avaliação da inércia térmica de sistemas construtivos convencionais e um alternativo

Simpsio: Desempenho Trmico de Sistemas Construtivos Alternativos

06, 07 e 08 de Agosto de 2003 Natal RN

AVALIAO DA INRCIA TRMICA DE SISTEMAS CONSTRUTIVOS CONVENCIONAIS E UM ALTERNATIVO

Comparative analysis of the thermal performance of construction

systems conventional and alternative.

Hyram Dionsio de Andrade

Tamms Maria da Conceio Morais

Virgnia Maria Dantas de Arajo

Mnica Maria Fernandes de Oliveira

Departamento de Arquitetura CT UFRN

Campus Universitrio Lagoa Nova Natal/RN CEP: 59072-970

ABSTRACT

A computational analysis was accomplished to study the thermal inertia of four types of

constructive element: 8-hole conventional tile (CTB), common concrete block (CB), cellular

concrete block (CCB) and light concrete block (LCB). The analysis was performed using the

computational program named ARQUITROP. The LCB was a sandwich composed by

two plates of cement with aggregate of EPS (expanded polystyrene) and a plate of EPS in

the core. In both cases, LCB and CCB, the density considerate in the analysis was 1600

kg/m3. The results of the computational simulations allows to compare the thermal wave and

the thermal delay of the elements, and moreover, to obtain values of the global heat transfer

coefficient. As expected, it was identified the figure of merit of the thermal inertia as a

variable to the study of the thermal performance of the buildings. Based in the analysis of

the results, it was determinate that the CTB and the CCB present the better thermal

performance, i.e., the more appropriate response to the environmental thermal conditions

and its consequences to the temperature in the interior of buildings constructed in Natal-RN-

Brazil.

Key-words: computational simulation, thermal performance, thermal inertia.

RESUMO

Foram realizadas anlises da inrcia trmica de componentes construtivos convencionais e

um alternativo atravs do programa computacional Arquitrop. Consideraram-se como

componentes convencionais paredes de tijolo cermico de oito furos, de bloco de concreto

comum, e de bloco de concreto celular; o sistema alternativo analisado constou de uma

parede de bloco de concreto leve composto por sanduche de poliestireno expandido. No

caso dos componentes constitudos por concreto leve e concreto celular, foi considerada a

densidade de 1600kg/m3. As simulaes computacionais permitiram obter resultados que

serviram para comparar a capacidade de amortecimento e o retardo de cada componente,

bem como os valores dos coeficientes globais de transferncia de calor. Com base na

anlise dos resultados, foi possvel constatar o mrito da inrcia como uma varivel para o

desempenho trmico de uma edificao, bem como que dentre os materiais ora estudados

o tijolo cermico vazado e o concreto celular so os que melhor respondem a complexa

melhora desejada para o desempenho trmico das envoltrias das edificaes no clima de

Natal.

Palavras-chave: Simulao, Desempenho Trmico e Inrcia trmica.

INTRODUO

Os edifcios que compem os ambientes urbanos tm caractersticas arquitetnicas e

construtivas que muito influenciam o conforto trmico das edificaes.

Uma dessas caractersticas a inrcia trmica: propriedade relacionada massa do

edifcio, que apresenta a capacidade de armazenar energia em forma de calor e depois

de algumas horas liberar essa energia para o meio ambiente.

responsvel pelo retardamento da transferncia de calor externo para dentro da

edificao, pois utiliza grande parte deste calor para aquecimento da prpria massa de

sua envoltria, mantendo o ambiente interno com a temperatura mais baixa (menor pico)

durante o dia. noite, o calor armazenado na massa por re-irradiao transfere-se tanto

para o ambiente externo quanto para o interno (ANDRADE,1996).

Seu uso nas edificaes ajuda no atraso e na diminuio dos picos de calor, visto que ao

conduzir o calor do meio externo para o interno o material retm uma parte no seu interior,

efeito de sua massa (ver figura 01).

Quanto maior a massa maior o calor retido que devolvido ao interior quando a

temperatura do ar for menor que a da superfcie, havendo ento uma diminuio da

amplitude da temperatura interna que oscilar de forma amortecida.

Figura 01: Desenho representativo do papel da inrcia trmica em uma edificao.

Fonte: CD Room Eficincia Energtica na Arquitetura.

Os parmetros relativos ao conforto trmico so decisivos no que se refere ao

estabelecimento do bom desempenho trmico do projeto de arquitetura.

Entretanto, sua importncia s constatada no dia a dia da edificao, com seu uso e

com as alternncias estacionais.

Como exemplo, temos para climas como o aqui estudado que deve ter... inrcia de mdia

a leve com elementos isolantes nos fechamentos, para impedir que o calor recebido da

radiao solar atravesse a construo e que gere calor interno em demasia. Para a

cobertura... elemento isolante ou camada de ar ventilada para retirar o calor que

atravessa as telhas (ANDRADE,1996).

Dentro do contexto de crise energtica por que passa o pas e o mundo, este trabalho

pretende ser mais um desdobramento de soluo calcada na retomada de conhecimentos

fsicos bsicos, ora esquecidos e imprescindveis para uma redefinio dos valores que

estes tm como ferramentas de concepo e implementao de um controle ambiental

inteligente independente da escala trabalhada.

Para tanto, a aplicao simulatria configura-se uma forma de constatar o comportamento

e confirmar as recomendaes mais apropriadas quanto ao desempenho trmico de

edificaes.

Esta teve a finalidade de analisar a influncia da inrcia trmica em uma parede

constituda de diferentes materiais (bloco cermico, concreto comum, concreto leve e

celular), e para isso foram realizadas simulaes atravs do programa computacional

Arquitrop.

METODOLOGIA

Iniciou-se por uma reviso bibliogrfica acerca do papel da inrcia trmica na

performance de uma edificao, visto este ser o de promover condies mais

estveis internamente, em situaes de stress trmico externo, segundo

GREELAND (1980). As pesquisas bibliogrficas foram desenvolvidas durante os

meses de abril e maio de 2002, e retiradas de sites, livros e revistas referentes ao

tema.

Foram utilizados prottipos possuindo dimenses externas de 1,60m x 3,15m; altura

de 1,80m, com cobertura em EPS (alta resistncia trmica) com 0,04m de

espessura. Com os resultados, foram feitas anlises comparativas entre os

materiais utilizados.

As simulaes foram realizadas atravs do programa computacional Arquitrop.

Levou-se em considerao dados relativos as propriedades termofsicas como a

densidade dos materiais, a condutividade trmica, a capacidade trmica dentre

outras. Utilizou-se tambm dados climticos referentes ao ms de janeiro no qual a

incidncia solar da referida cidade elevada. Enfatiza-se se ter levado em

considerao apenas os elementos de vedao horizontais e verticais, ficando de

fora dados sobre aberturas, ocupantes, equipamentos e sistemas de iluminao e

climatizao.

A operao do sistema computacional Arquitrop se faz atravs de um sistema

integrado de programas e bancos de dados que simulam o desempenho e

investigam a adequao climtica de edificaes visando realizar melhor o conforto

e a economia de energia. Possui dois bancos de dados: um de materiais e

componentes construtivos, e outro de dados climticos.

O programa emite duas formas distintas de resultados: por meio de tabelas com os

resultados das temperaturas, e o segundo por meio de grficos que permitem a

observao minuciosa da temperatura exterior e interior em relao hora do dia e

da distribuio do fluxo nestas, com base nas especificidades dos materiais

empregados.

RESULTADOS E ANLISES

Na simulao foi considerada a orientao norte-sul para o dia 15 de janeiro, dia

tpico de vero da cidade de Natal/RN (54554 de latitude sul, 35,2 de longitude leste e altitude em torno de 18m clima quente-mido); nesta, estando a maior

dimenso (3,15m) e por conseguinte a exposio da face maior para a orientao

leste-oeste , permitindo assim que se tenha uma situao mais crtica em termos de

ganhos trmicos, tornando mais perceptvel os desvios quantitativos das

temperaturas.

Estes ocorrem, vale lembrar, em conseqncia da orientao estabelecida e do tipo

de material empregado. A avaliao se faz nos ganhos e perdas atravs das

vedaes opacas.

A seguir as anlises abordadas separadamente dos materiais e atravs de tabelas

de distribuio do fluxo trmico entre o ambiente externo e interno do prottipo.

A fim de se obter um quadro comparativo no s dos materiais entre si, optou-se

por compar-los com a tabela de recomendaes para projeto (mtodo MAHONEY)

que o Arquitrop apresenta para os dados climticos anteriormente citados (ver

tabelas 01 e 02).

Tabela 1 - Banco de dados climticos

Fonte: ARQUITROP, agosto/2003

Tabela 2 - Quadro de recomendao para projetos em Natal/RN


Como possvel examinar miudamente, no que se segue, a mesma temperatura

externa foi considerada em todos prottipos, ocorrendo variaes nas mesmas

internamente.(ver tabelas 03 a 06).

Tabela 3 A - Variao de temperatura para o prottipo de tijolo cermico vazado


Tabela 3 B - Quadro com dados de desempenho trmico para o tijolo cermico vazado


Tabela 4 A - Variao de temperatura para o prottipo de concreto comum


Tabela 4 B - Quadro com dados de desempenho trmico para o concreto comum.


Tabela 5 A - Variao de temperatura para o prottipo de concreto leve.


Tabela 5-B - Quadro com dados de desempenho trmico para o concreto leve.


Tabela 6-A - Variao de temperatura para o prottipo de concreto celular.


Tabela 6-B - Quadro com dados de desempenho trmico para o concreto celular.


Analisando-se os dados apresentados nas tabelas pode-se constatar que:

Confirmando o ar como um bom isolante, no prottipo em tijolo cermico vazado (Tabela 03-A) percebe-se que a diferena entre a temperatura

interna e externa diminui gradativamente at se igualarem na 13a e 14a hora

do dia e a partir da comea a diminuir.

Ainda no prottipo em tijolo cermico, apesar do aumento gradativo da temperatura externa ao longo do dia, este, internamente, ocorre de forma

menos intensa que a graduao externa: sinal de que a parede esta com um

bom isolamento.

A temperatura da superfcie interna manteve-se igual a do ambiente interno: fenmeno ocorrido em todos os prottipos.

A temperatura superficial do prottipo em concreto comum (Tabela 04-A) mais alta que a dos demais materiais; ou seja, com maior densidade tem-se

maior inrcia no tangente reteno de calor na massa constituinte.

Os ganhos trmicos do prottipo em concreto comum, confirmando o citado acima, so substancialmente maiores e mais rpidos em termos

comparativos com os demais prottipos, principalmente a partir das 9:00 h.

Ao fim do dia solar, o prottipo em concreto leve perde mais lentamente os ganhos trmicos ao longo do dia em comparao com os demais analisados.

Comprovando a grande capacidade de amortecimento por parte do concreto leve, temos que a temperatura interna e externa se altera mais durante as

horas do dia na diferena entre os meios externo e interno.

O prottipo em concreto leve apresenta-se o mais lento para atingir o pico de temperatura, o que confirma a capacidade de isolamento do EPS quando

adicionado a concreto.

Em termos de diferena entre a mxima e a mnima temperatura ao longo do dia, o prottipo em concreto celular muito se aproxima do em tijolo cermico

vazado, o que confirma novamente o ar como um bom isolante.

O concreto celular tem maior capacidade de transferir calor do que o concreto leve, embora tenha ganhos bem mais expressivos como mostra a

observao comparativa dos valores de cada um ao longo do dia.

CONCLUSES

No decurso das simulaes com o Arquitrop pode-se estabelecer quantitativamente

algumas consideraes acerca da inrcia no comportamento dos prottipos estudados; e

estas tambm se fazem na observncia dos ganhos e perdas atravs das vedaes

opacas expressas nos valores quantitativos do retardo e amortecimento envolvidos e

colocados nas tabelas 03, 04, 05 e 06; comparando-os com os do quadro da tabela 02,

temos:

O concreto leve apesar de ter o maior amortecimento fica muito longe do que seria o ideal para a situao de Natal devido ao seu grande

retardamento, o que faz com que seja necessrio identificar o tipo de uso

pretendido para a edificao que venha usufru-lo como material para

melhora de desempenho.

Pouco ambguo ao longo do ano, o clima de Natal pede mdia inrcia trmica durante o dia, mas pouco retardo (menor tempo de dissipao) para

que a massa constituinte possa mais rpido descarregar o calor

armazenado e melhor proveito tirar das condies noturna de temperatura

em relao ao meio externo. Por conseguinte, os materiais mais adequados

para uso como elemento para efeito de isolao capacitiva so o tijolo

cermico vazado e o bloco de concreto celular.

Embora deixadas de lado, dados referentes s aberturas e cobertura devem ser considerados quando do uso da inrcia como regulador de perdas e

ganhos; estes so passveis de melhorar e ventilar ambientes no clima

quente e mido como o estudado.

A partir dos resultados obtidos neste trabalho, engenheiros e arquitetos podero fazer

uma avaliao inicial em seus projetos, a respeito do desempenho energtico dos

mesmos, em funo das variveis adotadas.

Desta forma, operacionalizar melhor os parmetros referentes s exigncias de conforto

trmico e os dados que caracterizam as condies de exposio ao clima.

Embora apresente recursos amplos enquanto mtodo, o Arquitrop, por si s, no

suficiente para adotar-se como soluo definitiva de projeto.

Assim sendo, a metodologia aqui exposta sugere encara-los em ternos qualitativos e

norteadores para a ampliao de um banco de dados que venha melhorar a complexa

relao entre o edifcio e o meio ambiente quando se objetiva a obteno de conforto

trmico atravs da eficincia energtica.

BIBLIOGRAFIA

ARAJO, Eduardo Henrique Silveira de, et al. Dias climticos tpicos para o projeto trmico de edificaes em Natal/RN. Natal: EDUFRN, 1998.

Isolamento trmico: conforto e economia de energia. Informe Publicitrio do Boletim IAB/SC. Setembro de 2001.

LAMBERTS,Roberto, et al. Eficincia energtica na arquitetura. So Paulo: PW Editores, 1997.

PAPST, A Lgia. Uso de Inrcia Trmica no Clima sub-Tropical Estudo de Caso em Florianpolis SC. Dissertao de mestrado em Engenharia da UFSC. Florianpolis: 1997.

ROMRO, M. A., RORIZ, M. (2002). Programas de simulao termoenergtica em edificaes: o Arquitrop. So Paulo: RPA Editorial, Revista Climatizao, pp.30 34.

SIGNOR, Regis. Anlise de Regresso do Consumo de Energia Eltrica Frente a Variveis Arquitetnicas para Edificaes Comerciais Climatizados em 14 Capitais Brasileiras. Dissertao de mestrado em Engenharia da UFSC. Florianpolis: 1997.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao apoio obtido junto aos seguintes fomentadores da pesquisa:

Direo do Ncleo Tecnolgico Industrial NTI de UFRN

Direo do Centro de Tecnologia CT da UFRN

Eng. Aldomar Pedrini

Prof. Marciano Furukava

Equipe CT ENERG, pela aquisio do software ECOTECT

APOIO

A realizao da pesquisa descrita neste trabalho s se tornou possvel graas ao

financiamento do CNPq, atravs do Projeto CT ENERG Processo N 552.372/01-3.

avaliação da inércia térmica de sistemas construtivos convencionais e um alternativo

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