INTEGRAÇÃO DA SIMULAÇÃO TERMOENERGÉTICA
COM O PROCESSO DE PROJETO:
A ANÁLISE DE 6 CASOS
I
NTEGRAÇÃO DA SIMULAÇÃO TERMOENERGÉTICA
COM
O PROCESSO DE PROJETO:
A análise de 6 casos
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação em Arquitetura e Urbanismo da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito à obtenção do título de Mestre.
Orientador: Profº Dr. Aldomar Pedrini
Natal
–
RN
Catalogação da Publicação na Fonte. Universidade Federal do Rio Grande do Norte / Biblioteca Setorial de Arquitetura.
Rodrigues, Clara Ovídio de Medeiros.
Integração da simulação termoenergética com o processo de projeto: a análise de 6 casos/ Clara Ovídio de Medeiros Rodrigues. – Natal, RN, 2014.
127f. : il.
Orientador: Aldomar Pedrini.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Centro de Tecnologia. Departamento de Arquitetura.
1. Edifício – Arquitetura – Dissertação. 2. Simulação termoenergética
– Dissertação. 3. Desempenho termoenergético – Dissertação. 4. Concepção projetual – Dissertação. I. Pedrini, Aldomar. II. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III. Título.
Ao vigésimo oitavo dia do mês de novembro de dois mil e catorze, no miniauditório do PPGAU/UFRN, realizou-se a Sessão Pública de Defesa da Dissertação título INTEGRAÇÃO DA SIMULAÇÃO TERMOENERGÉTICA COM O PROCESSO DE PROJETO: A análise de 6 casos., de CLARA OVÍDIO DE MEDEIROS RODRIGUES, visando a obtenção do grau de mestre.
Data de aprovação: 28/11/2015
Banca Examinadora:
Dr. LUCIANO DUTRA, UNISUL/SC Examinador Externo à Instituição
Dr. RAONI VENANCIO DOS SANTOS LIMA, UFCG Examinador Externo à Instituição
Dr. BIANCA CARLA DANTAS DE ARAUJO, UFRN
Examinador Interno
Dr. ALDOMAR PEDRINI, UFRN
Presidente
À Deus, por ter atendido as rezas de mainha e painho e por sempre arranjar um tempinho.
Ao amigo e Prof. Aldomar Pedrini pelo suporte no percurso de engrandecimento como
pessoa, arquiteta, pesquisadora e professora.
Aos meus pais e minha irmã, por terem me ajudado a acreditar no meu sonho e pelo apoio incondicional emocional e financeiro.
Aos professores do PPGAU-UFRN pelos ensinamentos.
Aos pesquisadores e estagiários do LabCon e aos demais amigos pelas contribuições e companheirismo.
À Júlio e Haroldo, por terem se disponibilizado a colaborar com os estudos de caso. À Gustavo pela paciência e pelo amor.
Esse estudo consiste da avaliação da integração da simulação termoenergética nas primeiras fases do processo projetual a partir do estudo de seis casos práticos, com o intuito de sistematizar o processo de integração, identificar as contribuições das análises termoenergéticas em cada fase do processo projetual e identificar os parâmetros que possuem maior impacto no desempenho do edifício. A simulação energética foi realizada por meio do programa DesignBuilder, o mesmo algoritmo validado do EnergyPlus de predição do comportamento termoenergético. Essa ferramenta se destaca pela capacidade de modelagem da interface gráfica, pela saída gráfica de resultados, e pela facilidade de simular o impacto de alternativas no comportamento da edificação, por meio de parametrização de variáveis. Os seis estudos de caso selecionados consistem de quatro projetos arquitetônicos em fase de desenvolvimento e de dois projetos de retrofit, nos quais a autora realiza todas simulações termoenergéticas, seja como projetista ou como consultora. Os casos foram escolhidos devido ao comprometimento dos projetistas em atingir edifícios eficientes, à disponibilidade dos projetistas em relação às consultas, e à possibilidade de acompanhar os projetos desde a fase de programação arquitetônica. Essas características possibilitaram sistematizar as análises desde as fases preliminares, auxiliar as escolhas projetuais desde o início do projeto, subsidiando-as com análises quantitativas, como metas de desempenho. A análise do desempenho termoenergético da edificação desde as primeiras etapas de projeto mostrou-se viável, exceto quando o tempo de projetação é exíguo. Verificou-se que a simulação contribuiu, principalmente, nas fases de estudo preliminar e detalhamento do projeto; enquanto a fase de pré-projeto pode ser atendida com o uso das estratégias bioclimáticas quando confiáveis. Foi constatado que cada caso analisado apresentou duas variáveis que se destacaram em relação às demais devido à dominância sobre o desempenho da edificação. Essas variáveis mudam de acordo com o projeto, e coincidem com as estratégias bioclimáticas locais. A adaptação das alternativas de melhoria ao projeto se torna mais acessível quanto mais inicial a fase projetual. Além disso, quando se trabalha com o arquiteto, a simulação pode ser utilizada no sentido de provar e convencer; com o projetista de retrofit, no sentido de quantificar o custo/benefício e o retorno do investimento; e para o arquiteto simulador, para confirmar o resultado desejado e compor relatório de desempenho ao cliente.
This work consists of the integrated design process analyses with thermal energetic simulation during the early design stages, based on six practical cases. It aims to schematize the integration process, identifying the thermal energetic analyses contributions at each design phase and identifying the highest impact parameters on building performance. The simulations were run in the DesignBuilder energy tool, which has the same EnergyPlus engine, validated. This tool was chosen due to the flexible and user friendly graphic interface for modeling and output assessment, including the parametric simulation to compare design alternatives. The six case studies energy tools are three architectural and three retrofit projects, and the author the simulations as a consultant or as a designer. The case studies were selected based on the commitment of the designers in order to achieve performance goals, and their availability to share the process since the early pre-design analyses, allowing schematizing the whole process, and supporting the design decisions with quantifications, including energy targets. The thermoenergetic performance analyses integration is feasible since the early stages, except when only a short time is available to run the simulations. The simulation contributions are more important during the sketch and detail phases. The pre-design phase can be assisted by means of reliable bioclimatic guidelines. It was verified that every case study had two dominant design variables on the general performance. These variables differ according the building characteristics and always coincide with the local bioclimatic strategies. The adaptation of alternatives to the design increases as earlier it occurs. The use of simulation is very useful: to prove and convince the architects; to quantify the cost benefits and payback period to the retrofit designer; and to the simulator confirm the desirable result and report the performance to the client
FIGURA 1–TELA DO DESIGNBUILDER ... 20
FIGURA 2–HIERARQUIA DOS ELEMENTOS DO DESIGNBUILDER ... 21
FIGURA 3–GRÁFICO DE SAÍDA DO DESIGNBUILDER, SIMULAÇÃO PARAMÉTRICA ... 23
FIGURA 4–REPRESENTAÇÃO DO PROCESSO PROJETUAL MOSTRANDO OS ESTÁGIOS EM QUE AS DECISÕES QUE INFLUENCIAM NO DESEMPENHO TÉRMICO DO EDIFÍCIO SÃO TOMADAS ... 27
FIGURA 5–EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO PROCESSO PROJETUAL ... 28
FIGURA 6–FASES NAS QUAIS AS FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS SÃO USADAS PARA AVALIAR O CONSUMO DE ENERGIA DA EDIFICAÇÃO ... 29
FIGURA 7–IMPORTÂNCIA DAS DECISÕES PROJETUAIS PARA A FASE DE PRÉ-PROJETO ... 30
FIGURA 8–IMPORTÂNCIA DAS DECISÕES ARQUITETÔNICAS PARA A FASE DE ESBOÇO ... 31
FIGURA 9–IMPORTÂNCIA DAS DECISÕES PROJETUAIS NA FASE DE DETALHAMENTO ... 32
FIGURA 10–QUADRO COM AS BARREIRAS IDENTIFICADAS POR WILDE (2003) NO PROCESSO DE INTEGRAÇÃO DA SIMULAÇÃO COM O PROCESSO DE PROJETO ... 36
FIGURA 11–ENTENDIMENTO DAS FASES DE PROJETO E FASES DE ANÁLISE ... 38
FIGURA 12–DIAGRAMA DO MÉTODO PROPOSTO ... 41
FIGURA 13–DIAGRAMA DA RETROALIMENTAÇÃO DO PROCEDIMENTO DE ANÁLISE DE PROJETO ... 42
FIGURA 14–QUADRO DE CASOS SELECIONADOS ... 43
FIGURA 15-LOCALIZAÇÃO DOS CASOS DESTACADO COM ESTRELAS:(A)BRASIL,RIO GRANDE DO NORTE, CIDADES DE MOSSORÓ, MAIS A ESQUERDA, E NATAL, MAIS A DIREITA;(B) CASO 1 EM MOSSORÓ;(C) DEMAIS CASOS EM NATAL .. 44
FIGURA 16–DIAGRAMA ANÁLISE DE PROJETO ... 47
FIGURA 17–QUADRO DE PADRÕES (VARIÁVEIS DE OCUPAÇÃO E SISTEMAS) PARA CONFIGURAÇÃO DA SIMULAÇÃO. ... 49
FIGURA 18–MATERIAIS UTILIZADOS NO PADRÃO -SISTEMA CONVENCIONAL: PAREDE(A), COBERTURA INCLINADA (B), COBERTURA PLANA (C), VIDRO (D) E SISTEMA EFICIENTE: COBERTURA INCLINADA (E) E VIDRO VERDE (F) ... 50
FIGURA 19–GRÁFICO DE COMPORTAMENTO DE CARGAS TÉRMICA ... 54
FIGURA 20–BALANÇO TÉRMICO... 55
FIGURA 21–VARIAÇÃO DE PARÂMETRO ... 55
FIGURA 22–GRÁFICO DE VARIAÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA ... 56
FIGURA 23–GRÁFICO DE PERCENTUAL DE REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA ... 56
FIGURA 24–GRÁFICO DA PORCENTAGEM DE HORAS EM CONFORTO ... 57
FIGURA 25–EXEMPLO DE GRÁFICO PARA ANÁLISE DE AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO TÉRMICO DESENVOLVIDO ... 58
FIGURA 26–BASE PARA SISTEMATIZAÇÃO DA INTERAÇÃO DO PROJETISTA COM O CONSULTOR NAS FASES DE PROJETO POR CASO. ... 59
FIGURA 27–SÍNTESE DO PROCESSO DE INTEGRAÇÃO A SER PREENCHIDO E OS SÍMBOLOS DE PREENCHIMENTO ... 59
FIGURA 28–RADAR PARA ANÁLISE FOCADA ... 60
FIGURA 29–IST EM FASE DE ESBOÇO, FACHADAS FRONTAL (A) E POSTERIOR (B) ... 62
FIGURA 30–DESEMPENHO TÉRMICO DO PÁTIO INTERNO: VISTA (A), GRÁFICO PERCENTUAL DE HORAS EM CONFORTO (B) ... 62
FIGURA 33–DADOS RECEBIDOS SOBRE O ED.SEDE DA UNIMED NATAL: VOLUMETRIA (A,B); PLANTA BAIXA (C,D),
CONFIGURAÇÃO DAS ABERTURAS (E,F), COMPOSIÇÃO DA LAJE DE COBERTURA (G) E ORIENTAÇÃO, COM DESTAQUE PARA
A EDIFICAÇÃO EM ANÁLISE (H) ... 64
FIGURA 34–CASO 2 MODELADO NO DESIGNBUILDER ... 65
FIGURA 35–GRÁFICO DE CARGAS TÉRMICAS NO EDIFÍCIO DA UNIMED AO LONGO DE UM DIA PARA TESTE DO MODELO ... 66
FIGURA 36–GRÁFICO DE CARGAS TÉRMICAS UNIMED – SEGUNDO MODELO ... 67
FIGURA 37–DIAGRAMA DE MÁSCARA DE SOMBRA DAS VENEZIANAS: ORIGINAIS (A), SIMPLIFICADAS (B) ... 67
FIGURA 38–GRÁFICO DE CARGA TÉRMICA DA UNIMED – MODELO COM SOMBREAMENTO AJUSTADO ... 68
FIGURA 39–GRÁFICO DE PERCENTUAL DE HORAS EM CONFORTO A CADA HORA –UNIMED, PRIMEIRA SIMULAÇÃO ... 69
FIGURA 40–GRÁFICO DE PERCENTUAL DE HORAS EM CONFORTO A CADA HORA –UNIMED, APÓS AJUSTE DA COBERTURA ... 70
FIGURA 41–GRÁFICO DE CARGAS TÉRMICAS NO EDIFÍCIO DA UNIMED AO LONGO DE UM DIA ... 70
FIGURA 42–GRÁFICO DA CARGA TÉRMICA DA UNIMED - MODELO COM DENSIDADE DE EQUIPAMENTO E COP AJUSTADOS . 71 FIGURA 43–GRÁFICO DO HISTÓRICO DO CONSUMO DE ENERGIA DA UNIMED ... 71
FIGURA 44–GRÁFICO DO CONSUMO DE ENERGIA X RENOVAÇÕES DE AR -UNIMED ... 73
FIGURA 45–GRÁFICO DO PERCENTUAL DE REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA -UNIMED ... 74
FIGURA 46–GRÁFICO DO PERCENTUAL DE HORAS EM CONFORTO A CADA HORA –UNIMED ... 74
FIGURA 47–GRÁFICO DO PERCENTUAL TOTAL DE HORAS EM CONFORTO ... 75
FIGURA 48–IMPLANTAÇÃO E MACROZONEAMENTO DO IBRALI ... 76
FIGURA 49-EDIFÍCIO SEDE IBRALI: PERSPECTIVAS VISTA DA FACHADA OESTE(A), DA FACHADA NORTE(B); VISTA DO MIRANTE (C); E VISTA DO ÁTRIO PARA EXPOSIÇÕES (D) ... 76
FIGURA 50–ESTRATÉGIAS BIOCLIMÁTICAS UTILIZADAS NO IBRALI ... 77
FIGURA 51–MODELO DO CENTRO BRASIL ALEMANHA DE PESQUISA E SUSTENTABILIDADE ... 78
FIGURA 52–SEGUNDA MODELAGEM IBRALI ... 78
FIGURA 53–GRÁFICO DE CARGAS TÉRMICAS PARA O IBRALI ... 79
FIGURA 54-PERCENTUAL DE HORAS EM CONFORTO -IBRALI ... 79
FIGURA 55-GRÁFICO DO PERCENTUAL DE HORAS EM CONFORTO A CADA HORA -IBRALI ... 80
FIGURA 56-GRÁFICO DO PERCENTUAL DE HORAS EM CONFORTO POR MÊS -IBRALI ... 80
FIGURA 57–COMPLEXO CULTURAL FUNCART: IMPLANTAÇÃO (A) E VOLUMETRIA (B), EDIFÍCIO ANALISADO EM DESTAQUE 82 FIGURA 58–MODELO DA FUNCART COM 100% DE PAFT E 0% DE SOMBREAMENTO ... 83
FIGURA 59–GRÁFICO DE CARGA TÉRMICA DA FUNCART NO CASO DE 100%PAFT E 0% DE SOMBREAMENTO. ... 83
FIGURA 60–GRÁFICO DE COMPARAÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA PARA CADA CASO ... 84
FIGURA 61–GRÁFICO DA REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA, COM ÊNFASE NO PAFT... 84
FIGURA 62–GRÁFICO DO PERCENTUAL DE REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA, COM ÊNFASE NO SOMBREAMENTO ... 85
FIGURA 63–GRÁFICO DE CONTRIBUIÇÃO NA CARGA TÉRMICA POSITIVA PARA OS CASOS SIMULADOS ... 86
FIGURA 64–GRÁFICO DO PERCENTUAL DE HORAS DE CONFORTO -FUNCART ... 86
FIGURA 68–DADOS DA EDIFICAÇÃO: MODELO 3D PROGRAMA SKETCHUP (A,B) E VISTA DE TOPO DA EDIFICAÇÃO COM A
ORIENTAÇÃO E EXPOSIÇÃO SOLAR DE CADA FACHADA(C) ... 90
FIGURA 69–MODELO SIMULADO -IPASE ... 91
FIGURA 70–GRÁFICO DOS GANHOS TÉRMICOS E TEMPERATURAS RADIANTE, DO AR, OPERATIVA E DE BULBO SECO. ... 91
FIGURA 71–GRÁFICO DA CARGA TÉRMICA DO IPASE, APÓS AJUSTE DA ROTINA DO CONDICIONAMENTO DE AR. ... 92
FIGURA 72–GRÁFICO DE CONTRIBUIÇÃO NA CARGA TÉRMICA POSITIVA PARA OS 6 CASOS SIMULADOS. ... 92
FIGURA 73–GRÁFICO DO PERCENTUAL DE HORAS EM CONFORTO A CADA HORA –IPASE, PRIMEIRA ANÁLISE. ... 92
FIGURA 74–GRÁFICO DO PERCENTUAL DE HORAS EM CONFORTO A CADA HORA –IPASE, COM AJUSTE DA ILUMINAÇÃO. ... 94
FIGURA 75–GRÁFICO DO PERCENTUAL DE HORAS EM CONFORTO A CADA HORA –IPASE, COM AJUSTE DE ROTINA E SOMBREAMENTO. ... 94
FIGURA 76–GRÁFICO DO BALANÇO TÉRMICO PARA AO LONGO DE UM DIA -IPASE ... 95
FIGURA 77–GRÁFICO DO PERCENTUAL DE HORAS EM CONFORTO A CADA HORA –IPASE, SEM ILUMINAÇÃO. ... 95
FIGURA 78–GRÁFICO DOS GANHOS SOLARES ABSORVIDOS -IPASE ... 96
FIGURA 79–GRÁFICO DO CONSUMO ENERGIA IPASE ... 97
FIGURA 80–GRÁFICO DO PERCENTUAL DE REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA -IPASE ... 97
FIGURA 81–GRÁFICO DO PERCENTUAL DE HORAS EM CONFORTO -IPASE... 98
FIGURA 82–GRÁFICO DO PERCENTUAL DE HORAS EM CONFORTO A CADA HORA -IPASE ... 98
FIGURA 83–AABB: FOTOGRAFIA (A) E PLANTAS BAIXAS DO 1º PAVIMENTO (B) E 2º PAVMENTO (C) ... 99
FIGURA 84-GRÁFICO DE CARGA TÉRMICA DA ÁREA DE FESTAS DA AABB ... 100
FIGURA 85-GRÁFICO DO BALANÇO TÉRMICO HORÁRIO DA AABB ... 101
FIGURA 86–GRÁFICO DO CONSUMO DE ENERGIA DA AABB POR COMBINAÇÃO DE VARIÁVEIS SIMULADAS ... 102
FIGURA 87–GRÁFICO DO PERCENTUAL DE REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA POR CASO SIMULADO ... 102
FIGURA 88–GRÁFICO DO PERCENTUAL DE HORAS EM CONFORTO COM VENTILAÇÃO NOTURNA ... 103
FIGURA 89-GRÁFICO DO PERCENTUAL DE HORAS EM CONFORTO COM JANELAS ABERTAS DURANTE O DIA E A NOITE ... 103
FIGURA 90–QUADRO DE SISTEMATIZAÇÃO DA INTERAÇÃO DO PROJETISTA COM O CONSULTOR NAS FASES DE PROJETO POR CASO ... 105
FIGURA 91–QUADRO SÍNTESE DO PROCESSO DE INTEGRAÇÃO NO CASO 1-FIERN ... 107
FIGURA 92–QUADRO SÍNTESE DO PROCESSO DE INTEGRAÇÃO NO CASO 2-UNIMED ... 107
FIGURA 93–QUADRO SÍNTESE DO PROCESSO DE INTEGRAÇÃO NO CASO 3–CENTRO DE PESQUISA BRASIL -ALEMANHA .. 108
FIGURA 94–QUADRO SÍNTESE DO PROCESSO DE INTEGRAÇÃO NO CASO 4-FUNCART ... 109
FIGURA 95–QUADRO SÍNTESE DO PROCESSO DE INTEGRAÇÃO NO CASO 5-IPASE ... 109
FIGURA 96–QUADRO SÍNTESE DO PROCESSO DE INTEGRAÇÃO NO CASO 6-AABB ... 110
FIGURA 97–GRÁFICO DE CARACTERÍSTICAS DEFINIDAS PELO PROJETISTA X SEU IMPACTO NO DESEMPENHO NO CASO 1 -FIERN ... 111
FIGURA 100–GRÁFICO DAS CARACTERÍSTICAS DEFINIDAS PELO PROJETISTA X SEU IMPACTO NO DESEMPENHO NO CASO 4
-FUNCART ... 113
FIGURA 101–GRÁFICO DAS CARACTERÍSTICAS DEFINIDAS PELO PROJETISTA X SEU IMPACTO NO DESEMPENHO NO CASO 5
-IPASE ... 113
FIGURA 102–GRÁFICO DAS CARACTERÍSTICAS DEFINIDAS PELO PROJETISTA X SEU IMPACTO NO DESEMPENHO NO CASO 6
-AABB ... 114
FIGURA 103–QUADRO RESUMO DE ESTRATÉGIAS UTILIZADAS EM CADA CASO ... 116
FIGURA 104-GRÁFICO DA INTERAÇÃO DO ARQUITETO E DO PROJETISTA DE RETROFIT COM A SIMULADORA. ... 118
FIGURA 105–ESQUEMA DE MODIFICAÇÃO DO CAMPO DE SOLUÇÃO PROJETUAL, ATUAL E DEPOIS DE REDEFINIDAS AS NORMAS
1.1 Objetivos ... 14
1.2 Justificativas ... 15
2 Revisão Bibliográfica ... 16
2.1 Simulação de desempenho energético ... 16
2.2 A simulação na análise de variáveis ... 17
2.2.1 Programas ... 20
2.2.2 Climas e estratégias ... 23
2.3 Integração de simulações no processo projetual... 24
2.3.1 Mapeamento do processo projetual ... 25
2.3.2 Confiabilidade e potenciais ... 33
2.3.3 Obstáculos e soluções ... 34
2.4 Considerações pessoais ... 38
3 Método ... 41
3.1 Seleção de casos ... 42
3.2 Aplicação ... 45
3.2.1 Pré-análise ... 48
3.2.2 Modelagem ... 52
3.2.3 Análises pós-simulação ... 53
3.2.4 Retorno ao projetista ... 58
3.3 Análise do processo de integração ... 58
3.3.1 Processo de integração nas fases de projeto ... 58
3.3.2 Síntese do processo de integração ... 59
4 Resultados ... 61
4.1 Caso 1 – Instituto SENAI de Tecnologia em Petróleo e Gás (IST) ... 61
4.2 Caso 2 – Retrofit do Edifício Sede da Unimed Natal ... 63
4.3 Caso 3 - Edifício do Instituto Brasil-Alemanha de Inovação (IBRALI) ... 75
4.4 Caso 4 – Complexo Cultural FUNCART ... 81
4.5 Caso 5 – Instituto de Aposentadoria e Pensão dos Servidores do Estado – IPASE 89 4.5.1 Modelagem do edifício ... 90
4.5.2 Quantificação da redução do consumo de energia ... 96
4.6 Caso 6 – Associação Atlética Banco do Brasil – AABB ... 98
4.7 Interação entre análise de desempenho e o processo de projeto ... 104
4.7.1 Simulação nas fases de projeto ... 104
4.7.2 Síntese do processo de integração ... 106
4.7.3 Análise das características definidas pelos projetistas e seu impacto no desempenho da edificação ... 111
4.8 Comparação entre os casos ... 115
4.8.1 Variáveis propostas ... 115
4.8.2 Interação entre os projetistas e simuladora ... 116
5 Considerações finais ... 119
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 124
APÊNDICE A ... 128
ANEXO 1 ... 129
ANEXO 2 ... 130
1
Introdução
O projeto de arquitetura vem incorporando cada vez mais estratégias de redução do impacto ambiental em seu escopo. Dentre as várias possibilidades, destaca-se a integração de medidas de eficiência energética desde as primeiras fases projetuais. Os recursos mais
recorrentes são o conhecimento empírico do projetista, o emprego de recomendações e princípios, uso de precedentes arquitetônicos e, cada vez mais, a integração com sofisticadas ferramentas computacionais.
As ferramentas de simulação do comportamento da edificação proporcionam a
quantificação do desempenho, sobretudo para o atendimento de metas estabelecidas em normas, selos e etiquetas. Frequentemente são empregadas no final do processo, quando as características do projeto estão bem definidas. Entretanto, essas mesmas ferramentas podem contribuir para o processo desde as primeiras fases, quando as decisões mais influentes no desempenho da edificação são tomadas em meio a processo projetual multidisciplinar, muitas
vezes subjetivo, cujas características variam de acordo com a especificidade do projeto. Corrobora, ainda o fato de que a arquitetura possui interface com muitas outras disciplinas (engenharias, sociologia, ecologia, biologia etc) e que o arquiteto possui formação generalista e, portanto, não conhece a fundo questões mais específicas como é o caso do conforto
ambiental e da eficiência energética. Apesar das dificuldades intrínsecas ao processo projetual não linear e para o qual não há uma única maneira de chegar ao resultado, o potencial de uso dessas ferramentas é enorme devido à sua flexibilidade.
Embora os programas de simulação existam há décadas, ainda são pouco difundidos nos escritórios de arquitetura e frequentemente usados por consultores. Por isso, o processo
de integração da simulação desde as primeiras fases projetuais é pouco conhecido e as discussões frequentemente se atém às limitações e aos potenciais. São muitas as possiblidades de interação entre o projetista, a ferramenta e o consultor, decorrentes das metas, do conhecimento e das restrições projetuais, dentre outros. Além disso, as características do
processo projetual e do uso simulações apresentam diferenças que precisam ser entendidas. Simulações termoenergéticas consistem na predição do desempenho termoenergético de um edifício por meio do uso de algoritmos que reduzem fenômenos físicos a um modelo idealizado, tornando possível, assim, reproduzir o seu comportamento (AUGENBROE, 2003; WILDE, 2004; HENSEN ,LAMBERTS, 2011). São modelados os processos psicrométricos, de
resultados são analisados por meio de parâmetros como: fluxo de calor, temperaturas, e consumo de energia (WILDE, 2004).
Os primeiros programas de simulação de comportamento térmico de edificações foram criados na década de 60 para auxiliar o projeto de sistemas de climatização artificial. Os programas evoluíram para auxiliar a conservação de energia a partir da crise do petróleo em 1972, e para reduzir o impacto ambiental, incentivados pelos protocolos de redução de emissão de CO2 na atmosfera, nas últimas décadas (KUSUDA, 2001). Gradativamente,
programas que surgiram para engenheiros foram se voltando para arquitetos (WILDE, 2004). Reconhecidamente, as ferramentas de simulação frequentemente são complexas e estranhas à pratica projetual (MORBITZER et al., 2001; WILDE, 2004).
No Brasil, os programas de simulação são comumente usados no meio acadêmico
desde a década de 80 e com poucas experiências no mercado de engenharia (MENDES,LAMBERTS ,NETO, 2001). Com o programa brasileiro de etiquetagem do nível de eficiência energética de edificações – PBE Edifica –, as simulações passaram a ganhar destaque como ferramentas de classificação da eficiência energética do edifício, sejam do projeto ou do edifício construído. Dentre os métodos indicados para se obter a classificação, o método
prescritivo está sendo revisto, visando aperfeiçoamento, e o método de simulação, que possui maior potencial de fidelidade, ainda é pouco utilizado devido sua complexidade. De acordo com Rodrigues et al. (2012), além de ser necessário o conhecimento sobre como aplicar o método, é necessário ainda o domínio do software.
Apesar dos obstáculos, a integração de ferramentas ao processo projetual é cada vez
mais frequente em projetos complexos nos grandes centros, com equipes de consultores. Como as primeiras decisões arquitetônicas são as mais influentes, há uma motivação por explorar o potencial do uso das simulações desde as primeiras fases projetuais. No entanto, para que a simulação seja incorporada no processo projetual, a resposta ao projetista deve ser
rápida e requer que os modelos simulados sejam simplificados com muitas características estimadas, porque a maioria das decisões arquitetônicas ainda não foram tomadas. Dessa forma, essa dissertação pretende atingir os objetivos descritos a seguir.
1.1
Objetivos
Os objetivos específicos são:
1) Sistematizar a integração do processo projetual com a simulação termoenergética
desde as primeiras fases projetuais;
2) Identificar as contribuições das análises termoenergéticas em cada fase do processo projetual;
3) Identificar os parâmetros que possuem maior impacto no desempenho do edifício;
1.2
Justificativas
Há vários motivos para empregar a simulação do desempenho energético de edificações durante as primeiras fases de projeto. Para que isso aconteça, são necessários procedimentos de modelagem e análise de dados que contornem os principais obstáculos encontrados na prática.
Os motivos para uso vão desde respaldar as decisões projetuais em critérios de desempenho termoenergético e quantificar sua escolha, até a predizer o consumo de energia de uma edificação nas fases de projeto e o aumento da consciência sobre a questão ambiental energética no momento das tomadas de decisões (MORBITZER et al., 2001)
Os obstáculos são a falta de ferramentas computacionais apropriadas para arquitetos,
ou modelos apropriados; falta de confiança nos resultados e falta de utilidade e clareza desses no contexto do projeto; 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 (WILDE, 2004).
Vale ressaltar que as primeiras decisões de projeto frequentemente são as mais
influentes no desempenho energético da edificação. Lima (2007) afirma que a simples troca de equipamentos pode gerar uma economia de aproximadamente 39% no consumo de energia, já a incorporação de boas práticas projetuais do ponto de vista da adequação ao clima local, pode gerar até 60% de economia do consumo de energia.
Espera-se que a necessidade de quantificar o desempenho da edificação desde as primeiras fases projetuais seja ampliada com a compulsoriedade da Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE) (BRASIL, 2010). A etiquetagem passou a ser obrigatória para edifícios públicos em 2014 e, nos próximos anos, devem entrar nesse grupo as edificações
2
Revisão Bibliográfica
A simulação tem sido empregada na predição do desempenho energético de edificações há décadas e por isso o primeiro capítulo apresenta um breve histórico desde sua criação, sua natureza e suas características. No segundo capítulo são apresentadas as
principais motivações para o uso de programas de simulação, no contexto nacional da etiquetagem do nível de eficiência energética de edificações e da NBR 15.575 (ABNT, 2013), dentre outras. O terceiro capítulo apresenta discussões quanto ao uso da simulação integrada no processo projetual, no sentido de contribuir para que as edificações tenham seu
desempenho energético desde as primeiras fases projetuais. No quarto capítulo, são apresentadas considerações pessoais no sentido de articular os três capítulos anteriores.
2.1
Simulação de desempenho energético
Os estudos sobre simulação de edifícios se iniciaram na década de 1960, quando os
pesquisadores da área buscavam o desenvolvimento dessa prática com foco na transferência de energia (WILDE, 2004). Na década de 1970 (CLARKE, 2001, APUD WILDE, 2004) surgem as ferramentas classificadas como de primeira geração, as quais eram fáceis de operar, mas muito simplificadas e imprecisas. A geração seguinte, ainda na década de 1970, demostrou-se mais detalhada e, no entanto, de difícil operação. Apenas na década de 1990, já a quarta
geração há uma melhora significativa na operação (CLARKE, 2001, APUD WILDE, 2004), no entanto, ainda não apresentavam recursos que facilitassem o uso por arquitetos (VENÂNCIO, 2012).
Simulação é uma das três principais formas de avaliar o desempenho do edifício ou de
partes dele: o monitoramento, realizado por meio da observação direta do comportamento dos edifícios em operação; a experimental, com medições do desempenho de parte do edifício e maior controle das condicionantes; e a avaliação computacional, que reproduz o comportamento do edifício usando equações matemáticas em computadores. A avaliação computacional permite comparar edifícios diferentes ou variar aspectos do edifício
exatamente sob as mesmas condições, além de predizer o comportamento de edifícios ainda não construídos (WILDE, 2004).
resultados numéricos, os quais também podem ser apresentados em forma de gráficos
(BLAND, 1992; BOSGRA, 1996, Apud WILDE, 2004).
Os três tipos mais comuns de simulação do consumo de energia do edifício são o modelo estático, o modelo dinâmico simples e o modelo dinâmico. O primeiro ignora os
aspectos dinâmicos da transferência de calor e é mais indicado para simulações nas quais o tempo tem pouca influência sobre o resultado. O modelo dinâmico simples considera apenas parte da dinâmica da transferência de calor, fazendo-o por meio de fatores, ou médias da temperatura externa, por exemplo. Ele pode ser modelado com base em medições ou nos
resultados de modelos mais complexos. Já o modelo dinâmico mimetiza os aspectos dinâmicos de transferência de calor em sua totalidade (WILDE, 2004).
2.2
A simulação na análise de variáveis
A simulação possibilita a análise das variáveis de projeto mais influentes no
desempenho energético. O consumo de energia elétrica por uso final em edificações varia conforme as características arquitetônicas, os sistemas prediais de iluminação e de condicionamento de ar, e a forma de uso desses sistemas.
Como a maior fração do consumo de energia é frequemente atribuída às instalações prediais de iluminação e de condicionamento de ar, as variáveis arquitetônicas associadas às
cargas térmicas removidas pelo condicionador de ar e às variáveis associadas à iluminação natural passam a ter mais impacto do que as eficiências dos próprios sistemas. Simulações do desempenho energético de ambientes de escritórios, baseado em aproximadamente 40.000 combinações, para o clima de Brisbane/Austrália (similar ao de Florianópolis/SC), indicam que as características arquitetônicas podem influenciar o consumo de energia em até 72%,
enquanto que as características de condicionamento de ar e de iluminação artificial eficientes economizam até 48% (PEDRINI, 2003). Simulações do comportamento de hotéis para o clima quente e úmido de Natal/RN identificou reduções de até 65% no consumo de energia atribuídas às combinações de variáveis arquitetônicas e de apenas 28% para um
condicionamento de ar mais eficiente (LIMA, 2007). Além do impacto individual, Lima (2007) analisou também o impacto isolado de cada variável arquitetônica, a combinação de duas ou mais variáveis arquitetônicas, e foi verificado que quanto maior o número de variáveis combinadas, menor o impacto no consumo de energia da edificação. Destaca-se que a variável mais influente apresente uma grande influência. A segunda variável apresenta uma influência
indiscriminadamente, principalmente quando o custo delas apresenta grande influência na escolha do cliente ou projetista, mas deve ser realizado um estudo das possibilidades.
Na prática, o uso de simulação tem se limitado a projetos pouco convencionais, a exemplo dos que utilizam estratégias de ventilação natural. A simulação é vista como essencial no desenvolvimento desses projetos, avaliando e apontando as melhores soluções (MCELROY
et al.
, 2001). No entanto, a simulação não deve ser usada apenas como forma de confirmar a
performance da edificação concluída, mas sim, integrada no processo projetual (AUGENBROE,1992; HOLM,1993; MAHDAVI, 1993, Apud MORBITZER et al., 2001).
Venâncio (2012) lembra que à medida que se acumula conhecimento por meio de
experiências anteriores, os questionamentos sobre uma determinada estratégia diminuem, o que pode reduzir a necessidade de utilização da simulação. No processo inverso, um clima desconhecido, por exemplo, a simulação pode auxiliar na compreensão do comportamento do edifício.
Atualmente, com a simulação prevista como método de avaliação para certificações
ambientais e normas brasileiras, Rodrigues et al. (2012) atenta para a possibilidade de atuação de consultores, orientando projetistas sobre estratégias que podem ser utilizada para atingir melhores resultados e, consequentemente, atender às metas por essas normas, ainda durante o desenvolvimento do projeto.
Uma dessas normas é a etiquetagem para a classe de eficiência energética de
edificações (PBE-Edifica) é obrigatória para edifícios públicos desde agosto de 2014 e ainda é voluntária para edifícios comerciais, de serviço e residenciais. Ela está dentro das medidas previstas na Lei n 10.295 de 17 de outubro de 2001, que "dispõe sobre a Política Nacional de Conservação e Uso Racional de Energia dá outras providências".
A partir dessa legislação foi possível criar todo o aparato técnico e legal necessário para que o Brasil desenvolvesse uma certificação para suas edificações. Como resultado, o Procel Edifica, em convênio com o INMETRO e rede de pesquisadores, em 2009 lançou o Regulamento Técnico da Qualidade da Eficiência Energética em Edificações Comerciais, de
Serviço e Públicas e, em 2010 os Requisitos Técnicos da Qualidade da Eficiência Energética em Edificações Residenciais.
O processo de obtenção consiste inicialmente no diagnóstico do projeto ou do edifício e elaboração da documentação necessária para dar entrada na solicitação, comumente realizado por um consultor. A análise pode ser realizada por meio de dois métodos: o
passo consiste na verificação da documentação e dos cálculos realizados no diagnóstico por um Organismo de Inspeção Acreditado (OIA). Caso o OIA identifique que não existem não
conformidades , a Etiqueta Nacional de Conservação de Energia - ENCE - (INMETRO,2009) é então emitida. A ENCE integra o Programa Brasileiro de Etiquetagem - PBE – e para o caso de edifícios é denominada Etiqueta PBE Edifica.
As previsões de obrigatoriedade para os tipos ainda voluntários são frequentemente revisadas. A extensão desses prazos decorre de ajustes do método e do processo de
etiquetagem, e da capacidade de atendimento por parte de profissionais e órgãos acreditados. As deficiências variam desde inconsistências do método de cálculo do método prescritivo para o nível de eficiência da edificação, até o excesso de burocracia que envolve a documentação exigida para solicitação e emissão da ENCE. Vê-se ainda o distanciamento de todo o processo
de etiquetagem do mercado da construção civil, fator dificultador da obrigatoriedade do processo (RODRIGUES et al., 2012). Para mitigar a primeira questão, o CB3E – Centro Brasileiro de Eficiência Energética em Edificações – está desenvolvendo um projeto de pesquisa para seu aprimoramento. A simplificação do processo também está sendo reavaliada e as perspectivas são promissoras.
Outra norma que avalia e regulamenta o setor da construção civil, garantindo um nível mínimo de desempenho termoenergético de edificações no Brasil é a NBR 15.575 (ABNT, 2013). Esta norma foi publicada inicialmente em maio de 2012 e revisada em fevereiro de 2013. Ela tem como foco edificações residenciais e estabelece os requisitos mínimos de desempenho, vida útil e de garantia para os sistemas que compõem essas edificações
(SORGATO,MELO ,LAMBERTS, 2013). A norma foi organizada de forma a contemplar os itens de sustentabilidade, segurança e habitabilidade. Nesse último, encontram-se, dentre outros temas, o desempenho térmico, acústico e luminoso.
Para avaliação da parte térmica, a norma determina três tipos de método:
simplificado, simulação e medição. O método simplificado emprega critérios mínimos que devem ser atendidos, como de fachadas e coberturas. O método de simulação é utilizado quando a edificação não atende aos requisitos e aos critérios estabelecidos para no método simplificado. No entanto, há várias críticas a esse método, as principais são: que a norma não apresenta o método para definição dos dias típicos de inverno e verão, e que a avaliação
2.2.1 Programas
O EnergyPlus é uma programa de simulação termoenergética baseado nos principais recursos e capacidades do DOE-2 e do BLAST, os dois programas de simulação mais populares
até a década de 1990 (CRAWLEY et al., 2001). O novo programa agregou melhorias na simulação de balanço térmico, maior precisão na predição de temperaturas do ar e radiante média e na simulação de ambientes não-condicionados. No entanto, não foi melhorada a interface, o que exige maior conhecimento para uso do software; a inserção de dados e a obtenção dos resultados é simplificada ao dado separado por vírgulas. Dessa forma, tem-se
uma sintaxe ási a: o jeto, dado, dado, ..., dado (CRAWLEY et al., 2001, p. 56).
Para suprir essa dificuldade, o programa DesignBuilder foi desenvolvido. Ele é uma interface amigável que usa para simulação os algoritmos confiáveis do EnergyPlus. Com ele, é possível superar a sintaxe básica e modelar tridimensionalmente a edificação e inserir os dados relativos a sistemas construtivos, instalação predial e rotinas de uso e ocupação (Figura
1).
Figura 1 – Tela do DesignBuilder
A inserção de dados no DesignBuilder obedece ao conceito de hierarquia, o qual consiste na organização de dados em níveis e subníveis. Tem-se o terreno, no qual a edificação
hierarquia também pode ser utilizado para visualizar os resultados da simulação, com exceção do consumo de energia, que é exibido apenas no nível do edifício.
Figura 2 – Hierarquia dos elementos do DesignBuilder
Fonte: Adaptado de VENÂNCIO (2008, p.10)
Em geral, os softwares de simulação termoenergética solicitam dados de entrada
semelhantes, inclusive para atender às exigências do BestTest, condição de validação da ferramenta. Para caracterizar a envoltória do edifício, deve ser inserido dados relativos a geometria, orientação, zonas térmicas, áreas envidraçadas, configuração das aberturas (tipo de vidro, forma de abertura e percentual de área envidraçada aberta para ventilação natural e suas rotinas de uso), proteção solar e materiais da cobertura e das paredes (DESIGNBUILDER
SOFTWARE LTD, 2014). Também são necessários: arquivo climático horário, a atividade desenvolvida, a ocupação média, a rotina de ocupação (horas), a densidade de carga interna de equipamento (W/m²) e de iluminação (W/m²) com suas respectivas rotinas de uso (horas) e os dados do sistema de condicionamento de ar, ou seja, tipo, capacidade (BTU/h), eficiência (W/W), rotina de uso (horas), taxa de infiltração (ac/h) e set point de resfriamento (°C)
(DESIGNBUILDER SOFTWARE LTD, 2014). Além dos sistemas de condicionamento artificiais (resfriamento e aquecimento) o programa calcula as renovações de ar por meio das dimensões das aberturas e a diferença de pressão do ar entre elas (VENÂNCIO, 2007).
Os resultados do programa são apresentados em grupos:
Do lugar: apresenta informações relativas ao terreno, portanto, dados constantes no arquivo climático (temperatura de bulbo úmido, temperatura de bulbo seco, radiação direta normal, radiação difusa horizontal, pressão
atmosférica, etc);
Conforto: informações relativas ao conforto do usuário na edificação (temperatura do ar interno, temperatura radiante, temperatura operativa, temperatura de bulbo seco do ar externo à edificação e umidade relativa do ar);
Ganhos internos: é relativo ao balanço térmico do interior da edificação e aponta seus ganhos térmicos (carga térmica de iluminação artificial, carga térmica de equipamentos e computadores, carga térmica de ocupação e ganhos solares do interior da edificação);
Envoltória: aponta o balanço térmico da carga que chega através da edificação (vidros por condução, paredes, fôrro, piso, divisórias, cobertura e ar externo) e
as renovações de ar na edificação (ventilação natural e infiltração);
Uso de energia por uso final de combustível: aponta o consumo por uso final na edificação (iluminação, ar condicionado, e equipamentos);
Uso de energia total: o total do consumo de energia por tipo de combustível (energia elétrica, gás, combustível fóssil etc);
Produção de CO2: indica a produção de CO2 resultante do funcionamento da
edificação.
Ainda é possível combinar as informações dessas categorias e gravar um dado de saída customizado. Todas essas informações podem ser exibidas em intervalos: anuais, mensais, diários, horários e sub-horários e podem seguir a visualização de preferência do usuário: saída
gráfica, tabela ou grid. Essa última possibilita que os dados sejam utilizados em outros programas, a exemplo do Excel. Dessa forma, vários trabalhos fazem uso de planilhas específicas para trabalhar as informações desejadas, como foi o caso de Negreiros (2010).
Outro recurso do DesignBuilder 3.0.0.015 é a simulação paramétrica. Ela permite múltiplas simulações, automaticamente, de até duas variáveis criando curvas de desempenho
durante a modelagem, já que as características específicas dos blocos, das zonas, superfícies ou aberturas serão desconsideradas.
Figura 3 – Gráfico de saída do DesignBuilder, simulação paramétrica
Fonte: DESIGNBUILDER SOFTWARE LTD (2014, s. p.)
2.2.2 Climas e estratégias
Devido à influência do clima no desempenho termoenergético da edificação, o entendimento das estratégias bioclimáticas e o comportamento da edificação são necessários na modelagem e na análise dos resultados. O clima da zona-bioclimática 8 é caracterizado por ser quente e úmido (ABNT, 2005), o qual apresenta pequena amplitude térmica diária e sazonal, temperatura do ar elevada e céu parcialmente nublado (BITTENCOURT ,CÂNDIDO,
2005). Nessas regiões as estratégias devem focar a baixa absorção e transmissão de calor para o interior da edificação, enquanto que o calor gerado no seu interior deve ser dissipado rapidamente. Dessa forma, as estratégias apropriadas para esse clima são: grandes aberturas para desumidificação, sombreamento das aberturas e superfícies e que as superfícies expostas sejam leves e refletoras (HOLANDA, 1976; LAMBERTS,DUTRA ,PEREIRA, 2004; ABNT, 2005;
reconhecidos pelas normas de etiquetagem brasileira. Dentre esses estudos, destaca-se aqui Oliveira (2006), Venâncio (2007), Lima (2007), que demonstram a influência do sombreamento
e da coberta; Negreiros (2010) e Cunha (2010) com a influência da ventilação natural e Simas (2009) com ênfase na absortância e transmitância da cobertura.
Já o clima quente e seco, zona bioclimática 7 (ABNT, 2005), caracteriza-se por temperaturas elevadas durante todo o ano, com alta amplitude térmica durante o dia e baixa umidade (LAMBERTS,DUTRA ,PEREIRA, 2004). Pode-se utilizar como estratégias nessas regiões:
sombreamento das aberturas e fachadas, pequenas aberturas, superfícies refletoras, massa térmica, resfriamento evaporativo e umidificação do ar (GONZALEZ, 2004; LAMBERTS,DUTRA ,PEREIRA, 2004; ABNT, 2005). Poucos trabalhos foram desenvolvidos com simulação termoenergética para esse clima, destaca-se Dias et al (2013) o qual trata de um projeto
arquitetônico que utilizou isolamento térmico na cobertura, massa térmica nas paredes, sombreamento e pequenas aberturas.
2.3
Integração de simulações no processo projetual
Um melhoramento do desempenho da edificação pode ser guiado pela análise da simulação. Decisões relacionadas ao programa, à forma e à envoltória, podem ser preditas
quando ainda em projeto apenas por meio da simulação. Nesse aspecto, a ferramenta pode ser a solução para a quantificação da influência das decisões. De tal modo, pode-se embasar uma decisão projetual nos critérios de performance (HENSEN ,LAMBERTS, 2011).
Coerente com essa visão, "Diferentes objetivos e escopos de projeto podem ser observados em diferentes etapas de projeto de um edifício" (MORBITZER et al., 2001, p. 698),
logo, dentre as considerações dos projetistas, devem ser observados em cada fase, as decisões de maior impacto no consumo de energia e no ambiente, de forma que sejam incluídos nos estudos de simulação. "Informações detalhadas podem ser confusas para usuários ocasionais, mas vitais para o usuário especialista." (MORBITZER et al., 2001, p.704). Os arquitetos, por
exemplo, podem utilizar as ferramentas de simulação energética ao identificarem as variáveis mais influentes no desempenho do edifício, seguindo com análises simplificadas para facilitar o entendimento (PEDRINI, 2003).
Para que essas simplificações sejam atendidas, é necessário adequar as estratégias a
elaboração de modelos com mínimos e máximos para automatizar as parametrizações; e de listas com as estratégias pertinentes para a redução do consumo de energia, de modo a
orientar a parametrização.
MORBITZER et al. (2001) utilizou um mesmo mecanismo de simulação durante todo o processo de projeto, adaptando a cada fase de concepção, a interface, as funcionalidades do programa, os padrões e análises de resultados. Eles também defendem que a simplificação do uso da interface pode gerar, a partir das informações das primeiras fases de projeto, rápidos
retornos ao projetista sobre os impactos energéticos e ambientais do edifício. Assim, apontam a necessidade de customizar os resultados para melhor atender a cada estágio do projeto.
A integração do processo de projeto com as análises provenientes do uso de ferramentas de simulação do desempenho do edifício foi iniciada nas subareas da engenharia.
Em sequência, alguns modelos foram desenvolvidos para abranger também a arquitetura, no entanto, os modelos de engenharia, em geral, possuem um processo mais linear, com uma sequência de estágio, requerimentos e um problema bem definido. Enquanto os modelos de arquitetura tendem a apresentar um processo de modelagem cíclico, descritivo e resultado de muitos processos cíclicos, geralmente é baseado em requisitos implícitos ou ainda em
processo de definição e relacionados a conhecimentos tácitos, sendo o problema, muitas vezes ainda em definição (WILDE, 2004).
A partir dos primeiros estudos de simulação integrada ao processo projetual, Wilde (2004) verificou que não existe um modelo universal para essa integração e que, frequentemente, varia de projeto para projeto. Assim, para entender a integração, é preciso
começar pelo mapeamento do processo projetual e depois identificar as oportunidades de melhoria no desempenho.
2.3.1 Mapeamento do processo projetual
Lawson (2011) ao analisar o mapeamento proposto pelo RIBA (Royal Institute of British Architects), ainda em 1965, considera que apesar de ignorar os fluxos existentes no decorrer
do processo, o RIBA classifica em fases as principais ações dos projetista: a assimilação, o estudo geral, o desenvolvimento e a comunicação. A primeira fase diz respeito à coleta e organização de dados gerais e específicos do problema; a segunda fase está relacionada à análise da natureza do problema e a identificação das primeiras soluções; a terceira tange o desenvolvimento propriamente dito e o refinamento de parte das soluções identificadas na
Apesar de aparentemente as 4 fases evoluírem sequencialmente, Lawson (2011, p. 43) desta a ue ... pa a o p ojetista e difí il sa e ue i fo ações e olhe a ª fase, antes de começar a investigação do problema a ª fase. E explica que o Manual de administração e práticas arquitetônicas do RIBA deixa claro que pode haver saltos imprevisíveis entre as quatro fases.
A continuação do manual apresenta um plano de trabalho composto por 12 estágios: A - primórdios, B – viabilidade, C – linhas gerais da proposta, D- projeto esquemático, E – projeto
detalhado, F – informações sobre a produção, G- quantidade de materiais, H – propostas de orçamento, J – planejamento do projeto, K – operações no local, L – término e M – reavaliação. Esses estágios podem ser agrupados de maneira simplificada com a terminologia: A-B – programa de necessidades, C-D – Esboços, E-H – Desenhos executivos, J-M – Operações
no local. Desse modo, percebe-se que esses estágios não apresentam a descrição do processo, mas, na realidade, de produtos que devem ser entregues ao cliente, como uma forma de melhorar o entendimento dos envolvidos no processo projetual (LAWSON, 2011).
Burberry (1983, Apud PEDRINI, 2003) utilizou os estágios do plano de trabalho do RIBA para relacioná-los com as medidas de conservação de energia que podem ser aplicadas em
Figura 4 – Representação do processo projetual mostrando os estágios em que as decisões que influenciam no desempenho térmico do edifício são tomadas
Fonte: Burberry (1983, Apud VENÂNCIO, 2012)
Nesse mesmo sentido, Szokolay (1984) identificou para cada fase do processo projetual, com objetivo de obter um edifício eficiente energeticamente, quais seriam as tarefas a serem realizadas e as informações disponíveis para as análises, além de sugerir as
Figura 5 – Eficiência energética no processo projetual
Fonte: SZOKOLAY (1984 Apud LIMA, 2012)
Embora a divisão em fases facilite a compreensão, um mesmo problema projetual pode influenciar escolhas diferentes em cada fase de projeto. Para um aquecimento indesejado, por exemplo, MORBITZER et al. (2001) sugere que no esboço deve-se identificar as causas do superaquecimento do projeto e avaliar a escala; já no anteprojeto, ele indica a
avaliação a questão detalhadamente e tentar reduzí-la introduzindo novos parâmetros à análise; por fim, no detalhamento do projeto, pode-se simular visando especificar as estratégias que atendem a essa demanda, como por exemplo, modelar o fluxo de ar na ventilação natural.
No processo de projeto, frequentemente as fases iniciais do processo são
se utilizam de oficinas para colher as primeiras ideias e esboçar o edifício. Em outros casos as alternativas propostas pelos arquitetos também são testadas e simuladas por engenheiros
ainda nas fases iniciais e apenas a melhor solução é desenvolvida (KANTERS,HORVAT ,MARIE-CLAUDE, 2012).
As relações entre o impacto das tomadas de decisões e a fase de projeto são qualitativamente conhecidas. Em resposta a questionário aplicado sobre 10 projetos de edifícios, os arquitetos apontaram que a fase na qual se seleciona medidas de economia de
energia é a fase de concepção, enquanto os consultores apontaram a fase de viabilização do projeto (Figura 6a). Quando questionados sobre a fase em que ferramentas computacionais foram utilizadas, os arquitetos responderam que foram iniciadas nas primeiras fases e demoravam algum tempo para serem concluídas. Para os consultores a pergunta foi dividida
em que fase se inicia o uso das ferramentas computacionais, para os quais houve maior incidência na fase de concepção, seguida pela fase de viabilidade; e em que fase termina o uso das ferramentas, para qual a maior incidência foi na construção, seguida pelo estudo preliminar (Figura 6b) (WILDE, 2001 Apud PEDRINI, 2003).
Figura 6 – Fases nas quais as ferramentas computacionais são usadas para avaliar o consumo de energia da edificação
(a) (b)
Fonte: WILDE, 2001 Apud PEDRINI (2003)
2.3.1.1 Pré-projeto
De acordo com o Manual do RIBA a primeira fase do processo de projeto é o
pré-projeto. Essa fase corresponde a coleta e organização das informações, é nela que está contido os estágios de primórdios e viabilidade. Peña e Parshall (2001) chamam atenção para a necessidade de identificar bem o problema a que o projeto se porpõe a resolver, antes de começar o esboço. Para eles, a definição da programação arquitetônica passa pelo estabelecimento de metas, coleta e análise de fatos, descobrimento e teste de conceitos,
a alisa as etas: O ue o lie te ue al a ça e po u ? ; os fatos: O ue se sa e? O ue se te ? ; o eitos: Co o o lie te ue al a ça essas etas? ; Ne essidades: Qua to de dinheiro e espaço está disponível? Que nível de qualidade? ; e o p o le a: Quais as condições significantes que afetam o projeto da edificação? Quais são as direções gerais que o p ojeto pode to a ? . Est utu a essa ue poderia servir, inclusive para guiar discussões entre o grupo de trabalho. Dessa forma, o processo de análise, ou seja, identificação do problema, culminaria na síntese: o desenho de projeto (PEÑA ,PARSHALL, 2001).
Na fase inicial de projeto o conceito é baseado no estudo de viabilidade, podendo incluir itens como: implicações do terreno, funcionalidade, circulação, relações entre espaços, densidade e construção, além de métodos de avaliação ambiental e orçamento (MORBITZER et al., 2001). Para Burberry (1983, Apud PEDRINI, 2003) nessa fase já se deve atentar para
questões de eficiência energética como: localização no terreno, orientação, o volume da edificação, tipo de combustível que abastecerá o edifício e instalações para condicionamento de ar.
Pedrini (2003) realizou levantamento com quatro grupos de arquitetos: alunos de pós-graduação, professores do departamento de arquitetura da Universidade de Queensland,
especialistas em projeto de edificações de baixo consumo e arquitetos reconhecidos, por meio de questionário. Foi recorrente em todas as categorias que os aspectos mais importantes para essa primeira fase estão relacionados à geometria do edifício: orientação, volume, leiaute interno e geometria da envoltória. Na segunda camada estão as propriedades dos componentes construtivos e, por último, os sistemas de condicionamento de ar e de
iluminação natural (Figura 7).
Figura 7 – Importância das decisões projetuais para a fase de pré-projeto
Fonte: PEDRINI (2003)
Szokolay (1984) sistematiza as atividades pertinentes ao pré-projeto nas tarefas:
Também são produtos pertinentes a essa fase: especificação do desempenho e de metas (Figura 5).
Além disso, "A simulação pode também apontar problemas com áreas, identificar parâmetros que causam o problema e avaliar a escala do problema" (MORBITZER et al., 2001, p. 698). Assim, o interesse do projetista está em indicadores de consumo de energia do edifício, sendo importante que ele consiga rapidamente compreender como as variáveis influenciam o desempenho energético e ambiental do edifício (MORBITZER et al., 2001).
2.3.1.2 Estudo preliminar (esboço)
O mapeamento do RIBA coloca que na fase de estudo preliminar, também chamada de esboço, estão contidos os estágios de linhas gerais da proposta e projeto esquemático. Burberry (1983, Apud PEDRINI, 2003) sugere que na fase de esboço continuem sendo investigados itens iniciados na etapa anterior, como: plano geral, orientação, volume e leiaute interno e sejam investigadas mais a fundo características que tinham tido pouco
aprofundamento como: aberturas, isolamento térmico, respostas térmicas e ventilação. Esses últimos itens, deveriam continuar ainda nas fases seguintes. Por fim, a forma é, para ele, uma característica trabalhada apenas nessa fase.
Para Szokolay (1984) as atividades pertinentes ao esboço são: gerar ideias e formular
e testar hipóteses de projeto, segundo um método selecionado, que terá por produto uma proposta de projeto, após o teste de alternativas e o refinamento da alternativa selecionada.
As principais decisões arquitetônicas definidas na fase de estudo preliminar compreendem volume, orientação, leiaute e geometria da edificação (Figura 8). Em segundo
plano estão as propriedades dos componentes e por fim, os sistemas de iluminação e condicionamento de ar (PEDRINI, 2003).
Figura 8 – Importância das decisões arquitetônicas para a fase de esboço
Fonte: PEDRINI (2003)
Na simulação é importante que o usuário possa "compreender rapidamente como a configuração do edifício, a área envidraçada, as funções propostas para os ambientes e os
2.3.1.3 Ante projeto
A partir do esboço aprovado, pode-se trabalhar no ante projeto. Nessa fase mais detalhada, pode-se chegar ao leiaute, planejamento espacial, tratamento de fachadas e
sistemas construtivos e ambientais (MORBITZER et al., 2001). De acordo com o Royal Institute of British Architects (1973), essa fase já pode ser considerada de detalhamento, já que compreende o desenvolvimento propriamente dito e o refinamento de parte das soluções identificadas na fase anterior. Parte da avaliação proposta por Szokolay (1984) como detalhamento é iniciada nessa etapa de projeto já que o início das decisões projetuais se dá
nessa fase e ela tange as decisões projetuais de detalhamento de aberturas, proteções, materiais de envoltória, espessuras e superfícies, que teria como produto desenhos e especificações.
A simulação, nesse caso, vai tratar do problema, principalmente de envoltória,
podendo-se verificar a redução dos ganhos térmicos, por exemplo. (MORBITZER et al., 2001) Após a aprovação do ante projeto, passa-se para a fase de detalhamento, na qual há o desenvolvimento e compatibilização do projeto com os complementares de estruturas e instalações, dentre outros (MORBITZER et al., 2001).
Além de continuar de forma mais profunda a análise de detalhamento proposta por
Sokolay (1984), ele sugere ainda a avaliação final que consiste na análise detalhada do desempenho térmico, para a qual, se faz necessário uso de programas sofisticados de simulação, os que gerarão relatórios detalhados.
Figura 9 – Importância das decisões projetuais na fase de detalhamento
Fonte: PEDRINI (2003)
Pedrini (2003) destaca a preocupação com as propriedades dos componentes nessa fase (Figura 9). Dessa forma, os espaços internos podem ser detalhados incluindo equipamentos e acabamentos. Assim, a simulação, nessa fase realizada por especialistas, pode elucidar questões relativas à engenharia, como o sistema de condicionamento de ar; a
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
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,
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
