UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA HENRIQUE LIDÓRIO MAHL
MARISA CARRIERO LOPES
ANÁLISE DO IMPACTO NO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA GERADO POR SISTEMA DE ISOLAMENTO TÉRMICO EM FACHADAS PELO EXTERIOR
Tubarão 2018
UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA HENRIQUE LIDÓRIO MAHL
MARISA CARRIERO LOPES
ANÁLISE DO IMPACTO NO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA GERADO POR SISTEMA DE ISOLAMENTO TÉRMICO EM FACHADAS PELO EXTERIOR
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia.
Profº. Rangel Pereira Dos Santos, Esp.
Tubarão 2018
Dedicamos este trabalho, principalmente, à sociedade. Aos profissionais que buscam práticas mais sustentáveis. Dedicamos aos amigos, aos amores, familiares e aos professores que compartilharam seu tempo, conhecimento e experiência.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente a Deus pelo dom da vida e da sabedoria. A toda nossa família, amores e amigos pelo carinho e amor dedicado, por acreditarem em nós, nos incentivar e nos ajudar nos momentos em que mais precisamos.
Ao professor Rangel Pereira dos Santos pelo apoio, paciência e disponibilidade para orientação deste trabalho.
A considerar que nenhum esforço e trabalho são executados sem a ajuda mútua de quem nos rodeia, dedicamos este trabalho a todos que de alguma forma permitiram esta realização. A todos que colaboraram direta ou indiretamente para a concretização deste sonho, desejamos os nossos sinceros agradecimentos.
“O êxito da vida não se mede pelo caminho que você conquistou, mas sim pelas dificuldades que superou pelo caminho. ” (Abraham Lincoln).
RESUMO
No Brasil, edificações residenciais consomem anualmente 25% da produção energética nacional. Parcela significativa deste consumo destina-se ao condicionamento ambiental. Uma das alternativas que podem reduzir este consumo, e aumentar o conforto térmico de quem faz uso da edificação, é a utilização de sistemas de isolamento térmico de fachadas pelo exterior, com foco no poliestireno expandido. Para mensurar o efeito gerado por este sistema, utilizou-se das ferramentas computacionais EnergyPlus™ e OpenStudio® que simulam as interações entre uma construção e o ambiente externo. A simulação contabiliza os resultados para um ano-base, de acordo com o clima escolhido, materiais construtivos e plano de necessidades. Foram simulados diferentes cenários, alternando diferentes espessuras de poliestireno em uma mesma edificação, com construções tanto em madeira como em alvenaria. Em contrapartida foi contabilizado o custo para a implantação do sistema de isolamento térmico. Os resultados comparam a economia anual gerada com os custos de implantação, e demonstram que, apesar do investimento inicial alto, o retorno em economia é significativo no longo prazo.
ABSTRACT
In Brazil, residential buildings consume annually 25% of the nation's energy production. A significant part of this consumption is due to air conditioning. One of the alternatives that can reduce this consumption, and increase the thermal comfort of those who make use of the buildings, is the use of exterior thermal insulation composite systems, with a focus on expanded polystyrene. To measure the effect created by this system, the computational tools EnergyPlus™ and OpenStudio® were used, which simulate the interactions between the building and the external environment. The simulation summarizes the results of energy expenditure for a year, according to the chosen climate, construction materials, and the plan of necessities. Different scenarios were simulated, alternating different thicknesses of expanded polystyrene in the same building, with constructions both in wood or in masonry. In contrast, the cost for the implementation of the thermal isolation system was calculated. The results compare the annual savings generated with the costs of the implementation, and they demonstrate that, in spite of the initial expensive investment, the long-term savings are significant.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Classificação bioclimática do município de Tubarão ... 21 Figura 2 – Exemplos de curvas de variação de temperaturas externa e interna ... 25 Figura 3 – Resistência térmica de uma parede dupla com isolamento térmico de lã de rocha 27 Figura 4 – Constituição do sistema ETICS ... 28 Figura 5 – Representação gráfica do projeto residencial no software OpenStudio® ... 33 Figura 6 – Configurações dos materiais utilizados no projeto no software OpenStudio® ... 36 Figura 7 – Transmitância térmica, capacidade térmica e atraso térmico para a parede utilizada ... 37
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Consumo por uso final em residências no Brasil ... 18
Gráfico 2 – Consumo por uso final em residências na Região Sul ... 18
Gráfico 3 – Curva de carga diária média na Região Sul ... 19
Gráfico 4 – Variação no consumo anual com implantação do EPS em alvenaria ... 37
Gráfico 5 – Variação no consumo anual com implantação do EPS em madeira ... 38
Gráfico 6 – Médias mensais das temperaturas máximas no cômodo sala de estar ... 38
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Consumo de energia elétrica por setor... 16
Tabela 2 – Consumo de energia no setor residencial e população ... 17
Tabela 3 – Condutividade térmica em materiais de construção ... 25
Tabela 4 – Resistência térmica superficial interna e externa... 26
Tabela 5 – Características genéricas do EPS no Brasil ... 29
Tabela 6 – Orçamento de material EPS na Empresa 1 ... 40
Tabela 7 – Orçamento de material EPS na Empresa 2 ... 40
Tabela 8 – Estimativa de tempo para instalação do sistema... 41
Tabela 9 – Custo total para implantação do sistema ETICS ... 42
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 13 1.1 O TEMA ... 13 1.2 JUSTIFICATIVA E PROBLEMA ... 13 1.3 OBJETIVOS ... 14 1.3.1 Objetivo Geral ... 14 1.3.2 Objetivos Específicos... 14
1.4 RELEVÂNCIA CIENTÍFICA E SOCIAL DA INVESTIGAÇÃO ... 15
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 15
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 16
2.1 O CONSUMO DA ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL ... 16
2.1.1 O Consumo de Energia Elétrica em Edificações Residenciais no Sul do Brasil .... 17
2.1.2 Normatização do Desempenho Térmico em Edificações ... 20
2.2 ZONAS BIOCLIMÁTICAS ... 20
2.2.1 Temperatura ... 22
2.2.2 Radiação ... 22
2.2.3 Ventilação ... 23
2.3 CONFORTO TÉRMICO EM EDIFICAÇÕES ... 24
2.3.1 Propriedades Térmicas relacionadas à Inércia Térmica ... 24
2.3.1.1 Condutividade térmica... 25 2.3.1.2 Resistência térmica ... 26 2.3.1.3 Transmitância térmica ... 27 2.4 SISTEMA ETICS ... 28 2.4.1 Isolamento Térmico... 29 3 METODOLOGIA DA PESQUISA ... 30 3.1 PESQUISANDO CIENTIFICAMENTE ... 30
3.2 CARACTERÍSTICAS DA PESQUISA REALIZADA ... 30
3.3 POPULAÇÃO E AMOSTRA ... 32
3.4 INSTRUMENTOS DE COLETA DE DADOS ... 32
3.5 DESCRIÇÃO DO PROCESSO ... 32
4.1 ANÁLISE DAS SIMULAÇÕES ... 35
4.1.1 Dados de Entrada ... 35
4.1.2 Resultados das simulações ... 37
4.2 CUSTO DE IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA ... 39
4.2.1 Custo do poliestireno expandido (EPS) ... 39
4.2.2 Custo da fibra de vidro ... 40
4.2.3 Custo da argamassa colante ... 40
4.2.4 Custo da mão de obra ... 41
4.2.5 Totalidade do custo da implantação do sistema ETICS ... 41
4.2.6 Tempo de retorno do investimento ... 42
5 CONCLUSÃO ... 44
REFERÊNCIAS ... 46
13
1 INTRODUÇÃO
A necessidade de aumentar o conforto e a qualidade de utilização das edificações, a fim de atender as expectativas crescentes, gera uma demanda por evolução e adaptação dos atuais métodos existentes. O desempenho térmico é uma destas qualidades que necessita de atenção dos projetistas não só para o atendimento das normas regulamentadoras, mas também para atender as necessidades do usuário final.
A popularização dos sistemas de condicionamento ambiental possibilitou o conforto dos usuários em edificações termicamente ineficientes, porém, esta ineficiência gera um dispêndio de energia relativamente maior, se comparado às construções em que o desempenho térmico foi observado e atendido pelos projetistas e construtores.
Para analisar a variação desta eficiência, o presente estudo fez uso das ferramentas computacionais EnergyPlus™ e OpenStudio®, desenvolvidas pelo National Renewable Energy Laboratory – Laboratório Nacional de Energias Renováveis (NREL) em conjunto com o United States Department of Energy – Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE).
1.1 O TEMA
O estudo se dará em torno do impacto da aplicação de isolamento térmico no consumo energético de uma edificação residencial unifamiliar. O tema será restringido ao uso do Poliestireno Expandido (EPS) como isolante térmico disposto em Sistema de Isolamento Térmico de Fachadas pelo Exterior – External Thermal Insulation Composite Systems (ETICS).
1.2 JUSTIFICATIVA E PROBLEMA
A questão da utilização de energia é uma preocupação constante na comunidade científica. Muitos estudiosos apontam que o ritmo frenético consumista atual da civilização causará danos irreparáveis aos ecossistemas. Em vários países desenvolvidos a eficiência energética já está integrada aos costumes, pois além de já haverem tomado consciência do problema, também investiram em pesquisas necessárias para efetiva mudança nos métodos construtivos.
O Brasil ainda está começando a seguir o exemplo destes países. Os métodos construtivos atuais buscam a forma mais econômica de construir para obter a máxima margem
14
de lucro, mas acabam deixando de lado possibilidades que trariam vantagens nos quesitos da sustentabilidade e economia na utilização.
Este estudo propõe analisar o sistema de isolamento térmico em fachadas pelo exterior, utilizando-se de simulações computacionais realizadas nos softwares OpenStudio® e EnergyPlus™, para mensurar a melhora na eficiência energética em edificações.
Pelo exposto, determinou-se como questão central de nossa investigação: Qual a
variação noconsumo de energia elétrica e a viabilidade econômica da implementação de um sistema de isolamento térmico em fachadas pelo exterior, em obra residencial, no município de Tubarão, no sul do estado de Santa Catarina, no ano de 2018? Em estudo de
caso de nível exploratório realizado para a elaboração do trabalho de conclusão do curso de Engenharia Civil.
1.3 OBJETIVOS
Neste item serão apresentados o Objetivo Geral e os Objetivos Específicos.
1.3.1 Objetivo Geral
Analisar a variação no consumo de energia elétrica e a viabilidade econômica para implementação de um sistema de isolamento térmico em fachadas pelo exterior com foco no uso de EPS, em obras residenciais.
1.3.2 Objetivos Específicos
a) Analisar o consumo energético em residências no Sul do Brasil; b) Avaliar o clima no município de Tubarão;
c) Determinar os elementos que compõe o sistema de isolamento térmico externo; d) Reconhecer os efeitos adquiridos com o investimento nesta aplicação;
15
1.4 RELEVÂNCIA CIENTÍFICA E SOCIAL DA INVESTIGAÇÃO
Quando buscamos determinar a sustentabilidade de uma edificação estamos, ao mesmo tempo procurando encontrar formas para a preservação do nosso planeta. Esse estudo requer uma análise significativa do cenário de entorno e, sobretudo uma preocupação com o meio ambiente. Os resultados quando divulgados e disseminados contribuirão efetivamente para com todos aqueles que se envolvem com a construção civil proporcionando habitações de caráter sustentável e que possibilitem conforto e segurança aos habitantes. Isso determina a relevância social desta investigação.
A universidade é o instituto caracterizado pela pluralidade de ideias e ações. Nesse sentido todas as atividades inovadoras, pesquisas de produtos e processos são sistematicamente discutidos em sala de aula, em simpósios, em congressos, etc, permitindo com que novas possibilidades surjam para a humanidade. Essa pesquisa pretende isso. As discussões entre professores e acadêmicos poderão gerar novas ideias e o resultado desse estudo tem essa premissa e consequentemente caracteriza-se assim pela importância para a ciência. A partir daí professores, engenheiros, empresas construtoras públicas e particulares poderão usufruir dos resultados da investigação realizada.
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO
Fazem parte deste trabalho, a presente Introdução que visa contextualizar e orientar sobre os temas pertinentes.
A Revisão Bibliográfica traz para a análise os conhecimentos sedimentados de estudos anteriores.
A Metodologia delimita a forma e o método de como os objetivos serão atingidos e como será feita a entrada e processamento de dados.
A Análise dos Resultados apresenta os dados resultantes e suas consequências A Conclusão faz o fechamento do estudo e posiciona os resultados diante das propostas e objetivos.
16
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo abordam-se os referenciais necessários para melhor entendimento do assunto, tais como situação atual do consumo de energia elétrica no Brasil, dados climáticos e propriedades térmicas dos materiais.
2.1 O CONSUMO DA ENERGIA ELÉTRICA NO BRASIL
Quando se pensa em economia de energia é fundamental compreender a atual situação energética do país. O Balanço Energético Nacional (BEN) é o relatório apresentado pelo Ministério de Minas e Energia que quantifica todos os dados nacionais referentes à produção e consumo de todas as fontes de energia no país.
O consumo energético no Brasil com base no ano 2016, segundo o BEN (2017), foi de 520,0TWh. Segundo o mesmo relatório, 25,6% (132,91TWh) desta energia foi destinada ao setor residencial. Cinco anos atrás, em 2011 o consumo nacional era de 480,1TWh e o setor residencial responsável por 23,3% (111,97TWh), conforme dados da tabela a seguir. O setor residencial apresentou aumento de aproximadamente 21TWh, ao passo que o consumo nacional foi elevado em aproximados 40TWh.
Tabela 1 – Consumo de energia elétrica por setor
Setores 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Setor Energético 4,2% 4,3% 4,3% 5,8% 5,0% 5,3% 5,8% 5,8% 6,1% 5,7% Residencial 22,1% 22,3% 23,6% 23,1% 23,3% 23,6% 24,2% 24,7% 25,0% 25,6% Comercial 14,2% 14,6% 15,5% 15,0% 15,4% 16,0% 16,4% 16,9% 17,4% 17,2% Público 8,2% 8,1% 8,3% 8,0% 7,9% 8,0% 8,0% 8,5% 8,3% 8,3% Agropecuário 4,3% 4,3% 4,2% 4,1% 4,5% 4,7% 4,6% 5,0% 5,1% 5,3% Transportes 0,4% 0,4% 0,4% 0,4% 0,4% 0,4% 0,4% 0,4% 0,4% 0,4% Industrial 46,7% 46,1% 43,8% 43,8% 43,5% 42,1% 40,7% 38,7% 37,7% 37,6%
Fonte: BEN (2017, p.34).Adaptado.
Estes dados revelam que edificações residenciais e comerciais estão com uma tendência de aumento no consumo, acima da média geral, tomando terreno do setor industrial que alcançou o pico do consumo em 2013 (em valores absolutos) e sofreu queda nos últimos
17
três anos.
Tabela 2 – Consumo de energia no setor residencial e população
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 Unidade Consumo de Eletricidade 90,9 95,6 100,6 107,2 112,0 117,6 124,9 132,3 131,0 132,9 TWh População Residente 190,5 192,5 194,5 196,4 198,3 200,1 201,9 203,6 205,3 206,9 Milhões de habitantes Razão Cons./Pop. 0,477 0,496 0,517 0,546 0,565 0,588 0,619 0,65 0,638 0,643 MWh/hab Fonte: BEN (2017, p.140). Adaptado.
A Tabela 2 apresenta o consumo anual de energia elétrica no setor residencial e faz um comparativo entre o consumo total e a quantidade de habitantes no país. Em 10 anos o consumo residencial aumentou em 46,25%, ao passo que a população cresceu apenas 8,61%.
Salienta-se que com o desenvolvimento social crescente, a diminuição dos preços dos aparelhos e com a construção de edificações não adequadas ao clima, a aquisição de aparelhos de ar condicionado será cada vez maior, problema que tende a ser agravado com o tempo. (LAMBERTS, DUTRA, PEREIRA, 2014, p. 18).
A Agenda Elétrica Sustentável 2020, estabelecida em 2006 pela organização não governamental World Wide Fund for Nature (WWF), admite que o consumo residencial é inerente à posse e uso de eletrodomésticos, condições climáticas, renda, oferecimento de linhas de crédito ao consumidor entre outras variáveis que afetam esse setor.
2.1.1 O Consumo de Energia Elétrica em Edificações Residenciais no Sul do Brasil
Com a intenção de melhor compreender as origens do consumo considerável de energia elétrica por parte das residências brasileiras, como visto anteriormente, o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL), apresentou em 2007 a Pesquisa de
Posse de Equipamentos e Hábitos de Uso, que foi realizada nos anos de 2004/2005, que
avaliou como são utilizados os recursos energéticos no país, além de verificar fatores como: condições socioeconômicas, qualidade do fornecimento, comportamento devido ao racionamento, satisfação do consumidor, iluminação pública etc.
18
pela PROCEL, referentes ao Brasil e a região Sul.
Gráfico 1 – Consumo por uso final em residências no Brasil
Fonte: ELETROBRAS/PROCEL (2007, p. 15).
Gráfico 2 – Consumo por uso final em residências na Região Sul
Fonte: ELETROBRAS/PROCEL (2007, p.17).
Ao se compararem os valores da Região Sul com o resto do Brasil pode-se perceber um dispêndio energético muito acima da média brasileira no item Condicionamento Ambiental na Região Sul. O item Condicionamento Ambiental refere-se a equipamentos que resfriam ou aquecem o ambiente. Observando estes resultados pode-se identificar que os itens Condicionamento Ambiental, Freezer, Geladeira e Chuveiro são os principais responsáveis pelo consumo de energia elétrica nas residências, compondo 71% do consumo nas residências na média brasileira, e 80% do consumo nas residências na Região Sul.
19
O gráfico 3 demonstra a utilização média de energia elétrica nas residências da região Sul ao longo do dia.
Gráfico 3 – Curva de carga diária média na Região Sul
Fonte: ELETROBRAS/PROCEL (2007, p.19).
Este gráfico mostra uma tendência de maior utilização de aparelhos de Condicionamento Ambiental das 20 horas até as 6 horas.
O consumo de energia de uma instalação de um sistema de ar condicionado pode ser reduzido através de isolamento térmico, por diminuir a potência da instalação e também exigir menos hora de funcionamento dos equipamentos. Esta alternativa aumenta os investimentos iniciais da construção, porém reduz o custo operacional da edificação para toda sua vida útil (MOTTIN, 2015, apud. MASCARÔ e MASCARÔ, 1992).
Segundo a Agenda Elétrica Sustentável 2020, equipamentos usados para refrigeração e condicionamento ambiental têm um potencial significativo de redução de consumo. “Sistemas de ventilação e ar condicionado deverão contribuir para o aumento da demanda de eletricidade no país, e devem ser tomadas iniciativas importantes nessa área com relação a padrões de eficiência nos equipamentos e também nas edificações, especialmente para o setor comercial e público”.
A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA na arquitetura pode ser entendida como um atributo inerente à edificação representante de seu potencial em possibilitar conforto térmico, visual e acústico aos usuários com baixo consumo de energia. Portanto, um edifício é mais eficiente energeticamente que outro quando proporciona as mesmas condições ambientais com menor consumo de energia. (LAMBERTS, DUTRA, PEREIRA, 2014, p. 5).
20
incluir análises sobre seu desempenho energético”, significando que para o projeto obter bom desempenho é importante as decisões tomadas no projeto estarem fundadas no conhecimento das variáveis e conceitos que resultarão na eficiência energética e no conforto ambiental da edificação.
2.1.2 Normatização do Desempenho Térmico em Edificações
Projetando o alcance do conforto térmico dos usuários de edificações ao longo de suas atividades diárias é irrecusável que os ambientes das resistências executem trocas de calor de maneira correta, conforme as propriedades do clima da região onde eles são construídos.
No contexto do desempenho térmico de edificações, duas normas brasileiras da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) são fundamentais: a NBR 15220/05 e a NBR 15575/13. A NBR 15220/05 “Desempenho térmico de Edificações” trata das definições de desempenho térmico e das variáveis envolvidas. Também apresenta métodos de cálculo e as divisões bioclimáticas brasileiras, sendo portanto prescritiva.
O procedimento normativo de avaliação simplificada da NBR 15575 somente é capaz de avaliar paredes externas quanto a níveis mínimos de desempenho térmico. Para que outros patamares de classificação (intermediário ou superior) sejam determinados, é necessária a utilização dos métodos propostos pelo “Procedimento 1 B – Simulação por software EnergyPlus™”. Por outro lado, contrariamente ao que se é especificado para elementos verticais, coberturas são passíveis de avaliação quanto aos níveis mínimo, intermediário ou superior pelo método simplificado sem que análises adicionais via software transcorram (ABNT, 2013).
Lima (2014, p. 16, apud CBIC, 2013, p. 135) esclarece o conceito de desempenho térmico como sendo o comportamento e as características dos materiais que compõe a edificação pela sua funcionalidade de proporcionar o conforto térmico. O autor destaca que o adequado desempenho térmico, além de garantir satisfação térmica habitacional, contribui com a economia de energia.
2.2 ZONAS BIOCLIMÁTICAS
O Brasil possui grande variedade de climas. Isto levou a ABNT a criar a NBR 15220-3 para dividir o território brasileiro em 8 zonas bioclimáticas, levando em conta as médias mensais das temperaturas máximas e mínimas e as médias mensais da umidade relativa
21
do ar. Essa classificação fornece sugestão construtiva para um melhor desempenho térmico das edificações, com o intuito de proporcionar um conforto térmico e melhoria da eficiência energética, sendo adequada às estratégias de projeto para o clima local.
A figura 1 a seguir apresenta a classificação bioclimática do município de estudo.
Figura 1 – Classificação bioclimática do município de Tubarão
Fonte: LabEEE, UFSCar (2004).
Andrade (1996) afirma que os dados climáticos são subdivididos entre quatro variações: Temperatura, Radiação, Ventilação e Umidade. Estes dados climáticos influenciam na performance da edificação, gerando alterações no ambiente interno, nos aspectos de temperatura do ar, temperatura radiante média, ventilação e umidade.
As variáveis climáticas são quantificadas em estações meteorológicas e descrevem as características gerais de uma região em termos de sol, nuvens, temperatura, ventos, umidade e precipitações. É fundamental o conhecimento destas variáveis para o projeto de edificações mais adequadas ao conforto do seu ocupante e mais eficientes em termos de consumo de energia. (LAMBERTS, DUTRA, PEREIRA, 2014, p. 71). Desta forma, as decisões arquitetônicas devem basear-se no clima regional para melhor desempenho térmico e energético em uma edificação.
22
2.2.1 Temperatura
O resultado de uma temperatura é um conjunto de elementos, onde basicamente são os fluxos de massas de ar e recepção da radiação solar. Pode-se conhecer o comportamento da temperatura do ar em um certo local ao longo do ano, verificando os dados climáticos conquistados por meio de normas climatológicas ou em anos climáticos. Tendo acesso a valores do estudo dos dados climáticos de um local, o projetista da estabelecida edificação consegue constatar os momentos de grande desconforto e interceder beneficamente neste aspecto. A sensação de conforto térmico pode variar com o vento e a umidade local, mesmo sob uma mesma temperatura. (LAMBERTS, DUTRA, PEREIRA,2014).
Pode-se conhecer o comportamento da temperatura em um local a partir das normais climatológicas. Elas fornecem temperaturas máximas e mínimas cuja diferença, em um período de tempo, é conhecida como amplitude térmica. A amplitude varia inversamente com a umidade do ar: quando o ar está mais úmido, a amplitude tende a ser menor, se comparado a quando o ar está mais seco. (LAMBERTS et al., 2005).
2.2.2 Radiação
A principal fonte de energia para o planeta é a Radiação solar. No estudo da eficiência energética o sol é um elemento de extrema importância, tanto como fonte de calor como fonte de luz. Para adotar um dos enfoques (luz ou calor) como prioridade, o projetista deve entender de forma integrada os fenômenos térmicos e visuais em uma edificação e ao decorrer as variáveis climáticas. (LAMBERTS, DUTRA, PEREIRA, 2014).
Radiação: mecanismo de troca de calor entre dois corpos — que guardam entre si uma distância qualquer — através de sua capacidade de emitir e de absorver energia térmica. Esse mecanismo de troca é consequência da natureza eletromagnética da energia, que, ao ser absorvida, provoca efeitos térmicos, o que permite sua transmissão sem necessidade de meio para propagação, ocorrendo mesmo no vácuo. (FROTA, SCHIFFER, 2001, p.33).
Lamberts et al. (2005), dizem que a definição do movimento de translação da terra em volta do sol, são as estações do ano. O outono e primavera se diferencia do inverno e verão, pela trajetória elíptica, já o verão e o inverno se diferenciam pela inclinação do eixo de rotação da terra em relação ao plano do equador (23º27’).
Segundo Lamberts, Dutra e Pereira, (2014) a radiação pode ser dividida em direta e difusa, ocorrendo porque após penetrar a atmosfera, a radiação sofre interferências em seu
23
trajeto em direção à superfície terrestre. Já a radiação direta, é uma parcela que atinge diretamente a terra e sua intensidade depende da altitude solar e do ângulo de incidência dos raios solares em relação a superfície que a recebe, sendo a mesma a fonte de luz mais intensa e a responsável principal em ganhos térmicos de uma edificação.
A radiação difusa, é, entretanto, uma parcela que sofre espalhamento pelas partículas da atmosfera e pelas nuvens e quanto mais nublado for o céu, maior a difusão da radiação. Em climas frios é desejável a entrada de radiação direta nos ambientes para aquecimento natural, enquanto em climas quentes deve-se bloquear a radiação direta, mas manter aberturas para a radiação difusa para iluminação do ambiente. (LAMBERTS et al., 2005).
2.2.3 Ventilação
Devido às diferenças de temperatura entre as massas de ar, pode haver variações significativas de direção e movimento do ar em uma região climática, provocando na área de maior pressão um deslocamento para a de menor pressão. (LAMBERTS, DUTRA, PEREIRA, 2014).
Uma das principais causas da distribuição dos ventos no globo é o desequilíbrio de radiação entre as latitudes baixas e altas. O aquecimento desigual da Terra e de sua atmosfera pela radiação solar gera energia potencial, parte da qual se transforma em energia cinética pela elevação do ar quente na região próxima ao equador, abrindo caminho para a entrada do ar frio que vem do Norte e do Sul. (LAMBERTS et al., 2005, p. 24).
Os ventos são consequências de diversos revestimentos do solo e da vegetação, essas correntes de ar estão sujeitas às diferenças de temperaturas causadas pela mesma. (FROTA, SCHIFFER, 2001).
Para cada direção prevalece uma velocidade, variando então de acordo com a época do ano. Ao decorrer do ano ocorrem as maiores velocidades na direção nordeste e durante a primavera, para o norte (6m/s). Já durante o inverno, nas direções leste e oeste e as demais, apresentam velocidades altas, sendo as mais baixas de 1m/s. (LAMBERTS et al., 2005).
O vento tem uma distribuição da orientação, sendo um dado de extrema importância para um projeto, permitindo decisões tanto de incorporar proteção nas épocas frias, ou de aproveitamento nos meses quentes, com umidades meramente relativas altas. A ocupação das cidades deve alcançar atentando para as principais direções do vento na região para os benefícios que se pode obter aproveitando ou evitando o mesmo. (LAMBERTS et al., 2005).
24
2.3 CONFORTO TÉRMICO EM EDIFICAÇÕES
De acordo com Lamberts, Dutra e Pereira (2014, p. 43) “O homem é um ser homeotérmico, ou seja, a temperatura do organismo tende a permanecer constante independente das condições do clima”. Para manter esta temperatura interna o corpo faz uso de mecanismos termorreguladores que são ativados quando as condições térmicas não são ótimas. Na presença de muito calor o corpo induz a produção de suor e vasodilatação periférica que geram maior evaporação de água e aumentam a temperatura da pele fazendo com que o corpo perca mais calor. Na presença do frio a vasoconstrição periférica e os arrepios diminuem as perdas de calor pela pele e concentram o calor nas partes mais internas do corpo.
Segundo Frota e Schiffer (2001) a termorregulação, apesar de ser natural, representa um esforço extra para o organismo. Portanto a sensação de conforto térmico existe quando o organismo perde para o ambiente a mesma quantidade de calor que produz, na atividade que está exercendo.
2.3.1 Propriedades Térmicas relacionadas à Inércia Térmica
De acordo com Lamberts, Dutra e Pereira (2014), para dimensionar e especificar corretamente as aberturas e materiais a serem empregados na obra, o projetista deve entender os conceitos de transmissão de calor e comportamento térmico dos fechamentos, pois estes atuam diretamente nas condições internas de conforto. “Em um fechamento opaco a transmissão de calor acontece quando há uma diferença de temperatura entre suas superfícies interior e exterior”. (LAMBERTS, DUTRA, PEREIRA, 2014, p. 197).
Para Frota e Schiffer (2001) a inércia térmica depende de fatores como peso, espessura e materiais utilizados. A inércia térmica gera um amortecimento e atraso térmicos que são importantes variáveis ao conforto térmico dentro de uma residência ao passo que se diminui o fluxo de calor entre ambientes externo e interno.
A figura 2 compara os efeitos apresentados pela utilização de diferentes materiais construtivos.
25
Figura 2 – Exemplos de curvas de variação de temperaturas externa e interna
Fonte: Frota e Schiffer (2001, p.51).
Segundo Lamberts, Dutra e Pereira (2014), a inércia térmica é importante fator para a escolha dos materiais que compõem os fechamentos opacos, pois impacta diretamente na eficiência destes na tarefa de manter a amplitude térmica dentro do ambiente em limites que sejam confortáveis para os habitantes.
2.3.1.1 Condutividade térmica
A condutividade térmica (λ) expressa a capacidade de um material de conduzir uma quantidade de calor por unidade de tempo e pode ser representada pela unidade W/m.K. (LAMBERTS, DUTRA, PEREIRA, 2014).
Tabela 3 – Condutividade térmica em materiais de construção
MATERIAL λ (W/m.K)
Concreto normal, densidade de 2.200 a 2.400 kg/m³ 1,750 Tijolo de barro, densidade de 1.000 a 1.300 kg/m³ 0,700
Madeira, densidade de 450 a 600 kg/m³ 0,150
Isopor, densidade de 25 a 40 kg/m³ 0,035
Fonte: Lamberts, Dutra, Pereira, (2014, p. 210).
INCROPERA (2008) diz que “em geral, a condutividade térmica de um sólido é maior do que a de um líquido, que por sua vez, é maior do que a de um gás. Essa tendência se
26
deve, em grande parte, à diferença no espaçamento intermolecular nos dois estados”. Isto revela a causa de materiais pouco densos como o EPS e a lã de rocha terem baixa densidade e baixa condutividade térmica, se tornando bons isolantes.
2.3.1.2 Resistência térmica
A resistência térmica (R) de um material é a propriedade de resistir à passagem de calor. A resistência térmica será calculada em função da espessura do material e do inverso da condutividade térmica, de forma que quanto maior a espessura e menor a condutividade térmica, maior será a resistência térmica do material, diminuindo o fluxo de calor entre suas superfícies. A unidade da resistência térmica se expressa em (m².K)/W. (LAMBERTS, DUTRA, PEREIRA, 2014).
“Considera-se fluxo de calor na direção horizontal em paredes e na direção vertical em coberturas, sendo ascendente quando o exterior está mais frio que o interior (situação típica do inverno) e descendente quando o exterior está mais quente (típico do verão). Nota-se também que o valor do Rse é constante e independente da direção do fluxo de calor. (LAMBERTS, DUTRA, PEREIRA, 2014, p.213).
Tabela 4 – Resistência térmica superficial interna e externa
Fonte: ABNT - NBR15220-2 - Anexo A (2005).
De acordo com a NBR 15220-2 a resistência térmica total (Rt) de uma parede será a soma das resistências das camadas que a compõe e as resistências superficiais externa e interna como demonstrado na figura 3.
Horizontal Ascendente Descendente Horizontal Ascendente Descendente
0,13 0,10 0,17 0,04 0,04 0,04
Rsi (m².K)/W Rse (m².K)/W
27
Figura 3 – Resistência térmica de uma parede dupla com isolamento térmico de lã de rocha
Fonte: Lamberts, Dutra, Pereira (2014, p. 215). Adaptado.
Desta forma, a instalação de isolante térmico nas paredes incrementa o valor da resistência térmica, nos fechamentos, adicionando nova camada com maior resistência.
2.3.1.3 Transmitância térmica
De acordo com a NBR 15220-1 (2005), a transmitância térmica ou coeficiente global de transferência de calor (U) é o inverso da resistência térmica total. Ou seja, quanto maior a resistência térmica de uma parede, menor será sua transmitância. A unidade é dada em W/m².K.
A transmitância térmica é a variável mais importante para avaliação do desempenho de fechamentos opacos. Através desta variável se pode avaliar o comportamento de um fechamento opaco frente à transmissão de calor, tendo subsídios inclusive para comparar diversas opções de fechamentos. (LAMBERTS, DUTRA, PEREIRA, 2014, p. 215).
A transmitância térmica é, portanto, fundamental na determinação da eficiência de um isolante térmico, sendo desejável uma baixa transmitância nas paredes externas de uma residência, evitando assim que as altas amplitudes do ambiente externo atinjam o ambiente interno.
28
2.4 SISTEMA ETICS
Segundo Sousa (2009), ETICS são todos os sistemas de isolamento térmico pré-fabricados, colocados sobre suportes exteriores da fachada, sobre os quais ficam dispostas uma ou várias camadas de reboco armado e finalizado com acabamento plástico de certa espessura. Uma das grandes vantagens deste sistema é que pode ser instalado em construções acabadas, processo conhecido como retrofit.
O isolamento térmico mais comumente utilizado neste sistema é o EPS e outros componentes que constituem o sistema são o substrato, fixação, camada de base, rede de reforço, camada final, acabamento e acessórios. A figura a seguir exemplifica a disposição dos itens no sistema:
Figura 4 – Constituição do sistema ETICS
Fonte: PRIMO (2008, p. 21).
De acordo com Primo (2008), os resultados obtidos com o sistema ETICS são muito satisfatórios nos quesitos estética, durabilidade, impermeabilização e comportamento térmico. Além disso, apresenta baixo risco de fissuração e o sistema tem capacidade de resistir descontinuidades e movimentos no suporte. A resistência térmica mínima do sistema é de 1,0m².K/W.
29
2.4.1 Isolamento Térmico
A camada de isolamento térmico tem a função principal do sistema, de conferir resistência térmica, ou seja, diminuir o fluxo de calor entre os ambientes externo e interno. Pode ser constituída por diversos materiais como placas de EPS, lã mineral (também conhecida como lã de rocha), aglomerado de cortiça entre outros.
Tabela 5 – Características genéricas do EPS no Brasil
Propriedades Norma Unidade Tipo
I Tipo II Tipo III Tipo IV Tipo V Tipo VI Tipo VII Densidade aparente mínima NBR 11949 Kg/m³ 9 11 13 16 20 25 30 Tensão à compressão com deformação de 10% NBR 8082 KPa 33 42 65 80 110 145 465 Resistência mínima ao cisalhamento EM 12090 KPa 25 30 60 80 110 135 170 Resistência mínima à
flexão ASTM C 203 KPa 50 60 120 160 220 275 340
Condutividade
térmica (a 23ºC) NBR 12094 W/(m.K) - - 0,042 0,039 0,037 0,035 0,035
Fonte: NEOTERMICA (2013).
Segundo Sousa (2009), o EPS é o material que possui características mais vantajosas relativamente aos outros isolantes e por isso é o mais utilizado na Europa. O EPS deve apresentar densidade entre 14 e 25 kg/m³ e as placas devem ter espessura de 30 a 80 mm de acordo com a necessidade de isolamento da construção.
30
3 METODOLOGIA DA PESQUISA
Neste capítulo será detalhada a metodologia utilizada nesta pesquisa, que é as formas utilizadas para se alcançarem os objetivos propostos.
3.1 PESQUISANDO CIENTIFICAMENTE
A pesquisa científica é um contributo para a sociedade e para todos quantos nela se envolvem. É uma forma inequívoca de construção do conhecimento a partir do protagonismo dos acadêmicos que, nela, encontram uma maneira de perceber e criticar a realidade em que se situam. Com a investigação, deixam-se de lado as estratégias memorísticas tradicionais legadas da visão positivista, esta, abandonada em todos os países que se propuseram a investir em educação, desde o início do século passado.
Quando se pesquisa, de acordo com as adequadas normas metodológicas, abandona-se a figura do “objeto” e assume-se a autonomia e a emancipação do aprendiz que, agora, passa a possuir competência interpretativa para a leitura do cenário social.
[...] o conceito de pesquisa inclui sofisticação e a especialidade, mas nisto jamais se esgota. O signo central da pesquisa é o questionamento sistemático, crítico e criativo, mais a intervenção competente na realidade, ou o diálogo crítico permanente com a realidade, em sentido teórico e prático. (DEMO, 2012, p. 36).
Nessa trajetória, o orientador assume papel de coordenar e mostrar os caminhos a serem seguidos pelos orientandos que, por sua vez, fazem seu caminho “ao caminhar”, revendo, refazendo, reordenando e readequando seu trajeto a cada momento. Por isso, diferentemente de outras estratégias didáticas, ocorre a efetiva construção do conhecimento científico e, ao mesmo tempo surge a possibilidade de intervenção na sociedade pelos pesquisadores.
3.2 CARACTERÍSTICAS DA PESQUISA REALIZADA
A preocupação com a sustentabilidade e com a economia de energia elétrica são elementos centrais do estudo realizado. Para tanto, após um meticuloso planejamento, definiu-se, para o estudo, como método de abordagem a pesquisa qualitativa. Isso pois, através desta teórica de inserção na investigação, os autores estão dotados de flexibilidade para readequações necessárias ao processo, sempre em que visualizarem esta imprescindibilidade.
31
[...] se desenvolve numa situação natural, é rico em dados descritivos, obtidos no contato direto do pesquisador com a situação estudada, enfatiza mais o processo do que o produto, se preocupa em retratar a perspectiva dos participantes, tem um plano aberto e flexível e focaliza a realidade de forma complexa e contextualizada. (ARAÚJO e OLIVEIRA, 1997, p. 11).
Além disso, os estudos qualitativos são realizados para a construção do conhecimento sobre escolas, empresas, órgão públicos e privados, enfim, sempre sob o fundamento teórico de especialistas e sob a subjetividades dos pesquisadores.
O nível, exploratório, foi pensado como o mais coerente com as pretensões do estudo pois, inicialmente os envolvidos não possuem conhecimento aprofundado sobre a temática e, segundo, não existe um referencial teórico específico e abundante sobre o assunto determinado.
São desenvolvidas com o objetivo de proporcionar visão geral de tipo aproximativo acerca de determinado fato. Esse tipo de pesquisa é realizada quando o tema escolhido é pouco explorado e torna-se difícil sobre ele formular hipóteses precisas e operacionáveis. (GIL, 1999, p. 43).
Este tipo de nível é o mais adequado para a formação de conceitos e para aumentar o conhecimento dos pesquisadores sobre o assunto planejado. Evidentemente que, toda a caminhada foi realizada sob a orientação teórico-metodológica adequada para o levantamento e análise fiel dos dados coletados.
Para o método de procedimento, o estudo de caso monográfico e fenomenológico foi considerado o mais apropriado pois, a partir dele, determinou-se a esfera de essência (TRIVIÑOS, 2006), neste caso, “uma residência de dois pavimentos” que, assim, poderá ser afastada de outras variáveis que poderiam interferir no estudo como as históricas, por exemplo, permitindo uma análise isenta e confiável.
Em outras palavras, o estudo de caso como estratégia de pesquisa compreende um método que abrange todo o tratamento da lógica do planejamento, das técnicas de coleta de dados e das abordagens específicas à análise dos mesmos. (YIN, 2005, p. 33).
O fenômeno tratado, “as decorrências do isolamento térmico para o consumo de energia elétrica”, corresponde à uma questão social essencial e que poderá apresentar resultados relevantes para o meio, em forma de intervenção efetiva.
Se o pesquisador não deixar de lados às lentes da mentalidade positivista, não conseguirá compreender o que é, como é utilizado e nem tampouco para que ser o método fenomenológico. É preciso estar disposto a ter uma atitude intelectual diferente da atitude natural, é preciso ter uma atitude crítica, uma atitude fenomenológica. (BORBA, 2010, p. 109).
32
para que se enquadrem na ótica da fenomenologia. Essa postura é referenciada pela humildade dos aprendizes em buscar, em todos os segmentos que compõem a amostra em estudo, as informações essenciais para que se possa compreendê-la e modificá-la.
3.3 POPULAÇÃO E AMOSTRA
A população do estudo foi constituída por todas as construções residenciais de dois pavimentos do município de Tubarão, sul de Santa Catarina. Como decorrência, a amostra, intencionalmente determinada como “um” projeto de edificação residencial de dois pavimentos, para a região de Tubarão, elaborado pelos próprios autores.
3.4 INSTRUMENTOS DE COLETA DE DADOS
A coleta de dados para o estudo foi realizada a partir dos seguintes instrumentos, classificados e definidos como descritos a seguir:
a) Normativas brasileiras: imprescindíveis para a obtenção de dados e procedimentos utilizados, que através deles, poderão fundamentar os resultados;
b) Software OpenStudio®: utiliza o programa de simulação EnergyPlus™ para realizar cálculos e análise do desempenho térmico em projetos;
c) Fornecedores locais: consulta de materiais disponíveis e preços;
d) Manuais de fabricantes: trazem informações importantes e especificidades dos materiais e suas instalações.
3.5 DESCRIÇÃO DO PROCESSO
Para análise integrada e acurada unindo todos os itens descritos até aqui de forma a obter-se uma estimativa realista, necessitou-se de uma extensa gama de conhecimentos e cálculos de engenharia, em múltiplas áreas do conhecimento. Todos estes conhecimentos e procedimentos de cálculo foram reunidos no software de cálculo EnergyPlus™. O software OpenStudio® também foi utilizado, para configuração e detalhamento do modelo.
O EnergyPlus™ é um programa de simulação de cargas térmicas e de análise energética. Baseia-se na descrição feita pelo usuário, dos atributos físicos e mecânicos de uma
33
edificação e seus sistemas. O EnergyPlus™ calcula as cargas de aquecimento e resfriamento necessários para manter a temperatura em zonas de controle, dentro de certos limites, levando em considerações todos os fatores que compõem o sistema.
O OpenStudio® é uma interface gráfica para configuração do modelo computacional. O EnergyPlus™ utiliza este modelo para efetuar os cálculos das transferências de calor entre os espaços, o ambiente externo e os equipamentos de climatização.
A configuração da simulação exige a descrição de todos os itens que influenciam no projeto e serão melhor descritos ao decorrer deste trabalho. Fazem parte do modelo o clima da região do local que se deseja estudar, schedules, materiais utilizados na construção e suas propriedades e o projeto da obra contendo definições de espaços e zonas térmicas.
O projeto que foi definido pelos autores é uma residência unifamiliar. Possui três dormitórios, sendo um suíte, um banheiro social, uma sala, uma sala de jantar com cozinha, uma área de circulação, escada que liga o térreo com o andar superior e garagem, que ocupa todo o andar térreo. A área do térreo é de 89m² e a área do andar superior de 108m². A área da envoltória a ser isolada é de 240m².
A figura a seguir representa o projeto residencial na forma como foi inserido no software OpenStudio®.
Figura 5 – Representação gráfica do projeto residencial no software OpenStudio®
34
Para a configuração do item clima foi utilizado banco de dados do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET). O INMET não possui estação em Tubarão, então foi decidido utilizar-se os dados referentes à estação de Araranguá, pela proximidade e semelhança climática.
Schedules são as operações que ocorrem dentro de cada ambiente e configuram o comportamento da simulação. Pode-se definir o número de pessoas presente no ambiente, as temperaturas limites desejadas e a infiltração de ar, em cada hora do dia.
Os materiais utilizados nas simulações foram madeira, concreto, tijolo cerâmico, telha cerâmica, EPS e vidro. Para verificar de forma mais abrangente a possibilidade da utilização de isolantes térmicos na construção civil, o mesmo projeto foi simulado tanto com construção em alvenaria como em madeira.
Em paralelo à simulação térmica, foi realizado o levantamento de custos de implantação. Neste processo foi feito pesquisa de mercado, buscando fornecedores locais que ofertam os materiais necessários para a instalação do sistema de isolamento proposto. Outro quesito na determinação dos custos é a mão de obra, que foi estimada correlacionando-se custo de hora de profissionais com a produtividade esperada. Nesta análise foram considerados somente os custos relativos à implantação do sistema de isolamento térmico pelo exterior, descartando os custos anteriores.
O presente estudo objetivou a avaliação da alternativa sistema de isolamento de fachadas pelo exterior, por este motivo a análise teve exclusividade às variações e efeitos causados pela instalação de isolamento nas paredes externas, pela face exterior.
35
4 ANÁLISE DOS DADOS E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Neste capítulo serão apresentados os resultados extraídos da simulação e estes serão comparados com os custos de implantação para análise de viabilidade econômica.
4.1 ANÁLISE DAS SIMULAÇÕES
O projeto foi inserido no software OpenStudio® de acordo com as instruções contidas em seu manual de utilização. Após inserção do projeto arquitetônico são configurados os materiais construtivos de cada parte da obra. Também entram na simulação o clima da região a ser analisada, as definições de utilização dos ambientes e as faixas de temperatura desejadas, para que o programa simule o condicionamento térmico dos ambientes. Após a definição destes itens o programa executa os cálculos necessários e gera relatório contendo todos os dados resultantes da simulação.
4.1.1 Dados de Entrada
A utilização de condicionamento térmico foi aplicada apenas nos cômodos que por costume se instalam aparelhos de condicionamento. Para fins de simulação, definiu-se que os três dormitórios possuirão condicionamento térmico durante a noite, entre as 23:00hs e as 8:00hs do dia seguinte, enquanto os residentes dormem. Durante o dia, o condicionamento térmico é aplicado na cozinha e sala, entre as 8:00hs e as 23:00hs. A faixa de conforto utilizada foi definida segundo a Resolução Nº 9 de 2003 da Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA) e recomenda entre 20ºC e 22ºC para aquecimento no inverno e de 23ºC a 26ºC para resfriamento no verão. Desta forma, os limites definidos na simulação foram 20ºC no aquecimento e 23ºC no resfriamento.
Também foi realizada simulação sem as definições de condicionamento para observação da temperatura obtida no interior dos ambientes ao longo do ano sem o uso de condicionamento de modo a perceber os efeitos de instalação do sistema de forma isolada.
36
elementos construtivos.
Figura 6 – Configurações dos materiais utilizados no projeto no software OpenStudio®
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
Estes dados são textura (classificação de muito liso a muito áspero), condutividade térmica, calor específico, espessura, densidade e absortância. A absortância depende principalmente da cor externa e como este estudo não pretende analisar os efeitos desta variável, foram utilizados os mesmos coeficientes de absortância para todos os materiais.
Os valores das propriedades dos materiais tais como condutividade térmica, densidade e calor específico, foram retirados do Anexo B da NBR 15220/05, apresentado no Anexo A ao fim deste trabalho, exceto no caso especial do EPS, que é especificado na NBR 11752/16, e no caso da parede de alvenaria que é especificada no Anexo D da NBR 15220/05. Foram realizadas variações na construção das paredes, para observação dos efeitos gerados pelo uso de isolamento. Um modelo utilizou construção em madeira e outro em alvenaria.
Na simulação com madeira foram utilizadas duas folhas de 2,5cm separadas por camada de ar e lajes de madeira. Em alvenaria utilizou-se tijolo cerâmico de 6 furos, assentados na menor dimensão e lajes de concreto. Cada modelo foi simulado em três cenários: uma sem isolante, uma com isolante de 50mm de espessura e uma com isolante de 100mm de espessura. A tabela a seguir representa os valores encontrados no Anexo D da NBR 15220/05 para o tipo de parede de alvenaria escolhida.
37
Figura 7 – Transmitância térmica, capacidade térmica e atraso térmico para a parede utilizada
Fonte: ABNT NBR 15220 (2005).
A última definição realizada antes da simulação foi a inclusão de ventilação nos ambientes. De acordo com a Resolução Nº 9 da ANVISA a Taxa de Renovação do Ar adequada para ambientes climatizados é de no mínimo 27m³/hora/pessoa. Foi-se considerado a permanência de dois residentes em cada dormitório durante a noite e três residentes na sala e três residentes na cozinha, durante o dia, conforme os horários já considerados para a climatização.
4.1.2 Resultados das simulações
A partir dos dados inseridos no programa obtiveram-se resultados referentes ao consumo anual estimado para cada cenário. O gráfico a seguir apresenta os resultados para a construção em alvenaria:
Gráfico 4 – Variação no consumo anual com implantação do EPS em alvenaria
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
Parede Descrição U (W/m².K) Ct (kJ/m².K) ϕ (horas)
Parede de tijolos de 6 furos circulares, assentados na menor dimensão Dimensões do tijolo: 10x15x20 cm Espessura da argamassa de assentamento: 1 cm Espessura da argamassa de emboço: 2,5 cm
Espessura total da parede: 15 cm
2,28 168 3,7 1308 1075 1036 3947 3814 3767 5550 4917 4803 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Alvenaria S/ EPS Alvenaria C/ EPS 50mm Alvenaria C/ EPS 100mm
C o n su m o A n u al (k W h )
38
Pode-se observar variação de 633kWh no consumo total após a aplicação de EPS com 50mm de espessura na alvenaria, configurando economia de 11,41% no consumo anual. A variação foi de 747kWh para a aplicação de EPS com 100mm de espessura, com economia anual de 13,46%.
O gráfico a seguir apresenta os resultados para as simulações em madeira.
Gráfico 5 – Variação no consumo anual com implantação do EPS em madeira
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
Obtém-se variação de 1386kWh no consumo total após a aplicação de EPS com 50mm de espessura na estrutura de madeira, configurando economia de 18,79% no consumo anual. A variação foi de 1555kWh para a aplicação de EPS com 100mm de espessura, com economia anual de 21,08%.
Em um segundo momento foram realizadas as simulações com a retirada do condicionamento de ar, para análise da variação de temperatura no interior dos ambientes. A seguir, apresenta-se o gráfico das médias mensais das temperaturas máximas durante o ano, no cômodo sala de estar.
Gráfico 6 – Médias mensais das temperaturas máximas no cômodo sala de estar
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
2722 1986 1919 4653 4003 3900 7375 5989 5820 0 2000 4000 6000 8000
Madeira S/ EPS Madeira C/ EPS 50mm Madeira C/ EPS 100mm
C o n su m o A n u al (k W h )
Resfriamento Aquecimento Total
14 16 18 20 22 24 26 28 30 32
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
T em p er atu ra (º C ) Madeira S/ EPS Madeira C/ EPS 50mm Alvenaria S/ EPS Alvenaria C/ EPS 50mm
39
Neste gráfico pode-se observar que o acrescimento de isolamento térmico à alvenaria não possui impacto visível. Na madeira observa-se maior variação, principalmente nos meses de verão, onde o EPS reduz a passagem de calor do ambiente externo para o interno. O gráfico a seguir representa as médias mensais das temperaturas mínimas durante o ano, no cômodo sala de estar.
Gráfico 7 – Médias mensais das temperaturas mínimas no cômodo sala de estar
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
Analisando o gráfico, identifica-se para a construção em madeira temperaturas mínimas maiores com a utilização de isolamento. Na construção em alvenaria esta diferença é pouco perceptível.
4.2 CUSTO DE IMPLANTAÇÃO DO SISTEMA
Neste item serão avaliados os custos envolvidos na implantação do sistema de isolamento térmico pelo exterior utilizando o isolante EPS.
4.2.1 Custo do poliestireno expandido (EPS)
Para calcular o custo do Poliestireno Expandido, foram solicitados dois orçamentos de diferentes empresas de Santa Catarina. A escolha para essa análise são os blocos de EPS da classe T5AF, em diferentes espessuras.
10 12 14 16 18 20 22 24 26
Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez
T em p er atu ra (º C ) Alvenaria C/ EPS 50mm Alvenaria S/ EPS Madeira C/ EPS 50mm Madeira S/ EPS
40
Tabela 6 – Orçamento de material EPS na Empresa 1
Espessura (mm) Área (m²) Preço Unitário (R$/m²) Preço Total (R$)
50 240 23,85 5.724,00
100 240 47,71 11.450,40
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
Tabela 7 – Orçamento de material EPS na Empresa 2
Espessura (mm) Área (m²) Preço Unitário (R$/m²) Preço Total (R$)
50 240 14,05 3.372,00
100 240 28,1 6.744,00
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
Analisando os valores orçados para implantação do poliestireno expandido, verifica-se que diante dos parâmetros utilizados, a empresa 2 é uma opção mais econômica. O bloco T5AF foi escolhido por ser um material retardante à chama, com resistência térmica de 1,43m².K/W e condutibilidade térmica de 0,038W/m.K. Segundo o orçamento, o custo total de acordo com a opção escolhida é de R$3.372,00 para a espessura de 50mm e R$6.744,00 para a espessura de 100mm.
4.2.2 Custo da fibra de vidro
A fibra definida foi a fibra de vidro 200 Redelase. Cada rolo do material tem custo R$44,90 e possui medidas 5,0x0,65m. Serão necessários para a implantação do sistema, 74 rolos de fibra, para cobrir 240m² de paredes, gerando então um custo total de R$3.322,60.
4.2.3 Custo da argamassa colante
Após análise de mercado, a argamassa colante para o sistema de isolamento térmico não foi encontrada no Brasil, apenas no exterior. Sendo assim, depois de inúmeras buscas, a argamassa adotada teria como ser produzida na região de Santa Catarina sob encomenda com todos os critérios e padrões, ficando como indicação e responsabilidade pelo Engenheiro Químico da empresa Inkor – Industria Catarinense de colas e rejuntes, podendo ser fabricada com as propriedades específicas com valores de consumo teórico de 6kg/m².
41
Admitindo-se o consumo de 6kg/m², serão necessários 1440kg de argamassa para toda a instalação. Conforme as informações prestadas pela empresa, cada saco da mercadoria possui 20kg e tem custo de R$40,00. Desta forma, serão utilizados 72 sacos, totalizando R$2.880,00.
4.2.4 Custo da mão de obra
Para orçar o valor total da mão de obra para a aplicação do sistema ETICS, foi atribuído os valores da tabela do Sistema Nacional de Pesquisa de Custos e Índices da Construção Civil (SINAPI) do Estado de Santa Catarina relativo ao mês de maio de 2018 e adotado os valores de produtividade do manual do fabricante de revestimentos Sto®.
Tabela 8 – Estimativa de tempo para instalação do sistema
Item 1ª Etapa 2ª Etapa
Serviço Colagem EPS Colocação fibra de vidro
Produtividade 5,81 m²/h/homem 4,06 m²/h/homem
Produção diária 46,5 m²/dia/homem 32,5 m²/dia/homem
Envoltória 240 m² 240 m²
Equipe 2 homens 2 homens
Prazo 2,58 dias 3,69 dias
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
De acordo com a tabela anterior, para a conclusão do serviço serão necessários 6,27 dias de trabalho, considerando que a segunda etapa inicia após o término da primeira. O cálculo das tabelas está estimado oito horas nas diárias trabalhadas, totalizando 50,16horas. A equipe é composta por 2 pessoas, sendo elas: 1 pedreiro e 1 servente. O valor da hora do pedreiro com encargos complementares é de R$19,04, já para o servente com encargos complementares o valor da hora é de R$14,35. Totalizando então um custo de R$1.674,84 para a realização do serviço.
4.2.5 Totalidade do custo da implantação do sistema ETICS
42
em uma construção com sistema ETICS, obtém-se as seguintes informações da tabela abaixo.
Tabela 9 – Custo total para implantação do sistema ETICS
Material Isolante Argamassa Fibra de Vidro Mão de Obra Total
EPS 50mm R$3.372,00 R$2.880,00 R$3.322,60 R$1.674,84 R$11.249,44
EPS 100mm R$6.744,00 R$2.880,00 R$3.322,60 R$1.674,84 R$14.621,44
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
Desta forma têm-se o valor de R$11.249,44 para a implantação do sistema utilizando placas de 50mm e de R$14.621,44 utilizando placas de 100mm. No item a seguir o custo total será confrontado com a economia gerada anualmente pelo sistema de isolamento.
4.2.6 Tempo de retorno do investimento
Para o cálculo do tempo de retorno utilizou-se o método payback simples que consistem em dividir o custo de implantação total pela economia anual gerada, sendo o resultado dessa divisão o número de anos que transcorrerão até que o investimento tenha gerado o valor de seu próprio custo. Este método tem algumas desvantagens, como não considerar o valor do dinheiro ao longo do tempo, porém uma análise mais aprofundada está fora do escopo deste trabalho. O método utilizado, apesar de ser simplificado, gera boa indicação no quesito viabilidade econômica e faz uma boa comparação entre as diferentes opções estudadas.
A tarifa para a eletricidade fornecida pela Celesc Distribuição S.A. para residências é da ordem de R$0,4598500 para cada kWh consumido, não considerando tributos, de acordo com a resolução homologatória Nº 2.286, de 15 de agosto de 2017.
Tabela 10 – Cálculo do tempo de retorno
Material Construtivo Custo de Implantação Economia Anual Tempo de Retorno
Madeira com EPS 50mm R$11.249,44 R$637,35 17,7 anos
Madeira com EPS 100mm R$14.621,44 R$715,07 20,4 anos
Alvenaria com EPS 50mm R$11.249,44 R$291,09 38,6 anos
Alvenaria com EPS 100mm R$14.621,44 R$343,51 42,6 anos
43
De acordo com os dados apresentados nesta tabela, observa-se que o tempo de payback para a instalação de sistema de isolamento na construção de madeira é menor, se comparado com a alvenaria, devido à maior economia proporcionada. O custo de implantação para o sistema com EPS de 100mm de espessura é 30% maior comparado ao EPS de 50mm de espessura, porém o tempo de retorno não acompanha a mesma proporção, em função da maior economia gerada pelo acréscimo de isolante térmico.
44
5 CONCLUSÃO
O contínuo crescimento populacional alavanca o aumento de consumo de energia elétrica nas residências. O consumo energético residencial que representava aproximadamente 22% do consumo total em 2007, passou dos 25% em 2016. Grande parte deste consumo é composto de gastos com condicionamento ambiental.
Devido a isto buscam-se possibilidades de reduzir as necessidades de condicionamento nas construções. Apesar de a margem de lucro ter grande importância, há modos de investir em construções sustentáveis que são simultaneamente econômicas, visto que existem alternativas que satisfaçam as necessidades do cliente e do mercado.
Como a cidade de Tubarão de acordo com a NBR 15220/05 pertence à Zona Bioclimática 2, possuirá grande amplitude térmica durante o dia e também entre estações, gerando gastos com o condicionamento ambiental, principalmente de resfriamento no verão e aquecimento no inverno. Segundo dados do PROCEL o consumo com condicionamento ambiental representa 32% do consumo total nas residências na região Sul. A utilização do isolamento térmico em fachadas para diminuir a troca de calor entre ambiente externo e interno, faz com que alguns destes custos sejam evitados.
Para investigar a relação entre o desempenho térmico das construções com as necessidades de condicionamento ambiental propôs-se analisar os efeitos da utilização do sistema de isolamento térmico de fachadas pelo exterior, com o EPS como material isolante. A fim de realizar esta análise de forma confiável e acurada, foram utilizados os softwares EnergyPlus™ e OpenStudio® de forma conjunta. Também foi necessário verificar-se os custos envolvidos na implantação deste sistema de modo a comparar-se os custos com a economia gerada.
Com a utilização das simulações computacionais foi possível determinar o consumo de energia elétrica em cada tipo de construção e com diferentes espessuras do isolante EPS. Também foram obtidos dados sobre as temperaturas internas sem a utilização de condicionamento térmico, de forma a realizar observação mais detalhada.
De acordo com as médias das temperaturas mínimas e máximas é possível concluir que o EPS aplicado à construção de madeira traz reduções visíveis na amplitude térmica no interior dos ambientes, porém esta redução é menos perceptível quando aplicado à construção em alvenaria.
45
Com base nas análises ficou constatado que o isolante térmico EPS aplicado em paredes de estruturas de alvenaria e/ou madeira, apresenta variação significativa no consumo de energia elétrica e, portanto, economia no consumo anual, salientando-se que a madeira terá maior economia, em comparação com a alvenaria, devido às propriedades destes materiais.
Em síntese, para fim de conclusão, o estudo demonstrou a possibilidade e a viabilidade de utilizarem-se estratégias de isolamento térmico em fachadas, a fim de obter maior eficiência energética. O estudo também abre caminho para estudos futuros, demonstrando a utilização de softwares que possibilitam a análise da eficiência energética e desempenho térmico em projetos.
Como sugestão para trabalhos futuros, recomenda-se a análise da utilização de isolamento térmico na cobertura. Os efeitos do isolamento térmico também podem ser avaliados em tipos diferentes de construção, tais como edificações comerciais ou residenciais multifamiliares. Os softwares descritos neste trabalho tornam possíveis estas análises.
46
REFERÊNCIAS
ANDRADE, Suely F. Estudo de estratégias bioclimáticas no clima de Florianópolis. Mestrado – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 1996.
ARAÚJO, Aneide Oliveira; OLIVEIRA, Marcelle Colares. Tipos de pesquisa. Trabalho da aula de Metodologia de Pesquisa Aplicada a Contabilidade da USP, 1997.
AGÊNCIA NACIONAL DE VIGILÂNCIA SANITÁRIA. Resolução-RE Nº 9, de 16 de
janeiro de 2003. Diário Oficial da União, Nº14, segunda-feira, 20 de janeiro de 2003.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 11752: Materiais
celulares de poliestireno para isolamento térmico na construção civil e em câmaras frigoríficas. Rio de Janeiro, 2016.
______. NBR 15220: Desempenho térmico em edificações. Rio de Janeiro, 2005. ______. NBR 15575: Edifícios habitacionais – Desempenho. Rio de Janeiro, 2013. BORBA, Jean Marlos Pinheiro. A fenomenologia em Husserl. Rev. NUFEN, São Paulo, v. 2, n. 2, p. 90-111, 2010. Disponível em:
<http://pepsic.bvsalud.org/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S2175-25912010000200007&lng=pt&nrm=iso>. Acesso em 20 out. 2017.
DEMO, Pedro. Pesquisa e construção de conhecimento: metodologia científica no
caminho de Habermas. 7. ed. Rio de Janeiro: Tempo brasileiro, 2012.
ELETROBRAS / PROCEL. Pesquisa de Posse de Equipamentos e Hábitos de Uso – Ano
base 2005 – Classe Residencial Relatório Região Sul. Eletrobras, Procel, set. 2007.
EPE - Empresa de Pesquisa Energética. Balanço Energético Nacional 2017 / Ano base
2016. Ministério de Minas e Energia, 2017. Disponível em:
<https://ben.epe.gov.br/downloads/Relatorio_Final_BEN_2017.pdf/> Acesso em: 7 set. 2017. FROTA, Anésia Barros; SHIFFER, Sueli Ramos. Manual do conforto térmico. 5ª ed. São Paulo: Studio Nobel, 2001.
GIL, Antônio Carlos. Métodos e técnicas de pesquisa social. 5. ed. São Paulo: Atlas, 1999, 206 p.
