Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica da PUC-Campinas - 27 e 28 de setembro de 2011
ISSN 1982-0178
ANÁLISE DO DESEMPENHO TÉRMICO DA ENVOLTÓRIA ATRAVÉS DA
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL
Juliana de Deus Silva Barbosa
Claudia Cotrim Pezzuto
Faculdade de Arquitetura e Urbanismo
CEATEC
[email protected]
Grupo de Pesquisa: Eficiência Energética
CEATEC
[email protected]
Resumo: O artigo apresenta um estudo do
desempenho termo-energético da envoltória do
edifício da Faculdade de Engenharia da Pontifícia
Universidade Católica de Campinas. O edifício de
estudo é naturalmente ventilado, construído com
materiais pré-fabricados, possui três pavimentos que
abrigam salas de aula convencionais, foyer do
anfiteatro da Universidade, administração, sala dos
professores e banheiros. Primeiramente foi elaborado
um modelo tridimensional no Plug-in Open Studio no
software SketchUp. Na seqüência, o EnergyPlus foi
alimentado com informações do clima da região,
características dos materiais utilizados, rotinas de
pessoas que utilizam os ambientes, rotinas de
utilização de equipamentos elétricos e outros fatores
que influenciam na avaliação termo-energético do
edifício. Com estes dados, o modelo foi simulado
gerando análises que apresentam a eficiência e
características dos materiais utilizados, consumo
energético mensal do edifício, demonstrando
parâmetros importantes e que influenciam na análise
do desempenho térmico da envoltória do edifício.
Palavras-chave: eficiência energética, desempenho
térmico de edificações, simulação computacional.
Área do Conhecimento: Engenharias – Engenharia
Civil – Construção Civil.
1. INTRODUÇÃO
Com o avanço da tecnologia nos dias atuais, muitos
profissionais da arquitetura e urbanismo e da
engenharia civil não tem tido a preocupação de
pensar no edifício como um todo e em que meio ele
está inserido no momento de tirar o partido
arquitetônico, através da iluminação e ventilação
natural, tipos de materiais, entre outros. Esse
problema normalmente é resolvido com muitas
instalações
elétricas
de
iluminação
e
condicionamento do ar.
Figueiredo [1] analisou o potencial de utilização da
ventilação natural em edifícios de escritórios na
cidade de São Paulo do ponto de vista do conforto
térmico. Considerando o ano todo o estudo concluiu
que o conforto térmico de 90% dos usuários poderia
ser obtido com a ventilação natural nos meses de
maio a outubro, totalizando seis meses do ano,
desde que nos períodos de clima mais ameno os
usuários alterassem sua vestimenta ou pudessem
regular as aberturas do edifício. Diminuindo o
porcentual de satisfação para 80%, o período
aumenta para dez meses, sendo de março a
dezembro.
Santana e Ghisi [2] através de simulações
computacionais no programa Energy Plus avaliam a
influência de dois parâmetros construtivos no
consumo de energia em edifícios de escritório:
percentual de área de janela na fachada e a
absortância de paredes externas. O estudo verificou
que o aumento no consumo de energia é mais
significativo ao se aumentar o percentual de área de
janelas na fachada , chegando a uma variação de até
41,6%. Com relação à absortância de paredes
externas, mantendo o o percentual de área de
janelas na fachada fixo, a variação no consumo de
energia alcançou até 21,6%.
Dilonardo e Roméro [3] simularam com edifícios de
escritório em São Paulo e obtiveram como resultado
que independente do tipo de vidro utilizado, com o
uso de brises (anteparo solar) consegue-se diminuir
em 25% o ganho térmico interno para a mesma
proporção de abertura.
Segundo Nicoletti e Amorim [4], a fim de se alcançar
melhores níveis de eficiência, estratégias de projetos,
iniciativas e cooperação tem que surgir por parte de
arquitetos,
engenheiros,
construtores
e
empreendedores, ou seja, de profissionais ligados à
construção de edifícios.
O objetivo deste estudo é avaliar o desempenho
térmico da envoltória de um edifício através da
simulação computacional. Para estudo será avaliada
uma edificação naturalmente ventilada, na Pontifícia
Universidade Católica de Campinas (PUCC), no
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ISSN 1982-0178
CEATEC, Campus I. A simulação será realizada no
software EnergyPlus.
modelo foi considerado todas as superfícies do
edifício, como: aberturas, coberturas e vedação.
2. OBJETIVO
O objetivo deste artigo é avaliar o desempenho
térmico da envoltória de um edifício através da
simulação computacional. Para estudo será avaliada
uma edificação naturalmente ventilada, na Pontifícia
Universidade Católica de Campinas (PUCC), no
CEATEC, Campus I. A simulação será realizada no
software EnergyPlus.
Em função da inexistência de um arquivo climático
da cidade de Campinas, foi utilizado para as análises
o arquivo climático do aeroporto de Congonhas –
São Paulo. A escolha foi baseada na proximidade da
localização e semelhança das características
climáticas.
2. CARACTERIZAÇÃO DO EDIFÍCIO DE ESTUDO
O edifício de estudo localiza-se no Campus I da
Pontifícia Universidade Católica de Campinas. A
cidade de Campinas se situa na Latitude -22.89° e
Longitude -47.06°, seu clima é denominado Tropical
Brasil Central. O vento predominante é sudeste [5].
O edifício escolhido possui 3.639,6 m², foi construído
em 2002 com materiais pré-fabricados e possui três
andares. A edificação abriga os Cursos de
Engenharia, possui um bloco com três pavimentos e
circulação central feita por rampas e escadas. O
projeto visa à ventilação natural, através da
ventilação cruzada pelas aberturas localizadas nas
fachadas Norte e Sul. As salas estão em volta da
circulação central e esta é parcialmente aberta em
suas laterais. Todos os pavimentos abrigam salas de
aula, banheiro e salas de projeto, o pavimento térreo
abriga também uma administração, foyer do teatro,
sala dos professores e sala de reuniões.
A envoltória da edificação é feita por blocos de
concreto de 20 cm de espessura, porém, nas
fachadas Norte e Sul, as quais são bem avantajadas
com largura igual ao vão entre os pilares da
estrutura, foi utilizado painel pré-fabricado de
concreto de espessura de 15 cm. Nas fachadas leste
e oeste as aberturas são pequenas. Todos os
caixilhos são de alumínio. Para o acabamento das
paredes, foi utilizada tinta acrílica cor Branco Neve. O
sistema de piso é o de laje pré-fabricada alveolar de
11 cm e o sistema de cobertura é de estrutura
metálica com telhas metálicas.
3. MODELAGEM DO EDIFÍCIO E ENTRADA DE
DADOS NO SOFTWARE ENERGYPLUS
Para a execução desta etapa, o edifício foi dividido
em trinta e quatro zonas, estas foram modeladas no
Plugin Open Studio no Software SketchUp. Para o
software de simulação termo-energética, EnergyPlus,
a zona térmica é definida como um volume de ar
com temperatura uniforme [6]. A versão utilizada
neste trabalho foi a V6-0 de maio de 2011. No
Quanto aos dados da edificação foram considerados
os materiais utilizados na construção do edifício, os
equipamentos existentes e a rotina de ocupação.
Para o cálculo do consumo total dos equipamentos
existentes foi utilizado o valor 78 W para cada
ventilador e 135 W para cada conjunto de projetor e
CPU [7].
As variáveis analisadas serão: consumo elétrico dos
equipamentos durante o mês, temperatura interna
das zonas, temperatura externa do ambiente ao ar
livre, temperatura interna e externa das superfícies,
no dia típico dos meses de fevereiro e agosto.
Com o objetivo de verificar o desempenho térmico
dos materiais serão utilizados para análises dois
tipos de materiais para revestimentos da envoltória:
painel de concreto (material original) e tijolo maciço.
Assim sendo, a tabela 1 mostra os cenários para os
dois tipos de materiais, variando também a cor da
pintura externa, para a fachada Sul (Zona 12) e
fachada Norte (Zona 18).
Tabela 1: Descrição dos cenários para simulação
computacional
CENÁRIOS
MATERIAIS
1
Ambiente sem ocupação e
sem cargas de equipamentos.
- Painel de concreto
- Cobertura metálica
- Parede clara
2
Ambiente com ocupação e
com cargas de equipamentos.
- Painel de concreto
- Cobertura metálica
- Parede clara
3
Ambiente sem ocupação e
sem cargas de equipamentos.
- Tijolo maciço
- Cobertura metálica
- Parede clara
4
Ambiente sem ocupação e
sem cargas de equipamentos.
- Painel de concreto
- Cobertura metálica
- Parede Escura
5
Ambiente sem ocupação e
sem cargas de equipamentos.
- Tijolo maciço
- Cobertura metálica
- Parede Escura
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3. ANÁLISES DE RESULTADOS
Quando comparados os resultados do Cenário 1 e
Cenário 2, simulação com cargas de equipamentos e
iluminação observou-se que a variação na temperatura foi extremamente baixa, demonstrando assim
que apesar do calor liberado pelos equipamentos, as
mudanças nas temperaturas internas das zonas e
superficiais não foram significativas. Assim sendo,
verifica-se na figura 1, conforme Cenário 1, que a
maior parcela de contribuição no consumo final é da
iluminação do interior.
27.82%
Iluminação
Interior
72.18%
Equipamentos
Interiores
3.1 Temperatura interna das Zonas
Para as análises serão avaliadas a zona 12,
orientação sul e zona 18, orientação norte
Nas tabelas 2 e 3 são apresentadas as temperaturas
internas das zonas nas diferentes combinações de
materiais, concreto e tijolo maciço, argamassa clara
e argamassa escura, no decorrer de um dia típico
dos meses de agosto (período de inverno) e fevereiro
(período de verão). Através das análises verificou-se
que as temperaturas internas das zonas 12,
orientação sul e 18, orientação norte, considerando
os quatro cenários, não apresentaram variações
significativas. Verifica-se nas tabelas que as duas
orientações, norte e sul, apresentaram a temperatura
mais baixa nos cenários de paredes claras. Apesar
de apresentar pouca variação, nota-se que o cenário
com parede de tijolo apresentou temperaturas mais
baixas nas duas análises.
Tabela 2: Temperatura Interna da Z12, orientação Sul, dia
típico de verão
AO AR LIVRE
CONCRETO
E
ARG.CLARA
CONCRETO
E
ARG. ESCURA
TIJOLO MACIÇO
E ARG. CLARA
TIJOLO MACIÇO
E ARG. ESCURA
.
AO AR LIVRE
CONCRETO E
ARG. CLARA
CONCRETO E
ARG. ESCURA
TIJOLO
MACIÇO
E
ARG. CLARA
TIJOLO
MACIÇO
E
ARG. ESCURA
TEMPERATURA
MÍNIMA
20.125
TEMPERATURA
MÁXIMA
27.5833
AMPLITUDE
TÉRMICA
7.4583
19.2431
31.5363
6.6467
18.7103
32.3953
6.7595
19.2161
31.7104
6.65
18.5873
32.2277
6.4824
3.2 Temperaturas Superficiais Internas e Externas
Figura1: Contribuição dos sistemas no consumo final.
TEMPERATURA
MÍNIMA
20.125
Tabela 3: Temperatura Interna da Z18, orientação
Norte, dia típico de verão.
TEMPERATURA
MÁXIMA
27.5833
AMPLITUDE
TÉRMICA
7.4583
18.7551
25.4018
6.6467
18.2913
25.0508
6.7595
18.7293
25.3793
6.65
18.2043
24.6867
6.4824
As figuras 2 e 3, apresentam as curvas de
temperatura superficiais, internas e externas, com as
diferentes combinações de materiais, concreto e
tijolo maciço, argamassa clara e argamassa escura,
no decorrer de um dia típico dos meses de agosto e
fevereiro.
A zona 12, orientação sul, apresentou temperaturas
superficiais mais elevadas, quando comparada a
zona 18, orientação norte. Este fato deve-se a
incidência do sol de verão nesta fachada, justificado
pela localização de Campinas, latitude 22°S.
Com relação as temperaturas superficiais as duas
zonas apresentaram comportamento semelhantes.
Nas duas zonas, 12 e 18, as curvas indicam que a
temperatura máxima , em relação às superfícies
internas e externas, quando o concreto é utilizado
são mais altas, quando combinado com a argamassa
escura, esse valor é ainda maior. Já as temperaturas
máximas obtidas com a utilização do tijolo maciço
com a argamassa escura são menores, em relação à
utilização do concreto, o tijolo quando utilizado com
argamassa clara obtém temperaturas máximas ainda
menores.
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FAPIC/Reitoria
pesquisa.
50
45
o
desenvolvimento
desta
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
40
Temperatura do ar (C )
para
Temp do ar Externo
35
30
Temp Sup Ext ZONA 12_Painel de
Concreto_Clara
25
Temp Sup Int ZONA 12_Painel de
Concreto_Clara
20
Temp Sup Ext ZONA 12_Painel de
Concreto_Escuro
15
Temp Sup Int ZONA 12_Painel de
Concreto_Escuro
10
Horas
Figura2:Temperatura Superficial Interna e Externa,
painel de concreto, Zona 12, orientação Sul, dia típico
fevereiro
[1] Figueiredo, C. M. F (2007).Ventilação natural em
edifícios de escritórios na cidade de São Paulo: limites
e possibilidades do ponto de vista do conforto térmico
/ Cíntia Mara de Figueiredo. São Paulo, 221p. :Il.
[2] Santana, M. V., GHISI,E (2008) Influência do percentual de área de janela na fachada e da absortância de
paredes externas no consumo de energia em edifícios
de escritório da cidade de Florianópolis-SC. In: IX
Encontro Nacional e V Latino Americano DE Conforto no Ambiente Construído. Anais...Ouro Preto, MG.
[3] Dilonardo, L. P.; Romero, M. A.(2001) Dinamic computer simulation with ESP-r in a
building model in São Paulo. In: The 18th International Conference on Passive and Low Energy Architecture, 2001,
Florianopolis. Anais. Florianópolis, Brasil, p. 725728.
[4] Nicoletti, A. M. A; Amorim, C. N. D. (2009) Análise
do desempenho térmico de envoltória através da aplicação da metodologia prescritiva da etiquetagem de
eficiência energética de edificações. X Encontro Nacional e VI Encontro Latino Americano de Conforto
no Ambiente Construído. Natal.
Figura 3:Temperatura Superficial Interna e Externa,
tijolo, Zona 12, orientação Sul, dia típico de fevereiro
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Ao analisar todos Cenários de estudo, observa-se
que as temperaturas obtidas decorrentes da utilização do tijolo maciço ou concreto, argamassa clara e
escura são diferentes. Este fato demonstra a extrema importância da escolha adequada dos materiais
que serão utilizados na construção dos edifícios.
Assim como os materiais utilizados na construção
são importantes, destaca-se o papel dos arquitetos
urbanistas e engenheiros civis na construção de um
edifício eficiente e de qualidade. Ou seja, de um
edifício pensado para os próximos anos e décadas,
que consuma energia com responsabilidade,
construídos com materiais adequados ao clima e
usufruindo ao máximo das condições climáticas
naturais. Com todos esses fatores é possível
construir um edifício com desempenho térmico
adequado.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Pontifícia Universidade
Católica de Campinas, pela bolsa concedia
[5] Barbano, M. T., Brunini, O. e Pinto, H. S. (2003)
Direção predominante do vento para a localidade de
Campinas-SP. Revista Brasileira de Agrometeorologia, Santa Maria, v. 11, n. 1, p. 123-128.
[6] Energyplus, (2009). Getting Strarted with EnergyPlus
– Basic Concepts Manual, Essentail Information you
need about running EnergyPlus p. 32-33; 2009. disponível
em:
http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/
NBR 16401-1 (2008) Instalações de ar condicionado
– Sistemas centrais e unitários Parte 1: Projetos das
Instalações. ABNT