definição de condições do entorno e critérios de avaliação de
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DEFINIÇÃO DAS CONDIÇÕES DE CONTORNO E
CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO
TERMO-ENERGÉTICO DE HIS
RESUMO
O presente trabalho tem por objetivo definir as condições de contorno e os
critérios de avaliação de desempenho termo-energético de uma habitação de
interesse social (HIS), de forma a proceder uma análise dos valores
recomendados pela NBR 15220 – parte 3 e considerados como limites de
transmitância térmica, atraso térmico e fator de calor solar, tanto para
fechamentos verticais quanto horizontais, para as zonas bioclimáticas 1, 2 e 3.
Para isso será definida uma tipologia para a HIS que se enquadre na realidade
nacional atual. A mesma será modelada, com a utilização de um programa de
simulação termo-energética de edificações, o DesignBuilder. A análise dos
resultados nos dará condições de propor novas prescrições normativas com
relação a estes valores, para as diferentes zonas bioclimáticas estudadas. O
desempenho térmico da edificação será avaliado através do percentual de
horas de conforto, com base na carta bioclimática de Givoni adaptada para
países de clima quente em desenvolvimento, e a análise de desempenho
energético através de graus-hora de refrigeração e aquecimento. Esta análise
será feita tanto para a edificação como um todo quanto para os dormitórios,
durante o período noturno, acordando com o RTQ-R (INMETRO, 2010).
Liader S. Oliveira (1), Antônio Cesar S. B. da Silva (2), Eduardo Grala da Cunha(2) e Mônica M. Pinto (3) 1Mestrando, Universidade Federal de Pelotas
Pelotas, RS, 96010-020, Brasil 2Prof. Dr., Universidade Federal de Pelotas
Pelotas, RS, 96010-020, Brasil 3 Bolsista Acadêmica, Universidade Federal de Pelotas
Pelotas, RS, 96010-020, Brasil
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Palavras-chave: condições de contorno, desempenho termo-energético,
habitação de interesse social.
ABSTRACT
The present work aims to define the boundary conditions and the criteria for
evaluation of the thermal and energy performance of a social housing (HIS), in
order to proceed an analysis from the recommended and considered values as
limits by the NBR 15220-Part 3 for thermal transmittance, thermal lag factor and
solar heat for both vertical and horizontal partitions, in bioclimatic zones1, 2 and
3. To reach this aim, will be defined a HIS design that is representative of the
national reality current. It will be modeled with the use of DesignBuilder energy
building simulation program. The results will give us conditions to propose new
normative prescriptions with respect to these values, including the possibility of
getting correlations among intervals of these variables for different bioclimatic
zones studied. The thermal performance of the building will be evaluated
through the percentage of comfort hours, based on the Givoni´s bioclimatic
chart adapted to hot climate in development countries. The analysis of energy
performance will be evaluated through of cooling and heating degree-hours.
This analysis will be made as for the whole building as for the bedrooms during
the nocturnal period, agreeing with the RTQ-R (INMETRO, 2010).
Keywords: boundary conditions, thermal-energetic performance, social
housing.
1. INTRODUÇÃO
Segundo dados do Programa Nacional de Amostra por Domicílios (PNAD) de
2008, para zerarmos o déficit habitacional nacional precisaríamos construir
quase 5,6 milhões de moradias e, somente na região sul do país, cerca de 590
mil moradias. Os elevados recursos financeiros que estão sendo
disponibilizados para a redução deste déficit, porém, não garantem a qualidade
das moradias. Historicamente as políticas habitacionais adotadas para
enfrentar este déficit estimularam a busca por novos sistemas construtivos, a
utilização de materiais de baixa qualidade e a redução do espaço da moradia,
entre outros problemas, procurando adaptar-se aos valores limites de
financiamentos disponibilizados (Santos, 1995).
A preocupação crescente com o nível de conforto dos usuários e,
principalmente, com o consumo desnecessário de energia de edificações mal
projetadas ou construídas com materiais não adequados conduziu a uma
recente normatização sobre o tema. A Associação Brasileira de Normas
Técnicas (ABNT) aprovou, nos últimos anos, duas normas: a NBR 15220 -
Desempenho Térmico de Edificações – em 2005 e a NBR 15575 –
Desempenho de Edifícios Habitacionais de até Cinco Pavimentos – em 2008.
A NBR 15220, em sua parte 3, define recomendações quanto ao
desempenho térmico de habitações unifamiliares de interesse social, indicando
as diretrizes construtivas e as estratégias bioclimáticas mais adequadas para
diversas zonas bioclimáticas. Muitas das prescrições contidas na norma,
principalmente em relação às características físicas dos fechamentos
(transmitância térmica, atraso térmico e fator de calor solar), têm sido
contestadas em trabalhos de pesquisadores da área. Cabe salientar que hoje
as ferramentas computacionais de simulação são muito mais confiáveis e
completas do que no final da década de 90, quando a norma foi elaborada.
Matos (2007) observou, através de um processo de simulação computacional
em habitações com o uso de ventilação natural, que a limitação do atraso
térmico previsto na norma não se justificaria, em função de que todas as
paredes com transmitância dentro dos limites estabelecidos apresentam
semelhança nos resultados de graus-hora para a zona bioclimática 3. Pereira
(2009), que estudou a importância do envelope no desempenho térmico em
uma habitação ocupada e ventilada naturalmente em Florianópolis, zona
bioclimática 3, chegou à conclusão que, mais do que a transmitância térmica, a
capacidade térmica dos fechamentos tem uma correlação positiva com o
conforto térmico no interior das edificações. A própria NBR 15575, posterior à
NBR 15220, utiliza a capacidade térmica e não o atraso térmico como limitador,
mesmo critério do Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de
Eficiência Energética de Edificações Residenciais, o RTQ-R (INMETRO, 2010).
2. OBJETIVOS
O presente trabalho tem por objetivo discutir a geometria e as condições de
contorno (densidade de carga de equipamentos e iluminação, padrão de
ocupação, setpoints de ventilação natural, arquivo climático, etc.) da habitação
de interesse social (HIS) que será objeto do processo de simulação
computacional, bem como definir os critérios de análise de desempenho termo-
energético que servirão de base para a revisão das recomendações da NBR
15220-3 em relação às características físicas dos fechamentos (transmitância
térmica, atraso térmico e fator de calor solar). Além disso objetiva também
apresentar o estudo-piloto que confirma a hipótese da necessidade de revisão
da NBR 15220-3.
3. METODOLOGIA
A metodologia deste trabalho é dividida em três etapas:
3.1. Caracterização da HIS a ser analisada.
3.2. Definição dos critérios de análise de desempenho termo-energético da
edificação.
3.3. Estudo-piloto.
3.1. CARACTERIZAÇÃO DA HIS
Definição da tipologia da edificação
Já foram realizados estudos utilizando um modelo de habitação para famílias
de renda de até 3 salários mínimos, resultado da tese de doutorado de Sérgio
Tavares, “Metodologia para análise do ciclo de vida energético de edificações
residenciais brasileiras” (2006, UFSC). É uma edificação de 2 dormitórios, sala,
cozinha e banheiro, de 63m², que representa uma média obtida através dos
dados do PNAD de 2005. Porém, verificando as especificações mínimas que
constam no site do Ministério das Cidades para o programa Minha Casa Minha
Vida “2” e os planos de obras dos municípios de Curitiba, Pelotas e
Florianópolis, zonas bioclimáticas 1, 2 e 3, respectivamente, aliado aos valores
de financiamento garantidos pelos programas habitacionais, deve-se adotar
para estudo uma habitação que represente a tendência atual da construção
civil no país. Segundo reportagem veiculada no Jornal Diário Popular (Pelotas),
em 04 de outubro de 2011, estavam sendo construídas no município cerca de
1300 HIS, sendo que a área total das mesmas está compreendida entre 35 e
42m².
Com base nisto modelou-se uma habitação que atende a todas as
especificações. Ela possui dois dormitórios, sala e cozinha conjugadas e
banheiro, totalizando 40,8m², conforme figura 1- Planta baixa da edificação.
Figura 1. Planta baixa da edificação
Definição das condições de contorno da edificação
Os programas de simulação termoenergética de edificações possibilitam
quantificar, através da inserção de um arquivo climático que reproduz as
condições do clima de determinada região, a influência das variáveis
arquitetônicas no desempenho térmico e energético das edificações. São
ferramentas valiosas para o projetista, mas exigem um conhecimento
aprofundado a respeito das diversas variáveis envolvidas no balanço térmico
de uma edificação (Batista et al, 2005). Isto é fundamental para assegurar que
os dados de saída das simulações sejam analisados de forma correta, e sua
aplicação na busca de edificações térmica e energeticamente eficientes possa
garantir a satisfação dos usuários. As condições de contorno definidas para a
edificação estão descritas a seguir.
Programa de simulação:
O DesignBuider, software que será utilizado neste trabalho, dispõe de
recursos amigáveis para modelagem da geometria e para a inserção de dados
de entrada dos sistemas construtivos e rotinas de ocupação e utilização da
edificação. Utiliza os algoritmos do EnergyPlus, que apresenta funções mais
elaboradas para simulação do balanço térmico, além de maior precisão na
simulação para ambientes não condicionados (Venâncio, 2007).
Arquivos Climáticos:
Conforme o RTQ-R (INMETRO, 2010) o arquivo climático a ser utilizado para
o processo de simulação computacional deve, no mínimo, fornecer valores
horários para todos os parâmetros relevantes requeridos pelo programa de
simulação, como temperatura e umidade do ar, direção e velocidade do vento,
radiação solar, etc. Devem ser utilizados arquivos climáticos disponibilizados
pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos ou no site do
PROCEL/ELETROBRÁS, como TRY ou TMY e, além disso, os dados devem
ser representativos da zona bioclimática onde o projeto está inserido. Para o
presente trabalho os arquivos climáticos utilizados serão:
Zona Bioclimática 1: arquivo TRY da cidade de Curitiba/PR;
Zona Bioclimática 2: arquivo TMY da cidade de Santa Maria/RS.
Zona Bioclimática 3: arquivo TRY da cidade de Florianópolis/SC.
Padrões de ocupação e utilização:
Quanto aos padrões de uso e ocupação dos ambientes, bem como uso e
densidade de potência da iluminação e cargas internas de equipamentos foram
utilizados os padrões descritos no Regulamento Técnico da Qualidade para o
Nível de Eficiência Energética de Edificações Residenciais (RTQ-R, 2010), que
também serviu de base para definição da taxa metabólica das atividades
desempenhadas em cada ambiente.
Definição da temperatura do solo:
Em relação à temperatura do piso deverá ser utilizado o programa SLAB,
vinculado ao EnergyPlus, para calcular a temperatura média do solo para cada
mês do ano, com base nos valores médios de temperaturas internas e externas
da edificação para o clima escolhido, levando em conta sua geometria,
elementos construtivos e padrões de uso e ocupação. Em função do número
total de simulações, para as três zonas bioclimáticas, ser próximo a 1.000, é
inviável definirmos a temperatura, por este método, para cada caso, pois
duplicaríamos o número de simulações a serem realizadas. Propõe-se então
um estudo inicial para verificar as temperaturas do solo para fechamentos com
alta e baixa transmitância, além do caso-base, procurando-se utilizar, a partir
da análise dos resultados obtidos, um valor de temperaturas do solo para cada
zona bioclimática, definida através da utilização do programa SLAB para o
caso-base.
Fechamentos:
O programa de simulação considera todos os componentes formados por
camadas transversais ao fluxo de calor, não permitindo o cálculo de
resistências térmicas em paralelo. Desta forma foi utilizado o trabalho de
Ordenes et al (2003) que desenvolveu um modelo de construção de um
componente equivalente para ser inserido no programa. As características dos
fechamentos, tanto do caso-base quanto das alternativas de simulação estão
definidas a seguir.
Caso-base:
Para a caracterização dos materiais e elementos construtivos, que comporão
os fechamentos da edificação para o caso-base, foram definidas as
propriedades térmicas de paredes externas e cobertura, com base nos limites
estabelecidos pela ABNT NBR 15220 parte 3, em função do zoneamento
bioclimático, conforme tabela 1 – transmitância térmica, atraso térmico e fator
de calor solar admissíveis para cada tipo de fechamento. Para as zonas 1 e 2
as paredes devem ser leves e a cobertura leve e isolada. Para a zona 3 as
paredes devem ser leves e refletoras e a cobertura deve ter as mesmas
propriedades das zonas já referenciadas.
Tabela 1 - Transmitância térmica, atraso térmico e fator de calor solar admissíveis para cada tipo de
vedação
Fonte: Adaptado de NBR 15220 – parte 3, anexo C, tabela C.2, 2005.
Configurações para simulação:
Para a definição das alternativas a serem analisadas a partir do processo de
simulação computacional, de forma a atender aos objetivos do trabalho, serão
fixados valores de transmitância térmica que abranjam os valores de
transmitância das paredes e coberturas listadas na NBR 15220-3 (de 1,0W/m²K
a 5,0W/m²K) e, a partir daí, serão testados fechamentos com atrasos térmicos
de 1 a 11 horas, que também estão contidos na norma.
Em relação ao fator de calor solar, todas as configurações serão testadas
para as absortâncias de 20, 50 e 70%. Estes valores foram definidos de forma
a utilizar as cores claras, médias e escuras, tomando por base os valores
iniciais da tabela de Lamberts et al (2004).
As configurações a serem simuladas estão indicadas na figura 2 –
configurações de simulação.
Figura 2. Configurações de simulação
Orientação solar:
Em relação à orientação solar a edificação, por possuir aberturas apenas em
duas orientações, o que viabiliza inclusive a sua construção em fita, será
simulada sobre os eixos norte-sul e leste-oeste.
Ventilação natural:
A edificação será analisada utilizando o padrão de uso da ventilação natural
com controle automático por temperatura. Nesta opção as janelas somente
serão abertas se, concomitantemente, a temperatura do ar no interior da
edificação estiver acima da temperatura de setpoint de ventilação e também for
maior que a temperatura do ar no exterior. Além disso, o horário de
funcionamento deve estar habilitando para utilização da ventilação natural.
Como a edificação possui venezianas nas aberturas, proporcionando controle
de entrada de radiação solar e segurança, as janelas estão habilitadas para
abertura nas 24 horas do dia. A temperatura de setpoint foi definida em 25ºC,
com base em trabalho de Martins et al (2009).
O padrão de utilização das venezianas procura atender aos critérios de
segurança, ao mantê-las fechadas durante a noite, e às recomendações da
NBR 15220 – 3, que indicam para a zona bioclimática 1, durante o período frio,
e para as zonas 2 e 3, durante o período de inverno, que as janelas permitam a
entrada de radiação solar na edificação.
3.2. DEFINIÇÃO DOS CRITÉRIOS DE ANÁLISE DE DESEMPENHO
TERMO-ENERGÉTICO DA EDIFICAÇÃO
Os resultados obtidos serão analisados de duas formas. A primeira é através
de uma análise comparativa dos desempenhos de cada modelo com base na
porcentagem de horas de conforto, considerando a zona de conforto adaptada
de Givoni (1992). Para isso foi utilizado o programa computacional Analysis
Bio, inserindo os valores horários de temperatura e umidade relativa do ar
obtida em cada modelo simulado, para o ano inteiro. Os resultados serão
analisados para toda a edificação, nas 24 horas do dia, e para os dormitórios,
no período noturno, das 21 às 8 horas, quando a ocupação destes ambientes é
de 100%, de acordo com metodologia adotada no RTQ-R (INMETRO, 2010).
A segunda forma de análise é através do número de graus-hora, nos mesmos
padrões da análise anterior. Está análise será utilizada como um indicador
energético que possibilite a quantificação da energia requerida para que as
temperaturas da zona de conforto sejam reestabelecidas nos ambientes
analisados, indicando a eficiência energética das alternativas simuladas.
As temperaturas-base para aquecimento e resfriamento serão de 18 e 29ºC,
isto é, as temperaturas da zona de conforto de Givoni para países em
desenvolvimento, que deram sustentação para a elaboração da NBR 15220 -
parte 3.
3.3. ESTUDO-PILOTO
As dúvidas levantadas a partir dos trabalhos de Matos (2007) e Pereira
(2009), bem como a mudança de parâmetros de análise constantes nas
normas e regulamentos mais recentes, como a NBR 15575 (2008) e o RTQ-R
(2010), suscitaram a realização de um estudo-piloto para, inicialmente,
confirmar a hipótese de que as recomendações da NBR 15220, em sua parte
3, quanto às características do envelope da edificação, não expressam
totalmente a realidade.
Este estudo se baseou na mesma metodologia que será utilizada no trabalho,
tanto em relação às configurações da edificação, quanto em relação à
geometria e padrões de uso e utilização de equipamentos, uso da ventilação
natural, com rotinas para abertura e fechamento de vidros e venezianas. Em
relação às características construtivas, utilizando os limites estabelecidos pela
NBR 15220-3 para configurar os materiais dos fechamentos da edificação,
chamada de caso-base. Com relação à orientação solar da edificação a mesma
foi simulada com as aberturas orientadas para norte-sul e leste-oeste,
conforme figura 3 – orientação dos modelos.
(a) (b)
Figura 3 – Orientação dos modelos: (a)leste-oeste (b)norte-sul
A partir daí, através do processo de simulação computacional,
estabeleceram-se os índices de conforto térmico para os limites da norma, com
a utilização do programa Analysis-Bio (LabEEE, UFSC, 2010).
Em um segundo momento modificou-se as características físicas do
envelope, utilizando como fechamento vertical uma parede dupla de tijolos
furados, assentados na menor dimensão, e que não é recomendado para as
zonas bioclimáticas 1, 2 e 3 por ter uma atraso térmico de 6,5 horas, superior
ao limite da norma, que é de 4,3 horas, apesar de ter uma transmitância
térmica de 1,52 W/m²K, valor muito inferior aos limites da norma. Foram
testadas duas configurações, apenas com mudança na absortância do
fechamento vertical. Na configuração 1 a absortância solar foi de 0,82,
mantendo-se o fator solar em 5%, que é o limite da norma. Na configuração 2,
porém, não se alterou a cor do fechamento em relação ao caso-base. As três
configurações estudadas estão representadas na figura 4 – configurações de
simulação. Na figura 4, abaixo da parede utilizada, apresenta-se a resistência
equivalente da mesma, modelada no Design Builder através da metodologia
desenvolvida no trabalho de Ordenes et al (2003).
O estudo foi realizado para a zona bioclimática 2, onde está inserido o
município de Pelotas (RS), utilizando-se o arquivo climático .TMY da cidade de
Santa Maria (RS).
Figura 4 – configurações de simulação
Os resultados, mostrados no gráfico 1 – índices de conforto, indicam que os
índices de conforto térmico foram superiores para a edificação que utilizou a
parede dupla de tijolos furados, com maior atraso térmico e menor
transmitância. Na zona bioclimática 2, que foi analisada neste estudo-piloto e
onde está inserido o município de Pelotas, o conforto obtido no caso-base foi
de 65,4%, enquanto com a parede dupla este valor subiu para 73,6% das
horas, na configuração 1 e 69,9% na configuração 2, durante todo o ano, para
a edificação disposta com as aberturas nas orientações leste-oeste. Os valores
obtidos com as aberturas na orientação norte-sul mostrou o aumento do
percentual de conforto de 65,4% do caso-base para 73,5% na configuração 1 e
70,2% na configuração 2. Para o dormitório de casal, analisado no período
noturno (21-8hs), com aberturas para leste e norte, os valores foram diferentes,
porém a configuração 1 se mostrou novamente a mais vantajosa. A maior
temperatura interna no dormitório de casal, neste horário, foi no dia 24/12, às
21hs. No caso-base foi de 32,5ºC e 33ºC, para as aberturas para leste e norte,
respectivamente. Na configuração 1 estes valores subiram para 33,1 e 33,5ºC,
respectivamente, e na configuração 2, os valores foram 32,7ºC, tanto para a
orientação leste quanto para a norte. A temperatura externa máxima, neste dia,
se deu às 15hs, com 33,8ºC.
Gráfico 1 – índices de conforto (geral e dormitório do casal)
Em relação aos números de graus-hora a parede dupla de tijolos furados
também se mostrou vantajosa, tanto na edificação como um todo quanto
apenas no quarto do casal, resultados mostrados no gráfico 2 – graus-hora
(geral e dormitório do casal).
Gráfico 2 – graus-hora (geral e dormitório do casal)
4. CONCLUSÕES
Os resultados obtidos no estudo-piloto indicam que a parede dupla de tijolos
furados, mesmo não sendo indicada pela NBR 15220 em função do atraso
térmico, proporciona mais conforto, bem como reduz a quantidade de graus-
hora necessários para que a temperatura esteja dentro da zona de conforto,
tanto para a edificação como um todo quanto para o dormitório, no período
noturno (21 às 8 horas), do que o caso-base, cujas características térmicas
estão no limite dos valores normatizados. O maior pico de temperatura
observado nas configurações 1 e 2 durante o período noturno de verão, não foi
relevante frente ao melhor desempenho destas configurações durante o
inverno, proporcionando ao longo do ano muito melhores condições de conforto
e economia de energia. Em função disto podemos dizer que as indicações da
norma não se confirmam, e que os limites das características térmicas dos
fechamentos ali indicados devem ser revistos.
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