ferramentas calculo de carga termica
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PROJETO DE GRADUAÇÃO
AVALIAÇÃO DE DIFERENTES FERRAMENTAS PARA O CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA E
SUA APLICAÇÃO NA ANÁLISE ENERGÉTICA DE EDIFÍCIOS
Por Thiago Machado Karashima
Brasília, 24 de Novembro de 2006
UNIVERSIDADE DE BRASILIA
FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECANICA
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UNIVERSIDADE DE BRASILIA Faculdade de Tecnologia
Departamento de Engenharia Mecânica
PROJETO DE GRADUAÇÃO
AVALIAÇÃO DE DIFERENTES FERRAMENTAS PARA O CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA E
SUA APLICAÇÃO NA ANÁLISE ENERGÉTICA DE EDIFÍCIOS
POR
Thiago Machado Karashima
Relatório submetido como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Banca Examinadora
Prof. João Manoel Dias Pimenta, UnB/ ENM (Orientador)
Prof. José Luiz Alves Fontoura Rodrigues, UnB/ ENM
Prof. Armando Caldeira Pires, UnB/ ENM
Brasília, 24 de Novembro de 2006
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Dedicatória
Dedico este trabalho aos meus pais, Yoshihiro Karashima e Norma Machado Karashima que sempre me guiaram pelos melhores caminhos da vida.
Thiago Machado Karashima
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Agradecimentos Eu agradeço Ao professor orientador João Pimenta, pela paciência e confiança; Àqueles que de alguma forma contribuíram para o sucesso desta caminhada; em especial aos meus irmãos Igor e Rodrigo, por representarem exemplos a serem seguidos; aos amigos e colegas de curso Álvaro Fagundes, Felipe Guimarães, Juliana Moraes, Késia Souza, Mário Nogueira, Mirna Alexandre, Paulo Vilafañe, Rafael Paulino, Rafael Sartori, Roberson Fernando e Thiago Pereira, pelas palavras de incentivo em momentos apropriados; aos amigos Amanda Veloso, Danuza Lucena, Diogo Ybiti, Diogo Costa, Felipe Azevedo, Fernanda Seixas, Francisco Ohana, Gabriel Veloso, Gabriel Rabelo, Heitor Nardon, João Paulo Araújo, Marcelo Arruda, Mariane Bicalho, Raoni Vasconcelos e Tiago Peixoto, pelo companheirismo de sempre; Mariana Araújo e a Suhelen Freitas, por fazerem parte da minha história.
Thiago Machado Karashima
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RESUMO
Este trabalho apresenta uma comparação entre os resultados do cálculo de carga térmica de cinco ferramentas de cálculo, que são: EnergyPlus, Trace, CTVer, planilha de cálculo e TR/m2. Para tal foi feito a princípio uma validação de cada ferramenta, resolvendo-se um exemplo já conhecido; posteriormente foram resolvidos três estudos de caso, dando ênfase à ferramenta de simulação EnergyPlus. Da validação das ferramentas, obteve-se que os resultados para carga térmica de resfriamento fornecidos pelo EnergyPlus e pelo Trace foram próximos do esperado; o CTVer e a planilha de cálculo geraram resultados acima do esperado, enquanto a metodologia TR/m2 forneceu resultados abaixo do esperado. Procurou-se analisar a influência de camadas de isolamento térmico no teto, da orientação com relação ao norte verdadeiro, da refletividade dos vidros e da presença de dispositivos internos de sombreamento. Os resultados mostram que estes fatores não têm grande influência na carga térmica de refrigeração quando analisada apenas ao longo de um dia de projeto, mas causam um efeito considerável na energia de refrigeração requerida e, conseqüentemente, na energia elétrica consumida quando analisada ao longo de um ano. Com um aumento de apenas 10% na refletividade solar do envidraçamento, obteve-se uma economia de R$17 300 em energia elétrica por ano de operação em um dos estudos de caso. Palavras-chave: carga térmica, simulação, EnergyPlus, Trace.
ABSTRACT
This work presents a comparison between the cooling thermal load calculated by five calculation tools, which are: EnergyPlus, Trace, CTVer, calculation spread sheet and TR/m2. For such purpose it was done a validation of each tool, by solving a known example; then three case studies were solved, focusing on the EnergyPlus simulation tool. From the validation of the tools, it was obtained that the cooling load results supplied by EnergyPlus and by Trace were close to the expected value; CTVer and the spread sheet generated results higher than the expected, while the TR/m2 methodology gave results below the expected. It was intended to analyze the influence of insulation layers in the roof, orientation with relation to the real north, reflectance of the glazing and presence of interior shading devices. Results show that these factors do not have a great impact on the cooling load when analyzed just by the point of view of a design day, but they cause a considerable effect on the required energy of refrigeration and, thereby in the consumed electric energy when analyzed through an entire year. Proceeding with a small increasing of 10% in the solar reflectance of the building glazing, it was obtained an economy of R$17 000 in electric tariff per year of operation in one of the case studies. Keywords: thermal load, simulation, EnergyPlus, Trace.
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................. 1 1.1 TEMA EM ESTUDO................................................................................................. 1 1.2 IMPORTÂNCIA DO ESTUDO .................................................................................... 2 1.3 ESTADO DA ARTE ................................................................................................. 4 1.4 OBJETIVOS .......................................................................................................... 6 1.5 METODOLOGIA..................................................................................................... 6 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO.................................................................................... 7
2 CONCEITOS TEÓRICOS.................................................................................... 8 2.1 MÉTODOS DE CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA............................................................ 8 2.2 SOBRE O PROGRAMA ENERGYPLUS....................................................................... 12 2.2.1 Metodologias de cálculo do EnergyPlus............................................................... 15 2.3 SOBRE O PROGRAMA TRACE ................................................................................ 21 2.3.1 Metodologia de cálculo do Trace........................................................................ 21 2.4 SOBRE O PROGRAMA CTVER ................................................................................ 23 2.4.1 Metodologia de cálculo do CTVer ....................................................................... 23 2.5 SOBRE A PLANILHA DE CÁLCULO.......................................................................... 28 2.5.1 Metodologia de cálculo da planilha .................................................................... 28 2.6 SOBRE O CÁLCULO TR/M2 .................................................................................... 29
3 VALIDAÇÃO DAS FERRAMENTAS ..................................................................... 30 3.1 ANSI/ASHRAE STANDARD 140-2004, METODOLOGIA BESTEST ................................ 30 3.2 EXEMPLO RESOLVIDO DO ASHRAE FUNDAMENTALS ..................................................... 33
4 ESTUDO DE CASO – NTI-CPD ......................................................................... 36 4.1 CONDIÇÕES EXTERNAS E INTERNAS DE SIMULAÇÃO.............................................. 36 4.2 INSERÇÃO DE DADOS ......................................................................................... 36 4.2 SIMULAÇÕES E RESULTADOS .................................................................................... 38
5 ESTUDO DE CASO – FUNASA.......................................................................... 44
6 ESTUDO DE CASO – PGR ............................................................................... 49
7 CONCLUSÕES ............................................................................................... 54
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 55
BIBLIOGRAFIA..................................................................................................... 57
ANEXOS ............................................................................................................. 58
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LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1. EVOLUÇÃO TÍPICA DA TEMPERATURA EXTERNA UTILIZADA PELO CTVER. (BEYER & SALVADORETTI, 2003C)......................................................................... 25
FIGURA 2. GANHO TÉRMICO ATRAVÉS DE UMA SUPERFÍCIE EXTERNA OPACA. (BEYER & SALVADORETTI, 2003C) ....................................................................................... 26
FIGURA 3. EXEMPLO DE CASOS TESTADOS PELO BESTEST....................................... 31
FIGURA 4. HVAC BESTEST: COMPARAÇÃO DA CARGA TÉRMICA SENSÍVEL DE SERPENTINA PARA ALGUNS CASOS. (TRANE, 2006B)............................................... 32
FIGURA 5. HVAC BESTEST: COMPARAÇÃO DA CARGA TÉRMICA LATENTE DE SERPENTINA PARA ALGUNS CASOS. (TRANE, 2006B) ................................................................. 32
FIGURA 6. DESCRIÇÃO DO EXEMPLO DO ASHRAE 1997 FUNDAMENTALS HANDBOOK. (ASHRAE, 1997) .................................................................................................. 33
FIGURA 7. EXEMPLO ASHRAE: ARQUIVO “.DFX” GERADO PELO EP............................. 34
FIGURA 8. ARQUIVO “.DFX” GERADO PELA SIMULAÇÃO NO E+ DO EDIFÍCIO NTI-CPD. 38
FIGURA 9. PAVIMENTO TÉRREO. NTI-CPD............................................................... 38
FIGURA 10. PAVIMENTO SUPERIOR. NTI-CPD.......................................................... 39
FIGURA 11. CONVENÇÃO DA ORIENTAÇÃO DO EDIFÍCIO.......................................... 39
FIGURA 12. GRÁFICO CARGA TÉRMICA DE PICO X ORIENTAÇÃO. NTI-CPD. ................ 40
FIGURA 13. CARGA TÉRMICA AO LONGO DE UM DIA DE PROJETO PARA A ORIENTAÇÃO A 0º. NTI-CPD........................................................................................................ 41
FIGURA 14. CARGA TÉRMICA AO LONGO DO ANO PARA AS ORIENTAÇÕES 0º E 90º. NTI-CPD. .................................................................................................................. 42
FIGURA 15. CARGA TÉRMICA DE BLOCO E ENERGIA DE REFRIGERAÇÃO AO LONGO DE UM ANO. NTI-CPD................................................................................................ 42
FIGURA 16. EDIFÍCIO SEDE DA FUNASA. ARQUIVO .DFX GERADO PELO EP. ............... 44
FIGURA 17. FUNASA: PAVIMENTO TÍPICO............................................................... 44
FIGURA 18. FUNASA: FACHADA LESTE. .................................................................. 45
FIGURA 19. FUNASA: EDIFÍCIOS ADJACENTES, CONSIDERADOS COMO SUPERFÍCIES SOMBREADORAS. ................................................................................................ 45
FIGURA 20. FUNASA: PAVIMENTO SOB REFORMA.................................................... 46
FIGURA 21. FUNASA: PAVIMENTO REFORMADO E EM FUNCIONAMENTO..................... 46
FIGURA 22. PGR: BLOCOS A, B, C E D.................................................................... 49
FIGURA 23 PGR: DISPOSIÇÃO DOS EDIFÍCIOS. ...................................................... 49
FIGURA 24. PGR: BLOCOS A E B, DISCRETIZAÇÃO DAS SUPERFÍCIES CIRCUNFERENCIAIS............................................................................................. 50
FIGURA 25. PGR: BLOCOS C E D, DISCRETIZAÇÃO DAS SUPERFÍCIES CIRCUNFERENCIAIS............................................................................................. 50
FIGURA 26. PGR: BLOCO A, ARQUIVO “.DFX” GERADO PELO E+. .............................. 51
FIGURA 27. PGR: BLOCOS C E D, ARQUIVO “.DFX” GERADO PELO E+........................ 51
FIGURA 28. PGR: BLOCO E, ARQUIVO “.DFX” GERADO NO E+................................... 51
FIGURA 29. PGR: BLOCO F, ARQUIVO “.DFX” GERADO NO E+................................... 52
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LISTA DE TABELAS
TABELA 1. RESULTADOS PARA UM DIA DE PROJETO DO EXEMPLO DO ASHRAE (1997). 33
TABELA 2. RESULTADOS DA CARGA TÉRMICA DE PICO PARA O NTI-CPD. CONFIGURAÇÃO ORIGINAL. .................................................................................. 39
TABELA 3. RESULTADOS DA CARGA TÉRMICA DE PICO PARA O NTI-CPD. VARIAÇÃO DA ORIENTAÇÃO. ..................................................................................................... 40
TABELA 4. RESULTADOS DA CARGA TÉRMICA DE BLOCO E DA ENERGIA DE REFRIGERAÇÃO AO LONGO DO ANO PARA O NTI-CPD. VARIAÇÃO DA ORIENTAÇÃO NO E+. .................................................................................................................... 41
TABELA 5. FUNASA: RESULTADOS PARA DIA DE PROJETO NO E+.............................. 47
TABELA 6. FUNASA: RESULTADOS PARA SIMULAÇÃO AO LONGO DE UM ANO, UTILIZANDO E+. ................................................................................................. 47
TABELA 7. PGR: RESULTADOS DA SIMULAÇÃO DOS SEIS EDIFÍCIOS AO LONGO DE UM ANO NO E+......................................................................................................... 52
TABELA 8. PGR: RESULTADOS PARA UM ANO DE SIMULAÇÃO DOS BLOCOS A E B COM VIDRO 10% MAIS REFLETIVO. .............................................................................. 53
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LISTA DE SÍMBOLOS
Símbolos Latinos
A Área [m2] C Capacitância [J/Kg·°C] h Coeficiente de convecção [W/m2·K] m� Vazão mássica [Kg/s] N Número [ ] O Ordem [ ] ,Q q� Energia por unidade de tempo, potência [W] ,T t Temperatura [°C]
U Coeficiente global de transferência de calor [W/m2·°C] DTCR Diferencial de Temperatura da Carga Térmica [°C] LM Correção para a latitude e mês [ ]
fK Fator de correção para a coloração da superfície [ ]
CTIE Correção para a temperatura interna e externa [ ] f Fator de correção para a ventilação do ático [ ] tbs Temperatura de bulbo seco [ ºC] FGCS Fator de ganho de calor solar [ ] CS Coeficiente de sombreamento [ ] FCR Fator de carga de resfriamento [ ] F Fator de umidade [ grVA/kgAS] V Volume [ m3] PVD Porcentagem da variação diária [ ] VD Variação diária da temperatura (amplitude térmica) [ ºC] l Espessura [ mm] k Condutividade térmica [ W/m·K] UR Umidade relativa [ ] CT Carga térmica [TR]
Símbolos Gregos
δ Incremento [ ] ρ Massa específica [kg/m3]
Subscritos
sys sistema de condicionamento z zona zones zonas i i-ésimo, interno e externo E externo (relativo ao ar externo) in interno inf infiltração p ar s superfície surfaces superfícies
xi
∞ ambiente externo, infinito sl fonte de carga interna convectiva h horário (variação horária) S parcela sensível L parcela latente
Sobrescritos i
Variação temporal
Valor médio
Siglas
ASCII American Standard Code for Information Interchange ASHRAE American Society of Heating, Refrigeration and Air-conditioning Engineers. AVAC-R Aquecimento, Ventilação, Ar-condicionado e Refrigeração BLAST Building Loads Analysis and System Thermodynamics CLF Cooling Load Factor CLTD Cooling Load Temperature Differential CSMP Continuous System Modelling Program CTF Conduction Transfer Function DOE Departament of Energy (Estados Unidos da América) EIO EnergyPlus Invariant Output E+ EnergyPlus ESO EnergyPlus Standard Output GUI Graphical User Interface HVAC Heating, Ventilation and Air-Conditioning IDD Input Data Dictionary IDF Input Data File IWEC International Weather for Energy Calculations LaAR Laboratório de Ar-condicionado e Refrigeração da UnB LCC Life Cycle Cost Analysis MTR EnergyPlus Meter Output RDD Report Data Dictionary RTF Room Transfer Function SCL Solar Cooling Load SWERA Solar and Wind Energy Ressource Assessment TETD/TA Total Equivalent Temperature Differential/Time-Averaging TFM Transfer Function Method WMO World Meteorological Organization
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1 INTRODUÇÃO
1.1 TEMA EM ESTUDO
O ganho de calor de um edifício está relacionado aos seguintes fatores: constituição física,
finalidade e localização do edifício. Um edifício, do ponto de vista térmico, é geralmente visto como
uma composição de várias zonas térmicas1.
A carga térmica total de resfriamento de um edifício (ou potência de resfriamento do equipamento
condicionador) é a taxa na qual calor tem de ser retirado para que se mantenha uma temperatura e
umidade relativa interna constantes dentro de parâmetros aceitáveis para uma dada aplicação em dias
críticos de projeto; normalmente não é igual ao ganho instantâneo de calor em função da inércia
térmica do edifício. A carga térmica também não é o somatório das cargas térmicas máximas de cada
zona, visto que nem todas as cargas térmicas de cada zona ocorrem concomitantemente.
Os dias críticos de projeto para o resfriamento do ambiente são aqueles nos quais, a partir de dados
estatísticos representando o clima, verifica-se as maiores temperaturas de bulbo seco e de bulbo úmido
ao longo do ano.
Na constituição física do edifício são de importância para a carga térmica os tipos de materiais
utilizados, a configuração e composição interna do edifício, seu formato externo e a qualidade da
construção. Na parcela de ganho de calor devida à condução do ar externo para o edifício e entre
recintos dentro do próprio edifício os principais fatores são as características termofísicas dos
materiais que compõe as paredes e divisórias. A densidade destes materiais é importante na inércia
térmica do edifício. Características óticas dos materiais, como refletividade, transmissividade e
absortividade têm influência importante sobre o ganho por insolação. Ainda através do ganho por
insolação, atua também a configuração e composição interna.
A existência de equipamentos que são fontes de geração de calor interna desempenha um
importante papel na carga térmica. A disposição das janelas e a existência de aparatos de
sombreamento, bem como o tipo e quantidade de móveis atuam na forma como o ambiente responderá
ao ganho de calor por insolação e também na inércia térmica do ambiente. O formato externo
influencia também o ganho de calor por insolação. A qualidade da construção atua no ganho de calor
por infiltração.
A finalidade do edifício relaciona-se com a carga térmica pelo tipo de ocupação que ocorrerá. O
horário de funcionamento, a freqüência e quantidade da ocupação, a atividade que será desempenhada
ali, a taxa de renovação de ar necessária. Todos esses fatores afetam o ganho de calor em maior ou
menor grau.
1 Entende-se por zona térmica o conjunto de áreas atendidas por um mesmo sistema de condicionamento de ar, que têm fontes de calor semelhantes e a temperatura em toda a zona é controlada por um termostato em uma destas áreas; pode ser um recinto apenas, circundado por paredes, forro e chão; ou pode ser um conjunto de recintos separados por divisórias ou paredes.
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A carga térmica do edifício depende também da sua localização e orientação geográfica. Essa
relação com esses dois fatores deve-se principalmente ao ganho de calor por insolação. Em latitudes
menores, a incidência solar é maior, ocasionando uma maior carga térmica. A orientação também
influencia na incidência solar para dentro do ambiente, sendo possível orientar o edifício de tal forma
que as janelas fiquem numa posição que estejam sempre sombreadas ou que sofram a mínima
insolação possível.
O formato do edifício e a sua orientação são geralmente determinados pelo terreno no qual o
edifício se encontra, mas certas variações nestes fatores podem resultar num aumento de 10 a 15% na
carga térmica de refrigeração. Desta forma, o formato externo e orientação do edifício devem ser
analisadas cuidadosamente nos estágios iniciais de projeto (ASHRAE, 1999).
Os dados climáticos são importantes para estimativa dos dias mais críticos, que são utilizados para
o cálculo da carga térmica de pico. Nestes dados climáticos encontram-se temperaturas de bulbo seco
e bulbo úmido, informações sobre velocidade e direção do vento, sombreamento devido a nuvens.
A contabilização de todos esses fatores relacionados acima complica o cálculo de carga térmica
mais detalhado. Para esse cálculo mais detalhado e preciso utilizam-se ferramentas computacionais, as
quais podem ser desde a utilização de um método simplificado de cálculo (e.g. CLTD) numa planilha
elaborada no programa Microsoft Excel, até programas comerciais disponibilizados no mercado, como
o TRACE (TRANE, 2006a) por exemplo, usado neste trabalho. Existem ainda programas
disponibilizados gratuitamente, como o EnergyPlus (DOE, 2006), financiado e distribuído pelo
Departamento de Energia dos Estados Unidos.
1.2 IMPORTÂNCIA DO ESTUDO
A dependência de meios ativos de climatização faz necessário o estudo de técnicas para a
diminuição da carga térmica do recinto climatizado. Estabelecimentos comerciais são os que
apresentam maiores consumos energéticos devido à climatização. Os gastos com climatização de um
edifício comercial são da ordem de 48% do consumo total de energia elétrica do edifício. Em 2005, o
Brasil consumiu 300.646 bilhões de kWh de energia elétrica. O setor comercial foi responsável pelo
consumo de 15% deste total, ou seja, 47,5 bilhões de kWh (Eletrobrás, 2006). Destes 15%, em torno
de 48% são destinados à climatização (LabEEE, 2006).
Existe um grande interesse por parte do Governo Brasileiro para a melhoria da eficiência
energética de edifícios. A Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL – através da Resolução
492/2002, estabelece que as concessionárias e permissionárias do serviço público de distribuição de
energia elétrica devem aplicar, no mínimo, 0,5 % do seu faturamento anual em programas para
incremento da eficiência energética no uso final de energia elétrica (Eletrobrás, 2006).
O uso eficiente da energia elétrica não significa apenas uma redução nas despesas com energia
elétrica, mas também uma redução nos impactos ambientais. A conservação da energia elétrica leva à
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exploração racional dos recursos naturais. Isso significa que, conservar energia elétrica ou combater
seu desperdício é a fonte de produção mais barata e mais limpa que existe, pois não agride o meio
ambiente. Desta forma, a energia conservada, por exemplo, nos sistemas menores e mais eficientes de
AVAC-R (Aquecimento, Ventilação, Ar-condicionado e Refrigeração), pode ser utilizada para
iluminar uma escola ou atender um hospital, sem ser jogada fora. É importante compreender o
conceito de conservação de energia elétrica. Conservar energia elétrica quer dizer melhorar a maneira
de utilizar a energia, sem abrir mão do conforto e das vantagens que ela proporciona. Significa
diminuir o consumo, reduzindo custos, sem perder, em momento algum, a eficiência e a qualidade dos
serviços (Eletrobrás, 2006).
A crise do petróleo ocorrida na década de 70 serviu como alerta para que muitos países
pesquisassem novas fontes de energia. Como as fontes disponíveis apresentavam custos mais altos e
exigiam longos períodos para implantação, o uso racional de energia passou a ser encarado como a
opção mais vantajosa, na medida em que a redução do consumo evitaria a instalação de novos parques
geradores. A partir desta data, a preocupação tanto com o desenvolvimento de sistemas mais eficiente
bem como de meios de se diminuir a carga térmica vem aumentando cada vez mais. O desafio é obter
uma redução da carga térmica, mas sem privar os ocupantes do conforto térmico, lumínico e acústico.
No Brasil, a crise vivida pelo setor energético em 2001 impulsionou os projetistas a pesquisarem mais
sobre eficiência energética de edifícios. Tanto a busca pela diminuição da carga térmica, seja pela
utilização de novos materiais ou técnicas construtivas (e.g., aplicando-se isolamento térmico no
edifício), quanto a pesquisa a cerca de meios passivos de climatização vêm recebendo uma maior
atenção.
Além da questão energética, existe ainda a questão do conforto térmico. O bem estar de uma
pessoa em seu ambiente de trabalho é decisivo para a boa produtividade e rendimento deste indivíduo.
É então necessário um cálculo correto da carga térmica de pico de um ambiente de trabalho, que seja
um prédio de escritórios ou um galpão de uma linha de produção. Caso contrário, o cálculo incorreto
da carga térmica e um conseqüente subdimensionamento do equipamento de climatização podem
causar desequilíbrios entre a geração e a dissipação do calor pelo organismo, os quais podem
ocasionar sensações desconfortáveis, ou mesmo patologias em casos mais extremos (stress térmico).
Um outro ponto importante para o cálculo correto da carga térmica de um edifício é a sua
importância devido ao tipo de aplicação deste edifício. Aplicações como centros cirúrgicos de
hospitais e salas de computadores (Centrais de processamento de dados e núcleos de tecnologia da
informação) exigem um criterioso controle da temperatura e umidade interna, o que significa um
conhecimento da carga térmica máxima destes ambientes a fim de dimensionamento do equipamento
de climatização.
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1.3 ESTADO DA ARTE
O estudo do comportamento térmico de edifícios utilizando ferramentas computacionais encontra-
se em crescimento desde a década de 60.
Baker & Steemers (1996) ressaltaram a dificuldade que se tem em determinar com precisão as
temperaturas e os usos de energia de um edifício, uma vez que para isto necessita-se de dados mais
precisos da estrutura do edifício do que normalmente se tem em mão; principalmente quando o
edifício ainda está em fase de projeto. Eles desenvolveram um método de estimativa de consumo
energético lumínico e de climatização, baseado nos conceitos de zonas passivas e zonas não passivas.
Shariah et all (1997) investigaram as cargas térmicas de aquecimento e resfriamento em edifícios
residenciais na Jordânia, assim como o efeito de camadas de isolamento térmico nas paredes e no forro
sobre as cargas térmicas. Nesta pesquisa foi utilizado o programa TRNSYS, o qual era considerado o
pacote mais apropriado, uma vez que apresentava-se num formato modular, de modo que o usuário
precisava apenas incluir aqueles componentes que descreviam por completo o processo em estudo.
Bauer & Scartezzini (1998) propuseram um método para comparar diversos sistemas de controle,
especialmente em épocas entre estações, nas quais pode-se necessitar tanto de aquecimento quanto
resfriamento num mesmo edifício, em zonas diferentes. Este método, denominado por método Eta,
pode também quantificar a economia de energia devido a melhorias térmicas do edifício, fazer uma
comparação entre os consumos energéticos de diferentes edifícios e prever o consumo energético de
um edifício sob outras condições climáticas. O método Eta baseia-se num balanço de energia em
regime permanente.
Takakura et all (2000) investigaram o efeito de diferentes coberturas vegetativas sobre edifícios.
As coberturas vegetativas podem liberar calor para o ambiente na forma de calor latente, fato este que
evita o aumento de temperatura nas cidades, evitando o fenômeno conhecido por ilhas de calor que se
formam sobre as grandes cidades. Para tanto, Takakura et all (2000) também fizeram uso de uma
ferramenta computacional para simular os casos em estudo e prever os efeitos sobre a carga térmica.
Eles utilizaram a linguagem de simulação CSMP (Continuous System Modelling Program). Segundo
os autores, modelos em CSMP apresentam grandes vantagens, e uma das principais é que o modelo
pode ser facilmente expandido sem a necessidade de modificação na sua estrutura. Um modelo
unidimensional em regime transiente foi desenvolvido.
Pereira (2005) fez uma análise econômica utilizando EnergyPlus. Na sua tese de mestrado ele
analisou o impacto de diversos parâmetros, tais como tipo e quantidade de envidraçamento e a
utilização de controle lumínico ativo do ambiente, bem como o efeito na carga térmica de resfriamento
e aquecimento do edifício. Ele concluiu que em certos casos, é viável a utilização de controle lumínico
ativo, utilizando piranômetros. No caso em estudo o custo inicial do sistema de controle lumínico seria
amortizado em cinco anos.
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Li et all (2006) realizaram um estudo sobre a carga térmica residencial e os parâmetros
relacionados com o controle da umidade relativa interna utilizando equipamentos compactos de ar-
condicionado de janela em climas subtropicais. Foi feita uma simulação de um apartamento em um
prédio residencial de grande porte na região subtropical de Hong Kong. Na simulação foram criados
padrões de funcionamento (schedules) da iluminação, dos equipamentos diversos e da atividade dos
ocupantes. Considerou-se que a família que ocupava a residência era composta por quatro pessoas,
sendo dois adultos ativos e duas crianças. Para o padrão de ocupação foi assumido que durante o dia
todos os ocupantes localizavam-se na sala e durante a noite os dois adultos ocupavam um quarto e as
duas outras crianças ocupavam, cada uma, um dos dois quartos restantes.
Vários estudos foram feitos sobre a catalogação e comparação de ferramentas de cálculo de carga
térmica e de simulação energética de edifícios.
Lawrie et all (1984) fizeram um levantamento das ferramentas computacionais para análise
energética. Corson (1990) realizou um estudo comparativo entre os softwares disponíveis até então
para a simulação de edifícios comerciais.
Mais recentemente, Drury et all (2005) realizaram um estudo comparativo das funções exercidas
pelos vinte programas mais utilizados para simulação energética de edifícios nos Estados Unidos.
Foram construídas 14 tabelas, comparando a versatilidade de cada ferramenta. Alguns dos tópicos
analisados foram: cargas térmicas de zona, fluxos de ar de infiltração, ventilação e interzonais e
sistemas de AVAC-R. Existem centenas destas ferramentas, algumas disponíveis gratuitamente e
outras distribuídas sob licença paga.
No Departamento de Engenharia Mecânica da UnB, Hagel (2005) utilizou o programa EnergyPlus
para analisar o conforto térmico e a carga térmica de um ambiente do edifício sede da Procuradoria
Geral da República. A autora propôs alternativas para a redução da carga térmica do ambiente,
sugerindo alternativas operacionais de baixo custo bem como alterações na fachada do edifício.
Em concomitância com o presente trabalho, Borduni (2006) analisou a influência de parâmetros
construtivos e climatológicos no consumo energético do edifício do Núcleo de Tecnologia da
Informação e Centro de Processamento de Dados da Universidade de Brasília (NTI – CPD – UnB).
Para isto o autor simulou um sistema de água gelada utilizando também o software EnergyPlus. Ele
concluiu que a utilização de um chiller por condensação a água e torre de resfriamento é vantajoso no
clima com baixas temperaturas de bulbo úmido de Brasília; já para a cidade de Manaus, no estado do
Amazonas, esta opção não é tão vantajosa.
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1.4 OBJETIVOS
O objetivo principal de estudo deste trabalho é a comparação entre as ferramentas de cálculo de
carga térmica pela análise dos resultados gerados, de acordo com as características construtivas e
climatológicas relacionadas, utilizando cinco ferramentas de cálculo. Objetivou-se também um
aprofundamento na ferramenta EnergyPlus.
1.5 METODOLOGIA
Foram utilizadas cinco ferramentas de cálculo de carga térmica:
1. Planilha de cálculo do programa Microsoft Excel baseada no método das CLTD´s;
2. Programa TraceLoad 700, distribuído pela empresa CDS-Trane (Trane, 2006a);
3. Programa EnergyPlus Versão 1-2-3, distribuído pelo DOE - Departamento de Energia dos
EUA (DOE, 2006);
4. Programa ACTerm – CTVer (Beyer & Salvadoretti, 2003a);
5. Metodologia simplificada baseada em TR/m2 (Creder, 1996).
Para a concretização dos objetivos, inicialmente foi feita uma validação das ferramentas,
resolvendo-se um exemplo da literatura (ASHRAE, 1997).
Posteriormente foram feitos três estudos de caso.
1. NTI – CPD (Núcleo de Tecnologia da Informação – Centro de Processamento de Dados)
da UnB, ainda em fase de projeto;
2. Edifício sede da presidência da FUNASA (Fundação Nacional da Saúde), localizado no
Setor de Autarquias Sul, em Brasília, DF;
3. Complexo da Procuradoria Geral da República (PGR), localizado no Setor de
Administração Federal Sul – SAFS, em Brasília, DF.
Os dados construtivos, dimensões do edifício e dados de ocupação e equipamentos internos do
NTI – CPD da UnB serão baseados nas plantas fornecidas pelo Centro de Planejamento Oscar
Niemeyer (CEPLAN-UnB) e pelo Laboratório de Projetos (LabProj – ENC – UnB), responsáveis pelo
projeto. Para o edifício sede da FUNASA, estes dados foram obtidos de plantas deste edifício,
entrevista com o Engenheiro Rodolpho, da divisão de Engenharia deste órgão e visita técnica. Para o
complexo da PGR, aqueles dados foram obtidos de plantas fornecidas pelo mestrando do LaAR
Gustavo Soares e da referência Hagel (2005). Os dados não disponíveis foram estimados de acordo
com a prática da construção civil, dos horários comerciais brasileiros e dos hábitos comuns do
brasileiro.
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Para o NTI – CPD foi feita uma variação da orientação do edifício e da refletividade solar dos
vidros, verificando-se que é possível obter economia energética através de uma melhor orientação e do
aumento da refletividade solar do envidraçamento. Para a FUNASA verificou-se a influência das
persianas na fachada leste, observando-se que o peso deste componente na energia de refrigeração é
considerável. No caso da PGR também foi feita uma variação da refletividade da fachada envidraçada,
o que propicia uma grande economia energética ao longo de um ano de funcionamento.
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho é composto por sete capítulos:
O capítulo primeiro é a introdução do trabalho. Neste capítulo é feita uma motivação ao estudo,
mostrando a importância do assunto. Faz-se também a definição de alguns conceitos e uma análise
bibliográfica dos trabalhos já desenvolvidos referente ao assunto aqui abordado. Por fim, é feita a
apresentação dos objetivos e das metodologias utilizadas.
No capítulo dois é feita uma revisão teórica dos principais métodos de cálculo de carga térmica;
são apresentadas as ferramentas de utilizadas bem como a metodologia de cálculo de cada ferramenta.
O capítulo três aborda a metodologia de testes de programas de simulação energética BESTEST e
apresenta uma validação das ferramentas a partir de um exemplo resolvido da literatura (ASHRAE,
1997).
O primeiro estudo de caso é feito no capítulo quatro, no qual é feita a descrição do edifício NTI –
CPD. As condições internas e externas de simulação são apresentadas. É feito um resumo do
procedimento de inserção de dados no Trace e no E+ (EnergyPlus). Definem-se os agendamentos
(schedules) de funcionamento do edifício. Os resultados das simulações são apresentados.
O capítulo cinco apresenta a descrição e os resultados obtidos das simulações do edifício da
FUNASA.
Os resultados das simulações da PGR são apresentados no capítulo seis.
No capítulo sete são apresentadas as conclusões do trabalho.
8
2 CONCEITOS TEÓRICOS
2.1 MÉTODOS DE CÁLCULO DE CARGA TÉRMICA
Os métodos mais comuns de cálculo da carga térmica de edifícios são os métodos dos fatores de
resposta térmica e os métodos que utilizam funções de transferência para a condução (CTF –
Conduction Transfer Functions). Baseado no trabalho de Churchill (1959), Stephenson (1967) e
Mitalas (1968) desenvolveram o método de cálculo de carga térmica através dos fatores de resposta
térmica. Entretanto, as séries de valores dos fatores de resposta térmica das paredes são
potencialmente muito longas. Mitalas & Stephenson (1971) desenvolveram então o método das CTF´s.
Pode-se dizer que o método da CTF recomendado pela ASHRAE é a ferramenta mais moderna
disponível atualmente para a análise térmica hora a hora de edifícios. Este método é particularmente
bem adaptável para o uso com computadores, uma vez que é possível descrever o ganho interno de
calor através das paredes utilizando poucos coeficientes e com boa precisão. Assim sendo, os
programas atualmente utilizados com maior freqüência para a simulação energética de edifícios e de
sistemas de AVAR-R, como o BLAST (Hittle, 1979), HVACSIM (Park et all, 1986), TRNSYS (Klein
et all, 1994) e EnergyPlus (Strand et all, 1999) adotam o método das CTF´s para avaliar a carga
térmica através da estrutura de edifícios (Wang & Chen, 2001).
Baseado no conceito do balanço de calor, o método CTF é também conhecido por método das
funções de transferência, TFM (Transfer Function Method). Ele foi introduzido primeiramente em
1972 no ASHRAE Handbook of Fundamentals. Este método baseado em cálculos computacionais se
dá em duas etapas, inicialmente determinando o ganho de calor de todas as fontes e depois
convertendo este ganho de calor em carga térmica. Desenvolvido como um método de cálculo hora a
hora orientado para simular o gasto anual de energia de edifícios, as características deste método o
tornam adequado para a aplicação computacional.
Além do método CTF, existem dois outros métodos que também se baseiam no balanço de calor: o
método CLTD/SCL/CLF e o método TETD/TA. O primeiro é uma simplificação do método CTF e
apareceu em 1977 no ASHRAE Handbook of Fundamentals; o segundo parte de uma simplificação das
técnicas de balanço de calor e apareceu na edição de 1967 da mesma obra.
A estimativa da carga térmica de um edifício requer o cálculo, superfície a superfície, do balanço
de calor condutivo, convectivo e radiativo para cada superfície da zona e um balanço de calor para o ar
da zona. Este princípio de cálculo é conhecido como solução exata e forma a base dos métodos citados
acima.
O cálculo da carga térmica diretamente pelo balanço de calor torna-se extremamente laborioso ao
tentar resolver as equações do balanço de calor que envolvem o ar da zona, paredes e janelas
circundantes, ar de ventilação e infiltração e fontes internas de geração de calor. Para demonstrar o
princípio de cálculo, considera-se um recinto circundado por quatro paredes, um forro e um chão; com
9
ar de infiltração e ventilação e fontes internas comuns de geração de calor. A equação que governa a
troca de calor que ocorre em cada superfície interna em um determinado instante é:
( ) ( ), , , , , , , ,1,
1,2,3, 4,5,6
m
i ci a i ij j i i i i ij j i
q h T T g T T A RS RL RE
Para i
θ θ θ θ θ θ θ θ= ≠
= − + − + + +
=
∑ (1)
Onde:
m representa o número de superfícies (neste caso 6m = );
,iq θ é a taxa de calor conduzido para a parede i na superfície interna no instante θ ;
iA é a área da superfície i;
cih é o coeficiente covectivo de transferência de calor na superfície i;
ijg é o fator de transferência de calor por radiação entre as superfícies internas i e j;
,aT θ é a temperatura do ar interno no instante θ ;
,iT θ é a temperatura média da superfície i no instante θ ;
,jT θ é a temperatura média da superfície j no instante θ ;
,iRS θ é a taxa de energia vinda da insolação através das janelas e absorvida pela superfície i no
instante θ ;
,iRL θ é taxa de calor irradiada pelas luzes e absorvida pela superfície i no instante θ ;
,iRE θ é a taxa de calor irradiada pelos equipamentos internos e ocupantes e absorvida pela
superfície i no instante θ ;
As equações que governam a condução nas seis superfícies internas não podem ser resolvidas
independentemente da Eq. (1), uma vez que as trocas de energia que ocorrem dentro do recinto afetam
as condições destas superfícies, o que por sua vez afetam a condução interna. Conseqüentemente, as
seis equações resultantes da Eq. (1) devem ser resolvidas simultaneamente com as equações
governantes da condução através das seis superfícies a fim de se obter a carga térmica deste recinto.
Tipicamente, estas equações são formuladas na forma de funções de transferência para a condução:
, , , 1 , , 1 ,1 1 1
M M M
in k m o m k m in m m in mm m m
q Y T Z T F qθ θ θ θ− + − + −= = =
= − +∑ ∑ ∑ (2)
Onde:
q é a taxa de calor conduzida para uma determinada superfície interna numa hora específica;
in é o subscrito de superfície interna;
k é a ordem da CTF;
10
m é a variável temporal;
M é o número de valores não nulos de CTF´s;
o é o subscrito de superfície externa;
T é a temperatura;
θ é o tempo;
Y são os valores das CTF´s transversais;
Z são os valores das CTF´s internas;
mF são os coeficientes do histórico de fluxos de calor.
A temperatura da superfície interior, ,iT θ na Eq. (1) e ,inT θ na Eq. (2) requer uma solução
simultânea nas duas equações. Ademais, uma equação representando o balanço de calor do ar também
tem de ser resolvida simultaneamente a estas duas equações. O balanço de calor do ar interior é
formulado da seguinte maneira:
( ) ( ) ( ), , , , , , , , ,1
, , ,
m
L ci i a i L o a v v ai
a a a
Q h T T A CV T T CV T T
RS RL RE
θ θ θ θ θ θ θ θ θ
θ θ θ
ρ ρ=
= − + − + − +
+ + +
∑ (3)
Onde:
ρ é a massa específica do ar;
C é o calor específico do ar;
,LV θ é a vazão volumétrica de ar infiltrando o ambiente no instante θ ;
,oT θ é a temperatura do ar externo;
,Vν θ é a vazão de ar de ventilação no instante θ ;
,Tν θ é a temperatura do ar de ventilação no instante c;
,aRS θ é a taxa de calor proveniente da insolação através das janelas e convectado para o ar do
ambiente no instante θ ;
,aRL θ é a taxa de calor proveniente da iluminação e convectado para o ar do ambiente no instante
θ ;
,aRE θ é a taxa de calor proveniente de equipamentos internos e ocupação e convectado para o ar
do ambiente no instante θ .
Na Eq. (3) assume-se que o ar entra no espaço diretamente, sem passar por nenhum trocador de
calor. Também nesta última equação, percebe-se que é permitido que a temperatura do ar do recinto
11
apresente uma flutuação. Se esta temperatura for fixada, a carga térmica não precisa ser determinada
simultaneamente.
Esta abordagem rigorosa para calcular a carga térmica seria impraticável sem a velocidade de
cálculo atingida pelos modernos computadores digitais. Os programas computacionais disponíveis
atualmente que fazem o cálculo de cargas térmicas instantâneas de maneira exata, através do balanço
de calor, são a princípio direcionados para o cálculo de consumo energético ao longo de grandes
períodos.
O conceito da função de transferência é uma simplificação do método do balanço de calor
propriamente dito. No conceito das funções de transferência, Stephenson & Mitalas (1967) utilizaram
fatores de resposta térmica do recinto. No estudo destes autores, as temperaturas das paredes do
recinto e a carga térmica foram inicialmente calculadas pelo método rigoroso do balanço de calor, isso
para vários tipos de construções típicas que representavam escritórios, escolas, e residências de
construção pesada, média e leve. Nestes cálculos, componentes como ganho de calor por insolação,
por condução, e por equipamentos internos, iluminação e ocupação foram simuladas como sendo um
pulso de intensidade única. As funções de transferência foram então calculadas de modo que as
constantes numéricas representam a carga térmica correspondente aos pulsos de excitação de entrada.
Uma vez determinada as funções de transferência para tipos comuns de construções, elas foram
assumidas como sendo independentes dos pulsos de entrada, permitindo assim que as cargas térmicas
fossem calculadas sem a necessidade daquele cálculo mais rigoroso. O cálculo requer simples
multiplicações das funções de transferência por uma série temporal que representa o ganho de calor e
depois a soma destes produtos, cálculo este que pode ser feito num simples computador.
O método das TFM´s (Mitalas, 1972) aplica uma série de fatores ponderantes, os quais são os
coeficientes das funções de transferência para a condução (CTF´s), às várias superfícies opacas e às
diferenças entre a temperatura sol-air e a temperatura do ambiente interior para determinar o ganho de
calor levando-se em consideração o efeito da inércia térmica das superfícies. O ganho de calor por
insolação através dos vidros e as várias formas de fontes internas de calor são diretamente calculados
para a carga térmica em um instante de interesse. O método TFM aplica então uma segunda série de
fatores ponderantes, os quais são os coeficientes das funções de transferência para o recinto (RTF´s),
ao ganho de calor e aos valores de carga térmica advindos de elementos que apresentam uma parcela
radiativa, para contabilizar o efeito do armazenamento térmico que ocorre antes do início da conversão
do ganho de calor em carga térmica. Ambas as séries de coeficientes consideram informações de
várias horas anteriores assim como informações da hora atual. Os coeficientes das RTF´s estão
relacionados à geometria espacial, configuração, massa e outras características do recinto de modo a
refletir as variações ponderadas no armazenamento térmico numa base temporal, ao invés de realizar
uma média das variações ao longo do tempo.
Rudoy & Duran (1975) utilizaram dados obtidos através da aplicação do método TFM a um grupo
de tipos de construções mais comuns para gerar uma série de dados de diferenciais de temperatura
12
para carga térmica (CLTD), para o cálculo direto da carga térmica em um método composto por
apenas uma etapa. Este método considera o ganho de calor por condução através de paredes e telhados
sob insolação direta e por condução através de aberturas de vidro. Foram desenvolvidos também
fatores de carga térmica de resfriamento (CLF) para uma metodologia similar de etapa única de
cálculo que considera a radiação solar transmitida através das aberturas de vidro e cargas internas.
McQuinston (1992) desenvolveu um melhor fator para a carga térmica solar através dos vidros, o fator
de carga térmica solar (SCL), o qual permite a inclusão de parâmetros adicionais que influenciam a
carga térmica solar, apresentando uma maior precisão. Os coeficientes SCL e CLF incluem o efeito do
atraso na condução através de superfícies opacas externas e do atraso na conversão do ganho de calor
por radiação em carga térmica devido ao armazenamento térmico da estrutura. Estas simplificações
permitem que a carga térmica seja calculada manualmente. Assim, quando dados estão disponíveis e
forem corretamente aplicados, os resultados são consistentes com aqueles obtidos através do método
TFM, o que torna este método popular.
2.2 SOBRE O PROGRAMA ENERGYPLUS
O programa EnergyPlus tem como predecessores o BLAST (Building Loads Analysis and System
Thermodynamics) e o DOE-2. Esses dois últimos foram concebidos pelo Departamento de Energia
(DOE) dos Estados Unidos ao fim da década de 70, impulsionados pela crise energética norte-
americana sofrida no início desta mesma década. O EnergyPlus é um software de simulação
energética, projetado para modelar edifícios com todas as formas associadas de fluxo de energia, a
saber: condicionamento do ar (aquecimento e resfriamento), iluminação, ventilação e qualquer outra
forma existente de consumo energético.
Baseado na descrição do edifício do ponto de vista físico, sistemas mecânicos associados e outros
fatores, o EnergyPlus é capaz de calcular as cargas térmicas de aquecimento e resfriamento necessárias
para que se mantenha o conforto térmico dentro de uma faixa determinada. O programa simula
também as condições através de um sistema de AVAC-R e as cargas térmicas necessárias nas
serpentinas, bem como o consumo energético de um sistema primário de climatização, além de outros
detalhes de simulação, os quais são necessários para garantir que a simulação realizada esteja próxima
do comportamento real do edifício em análise.
Os modos de entrada e saída do EnergyPlus foram idealizados de modo que o programa fosse
utilizado como um algoritmo para que outros designers de interfaces utilizassem-no em seus
programas. Destarte, o EnergyPlus não tem uma interface concebida para o usurário final. Seus
argumentos de entrada e saída são textos apresentados na forma ASCII (American Standard Code for
Information Interchange), podendo então ser lidos por uma interface gráfica, de apresentação
amigável - GUI (Graphical User Interface).
O EnergyPlus não é utilizado para uma análise de custo de ciclo de vida (LCC – Life Cycle Cost
Analysis) de equipamentos e sistemas de AVAC-R, e nem prescinde da supervisão de um engenheiro
13
ou arquiteto, conforme o caso em estudo. O programa não checa os dados de entrada e nem verifica a
magnitude dos parâmetros, de modo que se dados absurdos de entrada são inseridos no programa, ter-
se-á também dados absurdos de saída.
Com o intuito de sanar alguns problemas decorrentes do BLAST e do DOE-2, o EnergyPlus foi
criado. Alguns desses problemas eram o código fonte confuso baseado em versões mais antigas da
linguagem de programação FORTRAN, a dificuldade que se tinha para a alteração de dados de
entrada, a impossibilidade de lidar com respostas (feedback) do sistema AVAC-R nas condições das
zonas climatizadas e o rápido e crescente desenvolvimento das tecnologias de AVAC-R.
No EnergyPlus foram eliminadas as várias interconexões entre diferentes partes do programa e a
necessidade de conhecer todo o código fonte do programa para realizar uma alteração num ponto
específico deste. Essas vantagens sobre os seus dois predecessores foram possíveis devido à
implementação de uma estrutura de programa baseada numa filosofia de gerenciamento. Esta estrutura
é composta por vários blocos, que quando vista graficamente, lembra uma árvore invertida. Os ramos
terminais só entram no cálculo (tronco da árvore) se forem chamados pelo programa. Cada ramo
principal exerce controle sobre seus ramos secundários e terminais, ou seja, blocos inativos não são
utilizados pelo programa, a não ser que o programa chame algum desses blocos. No EnergyPlus existe
uma sub-rotina chamada ManageSimulation, a qual fica no fim do tronco principal do cálculo,
comandando quatro dos cinco principais laços de simulação (ambiente externo, dia do ano, hora,
incrementos temporais sub-horários; o incremento temporal do sistema é controlado pelo gerenciador
de HVAC). Esta sub-rotina também define dados globais (flags) para o programa, os quais são
utilizados por outras sub-rotinas e módulos como referência para saber o estado em que se encontra a
simulação, de modo que cada parte do programa saiba tomar a decisão correta naquele momento,
como quando ler dados, inicializar, simular, mostrar resultados. A filosofia do ManageSimulation é
tornar mais simples e explícitas as interconexões entre módulos do programa. Assim, não é necessário
preocupar-se com conexões ocultas ou inesperadas entre e dentro de sub-rotinas do programa.
O programa foi escrito em FORTRAN90. Uma das grandes vantagens desta linguagem é a sua
capacidade de modularização das sub-rotinas. Esta organização em módulos permite que diferentes
pesquisadores e programadores possam desenvolver seus blocos e sub-rotinas simultaneamente, sem
interferir em outros módulos que estão sendo desenvolvidos e com uma necessidade limitada de
conhecimento de toda a estrutura do programa.
A integração entre as cargas térmicas, os sistemas de climatização e os equipamentos utilizados é
outro ponto forte do EnergyPlus. Os impactos causados pelo tipo de sistema e equipamentos
escolhidos são considerados diretamente na resposta térmica do edifício, ao invés de se calcular a
carga térmica primeiro para depois simular o tipo de sistema e os equipamentos. Isto permite ao
projetista analisar a influência sobre o conforto térmico quando se sub-dimensiona um componente do
sistema, por exemplo.
14
O EnergyPlus é um programa aberto, ou seja, suas linhas de programação podem ser visualizadas e
alteradas. Com isto, espera-se que a precisão e a gama de possibilidades de utilização do programa
possam ser melhoradas. A possibilidade de alteração do código fonte é também um fator importante
para a sobrevivência do programa frente aos avanços tecnológicos. Foi feito um grande esforço por
parte da equipe de programadores para manter o código fonte e os algoritmos os mais separados
possíveis e de forma mais modular possível, a fim de minimizar a necessidade de um conhecimento
amplo que um usuário deveria ter para adicionar novos modelos.
Como já foi dito, o EnergyPlus é uma “máquina para simulação”, sendo que ele normalmente é
usado em conjunto com uma interface gráfica de inserção e leitura de dados. Porém nada impede que o
programa seja utilizado sem uma interface, principalmente se for utilizado para testes ou para fins de
pesquisa. Neste trabalho não foi utilizada nenhuma interface gráfica. Para realizar a simulação, o
EnergyPlus necessita de uma série de dados de entrada, os quais descrevem o edifício sob análise, e de
dados climáticos da localidade na qual ele se encontra. Após a realização da simulação, o programa
produz até 23 arquivos de saída. A interpretação destes arquivos não é simples, sendo que eles
precisam passar por uma análise ou serem rearranjados por um outro programa de interface mais
amigável, para que os resultados da simulação tenham algum sentido. Um exemplo de um programa
para visualizar dados de entrada do E+ é o DesignBuilder (DesignBuilder, 2006) e um exemplo de
programa para visualizar dados de saída do arquivo “.eso” é o xEsoView (Open Source Technology
Group, 2006).
Os dados para a simulação são inseridos através de dois arquivos manipulados pelo usuário: o
arquivo de dados de entrada IDF, de extensão “.idf” (input data file) e o arquivo de dados climáticos,
de extensão “.epw” (energy plus weather file). O arquivo de dados de entrada IDF contém todos os
parâmetros necessários para a simulação, exceto os dados climáticos. Os dados climáticos são
inseridos no formato “.epw”. Os arquivos de dados climáticos podem ser obtidos do próprio site do
EnergyPlus. Os dados climáticos disponibilizados neste site são organizados pela WMO (Weather
Meteorological Organization) e existem mais de 1100 localidades disponíveis. De acordo com este
órgão, a América do Sul ocupa a região 3. Para Brasília existem duas fontes de dados climáticos: a
primeira da IWEC (International Weather for Energy Calculations) e a segunda da SWERA (Solar
and Wind Energy Resource Assessment).
Os dados contidos no arquivo IDF são interpretados juntamente com o dicionário contido no
pacote EnergyPlus. Este dicionário é um arquivo IDD de extensão “.idd” (input data dictionary) que
contém todos os objetos possíveis e a especifícação das informações que cada objeto requer.
Tanto o arquivo IDF quanto o IDD e o “.epw” são textos no formato ASCII.
Dos arquivos de saída, o arquivo .err é o que deve ser analisado primeiro. Este arquivo apresenta
mensagens de possíveis erros ocorridos durante a fase de aquisição de dados ou durante a simulação.
Existem três níveis de erro: erro fatal (fatal), erro severo (severe), aviso (warning) além de linhas de
mensagens simples.
15
O arquivo “.audit” reproduz os dados de entrada contidos nos arquivos IDF e no IDD e também
bandeiras (flag) de possíveis erros de sintaxe contidos nestes dois aquivos. O arquivo “.audit” também
reproduz erros de sintaxe contidos nos dados de entrada, porém apenas o arquivo “.err” mostra erros
ocorridos durante a simulação propriamente dita. O aquivo “.audit” pode ser usado quando é preciso
verificar o contexto da mensagem de erro, para que se tenha o conhecimento da causa do erro.
Outros dois arquivos de saída são o ESO (EnergyPlus Standard Output), de extensão “.eso” e o
MTR (EnergyPlus Meter Output), de extensão “.mtr”. Estes arquivos apresentam os dados de saída da
simulação, mas apenas aqueles que variam com o tempo. Apesar destes arquivos estarem na forma de
texto, eles não são de fácil interpretação para o homem. Normalmente estes arquivos são pós-
processados para um formato que possa ser visualizado em uma planilha, porém uma rápida inspeção
visual permite verificar se as variáveis programadas para aparecer num determinado ponto da
simulação apareceram no momento exato.
Os dados de saída que não variam com o tempo, por exemplo dados da localização (latitude,
longitude, fuso horário, altitude) aparecem no arquivo EIO (EnergyPlus Invariant Output).
O EnergyPlus disponibiliza outro dicionário além do IDD: o dicionário de dados de saída RDD
(Report Data Dictionary). O RDD é um arquivo no formato de texto que lista aquelas variáveis
disponíveis para serem mostradas como resultados (no arquivo ESO ou MTR) em uma simulação em
particular. Quais variáveis estão disponíveis para os dados de saída nos arquivos ESO e MTR
dependem da descrição da simulação dada no arquivo IDF. Desta forma, variáveis que não foram
utilizadas no início da simulação através do arquivo IDF serão inativadas.
Um detalhe importante, aplicável tanto para o EnergyPlus, quanto para o Trace e para o CTVer, é
que faz-se necessário a configuração do sistema operacional do computador para adotar o caractere “.”
(ponto) como separador decimal. Caso não seja feita esta definição, os resultados dos cálculos serão
incorretos.
2.2.1 Metodologias de cálculo do EnergyPlus
O EnergyPlus é uma coleção de vários módulos de programas que trabalham em conjunto para
calcular a energia requerida para aquecer ou resfriar um edifício utilizando diferentes sistemas de
climatização e fontes ou plantas de geração de energia. Isto é feito através da simulação do edifício e
dos sistemas energéticos associados submetidos a diferentes condições ambientais e de operação. O
núcleo da simulação é um modelamento do edifício baseado nos princípios fundamentais do balanço
de calor. O modelo em si é simples, quando comparado com o controle e organização dos dados
necessários para simular a grande variedade de combinações de tipos de sistemas, plantas primárias de
energia, agendamentos (schedules) e ambientes.
Existem cinco gerenciadores que organizam todo o funcionamento do EnergyPlus: gerenciador da
simulação, gerenciador da solução integrada, gerenciador do balanço de calor de superfície,
gerenciador do balanço de calor do ar, gerenciador da simulação dos sistemas do edifício. O
16
gerenciador da simulação do EnergyPlus está contida em um único módulo separado de todos os
outros. O gerenciador da solução integrada comanda os outros três gerenciadores.
O EnergyPlus realiza uma simulação integrada. Isto significa que três dos grandes
componentes, a saber, o edifício, o sistema de climatização e a fonte ou planta de geração de energia
tem de ser solucionadas simultaneamente. Em programas de simulação seqüencial, como o BLAST e o
DOE-2, as zonas térmicas do edifício, os sistemas manuseio do ar (air handling systems – serpentinas
terminais, fan coils) e as centrais de refrigeração/aquecimento são simuladas numa seqüência em que
não há respostas de um para o outro, não há interação entre eles. A solução seqüencial começa com
um balanço de calor por zona que atualiza as condições de cada zona e determina a carga de
aquecimento/resfriamento em todos os incrementos temporais (time steps). Esta informação é
mandada para a simulação do sistema de manuseio de ar, para determinar a resposta do sistema; mas
esta resposta não afeta as condições da zona. Da mesma maneira, as informações do sistema de
manuseio de ar são enviadas para a simulação da central de refrigeração/aquecimento. Esta técnica de
simulação funciona bem quando a resposta do sistema é uma função bem definida da temperatura do
ar do ambiente condicionado. Mas em algumas situações podem ocorrer resultados não realísticos.
Para a obtenção de uma simulação fisicamente real, os elementos são ligados por um esquema de
simulação simultânea.
A transferência de calor pela construção do edifício é o componente principal da carga térmica e
do consumo de energia direcionado para a climatização. Devido aos materiais de alto peso específico
utilizados na construção civil (e.g., concreto e paredes de tijolos) raramente comportarem-se dentro do
regime permanente, torna-se necessário uma análise termodinâmica transiente para a simulação do
sistema. Entretanto, a análise da estrutura do edifício em regime transiente implica numa considerável
complexidade e num gasto computacional para a simulação do edifício e do sistema de HVAC. Assim
sendo, modelos de determinação de carga térmica que sejam simples, confiáveis e eficientes são de
importância fundamental para essas finalidades (Wang & Chen, 2001).
O erro associado aos cálculos está diretamente relacionado com o tamanho do incremento
temporal. Quanto menor o incremento temporal, mais precisos serão os resultados, em contrapartida
maior será o tempo de cálculo. Apesar deste aumento de tempo de cálculo consumido pela solução
integrada, o realismo retratado por ela torna este tipo de solução viável. Nos programas que utilizam
solução seqüencial o incremento temporal geralmente é de uma hora. Já no EnergyPlus os incrementos
temporais utilizados situam-se na faixa entre 0.1 e 0.25 de hora (15 minutos). O avanço temporal do
EP ocorre com as condições da zona atrasadas de um incremento, de forma que as informações do
incremento anterior são utilizadas para prever respostas do sistema e atualizar a temperatura da zona
no incremento atual. Incrementos temporais de uma hora eram utilizados pelos programas de cálculo
seqüencial por pura questão de simplicidade de armazenamento de dados e por manter o tempo
razoável de cálculo; mas processos dinâmicos no ar da zona podem ocorrer num intervalo muito
menor do que uma hora.
17
O EP utiliza uma equação do balanço de calor dentro da zona. Esta equação inclui a variação da
energia armazenada pelo ar da zona e a capacitância deste ar:
( ) ( ) ( )1 1 1
surfacessl zonesNN N
zz i i i si z i p zi z inf p z sys
i i i
dTC Q h A T T m C T T m C T T Q
dt ∞= = =
= + − + − + − +∑ ∑ ∑� �� � (4)
onde:
zz
dTC
dt é a energia armazenada no ar da zona;
1
slN
ii
Q=∑ � é o somatório das cargas internas convectivas;
( )1
surfacesN
i i si zi
h A T T=
−∑ é a transferência de calor por convecção oriunda das superfícies da zona;
( )1
zonesN
i p zi zi
m C T T=
−∑ � é a transferência de calor devido à mistura do ar de diferentes zonas;
( )inf p zm C T T∞ −� é a transferência de calor devido à infiltração de ar exterior;
sysQ� é a taxa de troca de calor com o sistema de climatização.
Se a capacitância zC do ar for desprezada, a equação que determina o balanço de calor no regime
permanente da zona será:
( ) ( ) ( )1 1 1
surfacessl zonesNN N
sys i i i si z i p zi z inf p zi i i
Q Q h A T T m C T T m C T T∞= = =
− = + − + − + −∑ ∑ ∑� � � � (5)
A energia trocada com o sistema de condicionamento dependerá da vazão nos trocadores de calor,
da capacitância do ar e da diferença entre as temperaturas do ar de insuflamento e de retorno ao
equipamento. Esta troca de calor é representada pela Eq. (6):
( )sys sys p sup zQ m C T T= −� � (6)
Onde pC é a capacitância do ar. Nesta equação assume-se que a zona está em equilíbrio em termos
das vazões, ou seja, a vazão que sai da zona é igual à que entra. Ou seja, a vazão insuflada pelo
sistema de condicionamento é igual à soma da vazão do ar de retorno com a vazão do ar de exaustão.
Essas duas vazões de saída da zona saem à temperatura média do ar na zona.
Substituindo a Eq. (6) na Eq. (4) do balanço de calor, resulta a Eq. (7), para o regime transiente:
18
( ) ( )
( ) ( )1 1 1
surfacessl zonesNN N
zz i i i si z i p zi z
i i i
inf p z sys p sup z
dTC Q h A T T m C T T
dt
m C T T m C T T
= = =
∞
= + − + −
+ − + −
∑ ∑ ∑� �
� �
(7)
Agora o somatório das cargas térmicas da zona e a energia trocada com o sistema de
condicionamento igualam-se à variação de energia no ar da zona. Tipicamente zC representa a
capacitância da zona apenas, porém as massas internas que estão em equilíbrio térmico com o ar da
zona podem ser incluídas neste termo. Para a determinação do termo derivativo da temperatura da
zona, pode-se utilizar uma aproximação por diferenças finitas, como:
( ) ( ) ( )1 t t tz z
dTt T T O t
dtδδ δ
− −= − + (8)
O uso de métodos de integração numérica em uma simulação de longa duração (um ano, 8760
intervalos se o incremento temporal for de uma hora; se o incremento temporal for de 15 minutos, ou
0.25 de uma hora, serão 35040 intervalos) necessita de um cuidado maior com a possibilidade de erros
de truncamento ao longo de vários incrementos temporais. Neste caso, a aproximação por diferenças
finitas de pequena ordem torna-se um agravante. Entretanto, o comportamento cíclico da simulação
energética de edifícios causaria uma série alternada de erros de truncamento que cancelariam entre si a
cada ciclo diário, de modo que não existiria um erro líquido ao final da simulação, mesmo após vários
dias de simulação.
A fórmula de Euler, Eq. (8), foi empregada na Eq. (7) para substituir o termo transiente. Todos os
termos contendo a temperatura média do ar na zona, zT , foram agrupados no lado esquerdo da
equação. Uma vez que os termos remanescentes não são ainda conhecidos no ponto atual da
simulação, eles foram defasados de um incremento temporal ( t tδ− ) e agrupados no lado direito da
equação. Esta manipulação resulta na Eq. (9), que representa uma forma recursiva para a atualização
da temperatura média do ar na zona naquele determinado estágio da simulação:
1 1
1 1 1
surfaces zones
surfacessl zones
N Nt t ttz z
z z i i i p inf p sys pi i
t tNN Nt t
i sys p sup i i si i p zi inf pi i i
T TC T h A m C m C m C
dt
Q m C T h AT m C T m C T
δ
δ
−
= =
−
∞= = =
−+ + + + =
+ + + +
∑ ∑
∑ ∑ ∑
� � �
� � � �
(9)
Uma manipulação final passa a temperatura defasada da zona ( t tzT δ− ) da aproximação do termo
derivativo para o lado direito da equação. Após agrupar os termos que multiplicam zT e isolar esta
variável do lado esquerdo, obtém-se uma equação do balanço de energia que inclui os efeitos da
capacitância da zona:
19
1 1 1
1 1
surfacessl zones
surfaces zones
t tNN Nt t z
i sys p sup z i i si i p zi inf pi i it
z N Nz
i i i p inf p sys pi i
TQ m C T C h AT m C T m C T
tT
Ch A m C m C m C
t
δ
δ
δ
−
∞= = =
= =
+ + + + +
=
+ + + +
∑ ∑ ∑
∑ ∑
� � � �
� � �
(10)
A Eq. (10) poderia ser utilizada para avaliar a temperatura média do ar na zona, mas percebeu-se
que ela limitava o tamanho do incremento de tempo sobre determinadas condições. Para que este
obstáculo fosse superado utilizaram-se aproximações de maior ordem para o termo transiente, com
correspondentes erros de truncamento também de maior ordem. O objetivo desta mudança era permitir
que fosse possível utilizar maiores incrementos temporais na simulação do que seria possível
utilizando a fórmula de Euler, isto sem passar por instabilidades. Taylor et all (1990) chegaram à
conclusão de que a aproximação por diferenças finitas de terceira ordem, mostrada abaixo, apresentou
os melhores resultados (DOE, 2005):
( ) ( )1 2 3 311 3 13
6 2 3t t t t t t tzz z z z
t
dTt T T T T O t
dtδ δ δδ δ
− − − − ≈ − + − +
(11)
Quando esta aproximação é utilizada, a Equação (9) fica:
( ) ( )
( ) ( )
( )
1 2 3
1
1 1
11 3 13
6 2 3
sl
surfaces zones
Nt t t t t t t
z z z z z i sys p sup zi
N N
i i si z i p zi zi i
inf p z
C t T T T T Q m C T T
h A T T m C T T
m C T T
δ δ δδ− − − −
=
= =
∞
− + − = + −
+ − + −
+ −
∑
∑ ∑
� �
�
� (12)
A equação de atualização da temperatura da zona torna-se então:
2 3
1 1 1
1 1
3 13
2 3
11
6
surfacessl zones
surfaces zones
NN Nt t t t t tz
i sys p sup i i si i p zi inf p z z zt i i i
z N Nz
sys p i i i p inf pi i
CQ m C T h AT m C T m C T T T T
tT
Cm C h A m C m C
t
δ δ δ
δ
δ
− − −∞
= = =
= =
+ + + + − − + − =
+ + + +
∑ ∑ ∑
∑ ∑
� � � �
� � �
(13)
Esta é a forma utilizada pelo EnergyPlus. Uma vez que a carga térmica da zona comanda todo o
processo, ela é utilizada como um ponto de partida para excitar o sistema. Posteriormente a simulação
do sistema fornece o real valor da capacidade do sistema e, se preciso, a temperatura é ajustada. Este
processo feito pelo E+ é conhecido como um processo de previsão/correção (Predictor/Corrector
process). A ordem seguida pelo procedimento de previsão/correção pode ser resumida da seguinte
forma:
20
• Utilizando a Eq. (5), é feita uma estimativa da energia requerida pelo sistema para
balancear a equação, tendo a temperatura da zona igual à temperatura programada no
termostato;
• Com esta estimativa de energia requerida funcionando como uma carga térmica, o sistema
é simulado para determinar sua real capacidade de atender àquela zona, com aquela carga
térmica, nos determinados pontos da simulação. Isto pode incluir uma simulação da planta
de refrigeração;
• A real capacidade do sistema é usada na Eq. (13) para calcular a temperatura resultante da
zona.
A forma básica da função de transferência para a condução utilizada pelo EnergyPlus é a seguinte:
( ) , , , , ,1 1 1
nqnz nz
ki o i t j i t j o o t j o t j j ki t jj j j
q t Z T Z T Y T Y T qδ δ δ− − −= = =
′′ ′′= − − + + + Φ∑ ∑ ∑ (14)
, para o fluxo de calor na face interna da superfície, e
( ) , , , , ,1 1 1
nqnz nz
ko o i t j i t j o o t j o t j j ko t jj j j
q t Y T Y T X T X T qδ δ δ− − −= = =
′′ ′′= − − + + + Φ∑ ∑ ∑ (15)
para o fluxo de calor (q q A′′ = ) na face externa da superfície, onde:
jX é coeficiente da CTF para a parte externa;
jY é o coeficiente da CTF para a parte transversal;
jZ é o coeficiente da CTF para a parte interna;
jΦ é o coeficiente da CTF para o fluxo de calor;
iT é a temperatura da face interna da superfície;
oT é a temperatura da face externa da superfície;
koq′′ é o fluxo de calor devido à condução na face externa;
kiq′′ é o fluxo de calor devido à condução na face interna.
Os subscritos após a vírgula indicam qual o ponto da simulação a qual se refere aquele
determinado parâmetro, em termos de incremento temporal δ . Estas equações mostram que o fluxo
de calor em ambas as faces é linearmente relacionado às temperaturas atuais e posteriores bem como
alguns valores prévios do fluxo de calor na face interna.
21
2.3 SOBRE O PROGRAMA TRACE
O Trace é um programa de cálculo de carga térmica e de análise econômico-energética,
desenvolvido pelo grupo C.D.S., da empresa Trane Company. Ao contrário do EnergyPlus, este
software não é livre, necessitando de uma licença paga para instalação. É um programa de interface
amigável, sendo de fácil interação com o usuário. A entrada de dados é feita através do
ProjectNavigator, uma das três formas de visualizar o programa.
No Trace é possível inserir e alterar detalhes da construção e mudar o modelo de edificação a
qualquer momento durante o projeto do sistema de climatização. Também é possível fazer o
modelamento do sistema com várias opções de equipamentos, sendo possível analisar o custo
energético e o tempo de retorno de investimento de cada modelo, ajudando a optar pelo mais viável (a
versão completa do programa realiza análise do custo de ciclo de vida – LCC – Life Cycle Cost); criar
até quatro opções de tipo de edificação/distribuição de ar/equipamentos num mesmo projeto. No
programa existem vastas bibliotecas com informações de materiais de construção, arranjos
construtivos, cargas internas (pessoas e equipamentos), programação (schedule) de funcionamento do
edifício ou recinto e equipamentos de condicionamento de ar, bem como uma variedade de dados
climáticos com 448 localidades, incluindo Brasília. Apesar da diversidade de materiais existentes na
biblioteca de elementos construtivos, eles são mais comuns nos Estados Unidos, sendo necessária a
inserção de materiais condizentes com a realidade brasileira.
Neste trabalho, foi disponibilizada apenas a versão para o cálculo de carga térmica (Load-only
Version). Esta versão não permite a análise econômico-energética do edifício. Assim, não se utiliza de
dados climáticos das 8760 horas do ano, e sim dados das 24 horas de dias de projeto. Tais dias de
projeto são dias críticos, nos quais se observa as maiores ou menores temperaturas ao longo do ano.
A biblioteca de dados climáticos do Trace é baseada nos dados de freqüência acumulada de 2.5%
da ASHRAE, o que significa que durante 219 horas das 8760 horas do ano determinado dado
climático ficou acima daquele especificado. Como um exemplo, se para uma determinada localidade
estiver especificado como temperatura de bulbo seco máxima 32º C, isto significa que durante apenas
219 horas das 8760 horas do ano registrou-se uma temperatura superior a 32º C, de acordo com os
dados 2.5%. Caso fossem dados do tipo 1.0%, a temperatura de bulbo seco de 32º C teria sido
superada apenas durante aproximadamente 88 horas das 8760 horas do ano.
A biblioteca de agendamentos (Schedules Library) apresenta uma série de agendamentos padrões
prontos. Existe também a possibilidade do usuário criar os seus próprios agendamentos. Estes
agendamentos são utilizados para definir mudanças hora a hora e mensais de cargas internas
(ocupação, iluminação, equipamentos), ventilação, infiltração e outras.
2.3.1 Metodologia de cálculo do Trace
No trace é possível utilizar tanto o método CLTD/CLF quanto o TETD/TA. Porém o Trace não
utiliza dados tabelados para o método CLTD/CLF para o cálculo de carga térmica, como normalmente
22
é feito quando se utiliza este método. Normalmente o método CLTD/CLF é utilizado para cálculos
manuais, utilizando casos construtivos tabelados. No Trace, o método CLTD/CLF é realizado baseado
no equacionamento utilizado para gerar as tabelas deste método, ou seja, quando o programa refere-se
ao método CLTD/CLF ele quer dizer que utilizou o método TFM para gerar os dados e depois utilizou
estes dados para aplicar a metodologia CLTD/CLF.
A vantagem disto é que o problema que se tem em cair num caso fora das tabelas padrões do
método CLTD/CLF quando utiliza-se esta metodologia é superado ao utilizar as equações TFM. Outra
vantagem que se tem ao utilizar as equações TFM para gerar os dados para o método CLTD/CLF é
que desta forma tem-se um meio de exercer um controle individual sobre aspectos de transmitância
térmica, armazenamento térmico, e/ou resposta térmica das massas que compõem o edifício.
O método TETD/TA apresenta alguns problemas, uma vez que não existem dados publicados a
respeito de quantas horas são necessárias para fazer a média temporal da porção radiante do ganho de
calor. Normalmente o método TFM (método exato das CLTD/CLF) utilizado pelo Trace calcula
cargas térmicas até 30% menores (principalmente cargas solares) do que aquelas calculadas pelo
método TETD sem média temporal (instantânea).
Existem seis opções de metodologia de cálculo de carga térmica no Trace. Na opção TETD-TA1
faz-se inicialmente o cálculo do ganho de calor baseado nas funções de transferência; a carga térmica
do recinto é então calculada utilizando o método da média temporal (TA - Time Averaging).
Escolhendo-se a opção CLTD-CLF (ASHRAE TFM) utiliza-se funções de transferência para o
cálculo tanto do ganho de calor quanto da carga térmica.
Na opção TETD-TA2 o ganho de calor é baseado no método aproximado de TETD´s, o qual
utiliza fatores lambda e delta para descreverem características de amplitude e atraso para uma parede
ou telhado particular; o cálculo da carga térmica finaliza-se com a técnica da média temporal. Como
esta opção é menos exata do que a TETD-TA1, recomenda-se que a opção TETD-TA2 seja utilizada
apenas para fins de comparação, apesar de que esta simplificação faz dela uma opção mais rápida na
sua fase de cálculo da carga térmica.
A quarta alternativa de cálculo é a TETD-PO, a qual também realiza o cálculo do ganho de calor
através do método aproximado das TETD´s, mas para a finalização do cálculo da carga térmica
utilizam-se os fatores ponderadores Post Office RMRG, que foram anteriormente utilizados na versão
original do Trace.
A alternativa RP359 é baseada no projeto de pesquisa 359 da ASHRAE; o ganho de calor é
baseado no método das funções de transferência, enquanto que a carga térmica é calculada com base
nos coeficientes de transferência para cada recinto (fatores ponderarores) gerados para combinações
específicas de componentes de edifícios. Este método utiliza o mesmo algoritmo do método CLTD-
CLF, o que muda são os coeficientes para os recintos utilizados para o cálculo da carga térmica.
23
Na última opção, CEC-DOE2, o método de cálculo de carga térmica duplica os fatores
ponderadores pré-calculados (PWF – Precalculated Weighting Factors) do programa de análise
energética DOE2.1c; os cálculos são baseados nos fatores da ASHRAE para construções leves, médias
e pesadas.
2.4 SOBRE O PROGRAMA CTVER
O programa para cálculo de carga térmica CTVer faz parte do pacote de programa ACTerm,
desenvolvido pelo Professor Doutor Paulo Otto Beyer e pelo Engenheiro Mestre José Luiz
Salvadoretti, membros do GESTE – UFRGS.
Foi utilizada a versão demonstrativa, obtida do sítio do GESTE – UFRGS (GESTE, 2006). Esta
versão, por ser uma versão demo, tem sua capacidade total reduzida, não sendo possível salvar
arquivos para posterior utilização. Assim sendo, esta ferramenta foi utilizada apenas na fase de
validação.
2.4.1 Metodologia de cálculo do CTVer
O CTVer analisa o comportamento da carga de resfriamento em diversos níveis. Inicialmente ele
analisa o comportamento da carga total no dia típico de cada um dos meses de verão (dezembro,
janeiro, fevereiro e março), buscando o mês de máxima carga. Esta primeira análise fornece uma
aproximação da capacidade da máquina a ser utilizada. Como nos níveis seguintes, esta informação é
apresentada na forma de um gráfico carga térmica x tempo, cobrindo 24 horas.
Em seqüência é analisado o comportamento de cada um de oito componentes da carga total: forro,
paredes, vidros, etc. ao longo do dia típico desse pior mês (se solicitado este mês). Este passo fornece
a identificação precisa dos pontos críticos da edificação, servindo de subsídio para a elaboração de um
projeto arquitetônico final mais racional em termos energéticos.
No terceiro passo, as contribuições dos componentes da carga na pior hora do dia típico do pior
mês podem ser visualizadas através de um gráfico de barras, com a indicação de seus valores exatos.
Esta etapa final facilita a análise das possíveis modificações a serem efetuadas, tendo sido incluída
principalmente com finalidades didáticas.
O programa incorpora a formulação CLF/CLTD (Cooling Load Factors / Cooling Load
Temperature Differences) para considerar o efeito de acumulação de calor no ambiente, que pode
causar alterações na carga total mesmo depois de cessada a ação de um componente da mesma. (Beyer
& Salvadoretti, 2003c).
No cálculo da carga térmica consideram-se os ganhos de calor externos e internos. Os ganhos de
calor externo, os quais atravessam as fronteiras do sistema, são o ganho de calor através de superfícies
opacas externas, superfícies translúcidas externas, ar de renovação e superfícies internas. Os ganhos de
calor internos são basicamente provenientes da ocupação e de equipamentos internos.
24
Para o ganho de calor por superfícies externas opacas utiliza-se diferenciais de temperatura DTCR
(Diferencial de Temperatura da Carga de Resfriamento, ou CLTD). Também são considerados uma
correção para a latitude e mês (LM), um fator de correção Kf que leva em conta a coloração externa da
superfície e um fator de correção para temperatura interna e externa (CTIE). Para o caso de forros e
telhados, aplica-se ainda um fator f devido à existência ou não de ventilação do ático. A equação é
baseada na equação para a condução:
( ) fQ UA t UA DTCR LM K CTIE f = ∆ = + + � (16)
O coeficiente global de transferência de calor U apresenta-se listado em uma tabela do programa.
Nesta tabela encontram-se diferentes tipos de composições construtivas para paredes e coberturas
ensolaradas. Caso o tipo de composição do caso em estudo não se encontre nesta lista, recomenda-se
selecionar aquele tipo que mais se aproxima do desejado. Estes valores de U são função não apenas
dos materiais que compõe o conjunto construtivo, mas também da característica transiente da inércia
térmica da composição.
Também em forma de tabela, estão os valores de DTCR para as 24 horas solares. Para cada tipo
construtivo existe uma série de 24 valores da DTCR para um dia. No programa CTVer existem 36
tipos de construção de coberturas e 32 tipos de construção para paredes.
Os valores de LM dependem da latitude e do mês. Para cada latitude, existem valores de LM que
variam de acordo com o mês e orientação da superfície. Existem cinco latitudes diferentes na tabela do
CTVer: 0º, 8º, 16º, 24º e 32º, todas ao sul. Para cada latitude são listados valores para os quatro meses
de verão (dezembro, janeiro, fevereiro e março), variando de acordo com a orientação.
O fator Kf para coberturas (telhados) pode assumir três valores, sendo 1.0 para cor escura ou área
industrial, 0.75 para cor média e 0.5 para cor permanentemente clara. Lembrando que para utilizar o
valor mínimo é preciso garantir que a cor seja sempre clara, tendo em vista que com o passar do tempo
algumas superfícies tendem a escurecer-se. Para paredes, Kf pode assumir os seguintes valores: 1.0
para paredes escuras, 0.83 para paredes na cor média e 0.65 para paredes na cor clara permanente.
Observa-se que são valores com menor variação que para coberturas, por ser a cor das paredes menos
influente na carga térmica que a cor do telhado.
O fator CTIE da equação (16) representa uma correção para as temperaturas interna e externa. Isto
porque os valores previamente calculados e tabelados precisam considerar condições definidas nos
cálculos. A condição interna considerada foi de 25,5 oC e a externa média foi de 29,5 oC. Qualquer
cálculo que tenha temperaturas diferentes destas deverá ser corrigido pelo CTIE, através da seguinte
equação:
( ) ( )25.5 29.5i eCTIE tbs t= − + − (17)
25
Nesta equação, itbs é a condição que se quer manter no ambiente condicionado. O termo et
representa a temperatura externa média, calculada ao longo de um dia. Considera-se que a temperatura
externa tem uma variação padronizada, conforme a Fig. (1):
Figura 1. Evolução típica da temperatura externa utilizada pelo CTVer. (Beyer & Salvadoretti, 2003c)
A temperatura tem um mínimo às 5 h e um máximo às 15 h, com valores médios em torno das 10 e
20 h. O valor máximo das 15 h é a temperatura de projeto para aquela localidade. A amplitude da onda
é a variação diária da temperatura externa, também relacionada no capítulo referido. Conhecendo-se
estes valores pode-se calcular a temperatura externa média por:
max 2e
VDt tbs= − (18)
Na equação (18) maxtbs é a temperatura de projeto para verão e VD é a variação diária (ou
amplitude térmica) para a cidade em cálculo. Para Brasília, 13VD = . O fator f representa o efeito da
ventilação do ático. O aquecimento do forro depende se a camada de ar é móvel ou não,
dependendo pois da existência de aberturas para ventilação, conforme desenho. O fator f pode ter
os seguintes valores: 1 se o ático for do tipo não ventilado e 0.75 se for ventilado.
Para o ganho de calor através de paredes externas opacas, o programa considera o ganho de
calor pela parede através da radiação solar e do ar externo e a emissão deste calor para o ambiente
interno através da convecção e da radiação emitida pela superfície interna da parede:
26
Figura 2. Ganho térmico através de uma superfície externa opaca. (Beyer & Salvadoretti, 2003c)
A equação que rege a transferência de calor é semelhante à equação (16), a menos da constante f.
Assim como as coberturas, os coeficientes globais de transferência de calor não são função apenas dos
materiais constituintes, mas também do peso da composição, a fim de que seja considerada a inércia
térmica do conjunto. As paredes são separadas em grupos térmicos, que variam em função do peso da
construção. Para cada grupo térmico são listados valores de DTCR para oito orientações (quatro
principais e quatro colaterais), e para cada orientação existem 24 valores de DTCR, um para cada hora
solar do dia. Os 32 tipos de construção de paredes são separados em sete grupos térmicos.
Para superfícies externas translúcidas, o programa considera o ganho por condução e por radiação
solar transmitida pelo meio. A equação para a condução é a seguinte:
( )VC eh iQ UA t t= −� (19)
Onde VCQ� é o ganho de calor pelo vidro devido à condução e eht é a temperatura externa variando de
acordo com a Figura (1). Para o ganho devido à insolação, a seguinte equação é aplicada:
VIQ FGCS A CS FCR= ⋅ ⋅ ⋅� (20)
Onde VIQ� é o ganho de calor por insolação através dos vidros, FGCS é o Fator de Ganho de Calor
Solar que representa a quantidade de energia solar que incide em um metro quadrado de área vertical
externa com a mesma orientação da janela, em W/m2. Dentro do programa são listados valores de
FGCS para quatro latitudes. Para cada latitude são listados valores de FGCS para os quatro meses de
verão. Em cada mês apresentam-se valores deste fator para oito nove possíveis (quatro principais,
quatro colaterais e abertura horizontal). A área da abertura é representada por A.
O fator CS representa o Coeficiente de Sombreamento. Este coeficiente tem valor máximo
unitário. Os outros valores possíveis para CS variam de acordo com o dispositivo de sombreamento.
No programa é possível optar por tipo de vidro (claro, fume, espelhado ou duplo) ou pela combinação
de tipo de vidro com dispositivos internos de sombreamento (persiana ou cortina), sendo possível
determina a cor e o grau de translucidez do dispositivo.
27
O termo FCR é o Fator de Carga de Resfriamento. Este fator leva em conta a inércia térmica das
superfícies sobre as quais incide a insolação através dos vidros, uma vez que o ganho de calor solar
não esquenta instantaneamente o ar ambiente; o que o corre a princípio é a incidência solar em
superfícies internas (chão, paredes e móveis), aumentando a temperatura desses sólidos.
Posteriormente, após estarem a uma temperatura maior que a temperatura do ar interno, essas
superfícies liberam o calor armazenado na forma de radiação e convecção. Existem duas tabelas para
valores FCR, uma para janelas com proteção interna e outra para janelas sem proteção.
O ganho de calor para o ar de renovação compõe-se pela parcela sensível e pela parcela latente:
( )1.2ES eh iQ V t t= −� � (21)
Onde ESQ� é o ganho de calor sensível devido à entrada do ar externo, V� é a vazão de ar externo, eht é
a temperatura do ar externo a determinada hora solar e it é a temperatura do ar interno.
A parcela latente do ganho de calor do ar externo é dada pela seguinte expressão:
( )3.0EL e iQ V F F= −� � (22)
Onde ELQ� é a parcela latente do ganho de calor proveniente do ar externo, eF é o fator de umidade
externo (umidade absoluta) em gr/kg (gramas de vapor d´água por quilograma de ar seco) e iF é o
fator de umidade interno, nas mesmas unidades.
Para superfícies internas em contato com ambientes não condicionados, o CTVer utiliza duas
abordagens para a temperatura no lado do ambiente não condicionado. A primeira abordagem é
utilizada para superfícies que separam o ambiente condicionado de um ambiente não condicionado
que apresenta uma alta carga interna (e.g. sala de freezer, recinto que contenha um motor-gerador).
Neste método estacionário, considera-se que a temperatura no ambiente adjacente não condicionado é
a temperatura externa de projeto diminuída de 3ºC. A outra abordagem é a transiente, na qual a
temperatura dos ambientes internos não condicionados é tomada como sendo:
( ) ( )3 6eANCt tbs PVD VD = − − − �
(23)
Onde ANC
t � é a temperatura do ambiente não condicionado, etbs é a temperatura externa de projeto e
PVD é a porcentagem da variação diária. A PVD são valores (0 a 1) que regem a curva da Figura (1);
sendo 1PVD = às 5 horas e 0PVD = às 15 horas.
Dentre as cargas internas, considera-se a carga de iluminação, a carga de ocupação e a carga de
equipamentos internos. As equações são as seguintes:
il ilQ P=� (24)
28
ocL oc ocLQ n P= ⋅� (25)
ocS oc ocSQ n P= ⋅� (26)
eq eqQ P=� (27)
Onde ilQ� é a carga térmica dissipada pela iluminação, ilP é o somatório da potência instalada no
ambiente; ocLQ� é a carga latente devido à ocupação, ocn é o número de ocupantes no recinto, ocLP é a
potência latente dissipada por ocupante; ocSQ� é a carga sensível devido à ocupação, ocSP é a potência
sensível dissipada por ocupante; eqQ� é a carga térmica sensível devido aos equipamentos internos e
eqP é o somatório da potência térmica liberada pelos equipamentos internos.
2.5 SOBRE A PLANILHA DE CÁLCULO
Para o cálculo da carga térmica através da planilha de cálculo, utilizou-se o programa Excel, do
pacote Microsoft Office. Esta planilha foi obtida do LabProj, onde ela é utilizada como ferramenta de
cálculo.
2.5.1 Metodologia de cálculo da planilha
A metodologia implementada na planilha foi semelhante à metodologia utilizada pelo CTVer,
porém com uma abordagem estática, adotando valores constantes de DTCR e FGCS. O programa do
Professor Beyer considera uma variação ao longo das 24 horas solares, realizando uma integração ao
longo de dias de projeto para cada mês de verão. A planilha Excel não realiza esta integração,
adotando valores máximos para aquelas variáveis. A planilha não considera a inércia térmica da massa
interna, representada pelo termo FCR na equação (20). As equações utilizadas na planilha são as
seguintes:
( )pdCond e iQ UA t t= −� (28)
pdInsQ DTCR U A CS= ⋅ ⋅ ⋅� (29)
( )jlCond e iQ UA t t= −� (30)
jlInsQ FGCS A CS= ⋅ ⋅� (31)
A equação (28) representa o ganho de calor por condução através das paredes e superfícies
externas opacas. A temperatura et é a temperatura externa máxima de projeto e it é a temperatura
interna do ambiente condicionado. A área utilizada nesta equação considera a existência de superfícies
29
que não são paredes mas que estão inseridas nesta parede (portas e janelas); estas áreas são subtraídas
da área total da parede. A equação (29) representa o ganho de calor por insolação através das paredes,
sendo que aqui o DTCR é constante e varia de acordo com a orientação determinada para cada
superfície; considera-se aqui um coeficiente de sombreamento para as paredes. A equação (30)
representa o ganho de calor por condução através dos vidros. A equação (31) representa o ganho por
insolação através dos vidros; novamente, nesta equação os valores de FGCS são constantes, variando
de acordo com a orientação apenas, ao contrário do que ocorre no CTVer, em que as variações de
DTCR e FGCS são funções da latitude, mês e orientação. Para o teto, as equações utilizadas na
planilha são as seguintes:
( )ttCond e iQ UA t t= −� (32)
( ) 8.3ttIns e iQ UA CS t t = ⋅ − + � (33)
Onde a equação (32) representa o ganho de calor por condução através do teto e a equação (33)
representa o ganho de calor por insolação através do teto. Observa-se que a planilha adota um valor
constante do diferencial de temperatura ( ( ) 8.3e it t− + ), visto que é uma superfície horizontal.
Também considera-se um coeficiente de sombreamento para o teto.
Os ganhos internos são representados pelas mesmas equações utilizadas pelo CTVer (equações
(24) a (27))
Os valores de U, FGCS e DTCR são obtidos de uma planilha, em uma aba separada, contendo
diversos valores destas constantes. Os coeficientes U são dados de acordo com a composição das
superfícies, os valores de FGCS e DTCR são dados de acordo com a orientação da superfície.
2.6 SOBRE O CÁLCULO TR/M2
O cálculo de carga térmica baseado apenas na área de piso é uma metodologia demasiado
simplificada. Geralmente ela é utilizada apenas como uma estimativa inicial de projeto, mas algumas
pessoas utilizam-na como base de seleção de equipamento, o que na maioria das vezes leva a um
equipamento superdimensionado. As conseqüências de um sistema superdimensionado são baixa
eficiência de operação, uma vez que o sistema raramente irá operar a carga plena e condições internas
do ar fora do desejado (temperatura de bulbo úmido ficará acima do desejado).
A metodologia utilizada aqui foi retirada de Creder (1996). Adotou-se o valor para “escritórios em
geral” e padrão de instalação tipo médio. Para este tipo de instalação, a constante dada é 462.86
BTU/h/m2 (135.65 W/m2 ou 0.0386 TR/m2) Dessa forma, a carga térmica em TR é dada pela
multiplicação da área de piso pela constante em TR/m2.
0.0386CT ÁreaDePiso= ⋅ (34)
30
3 VALIDAÇÃO DAS FERRAMENTAS
3.1 ANSI/ASHRAE STANDARD 140-2004, METODOLOGIA BESTEST
A norma ANSI/ASHRAE 140-2004, que aplica a metodologia BESTEST, especifica
procedimentos para testes que são aplicados na avaliação da gama de aplicação e da capacidade de
programas computacionais projetados para o cálculo do desempenho termoenergético de edifícios e
dos sistemas de controle ambiental associados. Os testes são baseados no princípio de comparação do
desempenho de um programa com o desempenho de outros programas, e como os testes não têm a
intenção de avaliar todos os aspectos de cada programa, eles são projetados para indicar qualquer falha
de maior proporção ou limitações dos programas.
A metodologia BESTEST é um procedimento de verificação e diagnóstico comparativo que foi
criada para testar a habilidade de programas de simulação do envelope de edificações em modelar a
performance de um equipamento de condicionamento de ar de um ambiente monozona, que é
tipicamente modelado usando dados de projeto de fabricantes, apresentados como mapas de
performance derivados empiricamente (Neymark et al., 2002).
Existem outras maneiras de se avaliar a precisão de um programa de simulação energética de
edificações (Neymark el al., 2002):
• Validação experimental: os resultados calculados de um programa, sub-rotina ou algoritmo são
comparados a dados monitorados de uma edificação real, célula de teste ou experimento de
laboratório.
• Verificação analítica: os resultados calculados de um programa, sub-rotina ou algoritmo são
comparados a resultados de uma solução analítica conhecida ou de um método numérico
geralmente aceito para mecanismos de transferência de calor isolados sob condições de
contorno muito simples e altamente restritas.
São 40 casos monozonas (de estado estacionário com sistema de ar do tipo expansão direta) para
modelagem do envelope de edificações em programas de simulação computacional. Nestes casos são
aplicadas algumas variações, tais como dispositivos de sombreamento, “peso” da construção,
orientações e níveis de ventilação noturna. Os casos são assim divididos:
• 14 casos de teste de qualificação (não servem para diagnósticos), que compreendem os casos
195 à 320, todos com baixa massa. Representam uma tentativa de isolar os efeitos de
algoritmos individuais variando um único parâmetro de caso para caso. Estes casos são
relativamente primitivos, e alguns programas não serão capazes de modelar estes casos pela
simples razão de que eles não são reais.
31
• 6 casos (395 à 440), todos com baixa massa, que são uma tentativa de resolver o problema dos
casos 195 à 320, onde são apresentadas uma série de alternativas nos testes de diagnóstico que
são levemente mais realistas que os casos primitivos.
• 14 casos (600 à 650, de baixa massa, e 900 à 990, de alta massa) que representam construções
que são relativamente realistas com respeito à suas características térmicas. Estes casos testam
a habilidade do programa em modelar algumas características como janelas com diferentes
orientações, dispositivos de sombreamento e ventilação noturna.
• 2 casos (800 e 810), de alta massa, que testam a inércia térmica sem transmissão solar e a
interação da massa com a absortância solar interna.
• 4 casos (600FF à 950FF) de teste de evolução livre da temperatura.
Em todos os casos desta metodologia as edificações possuem as mesmas dimensões (8 m de
comprimento, 6 m de largura e 2,7 m de altura), porém algumas características construtivas são
diferentes. Na Figura 2.1 são apresentadas as plantas em vista isométrica de alguns casos de baixa
massa (Henninger e Witte, 2003): o caso 600 representa a edificação básica de teste com janelas na
face sul, o caso 610 representa o teste de sombreamento com marquise na face sul, o caso 620
representa o teste de orientação das janelas nas faces leste e oeste, e o caso 630 representa o teste de
sombreamento das janelas nas faces leste e oeste.
Alguns exemplos de casos testados pelo BESTEST são mostrados abaixo:
Figura 3. Exemplo de casos testados pelo BESTEST.
A versão mais atual do BESTEST é o HVAC BESTEST. Este procedimento testou vários
parâmetros de diversos programas, alguns desses parâmetros estão relacionados com cargas de
refrigeração e aquecimento, temperaturas e umidade do ar interno e externo à zona e a sensibilidade
destes parâmetros. O Trace e o EnergyPlus passaram por estes testes, chegando a resultados próximos
(TRANE, 2006b). As Figuras 4 e 5 mostram dois exemplos dentre os parâmetros analisados:
32
Figura 4. HVAC BESTEST: Comparação da carga térmica sensível de serpentina para alguns casos. (TRANE,
2006b)
Figura 5. HVAC BESTEST: Comparação da carga térmica latente de serpentina para alguns casos. (TRANE,
2006b)
33
3.2 EXEMPLO RESOLVIDO DO ASHRAE FUNDAMENTALS
Um exemplo do ASHRAE 1997 Fundamental Handbook foi resolvido utilizando as cinco
ferramentas de cálculo de carga térmica. O exemplo é descrito a seguir:
Um pequeno edifício comercial de um andar (Fig. (6)) está localizado no leste dos Estados Unidos,
próximo ao paralelo 40º Norte. Os recintos ao norte e a oeste não são condicionados, de forma que a
temperatura do ar nestes recintos é aproximadamente igual à temperatura do ar externo a qualquer hora
do dia. As condições internas e externas são 24ºitbs C= , 18ºitbu C= , 35ºetbs C= ,
25ºetbu C= , 11ºVD C= . Os materiais construtivos utilizados no E+ e no Trace apresentavam as
mesmas propriedades termofísicas. Os valores de coeficientes de transmissão de calor U utilizados na
planilha Excel foram aqueles gerados pelo Trace. No CTVer não é possível entrar diretamente com o
valor de U, sendo preciso optar por uma construção que seja próxima da desejada, consultando o
manual do usuário (Beyer & Salvadoretti, 2003c).
Figura 6. Descrição do exemplo do ASHRAE 1997 Fundamentals Handbook. (ASHRAE, 1997)
Os resultados obtidos por cada ferramenta foram os seguintes:
Tabela 1. Resultados para um dia de projeto do exemplo do ASHRAE (1997).
Carga Térmica [kW] (TR) Desvio (%)
E+ 54.71 (15.54) -3.1
Trace 57.61 (16.37) 2.0
CTVer 65.69 (18.66) 16.3
Planilha 77.23 (21.94) 36.7
TR/m2 50.86 (14.45) -10.0
Resultado ASHRAE 56.49 (16.05) 0.0
34
A Fig. (7) mostra a visualização em AutoCad (Autodesk, 2006) do arquivo “.dfx” gerado pelo EP.
Figura 7. Exemplo ASHRAE: arquivo “.dfx” gerado pelo EP.
O resultado ASHRAE foi tomado como referência, uma vez que ele foi resolvido analiticamente.
Estes resultados foram obtidos utilizando os seguintes parâmetros:
• Coeficiente de sombreamento (CS) das persianas internas: 0.5
• Orientação como mostrada na Figuras (6) e (7);
• Principais materiais utilizados: Telhado: 100 mm de concreto baixa densidade
( 100l mm= , ( )0.17 /k W m K= ⋅ , 3/kg mρ = 641 ); parede externa sul e paredes
internas norte e leste: tijolo comum 200 mm ( 200l mm= , ( )0.72 /k W m K= ⋅ ,
31922 /kg mρ = ); paredes externas norte e leste: bloco de concreto de alta densidade 200
mm ( 200l mm= , ( )1.03 /k W m K= ⋅ , 3977 /kg mρ = ).
• O telhado apresenta isolamento térmico.
Analisando os resultados do exemplo da ASHRAE (Tab. (1)), verifica-se que as ferramentas
EnergyPlus e Trace obtiveram uma boa margem de aproximação em relação ao resultado dado na
referência.
O resultado dado pelo CTVer, relativamente acima do esperado (16.3%), deve-se à limitada
biblioteca de tipos de construção, não sendo possível caracterizar individualmente os materiais de
construção. Isto influi no cálculo da inércia térmica, uma vez que a escolha dos tipos de construção
baseou-se apenas nos coeficientes globais de transferência de calor de cada composição, não
considerando a massa específica de cada material.
A mesma limitação de materiais ocorre com a planilha Excel, que utiliza apenas o coeficiente
global U, não considerando o peso da construção. Outro ponto que contribuiu para o valor
superestimado dado pela planilha (36.7%) é a não utilização de agendamentos, considerando que estão
35
100% dos ocupantes na zona, 100% dos equipamentos funcionando e 100% da iluminação ligada, tudo
ao mesmo tempo.
O cálculo TR/m2 apresentou também um resultado fora do esperado, uma vez que este tipo de
cálculo é muito superficial, representando uma média muito imprecisa.
36
4 ESTUDO DE CASO – NTI-CPD
Um edifício escolhido para a análise das ferramentas de cálculo de carga térmica foi o Núcleo de
Tecnologia da Informação e Centro de Processamento de Dados da Universidade de Brasília. Este
edifício ainda não existe, estando ainda na fase de projeto. O órgão responsável pelo projeto é o
Centro de Planejamento Oscar Niemeyer – CEPLAN – da Universidade de Brasília, juntamente com o
Laboratório de Projetos, do departamento de Engenharia Civil, também da UnB. Estão previstos três
pavimentos, sendo um subsolo, um pavimento térreo, e um pavimento superior, totalizando uma área
coberta de 2559,55 m². As figuras do Anexo I mostram o edifício.
4.1 CONDIÇÕES EXTERNAS E INTERNAS DE SIMULAÇÃO
As condições externas de projeto adotadas para a planilha Excell, para o Trace foram:
• Temperatura de bulbo seco do ar exterior: 32ºC
• Umidade relativa de 50%, temperatura de bulbo úmido (a 32ºC) de 23.7ºC e razão de
umidade de 0.01496 kg de vapor por kg de ar seco.
Para a simulação no EnergyPlus, necessita-se de dados climáticos ao longo das 8760 horas do ano.
Como o edifício localiza-se em Brasília, utilizou-se um arquivo climático (arquivo extensão “.epw” –
EnergyPlus Weather Data) com dados obtidos do projeto da Organização das Nações Unidas –
SWERA (Solar and Wind Energy Resource Assessment). Estes dados são uma média ao longo de
vários anos, representado um “ano típico” de projeto. O arquivo foi obtido a partir do sítio na Internet
do EnergyPlus.
No EnergyPlus também foi utilizado o dia de projeto com dados da referência ASHRAE (1997).
Esse dia de projeto é do tipo 1%.
4.2 INSERÇÃO DE DADOS
Iniciou-se com a caracterização do edifício no programa EnergyPlus. A inserção de dados neste
programa é um tanto quanto complexa, devido ao grande número de entradas a serem preenchidas.
Como já mencionado anteriormente, o arquivo para simulação é o de extensão “.idf”. Por
simplicidade, utilizou-se o arquivo de entrada de um exemplo resolvido durante um mini-curso
ministrado pelo professor Paulo Beyer.
Neste exemplo e nos outros estudos de caso, utilizou-se o sistema de condicionamento tipo
Compact HVAC: Purchased Air. Este sistema é o mais simples para fins de análise de carga térmica
do edifício. Outros sistemas implicam na criação de redes de distribuição de ar e água e da inserção de
diversas variáveis, tais como curvas de desempenho e dados dos trocadores de calor existentes no
sistema. O sistema tipo Purchased Air, como a tradução indica, significa a compra pelo
37
condicionamento do ambiente, analogamente como é feito com o GLP encanado em algumas cidades;
porém não se compra diretamente o ar frio, mas sim a água gelada, medida de alguma forma em
unidade de volume.
A inserção de dados no Trace é simples, uma vez que é um programa de interface amigável. Nele é
possível a criação de até quatro alternativas de sistemas de climatização. A entrada de dados para a
caracterização do edifício inicia-se com o fornecimento de informações básicas sobre o projeto:
descrição da alternativa, nome do projeto, localização da edificação, proprietário da edificação,
usuário do programa, nome da empresa de projeto e comentários adicionais.
O próximo passo é a escolha de uma localização climática. Além das 448 localidades existentes na
biblioteca do Trace, é possível criar novas localidades, através do Library/Template Editor. Neste
editor, na seção do Weather Library cria-se novas localidades. As entradas para a nova localidade
criada são: região, sub-região, localidade, latitude, longitude, altitude, zona de fuso horário, mês de
projeto, pressão atmosférica do ar externo, temperatura de bulbo seco do ar externo para o verão e para
o inverno, temperatura de bulbo úmido do ar externo para o verão, fator de claridade para o verão e
inverno, reflectância do solo para o verão e para o inverno e velocidade do vento para o verão e para o
inverno.
É feita então a caracterização da programação de funcionamento do edifício. Isto é feito
criando-se novos padrões de programação, ou agendamento (schedule) no Library/Template Editor.
Nele é possível criar diferentes agendamentos que descrevem a freqüência e intensidade de
funcionamento das luzes, equipamentos, fontes de calor diversas e circulação de pessoas. Foram
criados quatro agendamentos diferentes. O agendamento para circulação de pessoas prevê uma
freqüência de zero por cento entre 22:00 e 8:00, 50% entre 8:00 e 9:00, 100% entre 9:00 e 12:00, 60%
entre 12:00 e 14:00, 100% novamente entre 14:00 e 18:00 e 20% entre 18:00 e 22:00. Os perfis dos
agendamentos estão ilustrados nas figuras do Anexo II.
O agendamento dos equipamentos internos foi dividido em dois agendamentos distintos. Pela
destinação do edifício, prevê-se que existirão equipamentos essenciais, que nunca poderão ser
desligados, como servidores centrais e no-breaks. Já outros equipamentos tais como impressoras,
computadores pessoais, equipamentos das salas de projeção e sala de reprografia somente serão
utilizados em determinadas horas do dia.
O agendamento para a iluminação interna (ativa) considera que de 22:00 horas até as 7:00 horas do
dia seguinte apenas 20% da iluminação estará ligada. Ao longo do resto do dia todas as luzes estarão
ligadas, como pode ser visto na figura do Anexo II.
Foi utilizada uma vazão de renovação de ar igual a 25 m3/h por pessoa e uma taxa de emissão de
calor de 11 W/m2 para a iluminação. Admitiu-se que cada ocupante libera 120 W.
38
4.2 SIMULAÇÕES E RESULTADOS
Foram feitas simulações no EnergyPlus ao longo de um dia de projeto e ao longo do ano,
utilizando o arquivo climático SWERA para Brasília. No programa Trace fez-se o cálculo da carga
térmica de pico, uma vez que a versão Trace – Load não realiza simulações, apenas cálculos de pico.
O edifício foi dividido em 51 zonas térmicas, como mostrado na planta do Anexo II. A Fig. (8)
mostra o arquivo “.dfx” visualizado em AutoCad (Autodesk, 2006):
Figura 8. Arquivo “.dfx” gerado pela simulação no E+ do edifício NTI-CPD.
Percebe-se as divisórias internas, consideradas na descrição da geometria das zonas.
As Figuras 9 e 10 mostram a divisão das zonas:
Figura 9. Pavimento térreo. NTI-CPD.
39
Figura 10. Pavimento superior. NTI-CPD.
As Figuras 9 e 10 estão também no Anexo II, em maior escala.
Para o edifício em sua configuração original, como está em planta (Anexo II), obteve-se os
seguintes resultados para a carga térmica de pico, analisada em um dia de projeto:
Tabela 2. Resultados da carga térmica de pico para o NTI-CPD. Configuração original.
Carga Térmica [kW] (TR)
E+ 166.1 (47.2)
Trace 274.6 (78.0)
A grande diferença entre o resultado do E+ e do Trace deve-se à não consideração da vazão de ar
de renovação pelo E+. Isto porque ao implantar a vazão de ar de renovação no E+ foi utilizado o
campo Infiltration. Percebe-se que este campo não é adequado para declarar vazões de renovação, uma
vez que ele não considera esta vazão como componente da carga térmica. Nos outros estudos de caso a
renovação de ar foi declarada no campo Compact HVAC:Zone:Unitary.
Tomando o norte verdadeiro como sendo o referencial (0º) e o sentido positivo sendo a leste do
norte verdadeiro (Fig. (11)), variou-se a orientação do edifício, obtêm-se os seguintes valores, ainda
para simulação de um dia de projeto:
Figura 11. Convenção da orientação do edifício.
N (0º)
+
E (90º)
S (180º)
W (270º)
40
Tabela 3. Resultados da carga térmica de pico para o NTI-CPD. Variação da orientação.
E+ E+ Trace Trace
Orientação Carga Térmica [kW] (TR)
Desvio (%) Carga Térmica [kW] (TR)
Desvio (%)
0º 166.1 (47.2) 0.0 278.8 (79.2) 0.0
45º 161.6 (45.9) -2.8 276.0 (78.4) -1.0
90º 161.6 (45.9) -2.8 271.0 (77.0) -2.8
135º 189.0 (53.7) 13.8 283.4 (80.5) 1.6
180º 192.9 (54.8) 16.1 294.3 (83.6) 5.6
225º 173.5 (49.3) 4.4 291.1 (82.7) 4.4
270º 157.0 (44.6) -5.5 274.6 (78.0) -1.5
315º 165.1 (46.9) -0.6 277.4 (78.8) -0.5
A Fig. (12) mostra o gráfico da variação da carga térmica de pico com a orientação:
Carga Térmica de Pico X Orientação
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
100.0
0 45 90 135 180 225 270 315
Orientação (º)
Car
ga
Tér
mic
a (T
R)
E+
Trace
Figura 12. Gráfico Carga Térmica de Pico X Orientação. NTI-CPD.
Da Fig (12), nota-se que o comportamento da carga térmica em função da orientação é semelhante
nos dois programas, apesar dos valores dados pelo Trace serem maiores.
Variando novamente a orientação, porém agora realizando a simulação ao longo do ano no E+,
obtém-se a carga térmica de bloco máxima:
41
Tabela 4. Resultados da carga térmica de bloco e da energia de refrigeração ao longo do ano para o
NTI-CPD. Variação da orientação no E+.
Carga Térmica de bloco [kW] (TR)
Desvio (%) Energia de refrigeração [MWh]
Desvio (%)
0º 169.7 (48.2) 0.0 828.0 0.0
45º 168.6 (47.9) -0.6 812.9 -1.8
90º 167.9 (47.7) -1.0 799.5 -3.4
135º 183.4 (52.1) 8.1 812.0 -1.9
180º 187.6 (53.3) 10.6 826.4 -0.2
225º 177.8 (50.5) 4.8 824.5 -0.4
270º 174.6 (49.6) 2.9 817.1 -1.3
315º 168.3 (47.8) -0.8 826.4 -0.2
A energia de refrigeração é a integral da potência requerida a cada hora para manter as condições
desejadas. Por exemplo, a energia de refrigeração para um dia de projeto seria a integral do gráfico
mostrado na Fig. (13):
Carga térmica ao longo do dia de projeto
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Hora do dia
Carg
a térm
ica (kW
)
Figura 13. Carga térmica ao longo de um dia de projeto para a orientação a 0º. NTI-CPD.
A Fig. (14) mostra um gráfico da carga térmica ao longo das 8760 horas do ano para as orientações
0º e 90º:
42
Carga térmica ao longo do ano
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
1
529
1057
1585
2113
2641
3169
3697
4225
4753
5281
5809
6337
6865
7393
7921
8449
Hora do ano
Car
ga
térm
ica
(kW
)
0º
90º
Polinômio (90º)
Polinômio (0º)
Figura 14. Carga térmica ao longo do ano para as orientações 0º e 90º. NTI-CPD.
Neste gráfico foi utilizado um polinômio de grau seis para a curva da média. Nota-se que a curva
da média para 90º está mais abaixo que a média para orientação a 0º. Isto evidencia a menor energia de
refrigeração ao longo de um ano para a orientação a 90º.
A Fig. (15) mostra o comportamento da carga térmica de bloco comparada com a energia de
refrigeração, para as diferentes orientações:
Carga Térmica de bloco e Energia de Refrigeração
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
80.00
90.00
0 45 90 135 180 225 270 315
Orientação (º)
(MW
h/1
0) (TR)
Energia de Refrigeração(MWh/10)
Carga Térmica de bloco(TR)
Figura 15. Carga Térmica de bloco e energia de refrigeração ao longo de um ano. NTI-CPD
43
A parcela da carga térmica devido ao ganho solar através de janelas é pequena (1.5%) para um dia
de projeto, mesmo utilizando vidros sem película e não considerando nenhum dispositivo de
sombreamento. Assim, a utilização de dispositivos de sombreamento e de película nos vidros como
uma tentativa de diminuir a carga térmica passa a penalizar a iluminação natural. Deve-se proceder
com um estudo de quanto é possível economizar em energia de climatização utilizando sombreamento
ou película e quanto a mais será gasto em iluminação artificial, tudo isto ao longo de um ano.
Na simulação do NTI-CPD analisou-se a influência da variação da orientação do eixo principal do
edifício com o norte verdadeiro. A variação da orientação do edifício parece não causar grandes
alterações na carga térmica, quando analisada apenas para um dia de projeto ou quando analisada a
carga térmica de bloco. Por outro lado, quando se analisa pela simulação ao longo do ano, Tab. (4),
obtém-se uma diferença de até 28.5 MWh por ano. Admitindo-se um coeficiente de performance igual
a 3 e um valor de 243.9 R$/MWh de energia elétrica, obtém-se um consumo de energia elétrica de
refrigeração igual a R$ 2 316 por ano.
44
5 ESTUDO DE CASO – FUNASA
O edifício sede da FUNASA está localizado na quadra 4 do Setor de Autarquias Sul, em Brasília,
Distrito Federa. Ele é composto por dois tipos de pavimento: os inferiores (1º e 2º pavimentos) e o
restante (3º ao 10º pavimento).
Como um estudo de caso, o edifício foi modelado no EnergyPlus. Esquadrias das janelas e
edifícios adjacentes foram considerados. Maiores detalhes construtivos podem ser vistos em partes do
arquivo de entrada “.idf”, no Anexo III. Também foram simulados dispositivos de sombreamento
(brise e persiana). A Fig. (16) mostra o arquivo “.dfx” gerado pela simulação:
Figura 16. Edifício sede da FUNASA. Arquivo .dfx gerado pelo EP.
Um pavimento típico é mostrado abaixo, na Fig. (17):
Figura 17. FUNASA: Pavimento típico.
45
As Figuras (18) e (19) mostram uma fotografia das fachadas leste e oeste do edifício:
Figura 18. FUNASA: Fachada leste.
Figura 19. FUNASA: Edifícios adjacentes, considerados como superfícies sombreadoras.
Fachada Oeste
Edifícios adjacentes
46
Figura 20. FUNASA: Pavimento sob reforma.
Figura 21. FUNASA: Pavimento reformado e em funcionamento.
O vão central na parte inferior do edifício, visto na Fig. (16), deve-se à existência de uma sobre-
loja, na qual funciona uma agência do Banco do Brasil. Também na Fig. (16), nota-se as superfícies
geradas para simular o efeito de sombreamento devido aos edifícios adjacentes (as duas superfícies
maiores) e às escadas de incêndio (duas superfícies mais estreitas e mais próximas ao edifício da
FUNASA). Na simulação não foram inclusas as áreas de circulação dos elevadores e nem as áreas
molhadas, existentes em todos os pavimentos.
Utilizou-se como dia de projeto o critério de 1% para dias de projeto (ASHRAE, 1997). Como
condições internas, foi admitida uma 23ºitbs C= e 50%iUR = . O nível de iluminação foi tido
como sendo 30.4 W/m2 e não se considerou a renovação do ar.
Para a simulação ao longo do dia de projeto, o seguinte resultado foi obtido:
47
Tabela 5. FUNASA: Resultados para dia de projeto no E+.
Carga Térmica [kW] (TR) Desvio (%)
Funasa_Caso_1_Dia 1131.3 (321.4) 0.0
Funasa_Caso_2_Dia 1144.4 (325.1) 1.2
Funasa_Caso_3_Dia 1188.7 (337.7) 5.1
A descrição de cada caso é a seguinte:
• Funasa_Caso_1: Considera-se o efeito de sombreamento dos edifícios e escadas de
incêndio adjacentes; existe brise externa na fachada oeste e persianas internas na fachada
leste, programadas para evitarem a incidência de radiação solar direta.
• Funasa_Caso_2: Idem ao caso Funasa_Caso_1, mas desconsiderando o efeito de
sombreamento de edifícios adjacentes.
• Funasa_Caso_3: Idem ao caso Funasa_Caso_1, mas sem persianas internas na face leste.
O termo “_Dia” indica que a simulação foi feita para um dia de projeto, e o termo “_Ano” indica
que a simulação foi feita para um ano, utilizando um arquivo climático.
Para as simulações ao longo de um ano, analisa-se tanto a carga térmica de bloco quanto a energia
de refrigeração demandada ao longo do ano inteiro. A carga térmica de bloco é o valor máximo da
soma de cada zona a cada hora; ela não é necessariamente a soma das cargas térmicas de pico de cada
zona. A energia de refrigeração é a soma da energia demandada para manter as condições climáticas
nas zonas; esta energia não é a energia elétrica consumida, uma vez que os sistemas de refrigeração
apresentam coeficientes de performance maiores que um. Assim sendo, a energia elétrica consumida
ao longo do ano será menor que a energia de refrigeração demandada ao longo do ano.
Para a simulação utilizando arquivo climático, obtêm-se os seguintes resultados de carga térmica
de bloco e de energia de refrigeração demandada ao longo do ano:
Tabela 6. FUNASA: Resultados para simulação ao longo de um ano, utilizando E+.
Carga Térmica de bloco [kW]
(TR)
Desvio da carga térmica (%)
Energia de refrigeração [MWh]
Desvio da energia de refrigeração
(%)
Funasa_Caso_1_Ano 1364.7 (387.7) 0.0 1974.2 0.0
Funasa_Caso_2_Ano 1391.5 (395.3) 3.0 2016.6 2.1
Funasa_Caso_3_Ano 1453.4 (412.9) 7.5 2087.7 5.8
O estudo de caso da FUNASA teve importância na avaliação da influência de se considerar o
efeito de sombreamento de edifícios vizinhos e da utilização de dispositivos internos de
sombreamento. Da Tab. (5) observa-se que a não consideração do efeito de sombreamento de
superfícies adjacentes ao edifício causa um aumento de 2.1% na energia de refrigeração demandada no
48
ano. A não utilização de persianas internas na fachada leste causou um aumento de 113.5 MWh de
refrigeração em um ano. Isto implica, para um coeficiente de performance de 3 e um valor de 243.9
R$/MWh de energia elétrica, um gasto extra de R$ 9 223.4 em um ano. Desta forma, mostra-se
necessário a consideração de superfícies vizinhas ao edifício simulado, quando pretende-se realizar
uma simulação ao longo do ano.
49
6 ESTUDO DE CASO – PGR
A Procuradoria Geral da União está localizado na cidade de Brasília, no Setor de Administração
Federal Sul – SAFS, quadra 4, conjunto C. São ao todo seis edifícios, a saber: o bloco A, onde
funciona a parte administrativa da procuradoria, o bloco B, onde ficam os procuradores, o bloco C,
onde existe um auditório e um salão de eventos, o bloco D, onde funciona um restaurante, o bloco E,
onde funciona o serviço médico e o bloco F, onde funciona a área de engenharia e manutenção. A Fig.
(22) mostra parte do conjunto de edifícios:
Figura 22. PGR: Blocos A, B, C e D.
Na Fig. (22) a construção menor, na cor branca, representa os blocos C e D, ligados por uma
passarela; o bloco C está à esquerda, sem janelas, e o bloco D está à direita, com janelas. Os dois
edifícios maiores, cilíndricos e espelhados são o bloco A, à esquerda e o bloco B, à direita. A Fig. (23)
ilustra melhor a disposição das construções do complexo:
Figura 23 PGR: Disposição dos edifícios.
Bloco E
Bloco B
Bloco C Bloco D Bloco A
Bloco F
50
Nota-se da Fig. (23) que o único edifício que não apresenta geometria circunferencial é o bloco F.
A metodologia utilizada para o modelamento geométrico dos edifícios circunferenciais foi a
discretização da circunferência por octógonos. No caso do bloco C, que não apresenta geometria
circunferencial regular, foi feita uma discretização utilizando onze superfícies. As aproximações
podem ser vistas nas Figuras (24) e (25):
Figura 24. PGR: Blocos A e B, discretização das superfícies circunferenciais.
Figura 25. PGR: Blocos C e D, discretização das superfícies circunferenciais.
Os arquivos “.dfx” gerados pelo E+ são mostrados a seguir:
51
Figura 26. PGR: Bloco A, arquivo “.dfx” gerado pelo E+.
Figura 27. PGR: Blocos C e D, arquivo “.dfx” gerado pelo E+.
Figura 28. PGR: Bloco E, arquivo “.dfx” gerado no E+.
52
Figura 29. PGR: Bloco F, arquivo “.dfx” gerado no E+.
Observa-se da Figuras (23) que os blocos A e B têm seus pavimentos em formatos anulares. Nas
Figuras (26) e (28) são mostradas as superfícies criadas para simular o efeito de sombreamento
provocado pelos edifícios da vizinhança; foi modelada apenas uma superfície, porém uma maior
precisão seria obtida quanto mais superfícies fossem utilizadas, devido às sucessivas posições do sol.
Na Fig. (29) é mostrado o bloco F, onde foi considerada a projeção da marquise para efeitos de
sombreamento; o centro do edifício, onde estão as áreas de circulação dos elevadores e os sanitários
não foram considerados.
Nas simulações utilizou-se a opção de massas internas do E+, ao invés de se caracterizar
pavimento por pavimento. As áreas de piso de cada pavimento foram somadas, e a partir desse valor e
da constituição da superfície entre cada pavimento o programa calcula uma massa interna, a fim de
que seja contabilizada a inércia térmica do edifício.
Para os blocos A, B e E foi considerado o efeito de sombreamento pelos edifícios vizinhos. Na
simulação do bloco A, considerou-se o efeito do bloco B sobre ele; na simulação do bloco B,
considerou-se o efeito do bloco A sobre ele; na simulação do bloco E considerou-se o efeito do bloco
A apenas, uma vez que o bloco B está ao norte do bloco E, não causando sombreamento sobre ele.
As programações de funcionamento são: blocos A, B, E e F: segunda a sexta-feira, 8:00 às 20:00
horas; bloco C (auditório): uma vez por semana, 18:00 às 20:00 horas; bloco D (restaurante), de
segunda a sexta-feira, das 11:00 às 15:00 horas. Detalhes a respeito dos materiais construtivos e de
programações de freqüência de ocupação, iluminação e de equipamentos internos podem ser vistos em
partes do arquivo “.idf”, no Anexo III. Os resultados das simulações ao longo de um ano foram os
seguintes:
Tabela 7. PGR: Resultados da simulação dos seis edifícios ao longo de um ano no E+.
Carga térmica máxima [kW] (TR)
Energia de refrigeração [MWh]
Bloco A 1580.5 (449.0) 2477.9
Bloco B 1565.7 (444.8) 2470.7
Bloco C 286.9 (81.5) 8.8
Bloco D 346.7 (98.5) 139.6
Bloco E 214.0 (60.8) 391.9
53
Bloco F 174.9 (49.7) 283.8
Total do Complexo 4168.7 (1184.3) 5772.7
Para um vidro com uma refletividade solar 10% maior, os resultados para os blocos A e B são:
Tabela 8. PGR: Resultados para um ano de simulação dos blocos A e B com vidro 10% mais refletivo.
Carga térmica [kW] (TR)
Desvio (%) Energia de refrigeração [MWh]
Desvio (%)
Bloco A (Vidro 10% mais refletivo)
1440.0 (409.1) -8.9 2335.9 -5.7
Bloco B (Vidro 10% mais refletivo)
1426.7 (405.3) -8.9 2329.8 -5.7
Na Tab. (8) o desvio é obtido com relação aos valores da Tab. (7), ou seja, os valores para o vidro
original.
A análise dos vidros foi feita para os blocos A e B apenas, uma vez que são os edifícios com maior
área envidraçada.
Na simulação da Procuradoria Geral da República foi possível ver a grande diferença no consumo
de energia anual de refrigeração (até 142 MWh, ou R$ 17 317 economizados em energia elétrica,
utilizando os parâmetros anteriores) com um aumento de apenas 10% da refletividade solar dos vidros.
54
7 CONCLUSÕES
A utilização de dispositivos de sombreamento pode não parecer vantajosa quando analisada apenas
do ponto de vista da carga térmica de pico. As simulações ao longo de um ano de operação mostraram
que a utilização destes dispositivos apresenta uma economia considerável de energia elétrica, bem
como a utilização de envidraçamentos com maior refletividade.
Qualquer alteração na construção de um edifício visando a diminuição da carga térmica deve ser
analisada através de uma simulação ao longo do ano. A partir dos resultados de uma simulação ao
longo do ano pode-se prever o quanto é possível economizar e qual o peso de uma determinada
alteração.
Em edifícios com grande porcentagem de área envidraçada, como os blocos A e B da PGR, a
economia que se tem com energia elétrica de refrigeração pode superar o maior gasto com iluminação,
cabendo uma análise mais detalhada.
Como trabalhos futuros, sugere-se a utilização destes estudos de caso aqui utilizado, uma vez que
assim não será gasto tanto tempo e esforço na descrição geométrica dos edifícios. Sugere-se que seja
feita análises de sistemas de refrigeração, simulando os laços de ar e água (caso exista). Sugere-se
também uma análise lumínica, considerando a possibilidade de dimerização acionada por
piranômetros.
Um estudo interessante seria também a análise da influência do número de superfícies utilizadas
para aproximar superfícies curvilíneas.
Sugere-se também um aprofundamento no programa EnergyPlus, visto a vasta gama de aplicações
que este software oferece. Uma proposta de trabalho futuro é a análise da influência de números de
superfícies de aproximação para uma superfície curvilínea.
Com relação a métodos de cálculo de carga térmica, sugere-se a análise do método dos Manuais J,
publicados pelas Empresas de Ar Condicionado da América (Air Conditioning Contractors of
América) e vastamente utilizados nos Estados Unidos.
55
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57
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58
ANEXOS
Pág.
Anexo I Plantas do prédio NTI-CPD-UnB 59
Anexo II Perfis de agendamento 64
Anexo III Dados das simulações (trechos dos arquivos “.idf” 66
59
ANEXO I: Plantas do prédio NTI-CPD-UnB
60
61
62
NTI-CPD: P
avim
ento Térreo
63
NTI-CPD: P
avim
ento Superior
64
ANEXO II: Perfis de agendamento
0%5%10%15%20%25%30%35%40%45%50%55%60%65%70%75%80%85%90%95%100%
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
Hora do dia
Porc
enta
gem
de o
cupação
0%10%
20%30%
40%50%
60%70%
80%90%
100%
0:00
1:30
3:00
4:30
6:00
7:30
9:00
10:30
12:00
13:30
15:00
16:30
18:00
19:30
21:00
22:30
Hora do dia
Porc
enta
gem
Epto
s Ess
enci
ais
65
0%10%20%
30%40%50%60%70%
80%90%100%
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
Hora do dia
Porc
enta
gem
Epto
s Norm
ais
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0:00
1:00
2:00
3:00
4:00
5:00
6:00
7:00
8:00
9:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
19:00
20:00
21:00
22:00
23:00
Hora do dia
Porc
enta
gem
de
ilum
inaç
ão
66
ANEXO III: Dados das simulações retirados dos arquivos .idf
Exemplo ASHRAE:
!- =========== ALL OBJECTS IN CLASS: LOCATION =========== Location, EASTERN USA, !- LocationName 40, !- Latitude {deg} -47.93, !- Longitude {deg} -3.00, !- TimeZone {hr} 500; !- Elevation {m} !-============================== DIAS DE PROJETO =============================== DesignDay, EX-ASHRAE, !- Name 35, !- Max Dry-Bulb {C} 11.00, !- Daily Temp Range {C} 25.0, !- Wet-Bulb at Max {C} 95000, !- Barometric Pressure {Pa} 3.20, !- Wind Speed {m/s} design conditions vs. traditional 3.35 m/s (7mph) 90.00, !- Wind Direction {Degrees; N=0, S=180} 1.00, !- Clearness {0.0 to 1.1} 0, !- Rain {0-no,1-yes} 0, !- Snow on ground {0-no,1-yes} 21, !- Day of Month 7, !- Month SummerDesignDay,!- Day Type 0, !- Daylight Savings Time Indicator Wet-Bulb; !- Humidity Indicating Temperature Type !- =========== ALL OBJECTS IN CLASS: MATERIAL:REGULAR =========== MATERIAL:Regular,A7 - 4 IN FACE BRICK, !- Material Name Rough, !- Roughness 0.1000000 , !- Thickness {m} 1.330000 , !- Conductivity {w/m-K} 2002.300 , !- Density {kg/m3} 920.0000 , !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000 , !- Thermal Emittance 0.9300000 , !- Solar Absorptance 0.9300000 ; !- Visible Absorptance MATERIAL:Regular,C9 - 8 IN COMMON BRICK, !- Material Name ELEMENTO DOMINANTE PAREDE EXT SUL E NAS PAREDES INT NORTE E OESTE Rough, !- Roughness 0.2000000 , !- Thickness {m} 0.7200000 , !- Conductivity {w/m-K} 1922.210 , !- Density {kg/m3} 830.0000 , !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000 , !- Thermal Emittance 0.7200000 , !- Solar Absorptance 0.7200000 ; !- Visible Absorptance MATERIAL:Regular,E8 - 5 / 8 IN PLASTER OR GYP BOARD, !- Material Name Smooth, !- Roughness 9.9999998E-03, !- Thickness {m} 0.1600000 , !- Conductivity {w/m-K} 784.9000 , !- Density {kg/m3} 830.0000 , !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000 , !- Thermal Emittance 0.9200000 , !- Solar Absorptance 0.9200000 ; !- Visible Absorptance MATERIAL:Regular,BLBD - PLYWOOD 1 / 4 IN, !- Material Name MediumSmooth, !- Roughness 6.3999998E-03, !- Thickness {m} 0.1100000 , !- Conductivity {w/m-K} 544.6200 , !- Density {kg/m3} 1210.000 , !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000 , !- Thermal Emittance 0.7800000 , !- Solar Absorptance 0.7800000 ; !- Visible Absorptance
67
MATERIAL:Regular,C8 - 8 IN HW CONCRETE BLOCK, !- Material Name ELEMENTO DOMINANTE PAREDES EXT NORTE E LESTE Rough, !- Roughness 0.2000000 , !- Thickness {m} 1.030000 , !- Conductivity {w/m-K} 977.1200 , !- Density {kg/m3} 830.0000 , !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000 , !- Thermal Emittance 0.6500000 , !- Solar Absorptance 0.6500000 ; !- Visible Absorptance MATERIAL:Regular,C14 - 4 IN LW CONCRETE, !- Material Name ELEMENTO DOMINANTE TETO MediumRough, !- Roughness 0.1000000 , !- Thickness {m} 0.1700000 , !- Conductivity {w/m-K} 640.7300 , !- Density {kg/m3} 830.0000 , !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000 , !- Thermal Emittance 0.6500000 , !- Solar Absorptance 0.6500000 ; !- Visible Absorptance MATERIAL:Regular,A3 - STEEL SIDING, !- Material Name Smooth, !- Roughness 1.5000000E-03, !- Thickness {m} 44.96000 , !- Conductivity {w/m-K} 7688.860 , !- Density {kg/m3} 410.0000 , !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000 , !- Thermal Emittance 0.2000000 , !- Solar Absorptance 0.2000000 ; !- Visible Absorptance MATERIAL:Regular,B3 - 2 IN INSULATION, !- Material Name TETO VeryRough, !- Roughness 5.0000001E-02, !- Thickness {m} 3.9999999E-02, !- Conductivity {w/m-K} 32.03000 , !- Density {kg/m3} 830.0000 , !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000 , !- Thermal Emittance 0.5000000 , !- Solar Absorptance 0.5000000 ; !- Visible Absorptance MATERIAL:Regular,E3 - 3 / 8 IN FELT AND MEMBRANE, !- Material Name Rough, !- Roughness 9.4999997E-03, !- Thickness {m} 0.1900000 , !- Conductivity {w/m-K} 1121.290 , !- Density {kg/m3} 1670.000 , !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000 , !- Thermal Emittance 0.7500000 , !- Solar Absorptance 0.7500000 ; !- Visible Absorptance MATERIAL:Regular,E2 - 1 / 2 IN SLAG OR STONE, !- Material Name Rough, !- Roughness 9.9999998E-03, !- Thickness {m} 1.430000 , !- Conductivity {w/m-K} 881.0100 , !- Density {kg/m3} 1670.000 , !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000 , !- Thermal Emittance 0.5500000 , !- Solar Absorptance 0.5500000 ; !- Visible Absorptance MATERIAL:Regular,E1 - 3 / 4 IN PLASTER OR GYP BOARD, !- Material Name Smooth, !- Roughness 9.9999998E-03, !- Thickness {m} 0.7200000 , !- Conductivity {w/m-K} 1601.840 , !- Density {kg/m3} 830.0000 , !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000 , !- Thermal Emittance 0.9200000 , !- Solar Absorptance 0.9200000 ; !- Visible Absorptance MATERIAL:Regular,B7 - 1 IN WOOD, !- Material Name MediumSmooth, !- Roughness 2.0000000E-02, !- Thickness {m} 0.1200000 , !- Conductivity {w/m-K} 592.6800 , !- Density {kg/m3} 2510.000 , !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000 , !- Thermal Emittance 0.7800000 , !- Solar Absorptance 0.7800000 ; !- Visible Absorptance MATERIAL:Regular,A6 - FINISH, !- Material Name MediumSmooth, !- Roughness
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9.9999998E-03, !- Thickness {m} 0.4100000 , !- Conductivity {w/m-K} 1249.440 , !- Density {kg/m3} 1080.000 , !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000 , !- Thermal Emittance 0.5000000 , !- Solar Absorptance 0.5000000 ; !- Visible Absorptance !- =========== ALL OBJECTS IN CLASS: MATERIAL:WINDOWGLASS =========== ! ID 3 MATERIAL:WINDOWGLASS, CLEAR 6MM, !- Name SpectralAverage, !- Optical Data Type , !- Name of Window Glass Spectral Data Set 0.003, !- Thickness {m} 0.95, !- Solar Transmittance at Normal Incidence 0.01, !- Solar Reflectance at Normal Incidence: Front Side 0.01, !- Solar Reflectance at Normal Incidence: Back Side 0.95, !- Visible Transmittance at Normal Incidence 0.010, !- Visible Reflectance at Normal Incidence: Front Side 0.010, !- Visible Reflectance at Normal Incidence: Back Side 0.0, !- IR Transmittance at Normal Incidence 0.84, !- IR Hemispherical Emissivity: Front Side 0.84, !- IR Hemispherical Emissivity: Back Side 0.9; !- Conductivity {W/m-K} MATERIAL:WINDOWBLIND, BLIND WITH MEDIUM REFLECTIVITY SLATS, !- Name HORIZONTAL, !- Slat orientation 0.025, !- Slat width {m} 0.02, !- Slat separation {m} 0.001, !- Slat thickness {m} 55, !- Slat angle {deg} 0.1, !- Slat conductivity {W/m-K} 0.5, !- Slat beam solar transmittance 0.4, !- Slat beam solar reflectance, front side 0.4, !- Slat beam solar reflectance, back side 0.5, !- Slat diffuse solar transmittance 0.4, !- Slat diffuse solar reflectance, front side 0.4, !- Slat diffuse solar reflectance, back side 0.2, !- Slat beam visible transmittance 0.5, !- Slat beam visible reflectance, front side 0.5, !- Slat beam visible reflectance, back side 0.2, !- Slat diffuse visible transmittance 0.5, !- Slat diffuse visible reflectance, front side 0.5, !- Slat diffuse visible reflectance, back side 0.2, !- Slat IR (thermal) hemispherical transmittance 0.5, !- Slat IR (thermal) hemispherical emissivity, front side 0.5, !- Slat IR (thermal) hemispherical emissivity, back side 0.050, !- Blind-to-glass distance {m} 0.5, !- Blind top opening multiplier 0.5, !- Blind bottom opening multiplier 0.5, !- Blind left-side opening multiplier 0.5, !- Blind right-side opening multiplier 0.5, !- Minimum Slat Angle {deg} 179.5; !- Maximum Slat Angle {deg} !- =========== ALL OBJECTS IN CLASS: CONSTRUCTION =========== CONSTRUCTION, ROOF001, !- Name E2 - 1 / 2 IN SLAG OR STONE, !- Outside Layer E3 - 3 / 8 IN FELT AND MEMBRANE, B3 - 2 IN INSULATION, A3 - STEEL SIDING, !- Layer #3 C14 - 4 IN LW CONCRETE; !- Layer #4 CONSTRUCTION, PS001, !- Name C14 - 4 IN LW CONCRETE; CONSTRUCTION, PD001, !- Name A7 - 4 IN FACE BRICK, !- Outside Layer C9 - 8 IN COMMON BRICK, !- Layer #2 E1 - 3 / 4 IN PLASTER OR GYP BOARD; !- Layer #3 CONSTRUCTION, PD002, !- Name C8 - 8 IN HW CONCRETE BLOCK, !- Outside Layer E1 - 3 / 4 IN PLASTER OR GYP BOARD; !- Layer #2
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CONSTRUCTION, PD003, !- Name C9 - 8 IN COMMON BRICK, A7 - 4 IN FACE BRICK; !- Outside Layer CONSTRUCTION, JL001, !- Name CLEAR 6MM; !- Outside Layer CONSTRUCTION, PORTA001, !- Name B7 - 1 IN WOOD, A6 - FINISH; !- Outside Layer
NTI-CPD:
MATERIAL:REGULAR-R, MEMBRANA - FILME PLASTICO, !- Name Rough, !- Roughness 0.0005678, !- Thermal Resistance {m2-K/W} 0.9000000, !- Absorptance:Thermal 0.7500000, !- Absorptance:Solar 0.7500000; !- Absorptance:Visible MATERIAL:REGULAR, REBOCO 2.5 CM, !- Name Smooth, !- Roughness 0.025, !- Thickness {m} 0.2300000, !- Conductivity {W/m-K} 800.9200, !- Density {kg/m3} 830.0000, !- Specific Heat {J/kg-K} 0.5, !- Absorptance:Thermal 0.5, !- Absorptance:Solar 0.5; !- Absorptance:Visible MATERIAL:REGULAR, BLOCO CONCRETO FURADO MEDIO 10 CM, !- Name MediumRough, !- Roughness 0.1000000, !- Thickness {m} 0.5100000, !- Conductivity {W/m-K} 1217.400, !- Density {kg/m3} 830.0000, !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000, !- Absorptance:Thermal 0.2000000, !- Absorptance:Solar 0.2000000; !- Absorptance:Visible MATERIAL:REGULAR, SONIQUE WAVE 4cm, !- Name VeryRough, !- Roughness 0.04, !- Thickness {m} 0.36, !- Conductivity {W/m-K} 33, !- Density {kg/m3} 1580, !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9, !- Absorptance:Thermal 0.5, !- Absorptance:Solar 0.5; !- Absorptance:Visible MATERIAL:REGULAR, MADEIRA 2 CM, !- Name MediumSmooth, !- Roughness 2.0000000E-02, !- Thickness {m} 0.1200000, !- Conductivity {W/m-K} 592.6800, !- Density {kg/m3} 2510.000, !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000, !- Absorptance:Thermal 0.7800000, !- Absorptance:Solar 0.7800000; !- Absorptance:Visible MATERIAL:REGULAR, FORRO FIBRA 1.6cm, !- Name Smooth, !- Roughness 0.016, !- Thickness {m} 5.0000001E-02, !- Conductivity {W/m-K} 832.9600, !- Density {kg/m3} 920.0000, !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000, !- Absorptance:Thermal 0.6, !- Absorptance:Solar
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0.6; !- Absorptance:Visible MATERIAL:AIR, ESPAÇO DE AR - FORRO, !- Name 0.1700000; !- Thermal Resistance {m2-K/W} MATERIAL:REGULAR, CONCRETO PESADO 15 CM, !- Name MediumRough, !- Roughness 0.1500000, !- Thickness {m} 1.720000, !- Conductivity {W/m-K} 2242.580, !- Density {kg/m3} 830.0000, !- Specific Heat {J/kg-K} 0.9000000, !- Absorptance:Thermal 0.6500000, !- Absorptance:Solar 0.6500000; !- Absorptance:Visible MATERIAL:REGULAR-R, CARPETE COM FIBRAS, !- Name Rough, !- Roughness 0.3600000, !- Thermal Resistance {m2-K/W} 0.9000000, !- Absorptance:Thermal 0.7500000, !- Absorptance:Solar 0.7500000; !- Absorptance:Visible !- =========== ALL OBJECTS IN CLASS: CONSTRUCTION =========== CONSTRUCTION, PAR-ALV, !- Name MEMBRANA - FILME PLASTICO, !- Outside Layer REBOCO 2.5 CM, !- Layer #2 BLOCO CONCRETO FURADO MEDIO 10 CM, !- Layer #3 REBOCO 2.5 CM, !- Layer #4 MEMBRANA - FILME PLASTICO; !- Layer #5 CONSTRUCTION, PAR-ALV-ESTUDIO-EXT, !- Name MEMBRANA - FILME PLASTICO, !- Outside Layer REBOCO 2.5 CM, !- Layer #2 BLOCO CONCRETO FURADO MEDIO 10 CM, !- Layer #3 REBOCO 2.5 CM, !- Layer #4 SONIQUE WAVE 4cm; !- Layer #5 CONSTRUCTION, PAR-ALV-ESTUDIO-INT, !- Name SONIQUE WAVE 4cm, !- Outside Layer REBOCO 2.5 CM, !- Layer #2 BLOCO CONCRETO FURADO MEDIO 10 CM, !- Layer #3 REBOCO 2.5 CM, !- Layer #4 SONIQUE WAVE 4cm; !- Layer #5 CONSTRUCTION, DIVISORIA, !- Name MEMBRANA - FILME PLASTICO, !- Outside Layer MADEIRA 2 CM, !- Layer #2 MEMBRANA - FILME PLASTICO; !- Layer #3 CONSTRUCTION, PISO ELEVADO SUP, !- Name FORRO FIBRA 1.6cm, !- Outside Layer ESPAÇO DE AR - FORRO, !- Layer #2 CONCRETO PESADO 15 CM, !- Layer #3 ESPAÇO DE AR - FORRO, !- Layer #4 PISO PVC, !- Layer #5 CARPETE COM FIBRAS; !- Layer #6 CONSTRUCTION, FORRO TERREO, !- Name CARPETE COM FIBRAS, !- Outside Layer PISO PVC, !- Layer #2 ESPAÇO DE AR - FORRO, !- Layer #3 CONCRETO PESADO 15 CM, !- Layer #4 ESPAÇO DE AR - FORRO, !- Layer #5 FORRO FIBRA 1.6cm; !- Layer #6 CONSTRUCTION, FORRO/TELHADO1, !- Name TELHA CIMENTO AMIANTO 3 MM, !- Outside Layer ESPAÇO DE AR - HORIZONTAL PARA BAIXO, !- Layer #2 CONCRETO PESADO 15 CM, !- Layer #3 ESPAÇO DE AR - FORRO, !- Layer #4 FORRO FIBRA 1.6cm; !- Layer #5 CONSTRUCTION,
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PISO Z CENTRAL SUP, !- Name FORRO FIBRA 1.6cm, !- Outside Layer ESPAÇO DE AR - FORRO, !- Layer #2 CONCRETO PESADO 15 CM, !- Layer #3 REBOCO ARGAMASSA 1 CM, !- Layer #4 LAJOTA PISO 1 CM; !- Layer #5 CONSTRUCTION, FORRO Z CENTRAL TERREO, !- Name LAJOTA PISO 1 CM, !- Outside Layer REBOCO ARGAMASSA 1 CM, !- Layer #2 CONCRETO PESADO 15 CM, !- Layer #3 ESPAÇO DE AR - FORRO, !- Layer #4 FORRO FIBRA 1.6cm; !- Layer #5 CONSTRUCTION, PISO Z CENTRAL TERREO, !- Name CONCRETO PESADO 15 CM, !- Outside Layer REBOCO ARGAMASSA 1 CM, !- Layer #2 LAJOTA PISO 1 CM; !- Layer #3 CONSTRUCTION, PISO ELEVADO TERREO, !- Name CONCRETO PESADO 15 CM, !- Outside Layer ESPAÇO DE AR - FORRO, !- Layer #2 PISO PVC, !- Layer #3 CARPETE COM FIBRAS; !- Layer #4 CONSTRUCTION, PAR-ALV-ESTUDIO-EXT-INVERTIDA, !- Name SONIQUE WAVE 4cm, !- Outside Layer REBOCO 2.5 CM, !- Layer #2 BLOCO CONCRETO FURADO MEDIO 10 CM, !- Layer #3 REBOCO 2.5 CM, !- Layer #4 MEMBRANA - FILME PLASTICO; !- Layer #5 CONSTRUCTION, PISO SANIT TERREO, !- Name CONCRETO PESADO 15 CM, !- Outside Layer REBOCO ARGAMASSA 1 CM, !- Layer #2 LAJOTA PISO 1 CM; !- Layer #3 CONSTRUCTION, PISO SANIT SUP, !- Name FORRO FIBRA 1.6cm, !- Outside Layer ESPAÇO DE AR - FORRO, !- Layer #2 CONCRETO PESADO 15 CM, !- Layer #3 REBOCO ARGAMASSA 1 CM, !- Layer #4 LAJOTA PISO 1 CM; !- Layer #5 CONSTRUCTION, FORRO SANIT TERREO, !- Name LAJOTA PISO 1 CM, !- Outside Layer REBOCO ARGAMASSA 1 CM, !- Layer #2 CONCRETO PESADO 15 CM, !- Layer #3 ESPAÇO DE AR - FORRO, !- Layer #4 FORRO FIBRA 1.6cm; !- Layer #5 CONSTRUCTION, JANELA, !- Name VIDRO CLARO 6 MM; !- Outside Layer CONSTRUCTION, PORTA DE VIDRO, !- Name VIDRO CLARO 12 MM; !- Outside Layer CONSTRUCTION, JANELA 12MM, !- Name VIDRO CLARO 12 MM; !- Outside Layer