INRCIA TRMICA, CONFORTO E CONSUMO DE ENERGIA EM EDIFICAES NA CIDADE DE SO CARLOS, SP

Kelen Almeida Dornelles (1); Maurcio Roriz (2)

Programa de Ps-Graduao em Construo Civil da Universidade Federal de So Carlos Rodovia Washington Lus, Km 235 - CEP 13.565-905 - So Carlos, SP Brasil

E-mail: (1) kelend@terra.com.br (2) m.roriz@zaz.com.br

RESUMO

Este artigo apresenta os primeiros resultados de uma pesquisa que busca identificar os efeitos da inrcia trmica sobre o desempenho trmico e a eficincia energtica de edificaes na cidade de So Carlos, interior do estado de So Paulo. So destacados principalmente os procedimentos metodolgicos que vm sendo propostos e avaliados durante o desenvolvimento da pesquisa. Estes primeiros resultados sugerem que, para o clima semi-mido tpico de vasta extenso do territrio brasileiro, sistemas construtivos com mais inrcia trmica proporcionam ambientes mais confortveis e edificaes energeticamente mais eficientes.

ABSTRACT

This paper presents the first results of a research that looks for to identify the effects of thermal inertia on the thermal performance and energy efficiency of buildings in So Carlos city, So Paulo. Methodological procedures that have being proposed and evaluated during the research development are outstanding in this paper. These first results suggest that, for the semi-humid climate, typical of vast extension of Brazil, constructive systems with high thermal inertia provide more comfortable environments and buildings energetically more efficient.

1. INTRODUO A arquitetura bioclimtica baseada em estratgias arquitetnicas e construtivas que evitem desperdcio de energia e otimizem o conforto ambiental de seus usurios. Uma destas estratgias a utilizao da inrcia trmica, importante caracterstica dos sistemas construtivos, que provoca dois importantes efeitos sobre os fluxos de calor entre o ambiente interno das edificaes e o meio exterior: reduo das amplitudes (amortecimento) das temperaturas internas e defasagem (atraso) das mesmas em relao s temperaturas externas. A inrcia trmica tambm pode ser caracterizada como a capacidade que tem uma edificao de armazenar calor e liber-lo algum tempo depois. Em edificaes com pouca inrcia, as oscilaes das temperaturas internas tendem a acompanhar as que ocorrem no ambiente externo. Historicamente, a literatura especializada sempre recomendou o aproveitamento desta propriedade nas edificaes localizadas em regies secas e desrticas, onde a inrcia proporciona resultados significativos diante das acentuadas oscilaes trmicas tpicas destas regies. Estudos recentes tm demonstrado que, dependendo do clima, o efeito da inrcia pode ser negativo, neutro ou positivo sobre o desempenho trmico e o consumo energtico das edificaes (RORIZ, 2001).

Curitiba PR Brasil 5 a 7 de novembro de 2003

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Os construtores da antigidade, sem o saber, freqentemente adotavam solues bioclimticas. Enquanto a estabilidade estrutural dependia de grandes massas de materiais, estas proporcionavam, como subprodutos, altos ndices de isolamento trmico e inrcia. Algumas recentes inovaes tecnolgicas determinaram a apario de materiais construtivos monofuncionais, ou seja: cumprem suas funes estruturais, sendo muitas vezes lamentveis seus desempenhos trmico e acstico, ou funcionam apenas como isolantes trmicos, possuindo uma resistncia mecnica desprezvel (GLVEZ, 2002).

Givoni (1998) destaca a importncia dos materiais de construo na relao entre as temperaturas internas de edificaes e o clima exterior (temperatura e radiao solar). No caso de edificaes aquecidas ou resfriadas por sistema mecnico, os materiais do envelope influenciam acentuadamente no total da energia necessria para manter as temperaturas internas dentro dos limites de conforto.

Norn et al. (1999) calcularam a necessidade anual de energia para aquecer trs edificaes suecas, com diferentes inrcias. Concluram que a edificao de maior inrcia tem menor necessidade de energia e que bastam pequenas mudanas na inrcia para produzirem grande diferena no consumo de energia.

A inrcia trmica tem efeito positivo tanto no vero como no inverno (SANTAMOURIS, 1996 apud PAPST, 1999). No inverno, o ganho solar diurno armazenado na envolvente e transferido para o interior da edificao no perodo noturno, quando necessrio o aquecimento. No vero, o calor armazenado na construo, reduzindo o pico das cargas de resfriamento. Com um tempo de atraso, este calor liberado para o interior da edificao, provocando uma mudana no horrio de pico da carga de resfriamento e reduzindo o seu valor. Comparando edificaes com pouca e muita inrcia trmica para outono e primavera, o autor observou que edificaes leves podem precisar de aquecimento para uma parte do dia e resfriamento para outra. J edificaes com mais inrcia trmica no apresentam esta variabilidade e, dependendo das condies externas, podem apresentar condies internas favorveis.

Tabela 1 - Propriedades Trmicas de Alguns Materiais.

Material Condutividade [W/m.K]

Dens. Apar. [kg/m3]

C. Especif.c [J/kg.K]

Difusividade a (x106) [m2/s ]

Efusividadeb [W/m2K]1/2

Ar seco 0.026 1.223 1063 19.999 6Poliuretano expand. 0.030 30 1400 0.714 35Poliestireno expand. 0.035 50 1675 0.418 54L de vidro 0.041 200 656 0.313 73Pinho 0.148 640 2512 0.092 488Madeira densa 0.200 700 1250 0.229 418Cermica 0.240 1000 960 0.250 480Adobe 0.300 400 900 0.833 329Concreto celular 0.330 800 880 0.469 482gua 0.582 1000 4187 0.139 1561Argila (tijolo) 0.814 1800 921 0.491 1162Concreto comum 1.520 2400 1005 0.630 1915Granito 3.500 2500 754 1.857 2569Ao 50.000 7800 512 12.520 14131Alumnio 160.000 2800 896 63.776 20035Cobre 389.000 8900 385 113.527 3659

Bastam trs propriedades fsicas fundamentais para caracterizar termicamente qualquer material:

= condutividade trmica ( W / m.K ) = densidade aparente (kg / m3) c = calor especfico ( J / kg.K )

Outras propriedades derivam destas primeiras, duas das quais so aplicadas ao estudo da inrcia:

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Difusividade trmica do material:

a = / .c (m2/s) [ Eq. 1 ]

Efusividade trmica do material: b = (..c)1/2 (W/m2K)1/2 [ Eq. 2 ]A difusividade expressa a capacidade de um material para transmitir uma variao de temperatura. A efusividade indica a capacidade do material para absorver ou restituir um fluxo de calor ou uma potncia trmica. (LAVIGNE, 1994, pg. 36). A tabela 1 apresenta as propriedades de alguns materiais, ordenados segundo as respectivas condutividades.

Difusividade e efusividade so aplicadas no clculo dos dois principais efeitos da inrcia, o atraso e o amortecimento trmicos. O atraso indica o tempo necessrio para uma onda trmica atravessar um componente construtivo (parede, cobertura, etc.). Sendo Ai e Ae respectivamente as amplitudes de variao das temperaturas interna e externa, define-se o Coeficiente de Amortecimento () de um sistema construtivo como o quociente entre estas duas amplitudes:

Coeficiente de Amortecimento: = Ai / Ae (adimencional) [ Eq. 3 ]Embora adotada internacionalmente, esta definio inverte o conceito usual de amortecimento, pois os maiores valores de correspondem s maiores oscilaes da temperatura interna. Por este motivo, torna-se conveniente definir uma outra varivel, diretamente proporcional ao amortecimento:

Fator de Amortecimento: = 1- = 1 - (Ai / Ae) (adimencional) [ Eq. 4 ]A figura 1 indica as variaes do fator de amortecimento ( = -1) para diversos materiais e em funo das espessuras do componente construtivo. Os clculos foram feitos atravs do mtodo da Admitncia, conforme equaes apresentadas por Roriz (1996).

1a) Isolantes 1b) Diversos 1c) Metais

Figura 1 - Fator de Amortecimento () em funo da espessura, para diferentes materiais. Nos isolantes do exemplo (1a), o fator de amortecimento cresce na mesma direo que a efusividade e na direo contrria da difusividade. No grfico 1b, o alto calor especfico da madeira (pinho) provoca o excelente desempenho deste material em relao ao amortecimento trmico. Percebe-se, por exemplo, que uma parede macia de pinho com 15 cm de espessura provoca um amortecimento de 0.7, ou seja, faz com que a oscilao da temperatura interna corresponda a apenas 30% da que ocorre com a externa. Para proporcionar o mesmo resultado, seriam necessrios 27 cm de concreto ou tijolo (argila), ou 34 cm de concreto celular, ou 40 cm de granito, ou 50 cm de adobe. Esta comparao demonstra o equvoco comum de se relacionar a inrcia trmica com a massa. Para uma mesma espessura, a massa da madeira representa apenas pequena parcela (em torno de 25%) da massa do concreto ou do granito.

Vale observar, alm destes aspectos, que para espessuras abaixo de 25 cm, o granito apresenta um fator de amortecimento menor que o do concreto celular. Aos 25 cm as curvas se cruzam e, para maiores espessuras, o concreto celular que tem o melhor resultado.

O presente artigo apresenta a avaliao do desempenho trmico de trs edificaes, situadas na cidade de So Carlos (SP), cujos sistemas construtivos possuem diferentes inrcias trmicas. A avaliao incluiu a caracterizao dos projetos arquitetnicos, monitoramentos de temperaturas do ar nos

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ambientes internos e externos, clculos computacionais, estimativas do consumo de energia e anlise dos resultados. Este trabalho procurou verificar a hiptese de que, para o clima semi-mido da cidade de So Carlos, sistemas construtivos com maior inrcia apresentam melhores desempenhos trmicos.

O clima de So Carlos classificado como Subtropical, com inverno frio e seco e vero quente e mido. Conforme as Normais Climatolgicas observadas entre 1960 e 1990, durante oito meses do ano, entre abril e novembro, as mdias mensais de umidade relativa permanecem abaixo de 70% (BRASIL, 1992). Neste mesmo perodo, as amplitudes mdias mensais de temperaturas (diferenas entre mdias de mximas e mdias de mnimas) variam entre 10 e 11,8 C. Projeto de Norma Tcnica desenvolvido no mbito da ABNT (1998), classifica este clima na Zona Bioclimtica 4 e recomenda para o mesmo a adoo de sistemas construtivos com alta inrcia trmica.

2. DESCRIO DAS EDIFICAES ESTUDADAS Foram estudadas trs edificaes residenciais, localizadas na regio central da cidade e escolhidas por apresentarem sistemas construtivos com diferentes inrcias trmicas. Os ambientes monitorados em cada uma delas so descritos a seguir e esto representados na figura 2.

Ambiente Edif. 1 Ambiente Edif. 2 Ambiente Edif. 3

Figura 2 - Dimenses dos ambientes monitorados. Edificao 1: Ambiente monitorado: dormitrio (um ocupante, somente durante a noite); Paredes: tijolo macio com argamassa em ambas as faces. Espessura (cm) = 1,5+10+1,5 = 13; Piso: lajota cermica sobre contrapiso de concreto, elevado 80 cm do solo; Cobertura: telha de barro com forro de madeira; Orientao da fachada: Norte, sem sombreamento. Edificao 2: Ambiente monitorado: dormitrio (fechado e sem ocupao); Paredes: tijolo macio com argamassa em ambas as faces. Espessura (cm) = 2,5+22+2,5 = 27; Piso: em madeira, elevado do solo; Cobertura: telha de barro com forro de madeira; Orientao da fachada: Leste, sem sombreamento. Edificao 3: Ambiente monitorado: sala (fechada e sem ocupao); Paredes: em pedra com argamassa na face interna. Espessura (cm) = 52.5+2,5 = 55; Piso: concreto comum, em contato com o solo; Cobertura: laje em concreto com forro de madeira, piso do pavimento superior; Orientao da fachada: Oeste, parcialmente sombreada por edificao vizinha.

3. METODOLOGIA As temperaturas horrias internas e externas de cada edificao foram medidas durante alguns dias, a intervalos de 10 minutos. As edificaes 2 e 3 foram monitoradas entre os dias 28/09/02 e 8/10/02 e a

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edificao 1, durante a primeira semana de novembro de 2002. As temperaturas foram registradas por sensores modelo Hobo, fabricados pela Onset Computer Corporation. Para evitar a interferncia de radiao trmica sobre as temperaturas medidas, os sensores foram instalados no interior de recipientes de alumnio, com pequenas aberturas para a circulao do ar.

A partir dos dados monitorados, foram determinadas as curvas do dia mdio para cada ambiente. Devido entrada de uma frente fria na regio, os valores do dia 1 de outubro no foram computados no clculo dos dias mdios, pois o objetivo do estudo era avaliar os efeitos da inrcia diante de condies climticas mais permanentes. O seguinte procedimento foi adotado na definio dos dias mdios:

Passo 1: Identificao das temperaturas mnimas e mximas de cada dia, internas e externas, e clculo de suas mdias para todo o perodo, MedMin e MedMax.

Passo 2: Determinao das oscilaes tpicas das temperaturas internas e externas, atravs do clculo das mdias dos valores medidos a cada 10 minutos ao longo do perodo observado (Fig. 3).

Figura 3 - Valores mdios das temperaturas registradas a cada 10 minutos.

Passo 3: Clculo dos fatores de correo das temperaturas para estabelecer o dia mdio de cada

local monitorado. A aplicao deste fator objetiva ajustar cada curva s mdias de mnimas (MedMin) e de mximas (MedMax) determinadas no passo 1.

Passo 4: Clculo das mdias de temperatura (TIh e TEh) em cada intervalo de 1 hora. As diferenas registradas entre os climas externos so parcialmente responsveis pelas diferenas observadas entre as temperaturas nos ambientes internos das edificaes, dificultando comparar-se os efeitos trmicos dos respectivos sistemas construtivos. No caso especfico dos exemplos acima, a principal diferena no clima externo ocorreu em relao edificao 1, monitorada em novembro. Entretanto, outras pesquisas j demonstraram que, mesmo quando os monitoramentos so simultneos, este problema tambm acontece, pois as temperaturas externas variam significativamente entre diferentes locais de uma mesma cidade. Apesar de sua magnitude, este fato tem sido desconsiderado em diversos estudos sobre desempenho trmico de edificaes, nos quais adotam-se temperaturas externas medidas em estaes climatolgicas distantes e localizadas, geralmente, em zonas de baixa densidade de ocupao, cujos climas certamente diferem daqueles provocados pelos centros urbanos. Os passos seguintes da metodologia constituem uma tentativa de soluo para este problema.

Passo 5: Clculo da relao observada, de hora em hora, entre temperaturas internas e externas. Esta relao um indicador da capacidade de amortecimento trmico de cada sistema construtivo, conforme as seguintes equaes:

FTIh = (TIh TEmin) / Aext [ Eq. 5 ]

Sendo:

h = hora do dia (entre 0 e 24) FTIh = Fator de variao da temperatura interna na hora h

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TIh = Temperatura interna na hora h TEmin = Mdia das temperaturas mnimas externas (passo 1) Aext = Amplitude mdia das temperaturas externas = TEmax - TEmin

Passo 6: Estimativa das temperaturas internas que ocorreriam se as trs edificaes fossem submetidas ao mesmo clima. Adotou-se o clima medido no exterior da edificao 3 e o fator FTIh apresentado no passo 5. As novas temperaturas so calculadas pela equao 6:

TICh = TEmin + FTIh x Aext [ Eq. 6 ]

Sendo:

TICh = Temperatura interna corrigida (hora h) FTIh = Fator de variao da temperatura interna na hora h TEmin = Mdia das temperaturas mnimas externas do clima adotado Aext = Amplitude mdia das temperaturas externas do clima adotado Exemplo dos clculos das temperaturas internas que ocorreriam na edificao 1, se esta estivesse submetida ao clima medido na edificao 3. As temperaturas resultantes so indicadas na figura 4.

Tabela 2 - Exemplo de clculo das estimativas de temperaturas internas.

Edificao Temp. Mxima Ext. Temp. Mnima Ext. Amplitude Temp. Externa E1 TEmax1 = 29.3 C TEmin1 = 17.4 C Aext1 = 29.3 17.4 = 11.9 CE3 TEmax = 29.4 C TEmin = 21.7 C Aext = 29.4 21.7 = 7.7 C

Hora do dia = 6h TI(6) = 22.2 C

Pela equao 5: FTI(6) = (22.2 17.4) / 11.9 = 0.40

Pela equao 6: TIC(6) = 21.7 + 0.40 x 7.7 = 24.8 C

Hora do dia = 18h TI(18) = 28.0 C

Pela equao 5: FTI(18) = (28.0 17.4) / 11.9 = 0.89

Pela equao 6: TIC(18) = 21.7 + 0.89 x 7.7 = 28.6 C

Figura 4 - Temperaturas internas estimadas em E1 e E2 para o mesmo clima externo de E3.

Passo 7: Clculo do desconforto por frio ou calor, em graus-hora (oCh) acumulados ao longo do

dia mdio, considerando-se os limites de conforto indicados no mtodo de Mahoney (UNITED Nations, 1971). Este mtodo foi escolhido por ser um dos nicos que diferenciam limites diurnos e noturnos.

4. RESULTADOS E DISCUSSES

Para o ms de outubro em So Carlos, as Planilhas de Mahoney indicam intervalos confortveis de temperatura entre 21 e 28 C para o perodo diurno e entre 14 e 21 C para o perodo noturno.

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Atravs dos limites de conforto estabelecidos, foi possvel determinar a quantidade de graus-hora de desconforto por calor para cada ambiente analisado. A figura 5 apresenta as curvas de temperatura interna estimada de cada ambiente e respectivos quantitativos de desconforto.

Figura 5 - Estimativas do desconforto por calor em cada edificao durante um dia mdio.

Conforme Szokolay (1987), a seguinte equao permite estimar a energia necessria para retirar do ambiente o calor acumulado ao longo das horas:

Eref = GH. q (oCh x W/ oC = Wh) [ Eq. 7 ]

Eref = Energia de refrigerao (Wh). Energia necessria para retirar do ambiente o calor excedente; GH = Graus-hora de calor = calor acumulado ao longo do dia considerado (oCh/dia); q = Taxa de Trocas Trmicas por Conduo (qc) e Conveco (qv). q = qc + qv (W/C); qc = Taxa de trocas trmicas por conduo (W/C), igual somatria dos produtos entre a rea de cada vedao externa (fachadas, vidraas, coberturas, etc) e a transmitncia trmica (U) da mesma; qv = Taxa de trocas trmicas por conveco. qv = 0,33 V.N (W/C); N = taxa de ventilao (volumes/h); V = volume do ambiente (m3). Aplicando-se a equao 7 sobre o calor acumulado nos ambientes estudados, resultam os valores indicados na tabela 3:

Tabela 3 - Estimativas da energia necessria para estabelecer o conforto em cada ambiente.

Edificao Calor:

[oCh/dia]

q

[W/oC]

Energia para refrigerao

[Wh/dia]

rea do ambiente

[m2]

Energia para refrigerao [Wh/m2.dia]

E1 46,9 184,7 8662,4 15,0 577,5 E2 30,5 126,1 3846,1 10,3 373,4 E3 22,1 202,9 4484,1 16,5 271,8

5. CONCLUSES A quantidade de edificaes analisadas e as respectivas tipologias construtivas ainda so insuficientes para que se possam generalizar quaisquer concluses. Alm desta limitao, a prpria metodologia adotada dever ser ainda aferida, atravs de comparaes com dados empricos que se pretende obter em prximas etapas da pesquisa.

Apesar destas restries, as estimativas dos graus-hora de calor e dos montantes de energia que seriam necessrios consumir para restabelecer o conforto nos ambientes, sugerem fortes possibilidades de que realmente a inrcia trmica seja recomendvel em edificaes submetidas ao clima semi-mido.

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6. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

ABNT (1998) Projeto 02:135.07-003: Desempenho trmico de edificaes - Parte 3: Zoneamento bioclimtico brasileiro e diretrizes construtivas para habitaes unifamiliares de interesse social. Associao Brasileira de Normas Tcnicas. Dezembro de 1998.

BRASIL, Departamento Nacional de Meteorologia (1992) Normais Climatolgicas (1961-1990). Departamento Nacional de Meteorologia. Secretaria Nacional de Irrigao. Ministrio de Agricultura e Reforma Agrria, Braslia.

GLVEZ, D.M. (2002) Impacto trmico, energtico y ambiental de la envolvente arquitectnica vs confort. Estudios de Arquitectura Bioclimtica, Anurio 2002, v.IV, p. 95-107, 2002.

GIVONI, B. (1998) Climate considerations in building and urban desig, John Wiley & Sons, New York, 464p.

LAVIGNE, P. (1998) Architecture Climatique: Une Contribuition au Dveloppement Durable. Tome 1: Bases Physiques. disud. Aix-en-Provence. France.

NREN, A., AKANDER, J., ISFLT, E. e SDERSTRM, O. (1999) The effect of thermal inertia on energy requirement in a swedish building Results obtained with three calculation models. International Journal of Low Energy and Sustainable Building, v.1, p. 1-16, (1999). Disponvel em: . Acesso em: 22 set. 2002.

PAPST, A.L. (1999) Uso de inrcia trmica no clima subtropical. Estudo de caso em Florianpolis-SC. Florianpolis, 165p. Dissertao (Mestrado em Engenharia Civil) Curso de Ps-Graduao em Engenharia Civil, Universidade Federal de Santa Catarina.

RORIZ, M. (1996) Conforto Trmico em Edificaes: Um Modelo Matemtico e uma Aplicao. (Tese de Doutorado). Faculdade de Arquitetura e Urbanismo. Universidade de So Paulo. So Paulo, SP.

RORIZ, M. (2001) Efeitos da Inrcia Trmica sobre o Consumo de Energia e as Temperaturas Internas de Edificaes Submetidas ao Clima Semi-mido no Interior do Estado de So Paulo. Projeto de Pesquisa financiado pelo CNPq. Processo CNPq 471202/01-0. Universidade Federal de So Carlos. So Carlos, SP.

SZOKOLAY, S. V. (1987) Thermal Design of Buildings, RAIA Education Division. Camberra, Austrlia.

UNITED Nations (1971). Climate and House Design: design of low-cost housing and community facilities. New York, Dep. Economic and Social Affairs, vol. 1.

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