2 Revisão Bibliográfica
2.3 Integração de simulações no processo projetual
2.3.2 Confiabilidade e potenciais
A avaliação do desempenho termoenergético de edificações ainda que em fase de projeto implica a consideração de incertezas. Isso porque, para as análises serem mais aceitas pelas rigorosas normas e regulamentos, elas precisam de resultados válidos e mais realistas, normalmente, atendidos por meio da determinação de intervalos válidos (FURBRINGER, ROULET, 1999, Apud SILVA ,GHISI, 2014).
As incertezas são causadas pelos parâmetros de entrada inseridos no modelo, essas se propagam no código computacional, afetando as variáveis de saída (SILVA ,GHISI, 2014). Assim, a análise de incertezas pode determinar o intervalo de variação de um parâmetro de saída, de acordo com a variabilidade dos parâmetros de entrada (KLEIJNEN, 1997, Apud SILVA ,GHISI, 2013). Logo, ao mensurar a incerteza dos dados de entrada, podem-se mensurar as incertezas dos dados de saída. No caso da propagação das incertezas, a quantificação dos parâmetros serve não apenas para avaliar um aspecto especifico do edifício, mas para quantificar a incerteza. Para tanto, técnicas de estimativa de propagação de incertezas, baseadas no método de Monte Carlo e o Hipercubo Latino, podem ser usadas (AUGENBROE, 2003).
Assim, Silva e Ghisi (2014) conceituam a incerteza como todo tipo de imprecisão das propriedades térmicas e físicas dos materiais e componentes construtivos. Podendo-se dizer que a incerteza passa a existir no momento em que se especifica um parâmetro, ou seja, se não se sabe a medida tem-se uma variação, mas se já é conhecido, tem-se a incerteza. No caso de simulações termoenergéticas de edifícios, estão também as características de comportamento do usuário, como: atividade e as rotinas de uso (SILVA ,GHISI, 2014). Apesar da compreensão desse efeito, é preciso entender ainda o impacto de cada variável inserida no modelo de simulação computacional. Corroborando com essa visão, de Wit (2003), tendo em vista que nas primeiras fases de projeto poucos valores absolutos são determinados, aponta as análises de sensibilidade como mais apropriadas do que a análise de incertezas. Essa técnica de análise se concentra na definição da importância de um parâmetro individualmente, sem considerar a interação entre os vários parâmetros (WIT, 2003).
A análise de sensibilidade verifica o comportamento de características térmicas no desempenho de edificações em diversas situações, destaca-se aqui, o projeto de edificações e o retrofit (SILVA ,GHISI, 2013). Ela pode, também, ser usada para, por exemplo, indicar quais parâmetros serão necessários observar em análises posteriores; e indicar quais podem ser fixados ou simplificados, de forma a obter uma análise mais eficiente e um modelo simplificado (WIT, 2003; SALTELLI; TARANTOLA; CAMPOLONGO, 2000, Apud SILVA ,GHISI, 2013). Além disso, podem ordenar as variáveis pela sua importância e não definir seus valores
absolutos, como aconteceria em fases de maior detalhamento. Dessa forma, ela é utilizada quando o objetivo é conhecer a influência dos parâmetros (WIT, 2003).
Existem três tipos de análise de sensibilidade, a análise por triagem consiste na variação dos dados de entrada, um a um, variando em dois níveis extremos, enquanto os demais são mantidos nos seus valores médios. O resultado aponta uma influência que, apesar de incompleta, pode ser útil para análises preliminares (HEISELBERG et al., 2009; BREESCH; JANSSENS, 2010, Apud SILVA ,GHISI, 2013). A análise local varia um parâmetro em vários níveis, enquanto os demais permanecem fixos, assim é possível identificar a tendência desse parâmetro em cada nível e, consequentemente, compreender seu impacto da variação dele. Por fim, a análise global, mais complexa e completa, varia todos os parâmetros ao mesmo tempo, de modo que se obtenham índices globais de sensibilidade, usados comumente para gerar equações que servirão de critério de avaliação em normas (SALTELLI et al, 2000, Apud SILVA ,GHISI, 2013).
Alguns estudos de sensibilidade foram realizados para o clima de Natal – RN. Em um deles, Venâncio (2007) identificou quais as que mais influenciavam no consumo de energia nos prédio tipo da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN): orientação predominante norte-sul, uso de proteção solar nas aberturas, uso de cobertas leves e baixa absortância tanto na coberta quanto na fachada. Lima (2007), estudando os hotéis de Natal, identificou que as variáveis mais importantes eram: sombreamento, fator solar do vidro, área de vidro, absortância da cobertura e transmitância da cobertura.
2.3.3 Obstáculos e soluções
A integração da simulação com o processo de projeto encontra como barreira à sua aceitação, o fato dela não ocorrer de forma plena (MORBITZER et al., 2001). Wilde (2004), agrupou uma série de barreiras que podem ser vistas até hoje no processo de integração da simulação com o processo de projeto, em 5 grandes grupos: Indisponibilidade de ferramentas computacionais ou modelos apropriados, falta de confiança nos resultados e falta de utilidade e clareza desses no contexto de projetação, necessidade de um alto nível de expertise para utilizar as ferramentas de simulação, custos de tempo e dinheiro dos esforços de simulação e problema entre a troca de informações entre o projetista e o simulador (Figura 10).
Reforçando a problemática que envolve a expertise do simulador, Hensen e Lamberts (2011) e Lima (2012) lembram que a simulação sozinha não gera soluções ou respostas e, algumas vezes, ainda é difícil identificar a qualidade dos resultados obtidos. Por isso é importante que o simulador tenha conhecimentos de diversas áreas, principalmente sobre
processos térmicos para verificar se a simulação corresponde à realidade e conseguir interpretar os resultados.
Figura 10 – Quadro com as barreiras identificadas por WIlde (2003) no processo de integração da simulação com o processo de projeto
Item Descrição Pesquisador
Indisponibilidade de ferramentas computacionais ou modelos apropriados
Quando as ferramentas são desenvolvidas para um escopo muitas vezes limitados e apenas o criador tem domínio sobre ela, frequentemente se procura informações sobre a ferramenta ou o modelo que não está disponível, por
exemplo: hipóteses ou alcance PELLETRET ET AL (1995)
Ferramentas, comumente, não conseguem se comunicar com outros sistemas HENSEN ET AL (1993) Falta de confiança nos
resultados e falta de utilidade e clareza desses no contexto de
projetação
A comunicação com pessoas que não são especialista na área (projetistas e gestores, por exemplo) fica
comprometida por esses profissionais não estarem familiarizados com os resultados apresentados DONN (1999)
Uso fica difícil quando o resultado não atende as expectativas desses profissionais esperam MCELROY; CLARCKE (1999) Os envolvidos podem não interpretar os dados de saída corretamente, o que leva ao demérito da simulação MAHDAVI (2003)
As simulações deveriam ter saídas gráficas DEGELMAN; HUANG (1993)
Saídas tridimensionais no contexto do edifício para se aproximar da linguagem dos projetistas HERKEL ET AL (1999) Necessidade de um
alto nível de expertise para utilizar as ferramentas de
simulação
Para que se possa verificar e avaliar o desempenho do edifício, os usuários precisam compreender que aspectos
interferem na predição do desempenho da edificação DONN (1999)
Normalmente o projetista não compreendem quais são esses aspectos. HALTRECHT ET AL (1999)
Custos de tempo e dinheiro dos esforços
de simulação
Não há tempo nem dinheiro disponíveis para serem empregados durante a fase de projeto; portanto os profissionais envolvidos, precisam ser convencidos de que o dinheiro investido nessa etapa será economizado durante a
construção e ocupação do edifício
AHO(1995), PELLETRET ET AL (1995), MCELROY ET AL (1997), TABARY (1997), BAZJANAC; CRAWLEY (1999), HAND ET AL (1999), DONN (1999)
Tendência dos edifícios não serem ocupados pelos seus proprietários, mas sim, por inquilinos LAM ET AL (1999)
Problema entre a troca de informações entre o projetista e o
simulador
Pode haver dificuldades para retirar informações do desenho para inserir nos campos de entrada da simulação, bem
como retirar de uma ferramenta e inserir em uma nova ANDRÉ ET AL (1999) Durante as primeiras fases, o projeto pode requerer uma informação crucial, que no entanto, ainda não está
disponível. Para esses casos, é comum o uso de valores padrão. KAROLA ET AL (1999) Questiona o desenvolvimento do projeto com esses valores padrão, tendo em vista que o resultado pode perder
confiabilidade BAZJANAC E CRAWLEY (1999)
A inserção de informações poderia ocorrer de forma gradual, quanto mais informações sobre o edifício, mais
poderia se inserir no programa. TABARY (1997)
Além do intercambio de informações, deve haver intercambio de propósitos, já que mapear as questões inerentes
Uma vez compreendendo os benefícios da simulação, é importante que a empresa se prepare por meio da quantificação dos esforços de implementação e de redução da produtividade durante a implementação. As barreiras ao uso da ferramenta podem ser minimizadas através do apoio à formação dos profissionais envolvidos e por meio do estabelecimento de metas alcançáveis (MCELROY et al., 2001).
O uso da simulação permite a confiança para implementar soluções inovadoras, os custos relativos aos serviços prestados no caso estudado por McElroy et al. (2001) não foram ampliadas, apesar do valor agregado ao serviço. Nessa mesma perspectiva a experiência de Hobbs et al (2003) apontou que o uso da simulação por arquitetos, na fase de esboço, auxiliou na compreensão dos problemas de projeto e melhorou os resultados. Morbitzer, Strachan et al (2001) obteve que a identificação das áreas com pior performance e das razões para desempenho insatisfatório, podem ser a chave do caminho para a integração com o processo de projeto. Além disso, o mercado pode ser impulsionado pela demanda de níveis mais elevados de desempenho (VENÂNCIO, 2012).
Quanto à modelagem, deve-se evitar o uso de modelos excessivamente complexos: "o objetivo deve ser deixar o modelo tão simples quanto possível para encontrar os objetivos do estudo de simulação." (HENSEN ,LAMBERTS, 2011, p. 10)
.
Assim, de modo a tornar as ferramentas de simulação energéticas mais adequadas a essas primeiras fases de projeto, Pedrini (2003) indica a otimização dos padrões, a exemplo das rotinas de uso e ocupação, das características do condicionamento de ar, das propriedades dos componentes dos edifícios, dentre outros; a compatibilização dos padrões com cada região; a classificação dos dados de saída para a avaliação da etiquetagem local; uso do modelo 3D do projeto na simulação; a criação de modelos com mínimos e máximos para realização automáticas de parametrizações; por fim, listar as estratégias de diminuição do consumo de energia para guiar a parametrização.A apresentação dos resultados da simulação, também, merece grande atenção, já que essa é a maneira de transformar os dados de saída em informação de qualidade (Donn, 1997, Mahdavi 1998, Soebarto et al, 1999, Apud MORBITZER et al., 2001). Por isso, a análise dos resultados deve ser personalizada para as diferentes fases do projeto. As ferramentas poderiam se aproximar ao universo dos arquitetos, de forma que os resultados fossem mais claros para esse grupo de profissionais (VENÂNCIO, 2012).
Por fim, há a necessidade de agregar análises de incerteza e sensibilidade nos experimentos e uma tendência para utilização de métodos estatísticos em programas de simulação computacional (SILVA ,GHISI, 2014).
Mesmo com as boas perspectivas, deve-se ter em mente a lista e situações nas quais a simulação não deve ser utilizada (BANKS; GIBSON, 1997, Apud HENSEN ,LAMBERTS, 2011):
1. O problema pode ser resolvido usando as análises de senso comum; 2. O problema pode ser resolvido analiticamente;
3. É mais fácil realizar experimentos com algo real; 4. Os custos da simulação excedam possíveis economias; 5. Não há recursos adequados disponíveis para o projeto; 6. Não há tempo para os resultados serem úteis;
7. Não há informação nem valores estimados; 8. O modelo não pode ser verificado nem validado; 9. As expectativas de projeto não são conhecidas;
10. O comportamento do sistema é muito complexo ou não pode ser definido.
2.4 Considerações pessoais
O mapeamento do processo projetual, abordado no referencial teórico, indica que as fases de projeto podem ser divididas em: pré-projeto, ou seja, a programação arquitetônica; em estudo preliminar, também conhecida como esboço; em ante-projeto e em detalhamento. Essa divisão se difere das fases de análise da eficiência energética do edifício apresentadas por Szokolay (1984) apenas na fase de detalhamento. O motivo é que pode haver detalhamento de informações já no ante-projeto, como é o caso da especificação do material de envoltória, por exemplo. Esse detalhamento comporta ainda a fase de detalhamento arquitetônico, quando problemas específicos são resolvidos. Ao final do detalhamento arquitetônico, Szokolay (1984) propõe ainda a análise final da eficiência energética do edifício (Figura 11). Dessa forma, com base nos casos estudados, a estrutura proposta por Szokolay (1984) demonstra-se mais adequada para análise a que esse item se propõe.
Na fase inicial do projeto, coerente com Morbitzer, Strachan et al. (2001), são avaliados parâmetros como orientação, transmitância, sistema de recuperação do calor, iluminação e densidade da construção, taxa de renovação de ar, uso do espaço, área envidraçada, profundidade do ambiente e tipo de combustível.
As decisões tomadas ainda nas fases iniciais de projeto, como esboço, são as mais impactantes na redução do consumo de energia e, nas fases seguintes, elas são apenas detalhadas (BALCOMB, 1998, Apud PEDRINI, 2003). Nesse mesmo sentido, Pedrini (2003) indica que as características arquitetônicas decididas nas primeiras fases apresentam grande impacto no desempenho do edifício (PEDRINI, 2003; LIMA, 2007). A fase de esboço é a fase com maior potencial de eficientização quanto à tomada de decisões; porém, é a que apresenta a menor quantidade de dados disponíveis para modelar um caso, o que normalmente, dificulta a modelagem nos softwares de simulação. Ao mesmo tempo, entende-se que a elevada quantidade de informações pode aumentar a complexidade da simulação, o que a torna cada vez menos acessível a novos consultores e, principalmente, aos projetistas. Nesse caso, a integração do método às primeiras fases de projeto, bem como a sua difusão, poderia ser também dificultada.
Com base na revisão, há várias hipóteses que podem ser testadas no sentido de facilitar a integração, dentre as principais está o uso de simulações simplificadas. Dessa maneira, ferramentas complexas podem ser simplificadas para utilização como ferramentas nas primeiras fases, por meio do uso de padrões e arquivos pré-configurados. Dessa forma, optou-se pela utilização do programa DesingBuilder, por entender que, apesar de ser uma ferramenta complexa, pode ser usada de maneira simplificada e utiliza os algoritmos confiáveis do EnergyPlus. Ela também apresenta recursos que poderiam facilitar as análises, como gráficos de balanço térmico horário e análises designadas pelo programa de paramétricas.
A ferramenta de projetação também vai de encontro à mitigação do recorrente caso do simulador que precisa do edifício detalhado para realizar a simulação e, ao mesmo tempo, tem suas possibilidades de contribuições reduzidas porque o projeto já está muito definido.
Planilhas eletrônicas previamente configuradas são utilizadas para complementar as análises dos resultados da simulação, como é o caso da análise de ambiente ventilados naturalmente que utilizam a planilha desenvolvida por Negreiros (2010). Outras planilhas elaboradas pelo Laboratório de Conforto Ambiental da UFRN que também facilitam a interpretação podem ser utilizadas para as análises de maneira a viabilizar a integração com as primeiras fases projetuais. Para auxiliar nas análises, os resultados obtidos são comparados a sensibilidade de variáveis (transmitância, absortância, fator solar, orientação, percentual de
abertura na fachada etc) para o climas quente e úmido e quente e seco, estudados anteriormente por Negreiros (2010), Simas (2009), Venâncio (2007), Lima (2007), Cunha (2007) e Dias et al (2013).
Observa-se, ainda, que trabalhar com projetistas, nas primeiras fases de projeto, compreende identificar um campo de soluções e não uma solução específica e sua incerteza – mais coerente com a fase de detalhamento. A utilização de técnicas de propagação de incertezas nos resultados, por exemplo, durante a modelagem agregaria mais complexidade ao processo, recaindo no empecilho de viabilizar a integração e a difusão. Por meio de análises de sensibilidade locais e por triagem, além de atingir o objetivo de identificar um campo de soluções, o consultor está também contemplando o que estaria mais próximo a análise de incerteza compatível com essa fase do projeto. De modo que as análises sejam melhor compreendidas, a variabilidade dos dados de entrada serve para indicar possibilidades de soluções de projeto para uma mesma situação projetual.
Vale salientar ainda que a aplicação de incertezas não é solicitada nas análises do RTQ- C, o que sugere que, apesar de ser requerida por normas e regulamentos rígidos, o grau de complexidade agregado a essas considerações, provavelmente não é comportada pelo sistema existente. A indústria da construção brasileira não faz uso de incertezas e frequentemente há ajustes durante a obra, como é o caso da escolha do tipo de tijolo de acordo com o valor cotado na semana da aquisição.
3 Método
O método está embasado na revisão bibliográfica e na experiência precedente sobre o tema, e consiste na seleção de seis estudos de caso aos quais são aplicados procedimentos para melhorar o desempenho termoenergético por meio de simulação. Cada estudo de caso é avaliado quanto aos benefícios do uso da simulação na melhoria do desempenho, quanto à integração dos procedimentos no processo projetual e às tarefas que cabem ao projetista e ao consultor, conforme Figura 12.
Figura 12 – Diagrama do método proposto
A análise do projeto foi dividida em quatro partes. A primeira, pré-análise, diz respeito à compreensão do projeto e seu potencial de desempenho. A segunda é a modelagem e simulação, ou seja, a representação das principais informações sobre o projeto inteligível ao programa de simulação. A terceira é a pós-simulação, que compreende o tratamento dos dados de saída da simulação, análise e síntese compreensível ao projetista, o qual receberá o retorno dos resultados na quarta parte. Os passos se repetem enquanto houver potencial de melhoria da edificação ou questionamentos por parte do projetista. Quando a meta é atingida ou as alternativas se esgotam, o processo se conclui.
Após a conclusão dos seis casos estudados, os processos são analisados quanto à relação entre a definição de variáveis pelo projetista e o impacto dessas variáveis no desempenho da edificação, quanto à integração entre projetista e consultor e suas atribuições. Ao final das análises, são apresentadas as considerações finais, nas quais constam reflexões acerca das limitações verificadas, perspectivas para trabalhos futuros e conclusões (Figura 12).
Os procedimentos de análise de projeto proposto foram se desenvolvendo ao longo dos estudos de casos. Por exemplo, a simulação do primeiro caso e a análise dos resultados geraram subsídios para melhorar a definição dos padrões, modelo e análise. Essa retroalimentação foi incorporada no procedimento 2 na simulação do caso 2 (Figura 13). Após a modelagem e análises desse, foi constatada a necessidade de gerar um guia de entrevista e agregar a análise de variação de parâmetro. Dessa forma, a retroalimentação seguiu por todos os casos, durante os quais, à medida que se avançava, percebiam-se novas possibilidades de melhora na proposta final do procedimento (Figura 13). A simulação do caso 4 e 5 mostraram a necessidade de simular novamente o caso 2, considerando novas análises e ajustes aprendidas com a experiência daqueles.
Figura 13 – Diagrama da retroalimentação do procedimento de análise de projeto
3.1 Seleção de casos
Os casos correspondem às situações em que foi possível empregar simulações termoenergéticas para melhorar o desempenho da futura edificação. Todas as simulações foram realizadas pela autora da pesquisa. A seleção considerou a importância do desempenho, a disponibilidade das informações para o processo e a fácil interação com os projetistas. Assim, foram selecionados seis casos, sendo três projetos de novas edificações (casos 1, 3 e 4) e três projetos de retrofit1 (casos 2, 5 e 6). Nos casos 1 e 3 a simuladora atuou como projetista e
1 Retrofits são reformas que visam a redução do consumo de energia.
A pl ic ad o e m :
consultora e nos demais casos (2,4,5 e 6) a simuladora atual como consultora, gratuitamente. Os casos colaborativos ocorreram com projetos do Curso de Mestrado Profissional em A uitetu a, P ojeto e Meio A ie te do P og a a de Pós-graduação em Arquitetura e Urbanismo. São casos que atendem os critérios de seleção satisfatoriamente e que favorecem às análises porque são projetos com reflexão mais apurada que o usual e com maior nível de comprometimento em relação à qualidade do projeto.
Os estudos de retrofit estão localizados em Natal (Figura 15), zona bioclimática 8. De acordo com o projetista, eles foram escolhidos por representar edificações modernistas de pequeno, médio e grande porte, respectivamente: o Edifício Sede da Unimed Natal (caso 2), a Associação Atlética Banco do Brasil/AABB (caso 6), e o Instituto de Aposentadoria e Pensão dos Servidores Estaduais/IPASE (caso 5).
Os projetos de novos edifícios também estão a zona bioclimática 8, com exceção de um caso voltado para a zona bioclimática 7 (Figura 15). Esse último foi escolhido por contribuir com as análises nessa zona e pela simuladora não ter tanta familiaridade com o clima. Todos os casos analisados estão listados na Figura 14 e espacialmente localizados na Figura 15.