Impacto de distintas alternativas de modelagem das trocas de calor entre o piso e o solo no programa EnergyPlus

Essa etapa compreende a verificação do impacto de distintas alternativas de modelagem das trocas de calor entre o piso e o solo de uma edificação térrea, com o piso em contato com o solo, naturalmente ventilada, nos programas EnergyPlus (EP - versão 8.5.0) e Slab (versão .75). Além disso, também foi verificado o impacto das variáveis de entrada do pré-processador Slab.

3.1.1 Geometria e características construtivas do modelo

O modelo de edificação simulado baseou-se em um projeto de habitação de interesse social usualmente empregado por uma importante agência de financiamento de habitação brasileira (Caixa Econômica Federal; MARQUES, 2013). O projeto original é uma habitação térrea, isolada e com o piso em contato com o solo. Ela possui dois quartos, uma cozinha, uma sala e um banheiro, totalizando 37,1 m². No modelo simulado foram consideradas apenas as paredes externas, sendo todos os cômodos congregados em uma única zona térmica (Figura 3.1). A cobertura é composta por um ático não ventilado, que foi simulado como uma segunda zona térmica, que troca calor com o ambiente interior do edifício através da laje de teto. As janelas são

posicionadas da mesma forma que o projeto original, e suas áreas também são mantidas. As dimensões das janelas são 1,2 x 1,0m (sala), 1,2 x 1,0m (quartos), 0,50 x 0,50m (banheiro) e 1,2 x 1,0m (cozinha).

Figura 3.1 - Projeto original da edificação e do modelo simulada

Fonte: Autor

A Tabela 3.1 apresenta as características construtivas e as propriedades termofísicas dos elementos da edificação. Sua escolha baseou-se em informações concedidas pela mesma agência financiadora brasileira supracitada (Caixa Econômica Federal, com os dados de MARQUES (2013)) e refletem o que é usualmente empregado nesse tipo de edificação. O piso não possui nenhum tipo de isolamento térmico, o que é comum em todas as habitações térreas brasileiras, e não somente nas de interesse social.

Tabela 3.1 - Características construtivas e propriedades termofísicas dos elementos da edificação “continua”

Elementos opacos da edificação _(W/m²K) Valor U¹ _(m².K/W) Valor R¹ _(kJ/m²K) Valor C¹ Absortância _solar²

Paredes externas

Argamassa (2,5 cm) + bloco de concreto furado de 14 cm +

argamassa (2,5 cm)

Tabela 3.1 - Características construtivas e propriedades termofísicas dos elementos da edificação “conclusão”

Elementos opacos da edificação _(W/m²K) Valor U¹ _(m².K/W) Valor R¹ _(kJ/m²K) Valor C¹ Absortância _solar²

Cobertura

Telha cerâmica (1 cm) + ático não ventilado + laje cerâmica pré-

moldada (12 cm) 1,78 - 189 0,75 Piso³ Brita (3cm) + concreto (8 cm) + argamassa (2,5 cm) + revestimento cerâmico (0,4 cm)) - 0,32 279 - Áreas envidraçadas

Vidro Cor Incolor

Espessura 4 mm

Nota: ¹ as propriedades dos materiais e os cálculos da transmitância (U), resistência (R) e capacidade (C) térmicas foram efetuados conforme a norma brasileira “Desempenho térmico de edificações Parte 2: Métodos de cálculo da transmitância térmica, da capacidade térmica, do atraso térmico e do fator de elementos e componentes de edificações” NBR 15220-2 (ABNT, 2005a).

² a absortância da envoltória foi definida considerando as medições de absortância de tintas feitas por Dornelles (2008), sendo selecionada para as paredes a cor branco gelo. ³ para o piso apresenta-se o valor da resistência térmica em lugar da transmitância pela diferença na resistência superficial externa.

3.1.2 Ganhos internos

A carga térmica devido às fontes internas de calor (ocupantes, iluminação artificial, e equipamentos) e os seus padrões de utilização foram definidos de acordo com o recomendado pelo “Regulamento Técnico Da Qualidade Para O Nível De Eficiência Energética De Edificações Residenciais” – RTQ-R (INMETRO, 2012). A Tabela 3.2 apresenta esses valores.

Tabela 3.2 - Ganhos internos totais diários

GANHOS INTERNOS TOTAIS (correspondentes ao período de 24 horas)

Fontes de Calor Dias de semana Finais de semana

Ocupação 2490 W/m² 3360 W/m²

Iluminação 45 W/m² 57 W/m²

Equipamentos 36 W/m²

Nota: O “Regulamento Técnico Da Qualidade Para O Nível De Eficiência Energética De Edificações Residenciais” - RTQ-R (INMETRO, 2012) apresenta padrões de ocupação e de funcionamento dos equipamentos e da iluminação diferenciados para cada ambiente (sala, quarto e cozinha). Esses ganhos são distribuídos de forma irregular ao longo do dia. Nesta tabela, é apresentada apenas a sua soma total, durante o período de 24 horas.

3.1.3 Clima

O local escolhido foi a cidade de São Carlos/SP, localizada na latitude 22°01’03’’S, altitude 863m, e pertencente à zona bioclimática 4, de acordo com a norma brasileira NBR 15220-3 (ABNT, 2005b). O arquivo EPW adotado foi o desenvolvido por Roriz (2012). A Figura 3.2 apresenta o diagrama bioclimático de Givoni (1992) gerado pelo programa EPview (RORIZ; RORIZ, 2015), a partir do arquivo climático citado acima. O diagrama mostra que a cidade está localizada na zona de conforto em grande parte do ano (34,4%). Nota-se também a predominância de frio em relação ao calor, com 29,5% do ano localizado na zona de aquecimento solar e 24,2% na de inércia térmica (aquecimento).

Figura 3.2 - Diagrama bioclimático de Givoni (1992) para a cidade de São Carlos/SP-Brasil

Fonte: Roriz e Roriz (2015)

3.1.4 Modelagem da ventilação natural

A edificação foi considerada naturalmente ventilada através de suas janelas, o que é o usual nessa cidade, em edificações residenciais dessas dimensões. A ventilação foi modelada através do módulo Airflow Network do EP. Adotaram-se para os coeficientes de pressão do vento de cada fachada, os valores calculados automaticamente pelo EP para geometrias retangulares.

Os principais dados de entrada adotados nessas simulações para o módulo Airflow Network são apresentados na Tabela 3.3. Com o controle de abertura das janelas por temperatura, houve ventilação quando a temperatura interior do ar era maior que a temperatura externa do ar (Tint > Text) e a temperatura interna do ar maior que a temperatura de controle (Tint > Tsetpoint). O cronograma de ventilação foi definido de acordo tanto com o padrão de ocupação dos usuários (ver no item Ganhos Internos desta etapa) quanto com estudos anteriores sobre a operação das janelas, feitos no mesmo clima, que indicam a necessidade de ventilação noturna (MARIN; CASATEJADA; CHVATAL, 2016). A porcentagem de abertura das janelas foi considerada igual à 100% de acordo com as diretrizes propostas pela norma NBR 15220 (ABNT, 2005b) para a zona bioclimática 4. Apesar desse valor não condizer com a realidade dos tipos de janelas atualmente utilizadas em habitações residenciais, o mesmo foi adotado para que esteja dentro das diretrizes da norma NBR 15220 (ABNT, 2005b). A norma recomenda para esta zona o uso de aberturas médias para a ventilação com 15%<A<25% (A= % da área do piso).

Tabela 3.3 - Dados de entrada do módulo Airflow Network

Parâmetro Variável

Controle da abertura das janelas Por temperatura

Temperatura de controle 20°C¹

Tipo de coeficiente de pressão do vento Surface Average Calculation Cronograma de ventilação 18h - 6h/12h - 13h (set. a abr.) Porcentagem de abertura efetiva das

janelas 100%

Nota: ¹ Foi definido conforme o sugerido pelo Regulamento técnico da qualidade para o nível de eficiência energética em edificações residenciais - RTQ-R (INMETRO, 2012).

3.1.5 Dados de entrada e variação das simulações

As simulações são divididas em três grupos, conforme indicado na Tabela 3.4. No primeiro grupo, foram realizados testes para avaliar a operação de Slab e outras alternativas de modelagem para as trocas de calor entre o edifício e o solo. No segundo grupo, o objetivo é avaliar a influência de dados de entrada

do Slab nos dados de saída. No terceiro grupo, foram realizados testes especificamente variando um tipo de dados de entrada do Slab: as propriedades termofísicas do solo.

Cada um destes grupos é dividido em uma série de subgrupos. As Tabelas 3.5 a 3.11 listam todos os dados de entrada do Slab (Tabelas 3.6 a 3.11), bem como os dados do objeto Site: Ground Domain (GDomain) (Tabela 3.5), identificando a qual subgrupo pertencem. Nos subgrupos 4 a 9, os resultados das variações consideradas foram comparados a um caso denominado como "referência". O caso de referência foi considerado como o mais indicado, de acordo com o que foi observado na literatura, e no Auxiliary Programs Manual e EnergyPlus University Course Teaching Material (GARD ANALYTICS, 2003; EERE, 2016). A escolha do que seria alterado também foi feita considerando essas referências. Todas as simulações seguiram, salvo indicação contrária, os procedimentos descritos no item “2.2.3.3 Funcionamento do Slab”. A Tabela 3.6 também apresenta alguns detalhes adicionais sobre o procedimento de simulação.

Tabela 3.4 - Grupos e subgrupos das simulações e suas variações “continua”

Grupos de

Simulação Subgrupos Variações Observações

O per açã o do Slab e outr as alter na tiv as 1. Ativação do Slab

Slab rodado interna e externamente ao EP, com os mesmos dados de entrada

Em ambos os casos, o Slab foi rodado apenas uma vez. Essas duas variações foram comparadas entre si.