EDEN: PROGRAMA PARA AUXÍLIO A PROJETOS DE EDIFICAÇÕESENERGETICAMENTE AUTÔNOMAS E EFICIENTES

Brito A. U. e Pinho J. T.

Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas, DEEC/CT/UFPACaixa postal 8605 – Ag. Núcleo Universitário, CEP 66.075 – 900, Belém, PAFone/Fax: (91) 2111299, e-mail: ubaiara@yahoo.com.br; jtpinho@ufpa.br

RESUMO

Este trabalho apresenta um ambientecomputacional desenvolvido para auxílio a projetosde edificações energeticamente autônomas eeficientes (EDEN). Com o objetivo de verificar autilidade do programa desenvolvido, apresenta-se oprojeto de uma casa de teste, elaborado com auxíliodo mesmo. Essa casa, que é um projeto piloto naRegião Norte, deverá ser construída no campus daUniversidade Federal do Pará e servirá comolaboratório de testes para o Grupo de Estudos eDesenvolvimento de Alternativas Energéticas(GEDAE).

ABSTRACT

This work presents a program developed toaid the project of buildings with energeticautonomy and efficiency (EDEN). With theobjective of verifying the usefulness of thedeveloped program, the project of a test house ispresented, elaborated with the aid of the software.This house, that is a pilot project in the NorthernRegion, shall be built in the campus of theUniversidade Federal do Pará and will serve as atest laboratory for the Grupo de Estudos eDesenvolvimento de Alternativas Energéticas(GEDAE).

1. INTRODUÇÃO

Grande parte de toda a energia consumidano Brasil deve-se às edificações. Atualmente, como problema da crise energética, tem-se dado umamaior atenção a este fato, fazendo com quearquitetos, engenheiros e construtores assumam,assim, o importante papel de buscar soluções parareduzir a demanda energética das edificações, semreduzir o nível de qualidade, conforto efuncionalidade de suas instalações.

Dentro desse panorama, surge a idéia deedificações energeticamente autônomas e eficientes,que, embora conectadas à rede elétrica daconcessionária, possam suprir total ou parcialmentesua demanda energética. Para isto, é necessárioadequar a edificação ao clima de cada localidade,prevendo uma integração entre os recursos naturais eos artificiais, para que se reduzam as necessidadesenergéticas, como a climatização e a iluminação.Devem ser adotadas também estratégias paraminimizar os gastos com energia, e considerarpossibilidades de geração autônoma, através de fontesrenováveis não convencionais.

No entanto, devido ao grande número devariáveis envolvidas e à necessidade doconhecimento de diferentes áreas (engenharia,arquitetura, etc.) relacionadas com a elaboração doprojeto de uma edificação voltada para essa realidade,torna-se necessário o desenvolvimento de ferramentasque auxiliem o usuário na fase de elaboração doprojeto.

Com essa finalidade, foi desenvolvido umambiente computacional para auxilio a projetos deedificações com essas características. O programa foidesenvolvido em linguagem de programação VisualBasic 6.0®, sendo constituído por cinco módulos, queauxiliam o usuário no desenvolvimento de sua tarefa,a saber: “Análise Bioclimática”, “Rosa dos Ventos”,“Sombreamento”, “Iluminação Natural” e “GeraçãoFotovoltaica”. Com auxílio desses módulos, o usuáriopode fazer uma série de análises qualitativas equantitativas. Essas análises referem-se tanto àedificação quanto à localidade escolhida para aconstrução da mesma.

Com o objetivo de verificar a utilidade doprograma desenvolvido, é apresento o projeto de umacasa de teste, elaborado com auxílio do mesmo. Asdecisões referentes à orientação da casa, distribuição

dos ambientes internos, etc., foram todas tomadas apartir de simulações realizadas com o programa.

2. AMBIENTE COMPUTACIONALDESENVOLVIDO

MENU INICIALO menu inicial é a parte principal do

programa, pois todos os módulos mencionadosdependem dele e ficam desativados até que ele sejaexecutado (figura 1).

Figura 1. Formulário inicial do Programa EDEN.

Na execução deste módulo, o usuário deveprimeiramente abrir um arquivo com dadosclimatológicos (mês, dia do mês, dia do ano, hora,velocidade do vento, pressão atmosférica,temperatura ambiente, radiação global no planohorizontal, radiação difusa no plano horizontal,umidade relativa, direção do vento) para umareferida localidade; esses dados são gerados atravésde um programa comercialmente disponível(METEONORM. Versão 4.0) [1].

Na fase inicial do programa são realizadostambém todos os cálculos referentes às relaçõesgeométricas entre os raios do Sol e a Terra, parauma determinada hora e dia do ano, que sãoutilizados na execução dos módulos seguintes. Asequações utilizadas foram retiradas da referência[2].

MÓDULO “ANÁLISEBIOCLIMÁTICA”Este módulo tem como objetivo auxiliar o

usuário na escolha da melhor estratégiabioclimática a ser empregada em uma edificação,de tal maneira que as variáveis climatológicas doambiente interno das edificações cheguem o maispróximo possível das condições de conforto (bemestar humano).

Para isso, utilizou-se a carta psicrométrica,que é um diagrama que relaciona dados detemperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo

úmido, umidade relativa, razão de umidade, pressãode vapor e entalpia. Nessa carta, os dados detemperatura e umidade relativa referentes a todas ashoras do ano, para a localidade escolhida, sãomarcados diretamente, podendo ser identificadasvárias zonas de desempenho, conforme pode serobservado na figura 2.

Figura 2. Formulário do Módulo “Análise Bioclimática”.

1. Zona de Conforto;2. Zona de Ventilação;3. Zona de Resfriamento Evaporativo;4. Zona de Massa Térmica para Resfriamento;5. Zona de Ar Condicionado;6. Zona de Umidificação;7. Zona de Massa Térmica para Aquecimento;8. Zona de Aquecimento Solar Passivo;9. Zona de Aquecimento Artificial [3].

A partir da divisão das referidas zonas sobrea carta, é possível determinar o percentual de horasdo ano em que ocorre conforto ou desconforto,possibilitando a escolha da melhor estratégia a serempregada no projeto, para a localidade escolhida.Todo o equacionamento para implementação dacarta psicrométrica foi retirado do manual daASHRAE [4].

MÓDULOS “ROSA DOS VENTOS” E“SOMBREAMENTO”Esses módulos têm como objetivos auxiliar

o usuário na distribuição dos compartimentosinternos e das aberturas laterais da edificação, demaneira a favorecer ao ambiente interno a iluminaçãoe a ventilação naturais.

No módulo “Sombreamento”, o usuáriopode visualizar, para qualquer dia do ano, como secomporta a trajetória da sombra ao redor daedificação em um intervalo que tem inicio uma horaapós o nascer do Sol e terminando uma hora antes dopôr do Sol. Com o objetivo de diminuir o tempo deprocessamento do programa, as superfícies sãoaproximadas por formatos quadrangulares comoilustrado na figura 3.

Figura 3. Formulário do Módulo “Sombreamento”.

Já o módulo “Rosa dos Ventos” fornece apercentagem de ocorrência dos ventos em umadeterminada direção, tanto mensal quanto anual.Assim sendo, é possível traçar a rosa dos ventospara a localidade selecionada, utilizando os dadoshorários de direção do vento gerados peloMETEONORM 4.0 (figura 4).

Figura 4 - Formulário do Módulo “Rosa dos Ventos”.

MÓDULO “ILUMINAÇÃONATURAL”Este módulo realiza o cálculo da

disponibilidade de luz natural do interior de umaedificação para três condições de céu: céu claro,céu intermediário e céu nublado. O métodoutilizado é o da iluminância média [5]. Esse métodoé bastante adequado, pois considera-se em seucálculo a contribuição do nível de iluminânciadireta nas janelas devido à luz do Sol e luz do céu, àluz refletida no solo, e também à iluminância porinter-reflexão entre fachadas, muito comum noscentros urbanos. O método fornece os níveis deiluminação média, tanto para o plano de trabalhoquanto para outras superfícies (teto, parede,fachada, etc.), como apresentado na figura 5.

Figura 5. Formulário do Módulo “Iluminação Natural”.

MÓDULO “GERAÇÃO SOLARFOTOVOLTAICA”Este módulo tem como objetivo o

dimensionamento do sistema fotovoltaico necessáriopara o suprimento de energia elétrica da edificação,podendo o usuário optar por dimensionar o sistemafotovoltaico tanto para situações isoladas, quanto paracasos interligados à rede elétrica da concessionária,tendo em vista que os módulos fotovoltaicos podemestar fixos na própria estrutura da edificação(telhados ou paredes) ou a uma estruturaindependente (figura 6).

Figura 6. Formulário do Módulo “Geração Solar Fotovoltaica”.

Para sistemas fotovoltaicos isolados, ométodo utilizado para o dimensionamento, estábaseado na metodologia do manual fotovoltaicoeditado pelo Centro de Referência para Energia Solare Eólica Sérgio de Salvo Brito (CRESESB) [6], ondese dimensiona o subsistema de geração e acumulaçãopara o mês que apresenta o pior nível médio deirradiação solar diária durante o ano, considera-se quea energia coletada pelo gerador nesse mês seja igual àenergia consumida no mesmo período, sendo acapacidade de acumulação dimensionada de modo aassegurar um certo número de dias de autonomia defornecimento energético sem geração.

No caso de sistemas fotovoltaicosinterligados à rede, o subsistema de geração éprojetado visando coletar o máximo de energiadurante o ano, tomando como base para realizaçãodo dimensionamento o valor da média anual donível de irradiação solar. Assim sendo, a energiacoletada pelos módulos ao longo de um ano éigualada à energia consumida pela carga daedificação no mesmo período.

Tanto no projeto de sistemas isolados,quanto no de sistemas interligados à rede, faz-senecessário o uso de modelos para estimação donível de irradiação solar sobre uma superfícieorientada arbitrariamente (caso de uma edificação).Para isto, o modelo utilizado foi o de Hay e Davies[7]. Esse modelo aborda o problema específico decomo calcular as diferentes componentes dairradiação horária sobre uma superfície inclinada,tendo como dados as componentes direta e difusada irradiação horária sobre uma superfíciehorizontal [7].

A seguir é apresentado o projeto de umacasa de teste realizado com auxílio do programadesenvolvido, tendo como principal objetivo testare avaliar sua utilidade.

3. EXEMPLO DE APLICAÇÃO DOPROGRAMA

Com o objetivo de verificar a utilidade doprograma desenvolvido, é apresentado o projeto deuma casa de teste, elaborado com auxílio domesmo. Por ser uma casa de dimensões pequenas(5x5 m2 e 3,5 m de pé direito), o seu formato foidefinido como sendo retangular e ela está divididaem três compartimentos: sala de baterias, sala deinstrumentação e banheiro (figura 7).

Figura 7 - Planta baixa da casa de testes.

As decisões referentes à orientação da casa,distribuição dos ambientes internos, etc., foram todastomadas a partir de simulações realizadas com oprograma.

Essa casa, que é um projeto piloto na RegiãoNorte, deverá ser construída no campus daUniversidade Federal do Pará, cidade de Belém,dentro de uma área às margens do Rio Guamá. Aedificação servirá como laboratório de testes doGrupo de Estudos e Desenvolvimento de AlternativasEnergéticas (GEDAE).

Belém está situada próximo à linha doequador (latitude = -1,28°, longitude = 48,27°); oclima é o equatorial, que compreende toda aAmazônia, e possui temperaturas médias entre 27 e29 °C. Com isso, apresenta um grande potencial parao uso da energia solar.

Tendo em vista que a máxima radiação solarque chega na superfície da Terra é em torno de 1.000W/m2, pode-se concluir que, na cidade de Belém,tem-se no mês de fevereiro (mês crítico), pelo menosquatro horas diárias com insolação máxima, comomostra a tabela 1, obtida a partir do METEONORM4.0 [1].

Tabela 1. Irradiação solar para a cidade de Belém.

PROJETO DA CASA DE TESTEComo ponto de partida para elaboração do

projeto foi realizada, com o auxílio do EDEN, aanálise bioclimática do local (figura 2), econstatou-se que a região referente à zona deventilação é a que possui maior concentração depontos referentes às horas do ano. Vê-se, então, agrande necessidade do uso dessa estratégia para acidade. Observa-se também que o nível de umidaderelativa é bastante elevado, normalmente acima de70%, e as temperaturas raramente estão abaixo dos23°C, ficando, em média, em torno de 28 °C.

Além da ventilação, a refrigeração tambémpode ser empregada como estratégia para alcançar acondição de conforto. Na tabela 2, gerada a partir doEDEN, encontram-se listadas as percentagens dasestratégias bioclimáticas para a cidade de Belém.

Tabela 2. Percentagens das estratégias bioclimáticas para acidade de Belém.

Observa-se a ausência de conforto nacidade de Belém, durante 93,94 % do ano. Deacordo com a estratégia bioclimática mais indicada(ventilação), e tomando como referência a rosa dosventos para a cidade Belém (figura 4), pode-sedefinir a disposição das aberturas e a orientação dacasa em relação ao Norte, como indicado nafigura 7. As aberturas foram dimensionadas deforma a captar o vento e permitir a ventilaçãocruzada dos espaços internos.

Para retirada do ar quente acumulado naparte mais elevada da casa serão utilizados umexaustor eólico e lanternim (figura 8), criandoassim, um fluxo de ar ascendente que retira oexcesso de calor do ambiente.

Figura 8. Vista frontal (oeste).

Feita a escolha da orientação da casa edisposição das aberturas, foi necessário simular osombreamento da casa para três dias críticos:solstício de inverno (22/ junho), solstício de verão(22/dezembro) e equinócios de primavera e outono(22/março e 22/setembro), que são as situaçõesonde o Sol se encontra, respectivamente, commenor altitude (maior comprimento de sombra) emaior altitude (menor comprimento da sombra), talcomo é apresentado nas figuras 9, 10 e 11.

Figura 9. Sombreamento da casa no solstício de inverno(vista superior).

Figura 10. Sombreamento da casa nos equinócios (vista superior).

Figura 11. Sombreamento da casa no solstício de verão(vista superior).

De acordo com as simulações realizadas,observa-se que na parede oeste (entrada) os raiossolares da tarde incidem diretamente no interior dacasa durante todo o ano, aumentando signi-ficativamente o ganho de calor no ambiente nessehorário. Para evitar isto, dimensionou-se umaproteção solar com objetivo de permitir que os raiossolares só incidam no ambiente a partir das 16:30 h(figura 7).

Com relação às aberturas da parede norte, osraios solares só incidem diretamente por um períodoequivalente a seis meses, necessitando apenas o usode dispositivos de controle à incidência dos mesmos,como por exemplo persianas, cortinas, vidrosespeciais, etc., favorecendo assim um melhoraproveitamento da iluminação natural no interior doambiente.

A disponibilidade de luz no ambiente foisimulada com auxílio do EDEN para todos oscompartimentos, levando-se em consideração os trêstipos de céu (claro, nublado e intermediário). Os diasdo ano selecionados para a simulação, 22/ junho,22/dezembro e 22/setembro, foram selecionadosobedecendo ao mesmo critério da simulação referenteao sombreamento e constatou-se que durante a maiorparte do dia o nível de iluminação natural é osuficiente para as tarefas a serem realizadas no

ambiente, com exceção para a condição de céunublado, conforme mostrado nas tabelas 3, 4 e 5.

Tabela 3. Comparação entre o nível de iluminância natural noambiente interno e a iluminância requerida para realização da

tarefa (ABNT-NBR 5413) [8], no dia 22/06.

Tabela 4. Comparação entre o nível de iluminância natural noambiente interno e a iluminância requerida para realização da

tarefa (ABNT-NBR 5413) [8], no dia 22/09.

Tabela 5. Comparação entre o nível de iluminância natural noambiente interno e a iluminância requerida para realização da

tarefa (ABNT-NBR 5413) [8], no dia 22/12.

Para solucionar o problema de iluminaçãonatural insuficiente para realização de tarefasquando o céu se encontrar nublado será incorporadoum sistema de controle fotoelétrico. Noscompartimentos onde a permanência de pessoasnão é constante (sala de baterias e banheiro), serãoinstalados sensores de presença com o objetivo deevitar o desperdício de energia por motivo deesquecimento do usuário em desligar a luz.

Finalizando o projeto da casa, foi realizadoo dimensionamento do sistema de geração solarfotovoltaico para o atendimento do total de cargainstalada (300 W), correspondendo a um consumodiário de 2,75 kWh/dia (tabela 6).

Tabela 6. Total de carga instalada na casa de teste.

O dimensionamento do sistema de geraçãosolar fotovoltaico foi realizado considerando o casode um sistema isolado com módulos agregados àcobertura da casa, tal como é apresentado na tabela 7,prevendo, porém, uma futura interligação à redeelétrica da concessionária.

Tabela 7. Dimensionamento do sistema de geraçãosolar fotovoltaico.

Com o objetivo de evitar o ganho de calorpor condução, as paredes da casa serão pintadas debranco, pois, de toda energia incidente sobre aparede, a percentagem absorvida estará em torno de20% a 50% [3]. O material utilizado para aconstrução será tijolo rebocado, conseguindo-se comisto, obter um baixo valor de transmitância térmica(2,49 W/m2K) sem encarecer o custo da obra. Omaterial utilizado mostra-se adequado, haja visto queas médias mensais de velocidade de vento encontram-se em torno de 3,2 m/s, contribuindo bastante para asperdes de calor por convecção entre a parede e oambiente externo, o que resulta em um menor ganhode calor por condução.

CONCLUSÃO

O programa apresentado possui umainterface gráfica toda em ambiente Windows®,importante fator para garantia da competitividade,atratividade e fácil manuseio do produto. Seuscomandos são intuitivos e simples, proporcionandoum aprendizado rápido e fácil, além de sercompatível com as ferramentas disponíveiscomercialmente, tais como: Microsoft Word® eAccess®.

O programa dispõe de cinco módulos desimulações, onde o usuário pode fazer uma série de

análises qualitativas e quantitativas. Essas análisesreferem-se tanto à edificação quanto à localidadeescolhida para a construção da mesma. Atravésdesses módulos o usuário pode realizar a análisebioclimática do local, verificar a disponibilidade devento em uma determinada direção, calcular osombreamento ao redor da edificação, analisar adisponibilidade de iluminação natural dentro doambiente e realizar projetos de sistemas solaresfotovoltaicos.

Além da sua grande utilização comoferramenta de projeto, o programa mostra-sebastante atrativo ao meio acadêmico, poispossibilita visualizar, de maneira rápida eilustrativa, uma série de grandezas estudadas emdisciplinas dos cursos de engenharia e arquitetura.

A casa projetada com o auxílio doprograma, deverá ser construída no campus daUniversidade Federal do Pará e servirá comolaboratório de testes para o Grupo de Estudos eDesenvolvimento de Alternativas Energéticas(GEDAE).

PALAVRAS CHAVES

Edificações, Eficiência Energética,Autonomia Energética, Análise Bioclimática.

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. João Tavares Pinho, pelaorientação no trabalho.

À Coordenação de Aperfeiçoamento dePessoal de Nível Superior (CAPES), pelofinanciamento.

REFERÊNCIA

[1] J. Remund, R. Lang, S. Kunz, METEONORMVersão 4.0, Suiss Federal Office of Energy,www.meteotest.ch, novembro de 1999.[2] M. Iqbal, An Introduction to Solar radiation,Academic Press, Toronto, 1983.[3] R. Lamberts, L. Dutra e F. O. R. Pereira,Eficiência Energética na Arquitetura, EditoraPW Gráfico e Autores Associados, 1a edição, SãoPaulo, 1997.[4] ASHRAE, Handbook of Fundamentals,American Society of Heating Refrigerating and AirConditioning Engineers, New York, I-Pedition,USA, 1993.[5] P. R. Tregenza, Mean Daylight Illuminance inRooms Facing Sunlit Streets, Schoof ofArchitectural Studies, University of Sheffield, ,Vol. 30, Nº 01, pp. 83-89, 1995.[6] Grupo de Trabalho de Energia SolarFotovoltaica - GTEF, Manual de Engenhariapara Sistemas Fotovoltaicos, 2ª edição, 1999.[7] E. Lorenzo, Eletricidad Solar - Ingenieria delos Sistemas Fotovoltaicos, Instituto de Energía

Solar/Universidad Politécnica de Madrid, 1a edição,1994.[8] Associação Brasileira de Normas técnicas, NormaABNT - 5413.