influÊncia de elementos construtivos do envelope no

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA - UFSC

CENTRO TECNOLÓGICO - CTC

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL - ECV

INFLUÊNCIA DE ELEMENTOS CONSTRUTIVOS DO

ENVELOPE NO DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES

UNIFAMILIARES

Acadêmico: Leonardo Mazzaferro

Matrícula: 08136027

Florianópolis, Julho de 2013.

LEONARDO MAZZAFERRO



UNIFAMILIARES

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Civil.

Área: Construção Civil Orientador: Enedir Ghisi, PhD.

Florianópolis, Julho de 2013.

3

LEONARDO MAZZAFERRO



UNIFAMILIARES

Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado como requisito

parcial para obtenção do título de

ENGENHEIRO CIVIL

_________________________________________

Prof. Lia Caetano Bastos - Coordenadora de TCC

Banca Examinadora:

_________________________________________

Prof. Enedir Ghisi, PhD - Orientador

_________________________________________

Prof. Roberto Lamberts, PhD

_________________________________________

Ana Paulo Melo, Dra.

4

AGRADECIMENTOS

É com muita sinceridade que agradeço a todas as pessoas e instituições, que

direta ou indiretamente, tornaram este trabalho possível.

Ao meu pai, Piero Mazzaferro, por sempre ter sido minha referência, em termos

de disciplina e valores morais.

À minha mãe, Elisabetta Brunori Mazzaferro, por ser uma mãe dedicada, pelo

grande carinho e preocupação com seus filhos.

Aos meus irmãos mais novos, Luca Mazzaferro e Mario Mazzaferro, por já

serem exemplos de determinação e talento.

À minha namorada, Isabela de Paulo, que apesar da distância do último ano, é

uma das pessoas que mais estimula meu aprendizado e crescimento.

Ao Professor Enedir Ghisi, pela amizade e dedicação com a qual sempre me

orientou.

Ao Professor Roberto Lamberts, que despertou meu interesse pelo campo da

eficiência energética em edificações.

A todos os colegas do LabEEE, por terem me acolhido amigavelmente, em

especial à Ana Paula Melo, ao Marcio Sorgato e ao Rogério Versage por terem

me ajudado em muitas oportunidades.

Aos grandes amigos, Gabriel de Abreu Burgos Gonçalves e Marcelo Salles

Olinger, por estes memoráveis anos cursando Engenharia Civil na

Universidade Federal de Santa Catarina.

A todos que, de algum modo, me incentivaram ou colaboraram com este

trabalho.

5

Sumário

Lista de Figuras.........................................................................................8

Lista de Tabelas......................................................................................11

Resumo...................................................................................................13

1. Introdução .......................................................................................... 14

1.1. Apresentação do Problema e Justificativa ................................... 14

1.2. Objetivos ...................................................................................... 16

1.2.1. Objetivo Geral ........................................................................ 16

1.2.2. Objetivos Específicos ............................................................. 16

1.3. Estrutura do trabalho .................................................................... 17

2. Revisão Bibliográfica .......................................................................... 18

2.1. Introdução .................................................................................... 18

2.2. Consumo de Energia Elétrica....................................................... 18

2.3. Iniciativas Nacionais em Eficiência Energética ............................ 20

2.4. Desempenho Térmico de Edificações .......................................... 23

2.4.1. Desempenho térmico de paredes .......................................... 23

2.4.2. Desempenho térmico de coberturas ...................................... 26

2.4.3. Desempenho térmico de janelas............................................ 30

2.4.4. Desempenho térmico de edificações sem condicionamento

térmico artificial .......................................................................................... 33

2.4.5. Desempenho térmico de edificações com condicionamento

térmico artificial .......................................................................................... 36

2.5. Considerações Finais ................................................................... 38

3. Método ............................................................................................... 40

3.1. Simulação Computacional ........................................................... 41

3.2. Modelagem da Edificação ............................................................ 41

6

3.3. Modelo de Referência .................................................................. 42

3.3.1. Descrição da edificação ......................................................... 42

3.3.2. Orientação da edificação ....................................................... 44

3.3.3. Rotinas de ocupação ............................................................. 45

3.3.4. Atividade metabólica .............................................................. 47

3.3.5. Rotina de equipamentos e iluminação ................................... 48

3.3.6. Ventilação natural .................................................................. 49

3.3.7. Rotina de operação de aberturas .......................................... 50

3.3.8. Temperatura do solo .............................................................. 52

3.4. Variações no Modelo de Referência ............................................ 53

3.4.1. Elementos construtivos do envelope ..................................... 53

3.4.2. Simulações com diferentes envelopes ................................... 55

3.5. Arquivos Climáticos ...................................................................... 57

3.6. Tratamento dos Dados de Saída ................................................. 57

4. Resultados ......................................................................................... 59

4.1. Considerações Iniciais ................................................................. 59

4.2. Orientação.................................................................................... 59

4.3. Arquivos Climáticos ...................................................................... 60

4.4. Envelopes .................................................................................... 62

4.4.1. Transmitâncias térmicas obtidas............................................ 63

4.4.2. Capacidades térmicas obtidas ............................................... 64

4.4.3. Temperaturas operativas para Florianópolis .......................... 65

4.4.4. Comparação dos envelopes através das temperaturas

operativas ................................................................................................... 73

4.4.5. Temperaturas médias sazonais ............................................. 78

4.5. Graus-hora ................................................................................... 79

4.6. Correlações .................................................................................. 81

4.6.1. Transmitância térmica e graus-hora ...................................... 81

7

4.6.2. Capacidade térmica e graus-hora .......................................... 83

5. Conclusões ......................................................................................... 86

5.2 Limitações ..................................................................................... 87

5.3. Sugestões para trabalhos futuros ................................................ 88

Referências ............................................................................................ 89

8

Lista de Figuras

Capítulo 3. Método

Figura 3.1: Maquete eletrônica da edificação modelo – Vista

superior.______________________________________________________42

Figura 3.2: Maquete eletrônica da edificação modelo – Vista das fachadas leste

e norte._______________________________________________________43

Figura 3.3: Planta baixa da edificação modelo. Fonte: Schaefer et al.

(2013).________________________________________________________44

Capítulo 4. Resultados

Figura 4.1: Temperaturas de bulbo seco de Florianópolis ao longo do ano

TRY._________________________________________________________60

Figura 4.2: Temperaturas de bulbo seco de Curitiba ao longo do ano

TRY._________________________________________________________60

Figura 4.3: Temperaturas de bulbo seco de Fortaleza ao longo do ano

TRY._________________________________________________________61

Figura 4.4: Umidade relativa do ar em Florianópolis ao longo do ano

TRY._________________________________________________________61

Figura 4.5: Umidade relativa do ar em Curitiba ao longo do ano

TRY._________________________________________________________61

Figura 4.6: Umidade relativa do ar em Fortaleza ao longo do ano

TRY._________________________________________________________62

9

Figura 4.7: Comparação das temperaturas operativas da sala (sul) e do

dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 1 e 2 durante o verão.___________66


dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 1 e 2 durante o inverno.__________66


dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 3 e 4 durante o verão.___________68


dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 3 e 4 durante o inverno.__________68


dormitório 1 (norte) dos envelopes pesados durante o verão._____________70


dormitório 1 (norte) dos envelopes pesados durante o inverno.____________70


dormitório 1 (norte) dos envelopes isolantes durante o verão._____________72


dormitório 1 (norte) dos envelopes isolantes durante o inverno.___________72

Figura 4.15: Comparação das temperaturas operativas da sala dos envelopes

localizados em Florianópolis, durante o verão._________________________74


localizados em Florianópolis, durante o inverno._______________________74


localizados em Curitiba, durante o verão._____________________________76


localizados em Curitiba, durante o inverno.___________________________76

10


localizados em Fortaleza, durante o verão.___________________________77


localizados em Fortaleza, durante o inverno._________________________77

Figura 4.21: Correlação da transmitância térmica com os graus-hora para

Florianópolis.__________________________________________________82

Figura 4.22: Correlação entre a transmitância térmica e os graus-hora para

Curitiba. ______________________________________________________82


Fortaleza. _____________________________________________________82

Figura 4.24: Correlação entre a capacidade térmica e os graus-hora para

Florianópolis. __________________________________________________84


Curitiba. ______________________________________________________84


Fortaleza. _____________________________________________________84

11

Lista de Tabelas

Capítulo 2. Revisão bibliográfica

Tabela 2.1 - Produção e Consumo de Eletricidade no Brasil. Fonte: BEN

(2012).________________________________________________________19

Tabela 2.2 - Comportamento térmico de vidros segundo RIVERO (1986).

Fonte: Lamberts et al. (2011).______________________________________30

Capítulo 3. Método

Tabela 3.1: Rotinas de ocupação adotadas. Fonte: Silva et al.

(2013).________________________________________________________46

Tabela 3.2: Taxa metabólica para diversas atividades. Fonte: Input-Output

Reference - EnergyPlus (2013).____________________________________47

Tabela 3.3: Taxa metabólica adotada para os ambientes da

edificação._____________________________________________________47

Tabela 3.4: Rotinas médias de equipamentos e potências médias instaladas.

Fonte: Silva et al. (2013)._________________________________________48

Tabela 3.5: Rotinas de operação de janelas. Fonte: Silva et al.

(2013).________________________________________________________51

Tabela 3.6: Propriedades térmicas das paredes analisadas. Fonte: NBR15220

(ABNT, 2005).__________________________________________________54

Tabela 3.7: Propriedades térmicas das coberturas analisadas. Fonte:

NBR15220 (ABNT, 2005).________________________________________55

12

Tabela 3.8: Combinações de paredes e

coberturas.____________________________________________________56

Capítulo 4. Resultados

Tabela 4.1: Quantidade de graus-hora para cada

orientação.____________________________________________________59

Tabela 4.2: Áreas de parede, janela, cobertura e total da

envoltória._____________________________________________________63

Tabela 4.3: Transmitâncias térmicas de paredes, coberturas, janelas e da

edificação._____________________________________________________63

Tabela 4.4: Capacidades térmicas de paredes, coberturas, janelas e da

edificação._____________________________________________________64

Tabela 4.5: Temperatura média de cada envelope para cada

estação.______________________________________________________78

Tabela 4.6: Quantidade de graus-hora para cada

envelope._____________________________________________________80

13

RESUMO

O objetivo principal deste trabalho é investigar a influência de elementos

construtivos do envelope no desempenho térmico de edificações residenciais

unifamiliares, através de simulação computacional. A tipologia de edificação

adotada baseia-se em um protótipo de habitação de interesse social, com 57

m². A edificação é ventilada naturalmente. As rotinas de ocupação, iluminação,

equipamentos e abertura de janelas foram definidas por estudos efetuados na

Grande Florianópolis. As simulações computacionais foram realizadas

utilizando o programa EnergyPlus. O contato com o solo foi considerado

através do pré-processador Slab, acoplado ao EnergyPlus. Adotaram-se quatro

tipos de parede e oito tipos de cobertura, sendo que oito combinações de

envelopes foram analisadas. Assim como as paredes e as coberturas, os

envelopes foram classificados em leves, pesados ou isolantes. As três cidades

contempladas nas simulações foram Florianópolis, Curitiba e Fortaleza.

Analisando os resultados obtidos para Florianópolis, através de gráficos de

temperatura operativa e de somatório de graus-hora, percebe-se que os

envelopes isolantes e os envelopes pesados obtiveram os melhores

desempenhos térmicos. Os envelopes leves, para Florianópolis, apresentaram

grandes amplitudes térmicas dentro da edificação. Para os envelopes

simulados em Florianópolis, os graus-hora de resfriamento foram superiores

aos graus-hora de aquecimento. Para Curitiba, os envelopes isolantes e os

envelopes pesados também obtiveram o melhor desempenho térmico, porém

os graus-hora de resfriamento foram inferiores aos graus-hora de aquecimento.

Por outro lado, nos casos simulados para Fortaleza não houve grandes

diferenças percentuais entre os resultados dos envelopes. Analisando as

correlações entre transmitância térmica ponderada do envelope e os graus-

hora, para Florianópolis e Curitiba, verificou-se que a transmitância térmica

ponderada do envelope teve forte influência sobre o desempenho térmico das

edificações simuladas. A correlação entre capacidade térmica ponderada do

envelope e graus-hora teve uma influência média sobre o desempenho térmico

das edificações simuladas.

14

1. Introdução

1.1. Apresentação do Problema e Justificativa

A humanidade, ao longo do tempo, foi adquirindo um conceito muito

mais amplo sobre energia e suas mais diversas formas. Com o rápido avanço

tecnológico das últimas décadas, a energia elétrica tornou-se essencial no

cotidiano da população. Numerosos estudos, distribuídos entre as diversas

engenharias, tratam de eficiência energética. Na área da construção civil,

especificamente, o desempenho térmico dos elementos construtivos, o conforto

térmico do usuário e a eficiência energética em edificações caminham juntos a

procura de soluções mais inteligentes e funcionais.

De maneira geral, a eficiência energética visa a diminuição dos custos e

a eliminação de desperdícios, sem perda da qualidade e conforto. Para

Lamberts et al. (2011), um edifício é considerado energeticamente mais

eficiente que outro quando proporciona as mesmas condições ambientais de

conforto ao seu usuário, com menor consumo de energia.

Estudos de eficiência energética têm seu enfoque em edificações e nos

aparelhos elétricos inseridos nas mesmas, especialmente os condicionadores

de ar. No caso de edificações residenciais, segundo pesquisas realizadas por

Almeida et al. (2001) e Ghisi et al. (2007), no Brasil, ocorreu um gradual

aumento no consumo de energia elétrica total destinado ao condicionamento

de ar ao longo dos últimos quinze anos. O primeiro estudo revela que, em

1997, no setor residencial brasileiro, o condicionamento de ar somava 3% do

consumo de energia elétrica total. A segunda pesquisa, por sua vez, indica que

em 1999 o condicionamento de ar já representava 10% do consumo de energia

elétrica total do setor residencial.

Levando em conta as diversas estratégias passivas de condicionamento,

a influência do envelope na temperatura interna das edificações é uma das

mais estudadas. A envoltória do edifício, responsável pelos fluxos de calor

entre os ambientes internos e externos é um dos principais determinantes do

temperatura interna do edifício. A redução de consumo de energia destinada ao

condicionamento artificial é possível através da escolha de elementos

15

construtivos e arquitetônicos específicos, que promovam uma maior eficiência

energética e um melhor desempenho térmico da edificação. Os materiais

utilizados nas superfícies que fazem a separação do ambiente interno e

externo, a geometria e a orientação da edificação, o tipo de cobertura e os

hábitos dos usuários são alguns dos fatores que influenciam diretamente no

desempenho térmico das edificações.

Através de métodos computacionais, é possível criar um modelo de

edificação para ser simulado em programas de análise termo-energética. Esta

simulação engloba as características da edificação e de dados climáticos,

efetuando uma previsão de eficiência energética da edificação para cada clima

escolhido. Depois da obtenção dos resultados, é necessário interpretá-los e

chegar a um entendimento correto de como cada variável afeta o

comportamento termo-energético da edificação simulada.

A simulação computacional envolve análises complexas, repetidos

cálculos, numerosas variáveis e uma série de incertezas causadas tanto por

simplificações dos modelos, quanto por depender do comportamento do

usuário da edificação. A simulação é uma ferramenta eficiente, que a partir do

projeto da edificação, consegue obter resultados condizentes com a realidade.

Portanto, a implantação de medidas de redução de consumo e a adoção

de novos hábitos para evitar desperdício de energia devem ser consideradas

na atual situação energética brasileira e mundial. Neste contexto, projetos de

edificações energeticamente eficientes, tanto de classe residencial quanto

comercial, estão sendo incentivados, tanto pelo governo brasileiro, quanto pelo

setor privado. Dentre estes programas, pode-se citar o PBE - Programa

Brasileiro de Etiquetagem do Inmetro, o Programa Nacional de Eficiência

Energética em Edificações - PROCEL EDIFICA da Eletrobrás/PROCEL, o

Energia Inteligente da Cemig, o Programa de Eficiência Energética da Aneel,

dentre outros.

Mendes et al. (2005) elaboraram uma lista com todos os estudos e

simulações de desempenho termo-energético em edificações realizados no

Brasil, desde o início da década de oitenta até 2004. Concluiu-se o estudo

afirmando que para promover projetos de edificações mais eficientes no Brasil,

é necessário neutralizar as principais causas da fraca disseminação desse tipo

de tecnologia. No caso, estas causas consistem em falta de normas bem

16

elaboradas e programas nacionais eficazes, juntamente com a complexidade

das ferramentas utilizadas para esse fim.

Embora haja muitos artigos sobre eficiência energética, ainda há poucos

estudos tratando especificamente de edificações unifamiliares no Brasil.

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo Geral

O objetivo geral deste trabalho é verificar a influência de elementos

construtivos do envelope no desempenho térmico de edificações residenciais

unifamiliares, através de simulação computacional.

1.2.2. Objetivos Específicos

Apresentam-se também os objetivos específicos a serem executados ao

longo do trabalho:

Avaliar o desempenho térmico de edificações residenciais

unifamiliares a partir de suas características construtivas;

Obter e comparar resultados de um mesmo modelo de edificação

residencial unifamiliar para três cidades brasileiras, localizadas

em diferentes regiões climáticas (Florianópolis, Curitiba e

Fortaleza);

Verificar se a transmitância térmica ponderada e a capacidade

térmica ponderada do envelope possuem relação com o

desempenho térmico da edificação.

17

1.3. Estrutura do trabalho

Este trabalho está dividido em cinco capítulos. O primeiro capítulo

introduz o tema a ser estudado, apresenta o contexto que motivou o trabalho e

os objetivos a serem alcançados com o mesmo.

O segundo capítulo consiste em uma revisão da literatura sobre o

assunto do trabalho. Os temas abordados neste capítulo basicamente

envolvem energia elétrica, iniciativas nacionais e desempenho térmico do

envelope.

O terceiro capítulo apresenta o método de simulação utilizado para

realizar a análise dos modelos de residência unifamiliar considerados para os

climas especificados.

O quarto capítulo apresenta os resultados obtidos a partir das

simulações, relacionando os elementos construtivos escolhidos para a

obtenção de residências unifamiliares mais eficientes para cada clima

brasileiro.

O quinto e último capítulo apresenta as conclusões do trabalho, as

limitações encontradas e sugestões para trabalhos futuros.

18

2. Revisão Bibliográfica

2.1. Introdução

No presente capítulo, será apresentada uma revisão dos assuntos

relacionados à elaboração deste trabalho. Para isso, divide-se o capítulo em

três partes principais: consumo de energia elétrica, iniciativas nacionais em

eficiência energética e desempenho térmico do envelope.

2.2. Consumo de Energia Elétrica

A eletricidade é conhecida a milhares de anos, sendo sua descoberta

atribuída ao filósofo grego Tales de Mileto, que ao esfregar um pedaço de

âmbar a um pedaço de pele de carneiro, observou que pedaços de palha e

madeira começaram a serem atraídos pelo próprio âmbar. Assim, da palavra

grega élektron, que significa ‘âmbar’, surge o termo ‘eletricidade’.

Nos séculos XVII e XVIII surgiram as primeiras máquinas geradoras e

armazenadoras de cargas elétricas. Benjamin Franklin, Alessandro Volta,

Michael Faraday e James Clerk Maxwell são alguns dos mais importantes

estudiosos, daquela época, relacionados à eletricidade.

Ao longo do século XIX, os geradores de eletricidade continuaram a ser

desenvolvidos, até que em 1875, na estação de Gare Du Nord, em Paris,

instalou-se um gerador que fornecia eletricidade para alimentar as lâmpadas de

arco da estação. Em outras palavras, a eletricidade em forma de energia

elétrica surgiu a pouco mais de cem anos, marcando e tornando possível o

início de uma nova era, também conhecida como Era da Informação.

A produção de energia elétrica deve estar em constante aumento, um

pouco superior ao consumo, a fim de evitar cenários caóticos como falta de

energia elétrica em horários de pico, racionalizações e até a paralisação parcial

da economia do país. No cenário energético brasileiro, de acordo com a Tabela

2.1, o consumo de eletricidade aumentou gradualmente nos últimos dez anos.

19

Tabela 2.1 - Produção e Consumo de Eletricidade no Brasil

Fonte: BEN (2012)

Estudando a composição do consumo de energia elétrica de quase

dezoito mil residências distribuídas em dezessete estados brasileiros, Ghisi et

al. (2007) definem que a maior parcela de consumo é composta pela geladeira

e pelo freezer juntos, chegando a representar aproximadamente 42% do

consumo total de energia elétrica. A parcela do chuveiro elétrico representa

algo em torno de 20% e o ar-condicionado é responsável por 10% do consumo

total de eletricidade, com uma variação maior que as outras, por possuir maior

dependência das condições climáticas da região da residência analisada. A

iluminação, a televisão, o ferro de passar roupa, a máquina de lavar e os outros

eletrodomésticos completam as porcentagens citadas anteriormente, variando

segundo o padrão econômico de cada residência. O estudo também indicou

que, dependendo da zona bioclimática considerada, o consumo final varia

consideravelmente devido ao chuveiro elétrico e ao ar condicionado. Uma

alternativa proposta pelos pesquisadores é a implementação de medidas que

incentivem o uso da energia térmica solar.

Devido ao acentuado aumento no consumo de energia elétrica no Brasil,

estimado em 39,9% pela ANEEL (2012) entre 1997 e 2007, julgou-se

importante estabelecer normas e regulamentações em relação à eficiência

energética de edificações no país. Duas normas foram recentemente

elaboradas com o objetivo de otimizar o desempenho térmico das edificações

Fluxo 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

Produção (GWh)

345.679 364.340 387.452 403.031 419.383 445.149 463.120 466.158 515.799 531.758

Centrais Elétricas de

Serviço Público (GWh)

311.601 329.282 349.539 363.248 377.644 398.011 412.012 409.150 442.803 454.726

Autoprodutores (GWh)

34.078 35.058 37.913 39.782 41.739 47.138 51.107 57.008 72.995 77.033

Importação (GWh)

36.580 37.151 37.392 39.202 41.447 40.866 42.901 40.746 35.906 38.430

Exportação (GWh)

-7 -6 -7 -160 -283 -2.034 -689 -1.080 -1.257 -2.544

Variação de estoques, perdas e

ajustes (GWh)

-57.887 -59.272 -64.892 -66.880 -70.597 -71.850 -77.082 -79.795 -85.748 -87.524

Consumo Total (GWh)

324.365 342.213 359.945 375.193 389.950 412.131 428.250 426.029 464.699 480.120

20

e, consequentemente, torná-las mais eficientes: a NBR 15220 - Desempenho

Térmico de Edificações (ABNT, 2005) e a NBR 15575 - Edificações de até

cinco pavimentos - Desempenho (ABNT, 2008). A NBR 15220 possui cinco

partes, definindo um zoneamento bioclimático brasileiro, descrevendo os

métodos de cálculo e de medição das propriedades térmicas dos componentes

construtivos das edificações, e por fim indicando diretrizes construtivas para

habitações unifamiliares de interesse social. Por outro lado, a NBR 15575 tem

seu principal foco nos requisitos mínimos de desempenho térmico e em outros

fatores relacionados a cada zona bioclimática. Desta forma, aplicando-se os

critérios da NBR 15575, pode-se avaliar o desempenho da edificação.

2.3. Iniciativas Nacionais em Eficiência

Energética

A crise energética ocorrida no Brasil, em 2001, contribuiu para a

promulgação da Lei no 10.295 de 17 de outubro de 2001, que trata sobre a

Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia. A mesma lei foi,

posteriormente, complementada pelo Decreto 4.059 de 19 de dezembro de

2001, que define níveis mínimos de eficiência energética e máximos de

consumo específico, tanto de aparelhos e máquinas que funcionam

consumindo energia elétrica, quanto de edificações construídas. Esta iniciativa

alavancou outros programas e regulamentos, como por exemplo, o PROCEL-

EDIFICA, que por sua vez, originou dois regulamentos: o RTQ-C (Regulamento

Técnico da Qualidade do Nível de Eficiência Energética de Edifícios

Comerciais, de Serviços e Públicos) e o RTQ-R.

O PROCEL EDIFICA – Programa Nacional de Eficiência Energética em

Edificações – foi instituído em 2003, com o objetivo de promover o uso racional

de energia elétrica e de incentivar a conservação dos recursos naturais nas

edificações, reduzindo os desperdícios e os impactos sobre o meio ambiente.

O programa atua em conjunto com o Ministério de Minas e Energia, o Ministério

das Cidades, o setor de Construção Civil, centros de pesquisa, universidades e

outras entidades de áreas relacionadas.

O Regulamento Técnico da Qualidade do Nível de Eficiência Energética

de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos (RTQ-C) avalia a edificação

21

baseado principalmente na envoltória, nos sistemas de iluminação e no sistema

de condicionamento de ar. Por outro lado, o Regulamento Técnico da

Qualidade do Nível de Eficiência Energética de Edifícios Residenciais (RTQ-R),

além de avaliar minuciosamente a envoltória e os sistemas de iluminação e

condicionamento de ar, também considera a eficiência do sistema de

aquecimento de água. No final da avaliação, dependendo dos resultados

obtidos, é fornecida uma etiqueta para a edificação, contendo a classificação

parcial e geral. A etiqueta pode ser concedida de forma parcial, desde que

sempre contemple a avaliação da envoltória.

No Brasil, a metodologia para a classificação do nível de eficiência

energética de edificações comerciais foi publicada em 2009, revisada no ano

seguinte e continua sofrendo pequenas modificações e correções desde então.

Este método adota um processo de avaliação e consequente etiquetagem,

declarando quão eficiente é o edifício analisado. O processo de etiquetagem

ocorre de forma distinta para edifícios comerciais, de serviços, públicos e para

edifícios residenciais. Pode-se avaliar um projeto tanto pelo método prescritivo

quanto pelo método da simulação. O edifício construído, por sua vez, é

avaliado através de inspeção in loco.

A etiquetagem de edificações é uma ferramenta útil para reduzir o

consumo de energia das mesmas. De acordo com o World Energy Council

(2004), a etiquetagem e o critério de eficiência energética mínima são as

opções mais adequadas no momento, visando obter melhoras rápidas no setor.

Porém, no atual contexto brasileiro, não existem incentivos econômicos

consistentes para as construções consideradas eficientes energeticamente.

Ainda não há um interesse real por parte das construtoras, nem conhecimento

suficiente por parte da maioria dos seus clientes por edificações com este

diferencial.

Por outro lado, o Plano Nacional de Eficiência Energética visa mudar isto

nas próximas duas décadas, incentivando, capacitando e divulgando a

etiquetagem de edificações. Uma das metas do PNEF é economizar 106,6 mil

GWh em um período de vinte anos, incluindo todos os setores: industrial,

edificações residenciais, iluminação pública e saneamento. Já nos próximos

anos, o PNEF visa incluir e aplicar o conceito de eficiência energética nos

edifícios públicos já existentes.

22

Mendes et al. (2005) listaram uma série de pesquisas relacionadas à

simulação de desempenho térmico e energético de edificações no Brasil,

realizadas desde a década de 80, até o ano de 2002. A motivação do estudo foi

a evolução progressiva, durante aquele período, do consumo de energia

elétrica em edificações no país, tendo como ponto crítico a crise energética

enfrentada em 2001. A partir do racionamento, das perdas econômicas e do

transtorno causados pela falta de energia elétrica, começaram a surgir

pesquisas focadas em edificações energeticamente mais eficientes. No Brasil,

as instituições de ensino e pesquisa ainda são as responsáveis pela maior

parte da utilização de ferramentas de simulação para edificações, porém,

durante os últimos anos, algumas empresas de consultoria de desempenho

térmico e eficiência energética estão ganhando estabilidade no setor privado. O

ideal para o país seria acoplar as noções energéticas e de sustentabilidade já

na fase inicial do projeto das edificações, seguindo o modelo dos escritórios

alemães. Para promover projetos de edificações mais eficientes no Brasil, é

necessário neutralizar as principais causas da fraca disseminação desse tipo

de tecnologia: a falta de normas bem elaboradas e programas nacionais

eficazes, juntamente com a complexidade das ferramentas utilizadas para esse

fim. Uma melhoria nas normas existentes possibilitaria uma regularização do

setor de eficiência energética dentro da construção civil, impulsionando uma

nova mentalidade relativa a edificações. Quanto à aplicação das normas,

seriam determinados indicadores de consumo e definidos critérios de avaliação

através da utilização de programas computacionais de simulação energética.

Entre as iniciativas nacionais, com o objetivo de popularizar a simulação

computacional, pode-se citar o Domus (desenvolvido pelo Laboratório de

Sistemas Térmicos/PUCPR). Em longo prazo, esta melhoria nas normas

poderá incentivar o desenvolvimento de programas de simulação que tenham a

legislação brasileira como embasamento, e desta forma, aprimorar e oficializar

a definição de diversos níveis de eficiência energética em edificações no Brasil.

Segundo Bodach e Hamhaber (2010), no Brasil, as barreiras para uma

maior eficiência energética em habitações, especialmente de caráter social,

derivam de uma combinação de deficits típicos do setor da construção. Além

dos custos dos investimentos, da baixa conscientização e capacitação, a

regulamentação é inconsistente e as normas estão incompletas. Para chegar a

estas conclusões, em um primeiro momento, o estudo analisou o setor de

23

habitações de caráter social no Brasil e no Rio de Janeiro, identificando os

desafios a serem vencidos. Na segunda parte da pesquisa, examinou-se a

eficiência energética segundo as políticas e padrões brasileiros, identificando

possíveis barreiras para a implementação da eficiência energética no setor de

habitações de caráter social. E por fim, na terceira parte do estudo, efetuou-se

um estudo de caso com o Projeto Social Casa Lar Mangueira, no Rio de

Janeiro, visando estabelecer em qual nível tecnológico encontram-se estas

habitações. O estudo afirma que, em países em desenvolvimento, assim como

no Brasil, existe um grande potencial de melhoria na eficiência energética de

edificações residenciais. Inclusive, esta melhoria nas habitações de caráter

social pode servir como uma espécie de catalisador para que toda a indústria

da construção adote um novo padrão de edificações, mais eficiente

energeticamente.

2.4. Desempenho Térmico de Edificações

O envelope de uma edificação é o elemento responsável por separar o

ambiente interno do ambiente externo. Por isso, a especificação das

propriedades termo-físicas do envelope do edifício é, dentre as estratégias

passivas de condicionamento, uma das mais importantes e estudadas.

2.4.1. Desempenho térmico de paredes

Para ocorrer transmissão de calor entre dois corpos é necessário que os

mesmos tenham temperaturas diferentes. Assim sendo, o corpo de maior

temperatura cede energia térmica para o corpo de menor temperatura, criando

um fenômeno conhecido como fluxo de calor. Este processo tende ao equilíbrio

térmico, ou seja, a troca de energia térmica só cessa quando as temperaturas

forem iguais. No caso de paredes de edificações, o fluxo de calor tem dois

possíveis sentidos: do exterior para o interior ou do interior para o exterior. O

sentido do fluxo depende essencialmente da diferença entre temperatura

interna e externa. Quanto maior for a diferença entre as duas temperaturas,

maior será a quantidade de energia térmica transferida e, consequentemente,

maior será a intensidade do fluxo de calor. Outras duas variáveis que

24

influenciam o cálculo do fluxo de calor são a área da superfície considerada e a

transmitância térmica dos materiais utilizados. A área obedece a uma relação

linear, ou seja, quanto maior a área em questão, maior será a quantidade de

energia térmica cedida/recebida. Por outro lado, a transmitância térmica varia

dependendo do tipo de material, da espessura e da maneira como o mesmo

estiver disposto (com camadas de ar interpostas, por exemplo) na envoltória do

edifício.

Aste et al. (2009) investigaram a influência das propriedades de inércia

térmica das paredes externas na eficiência energética de edificações

residenciais. Mais especificamente, foram testados diferentes conjuntos de

paredes com a mesma transmitância térmica, porém com propriedades termo-

físicas diferentes. Para realizar as simulações, considerou-se Milão como

sendo a referência climática e o programa utilizado foi o EnergyPlus. Milão foi

escolhida devido ao seu inverno frio e seu verão quente, permitindo uma

avaliação mais detalhada do desempenho térmico da edificação, tanto no

aquecimento quanto no resfriamento. O edifício simulado foi um prédio

residencial multifamiliar (fictício) de três andares, com a maior fachada

orientada para o norte. Os diferentes tipos de paredes foram agrupados nas

seguintes categorias: paredes maciças, paredes leves constituídas

basicamente de materiais isolantes, parede com isolamento na camada

externa, parede com isolamento na camada intermediária, parede com

isolamento na camada interna, parede com isolamento na camada externa e

interna. Observou-se que a diferença de demanda energética de aquecimento

pode alcançar 10%, quando se comparam paredes de baixa inércia térmica

com paredes de alta inércia térmica. Enquanto que no resfriamento, a diferença

de demanda energética entre as paredes de baixa e alta inércia térmica pode

chegar a 20%. Concluiu-se que paredes de alta inércia térmica usualmente

proporcionam uma redução da energia necessária, tanto para o aquecimento,

quanto para o resfriamento. O estudo confirmou a importância da inércia

térmica dos componentes construtivos do envelope do edifício e sugeriu

utilizar, em conjunto, outras medidas de economia de energia, deixando a

edificação mais eficiente.

Barrios et al. (2011) analisaram as diferenças de desempenho de uma

edificação, para duas situações: com e sem condicionamento artificial. Foi

adotado um modelo unidimensional de transferência de calor para avaliar o

25

desempenho térmico de paredes com uma camada e de paredes

multicamadas. A cobertura seguiu o mesmo padrão utilizado para as paredes.

Os três materiais testados para compor as diversas paredes, tanto de uma,

quanto de três camadas, foram: concreto de alta densidade, concreto aerado e

poliestireno expandido. No caso de condicionamento artificial, o melhor

desempenho térmico foi obtido no modelo com a parede de poliestireno. Para o

caso não condicionado, o melhor desempenho térmico foi alcançado pela

parede multicamadas com o poliestireno na camada externa. Como principal

conclusão do estudo, obteve-se que uma parede (e uma cobertura) apropriada

para uma edificação condicionada artificialmente pode não ser adequada para

uma edificação não condicionada. Verificou-se também que, utilizando

aparelhos de condicionamento de ar, a propriedade física mais importante é a

condutividade térmica, ou seja, quanto mais baixa, melhor. Para os casos sem

condicionadores de ar, a propriedade mais influente foi a difusividade térmica

(como o calor de difunde através de um material) e novamente, quanto mais

baixa, melhor.

Ozel (2013) realizou pesquisas para determinar a espessura ideal de

isolamento de acordo com as necessidades de resfriamento, para paredes de

edificações em climas quentes. O estudo utilizou dados climáticos da cidade de

Antalya, possuidora de um clima caracteristicamente mediterrâneo, na costa

sudoeste da Turquia, onde predominam verões quentes e secos e invernos

amenos e chuvosos. Em um primeiro momento, foram calculadas as

propriedades térmicas, como, atraso térmico, fator de decremento e carga de

transmissão de resfriamento. Para possibilitar tais cálculos, utilizou-se um

programa desenvolvido especialmente para este caso, o qual utiliza um método

de diferenças finitas implícitas, de acordo com condições periódicas, durante o

período de verão, para as diferentes orientações das paredes da edificação. Os

resultados obtidos também foram comparados com os métodos de graus-dia e

graus-hora. A espessura ótima da camada de isolamento para cada orientação

de parede foi determinada fazendo uma análise de custo, considerando um

tempo de vida de vinte anos para a edificação. Obteve-se, como resultado, que

a parede da fachada norte é a que necessita da menor espessura de

isolamento, por possuir a menor carga de resfriamento entre as diversas

fachadas. A maior espessura de isolamento necessária foi indicada para as

fachadas leste e oeste, onde as cargas de resfriamento foram máximas.

26

Segundo Manioglu e Yilmaz (2006), a envoltória do edifício, responsável

pelos fluxos de calor entre os ambientes internos e externos, é o principal

determinante do clima interno. O estudo em questão avaliou uma escola

primária, do ponto de vista de seu desempenho térmico. Testaram-se cinco

tipos diferentes de parede. Os resultados variaram de acordo com a tipologia,

confirmando a importância do envelope no desempenho térmico das

edificações. O ambiente escolhido para ser analisado situa-se entre dois

pavimentos, logo, os fluxos de calor através do piso e teto são

desconsiderados. Mesmo para o melhor caso (ou seja, a melhor parede), as

estratégias de condicionamento passivo não foram suficientes para garantir o

conforto térmico dos usuários durante todo o intervalo de tempo simulado. No

final do estudo, concluiu-se ser necessário adotar condicionamento artificial no

ambiente simulado, mais especificamente, durante o período mais quente do

ano.

2.4.2. Desempenho térmico de coberturas

Teixeira e Labaki (2012) monitoraram o resfriamento passivo de

coberturas de residências localizadas em climas subtropicais. O material

adotado para constituir a cobertura foi telha de fibro-cimento, tanto por ter um

baixo custo, quanto por não precisar resistir a grandes cargas. A residência

analisada está localizada em Campinas, no estado de São Paulo. O clima de

Campinas é tropical de altitude, com invernos secos e amenos, e verões

chuvosos com temperaturas moderadamente altas. A cobertura é uma

superfície altamente exposta aos fatores climáticos. Em edificações,

especialmente no caso de residências com somente um pavimento, a cobertura

é a superfície que recebe a maior quantidade de energia solar. Desta forma, o

estudo teve como objetivo testar e analisar os resultados obtidos para a

cobertura da residência em questão, considerando ou não a utilização de

técnicas de resfriamento passivo. Foram monitoradas três variáveis climáticas

durante o estudo: a radiação solar, a umidade relativa do ar e a temperatura

atmosférica. Quanto às características da superfície, consideraram-se três

casos: telha com pintura branca impermeável, telha com pintura acrílica branca

e telha sem pintura. Por fim, foram analisadas duas condições para cada telha:

superfície molhada ou seca. Comprovou-se que quando a cobertura molhada

27

recebe radiação solar, o filme de água presente absorve parte da energia

oriunda da radiação solar e evapora, acarretando em um atraso no aumento de

temperatura da superfície da telha. As telhas com a superfície pintada de

branco apresentaram melhor desempenho térmico do que as sem pintura,

atingindo temperaturas menores ao longo dos dias analisados e reafirmando a

importância da escolha da cor dos elementos construtivos do envelope da

edificação. Entre os dois tipos de superfície brancas analisadas, a que

apresentou menor temperatura, ao longo dos dias, foi a telha pintada com tinta

acrílica branca. Notou-se também uma maior diferença entre as temperaturas

de superfície das telhas pintadas de branco com a telha sem pintura, quando

da utilização de água, como estratégia de resfriamento passivo. A maior

diferença de temperatura registrada na comparação das três superfícies foi em

torno de 6ºC, sem utilização de água, e de aproximadamente 9ºC quando se

considerou a aspersão de água, ou simplesmente chuva.

Batista et al. (2005) estudaram a influência de diferentes tipos de

cobertura no desempenho térmico de uma edificação, utilizando o programa

computacional EnergyPlus 1.2.1 para executar as simulações. O estudo de

caso foi realizado em Brasília, cidade que apresenta um clima quente e seco,

com elevada amplitude térmica. A estratégia de condicionamento passivo

aconselhável para ser adotada, neste caso, é a inércia térmica. Utilizando

materiais com maior capacidade térmica é possível reduzir o aumento de

temperatura da edificação durante o dia, evitando a sensação desagradável de

calor por parte dos usuários. Também é indicada a ventilação seletiva,

estratégia que permite um movimento maior de ar durante a noite (esfriando a

edificação), contrastando com um movimento de ar reduzido durante o dia

(para evitar que o ar quente externo aqueça o ambiente interno da residência).

O modelo utilizado para a simulação consiste em um único ambiente de 10m x

10m x 2,7m, com uma única janela virada para o norte. Desconsiderou-se a

ocupação de pessoas, sendo estipulada uma carga interna fixa de 200 W

durante as vinte e quatro horas diárias. As taxas de renovação assumidas são

garantidas pela ventilação natural, sendo que o ambiente não possui um

sistema de condicionamento de ar. Dentre as diversas alternativas testadas, a

cobertura isolada com lã de vidro apresentou o melhor desempenho,

garantindo temperaturas mais agradáveis tanto no verão, quanto no inverno.

Através das simulações efetuadas, o uso de isolamento térmico demonstrou

28

ser mais vantajoso que o uso de materiais com maior capacidade térmica. O

estudo também ressalta a importância de dominar e saber interpretar

corretamente os resultados obtidos em programas computacionais como o

EnergyPlus, a fim de projetar edificações eficientes que garantam a satisfação

de seus usuários.

Em Israel, região caracterizada por condições climáticas quentes e

secas, os construtores e arquitetos costumam preferir telhados em forma de

abóbada ou cúpula em suas edificações. Estes tipos de cobertura estão

presentes há séculos na arquitetura do Oriente Médio, porém, poucos foram os

pesquisadores que realizaram estudos relacionados ao desempenho térmico

deste tipo de cobertura. Por isso, Tang et al. (2006) montaram um detalhado

modelo de elementos finitos, baseado em transferência de calor bidimensional

e inconstante para estudar o desempenho térmico de edificações com telhados

abobadados. O estudo contempla especificamente as edificações não

climatizadas artificialmente, permitindo fazer uma comparação entre o

desempenho térmico de telhados abobadados com telhados planos sob

diferentes condições climáticas. Verificou-se, através de resultados numéricos,

que independentemente do tipo de edificação, as que possuíam coberturas

curvas apresentaram temperaturas internas menores, quando comparadas com

as edificações de coberturas planas. O motivo para tal fenômeno é a maior

dissipação de calor através de convecção e radiação térmica pelas superfícies

curvas, durante o período noturno. Por outro lado, a diminuição progressiva do

ângulo de curvatura do telhado, acaba minimizando esta maior dissipação de

calor, fazendo com que o desempenho térmico de tais coberturas fique similar

ao de um telhado plano. A pesquisa é finalizada concluindo que telhados em

forma de abóboda ou cúpula são fortemente aconselhados para edificações

não climatizadas artificialmente, em regiões de clima quente e seco. O

pesquisador também afirma que não se pode garantir o mesmo resultado para

climas úmidos, sugerindo a realização de ulteriores pesquisas no caso de

climas diferentes.

O telhado, em particular, é um elemento muito influente na avaliação

geral do envelope, permitindo significantes economias de energia, tanto em

relação ao resfriamento, quanto ao aquecimento. Telhados frios mantêm a

temperatura relativamente baixa refletindo a radiação solar incidente durante o

dia e perdendo calor durante a noite. Por outro lado, os telhados verdes

29

(recobertos com vegetação) baseiam-se em uma espécie de espessura de

isolamento adicional proporcionada pelo solo, juntamente com o efeito de

evapotranspiração da camada de vegetação, que ajuda a resfriar o telhado sob

efeito da radiação solar. Além de reduzir o consumo de energia, estes dois

tipos de cobertura garantem certa mitigação do efeito conhecido como ‘ilha de

calor’, comum nos grandes centros urbanos. Os estudos de Zinzi e Agnoli

(2012) foram baseados em simulações termo-energéticas em diferentes

localidades de clima mediterrâneo, utilizando telhados frios e coberturas

verdes. Os telhados frios foram fortemente indicados quando o objetivo é a

economia de energia e o resfriamento do ambiente interno, especialmente nas

regiões centrais e meridionais da bacia do Mediterrâneo. Por outro lado, em

edificações sem isolamento térmico, telhados frios causam um aumento

excessivo da demanda de aquecimento, tornando-se desaconselháveis

economicamente. Coberturas verdes, apesar de serem bastante eficientes, na

maioria dos casos são muito difíceis de serem modeladas corretamente nos

programas de simulação, devido ao alto número de variáveis que precisam ser

inseridas. O estudo também ressalta a dependência da presença de água no

telhado verde, fundamental para que o mesmo tenha um bom desempenho

térmico e corresponda com o modelo simulado.

Na França, a maioria dos avanços no desempenho térmico das

edificações está focada no isolamento do envelope, especialmente devido aos

invernos rigorosos. Porém, a adoção de telhados frios está se tornando uma

solução quase que padrão para obter melhor desempenho térmico durante o

verão também. A utilização de telhados frios (caracterizados por uma alta

refletância solar e uma alta emissividade infravermelha) é uma técnica passiva

para resfriar as cidades e o interior dos ambientes, seu desempenho costuma

depender da localização climática e da morfologia da edificação. Bozonnet et

al. (2011) estudaram o desempenho de telhados frios, analisando um pequeno

prédio residencial (sem sistema de resfriamento) localizado em Poitiers, no

centro da França. No primeiro caso considerou-se o prédio bastante isolado, ao

contrário do segundo, que não apresentava isolamento térmico. Os resultados

indicaram que mesmo em um clima moderado, o telhado frio apresentou

grande importância nas maiores temperaturas, garantindo temperaturas de

superfície menores em 10ºC ou mais. Para a edificação com isolamento,

apesar de não ter influenciado tanto na temperatura operativa interna da

30

edificação, acabou diminuindo consideravelmente os picos de temperaturas

durante o verão. Na edificação sem isolamento, as diferenças de temperatura

foram ainda maiores.

2.4.3. Desempenho térmico de janelas

Diferentemente dos materiais opacos, que absorvem uma parcela e

refletem a outra parcela da energia radiante que incide sobre sua superfície, os

vidros (materiais transparentes) absorvem, refletem e transmitem parcelas da

radiação solar que incide sobre eles. Existem diversos tipos de vidro, sendo

que cada tipo é caracterizado por seus índices de absortividade (α),

refletividade (ρ) e transmissividade (σ). A soma dos três índices é 1, ou seja,

representa toda a radiação solar incidente no vidro. A porcentagem que cada

vidro absorve, reflete ou transmite, é definida pelo comprimento de onda da

radiação incidente. Na prática, é como se o vidro tivesse um comportamento

seletivo, regulando e definindo qual a porcentagem de radiação que vai ser

absorvida, refletida ou transmitida através dele. A Tabela 2.2 apresenta alguns

dos tipos de vidro existentes e suas propriedades térmicas.

Tabela 2.2 - Comportamento térmico de vidros segundo RIVERO (1986)

Fonte: Lamberts et al. (2011)

Tipo de Vidro σ α ρ

Comum 0,85 0,07 0,08

Absorvente claro 0,52 0,41 0,07

Absorvente médio 0,31 0,63 0,06

Absorvente escuro 0,09 0,86 0,05

Refletor médio 0,25 0,42 0,33

Refletor escuro 0,11 0,42 0,47

Bojic´ e Yik (2007) analisaram, utilizando o programa de simulação

EnergyPlus, a economia de energia que pode ser obtida utilizando novas

técnicas de envidraçamento, em arranha-céus residenciais de Hong Kong. O

estudo foi baseado no projeto padrão de prédio residencial, conhecido como

Harmony Block, cada vez mais difundido em Hong Kong. O clima predominante

de Hong Kong é subtropical, com invernos frios e verões quentes e chuvosos.

31

A diminuição do consumo energético destinado à refrigeração foi analisada

para quatro tipos de vidro: vidro simples de baixa emissividade, vidro simples

de baixa emissividade reversível, vidro duplo e vidro duplo de baixa

emissividade. As economias anuais, de energia elétrica utilizada para

resfriamento de um pavimento tipo intermediário, foram de até 4,2% para o

primeiro, de até 1,9% para o segundo, de até 3,7% para o terceiro e de até

6,6% para o último tipo de vidro, respectivamente. A economia de energia

elétrica depende da orientação da edificação, do tipo e localização dos

cômodos considerados. Esses tipos de vidro foram testados levando em

consideração os cômodos condicionados artificialmente, incluindo a sala e os

quartos, excluindo cozinha e banheiros, onde foram mantidos os vidros

comuns, por serem cômodos não-condicionados artificialmente. Concluiu-se

que somente o vidro simples de baixa emissividade pode ser considerado

interessante do ponto de vista de custo-benefício. O uso das outras técnicas de

envidraçamento citadas é inviável economicamente para o caso analisado,

devido ao alto custo destes vidros juntamente com a menor demanda de

refrigeração das edificações residenciais.

O estudo de Tsikaloudaki et al. (2012) avalia o desempenho energético

de janelas de edificações residenciais, localizadas nas proximidades do Mar

Mediterrâneo, almejando o resfriamento do ambiente interno. A transferência

de calor através das janelas é responsável por uma significativa parcela da

energia utilizada para atender à necessidade, tanto de resfriamento, quanto de

aquecimento das edificações. Janelas e esquadrias, devido às características

térmicas e óticas do material pelo qual são constituídas, costumam ser o ponto

fraco do envelope, por onde ocorrem grandes transferências de energia entre o

ambiente interno e o externo. Além das características termo-óticas, o estudo

também avalia a geometria, a orientação e o nível de sombreamento das

janelas. A transparência do vidro, a orientação e transmitância solar foram

variáveis que tiveram a maior influência sobre o desempenho térmico da janela,

especialmente nas simulações que contemplavam regiões européias com

temperaturas mais elevadas. Valores moderados de transmitância solar do

vidro, combinados com a utilização de sombreamento nas janelas resultaram

no melhor desempenho em termos de demanda de energia necessária para

resfriamento do ambiente das residências. A análise estatística dos dados

obtidos resultou em expressões matemáticas que podem ser utilizadas na

32

prática, com erros mínimos, para predizer o desempenho energético de janelas

(quanto ao resfriamento), dependendo de suas características térmico-óticas.

O estudo de Gugliermetti e Bisegna (2007) analisa a economia de

energia possível através da adoção de janelas reversíveis, em diferentes

regiões da Itália (representando o clima típico mediterrâneo), para edificações

que fazem uso de sistemas, tanto de resfriamento, quanto de aquecimento. A

janela reversível consiste em um sistema de vidro duplo, composto por duas

lâminas, uma de vidro normal, e outra de vidro absorvente. Esta combinação

de vidros permite absorver a radiação solar em forma de energia térmica ao

longo da estação fria, ao mesmo tempo em que impede a entrada de calor

através das janelas no verão. A única tarefa do usuário é recordar-se de

inverter a janela, rotacionando-a em 180 graus, quando quiser mudar seu

comportamento térmico, de absorvente para refletora, de acordo com as

exigências climáticas externas. Quando utilizadas nas fachadas sul e norte, as

janelas reversíveis proporcionam uma economia de aproximadamente 10% no

consumo total de energia, tanto para resfriamento, quanto para aquecimento.

Nas fachadas leste e oeste, as economias chegaram a 15% do consumo de

energia, visto que essas fachadas costumam receber maiores quantidades de

radiação solar.

A edificação e suas formas têm grande influência sobre as temperaturas

interiores dos ambientes. Sistemas de controle solar e dispositivos de

sombreamento bem planejados afetam drasticamente a temperatura interna. A

pesquisa de Ahmed (2012) analisa a influência de persianas verticais no

desempenho térmico de edificações residenciais em New Assiut, no Egito. O

clima egípcio é caracterizado pela aridez e altas temperaturas durante o dia. O

estudo analisa diversas espessuras de persianas (12 cm, 25 cm, 50 cm, 75 cm

e 100 cm) e quatro orientações (norte, leste, oeste e sul). Os resultados

comprovaram que, persianas verticais diminuíram em até 2ºC a temperatura

interna da edificação, dependendo de seu comprimento. As menores

temperaturas internas foram obtidas com os maiores comprimentos de

persianas.

33

2.4.4. Desempenho térmico de edificações sem

condicionamento térmico artificial

Na ausência de aparelhos de ar condicionado, faz-se utilização de

estratégias bioclimáticas que proporcionam economia no consumo de energia e

melhoras nas condições de conforto térmico. Dentre estas estratégias,

relacionadas à envoltória da edificação, Lamberts et al. (2011) citam a

ventilação natural, a inércia térmica e o aquecimento solar passivo. A

ventilação natural ocorre por diferença de pressão do ar, resultante da ação de

ventos ou da diferença de temperatura do ar. Além da diferença de pressão, é

necessário existir aberturas que possibilitem a circulação de ar pela edificação.

A ventilação natural proporciona renovação do ar e acaba contribuindo para o

conforto térmico do usuário, devido à velocidade do ar sobre as pessoas, que

provoca uma sensação de resfriamento. A inércia térmica é adotada como

estratégia bioclimática quando o objetivo é estabelecer um tempo de

defasagem entre as solicitações térmicas externas e as respostas internas do

edifício. Na prática, os materiais de alta inércia térmica conseguem armazenar

grande quantidade de calor, isolando durante algum tempo o ambiente interno

do externo, caracterizando um atraso térmico. Quanto ao aquecimento solar

passivo, é um método que utiliza a energia do sol para transferir calor ao

ambiente desejado, sendo idealmente adotado em casos com baixas

temperaturas do ar. Superfícies envidraçadas orientadas para o sol possibilitam

uma maior entrada de calor na edificação, já as pequenas aberturas dificultam

as perdas de calor para o ambiente externo.

Estudos realizados por Pereira e Ghisi (2011) analisaram a eficácia da

ventilação natural em proporcionar conforto térmico aos usuários de uma

residência em Florianópolis. Através de medições in loco e simulações

utilizando o programa EnergyPlus, procurou-se estabelecer o tipo de material

ideal para o envelope, a fim de proporcionar o menor somatório de horas de

desconforto aos usuários da residência. Florianópolis possui um clima

subtropical úmido, com verão e inverno bem caracterizados, com chuvas bem

distribuídas ao longo do ano. Devido a proximidade do mar, a umidade relativa

do ar é alta, ficando em torno de 80%, em média. O melhor resultado foi

conseguido através da utilização de materiais com maior capacidade térmica

34

no envelope da residência, devido ao atraso térmico proporcionado, o que

resultou na diminuição das horas de desconforto. Idealmente, ocorreria uma

ulterior redução das horas de desconforto através de ventilação seletiva, que

consiste em somente abrir as janelas quando se deseja que a temperatura

externa prevaleça sobre a temperatura interna. Por outro lado, a ventilação

constante ao longo do verão resultou em maior desconforto térmico para os

usuários, sendo considerada desaconselhável para edificações em

Florianópolis. Estes resultados comprovam que as propriedades térmicas dos

materiais componentes do envelope influenciam o desempenho térmico das

edificações residenciais ventiladas naturalmente.

Wong e Li (2007) estudaram a aplicação de estratégias de

condicionamento térmico passivo em edificações residenciais em Singapura.

Devido à proximidade com a linha do equador, a região apresenta um clima

com temperaturas altas, umidade alta e abundantes chuvas ao longo de todo o

ano. Devido ao desenvolvimento de Singapura nas últimas décadas, o padrão

de vida da cidade aumentou consideravelmente, alavancando a instalação de

sistemas de condicionamento de ar na maior parte de suas edificações

residenciais. Dados de 1988 estimam que 19% das residências da cidade

possuíam tal aparelho. Dez anos depois, em 1998, a porcentagem de

residências condicionadas artificialmente praticamente triplicou, subindo para

58%. Como consequência óbvia deste cenário, ocorreu um grande aumento no

consumo de energia elétrica do setor residencial, que foi de 951

kWh/residência em 1991, para 1803 kWh/residência em 2001. Tendo a

redução do consumo de energia elétrica (utilizada para proporcionar conforto

térmico) como motivação, os pesquisadores testam e avaliam algumas

estratégias, que não envolvem a utilização de condicionadores de ar, para

garantir condições térmicas agradáveis no interior das residências. As

estratégias de condicionamento térmico passivo foram examinadas através de

medições efetuadas em campo e simulações termo-energéticas. Fatores como

a orientação da edificação, a constituição das fachadas, o sistema de telhado

secundário e o sombreamento de janelas foram analisados e avaliados de

acordo com a respectiva resposta térmica do ambiente interno da edificação. A

temperatura interna foi estabelecida em 24ºC, e visto que o ganho interno de

calor foi definido como zero, a carga térmica de resfriamento dependeu

somente das transferências de energia térmica através do envelope da

35

edificação. Em cada um dos cômodos e das situações estudadas, analisou-se

a carga térmica de resfriamento antes e depois da aplicação das estratégias. A

melhor orientação para as edificações em Singapura é a norte/sul, podendo

reduzir a carga de resfriamento em até 11,54% quando se muda a orientação

da edificação de leste/oeste para norte/sul. Utilizando paredes mais grossas

nas fachadas leste e oeste, pode-se diminuir o ganho de calor pela radiação

solar, reduzindo em até 9,67% a carga de resfriamento. O sistema de telhado

secundário foi muito eficiente, amenizando as temperaturas internas e

ajudando a diminuir em 11,59% a carga de resfriamento. Por fim, o

sombreamento das janelas também contribuiu para uma ulterior economia de

energia, reduzindo em até 10,13% a carga de resfriamento.

A pesquisa de Garg (1991) avaliou estratégias passivas de conforto

térmico aplicadas no envelope de casas comuns localizadas na região de

Delhi, na Índia. Foi utilizado o programa Temper para avaliar os dez envelopes

selecionados. Através da comparação dos graus-hora de cada caso,

obtiveram-se as características dos envelopes com melhor desempenho

térmico. A temperatura base de resfriamento foi definida em 27ºC. O melhor

resultado foi obtido através de ventilação seletiva, permitindo que houvesse

trocas de ar somente durante a manhã, o que resultou em uma redução de

47,67% no valor de graus-hora. Alterar a cor das paredes e das coberturas

para branco ou sombrear as mesmas também resultou em reduções

significativas, de 35,93% e 26,73% respectivamente, no valor total de graus-

hora. Outra estratégia recomendada pela pesquisa, para obtenção de um

desempenho térmico melhor ainda, consiste em agrupar os envelopes da

edificação em uma linha horizontal, ao longo do eixo leste-oeste.

Barrios et al. (2012) focaram suas pesquisas em parâmetros utilizados

para avaliar o desempenho térmico de edificações ventiladas naturalmente.

Especificamente, através de simulações numéricas de transferência periódica

de calor, foram analisados diversos grupos de parâmetros de avaliação de

desempenho térmico. Os parâmetros mais adequados para avaliação da

parede ou cobertura em edificações ventiladas naturalmente: energia

transmitida durante um dia, através da parede ou cobertura; o fator de

decremento; os graus-hora de desconforto; o índice de desempenho térmico

(quente ou frio).

36

2.4.5. Desempenho térmico de edificações com

condicionamento térmico artificial

Pesquisas de Almeida et al. (2001) revelam que no setor residencial

brasileiro, o condicionamento de ar somava 3% do consumo de energia elétrica

total, no ano de 1997. Enquanto que Ghisi et al. (2007), considerando 12 dos

26 estados brasileiros (aproximadamente 70% da população), indicam que o

condicionamento de ar já tinha aumentado para 10% do consumo de energia

elétrica total do setor residencial, entre os anos de 1997 e 1999. Comparando

com dados de 2005, provenientes da ELETROBRÁS, nota-se um ulterior

aumento nesta taxa, chegando a representar 20% do consumo de energia

elétrica total do setor residencial.

Na Tailândia, até algumas décadas atrás, costumava-se construir

residências e prédios públicos com materiais de baixa inércia térmica,

apostando em pequenas aberturas rentes ao piso e em janelas bem

sombreadas e abertas para garantir a ventilação natural. Apesar destas

estratégias, devido ao clima tropical (quente e úmido) predominante ao longo

do ano nesta região, o conforto térmico era algo incomum para os usuários das

edificações. Por outro lado, nas últimas dezenas de anos, seguindo a tendência

mundial, o concreto foi tomando o lugar da madeira, como material de

revestimento nas construções tailandesas. As janelas abertas e sombreadas

foram sendo substituídas por fachadas envidraçadas e expostas à radiação

solar, tornando essencial a utilização de aparelhos de ar condicionado nestes

ambientes. Estudos, realizados desde 1980, na Tailândia, afirmam que o

condicionamento de ar foi responsável por aproximadamente 60% do consumo

de energia elétrica em edificações comerciais, atingindo até 70% do total de

energia consumida no caso de edificações residenciais. A pesquisa de

Chiraratananon e Hien (2011) utiliza medições e simulações para comparar o

desempenho termo-energético de paredes, com baixa e alta inércia térmica,

que delimitam um ambiente condicionado termicamente. As paredes de alta

inércia térmica foram capazes de atrasar a transmissão de calor e

consequentemente atrasaram o aumento da temperatura do ambiente. Este

atraso térmico, por sua vez, acarretou em uma economia de energia (que seria

gasta para resfriar o ambiente), no caso de edificações que funcionam somente

37

durante o dia. Já no caso de edificações residenciais, onde o período noturno

também deve ser considerado, as paredes de alta inércia térmica não

apresentaram vantagem, sendo até consideradas menos eficientes do que as

paredes de baixa inércia térmica, dependendo da situação. O conceito é

simples: o material acumula energia térmica ao longo do período diurno e libera

esta mesma energia durante o período noturno, para o ambiente interno e

externo da edificação. Consequentemente, quanto mais energia for acumulada

durante o dia, mais energia terá de ser liberada durante a noite.

Mitterer et al. (2012), analisaram um estudo com protótipos de

residências unifamiliares em Dubai, afirmam que o envelope construtivo tem

forte influência direta no clima interno da edificação. Dubai está situada no

Golfo Pérsico, envolvida por um lado pelo mar e no outro pelo deserto. A região

possui um clima subtropical árido, com temperaturas altas praticamente

durante o ano inteiro, especialmente no verão, quando as temperaturas

ultrapassam quarenta graus Celsius na maior parte das horas ensolaradas. O

objetivo do estudo era provar que inclusive residências em climas considerados

extremos podem ser projetadas eficientemente. O envelope deve ser adequado

às condições climáticas locais e o comportamento do usuário deve ser

compatível com os métodos que foram previstos para garantir esta eficiência. A

pesquisa segue este raciocínio e foca primeiramente seus testes nos

componentes construtivos do envelope. Foram utilizados elementos de

sombreamento nas fachadas mais expostas ao sol. O isolamento térmico foi

aplicado em praticamente todo o envelope, com o objetivo de melhorar o clima

interno da residência. Em um segundo momento, trabalhou-se no

desenvolvimento de um sistema de condicionamento de ar mais eficiente,

utilizando dois princípios híbridos de resfriamento. O primeiro princípio consiste

em um sistema de resfriamento baseado em água. O segundo princípio é um

sistema de desumidificação baseado em ar. Assim, definiu-se que o conforto

térmico do usuário deve ser atendido por uma alta eficiência energética da

edificação, oriunda de um adequado desempenho térmico do envelope. Ou

seja, demonstrou-se através de ferramentas de simulação computacional, que

dependendo do comportamento e aceitação do usuário, o condicionamento de

ar pode ser otimizado, mesmo considerando climas extremos, com altas

temperaturas e altas taxas de umidade.

38

Quando o objetivo consiste em apresentar um bom desempenho

térmico, e uma boa eficiência energética, as edificações devem ter projetos

precisos e bem pensados, especialmente com relação aos seus envelopes

construtivos. Afinal, o que determina as trocas de calor (energia) entre o

ambiente interno e o ambiente externo é o próprio envelope. O caso analisado

por Sozer (2010) foi um hotel de alto padrão em Izmir, tendo sido utilizados

programas computacionais para efetuar as simulações. A cidade de Izmir está

localizada no sudeste da Turquia e tem seu clima caracterizado por verões

quentes e invernos frios. Um conceito conhecido a ser seguido, nestes casos,

consiste em limitar as perdas de calor durante o inverno e bloquear os ganhos

de calor pela edificação durante o verão. Esta pesquisa também estudou e

comprovou que elementos de sombreamento e específicos tipos de vidro,

utilizados nas janelas presentes na edificação, reduzem drasticamente o calor

conduzido através do envelope. Analisando os resultados da simulação, a

edificação proposta obteve uma economia de energia de 40% quando

comparada à edificação real. Enfim, concluiu-se que através de um envelope

adequado da edificação é possível alcançar altos níveis de eficiência

energética, inclusive em construções de maior porte, como por exemplo, hotéis.

2.5. Considerações Finais

Este capítulo apresentou pesquisas e estudos realizados em diferentes

países, com condições climáticas específicas, contemplando diversas variáveis

e análises, mas com um ponto em comum: o desempenho térmico das

edificações, dependendo de seu envelope.

Os numerosos estudos realizados nas áreas de desempenho térmico e

de eficiência energética em edificações demonstram a preocupação da

humanidade, ou pelo menos de uma parcela dela, em utilizar e aproveitar, de

uma maneira mais inteligente, suas construções.

Para cada estudo realizado, não foram somente reduzidos os gastos

energéticos, também surgiram ideias inovadoras, diferentes maneiras de

resolver o problema e melhorar a qualidade de vida da população.

39

Buscou-se apresentar os conceitos e definições importantes para o

entendimento do assunto, bem como apresentar pesquisas que tratassem de

situações similares às que serão simuladas neste trabalho.

Dessa forma, este trabalho contribui para o conhecimento das

características construtivas que as residências devem apresentar, dependendo

do clima no qual estão inseridas, para que tenham um melhor desempenho

térmico.

40

3. Método

O método aqui proposto se aplica ao estudo do desempenho térmico de

edificações residenciais unifamiliares. Por meio de alterações no envelope,

através de simulação computacional, foi possível avaliar o desempenho térmico

da edificação. Os métodos utilizados para a avaliação do desempenho térmico

da edificação foram: o somatório de graus-hora (de resfriamento e de

aquecimento), a análise da temperatura interna da edificação durante três dias

de verão e três dias durante o inverno.

O processo foi separado em duas etapas principais.

1. Descrição do modelo padrão da edificação residencial unifamiliar a ser

simulada, avaliando as variações de propriedades térmicas dos elementos

construtivos do envelope e verificando os efeitos de cada modificação, para o

clima de Florianópolis. Estudos de Schaefer et al. (2013) estabeleceram o

protótipo de habitação de interesse social (HIS) que será adotado nesta

análise. Pesquisas de Silva et al. (2013) forneceram as rotinas de ocupação,

operação de aberturas e uso de equipamentos em HIS. Ambos os estudos,

citados acima, foram realizados contemplando a região da Grande

Florianópolis. Na avaliação dos graus-hora foram considerados os graus-hora

de resfriamento e os graus-hora de aquecimento. Em relação aos dias

escolhidos para análise, os intervalos foram escolhidos por possuírem, de

acordo com o arquivo climático, o dia que apresenta a maior temperatura

horária e a menor temperatura horária do ano.

2. Aplicação do mesmo modelo de edificação (com as mesmas

dimensões, rotinas e propriedades construtivas) para os climas de Curitiba e

Fortaleza, seguindo o mesmo método e analisando a variação de elementos

construtivos do envelope, visando o melhor desempenho térmico da edificação.

Por último, efetuaram-se correlações entre os graus-hora obtidos e as

propriedades térmicas do envelope. Através das correlações, procurou-se

estabelecer a influência da transmitância térmica ponderada e da capacidade

térmica ponderada do envelope sobre o somatório de graus-hora, para as três

cidades.

41

3.1. Simulação Computacional

Conforme apresentado na revisão bibliográfica, pesquisadores de

diversos países utilizam a simulação computacional para analisar a influência

do envelope no desempenho térmico das edificações.

O programa escolhido para efetuar as simulações foi o EnergyPlus

(DOE, 2012) versão 7.2.0, tanto por ser um dos programas mais utilizados

atualmente em pesquisas em diversos países, quanto pela confiabilidade de

seu algoritmo. O trabalho não realiza a calibração do modelo, uma vez que a

edificação real não existe.

Anos de aperfeiçoamento renderam simulações do programa mais

condizentes com a realidade, permitindo obter bons resultados, mesmo sem a

calibração com o modelo real. Porém, em relação à simulação sem calibração,

dois requisitos são muito importantes e precisam ser satisfeitos: uma precisa

inserção dos dados de entrada e uma correta interpretação dos dados de

saída.

3.2. Modelagem da Edificação

Duas ferramentas computacionais foram utilizadas para modelar a

edificação. O programa SketchUp (Trimble, 2012) permitiu desenhar a

geometria e o plug-in Open Studio possibilitou definir as características físicas

e térmicas (iniciais) de cada superfície. A modelagem foi iniciada com a criação

de uma zona térmica para cada cômodo da edificação. Foram definidos os

tipos e as propriedades das superfícies que delimitam cada zona térmica. Os

cômodos, as janelas e portas foram desenhadas de acordo com o modelo

estabelecido por Schaefer et al. (2013). As trocas de ar da edificação são

realizadas através de ventilação natural, controlada pelo usuário, obedecendo

rotinas de operação de janelas. O contato com o solo foi levado em

consideração, aumentando a inércia térmica da residência, sendo que a

temperatura do solo foi obtida utilizando dados presentes nos arquivos

climáticos, em conjunto com o pré-processador Slab (acoplado ao EnergyPlus).

A cobertura foi representada como uma superfície horizontal e possui

beirais de 50 centímetros. Mesmo não representando a geometria real da

42

cobertura da edificação, foram inseridos parâmetros no EnergyPlus, com o

objetivo de simular a existência de um ático.

3.3. Modelo de Referência

3.3.1. Descrição da edificação

A edificação simulada é uma residência unifamiliar de um pavimento. A

faixa de renda mensal escolhida (de acordo com valores propostos pelo

Programa Minha Casa Minha Vida) está compreendida entre R$ 1.601,00 e R$

5.000,00.

O modelo base adotado é proveniente de um estudo apoiado pela

empresa pública Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP), no qual foram

realizadas visitas e coletas de dados em habitações de interesse social da

Grande Florianópolis. O mesmo estudo elaborou modelos representativos de

edificações residenciais unifamiliares.

As Figuras 3.1 e 3.2, obtidas através do programa SketchUp, são

representações gráficas do modelo de edificação adotado neste trabalho.

Figura 3.1: Maquete eletrônica da edificação modelo – Vista das fachadas leste

e norte.

43

A geometria da residência e dos cômodos é simples e

predominantemente retangular, somando uma área total de 57 m². Ghisi et al.

(2007) afirmam que 84% das residências unifamiliares no Brasil possuem área

construída inferior a 100 m². A mesma pesquisa define que 38% das

residências unifamiliares no Brasil possuem área de piso entre 51 m² e 75 m².

Logo, a adoção e análise do modelo com 57 m² são pertinentes dentro do

cenário construtivo brasileiro.

Figura 3.2: Maquete eletrônica da edificação modelo – Vista superior.

A residência em questão foi modelada com dois dormitórios de solteiro,

um dormitório de casal, uma cozinha, uma sala, um banheiro, como

apresentado na Figura 3.3, totalizando seis zonas térmicas. O banheiro será

simulado sem o uso do chuveiro, devido à complexidade das trocas de calor

realizadas pelo mesmo. A varanda e a área de serviço não foram consideradas

na simulação, visto que são áreas externas à edificação.

44

Figura 3.3: Planta baixa da edificação modelo.

Fonte: Schaefer et al. (2013).

3.3.2. Orientação da edificação

A orientação da edificação foi analisada para quatro situações possíveis:

com a maior fachada (onde se localizam as janelas dos três dormitórios)

orientada para norte, leste, sul, oeste. As simulações para definir a melhor

orientação foram realizadas utilizando o arquivo climático TRY de Florianópolis.

45

O modelo simulado nestas quatro orientações era composto por paredes de

tijolo cerâmico de oito furos, cobertura de telha de barro com forro de madeira,

não apresentava ventilação e não sofria influência da temperatura do solo.

Posteriormente, para o modelo de referência e para as simulações seguintes,

adotou-se a orientação que apresentou a menor ponderação por área do

somatório de graus-hora, ou seja, o melhor desempenho térmico. Foram

considerados todos os cômodos na ponderação do somatório dos graus-hora

(de resfriamento e de aquecimento), exceto o banheiro, pois não foi

classificado como um ambiente de permanência prolongada. A ponderação foi

realizada de acordo com a área dos ambientes.

3.3.3. Rotinas de ocupação

Cada cômodo, ou zona térmica, da edificação possui determinada

ocupação ao longo do dia. Esta ocupação (por pessoas) precisa ser levada em

consideração no balanço térmico da edificação. O EnergyPlus permite a

inclusão de ganhos internos de calor, provenientes tanto de equipamentos

elétricos e iluminação, quanto pela presença de pessoas.

O padrão de uso e ocupação da edificação residencial unifamiliar a ser

utilizado nas simulações foi estabelecido por Silva et al. (2013), cujos estudos

definiram os padrões de ocupação dos cômodos, de operação de aberturas e

de uso de equipamentos, para a Grande Florianópolis. Na Tabela 3.1, a rotina

de ocupação foi apresentada para dois períodos: inverno e verão. Outro

parâmetro utilizado para caracterizar os fatores de ocupação foi o tipo de dia,

que pode variar entre dia de semana e final de semana.

Para a rotina de ocupação de quartos, sala e cozinha, foi adotado um

método que impediu a ocorrência de números não inteiros de pessoas. Definiu-

se a população da casa em quatro pessoas: um casal e dois filhos. Sendo

assim, a ocupação máxima do quarto de casal (Dorm1) ficou limitada a duas

pessoas. Para os quartos de solteiro (Dorm2 e Dorm3), a ocupação máxima

adotada foi de uma pessoa. Nos ambientes da sala e da cozinha, a ocupação

variou entre zero e quatro pessoas.

Para obter somente números inteiros de ocupação, foram realizadas

aproximações do fator de ocupação horário médio (exibido na Tabela 3.1),

dependendo da ocupação máxima do ambiente. Para os ambientes onde a

46

ocupação máxima é de quatro pessoas, os valores utilizados variaram entre

0%, 25%, 50%, 75% e 100%. Para os ambientes onde a ocupação máxima é

de duas pessoas, somente os valores 0%, 50% e 100% foram utilizados. Para

os ambientes onde a ocupação máxima é de uma pessoa, somente os valores

0% e 100% foram utilizados, ou seja, a pessoa estava ou não estava no

ambiente. Ressalta-se que o fator de ocupação horário médio consiste na

relação entre o número de pessoas presentes no ambiente, em determinada

hora, e o número máximo de pessoas definido para aquele ambiente.

Tabela 3.1: Rotinas de ocupação adotadas.

Fonte: Silva et al. (2013).

Inverno Verão

Fator de Ocupação Médio Fator de Ocupação Médio

Dia de semana Final de semana Dia de semana Final de semana

Horário Cozinha Sala Quarto Cozinha Sala Quarto Cozinha Sala Quarto Cozinha Sala Quarto

0h 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 0,75 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 0,88

1h 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 1,00

2h 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 1,00

3h 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 1,00

4h 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 1,00

5h 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 0,88 0,00 0,00 0,88

6h 0,00 0,00 0,75 0,00 0,00 0,83 0,00 0,00 0,75 0,00 0,00 0,88

7h 0,00 0,00 0,50 0,00 0,00 0,63 0,00 0,00 0,50 0,00 0,00 0,75

8h 0,33 0,00 0,13 0,50 0,33 0,31 0,50 0,00 0,25 0,50 0,00 0,50

9h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,17 0,25 0,33 0,00 0,17 0,50 0,18 0,33

10h 0,00 0,17 0,00 0,00 0,17 0,00 0,17 0,00 0,17 0,17 0,18 0,25

11h 0,38 0,17 0,00 0,50 0,17 0,00 0,17 0,00 0,00 0,17 0,18 0,13

12h 0,50 0,35 0,00 0,50 0,50 0,00 0,50 0,50 0,00 0,83 0,54 0,00

13h 0,33 0,13 0,00 0,50 0,25 0,00 0,50 0,38 0,08 0,50 0,50 0,06

14h 0,00 0,31 0,00 0,00 0,50 0,08 0,33 0,00 0,08 0,33 0,38 0,06

15h 0,00 0,31 0,00 0,00 0,50 0,00 0,33 0,00 0,08 0,00 0,50 0,08

16h 0,00 0,25 0,00 0,18 0,50 0,00 0,33 0,00 0,06 0,00 0,50 0,00

17h 0,00 0,38 0,00 0,00 0,50 0,00 0,00 0,29 0,00 0,00 0,50 0,00

18h 0,25 0,50 0,00 0,50 0,50 0,00 0,33 0,50 0,00 0,33 0,50 0,00

19h 0,50 0,50 0,00 0,50 0,50 0,00 0,50 0,83 0,00 0,50 1,00 0,00

20h 0,40 0,50 0,17 0,50 0,50 0,13 0,33 1,00 0,00 0,33 1,00 0,00

21h 0,00 0,50 0,25 0,00 0,50 0,25 0,00 0,75 0,00 0,00 1,00 0,00

22h 0,00 0,50 0,50 0,00 0,25 0,44 0,00 0,40 0,25 0,00 0,50 0,50

23h 0,00 0,00 0,67 0,00 0,00 0,50 0,00 0,10 0,67 0,00 0,25 0,75

47

Por exemplo, na cozinha, das 18 às 19 horas de um dia de semana, no

verão, o fator de ocupação médio levantado foi de 33%, sendo que a ocupação

máxima da cozinha é de quatro pessoas. Portanto, o valor aproximado de

ocupação da cozinha, neste horário, é de 25%, o que resulta em uma pessoa.

3.3.4. Atividade metabólica

A atividade metabólica das pessoas variou de acordo com o ambiente,

pois o mesmo costuma caracterizar o tipo e a intensidade da atividade

metabólica dos indivíduos.

O calor gerado pelas pessoas, durante o tempo em que as mesmas

ocupavam o ambiente, foi calculado multiplicando o número de pessoas que se

encontravam presentes no ambiente pela atividade metabólica característica do

ambiente. A Tabela 3.2 apresenta algumas taxas metabólicas, dependendo da

atividade realizada pelo indivíduo.

Tabela 3.2: Taxa metabólica para diversas atividades.

Fonte: Input-Output Reference - EnergyPlus (2013).

Atividade Taxa Metabólica

(W/m²) Taxa metabólica

(W/pessoa)

Dormindo 40 72

Deitado 45 81

Sentado 60 108

Em pé 70 126

A Tabela 3.3, por sua vez, indica as taxas metabólicas adotadas para

cada ambiente da edificação, respeitando o tipo de atividade que costuma ser

praticada em cada cômodo. Não foi definida uma taxa metabólica para o

banheiro, por não ser caracterizado como ambiente de longa permanência

Tabela 3.3: Taxa metabólica adotada para os ambientes da edificação.

Ambiente Taxa metabólica (W/pessoa)

Quarto 81

Sala 108

Cozinha 171

48

3.3.5. Rotina de equipamentos e iluminação

Cada cômodo possui sistemas de iluminação e equipamentos elétricos

específicos que dissipam calor para o ambiente. É necessário primeiramente

determinar as potências instaladas em cada cômodo para depois definir qual é

a parcela de calor dissipada para o ambiente. Nas simulações, foram adotadas

as potências médias horárias, tanto para os equipamentos quanto para o

sistema de iluminação. A partir da Tabela 3.4, foram definidas as potências

instaladas e as porcentagens de uso (em cada cômodo) e obtiveram-se as

potências médias horárias de equipamentos e iluminação.

Tabela 3.4: Rotinas médias de equipamentos e potências médias instaladas.


Horário Cozinha Sala Quarto

Equip. Ilum. Equip. Ilum. Equip. Ilum.

0 0,20 0,35 0,03

1 0,18 0,24 0,05

2 0,17 0,18 0,05

3 0,17 0,11 0,03

4 0,17 0,11 0,01

5 0,13 0,08 0,01

6 0,12 0,02 0,01

7 0,13 0,06 0,01

8 0,12 0,07 0,00

9 0,09 0,07 0,00

10 0,09 0,07 0,12

11 0,13 0,07 0,12

12 0,16 0,10 0,27

13 0,14 0,17 0,13

14 0,12 0,17 0,20

15 0,16 0,22 0,22

16 0,15 0,24 0,21

17 0,23 0,50 0,34 0,62

18 0,26 1,00 0,31 0,50 0,29 0,25

19 0,21 1,00 0,38 1,00 0,28 0,50

20 0,16 1,00 0,49 1,00 0,29 0,25

21 0,16 1,00 0,44 1,00 0,27 0,25

22 0,20 0,25 0,36 0,50 0,22 0,29

23 0,20 0,33 0,09 0,25

Potência (W)

942,79 29,42 90,15 28,90 160,59 44,14

49

A referência para a rotina de uso de equipamentos e iluminação foi o

estudo de Silva et al. (2013). Fixaram-se as potências instaladas em cada

cômodo de acordo com os valores da última linha da Tabela 3.4 e definiram-se

as porcentagens de uso desta potência de acordo com dois padrões horários

de uso específicos, uma para equipamentos e outra para iluminação. Por

exemplo, nos quartos, das 19 às 20 horas, foram utilizados 28% da potência

instalada de equipamentos, sendo que a potência instalada nos quartos é de

160 W. Portanto, para aquela hora, obtém-se uma potência utilizada de 45 W.

Por outro lado, de um total de 44 W de iluminação instalada, 50% estava sob

utilização, logo, obtém-se uma potência de 22 W.

O EnergyPlus considera separadamente as parcelas de potência de

equipamentos e iluminação, porque os equipamentos elétricos, diferentemente

da iluminação, podem dissipar uma fração de calor latente. Esta diferenciação

entre as parcelas de iluminação e equipamentos também permite gerar

relatórios mais específicos de consumo energético.

3.3.6. Ventilação natural

A ventilação natural foi definida como sendo a principal estratégia de

condicionamento passivo da edificação. Através do SketchUp, associado ao

plug-in Open Studio Legacy, foram modeladas as aberturas pelas quais

ocorrerá a ventilação da edificação: as janelas e as portas internas.

Posteriormente, a ventilação foi detalhada no EnergyPlus, através da inserção

de dados, especificando cada parâmetro.

O objeto "AirflowNetwork:SimulationControl ", presente no EnergyPlus,

possibilita controlar a ventilação natural, considerando as trocas de ar entre o

interior e o exterior da edificação, assim como as trocas de ar entre as zonas

térmicas.

O objeto "AirflowNetwork:MultiZone:Surface" permite controlar,

individualmente, a ventilação natural em cada abertura contida no modelo,

permitindo que algumas aberturas estejam sempre abertas, sempre fechadas

ou sendo controladas por padrões de abertura ou controle (inteligente) de

temperatura por parte do usuário.

50

Foi definido um padrão horário, também chamado de rotina, através do

objeto "Venting Availability", para se controlar a abertura das janelas de acordo

com a rotina de operação de janelas, presente na Tabela 3.5, no item 3.3.7.

Também foi estabelecida a temperatura limite de 20ºC, para impedir a

abertura das janelas no caso de temperatura externa inferior a 20ºC. Esta

temperatura limite sobrepõe-se à rotina de operação de janelas, ou seja,

quando a temperatura externa for inferior a 20ºC, as janelas permanecerão

fechadas, mesmo que a rotina de operação de janelas defina que a janela deve

ser aberta.

Foram definidos dois "Opening Factors", ou seja, dois fatores de

operação relativos às janelas. Um dos fatores considera a janela fechada e o

outro, inteiramente aberta. Estes fatores de operação obedecem à rotina de

operação de janelas apresentada na Tabela 3.5.

Os coeficientes de fluxo de ar e os parâmetros restantes foram

adotados, em sua maioria, seguindo o padrão default do EnergyPlus.

3.3.7. Rotina de operação de aberturas

A abertura ou fechamento de janelas e portas deve ser considerado nas

trocas térmicas da edificação, pois são operações que permitem a entrada de

ar externo, promovendo a renovação do ar interno.

Consideraram-se as portas internas sempre abertas para não haver

grandes diferenças de temperatura entre os cômodos. As portas externas

foram consideradas sempre fechadas por motivos de segurança, mesmo que

numa situação real elas sejam abertas durante pequenos intervalos de tempo

para entrada e saída dos usuários.

Através do programa EnergyPlus, foram modelados dois fatores de

abertura de janelas: um aberto e um fechado. A Tabela 3.5 apresenta as

rotinas de operação de janelas escolhidas como base para este trabalho. Foi

utilizado o valor médio, obtido através de análise para definir qual seria o fator

de abertura utilizado para cada hora do dia.

Na Tabela 3.5, as rotinas de operação de janelas foram divididas em

dois períodos: inverno e verão. Para cada período, foram apresentados os

valores médios horários para cada cômodo, obtidos em estudos de Silva et al.

(2013). Foi adotado o fator de abertura fechado (sem ventilação) no caso de

51

valores médios horários entre 0,00 e 0,49. Nos casos em que o valor médio

oscilou entre 0,50 e 1,00 considerou-se a janela aberta.

Tabela 3.5: Rotinas médias de operação de janelas.


Horário Inverno Verão

Cozinha Sala Quarto Cozinha Sala Quarto

0h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

1h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

2h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

3h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

4h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

5h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

6h 0,00 0,00 0,00 0,50 0,00 0,00

7h 0,50 0,01 0,50 0,75 0,33 0,50

8h 0,50 0,33 0,50 0,83 0,50 0,50

9h 0,50 0,50 0,67 1,00 0,50 0,88

10h 0,67 0,50 0,75 1,00 0,50 0,88

11h 0,67 0,50 0,75 1,00 0,50 1,00

12h 0,67 0,50 0,75 1,00 0,50 1,00

13h 0,67 0,50 0,75 1,00 0,50 1,00

14h 0,67 0,50 0,75 1,00 0,50 1,00

15h 0,67 0,50 0,75 1,00 0,50 1,00

16h 0,67 0,50 0,75 1,00 0,50 1,00

17h 0,50 0,50 0,63 1,00 0,50 1,00

18h 0,50 0,50 0,42 1,00 0,50 0,83

19h 0,50 0,25 0,25 0,75 0,33 0,50

20h 0,00 0,00 0,13 0,50 0,33 0,50

21h 0,00 0,00 0,00 0,50 0,00 0,00

22h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

23h 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Por exemplo, no verão, às 18 horas, as janelas dos quartos foram

definidas como abertas, porque o valor médio foi de 0,83. No banheiro, a janela

foi considerada sempre aberta, por ser um ambiente onde a renovação

constante do ar é importante.

É possível notar a similaridade entre as rotinas médias de operação de

janelas, para o período de verão e para o período de inverno. No verão, as

janelas são abertas uma hora mais cedo e são fechadas uma hora mais tarde

em relação ao período de inverno.

52

3.3.8. Temperatura do solo

A temperatura do solo é um parâmetro muito importante para as

simulações térmicas de edificações que apresentam somente o pavimento

térreo. A influência da temperatura do solo deve ser considerada porque as

trocas de calor entre o piso e o solo interferem diretamente nas temperaturas

operativas dos cômodos da edificação.

Para considerar a influência do solo, foi realizada uma simulação

preliminar, adotando os valores médios mensais de temperatura do solo,

fornecidos pelo arquivo climático de referência da cidade em questão (TRY -

Test Reference Year). Em seguida, utilizou-se o pré-processador Slab (termo

em inglês que significa laje), integrado ao EnergyPlus, que através de iterações

que englobam um intervalo de tempo de dez anos, permite obter as

temperaturas médias mensais do solo subjacente à edificação.

Para utilizar o pré-processador Slab, acoplado ao programa EnergyPlus,

foi necessário informar os seguintes parâmetros (objetos): as propriedades dos

materiais (solo e laje em contato com solo), as propriedades da edificação, o

isolamento da laje em contato com o solo (caso exista), a modelagem de uma

laje equivalente (em casos de lajes com formas não retangulares) e algumas

condições de contorno. Para todos os objetos relacionados ao tipo de solo,

foram adotados os valores default (padrão) do EnergyPlus.

Realizaram-se duas simulações sequenciais. Na primeira simulação,

inseriram-se as temperaturas do solo (presentes no arquivo climático da

localidade) no objeto Site:GroundTemperature:BuildingSurface. Nesta

simulação preliminar, o EnergyPlus somente leva em consideração a influência

das temperaturas do solo nas temperaturas internas da edificação.

Antes de passar para a segunda simulação, foi necessário calcular as

temperaturas médias mensais internas (de Janeiro a Dezembro) da edificação,

ponderando as temperaturas de cada zona, de acordo com sua área.

Na segunda simulação, foram inseridas as médias mensais da

temperatura interna da edificação (obtidos através da primeira simulação) no

objeto Tin:(January-December) Indoor Average Temperature Setpoint, e

através do pré-processador Slab foram obtidos os resultados desejados e mais

corretos.

53

É importante frisar que as temperaturas do solo obtidas, desta maneira,

valem somente para a edificação em questão, pois sofrem influência das

temperaturas internas da residência (e vice-versa).

O mesmo processo de obtenção das temperaturas médias mensais do

solo foi utilizado nas simulações envolvendo as cidades de Florianópolis,

Curitiba e Fortaleza.

3.4. Variações no Modelo de Referência

A partir do modelo de referência, foram executadas variações

relacionadas aos materiais utilizados no envelope da edificação. As variações

nos elementos construtivos do envelope podem resultar em diferentes

desempenhos térmicos da edificação. Buscou-se relacionar as variações das

propriedades térmicas dos materiais com o somatório de graus-hora resultante

de cada envelope. Para obter o somatório de cada envelope, realizaram-se as

médias ponderadas por área dos somatório de graus-hora de cada ambiente

da edificação, com exceção do banheiro.

3.4.1. Elementos construtivos do envelope

Os tipos de parede utilizados no estudo foram: parede simples leve,

parede simples média, parede simples pesada e parede dupla. A parede

simples leve pode ser dividida em três camadas: reboco, tijolo e reboco. Os

tijolos são de oito furos circulares (10 cm x 20 cm x 20 cm), assentados na

menor dimensão. A camada de emboço, tanto externo quanto interno, é

composta por argamassa de 2,5 cm de espessura. A espessura total da parede

leve é 15 cm.

A parede simples média só difere, em relação à parede simples leve, no

assentamento dos tijolos de oito furos circulares, que é executado no sentido

da maior dimensão, totalizando uma espessura de parede de 25 cm.

A parede simples pesada é composta por duas camadas de argamassa

e uma camada de tijolos maciços (10 cm x 6 cm x 22 cm), assentados na maior

dimensão. As duas camadas de argamassa possuem 2,5 cm de espessura. A

espessura total da parede pesada é 27 cm. Por apresentar as características

54

acima, a parede simples pesada apresenta uma maior inércia térmica e uma

menor transmitância, em relação à parede simples leve.

A parede dupla, por sua vez, é composta por três camadas de

argamassa intercaladas com duas camadas de tijolos. O tijolo é de cerâmica

(10 cm x 15 cm x 20 cm), com seis furos circulares, assentado na menor

dimensão. A espessura da argamassa de emboço é 2,5 cm e a espessura da

camada de argamassa entre tijolos é 1 cm. A espessura total da parede dupla

é 26 cm. As propriedades térmicas (transmitância, capacidade e atraso

térmico), das paredes citadas acima, encontram-se na Tabela 3.6. A

absortância solar adotada para todas as paredes foi de 0,4.

Tabela 3.6: Propriedades térmicas das paredes analisadas.

Fonte: NBR15220 (ABNT, 2005).

Tipo de parede

Croqui Transmitância

térmica (W/m².K)

Capacidade térmica

(kJ/m².K)

Atraso térmico (horas)

Parede Leve

2,24 167 3,7

Parede Média

1,61 232 5,9

Parede Pesada

2,25 445 6,8

Parede Dupla

1,52 248 6,5

55

Foram analisados oito tipos de coberturas, conforme demonstrado na

Tabela 3.7. A espessura da madeira utilizada nos casos com forro é 1 cm. A

espessura da laje de concreto dos últimos casos é 20 cm. A espessura da telha

de barro utilizada é 1 cm e a espessura da telha de fibro-cimento é 0,7 cm.

Foi adotado o valor de 0,6 para a absortância solar de todas as

coberturas, tanto para os casos com telha cerâmica, quanto para os casos com

telha de fibro-cimento.

Tabela 3.7: Propriedades térmicas das coberturas analisadas.

Fonte: NBR15220 (ABNT, 2005).

Tipo de cobertura Transmitância

térmica (W/m².K) Capacidade

térmica (kJ/m².K) Atraso térmico

(horas)

Telha de barro sem forro

4,55 18 0,3

Telha de fibro-cimento sem forro

4,60 11 0,2

Telha de barro com forro

2,00 32 1,3

Telha de fibro-cimento com forro

2,00 25 1,3

Telha de barro com laje de concreto

1,84 458 8,0

Telha de fibro-cimento com laje de concreto

1,99 451 7,9

Telha de barro, lâmina de alumínio e laje de

concreto 1,06 458 11,8

Telha de fibro-cimento, lâmina de alumínio e

laje de concreto 1,06 451 11,8

As janelas não variaram nos modelos, ou seja, foram analisadas sempre

com o mesmo vidro e consequentemente, com as mesmas propriedades

térmicas. Foi adotado o vidro transparente simples (com 3 mm de espessura)

para as janelas de todos os modelos.

3.4.2. Simulações com diferentes envelopes

Os elementos construtivos da edificação modelo foram analisados de

acordo com oito situações diferentes (quatro tipos de paredes e oito tipos de

coberturas). As primeiras análises consideram um envelope leve e menos

56

isolante. As segundas combinações apresentam um envelope com

transmitâncias ligeiramente menores em relação à primeira. As terceiras

análises levam em consideração um envelope pesado. Por fim, as quartas

tipologias de envelope são caracterizadas por apresentar um maior isolamento

entre ambientes interno e externo da edificação. Os valores utilizados nas

propriedades térmicas (transmitância, capacidade térmica e atraso térmico) dos

diversos casos, provêm da NBR 15220 (ABNT, 2005). Após definir a melhor

orientação do modelo de referência, em termos de desempenho térmico, uma

série de simulações foi realizada para testar diferentes combinações de

envelopes. O tipo de parede e o tipo de cobertura foram os parâmetros

variáveis. Procurou-se agrupar os materiais com características térmicas

similares, objetivando simular oito envelopes diferentes, agrupados em três

grupos: Envelopes Leves, Envelopes Pesados e Envelopes Isolantes.

A Tabela 3.8 lista os casos simulados, especificando o tipo de parede e

de cobertura para cada envelope.

Tabela 3.8: Combinações de paredes e coberturas.

Envelope Tipo de parede Tipo de cobertura

Leve1 Parede Leve Telha de barro sem forro

Leve2 Parede Leve Telha de fibro-cimento sem forro

Leve3 Parede Média Telha de barro com forro

Leve4 Parede Média Telha de fibro-cimento com forro

Pesado1 Parede Pesada Telha de barro com laje de concreto

Pesado2 Parede Pesada Telha de fibro-cimento com laje de concreto

Isolante1 Parede Dupla Telha de barro, lâmina de alumínio e laje de

concreto

Isolante2 Parede Dupla Telha de fibro-cimento, lâmina de alumínio e

laje de concreto

O grupo dos envelopes leves engloba quatro combinações. A primeira

combinação é constituída por parede leve e telha de barro sem forro. A parede

leve permanece na segunda combinação, porém, altera-se a telha de barro por

uma telha de fibro-cimento sem forro. A terceira abrange a parede média

associada à telha de barro com forro de madeira. A parede média permanece

na quarta combinação, porém, altera-se a telha de barro por uma telha de fibro-

cimento com forro de madeira.

O grupo dos envelopes pesados consiste em duas combinações

também. A parede pesada está presente em ambas, no primeiro caso a

57

simulação é realizada com uma cobertura de telhas de barro com laje de

concreto. No segundo caso, a laje de concreto permanece, mas as telhas são

de fibro-cimento.

O grupo dos envelopes isolantes utiliza paredes duplas e coberturas

com transmitância baixa. A parede dupla está presente em ambos os casos.

Na primeira combinação utiliza-se telha cerâmica, câmara de ar de baixa

emissividade (devido à lâmina de alumínio) e laje de concreto. Na segunda

combinação troca-se a telha cerâmica por telha de fibro-cimento.

3.5. Arquivos Climáticos

Os arquivos climáticos utilizados nas análises de desempenho térmico,

tanto de Florianópolis quanto das outras cidades escolhidas, são baseados nos

respectivos anos climáticos de referência (TRY - Test Reference Year). Nas

análises posteriores, também foram utilizados os arquivos climáticos das

cidades de Curitiba e Fortaleza, caracterizando climas frios e quentes,

respectivamente. Os valores de temperatura e umidade, presentes nos

arquivos climáticos utilizados neste trabalho, foram analisados através de

gráficos, ao longo de um ano. Para análises posteriores, as estações do ano

tiveram seus inícios e fins definidos pelos solstícios e pelos equinócios.

3.6. Tratamento dos Dados de Saída

A simulação computacional, através do programa EnergyPlus, gera

dados de saída, em forma de relatórios e planilhas. Os dados escolhidos para

análise dos casos simulados para Florianópolis, foram: a variação de

temperatura interna, os graus-hora de resfriamento (GHr) e os graus-hora de

aquecimento (GHa). Os casos simulados para Curitiba e Fortaleza foram

analisados somente através dos graus-hora de resfriamento e graus-hora de

aquecimento. Para facilitar interpretações e ajudar a comprovar os resultados

restantes, foram calculadas as temperaturas médias operativas da edificação

para cada estação do ano, para cada envelope, em cada uma das três cidades

simuladas. A temperatura operativa pode ser definida como sendo a média das

58

temperaturas médias radiantes e do ambiente, ponderadas pelos respectivos

coeficientes de transferência de calor.

Foram analisados os graus-hora de aquecimento e de resfriamento, para

avaliar o desempenho térmico da edificação, visto que são parâmetros

importantes em edificações ventiladas naturalmente, além de facilitar a

interpretação dos resultados. O método dos graus-hora consiste em realizar um

somatório anual de temperaturas operativas horárias que ultrapassaram a

temperatura base definida, tanto para aquecimento quanto para resfriamento.

A temperatura base de resfriamento foi definida em 26ºC, seguindo

orientação do Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência

Energética de Edificações Residenciais (INMETRO, 2012). Apesar de não

constar indicação no RTQ-R, a temperatura de base de aquecimento foi

adotada como sendo 18ºC. Quanto menor o somatório de graus-hora, de

aquecimento e resfriamento, menor será o desconforto do usuário ou o gasto

de energia para climatizar o ambiente. Logo, através da comparação dos

graus-hora de cada caso, definiu-se o modelo de edificação mais adequada às

condições climáticas de Florianópolis.

Para os casos simulados de Curitiba e Fortaleza, mantêm-se as

dimensões (área, volumetria e geometria) da edificação, juntamente com os

mesmos padrões de ocupação e uso de equipamentos. As propriedades

térmicas do envelope, através da modificação dos elementos construtivos,

foram alteradas igualmente para cada cidade. Os resultados foram

interpretados de acordo com as especificações climáticas de cada região.

Duas sequências (verão e inverno) de três gráficos (três cidades) foram

montadas para ilustrar o comportamento de quatro dos oito envelopes, tanto no

verão quanto no inverno. Adotaram-se somente os quatro envelopes de

cobertura de telha de cerâmica para serem analisados.

Para as três localizações, foram realizadas correlações entre a

transmitância térmica ponderada do envelope e o somatório de graus-hora

obtido (tanto de resfriamento quanto de aquecimento). O mesmo procedimento

foi realizado para correlacionar a capacidade térmica ponderada do envelope

ao somatório de graus-hora obtido em cada caso. Estas correlações têm como

objetivo verificar a influência que o primeiro parâmetro exerce sobre o último.

Para calcular a transmitância e a capacidade ponderada do envelope, foram

utilizadas as áreas de paredes, de janelas e de cobertura.

59

4. Resultados

4.1. Considerações Iniciais

Este capítulo apresenta os resultados deste trabalho. Serão

apresentados os gráficos, tabelas e as considerações relativas ao desempenho

térmico, obtidas para cada caso analisado.

4.2. Orientação

A influência que a orientação da edificação tem sobre o desempenho

térmico da mesma foi avaliada de acordo com os graus-hora resultantes de

cada orientação, para Florianópolis. Foram quatro as situações analisadas,

sendo que a referência para orientação foi a fachada que contém os três

dormitórios, ou seja, a maior fachada da edificação. Na Tabela 4.1 estão

relacionados os graus-hora de resfriamento (GHr) e os graus-hora de

aquecimento (GHa) para as orientações analisadas.

Tabela 4.1: Quantidade de graus-hora para cada orientação.

Orientação Leste Sul Oeste Norte

HGr 3804 2739 3821 2906

HGa -1387 -1387 -1329 -1304

Analisando os graus-hora de resfriamento, os melhores desempenhos

térmicos foram encontrados para a orientação Norte e para a orientação Sul.

As orientações Leste e Oeste apresentaram valores superiores de graus-hora

de resfriamento em relação às orientações Norte e Sul. Porém, nos graus-hora

de aquecimento, a orientação Norte destacou-se e apresentou melhores

resultados, inclusive em relação à orientação Sul. Logo, adotou-se a orientação

Norte (quartos orientados para Norte) em todas as simulações seguintes.

60

4.3. Arquivos Climáticos

Os arquivos climáticos adotados para as simulações foram os TRY (Test

Reference Year), os quais providenciam as temperaturas, a umidade, entre

outros dados referentes ao ambiente externo, ao longo das 8760 horas anuais.

A análise das Figuras 4.1, 4,2 e 4.3 comprova que os dados de temperatura

dos arquivos climáticos de Florianópolis, Curitiba e Fortaleza estão de acordo

com a normalidade para as devidas estações do ano e localização. As Figuras

4.4, 4.5 e 4.6 apresentam os valores de umidade relativa presentes nos

arquivos climáticos de Florianópolis, Curitiba e Fortaleza.

Figura 4.1: Temperaturas de bulbo seco de Florianópolis ao longo do ano TRY.

Figura 4.2: Temperaturas de bulbo seco de Curitiba ao longo do ano TRY.

-5

0

5

10

15

20

25

30

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h

Te

mp

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tura

(ºC

)

61

Figura 4.3: Temperaturas de bulbo seco de Fortaleza ao longo do ano TRY.

Figura 4.4: Umidade relativa do ar em Florianópolis ao longo do ano TRY.

Figura 4.5: Umidade relativa do ar em Curitiba ao longo do ano TRY.

-5

0

5

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Um

ida

de

Rela

tiva

do

Ar

(%)

62

Figura 4.6: Umidade relativa do ar em Fortaleza ao longo do ano TRY.

Através da análise dos gráficos de temperatura de bulbo seco, nota-se a

amplitude térmica anual, apresentada pelas cidades de Florianópolis e de

Curitiba. As temperaturas variam entre 5ºC e 33ºC para Florianópolis. Para

Curitiba, as temperaturas foram de -1ºC no inverno, até 31ºC no verão. O

gráfico de temperatura de bulbo seco de Fortaleza apresentou temperaturas

constantes, entre 25ºC e 30º, ao longo do ano.

A umidade relativa do ar oscilou entre 60% e 100% para Fortaleza e

entre 40% e 100% para Florianópolis e Curitiba.

4.4. Envelopes

Primeiramente, esta seção apresenta e compara os resultados da

avaliação do desempenho térmico da edificação, localizada em Florianópolis,

de acordo com os materiais constituintes dos diferentes envelopes. Como

mencionado no método, os resultados foram analisados de duas formas:

através de somatório de graus-hora e a partir da análise de três dias durante o

verão e três dias durante o inverno. Estes intervalos de dias foram escolhidos

por possuírem, de acordo com o arquivo climático, o dia que apresenta a

temperatura horária mais quente ou mais fria do ano. Para calcular a

transmitância térmica e a capacidade térmica ponderada do envelope da

edificação, foram consideradas as áreas de paredes, janelas e cobertura

0

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40

60

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h

Um

ida

de

Rela

tiva

do

Ar

(%)

63

presentes na Tabela 4.2. O perímetro e o pé direito da edificação medem 32,82

m e 2,60 m, respectivamente. A área de parede considerada foi de 78,67 m²,

tendo sido já descontada a área de janelas, que é de 6,66 m².

Tabela 4.2: Áreas de parede, janela, cobertura e total da envoltória

Área (m²)

Parede Cobertura Janela Total

78,67 52,81 6,66 138,14

4.4.1. Transmitâncias térmicas obtidas

Através da inserção dos dados de entrada nas simulações, foi possível

obter transmitâncias, de paredes e coberturas, similares às encontradas na

norma NBR 15220 (ABNT, 2005). Os valores das transmitâncias térmicas,

calculados pelo EnergyPlus (E+), apresentaram pequenas diferenças em

relação aos valores esperados, que por sua vez foram calculadas através da

NBR 15220 (ABNT, 2005). Estas diferenças são devidas a algumas

divergências entre o cálculo efetuado pelo algoritmo do EnergyPlus e o cálculo

adotado pela norma.A Tabela 4.3 apresenta e compara as transmitâncias

calculadas pela NBR 15220 (ABNT, 2005) e as transmitâncias obtidas pelo

programa EnergyPlus, para paredes e coberturas, juntamente com a diferença

entre o valor calculado pela NBR 15220 (ABNT, 2005) e o valor obtido através

do EnergyPlus (E+), em porcentagem.

Tabela 4.3: Transmitâncias térmicas de paredes, coberturas, janelas e da

edificação.

Envelope

Transmitância Térmica (W/m².K)

Parede Cobertura Janela Total

NBR 15220

E+ Diferença

(%) NBR

15220 E+

Diferença (%)

E+ Ponderada (por área)

Leve 1 2,240 2,345 4,69 4,550 5,051 11,01 5,894 3,551

Leve 2 2,240 2,345 4,69 4,600 5,107 11,02 5,894 3,572

Leve 3 1,610 1,605 -0,31 2,000 2,107 5,35 5,894 2,004

Leve 4 1,610 1,605 -0,31 2,000 2,117 5,85 5,894 2,008

Pesado 1 2,250 2,285 1,56 1,840 1,915 4,08 5,894 2,318

Pesado 2 2,250 2,285 1,56 1,990 1,923 -3,37 5,894 2,321

Isolante 1 1,520 1,467 -3,49 1,060 1,084 2,26 5,894 1,534

Isolante 2 1,520 1,467 -3,49 1,060 1,087 2,55 5,894 1,535

64

As maiores diferenças entre os valores assim calculados, foram

encontrada nos envelopes leves: diferença de 4,69% para a parede; diferença

de 11,02% para a cobertura.

As diferenças obtidas entre os valores de transmitância, entre o valor

calculado pela NBR 15220 (ABNT, 2005) e o valor obtido através do

EnergyPlus (E+), devem-se provavelmente ao fato de o EnergyPlus considerar

valores variáveis de resistência superficial exterior (Rse).

Foram utilizados os valores de transmitância térmica calculados pelo

EnergyPlus para obter as transmitâncias ponderadas do envelope da

edificação. Por fim, calcularam-se as transmitâncias ponderadas do envelope

da edificação através de médias ponderadas (através das respectivas áreas)

entre as transmitâncias de paredes, janelas e cobertura.

4.4.2. Capacidades térmicas obtidas

A capacidade térmica ponderada do envelope variou praticamente entre

100 e 429 kJ/m².K, caracterizando os envelopes mais leves e os envelopes

mais pesados, respectivamente. A Tabela 4.4 apresenta as capacidades

térmicas calculadas através do método da NBR 15220 (ABNT, 2005).

Aparentemente, o programa EnergyPlus não fornece os valores de capacidade

térmica, por ele calculados.

Tabela 4.4: Capacidades térmicas de paredes, coberturas, janelas e da

edificação.

Envelope Capacidade Térmica (kJ/m².K)

Parede Janela Cobertura Total Ponderada

(por área)

Leve 1 167,0 6,3 18,0 102,3

Leve 2 167,0 6,3 11,0 99,6

Leve 3 232,0 6,3 32,0 144,7

Leve 4 232,0 6,3 25,0 142,0

Pesado 1 445,0 6,3 458,0 428,8

Pesado 2 445,0 6,3 451,0 426,1

Isolante 1 248,0 6,3 458,0 316,6

Isolante 2 248,0 6,3 451,0 314,0

65

4.4.3. Temperaturas operativas para Florianópolis

As temperaturas operativas das zonas térmicas da edificação foram

representadas e comparadas graficamente abaixo, para o clima de

Florianópolis, englobando cada tipo de envelope: leves, pesados e isolantes.

Analisando as temperaturas obtidas nas Figuras 4.7 e 4.8 (que

comparam as temperaturas operativas da sala e do dormitório 1 do envelope

leve 1 com os respectivos cômodos do envelope leve 2, no verão e inverno,

respectivamente), nota-se que as curvas das temperaturas de cada cômodo

praticamente se sobrepuseram, tanto no verão quanto no inverno. Esta

sobreposição é explicada pela diferença muito pequena entre os valores

calculados da transmitância térmica das telhas de cerâmica e das telhas de

fibrocimento. É importante também, lembrar que a absortância solar das telhas

de cerâmica e de fibro-cimento foi padronizada para todos os casos, e vale 0,6.

A absortância das paredes também foi estabelecida em um valor fixo para

todos os casos: 0,4.

Para os demais ambientes de longa permanência analisados (dormitório

2, dormitório 3 e cozinha) o comportamento da temperatura seguiu exatamente

o mesmo padrão sobreposto.

Percebe-se grande amplitude térmica ao longos dos dias analisados. No

verão, as temperaturas tiveram amplitude de até 12ºC no dia 08 de Fevereiro, e

no inverno, de 10ºC no dia 17 de Junho. Observa-se também que as

temperaturas operativas de todos os ambientes possuem valores sempre

acima dos valores das temperaturas externas, ao longo de todo o ano. Grandes

oscilações de temperatura caracterizaram os envelopes leves, apresentando

picos de 36ºC dentro da edificação nos dias mais quentes do verão e chegando

a temperaturas internas de até 12ºC nos dias mais frios do inverno.

É possível notar que as temperaturas operativas do dormitório 1 são

ligeiramente superiores quando comparadas com as temperaturas operativas

da sala. A orientação norte faz com que os dormitórios sejam um pouco mais

quentes que a sala (orientação sul), ao longo de todo o ano. Por outro lado, as

portas internas constantemente abertas não permitem que essa diferença de

temperatura, entre cômodos, seja maior que alguns décimos de grau.

66


dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 1 e 2 durante o verão.


dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 1 e 2 durante o inverno.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

02

/07

01

h

02

/07

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h

02

/07

11

h

02

/07

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h

02

/07

21

h

02

/08

02

h

02

/08

07

h

02

/08

12

h

02

/08

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h

02

/08

22

h

02

/09

03

h

02

/09

08

h

02

/09

13

h

02

/09

18

h

02

/09

23

h

Tem

pe

ratu

ra O

pe

rati

va (

°C)

Sala do Envelope Leve 1 Sala do Envelope Leve 2

Externa Dormitório 1 do Envelope Leve 1

Dormitório 1 do Envelope Leve 2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

06

/15

01

h

06

/15

06

h

06

/15

11

h

06

/15

16

h

06

/15

21

h

06

/16

02

h

06

/16

07

h

06

/16

12

h

06

/16

17

h

06

/16

22

h

06

/17

03

h

06

/17

08

h

06

/17

13

h

06

/17

18

h

06

/17

23

h

Tem

pe

ratu

ra O

pe

rati

va (

°C)




67

As Figuras 4.9 e 4.10 mostram as temperaturas operativas da sala e do

dormitório 1 do envelope leve 3 e do envelope leve 4, durante o verão e o

inverno, respectivamente. Novamente, as temperaturas dos mesmos

ambientes praticamente estão sobrepostas. Percebe-se ainda uma certa

amplitude térmica, porém, menor que a amplitude térmica apresentada pelos

envelopes leves 1 e 2, ao longos dos dias analisados. No verão, as

temperaturas tiveram amplitude de até 7ºC no dia 08 de Fevereiro, e no

inverno, de 6ºC no dia 17 de Junho. Observa-se também que as temperaturas

operativas dos ambientes possuem valores quase sempre acima dos valores

das temperaturas externas, ao longo de todo o ano, com exceção em alguns

picos de calor dos dias de verão.

Assim como nos envelopes leves 1 e 2, houve sobreposição nas curvas

de temperatura operativa dos ambientes dos envelopes leves 3 e 4. A adição

de um forro de madeira (na cobertura) e a utilização do tijolo de oito furos no

sentido da maior dimensão (na parede) garantiram uma transmitância térmica

menor e promoveram temperaturas internas mais constantes em relação aos

envelopes leves 1 e 2. Novamente, a única diferença entre o envelope leve 3 e

o envelope leve 4 é a telha da cobertura, o que praticamente não influenciou

nos resultados. Nas Figuras 4.9 e 4.10 estão apresentadas as temperaturas

operativas da sala dos envelopes leves 3 e 4, no verão e no inverno,

respectivamente.

Seguindo o mesmo padrão dos resultados anteriores, o dormitório 1

apresenta temperaturas praticamente idênticas nos envelopes leves 3 e 4.

Quando comparado com a sala, o dormitório 1 apresenta temperaturas

levemente superiores, devido a uma maior exposição a radiação solar ao longo

do dia. As temperaturas operativas do dormitório 1, dos envelopes leves 3 e 4,

podem ser visualizadas nas Figuras 4.9 e 4.10, a primeira analisando o período

de verão, e a segunda analisando o período de inverno.

A sobreposição das temperaturas dos cômodos é confirmada pela

análise dos graus-hora (no item 4.5), que resultaram praticamente em valores

idênticos, mesmo tendo sido analisados ao longo de um ano inteiro. É

importante ressaltar que a diferença entre os pares de envelopes (entre leve 1

e leve 2, por exemplo) é a telha da cobertura: nos envelopes sucedidos por

números ímpares é utilizada a telha cerâmica, e nos envelopes sucedido por

números pares é adotada a telha de fibro-cimento.

68


dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 3 e 4 durante o verão.


dormitório 1 (norte) dos envelopes leves 3 e 4 durante o inverno.

0

5

10

15

20

25

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35

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02

/07

01

h

02

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02

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h

02

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h

02

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21

h

02

/08

02

h

02

/08

07

h

02

/08

12

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02

/08

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h

02

/08

22

h

02

/09

03

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02

/09

08

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02

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h

02

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h

02

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23

h

Tem

pe

ratu

ra O

pe

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va (

°C)




0

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10

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20

25

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/15

01

h

06

/15

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h

06

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h

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h

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h

06

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h

06

/16

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h

06

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03

h

06

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h

06

/17

13

h

06

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18

h

06

/17

23

h

Tem

pe

ratu

ra O

pe

rati

va (

°C)




69

As Figuras 4.11 e 4.12 apresentam as temperaturas operativas da sala e

do dormitório 1 dos envelopes pesados. Observa-se que durante os dias

analisados, a amplitude térmica dos ambientes internos da edificação ao longo

de um dia foi baixa.

No verão, as temperaturas tiveram amplitude de até 3ºC no dia 08 de

Fevereiro (dia com a maior temperatura horária anual). No inverno, a amplitude

térmica foi pouco mais de 2ºC no dia 17 de Junho (dia com a menor

temperatura horária anual), mesmo que a temperatura externa tenha sofrido

uma variação de mais de 12ºC, no mesmo dia. Os períodos mais quentes

apresentaram temperaturas máximas próximas dos 30ºC. Quanto às

temperaturas mínimas obtidas, durante os períodos mais frios, não diminuíram

além dos 16ºC.

Para os envelopes pesados, no verão, as temperaturas de todos os

ambientes (mesmo sendo ambientes diferentes) estão praticamente

sobrepostas. No inverno, a sala apresenta temperaturas ligeiramente menores

que os dormitórios. Esta quase igualdade de temperaturas entre ambientes

orientados para direções opostas (norte e sul) é consequência das portas

internas abertas sempre.

Observa-se também que as temperaturas operativas dos ambientes

possuem valores que se mantém na média da temperatura externa durante o

verão. No inverno, as temperaturas operativas dos cômodos da edificação com

envelope pesado se mantêm sempre alguns graus acima das temperaturas

externas médias.

A troca do forro de madeira por uma laje de concreto (na cobertura) e a

substituição dos tijolos de oito furos por tijolos maciços (na parede) garantiram

uma capacidade térmica muito maior e promoveram temperaturas internas

mais constantes em relação aos envelopes leves.

70


dormitório 1 (norte) dos envelopes pesados durante o verão.


dormitório 1 (norte) dos envelopes pesados durante o inverno.

0

5

10

15

20

25

30

35

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/07

01

h

02

/07

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02

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h

02

/07

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02

/07

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h

02

/08

02

h

02

/08

07

h

02

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12

h

02

/08

17

h

02

/08

22

h

02

/09

03

h

02

/09

08

h

02

/09

13

h

02

/09

18

h

02

/09

23

h

Tem

pe

ratu

ra O

pe

rati

va (

°C)

Sala do Envelope Pesado 1 Sala do Envelope Pesado 2

Externa Dormitório 1 do Envelope Pesado 1

Dormitório 1 do Envelope Pesado 2

0

5

10

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25

30

35

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/15

01

h

06

/15

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h

06

/15

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06

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h

06

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h

06

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h

06

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06

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06

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06

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h

06

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18

h

06

/17

23

h

Tem

pe

ratu

ra O

pe

rati

va (

°C)

Sala do Envelope Pesado 1 Sala do Envelope Pesado 2

Externa Dormitório 1 do Envelope Pesado 1

Dormitório 1 do Envelope Pesado 2

71

As Figuras 4.13 e 4.14 apresentam as temperaturas operativas da sala e

do dormitório 1 dos envelopes isolantes. Assim como os envelopes pesados,

por causa das portas abertas, os envelopes isolantes apresentaram

temperaturas da sala (orientação sul) e dos dormitórios (orientação norte) muito

similares, tanto no verão quanto no inverno.

A amplitude térmica dentro dos ambientes da edificação foi restrita

devido ao maior isolamento do envelope, fazendo a temperatura variar entre 1

e 3ºC ao longo de um mesmo dia, mesmo nos dias mais quentes ou mais frios.

No verão, as temperaturas máximas internas mantiveram-se próximas dos

28ºC, provavelmente devido à dificuldade deste tipo de envelope em dissipar o

calor gerado pelas cargas internas (pessoas, equipamentos e iluminação).

Durante o inverno, as temperaturas permaneceram próximas dos 20ºC.

Quando comparados aos envelopes pesados, os envelopes isolantes

apresentaram resultados quase iguais, ambos mantendo constantes as

temperaturas operativas dos cômodos da edificação.

Por outro lado, quando se compara os envelopes isolantes com os

envelopes leves, percebe-se grande diferença na amplitude das temperaturas

operativas dos ambientes.

Observa-se que, seguindo a tendência dos envelopes pesados, as

temperaturas operativas dos ambientes possuem valores que se mantém na

média da temperatura externa durante o verão. No inverno, os envelopes

isolantes apresentaram o mesmo fenômeno que os envelopes pesados: as

temperaturas operativas dos cômodos da edificação se mantêm sempre alguns

graus acima das temperaturas externas médias.

A adição de uma lâmina de alumínio (na cobertura), transformou a

câmara de ar de alta emissividade em uma câmara de ar de baixa

emissividade, garantindo uma maior resistência térmica e consequente

diminuição da transmitância térmica da cobertura. A substituição dos tijolos

maciços, por uma parede dupla de tijolos de seis furos circulares (na parede),

garantiram um maior isolamento térmico e promoveram temperaturas internas

mais constantes em relação aos envelopes leves.

Ulteriores comparações, entre os diversos envelopes, foram feitas no

item 4.5, no qual comparam-se os graus-hora obtidos para cada caso.

72


dormitório 1 (norte) dos envelopes isolantes durante o verão.


dormitório 1 (norte) dos envelopes isolantes durante o inverno.

0

5

10

15

20

25

30

35

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/07

01

h

02

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02

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02

/08

07

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02

/09

08

h

02

/09

13

h

02

/09

18

h

02

/09

23

h

Tem

pe

ratu

ra O

pe

rati

va (

°C)

Sala do Envelope Isolante 1 Sala do Envelope Isolante 2

Externa Dormitório 1 do Envelope Isolante 1

Dormitório 1 do Envelope Isolante 2

0

5

10

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h

06

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h

06

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h

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h

06

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22

h

06

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03

h

06

/17

08

h

06

/17

13

h

06

/17

18

h

06

/17

23

h

Tem

pe

ratu

ra O

pe

rati

va (

°C)

Sala do Envelope Isolante 1 Sala do Envelope Isolante 2

Externa Dormitório 1 do Envelope Isolante 1

Dormitório 1 do Envelope Isolante 2

73

4.4.4. Comparação dos envelopes através das

temperaturas operativas

Para Florianópolis, as temperaturas mais baixas no verão foram obtidas

através da utilização dos envelopes pesados e envelopes isolantes.

Devido à grande semelhança entre os resultados obtidos (entre os

envelopes que se diferenciavam somente pelo tipo de telha), foram escolhidos

para ser comparados somente os envelopes que apresentassem telha

cerâmica. As Figuras 4.15 e 4.16 apresentam as temperaturas obtidas para os

quatro envelopes selecionados, durante um período do verão e um período do

inverno, respectivamente, para Florianópolis.

Como era de se esperar, as maiores temperaturas apresentaram-se nos

casos com envelopes leves. O envelope pesado e os envelope isolante

também apresentaram temperaturas mais altas e constantes durante o inverno.

O envelope leve 1 teve oscilações de temperatura bem maiores. O envelope

leve 3, obteve um desempenho intermediário, quando comparado aos demais,

tanto no verão quanto no inverno.

Durante o verão, analisando diretamente as diferenças nas temperaturas

apresentadas pelos diferentes envelopes, é evidente a maior amplitude térmica

dos envelopes leves, contrastando com as temperaturas mais constantes do

envelope isolante e do envelope isolante. Também é possível identificar um

atraso térmico (de algumas horas) nas temperaturas internas do envelope

pesado, devido à suas paredes e cobertura com maior capacidade térmica. O

envelope leve 3 obteve resultados intermediários, quando comparado aos

restantes, tanto nos aumentos, quanto nas diminuições de temperatura ao

longo dos dias.

Durante o inverno, os envelopes proporcionaram temperaturas que

seguem as mesmas tendências da análise do verão: envelope leve

apresentando uma elevada amplitude térmica de quase 10ºC ao longo de vinte

e quatro horas, contrastando com pequenas variações de 1ºC ou 2ºC ao longo

do dia nas temperaturas do envelope isolante.

Os envelopes leves apresentaram picos de temperatura nas horas mais

quentes dos dias de verão e mais frias dos dias de inverno. Estes picos de

temperatura foram neutralizados pelos envelopes pesados e isolantes.

74


localizados em Florianópolis, durante o verão.


localizados em Florianópolis, durante o inverno.

0

5

10

15

20

25

30

35

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02

/07

01

h

02

/07

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02

/07

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h

02

/07

16

h

02

/07

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h

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02

h

02

/08

07

h

02

/08

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h

02

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02

/08

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h

02

/09

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h

02

/09

08

h

02

/09

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h

02

/09

18

h

02

/09

23

h

Tem

pera

tura

Op

era

tiv

a (

°C)

Externa Sala Envelope Isolante 1 Sala Envelope Leve 1

Sala Envelope Leve 3 Sala Envelope Pesado 1

0

5

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20

25

30

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40

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06

/15

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/15

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06

/15

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h

06

/16

02

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06

/16

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/16

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06

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h

06

/16

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h

06

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h

06

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h

06

/17

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h

06

/17

18

h

06

/17

23

h

Tem

pera

tura

Op

era

tiv

a (

°C)



75

Para Curitiba, pode-se afirmar que no verão os envelopes isolantes e

pesados mantêm as temperaturas internas mais constantes em relação aos

envelopes leves. No inverno, os envelopes isolantes e pesados também obtêm

o melhor resultado, amenizando as quedas de temperatura e mantendo as

temperaturas internas entre 17ºC e 19ºC nos dias mais frios. Os envelopes

leves, por terem uma transmitância mais alta, acabam apresentando

amplitudes térmicas diárias altas, entre 7ºC e 10ºC, tanto no verão quanto no

inverno, prejudicando bastante seu desempenho térmico. As Figuras 4.17 e

4.18 apresentam as temperaturas obtidas para os quatro envelopes

selecionados, durante um período do verão e um período do inverno,

respectivamente, para Curitiba.

Pode-se observar que em Fortaleza, os envelopes leves também foram

os responsáveis pelas maiores amplitudes térmicas diárias. Porém, mesmo

com temperaturas mais constantes, os envelopes pesados e isolantes

apresentaram temperaturas tão altas (bastante acima da temperatura de base

de 26ºC) quanto a média de temperatura dos envelopes leves. Isso pode

indicar um desempenho térmico parecido entre as edificações com envelopes

diferentes, caso o mesmo seja avaliado através de graus-hora (o item 4.5 irá

confirmar esta hipótese). As Figuras 4.19 e 4.20 apresentam as temperaturas

obtidas para os quatro envelopes selecionados, durante um período do verão e

um período do inverno, respectivamente, para Fortaleza.

Por último, conclui-se que os elementos construtivos (e suas

propriedades) do envelope influenciam diretamente no desempenho térmico da

edificação.

76


localizados em Curitiba, durante o verão.


localizados em Curitiba, durante o inverno.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

02

/07

01

h

02

/07

06

h

02

/07

11

h

02

/07

16

h

02

/07

21

h

02

/08

02

h

02

/08

07

h

02

/08

12

h

02

/08

17

h

02

/08

22

h

02

/09

03

h

02

/09

08

h

02

/09

13

h

02

/09

18

h

02

/09

23

h

Tem

pera

tura

Op

era

tiv

a (

°C)



0

5

10

15

20

25

30

35

40

06

/15

01

h

06

/15

06

h

06

/15

11

h

06

/15

16

h

06

/15

21

h

06

/16

02

h

06

/16

07

h

06

/16

12

h

06

/16

17

h

06

/16

22

h

06

/17

03

h

06

/17

08

h

06

/17

13

h

06

/17

18

h

06

/17

23

h

Tem

pera

tura

Op

era

tiv

a (

°C)



77


localizados em Fortaleza, durante o verão.


localizados em Fortaleza, durante o inverno.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

02

/07

01

h

02

/07

06

h

02

/07

11

h

02

/07

16

h

02

/07

21

h

02

/08

02

h

02

/08

07

h

02

/08

12

h

02

/08

17

h

02

/08

22

h

02

/09

03

h

02

/09

08

h

02

/09

13

h

02

/09

18

h

02

/09

23

h

Tem

pera

tura

Op

era

tiv

a (

°C)



0

5

10

15

20

25

30

35

40

06

/15

01

h

06

/15

06

h

06

/15

11

h

06

/15

16

h

06

/15

21

h

06

/16

02

h

06

/16

07

h

06

/16

12

h

06

/16

17

h

06

/16

22

h

06

/17

03

h

06

/17

08

h

06

/17

13

h

06

/17

18

h

06

/17

23

h

Tem

pera

tura

Op

era

tiv

a(°

C)



78

4.4.5. Temperaturas médias sazonais

A Tabela 4.5 apresenta as temperaturas médias sazonais internas para

cada envelope, para cada cidade simulada. Como citado no método, as

estações do ano tiveram seus inícios e fins definidos pelos solstícios e pelos

equinócios.

Tabela 4.5: Temperatura média de cada envelope para cada estação

Cidade Envelope Temperatura média da edificação (ºC)

Verão Outono Inverno Primavera

Florianópolis

Leve 1 26,87 22,43 19,70 24,24

Leve 2 26,88 22,43 19,70 24,26

Leve 3 26,87 22,68 20,19 23,96

Leve 4 26,87 22,68 20,19 23,97

Pesado 1 27,23 22,93 20,37 24,12

Pesado 2 27,24 22,93 20,38 24,12

Isolante 1 27,01 22,97 20,55 23,94

Isolante2 27,02 22,97 20,55 23,94

Curitiba

Leve 1 23,02 18,59 16,71 20,51

Leve 2 23,02 18,59 16,71 20,52

Leve 3 23,08 19,14 17,15 20,37

Leve 4 23,08 19,13 17,15 20,37

Pesado 1 23,58 19,31 17,21 20,45

Pesado 2 23,58 19,31 17,21 20,45

Isolante 1 23,26 19,60 17,52 20,34

Isolante2 23,26 19,60 17,52 20,34

Fortaleza

Leve 1 29,83 29,08 28,82 29,66

Leve 2 29,83 29,08 28,82 29,67

Leve 3 29,78 28,86 28,64 29,39

Leve 4 29,76 28,85 28,63 29,39

Pesado 1 30,37 29,21 28,99 29,75

Pesado 2 30,37 29,21 28,99 29,75

Isolante 1 30,07 28,99 28,75 29,48

Isolante2 30,07 28,99 28,75 29,48

Verifica-se que durante as quatro estações e independentemente da

cidade, certos envelopes leves apresentaram temperaturas médias internas

menores que os envelopes pesados e isolantes. Através dos resultados obtidos

de temperatura média sazonal, poder-se-ia afirmar que os envelopes leves

apresentariam um desempenho térmico (considerando-se os GHr) melhor por

79

apresentar as menores temperaturas ao longo do ano. Porém, o fato de obter

os menores valores de temperatura é justificado pela maior amplitude térmica

que os envelopes leves apresentam, em relação aos envelopes pesados e

isolantes. Esta maior variação das temperaturas internas dos ambientes pode

refletir em um pior desempenho térmico da edificação.

4.5. Graus-hora

Os somatórios de graus-hora foram agrupados em uma tabela. É

importante lembrar que as absortâncias solares de paredes e coberturas foram

0,4 e 0,6 para todos os casos simulados. Para cada cidade analisada, obteve-

se resultados distintos numericamente, devido às diferenças climáticas entre as

regiões analisadas. Porém, pode-se observar um comportamento comum para

Florianópolis e Curitiba na Tabela 4.6: os envelopes leves apresentaram

somatório de graus-hora (de resfriamento e de aquecimento) bem mais elevado

em relação aos envelopes isolantes ou pesados. Este resultado demonstra

como a maior amplitude térmica, apresentada pelos envelopes leves, influencia

fortemente no desempenho térmico da edificação.

Para Florianópolis, constatou-se que os envelopes isolantes

apresentaram o menor somatório de graus-hora de resfriamento e valores

muito baixos de graus-hora de aquecimento, logo, tiveram o melhor

desempenho térmico. Os envelopes pesados obtiveram resultados similares

aos envelopes isolantes, mantendo as temperaturas mais constantes,

amenizando os aumentos e diminuições das temperaturas externas. Os

envelopes leves tiveram o pior desempenho térmico, apresentando valores

altos de graus-hora de resfriamento e de aquecimento. Os resultados obtidos

têm relação com o clima de Florianópolis, caracterizado por verão e inverno

bem definidos, e primavera e outono semelhantes.

Para Curitiba, os envelopes isolantes também obtiveram o melhor

desempenho térmico, seguidos novamente pelos envelopes pesados. Por

apresentar um clima mais frio do que o de Florianópolis, os valores de graus-

hora de aquecimento foram superiores aos de resfriamento, em todos os

envelopes. Verificou-se que os envelopes leves apresentaram o pior

80

desempenho térmico, tanto para os períodos frios quanto para os períodos

quentes.

Para Fortaleza, os envelopes leves 3 e 4 apresentaram menor somatório

de graus-hora, apesar de prevalecer sobre os outros envelopes por pouco. Os

valores de graus-hora de aquecimento foram nulos em todos os casos, visto

que as temperaturas seguiram um padrão constante e relativamente alto.

Todos os envelopes seguiram o mesmo padrão porque a edificação é ventilada

naturalmente e as temperaturas externas são altas e constantes durante todo o

ano em Fortaleza.

A Tabela 4.6 apresenta os graus-hora de resfriamento e de aquecimento

obtidos para cada envelope, em cada cidade analisada.

Tabela 4.6: Quantidade de graus-hora para cada envelope

Envelope Florianópolis Curitiba Fortaleza

GHr GHa GHr GHa GHr GHa

Leve 1 6705 -1408 2070 -8513 30829 0

Leve 2 6784 -1418 2096 -8556 30871 0

Leve 3 3895 -236 453 -4679 28439 0

Leve 4 3906 -235 452 -4686 28372 0

Pesado 1 3671 -58 27 -3393 31553 0

Pesado 2 3695 -58 28 -3402 31560 0

Isolante 1 2983 -4 2 -2276 29369 0

Isolante 2 2997 -4 2 -2281 29366 0

Observou-se na comparação entre os envelopes, que de acordo com a

cidade na qual estavam inseridos, os graus-hora (para o mesmo envelope)

tiveram grandes variações. Comparando o desempenho térmico da edificação

e utilizando como referência os valores de graus-hora obtidos para os

envelopes simulados para Florianópolis, pode-se afirmar que nos envelopes

leves, os valores de graus-hora de resfriamento (GHr) foram aproximadamente

de três a nove vezes menores em Curitiba, e de cinco a sete vezes maiores em

Fortaleza. Novamente, utilizando os valores encontrados para os envelopes

localizados em Florianópolis como base, nota-se que os graus-hora de

aquecimento (GHa) de Curitiba para os envelopes leves foram de seis a vinte

vezes maiores. Em Fortaleza, por causa das temperaturas altas e constantes,

típicas do litoral nordestino, os somatórios de graus-hora de aquecimento foram

nulos.

81

Analisando os envelopes pesados, para Curitiba obtiveram-se valores

baixos de graus-hora de resfriamento, cerca de cento e cinquenta vezes

menores que os valores para os mesmos envelopes em Florianópolis. Por

outro lado, para Fortaleza os graus-hora de resfriamento (GHr) da edificação

foram quase nove vezes maiores que para Florianópolis. Em relação aos

graus-hora de aquecimento, os envelopes em Curitiba apresentaram valores

cinquenta e sete vezes maiores, quando comparados com os graus-hora de

aquecimento (GHa) obtidos para Florianópolis. Nas simulações realizadas para

Fortaleza, os graus-hora de aquecimento foram zero, assim como nos

envelopes leves.

Pode-se concluir que a divergência, obtida nos graus-hora de cada

envelope e cidade, é reflexo das diferenças construtivas dos envelopes e das

diferenças climáticas entre as cidades nas quais se encontraram as

edificações. Este resultado reforça o conceito da influência direta dos

elementos construtivos do envelope sobre o desempenho térmico das

edificações, especialmente em climas com maiores amplitudes térmicas.

4.6. Correlações

4.6.1. Transmitância térmica e graus-hora

Realizaram-se correlações entre as transmitâncias térmicas ponderadas

dos oito envelopes simulados e os respectivos graus-hora resultantes

simulados. As Figuras 4.20, 4.21 e 4.22 ilustram as correlações entre a

transmitância térmica ponderada dos envelopes e os graus-hora, referentes às

cidades de Florianópolis, Curitiba e Fortaleza, respectivamente. Os oito

envelopes estão representados por oito marcadores, apesar de parecerem

quatro devido à sobreposição dos resultados muito similares (devido aos pares

de envelopes que se diferenciam somente pelo tipo de cobertura).

82

Figura 4.20: Correlação da transmitância térmica com os graus-hora para

Florianópolis


Curitiba


Fortaleza

y = 1859x - 48 R² = 0,95

y = -717x + 1262 R² = 0,88

-10000

0

10000

20000

30000

1,00 2,00 3,00 4,00

Gra

us-H

ora


GHr

GHa

y = 1044x - 1818 R² = 0,85

y = -2960x + 2248 R² = 0,89

-10000

0

10000

20000

30000

1,00 2,00 3,00 4,00

Gra

us-H

ora


GHr

GHa

y = 909x + 27905 R² = 0,31

y = 0

-10000

0

10000

20000

30000

1,00 2,00 3,00 4,00

Gra

us-H

ora


GHr

GHa

83

Para Florianópolis, a correlação entre as transmitâncias térmicas

ponderadas do envelope e os graus-hora obtidos foi alta, tendo alcançado

coeficiente de determinação (R²) igual a 0,95 e 0,88 para as linhas de

tendência dos graus-hora de resfriamento (GHr) e aquecimento (GHa),

respectivamente

Para Curitiba, a correlação efetuada entre as transmitâncias térmicas

ponderadas do envelope e os graus-hora obtidos apresentou coeficiente de

determinação (R²) igual a 0,85 e 0,89 para as linhas de tendência de graus-

hora de resfriamento (GHr) e aquecimento (GHr), respectivamente.

Para Fortaleza, devido a grande similaridade entre os graus-hora obtidos

para diferentes envelopes, a correlação foi baixa (R² = 0,31) entre a

transmitância térmica e os graus-hora de resfriamento. Para Fortaleza, não

existiu correlação entre a transmitância térmica e os graus-hora de

aquecimento, porque as edificações não apresentaram graus-hora de

aquecimento. As altas e constantes temperaturas típicas da região

influenciaram nas correlações, considerando as edificações naturalmente

ventiladas.

Através das análises acima, confirma-se a tendência de diminuição dos

graus-hora, tanto de resfriamento quanto de aquecimento, à medida que a

transmitância térmica também diminui. Logo, concluiu-se que a transmitância

térmica exerce uma forte influência sobre o desempenho térmico das

edificações simuladas.

4.6.2. Capacidade térmica e graus-hora

A correlação entre capacidade térmica e graus-hora não obteve

resultados que comprovassem uma forte influência da primeira sobre os

últimos, assim como no caso da transmitância térmica. Porém, é possível notar

que os graus-hora obtidos nos diversos casos sofreram uma certa influência da

capacidade térmica também. As Figuras 4.23, 4.24 e 4.25 ilustram as

correlações entre a capacidade térmica ponderada dos envelopes e os graus-

hora, referentes às cidades de Florianópolis, Curitiba e Fortaleza,

respectivamente. Assim como nas correlações anteriores, os oito envelopes

estão representados por oito marcadores, apesar de parecerem quatro devido

à sobreposição dos resultados muito similares.

84


Florianópolis


Curitiba


Fortaleza

y = -7x + 6170 R² = 0,47

y = 3x - 1210 R² = 0,53

-10000

0

10000

20000

30000

0 100 200 300 400 500

Gra

us-h

ora

Capacidade Térmica (kJ/m².K)

GHr

GHa

y = -5x + 1872 R² = 0,59

y = 14x - 8139 R² = 0,60 -10000

0

10000

20000

30000

0 100 200 300 400 500

Gra

us-h

ora


GHr

GHa

y = 4x + 29053 R² = 0,18

y = 0

-10000

0

10000

20000

30000

0 100 200 300 400 500

Gra

us-h

ora


GHr

GHa

85

Para Florianópolis, a capacidade térmica influenciou em 47% os graus-

hora de resfriamento e em 53% os graus-hora de aquecimento. Para Curitiba,

as influências da capacidade térmica sobre os graus-hora foram levemente

superiores, chegando a valer 59% e 60%, para resfriamento e para

aquecimento, respectivamente. Para Fortaleza, a capacidade térmica teve uma

menor influência sobre os graus-hora, sendo de 18% para os GHr, e indiferente

para os GHa (visto que os mesmos foram sempre zero, independentemente do

envelope).

As análises realizadas acima, demonstram uma tendência de diminuição

dos graus-hora, tanto de resfriamento quanto de aquecimento, à medida que a

capacidade térmica aumenta. Logo, concluiu-se que a capacidade térmica

exerceu uma influência média sobre o desempenho térmico das edificações

simuladas.

86

5. Conclusões

Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de investigar a influência

dos elementos construtivos do envelope no desempenho térmico de

edificações residenciais unifamiliares. Foram efetuadas simulações

computacionais para posteriormente realizar análises de desempenho térmico

com os resultados das primeiras. Os objetivos específicos foram atendidos:

avaliar o desempenho térmico de edificações residenciais unifamiliares a partir

de suas características construtivas; obter e comparar resultados de um

mesmo modelo de edificação residencial unifamiliar para Florianópolis, Curitiba

e Fortaleza; verificar se a transmitância térmica ponderada e a capacidade

térmica ponderada do envelope possuem relação com o desempenho térmico

da edificação.

Analisando as temperaturas internas obtidas para a edificação em

Florianópolis, percebe-se que os envelopes isolantes obtiveram os melhores

resultados, apresentando valores mais constantes ao longo de todo o ano. Os

envelopes pesados também conseguiram obter bom desempenho tanto em

períodos frios quanto em períodos quentes. Já os envelopes leves tiveram seu

desempenho comprometido devido às maiores amplitudes térmicas dentro da

edificação. Para os envelopes simulados em Florianópolis, os graus-hora de

resfriamento foram sempre superiores aos graus-hora de aquecimento.

Utilizando os graus-hora como parâmetro de avaliação, o mesmo padrão

encontrado para Florianópolis, foi válido para Curitiba, onde os envelopes

isolantes e os envelopes pesados novamente obtiveram o melhor desempenho

térmico. Porém, neste caso, o maior problema estava nos graus-hora de

aquecimento, visto que Curitiba é mais fria que Florianópolis. Por outro lado,

nos casos simulados para Fortaleza não houve grandes diferenças percentuais

entre os resultados obtidos pelos diversos envelopes.

Através das correlações entre os parâmetros citados, verificou-se que a

transmitância térmica teve forte influência nos somatórios de graus-hora,

obedecendo à seguinte tendência: quanto menor a transmitância térmica,

menor o somatório de graus-hora e consequentemente, melhor o desempenho

térmico. É importante lembrar que os valores de transmitância térmica

ponderada do envelope oscilaram entre 1,32 e 3,40 W/m².K.

87

Em relação à correlação entre capacidade térmica e os graus-hora, os

resultados foram um pouco diferentes. Mesmo variando entre 100 e 429

kJ/m².K, os resultados indicaram que a capacidade térmica ponderada do

envelope não teve uma influência tão determinante quanto a transmitância

térmica, nos graus-hora. Ponderando os resultados das correlações entre as

três cidades, pode-se afirmar que a transmitância térmica teve forte influência

sobre os graus-hora (aproximadamente 80%), e a capacidade térmica teve

uma influência de quase 50% sobre os graus-hora obtidos.

Concluindo, pode-se afirmar que os elementos construtivos do envelope,

e suas propriedades térmicas, exerceram forte influência sobre o desempenho

térmico de edificações unifamiliares em Florianópolis e Curitiba.

5.2 Limitações

Para a realização das simulações, foram estabelecidos e fixados alguns

parâmetros. Estes parâmetros não variaram ao longo deste trabalho, nas

simulações realizadas. As limitações deste trabalho estão relacionadas aos

itens abaixo, pois poderiam ter sido considerados de formas diferentes.

a) ventilação natural;

b) contato com o solo;

c) rotinas adotadas;

d) cargas internas;

e) tipologia da edificação;

f) o próprio programa de simulação EnergyPlus;

g) quantidade de cidades analisadas.

88

5.3. Sugestões para trabalhos futuros

Os elementos construtivos são de grande importância para a obtenção

de um bom desempenho térmico da edificação, seja ela residencial ou

comercial. Entretanto, para cada clima e conjunto de parâmetros, há envelopes

mais apropriados. Algumas sugestões para a continuação deste trabalho estão

descritas abaixo:

a) Descobrir se é possível obter desempenho térmicos melhores

diminuindo ulteriormente a transmitância térmica ponderada do envelope, ou

aumentando os valores da capacidade térmica ponderada do envelope;

b) Analisar a variação de somente uma propriedade térmica ponderada

do envelope de cada vez (transmitância térmica ou capacidade térmica) e

mantendo a outra constante;

c) Determinar o desempenho energético das edificações, caso elas

fossem condicionadas artificialmente, utilizando um método de avaliação

adequado;

d) Realizar análises paramétricas combinando um maior número de

tipologias de paredes e coberturas.

89

Referências

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