data de 1954. Sua utilização neste
trabalho poderá contribuir para que, em futuras análises de simulação para o clima
da região de estudo, o mesmo possa ser utilizado com o devido conhecimento
pelo operador de seu erro nos resultados. Não foi intenção deste trabalho realizar
ajustes no arquivo climático TRY, mas utilizá-lo como possível opção de
simulação no DesignBuilder 1.2.
Foi possível com os resultados aqui obtidos, verificar a necessidade da
escolha cuidadosa de tipos de janelas e portas em projetos de edificações
localizadas em clima quente e úmido. O mercado local já oferece uma gama de
tipologias e materiais, de modo a ajustar entrada e saída de ar e luz no interior dos
ambientes.
Uma correta escolha da cor da cobertura também pode diminuir
consideravelmente a temperatura interna de edificações em clima quente e úmido.
Quando se utilizou a cor clara na coberta nas simulações, obteve-se um aumento
na frequência de horas em que o protótipo se encontrou em conforto térmico.
Por fim, conclui-se que o aplicativo computacional DesignBuilder 1.2
trata-se de uma ferramenta de simulação computacional que possui um potencial
para o propósito que foi desenvolvido, mas que precisa passar por ajustes para
maior confiabilidade de sua utilização.
113
Como continuidade deste trabalho, novas simulações poderão ser
realizadas, incluindo a ocupação de usuários na habitação e a continuidade de
ajustes necessários no aplicativo computacional utilizado na pesquisa.
114
5.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABNT. Desempenho térmico de edificações Parte 3: Zoneamento bioclimático
brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse
social. NBR 15220-3. Rio de Janeiro: ABNT: 7 p. 2005c.
AKUTSU, M. & VITTORINO, F. Critérios para a avaliação do desempenho
térmico de edificações não condicionadas. A Construção. São Paulo, SP, Encarte
Técnico IPT/ PINI, n0 39, p. 21-24, 1992.
AKUTSU, M. S.; VITTORINO, F.; PEDROSO, N. G.; CARBALLEIRA, L.
Critérios mínimos de desempenho de habitações térreas unifamiliares: Anexo
5: conforto térmico Relatório técnico nº. 33.800. São Paulo: IPT, 1995c.
ARAÚJO, V. M. D. de. Aplicação de método de desempenho térmico de
edificações. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de São Paulo – FAUUSP. São Paulo, 1987
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121
6.0. APÊNCICE
7.1. FOTOS DA CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO
122
7.2. FOTOS PROTÓTIPO FINALIZADO (exterior)
Figura 27: Protótipo com portas e janelas abertas às 8:30hs.
Figura 28: Protótipo com portas e janelas abertas às 14:30hs.
Figura 29: Protótipo com portas e janelas abertas às 17:00hs.
123
Figura 30: Protótipo com portas e janelas fechadas às 20:00hs.
7.3 FOTOS PROTÓTIPO FINALIZADO (interior)
Figura 31: Vistas da sala e cozinha americana
Figura 32: Vistas quarto 01 e quarto 02.
7.4 TABELA COM HORÁRIOS E DATA DA OPERAÇÃO DAS ABERTURAS
REALIZADA PELO PESQUISADOR
124
DATA
22-04-09
23-04-09
24-04-09
25-04-09
26-04-09
27-04-09
28-04-09
29-04-09
01-05-09
02-05-09
03-05-09
04-05-09
05-05-09
06-05-09
07-05-09
08-05-09
ABERTURA
instalação
09h00min
09h20min
08h40min
09h30min
09h00min
09h10min
09h35min
09h20min
09h30min
09h45min
09h15min
09h30min
09h30min
09h00min
11h55min
FECHAMENTO
Instalação
16h00min
18h00min
19h00min
19h05min
18h10min
18h10min
18h45min
18h20min
18h00min
18h00min
18h45min
19h00min
18h30min
18h10min
Retirada
7.5 REFERÊNCIA DOS DATALOGGERS INSTALADOS NO PROTÓTIPO
•
•
•
•
98.0395 – Instalado na sala nos dois períodos de medições
98.0402 – Instalado no quarto da frente nos dois períodos de medição
98.0401 – Instalado na cozinha nos dois períodos de medição
98.0393 - Instalado no quarto dos fundos nos dois períodos de medição
125