Simulação Computacional x Edificações

O desenvolvimento de ferramentas computacionais abre caminho para a avaliação do comportamento térmico de edificações por meio de análises numéricas e sua utilização pode ser destinada para fins de projeto e dimensionamento. Atualmente existem diversos programas computacionais, baseados nas normas vigentes, que são usados para a análise térmica em edificações (HENSEN; LAMBERTS, 2011).

A simulação computacional possui várias finalidades, dentre as quais a determinação de estratégias para um desempenho térmico mais adequado ao clima local, proporcionando maior conforto térmico aos ocupantes, redução do consumo de energia para o condicionamento, melhoria da eficiência dos sistemas de condicionamento de ar e tomada de decisão mais coerente possível na fase de projeto (SILVA; ALMEIDA; GHISI, 2017).

De acordo com a norma NBR 15.575 (ABNT, 2013) “a simulação computacional permite determinar o comportamento térmico de edificações sob condições dinâmicas de exposição ao clima, sendo capazes de reproduzir os efeitos de inércia térmica”. Via simulação computacional a transferência de calor em habitações pode ser estudada a diferentes níveis: em um único componente da edificação, como no sistema de fechamento vertical, em um cômodo somente, ou analisando a edificação como um todo (WILDE, 2004). Para que se possa obter uma simulação computacional satisfatória, é fundamental garantir uma boa precisão dos parâmetros de entrada, aproximando-se dos aspectos reais da edificação.

3.1.1 EnergyPlus

O EnergyPlus é um programa computacional, desenvolvido pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE), que avalia o desempenho térmico de uma edificação, criado a partir de dois programas, BLAST e DOE-2. Este programa é indicado pela norma NBR 15.575 (ABNT, 2013) e possui diversas características que o destacam em relação a outros programas de simulações computacionais existentes, quais sejam:

i. cálculo da energia necessária para resfriar ou aquecer um ambiente;

59 ii. condução de calor transiente através dos elementos fechamento da construção;

iii. modelo de conforto térmico;

iv. técnica de solução baseada no balanço de energia para as cargas térmicas prediais;

v. fornece dados de saída de cada componente inserido no programa, possibilitando analisar a influência de cada parâmetro individualmente de acordo com o intervalo definido pelo usuário;

vi. analisa a influência dos parâmetros em diversos tipos de clima, uma vez que o programa possui uma biblioteca com um grande número de arquivos climáticos, entre outras (MELO; LAMBERTS, 2008).

3.1.2 Modelo Analisado

Na análise pelo EnergyPlus utiliza-se um modelo de edificação para se obter as temperaturas superficiais internas e externas do fechamento vertical em Light Steel Framing levando-se em conta as condições climáticas das zonas bioclimáticas ZB01, ZB02, ZB03 e ZB08. O modelo proposto é baseado em edifícios comerciais típicos de grandes centros urbanos. A maioria destas edificações é constituída por dois setores bem definidos: uma região central que compreende a circulação vertical e serviços (core) e o espaço para abrigo dos escritórios conforme exemplificado na Figura 3.3 (CAETANO, 2017).

Figura 3.3 – Edifício Acal.

Fonte: CAETANO, 2017

A planta baixa do pavimento tipo da edificação simulada é apresentada na Figura 3.3. A edificação é simulada considerando os materiais que compõem o sistema de fechamento de acordo com a Figura 3.1, onde são especificadas as espessuras das camadas que

60 compõem o fechamento vertical, as propriedades termofísicas dos materiais (Tabela 3.2) e dados climáticos da zona bioclimática considerada. O fechamento vertical destacado na Figura 3.4 é escolhido para a análise e obtenção dos dados (temperaturas superficiais) inseridos no Ansys, uma vez que ele faz parte do sistema de fechamento da zona térmica onde ocorre os maiores ganhos e perdas térmicas ao longo dos dias analisados.

Figura 3.4 – Fechamento Vertical selecionado para a análise dos dados obtidos

Tabela 3.2 – Propriedades usadas para a análise térmica para os fechamentos em Light Steel Framing.

Fonte: NBR 15220-2; CLARKE, 1985; RODRIGUES E CALDAS, 2016.

3.1.2.1 Obtenção das Temperaturas Superficiais

Para obtenção das temperaturas superficiais no fechamento, inseridas como condição de contorno na análise numérica do processo de condução de calor através do fechamento, considera-se as condições climáticas de uma região com clima extremo para inverno (ZB01), clima extremo de verão (ZB08) e para um clima considerado como mediano (ZB03), conforme a norma NBR 15.220 (ABNT, 2005). Inclui-se também a condição climática da ZB02 que apresenta a maior amplitude diária de temperatura num dia típico de inverno (ABNT, 2005). Um dia típico de inverno consiste em um dia real caracterizado

61 pelas seguintes variáveis: temperatura e umidade relativa do ar, velocidade do vento e radiação solar incidente em superfície horizontal, considerando o dia mais frio do ano segundo a média do período dos últimos 10 anos (ABNT, 2005). Salienta-se ainda que a zona bioclimática ZB03 inclui a cidade de São Paulo, além da cidade de Belo Horizonte, que compreendem dois grandes polos que utilizam este tipo de sistema de construção.

Definidas estas quatro zonas bioclimáticas (ZB01, ZB02, ZB03 e ZB08) e as cidades representativas (ABNT, 2013) considera-se um dia de referência de máxima temperatura de bulbo seco e um dia de referência de mínima temperatura de bulbo seco, conforme apresentado na Tabela 3.3 (AKUTSU, 1998; OLIVEIRA, 2006; GOMES, 2012). Para a zona bioclimática ZB08 analisa-se somente a condição de máxima temperatura de bulbo seco, conforme estabelecido na norma NBR 15.575 (ABNT, 2013). Esses dias são obtidos em um arquivo estatístico SWERA (.stat) gerado pelo próprio programa EnergyPlus (WEATHER..., 2020). No Anexo A apresenta-se o arquivo para a cidade de São Paulo.

Tabela 3.3 – Dias de referências com máxima e mínima temperatura de bulbo seco.

ZONA BIOCLIMÁTICA Te,máxima Te,mínima

O ANSYS (atualmente na versão 19) é um programa computacional desenvolvido nos Estados Unidos, Pensilvânia, 1970, criado para a simulação numérica na engenharia.

Várias são as análises obtidas pelo ANSYS, dentre elas, a análise estrutural, térmica e dinâmica dos fluídos. A análise numérica utilizando o software Ansys baseia-se no método dos Elementos Finitos (MEF). O Método dos Elementos Finitos (MEF) baseia-se na discretização do fechamento em elementos, gerando assim uma malha de elementos e de nós. Por meio de funções de interpolação convenientes, este sistema discreto simula o comportamento do sistema contínuo original. A vantagem do método dos elementos finitos é a amplitude de possibilidades de utilização, uma vez que os elementos finitos se adaptam à geometria do elemento. Sua desvantagem é um alto custo computacional, pois