XXX ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
Maturidade e desafios da Engenharia de Produção: competitividade das empresas, condições de trabalho, meio ambiente.
São Carlos, SP, Brasil, 12 a15 de outubro de 2010.
APLICAÇÃO DO MÉTODO GRAUS-DIA
PARA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO
ENERGÉTICO DE EDIFICAÇÕES
UNIFAMILIARES
Carine Cristiane Machado Urbim Pasa (UTFPR)
[email protected]
Aldo Braghini Junior (UTFPR)
[email protected]
O objeto de estudo deste trabalho é avaliar o desempenho energético
de quatro modelos de edificações unifamiliares através do método
Graus - Dia, para as capitais brasileiras da região Sul utilizando-se
dados climáticos coletados durante umm período de dez anos. O
grande consumo de energia elétrica no setor residencial é um
problema que se agrava com o passar dos anos e sua tendência é
aumentar. O Método Graus - Dia é uma ferramenta que tem a
finalidade de estimar a quantidade de energia requerida para
calefação e resfriamento de edificações em diferentes localidades.
Palavras-chaves: Eficiência energética, método graus-dia, conforto
térmico
1.1
1 Introdução
A demanda residencial de eletricidade é derivada da demanda por serviços, tais como
aquecimento de água, resfriamento, preparação e armazenamento de alimentos e
entretenimento, que são realizados pelo uso de aparelhos elétricos. Os determinantes do
consumo doméstico de energia elétrica são: o preço da eletricidade, a renda do consumidor, a
estrutura residencial, características demográficas e climáticas (GARCEZ e GHIRARDI,
2008).
Uma das principais formas de consumo de energia está ligada à manutenção das condições de
conforto térmico. Reduzir o consumo doméstico de energia, satisfazendo os níveis de
conforto, implica em melhorar o rendimento da instalação produtora de calor e reduzir ao
máximo as perdas desse calor para o exterior (VENDRAMIN, 2007 ).
O Relatório da Pesquisa de Posse de Eletrodomésticos e Hábitos de Uso – Classe Residencial
ilustra bem este cenário. A pesquisa, realizada em 2005, contemplou 16 estados e o Distrito
Federal e contou com a participação de 21 concessionárias de energia elétrica. Seu objetivo
foi quantificar a tipologia da posse e obter a declaração de utilização de equipamentos
elétricos.
Os aparelhos para condicionamento de ar são responsáveis por 20,0% do consumo de energia
nas residências. O estudo mostra também que, na média nacional, 24,5% dos domicílios
avaliados possuem pelo menos um ventilador de teto.
É possível notar que a busca por conforto já consome grande parte da demanda de energia
elétrica residencial. Os projetos atuais fazem uso em grande escala dos aparelhos para
refrigeração artificial, aumentando desnecessariamente o consumo de energia elétrica.
O objeto de estudo deste trabalho é avaliar o desempenho energético de quatro modelos de
edificações unifamiliares através do método Graus – Dia, para as capitais brasileiras da
Região Sul utilizando-se dados climáticos coletados durante um período de dez anos.
2 Revisão Bibliográfica
2.1 Método Graus – Dia
O conhecimento das características dos materiais e componentes empregados na construção e
das características climáticas locais permite a pré – avaliação do nível de conforto ambiental e
do consumo de energia elétrica que será necessário para o uso da edificação.
Segundo Goulart(1995), a aplicação de dados climáticos na construção civil requer um prévio
tratamento estatístico ou métodos que transformem uma grande quantidade de registros em
ferramentas práticas de trabalho. Os dados obtidos podem ser utilizados em modelos
simplificados para análise do consumo de energia em edificações. Estes métodos permitem o
cálculo do consumo de energia de forma rápida, substituindo programas que exigem grande
capacidade de memória computacional.
O Método Graus – Dia é uma ferramenta introduzida no final da década de 20 que tem a
finalidade de estimar a quantidade de energia requerida para calefação e resfriamento de
edificações em diferentes localidades (SAID, 2003).
2
Este método é o mais simples para análise energética e o mais adequado quando o uso da
edificação e a eficiência do aparelho de condicionamento de ar são constantes (ASHRAE,
2001).
É baseado no princípio de que as perdas de energia da construção são proporcionais às
diferenças de temperatura interna e externa. A energia é adicionada ou retirada da construção
quando há perda para manter as condições ideais de conforto no ambiente durante as estações
frias e quentes (VENDRAMIN, 2007).
Graus – Dia é um parâmetro climático que pode ser definido como o somatório das diferenças
de temperatura, quando esta se encontra abaixo de uma temperatura base ( Tb ). Por exemplo,
se a temperatura base adotada é de 18ºC, verifica-se a temperatura média diária ( Tméd ) durante
todo o ano. Quando esta for menor do que Tb , calcula-se a diferença ( Tb  Tméd ), somando-se
estas diferenças, dia a dia, para todo o ano. (GOULART, 1993)
Portanto, para estimar-se a energia requerida para calefação, temos:
HDD   Tb  Tméd 
Equação (1)
A energia requerida para refrigeração pode ser calculada de forma análoga, porém são
consideradas as temperaturas que excedem a temperatura base.
CDD   Tméd  Tb 
Equação (2)
Sendo HDD o número de graus-dia para aquecimento e CDD o número de graus-dia para
resfriamento.
Quanto maior o valor de HDD, menores são os valores de temperaturas médias diárias. O
oposto ocorre para os valores de CDD (HOR, 2005).
A temperatura base ( Tb ) é a temperatura necessária para que haja conforto e varia de um lugar
para outro. Muitos autores divergem quanto ao valor a ser adotado para este parâmetro.
Segundo Goulart (1993), a Norma Espanhola NBE – CT – 79 recomenda a temperatura base
de 15ºC ao estabelecer os graus – dias anuais para determinar a energia necessária para
aquecimento. Em estudos práticos, essa temperatura é adotada como sendo constante.
Este método tem sido utilizado por países como a Turquia, onde se estimou o potencial de
distribuição de gás natural destinado à calefação. O método foi avaliado com sucesso após
comparação com dados reais de consumo de gás natural para calefação. (SARAK e
SATMAN, 2002).
Martinaitis (1998) realizou trabalho com dados climáticos da Lituânia e concluiu que o
método provou ser útil para a solução de problemas relacionados ao consumo de energia em
edificações.
3 Metodologia
3.1 Residências analisadas
Para a realização deste trabalho foram analisadas quatro residências unifamiliares. Optou-se
por utilizar residências do programa Casa Fácil, que prevê o desenvolvimento de projetos para
famílias de baixa renda na construção de casas de até 70m². Com o programa, o proprietário
obtém vantagens especiais que o isentam do pagamento de taxas ao CREA e garantem um
3
acompanhamento especializado da obra através das Associações de Engenheiros e Arquitetos
do município onde a obra será realizada (CREA-PR, 2008).
Após a escolha das residências, foram estabelecidas suas características construtivas como
tipo de paredes, cobertura e forro. Esta escolha deu-se através dos materiais descritos no
Projeto de Norma 02:135.07-001/3 : Desempenho Térmico de Edificações. Em seguida,
quantificaram-se as áreas da envoltória das residências, assim como cobertura, forro, piso e
aberturas e o volume de cada edificação.
Residência
Paredes
Cobertura
Modelo 03
Tijolos de 6 furos circulares, argamassa de assentamento
Telha de barro com espessura de
com 1,0cm, argamassa de emboço com 2,5cm. Espessura
1,0cm sem forro.
da parede: 15,0cm.
Modelo 05
Modelo 09
Modelo 12
Blocos cerâmicos de 3 furos, argamassa de assentamento
Telha de barro com espessura de
com 1,0cm, argamassa de emboço com 2,5cm. Espessura
1,0cm,
da parede:18,0cm.
espessura de 1,0cm.
Tijolos maciços, argamassa de assentamento com 1,0cm,
Telha de barro com espessura de
argamassa de emboço com 2,5cm. Espessura da
1,0cm,
parede:15,0cm.
espessura de 3,0cm.
Tijolos de 2 furos circulares, argamassa de assentamento
Telha de barro com espessura de
com 1,0cm, argamassa de emboço com 2,5cm. Espessura
1,0cm,
da parede: 17,5cm.
espessura de 20,0cm.
forro
forro
laje
de
de
de
madeira
concreto
concreto
com
com
com
Fonte: Projeto de Norma 02:135.07-001/3
Tabela 1: Características construtivas das residências
Residência
Modelo 03
Área ( m² )
Volume ( m³ )
Paredes
Cobertura
Aberturas
Piso
83,66
70,00
8,14
70,00
168,97
4
Modelo 05
99,07
100,67
9,47
100,67
237,48
Modelo 09
77,14
63,00
9,36
63,00
145,74
Modelo 12
96,64
94,65
10,06
94,65
210,87
Fonte: Autoria própria
Tabela 2: Quantificação de áreas e volumes das residências
O Método Graus-Dia é uma ferramenta confiável e simples de ser utilizada, mas, como
qualquer análise desta natureza, necessita de dados também confiáveis. Os dados utilizados na
elaboração deste trabalho foram fornecidos pelo Instituto Nacional de Meteorologia.
Foram analisados dados diários de temperatura média do ar medidos no período de janeiro de
1998 a dezembro de 2007 nas capitais brasileiras da região sul. Na tabela 5 podem ser vistas
as informações referentes à localização dos pontos de coleta de dados em cada cidade.
Cidade
Latitude
Longitude
Altitude ( m )
Curitiba
25º26’00”
49º16’00”
923,50
Florianópolis
27º35’00”
48º34’00”
1,84
Porto Alegre
30º03’00”
51º10’00”
46,97
Fonte: Instituto Nacional de Meteorologia
Tabela 3 - Localização dos pontos de coleta de dados
Segundo Büyükalaca (2001) os valores de graus-dia para aquecimento são calculados a uma
temperatura base de 18ºC e para resfriamento utiliza-se a temperatura base de 22ºC, mas estes
valores podem ser alterados de acordo com as características da edificação em estudo. Muitos
autores têm questionado o valor adotado para a temperatura base. Estudos realizados na
Arábia Saudita concluíram que, para este local, a temperatura base para aquecimento adotada
deveria estar na faixa de 18ºC a 21ºC.
Para este estudo, as temperaturas base adotadas foram obtidas na NBR 6401 que trata de
parâmetros básicos de projeto para a instalação de centrais de ar condicionado para conforto
térmico. Para o cálculo do número de graus – dia de aquecimento foram adotadas
temperaturas bases diferentes no intervalo de 20ºC a 22ºC. Analogamente para o cálculo do
número de graus – dia de resfriamento, foram adotadas temperaturas base no intervalo de
23ºC a 25ºC. Neste trabalho optou-se por utilizar partição anual para o cálculo de HDD e
CDD, os quais foram obtidos através das equações (1) e (2).
3.2 Coeficiente global de perda de calor
O coeficiente global de perda de calor depende da arquitetura e materiais construtivos
utilizados. Devem ser consideradas as perdas pela envolvente, as perdas localizadas e as
perdas pela ventilação. O seu cálculo se dá por:
5
L  U  A  I    Cp  AR 
V
3,6
Equação (4)
Onde:
U é o coeficiente global de transferência de calor;
A é a área dos ambientes;
I é a taxa de troca de ar
V é o volume interno da construção;
Cp é a capacidade térmica volumétrica do ar.
Os valores de U foram obtidos no Projeto de Norma 02:135.07-001/3: Desempenho térmico
de edificações, com exceção dos valores para aberturas e pisos, que não estavam
contemplados no referido Projeto de Norma. Estes foram os mesmos utilizados por
DURMAYAZ (2000). A Tabela 3 traz a relação dos valores utilizados.
Residência
U W m²  K 
Paredes
Cobertura
Aberturas
Piso
Modelo 03
2,28
4,55
5,91
0,12
Modelo 05
2,43
2,00
5,91
0,12
Modelo 09
3,13
2,24
5,91
0,12
Modelo 12
2,43
1,84
5,91
0,12
Fonte: Autoria própria
Tabela 4: Valores de U conforme materiais construtivos empregados
Sabe-se que a utilização de vidros duplos proporciona maior conforto térmico aos ambientes.
Mas como o objeto de estudo deste trabalho são residências unifamiliares, considerou-se
apenas a utilização de vidros simples nas aberturas.
A capacidade térmica volumétrica do ar considerada foi de 1,2 k  J m³  K , o mesmo utilizado
por Durmayaz (2000), e a taxa de troca de ar foi de 1 troca hora . A tabela 4 mostra o
coeficiente global de perda de calor para cada residência.
Residência
LW K 
Modelo 03
517,27
Modelo 05
450,05
Modelo 09
332,85
Modelo 12
414,33
6
Fonte: Autoria própria
Tabela 5 - Valor de
L para cada residência
3.3 Cálculo do consumo anual de energia
Após a determinação dos parâmetros anteriores, foi avaliado o desempenho energético das
edificações.
Utilizando os valores de HDD e CDD, calculou-se o consumo anual médio de energia para
resfriamento ( Qc ) e aquecimento ( Qh ) através das seguintes equações:
Qc  CDD  L 
24
1000
Equação (5)
24
1000
Equação (6)
Qh  HDD  L 
Onde Qc e Qh fornecem valores em kWh/ ano .
4 Resultados e discussões
4.1 Graus – Dia de aquecimento e resfriamento
A Figura 1 mostra os valores de HDD calculados através da equação (1). A região Sul,
conhecida pelas baixas temperaturas, apresentou altos valores de HDD, observando-se que
coube a Curitiba os maiores valores de HDD entre as capitais. O valor de HDD para Curitiba
a uma temperatura base de 20ºC (976,94) ficou muito próximo ao observado por GOULART
(1998) para uma temperatura base de 18ºC (883,6), em estudo realizado com dados coletados
entre os anos de 1961 e 1970.
Pode-se perceber que um pequeno incremento na temperatura base resulta em um crescimento
proporcional dos valores de HDD. Passando-se da temperatura de 20ºC para 21ºC tem-se um
acréscimo de 40% no valor de HDD para a cidade de Florianópolis, indo de 320,91 para
449,33 graus – dia de aquecimento, por exemplo.
7
Variação de HDD
1600,00
1400,00
1200,00
HDD
1000,00
Curitiba
800,00
Florianópolis
600,00
Porto Alegre
400,00
200,00
0,00
20
21
22
Temperaturas base
Figura 1 – Variação de HDD para as capitais da região sul
A Tabela 7 mostra os valores de graus – dia de resfriamento, calculados a partir da equação
(2). Aqui se observa o oposto da Figura 1. Como a região sul apresenta temperaturas mais
baixas, não há a necessidade de muita energia para resfriamento. Curitiba apresentou os
menores valores de CDD.
De forma análoga aos valores de HDD, com o aumento da temperatura base há uma variação
proporcional nos valores de CDD. A única diferença é que neste caso há um decréscimo nos
valores. Pode-se tomar a cidade de Porto Alegre como exemplo. Partindo-se da temperatura
base de 23ºC para 24ºC há um decréscimo de 60% nos valores de CDD.
CDD
Curitiba
23ºC
24ºC
25ºC
24,23
8,07
3,37
Florianópolis 225,74 134,15 68,76
Porto Alegre 208,95 126,64 69,82
Fonte: Autoria própria
Tabela 6 – Valores de CDD para cada capital
4.2 Desempenho energético das edificações
O conhecimento das características construtivas da edificação e das características climáticas
locais permite a pré–avaliação do nível de conforto ambiental e do consumo de energia
elétrica que será necessário para o uso da mesma. Em conseqüência de fatores variados, a
8
diversidade climática do território brasileiro é muito grande. Dentre eles, destaca-se a
fisionomia geográfica, a extensão territorial, o relevo e a dinâmica das massas de ar.
4.2.1 Energia requerida para resfriamento
Utilizando-se os dados de CDD da Tabela 7 e os valores do coeficiente global de perda de
calor calculados para cada residência, pode-se obter através da equação (5) a quantidade de
energia requerida para resfriamento ( Qc ) em cada capital. A Tabela 8 mostra os resultados
considerando-se a temperatura base de 24ºC.
Pode-se ver nitidamente a influência do clima no consumo de energia, uma vez que cidades
da região Sul apresentam temperaturas médias baixas durante todo o ano, não necessitando de
uma grande quantidade de energia para resfriamento.
Capitais
Curitiba
Res 03
Res 05
Res 09
Res 12
Qc
Qc
Qc
Qc
24ºC
24ºC
24ºC
24ºC
100,21
87,19
64,48
80,27
Florianópolis 1665,43 1449,00 1071,65 1333,99
Porto Alegre 1572,20 1367,88 1011,66 1259,31
Fonte: Autoria própria
Tabela 7 – Quantidade de energia requerida para resfriamento kWh ano com temperatura base de 24ºC
Independente da região em que se localizam as cidades nota-se que a residência 9 é a que
apresenta o menor consumo de energia dentre os modelos estabelecidos.
4.2.2 Energia requerida para aquecimento
Analogamente ao cálculo de Qc , a energia requerida para aquecimento ( Qh ) foi calculada
através da equação (6) utilizando-se os valores de HDD e de coeficiente global de perda de
calor calculados. A Tabela 9 mostra os resultados de Qh para as cidades considerando-se
21ºC como temperatura base.
Percebe-se nesta Tabela o oposto da anterior. Aqui as cidades apresentam valores maiores
comparados à quantidade de energia requerida para resfriamento.
Capitais
Curitiba
Res 03
Res 05
Res 09
Res 12
Qh
Qh
Qh
Qh
21
21
21
21
15151,26 13182,23 9749,34 12135,98
Florianópolis 5578,20
4853,26 3589,39 4468,07
Porto Alegre 10947,63 9524,89 7044,44 8768,92
9
Fonte: Autoria própria
Tabela 8 – Quantidade de energia requerida para aquecimento kWh ano com temperatura base de 21ºC
Nas duas situações a residência 9 mostrou ser a mais eficiente com relação ao consumo de
energia. Situações como essa poderiam ser evitadas se as edificações fossem construídas de
forma que recebessem o máximo de radiação solar durante os períodos de outono e inverno e
o mínimo de radiação durante primavera e verão, com a utilização de elementos de arquitetura
bioclimática por exemplo.
Deve-se também lembrar que para este trabalho considerou-se que o aparelho destinado a
promover melhores condições de conforto térmico estaria sendo utilizado durante 24h durante
todo o ano.
5 Conclusões
Desenvolveu-se neste trabalho um estudo sobre a eficiência energética de edificações
unifamiliares nas capitais da região Sul do país, através da utilização do Método Graus – Dia.
Obviamente, como a região em questão apresenta temperaturas amenas durante o ano,
constatou-se que a quantidade de energia requerida para resfriamento é muito pequena se
comparada à quantidade de energia requerida para aquecimento. Isto mostra que o projeto de
residências deve se iniciar pelo estudo adequado do clima local antes da idealização do
projeto. O estudo da forma e orientação da edificação poderia propiciar que esta recebesse
maior ventilação durante períodos mais quentes, ou que a mesma recebesse insolação
adequada nos períodos de outono e inverno.
Os resultados referentes à quantidade de energia requerida para aquecimento e resfriamento
mostram que a residência mais econômica é o modelo 9. Esta apresentou o menor valor de
L ( 332,85W K ), possuía a menor área entre os modelos estudados e era a única a ser
construída com tijolos maciços. Deve-se levar em consideração que para esta simulação,
considerou-se que o aparelho destinado a proporcionar conforto térmico estaria ligado 24
horas por dia durante o ano todo.
6 Referências
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ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT. NBR 6401: Instalações centrais de ar
condicionado para conforto – Parâmetros básicos de projeto. ABNT:1980.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT. Projeto 02:135.07-001/3: Desempenho
térmico de edificações - Parte 3: Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações
unifamiliares de interesse social. ABNT: 2003.
BÜYÜKALACA, O.; BULUT, H.; YILMAZ, T. Analysis of variable-base heating and cooling degree-days
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CONSELHO REGIONAL DE ENGENHARIA ARQUITETURA E AGRONOMIA – CREA. Programa
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DURMAYAZ, A.; KADIOGLU, M.; SEM, Z. An application of the degree-hours method to estimate the
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GARCEZ, E. W.; GHIRARDI, A. G. Elasticidades da demanda residencial de energia elétrica. Disponível
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10
GOULART, S. V. G. Dados climáticos para avaliação de desempenho térmico de edificações em
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GOULART, S. V. G.; LAMBERTS, R.; FIRMINO, S. Dados climáticos para projeto e avaliação energética
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