2023
Escola de Minas
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil PROPEC
Dissertação
Métodos para avaliação de desempenho térmico de edificações envolvendo simulações energéticas.
Vítor Freitas Mendes
Vítor Freitas Mendes
Métodos para avaliação de desempenho térmico de edificações envolvendo simulações energéticas
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Data da aprovação: 28/02/2022
Área de Concentração: Materiais e Construção
Linha de Pesquisa: Engenharia Estrutural e de Materiais Orientadora: Profa. D.Sc. Júlia Castro Mendes– UFOP
Ouro Preto 2023
Mendes, Vítor Freitas.
MenMétodos para avaliação de desempenho térmico de edificações envolvendo simulações energéticas. [manuscrito] / Vítor Freitas Mendes.
- 2023.
Men107 f.: il.: color., gráf., tab., mapa.
MenOrientadora: Profa. Dra. Júlia Castro Mendes.
MenDissertação (Mestrado Acadêmico). Universidade Federal de Ouro Preto. Departamento de Engenharia Civil. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil.
MenÁrea de Concentração: Estruturas e Construção.
Men1. Construção civil - Desempenho Térmico. 2. Simulação
(Computadores) - Simulação Energética. 3. Método de estudo de casos- Revisão Sistemática. 4. Método de estudo de casos - Análise
Comparativa. I. Mendes, Júlia Castro. II. Universidade Federal de Ouro Preto. III. Título.
Bibliotecário(a) Responsável: Maristela Sanches Lima Mesquita - CRB-1716
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M538m
CDU 624.01
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO REITORIA
ESCOLA DE MINAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL FOLHA DE APROVAÇÃO
Vítor Freitas Mendes
Métodos para avaliação de desempenho térmico de edificações envolvendo simulações energé�cas
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Ouro Preto como requisito parcial para obtenção do �tulo de Mestre em Engenharia Civil.
Aprovada em 28 de Fevereiro de 2023
Membros da banca
Profa. D.Sc. Júlia Castro Mendes - Orientadora (Universidade Federal de Ouro Preto) Prof. D.Sc. Adriano Pinto Gomes - (Ins�tuto Federal de Minas Gerais - Campus Ouro Preto)
Prof. D.Sc. Lucas Fonseca Caetano - (Universidade Federal de Ouro Preto)
Profa. D.Sc. Júlia Castro Mendes, orientadora do trabalho, aprovou a versão final e autorizou seu depósito no Repositório Ins�tucional da UFOP em 28/08/2023
Documento assinado eletronicamente por Julia Castro Mendes, PROFESSOR DE MAGISTERIO SUPERIOR, em 28/02/2023, às 19:23, conforme horário oficial de Brasília, com fundamento no art. 6º, § 1º, do Decreto nº 8.539, de 8 de outubro de 2015.
A auten�cidade deste documento pode ser conferida no site h�p://sei.ufop.br
/sei/controlador_externo.php?acao=documento_conferir&id_orgao_acesso_externo=0 , informando o código verificador 0480887 e o código CRC 88E16952.
Referência: Caso responda este documento, indicar expressamente o Processo nº 23109.002273/2023-81 SEI nº 0480887
R. Diogo de Vasconcelos, 122, - Bairro Pilar Ouro Preto/MG, CEP 35402-163 Telefone: 3135591546 - www.ufop.br
Agradecimentos
Sinto-me grato a todas as pessoas e instituições que contribuíram para que eu chegasse até essa última etapa do Mestrado. Agradeço a Deus por tudo que me proporcionou, proporciona e proporcionará. Aos meus pais, José Geraldo e Marlene, pelo apoio e amor incondicional. A toda minha família por me acompanhar nessa jornada. Ao Wally, por sua companhia e apoio que levarei por toda a vida. À Carol, à Dani, à Letícia, à Júlia e ao Aldo, pelas parcerias e vivências durante o mestrado. Ao Alexandre, pela ajuda com essa pesquisa. A todos os meus amigos, pelos momentos especiais. À minha orientadora, professora Júlia, por todos conselhos e suportes. Ao professor Adriano, pela prestação e suporte na pesquisa. Ao professor Bruno, pela parceria e apreço que tenho. A todos os professores que me transformaram. Apesar de parecer pouco, todos vocês foram importantíssimos nessa trajetória.
O presente trabalho recebeu prêmio na VII Mostra dos Programas de Pós-Graduação da UFOP (2022), o qual consta no Apêndice, como melhor trabalho da área de Engenharias. Agradeço ao grupo de Pesquisa em Ciência de Dados aplicada à Engenharia (CIDENG-CNPq), do qual faço parte. Ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PROPEC), à Escola de Minas, à Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP) e à Coordenação de Aperfeiçoamento de Nível Superior (CAPES), pela oportunidade de realizar o Mestrado.
Por fim, agradeço a todos que eu não cito nominalmente. Apesar desse ciclo se encerrar, a minha gratidão a vocês é eterna.
Muito, mas muito obrigado! ;) Vítor Freitas Mendes
Resumo
O desempenho térmico inadequado é um dos vários problemas que atingem as edificações brasileiras, gerando prejuízos econômicos, sociais e de saúde para os usuários. Esse desempenho ruim leva à dependência de estratégias ativas para o condicionamento interno, consumindo energia e gerando impactos ambientais. Nesse cenário, vários pesquisadores se dedicam ao desenvolvimento de estratégias para mitigar esse problema. Uma das maiores vertentes nessa avaliação é com base em dados obtidos a partir de simulações energéticas. Contudo, a forma e os parâmetros para avaliar esses dados e determinar o desempenho térmico da edificação variam significativamente conforme as preferências e a regiãresumo da equipe de pesquisa.
Assim, o primeiro capítulo deste trabalho propõe investigar os métodos existentes para avaliação de desempenho térmico de edificações, a partir de uma revisão bibliográfica estruturada dos últimos 12 anos, em que 158 artigos completos foram lidos. Como resultados, os métodos mais utilizados foram identificados e explicados, e foi levantado um panorama atual das pesquisas e lacunas sobre o tema. As metodologias mais recorrentes na análise foram o Método da Carga Térmica (95%), o Método Graus- Horas (ou Graus-Dias) (9%) e o Método dos Dias Típicos (5%). No segundo capítulo deste trabalho, foi feita uma análise de desempenho térmico de duas edificações com três estratégias construtivas para as paredes (alvenaria tradicional, alvenaria estrutural e parede de concreto), a partir dos métodos mais recorrentes da literatura e das variações de temperatura operativa. Como resultado, observou-se que os melhores sistemas construtivos variam conforme o método analisado e a temperatura operativa ajustada, indicando a necessidade de se fazer análises baseadas em parâmetros que refletem a realidade da edificação. Assim, este trabalho pretende ser uma base referencial e teórica para futuras avaliações de desempenho térmico de edificações.
Palavras-chave: Desempenho Térmico, Simulação Energética, Revisão Sistemática, Análise Comparativa, Estudo de Caso.
Abstract
The inadequate thermal performance is one of the various problems that affect Brazilian buildings, causing economic, social, and health losses for users. This poor performance leads to the dependence on active strategies for indoor conditioning, consuming energy and generating environmental impacts. In this scenario, several researchers are dedicated to the development of strategies to mitigate this problem.
One of the major aspects in this evaluation is based on data obtained from energy simulations. However, the form and parameters to evaluate this data and determine the thermal performance of the building vary significantly according to the preferences and region of the research team. Thus, the first chapter of this work proposes to investigate the existing methods for evaluating the thermal performance of buildings, based on a structured literature review of the last 12 years. As a result, the most commonly used methods were identified and explained, and a current overview of the research and gaps on the subject was raised. The most recurrent methodologies in the analysis were the Thermal Load Method, the Degree-Hour (or Degree-Day) Method, and the Design Days Method. In the second chapter of this work, a thermal performance analysis of two buildings with three construction strategies for the walls (traditional masonry, structural masonry and concrete wall), based on the most recurrent methods in the literature and operative temperature variations. As a result, it was observed that the best construction systems vary according to the analyzed method and the adjusted operative temperature, indicating the need to make analyses based on parameters that reflect the reality of the building. Thus, this work aims to be a referential and theoretical basis for future assessments of thermal performance of buildings.
Keywords: Thermal performance, Energy Simulation, Systematic Review, Comparative Analysis, Case Study.
Sumário
1 Introdução Geral ... 9
1.1 Objetivo ... 11
1.2 Objetivos Específicos ... 11
1.3 Originalidade e principais contribuições ... 11
1.4 Estrutura do Texto ... 13
2 Conceitos Fundamentais ... 14
2.1 Definições iniciais ... 14
2.2 Simulação energética de edificações ... 15
2.3 Principais propriedades termofísicas dos materiais de construção ... 18
2.4 Fechamento da edificação ... 20
2.5 Referências ... 22
3 Capítulo 1 – Métodos para avaliação de desempenho térmico de edificações: uma revisão sistemática da literatura ... 26
3.1 Introdução ... 27
3.2 Metodologia ... 30
3.3 Resultados ... 33
3.3.1 Panorama cientométrico ... 33
3.3.2 Métodos de avaliação mais frequentes ... 37
3.3.3 Normas de referência ... 53
3.3.4 Validação ou calibração dos modelos ... 55
3.3.5 Softwares de simulação energética ... 56
3.3.6 Lacunas de pesquisa... 58
3.3.7 Boas práticas ... 59
3.4 Conclusão ... 64
3.5 Agradecimentos ... 66
3.6 Referências ... 66
4 Capítulo 2 – Análise do desempenho térmico de edificações segundo três métodos de avaliação: estudos de caso para o Sul Global ... 73
4.1 Introdução ... 74
4.2 Metodologia ... 75
4.2.1 Residências simuladas ... 77
4.2.2 Cidades analisadas ... 83
4.2.3 Avaliação de Desempenho térmico ... 85
4.3 Resultados ... 87
4.4 Conclusões ... 99
4.5 Agradecimentos ... 102
4.6 Referências ... 102
5 Considerações finais ... 105
Apêndices ... 106
Dados dos dias típicos das cidades analisadas ... 106
Premiação ... 107
9
1 INTRODUÇÃO GERAL
A melhoria do desempenho térmico de edificações garante uma redução no consumo de energia ao minimizar a necessidade de utilização de aparelhos de climatização do ambiente interno (JOSEPH, JOSE e HABEEB, 2015). Refere-se a eficiência energética de edifícios a redução de energia consumida pela edificação. O desempenho térmico da edificação se relaciona à sua competência de reter calor ou prevenir o escape do mesmo, sabendo que a construção é um sistema complexo em questões de fonte e fluxo de calor. Ele é influenciado por diversos fatores, como, por exemplo, as características termofísicas das envoltórias, a orientação e o sombreamento da edificação, o padrão de ocupação e o clima da região (GAO, LIU, et al., 2021).
No Brasil, cerca de metade da energia elétrica é consumida por edificações (EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA, 2022). No mundo, as edificações são responsáveis por 40% da energia elétrica consumida e 33% das emissões de gases de efeito estufa na atmosfera (WORLD ECONOMIC FORUM, 2021). Por isso, é crescente o volume de pesquisas sobre a melhoria de desempenho térmico de edificações. Além disso, é sabido que as condições do interior da edificação são influentes na saúde, bem-estar e produtividade dos ocupantes (LOPES e LAMBERTS, 2018). Essa preocupação é relevante, dado que as pessoas passam cerca de 85% a 90% do seu dia dentro de edifícios (MANNAN e AL-GHAMDI, 2021).
Uma das maiores vertentes na avaliação do desempenho térmico é a partir de simulações energéticas. Contudo, tanto os parâmetros de modelagem quanto o método para avaliar os resultados das simulações e determinar o desempenho térmico da edificação, variam entre os estudos presentes na literatura. Os trabalhos de Triana et al.
(2018), Franco et al. (2019) e Mendes et al. (2022) são exemplos dessa divergência.
Triana et al. (2018) utilizaram o Método Graus-Horas para avaliar se devem ser consideradas as futuras mudanças climáticas na análise de eficiência energética de edificações de interesse social no Brasil. Nesse método, são acumulados todos os excedentes (ou faltantes) de temperatura média horária para atingir a faixa de conforto térmico no ambiente interno, ao longo de um determinado período de tempo. Quanto
10 menor forem esses acumulados, melhor será o desempenho térmico, já que um baixo valor indica que a edificação confere um ambiente interno termicamente confortável por mais tempo.
Já Franco et al. (2019) empregaram o Método dos Dias Típicos para analisar o desempenho térmico de uma edificação com blocos, argamassas e concretos com propriedades termofísicas modificadas. É objetivo dessa técnica fazer uma análise somente de dias representativos (dias típicos) de verão e inverno pertencentes a um ano meteorológico padrão da região analisada. Os autores verificaram a diferença dos picos de temperatura (máximo e mínimo) entre o exterior e o interior, além da amplitude térmica diária.
Enquanto isso, Mendes et al. (2022) fizeram uso do Método da Carga Térmica para avaliar a influência das propriedades termofísicas de argamassas de revestimento no desempenho térmico de duas edificações. Por esse método, é preciso calcular a carga térmica de resfriamento e/ou aquecimento demandada por dispositivos simulados de aquecimento, ventilação e ar-condicionado, para manter a temperatura do seu interior em um faixa de temperatura interna pré-definida, durante um determinado período de tempo. Quanto menor é essa demanda, entende-se que melhor é o desempenho térmico da edificação e maior é a sua eficiência energética.
Além desses três métodos citados e dos demais existentes, cada país ou grupo de pesquisa costuma utilizar ajustes próprios nas simulações e limites específicos para julgar os resultados das simulações. Assim, a diversidade de meios existentes para a avaliação de desempenho térmico muitas vezes dificulta a compreensão do potencial das estratégias que visam melhorar o desempenho da edificação, além de prejudicar comparações entre diferentes estudos. Essas questões podem levar o(a) projetista a decisões errôneas, refletindo na fase de construção e ocupação da edificação.
Assim, visando contribuir com o entendimento das alternativas existentes, o presente trabalho pretende analisar os métodos dedicados à avaliação de desempenho térmico de edificações via simulação computacional. Numa primeira etapa, foi realizada uma revisão bibliográfica na literatura sobre os diversos métodos existentes, buscando
11 analisar as tendências de pesquisa, explicando as especificidades presentes em cada método e trazendo um panorama atual das pesquisas sobre o tema. Na segunda etapa, foi feita uma análise de desempenho térmico em edificações a partir dos métodos mais comuns observados na revisão bibliográfica, fazendo reflexões sobre a aplicação das metodologias e os resultados finais obtidos. Nesse sentido, trazendo um entendimento profundo das técnicas utilizadas para avaliar o desempenho térmico de edificações, este trabalho busca ser um referencial teórico e manual para futuras interpretações de resultados e execuções de simulação energética de edificações.
1.1 Objetivo
O objetivo do presente trabalho é investigar os métodos utilizados por pesquisadores ao redor do mundo para avaliação de desempenho térmico de edificações que envolvem simulações computacionais.
1.2 Objetivos Específicos
Como objetivos específicos, estipula-se:
Pautar os métodos de avaliação de desempenho térmico mais recorrentes e os aspectos mais relevantes de cada método;
Fazer uma análise crítica sobre as vantagens e limitações presentes nos métodos utilizados;
Identificar lacunas de pesquisa;
Avaliar e comparar os métodos mais utilizados, a partir de simulações energéticas de edificações;
1.3 Originalidade e principais contribuições
Este trabalho visa analisar os métodos presente na literatura especializada dedicados à avaliação de desempenho térmico de edificações via simulação computacional. Como citado anteriormente, o desempenho térmico de edificações é um
12 grande contribuinte para a eficiência energética da mesma, auxiliando no combate aos impactos ambientais e sociais causados pelo setor construtivo (HAN, TAYLOR e PISELLO, 2017). Dessa forma, atingindo seu objetivo, este trabalho serve de base teórica e manual para avaliações de desempenho térmico e simulações energéticas de edificações.
Como exemplo de estudos prévios envolvendo desempenho térmico de edificações, Tian (2013) fez uma revisão dos tipos de análise de sensibilidade aplicadas nas avalições energéticas de edificações. Analogamente, Pacheco et al. (2012) revisaram os critérios para concepção do projeto que podem reduzir a demanda termoenergética da edificação. Por sua vez, Zhao et al. (2012) fizeram uma revisão dos modelos de predição de consumo de energia da edificação, incluindo métodos estatísticos, de inteligência artificial e de engenharia. Entretanto, não foi encontrada na literatura uma revisão sistemática das formas de avaliação de desempenho térmico de edificações com o conseguinte estudo de caso. Isso torna este trabalho valioso e útil para os profissionais da área.
Além disso, esta pesquisa contribui, direta ou indiretamente, nas seguintes áreas prioritárias do Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) da ONU: 3 – Saúde e Bem-Estar (contribuindo para o conforto térmico dos ocupantes), 7 – Energia Limpa e Acessível (melhorando a eficiência energética das edificações), 8 – Emprego Decente e Crescimento Econômico (dissociando os investimentos na indústria da construção civil da degradação ambiental), 9 – Indústria, Inovação e infraestrutura (facilitando o desenvolvimento de infraestrutura sustentável e resiliente em países desenvolvidos) 10 – Redução das Desigualdades (promovendo análises sociais e econômicas no Sul Global, incluindo-o no cenário mundial), 11 – Cidades e Comunidades Sustentáveis (promovendo construções sustentáveis), 12 – Consumo e Produção Responsáveis (contribuindo para o uso eficiente dos recursos naturais) e 15 – Vida Terrestre (promovendo o uso sustentável dos ecossistemas terrestres) (NAÇÕES UNIDAS BRASIL, 2023).
Nesse sentido, a área tocante deste trabalho é classificada como prioridade pelo Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovação (MCTIC), ao passo que é voltada para
13 Tecnologias de Produção (Indústria e Infraestrutura) e Tecnologias para o Desenvolvimento Sustentável (Cidades Sustentáveis e Preservação Ambiental) (DOU, 2020). O desenvolvimento tecnológico presente neste trabalho tem potencial para cortar custos, melhorar a qualidade de vida dos ocupantes da edificação e reduzir as emissões de CO2 da edificação. Em síntese, este trabalho contribui para o desenvolvimento dos aspectos acadêmico, profissional, normativo, econômico, social e ambiental da construção civil.
1.4 Estrutura do Texto
O presente trabalho se divide em dois capítulos (presentes nas seções 3 e 4). Na seção 3, analisou-se os métodos presente na literatura especializada dedicados à avaliação de desempenho térmico de edificações via simulação computacional. Fez- se um panorama geral de como é realizada a avaliação de desempenho térmico de edificações nos últimos anos. Foram apontados aspectos como países que mais publicam, frequência anual de publicação, parcerias entre instituições nos estudos, etc. Também se apresentou os métodos mais frequentes para análise de desempenho térmico de edificações, fazendo explicações textuais e gráficas.
Apresentou-se, ainda, as normas utilizadas pelos autores para referendar as metodologias e suas considerações sobre os métodos empregados. Por fim, construiu-se, na seção 3, diretrizes com boas práticas para que estudos futuros sejam mais compreensíveis e replicáveis por outros pesquisadores.
Já na seção 4 deste trabalho, pretendeu-se colocar os métodos mais comuns, apontados na seção 3, para avaliação de desempenho térmico em prática, a partir de estudos de caso no Sul Global. Também variando a temperatura operativa, que é utilizada em parte desses métodos, discutiu-se a aplicação dos mesmos e os seus resultados finais obtidos. As metodologias foram aplicadas em 2 edificações de pequeno porte e em 8 zonas bioclimáticas brasileiras, avaliando 3 diferentes estratégias construtivas de parede.
14
2 CONCEITOS FUNDAMENTAIS
2.1 DEFINIÇÕES INICIAIS
Joseph et al. (2015) definem o desempenho térmico de uma edificação como sendo o processo de modelagem da transferência de energia entre o ambiente construído e os seus arredores. Em outras palavras, o desempenho térmico trata-se de avaliar o quão eficaz a edificação é em regular o fluxo de calor envolvendo o seu interior. As normas brasileiras que dizem respeito ao desempenho térmico de edificações, NBR 15575 (ABNT, 2021) e NBR 15220 (ABNT, 2022), não trazem consigo uma definição de “desempenho térmico de edificações”, mas a NBR 15575 (ABNT, 2021) descreve que o desempenho térmico das edificações varia conforme seus componentes (paredes e coberturas), áreas envidraçadas e ventilação. Em linhas gerais, uma edificação com bom desempenho térmico garantirá a independência climática do interior, em relação às condições sob ela imposta, como o clima externo e a ocupação.
Além disso, a influência do desempenho térmico nas condições climáticas do interior da edificação pode impactar a saúde, bem-estar e produtividade dos ocupantes. Todas essas questões estão envolvidas no conceito de conforto térmico.
O conforto térmico é um estado de espírito do ocupante, no qual que ele encontra satisfação com o ambiente que o envolve (ASHRAE, 2020). Vestimenta, metabolismo, estado emocional, nível de atividade física e saúde afetam a percepção que o indivíduo possui sobre o clima do ambiente (SANTOS e ANDRADE, 2008). Por isso, a ANSI/ASHRAE 55 (2020) estabelece critérios para avaliação de conforto térmico de edificações, buscando agradar 80% dos possíveis ocupantes, segundo um questionário anteriormente aplicado. Dessa forma, a avaliação de desempenho térmico da edificação tende a ser mais objetiva frente à análise de conforto térmico, pois o desempenho analisa as condições climáticas proporcionadas pelos componentes da edificação. Enquanto isso, o conforto térmico envolve a avaliação da percepção dos usuários sobre o clima interno, que é mais subjetivo.
15 Uma edificação que promove o conforto térmico aos habitantes, tendo um menor consumo de energia possível, possui uma alta eficiência energética. Ainda, de modo geral, ações para aumentar a eficiência energética de uma edificação perpassam a melhoria do seu desempenho térmico e vice-versa. Melhorias do desempenho térmico normalmente acarretam em melhorias da eficiência energética.
2.2 SIMULAÇÃO ENERGÉTICA DE EDIFICAÇÕES
Alguns profissionais avaliam o desempenho térmico da edificação segundo procedimentos simplificados. A ABNT NBR 15575 (2021), por exemplo, prescreve limites mínimos para os sistemas de fechamento vertical (transmitância térmica, capacidade térmica, percentual de abertura para ventilação, além do percentual e área de superfície para os elementos transparentes). Essa norma também estipula tamanhos de aberturas de janelas e valores de transmitância térmica, atraso térmico e fator solar para os elementos envidraçados. Assim, a norma permite que o(a) projetista avalie o desempenho térmico da edificação somente a partir de um “checklist” (apresentado na seção 2.4). Contudo, esse procedimento é muito simplista e pode não representar a realidade da construção.
Existe também a possibilidade de se avaliar o desempenho térmico da edificação de forma experimental, avaliando com base na aferição in loco auxiliada por equipamentos (ex. termopares) instalados no ambiente interno e externo. Entretanto, essa análise demanda tempo, recursos e apenas pode ser realizada após finalizada a construção.
Nesse cenário, a simulação computacional ganha vez, assim como qualquer outro processo automatizado, economiza recursos, tempo e mão de obra e conta com a facilidade de estudos termoenergéticos que não demandam a fase de construção. Ela consiste na construção de um modelo computacional em um ambiente capaz de avaliar as interações dinâmicas entre os climas externos, a envoltória do edifício, a ocupação, os equipamentos mecânicos internos e os sistemas de climatização (LAM , WAN, et al., 2008). Por meio de simulações computacionais, é possível investigar
16 estratégias que possam otimizar a eficiência energética dos edifícios ainda na fase de projeto.
Os programas de simulação computacional demandam, em geral, parâmetros de modelagem, tais como:
Modelo da edificação: construção dos ambientes e identificação das condições de contorno;
Rotina de uso e ocupação: frequência de ocupação da edificação, período de funcionamento dos equipamentos, etc.;
Cargas térmicas internas: calor produzido pelos ocupantes, iluminação e equipamentos internos;
Faixa de temperatura operativa: intervalo de temperatura estipulado para utilização da edificação;
Propriedades termofísicas dos materiais que compõem o sistema de fechamentos da edificação;
Fração de abertura para ventilação das esquadrias.
Esses parâmetros são imprescindíveis para os cálculos integrantes da simulação energética dos softwares. Muitas normas estipulam valores para esses parâmetros, que variam conforme o tipo de edificação, o uso pretendido do empreendimento, a região da construção, a sua ocupação, entre outros.
Após a simulação energética, o software pode fornecer previsões sobre carga térmica, temperaturas internas, custo (financeiro) com energia (ex. elétrica, a base de fóssil e de biomassa), dimensionamento do sistema de AVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar-Condicionado) e da iluminação demandada, emissão de dióxido de carbono (CO2), entre outras. Normalmente, as normas estipulam valores limites ou benchmarks a serem alcançados, a fim de se garantir um adequado desempenho térmico à edificação. São exemplos de normas que apresentam requisitos para simulação computacional: a ANSI/ASHRAE/IES Standard 90.1 (ASHRAE, 2022) dos
17 EUA, o Document L do (The) Building Regulations (MHCLG, 2021) do Reino Unido, a DS/EN 16798-1 (EUROPEAN SRANDARD, 2022) da União Europeia, a NBR 15575-5 (ABNT, 2021) do Brasil e a GB 50189 (CNBM, 2015) da China. A NBR 15575-5 (ABNT, 2021), por exemplo, avalia o percentual de horas de ocupação dentro de uma faixa de temperatura operativa, as temperaturas anuais máxima e mínima e a carga térmica total da edificação. Toda essa avaliação é feita em comparação com um modelo de referência (benchmark) estipulado pela norma com base na geometria da edificação avaliada (ABNT, 2021).
Como exemplo de aplicações em estudos científicos de simulações energéticas para edificações, Krstić-Furundžić et al. (2019) verificaram que sombrear a fachada sul de um edifício comercial, na Alemanha, garante uma redução de 18% no consumo de energia. Já Zhu Xinrong et al. (2014) utilizaram da simulação energética para comprovar que os novos padrões de moradia Yaodong garantem melhor desempenho térmico do que os antigos padrões construtivos e a construção com tijolos. Os autores verificaram que o consumo de energia para o aquecimento da moradia corresponde a 23% do consumido pela residência com a técnica construtiva convencional de tijolos;
e a 39% do consumido da residência com a antiga técnica Yaodong. Por sua vez, Salem, et al. (2019), durante suas simulações energéticas, verificaram o potencial de impacto das medidas de retrofit de um hotel no Reino Unido, constatando que é possível atingir altos níveis de eficiência energética, selecionando corretamente as estratégias. Os autores verificaram que, por exemplo, a utilização de um tipo de caldeira automática a gás contribui para uma redução de 27,4% do consumo de energia ao ano.
Para a realização de simulações energéticas, além de programas como IDA-ICE, Tas, COMFIE, eQUEST e ESPR-r, encontra-se disponível e com amplo uso na comunidade científica o EnergyPlus. Ele foi desenvolvido pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável do Departamento de Energia dos Estados Unidos. Esse software possui alta credibilidade, mostrando ser um dos programas de simulação energética mais eficientes (CRAWLEY, HAND, et al., 2008). Além disso, como será visto na seção
18 3, esse programa é constantemente validado entre os estudos de simulação energética.
2.3 PRINCIPAIS PROPRIEDADES TERMOFÍSICAS DOS MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO
As propriedades termofísicas dos materiais que compõem as camadas dos sistemas de fechamento da edificação influenciam diretamente no desempenho térmico das edificações (VASCO, MUÑOZ-MEJÍA, et al., 2017). Lamberts et al. (2014) fazem o levantamento de várias propriedades termofísicas dos materiais de construção: absortância, transmissividade, refletividade, emissividade, calor específico, condutividade térmica, massa específica, espessura, inércia térmica, capacidade térmica, resistência térmica e transmitância térmica. As análises de desempenho térmico de edificações envolvem uma complexa combinação e interrelação de todas essas propriedades termofísicas. Na Tabela 1, apresenta-se as definições de cada das propriedades citadas.
Tabela 1 – Propriedades termofísicas e suas definições (LAMBERTS, DUTRA e PEREIRA, 2014).
Fonte: autor.
Propriedade Definição Efeito do material/
elemento na edificação Emissividade
[adimensional] (ε)
Potencial do material em emitir energia por meio de radiação
térmica (ABNT, 2021).
Um material com alta emissividade direciona muito
calor para o ambiente.
Absortância (α) [adimensional]
Quão capaz o material é em absorver calor por radiação solar (INCROPERA, DEWIT, et al., 2008).
Um material com alta absortância, durante a incidência solar, se aquece muito e tende a aumentar o
ganho de calor da edificação.
Transmissividade (τ)
[adimensional]
Potencial do material em transmitir calor (INCROPERA, DEWIT, et al.,
2008).
Um material com alta trasmissividade aumenta o
fluxo de calor entre o exterior e o interior da edificação, devido a fatores
externos da edificação.
19
Propriedade Definição Efeito do material/
elemento na edificação Refletividade
[adimensional] (ρ)
Quão capaz o material é em refletir energia (INCROPERA, DEWIT, et al.,
2008).
Um material com alta refletividade reduz o ganho
de calor da edificação, devido à radiação.
Calor específico [kJ/(kg∙K)] (c)
Facilidade do material em se aquecer, quando recebe energia, ou
resfriar, quando perde energia (INCROPERA, DEWIT, et al., 2008).
Sendo Q a quantidade de calor, m a massa do material, ∆𝑇 a diferença de
temperatura aferida no material:
c = 𝑄 𝑚 ∙ ∆𝑇
Um material com alto calor específico tende a aumentar
a capacidade térmica do sistema (propriedade
definida a seguir).
Condutividade térmica
(λ) [W/(m∙K)]
Habilidade de um material de conduzir energia térmica (ABNT,
2021). Sendo ∆∆ a taxa de transmissão do calor, e a espessura
do material, A a área transversal à transferência de calor, e a espessura
e ∆𝑇 a diferença de temperatura imposta nas extremidades avaliada
do material:
λ = ∆𝑄
∆𝑡 ∙ 𝑒 𝐴 ∙ ∆𝑇
Um material com alta condutividade térmica possui uma maior taxa de
transmissão de calor, deixando o ambiente interno
mais suscetível ao clima externo.
Difusividade térmica
[m²/s] (α)
Quão capaz o material consegue difundir calor através de si (ABNT, 2005). Sendo ρ a massa específica
do material:
𝛼 = λ 𝜌 ∙ 𝑐
Um elemento com baixa difusividade térmica tente a
promover um maior atraso térmico do ambiente interno
em relação ao externo.
Capacidade térmica
(CT) [J/(m²∙K)]
Potencial do elemento em variar sua temperatura a partir do calor imposto a ele (ABNT, 2021). Sendo ρ a massa específica do material e e
a sua espessura:
𝐶𝑇 = 𝑒 ∙ 𝜌 ∙ 𝑐
Um material com alta capacidade térmica mantém
o interior da edificação mais estável em relação às variações térmicas externas.
20
Propriedade Definição Efeito do material/
elemento na edificação Resistência
térmica (R) [(m²∙K)/W]
Capacidade do elemento em reduzir a troca de calor por condução (ABNT, 2005). Sendo e a espessura
do material:
𝑅 = 𝑒 λ
Um elemento com alta resistência térmica mantém
o ambiente interno mais isolado termicamente frente
ao exterior.
Transmitância térmica
(U) [W/(m²∙K)]
Taxa de transferência de calor de um certo elemento, induzida por
uma diferença de temperatura imposta entre as superfícies (ABNT,
2021).
𝑈 = 1 𝑅
A transmitância térmica é o oposto da resistência térmica. Um elemento com
alta transmitância térmica tende a deixar o ambiente interno mais suscetível ao
clima externo.
2.4 FECHAMENTO DA EDIFICAÇÃO
Como dito, dentre inúmeros parâmetros, como a orientação e o sombreamento da edificação e o padrão de ocupação dos usuários, o fechamento externo (as envoltórias) das edificações tem grande impacto no seu desempenho térmico (VASCO, MUÑOZ-MEJÍA, et al., 2017). Ele é composto por elementos verticais (paredes externas e demais detalhes da fachada) e horizontais (piso e cobertura), incluindo superfícies opacas e translúcidas. Na Figura 1, mostra-se como se procede o fluxo de energia provindo da radiação solar que incide no fechamento opaco e translúcido da edificação.
As superfícies opacas são barreiras físicas em que a luz não consegue penetrar.
Já os fechamentos translúcidos têm grande contribuição para o (super)aquecimento do ambiente interno, em climas quentes, dada à sua alta taxa de transferência de radiação (PAULA, FREITAS e DA SILVEIRA, 2019). As superfícies opacas, geralmente, transmitem menos energia para o interior (LAMBERTS, DUTRA e PEREIRA, 2014).
Tratam-se, principalmente, dos envidraçados da edificação - janelas, portas, claraboias ou qualquer fechamento em vidro. No Brasil, em geral, os fechamentos opacos verticais são de alvenaria coberta com argamassa de revestimento os translúcidos são compostos por vidro simples sem tratamento térmico e/ou acústico (ou mínimo).
21
Figura 1 – Fluxo de calor proveniente da radiação solar que incide em uma parede (esquerda) e uma janela (direita). Fonte: Mendes (2021).
Nesse exemplo, nota-se que os elementos translúcidos, comparados aos opacos, permitem a infiltração de grande parte de energia, já que transmitem diretamente a radiação solar ao interior. Além dessa transmissão, também é verificada uma parcela de calor penetrando na edificação devida à condução do próprio vidro. Por sua vez, os elementos opacos têm a condução como sua principal forma de transmissão de calor.
De acordo com a NBR 15220 (ABNT, 2021), o Brasil é dividido em 8 zonas bioclimáticas, relativamente homogêneas quanto ao clima, como pode ser observado na Figura 2. A NBR 15575 (ABNT, 2021), em seu procedimento simplificado para avaliação de desempenho térmico, estabelece requisitos mínimos para as propriedades termofísicas desses fechamentos externos em ambientes de permanência prolongada (ex. salas e quartos). Esses valores são apresentados na Figura 2, que mostra o checklist simplificado da NBR 15575 (2021). Essa variação dos critérios para as propriedades termofísicas dos materiais em função da região ocorre porque o clima do entorno da edificação também interfere no desempenho térmico, requerendo limites menos ou mais rigorosos das vedações para manter o clima interno da edificação propício ao uso. Cabe destacar que essa norma não estabelece requisitos para as propriedades termofísicas dos materiais do fechamento horizontal.
22
Figura 2 – Critérios das propriedades dos fechamentos para avaliação de desempenho térmico de edificação pelo procedimento simplificado da ABNT NBR 15575 (2021). Fonte: autor.
2.5 REFERÊNCIAS
ABNT. NBR 15220 - Desempenho térmico em edficiações. Associação Brasileira de Normas Técnicas. Rio de Janeiro. 2005.
ABNT. NBR 15575 - Edifícios Residenciais - Desempenho Térmico. Associação Brasileira de Normas Técnicas. Rio de Janeiro. 2021.
ABNT. NBR 15220 - Desempenho térmico de Edificações. Rio de Janeiro:
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23 ASHRAE. ASHRAE 55 - Thermal environmental conditions for human occupancy. Amercian Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers Inc. Atlanta, USA. 2020.
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ZHU, Xinrong et al. Energy performance of a new Yaodong dwelling, in the Loess Plateau of China. Energy and Buildings, v. 70, p. 159-166, 2014.
26
3 CAPÍTULO 1 – MÉTODOS PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO TÉRMICO DE EDIFICAÇÕES: UMA REVISÃO SISTEMÁTICA DA LITERATURA
Resumo
A simulação energética é amplamente utilizada entre projetistas na definição de estratégias que aumentam o desempenho térmico de edificações. Contudo, os métodos para realizar essa tarefa variam conforme as normas de cada país e as preferências de cada grupo de pesquisa. Assim, este trabalho objetivou investigar as metodologias que existem para avaliação de desempenho térmico de edificações envolvendo simulação energética, a partir de uma revisão bibliográfica sistemática.
Incialmente, selecionou-se artigos do tema nas plataformas Scopus e Web of Science publicados nos últimos anos (2011-2022). Refinando uma lista de 1463 artigos, foram lidos 158 trabalhos completos. Analisou-se as tendências dos métodos e as lacunas na literatura. Na revisão, notou-se que os países do Hemisfério Norte publicam mais na área, além do Brasil (com o segundo maior destaque). Os resultados apontaram a recorrência de 3 métodos para avaliação de desempenho térmico de edificações via simulação computacional - Carga Térmica (95% dos estudos), Graus-Horas/Graus-Dias (8%) e Dias Típicos (2%). O EnergyPlus foi o software de simulação energética mais utilizado (mais de 65% dos estudos) e 62%
dos estudos fizeram validação/calibração dos dados obtidos na simulação. Também se notou que os artigos raramente trazem parâmetros completos das simulações, havendo poucos trabalhos efetivamente replicáveis. Por fim, com base nas lacunas encontradas, criou-se um guia de boas práticas para se apresentar metodologias em projetos de simulação. Assim, este trabalho serve de referencial teórico para avaliações de desempenho térmico de edificações.
Palavras-chave: Desempenho Térmico, Simulação Energética, Revisão Sistemática, EnergyPlus
27 3.1 Introdução
A eficiência energética de uma edificação relaciona-se com a sua habilidade de fornecimento de energia racionalizada, mas necessária para alcançar as condições ambientais desejáveis aos ocupantes (OMER, 2008). Ela se traduz em uma economia financeira (e de recursos energéticos) relacionada à regulação do clima interior e, ao mesmo tempo, envolve a promoção da saúde e do bem-estar aos ocupantes, ou seja, o conforto térmico. Em outras palavras, o conforto térmico é a condição fisiológica e psicológica do ser humano que expressa a satisfação térmica com o ambiente ao qual está inserido (ASHRAE, 2020). Uma edificação energeticamente eficiente é capaz de promover esse conforto com baixo consumo de energia.
A eficiência energética da edificação é fortemente relacionada ao seu desempenho térmico. De forma geral, o desempenho térmico de uma edificação está relacionado à forma como ela reage a agentes independentes à efetiva construção, como o clima e a ocupação humana, demonstrando efeito na condição climática interna (JOSEPH, JOSE e HABEEB, 2015). Fatores como os materiais adotados, geometria da edificação, padrão de uso e ocupação, clima da região e sombreamento das envoltórias influenciam nessa questão. Tratam-se de numerosos e complexos fatores, demandando ponderações simultâneas e diversas iterações, na avaliação de desempenho térmico da edificação.
Nesse cenário, o uso da simulação energética computacional para avaliação do desempenho térmico é uma solução eficiente e eficaz. Por meio de equações de balanço de energia e com base no detalhamento construtivo e nos agentes externos que influenciam no desempenho térmico da edificação (como os dados bioclimáticos da sua localização) os softwares de simulação energética proporcionam previsões sobre o consumo total de energia, temperaturas internas, umidade, custo (financeiro) com energia (ex. elétrica, a base de fóssil e de biomassa), dimensionamento do sistema de AVAC e da iluminação demandada, emissão de dióxido de carbono (CO2) entre outras.
28 Existem normas e códigos de diversos países que regulamentam a análise de desempenho térmico de edificações, a partir de simulações computacionais. São exemplos de normas que apresentam requisitos para simulação computacional: a ANSI/ASHRAE/IES Standard 90.1 (ASHRAE, 2022) dos EUA, o Document L do (The) Building Regulations (MHCLG, 2021) do Reino Unido, a DS/EN 16798-1 (EUROPEAN SRANDARD, 2022) da União Europeia, a ABNT NBR 15575-5 (ABNT, 2021) do Brasil e a GB 50189 (CNBM, 2015) da China. Cada país/região específica seus próprios softwares preferenciais, parâmetros de entrada e critérios de avaliação baseados nas necessidades locais, práticas costumeiras de projeto e perfil de ocupação dos variados tipos de edificação.
Essa diversidade de métodos de avaliação de desempenho térmico existentes acaba comprometendo a compreensão do potencial das estratégias simuladas. Essa heterogeneidade também dificulta as comparações entre estudos e possíveis adaptações a outros cenários desejados. Essas questões podem levar a decisões errôneas na fase de projeto, refletindo na fase de construção e ocupação.
Como dito, vários autores estudam estratégias para a otimização do desempenho térmico e/ou da eficiência energética das edificações por meio de simulações computacionais. Elenca-se os seguintes exemplos concretos:
Salem et al. (2019), em um estudo de retrofit para transformar o hotel Hilton Edinburgh Grosvenor (Reino Unido) em uma edificação com níveis altos de eficiência energética, observaram que a utilização vidro triplo no edifício resultava em uma redução de 7% na demanda de energia. Esses dados foram obtidos configurando o modelo para contabilizar a demanda de carga térmica no ambiente interno para o conforto dos usuários.
Rakotonjanahary et al. (2020) analisaram modos de sombreamento e de ventilação natural, em módulos de uma edificação multirresidencial em Luxemburgo, a fim de se evitar o risco de superaquecimento do seu interior no verão. Eles observaram 101 °C de desconforto ao longo de um ano com a implementação de um aparato
29 de sombreamento externo móvel aliado a ventilação natural durante o dia e a noite.
Se não fosse adotada nenhuma dessas alternativas, haveria 11.134 °C de desconforto. Esses dados foram obtidos comparando os resultados da temperatura horária interna com uma faixa de temperatura estipulada para conforto, exercício semelhante ao método graus-horas.
Mendes et al. (2021) analisaram a influência da variação das propriedades termofísicas das argamassas de revestimento na cidade de São Paulo, a partir de um método que acumula as diferenças de temperatura horárias externas e internas ao longo de um ano. Foi observado que, ajustando corretamente as propriedades da argamassa de revestimento, até 1951 °C podem ser “salvos”
ao longo do ano.
Mendes et al. (2020) estudaram o impacto de que argamassas baseadas em resíduos industriais e da mineração tinha sobre o desempenho térmico da edificação. Simulando duas edificações residenciais, em dias típicos de verão e inverno de oito localidades do Brasil, os autores constataram uma diferença de até 0,9 °C entre os picos de temperatura (externa e interna) da edificação com argamassas de resíduos frente à convencional.
Novamente vê-se a importância da simulação energética na etapa de projeto, dado que as propriedades termofísicas dos materiais agem de forma indissociável. Ou seja, muitas vezes, o efeito conjunto das novas propriedades (advindo de novos materiais e/ou novos arranjos) causa um resultado diferente do somatório da avaliação individual de cada alteração nas propriedades dos materiais das envoltórias (MENDES, FARDIN, et al., 2022). Além disso, sabe-se que a região bioclimática influi nos resultados do desempenho térmico da edificação, o que torna essa análise ainda mais complexa.
Dada a complexidade das análises de desempenho das edificações, é possível concluir que as simulações são formas práticas, eficazes e relativamente rápidas de se definir aspectos otimizados de projeto, melhorando a eficiência energética e o conforto dos usuários durante toda a fase de operação da edificação.
30 Entretanto, observa-se que os resultados dos estudos mencionados acima não são comparáveis, pois cada um desses autores avaliou o desempenho térmico da edificação de uma forma diferente. Não é possível realizar correlações diretas sobre o que seria mais vantajoso: uma redução de 7% na demanda energética anual, apenas 101 °C de desconforto ao longo do ano, uma economia anual de 1951 °C ou uma variação de 0,9 °C entre os picos de temperatura externa e interna em dias típicos.
Nesse sentido, o presente trabalho visa fazer uma revisão dos métodos de avaliação de desempenho térmico de edificações via simulação computacional e trazer mais entendimento para aplicação dessas práticas e avaliação de resultados. Isso foi feito por meio de uma revisão bibliográfica sistemática, identificando tendências de utilização dos métodos e os ajustes necessários na simulação para sua utilização. Com este trabalho, busca-se apresentar as bases dos métodos mais adotados, trazer um panorama atual sobre o tema, encontrar tendências na área e lacunas de pesquisa, além de apresentar boas práticas para que os artigos científicos de simulação sejam mais compreensíveis e replicáveis.
3.2 Metodologia
Na Figura 3-1, apresenta-se a revisão sistemática deste trabalho. Para desenvolver essa revisão sistemática, foi adotado o Fluxo Sistemático de Pesquisa, proposto por Ferenhof et al. (2016). Nesse método, a revisão se divide em algumas etapas. A primeira concerne na definição da estratégia de pesquisa, envolvendo os critérios estipulados, a própria busca nas bases de dados e o refinamento dos resultados de busca. A segunda diz respeito à análise dos documentos coletados. A terceira etapa corresponde à sintetização dos dados. Por fim, a quarta etapa trata-se da escrita da revisão.
31
Figura 3-1 – Panorama geral da revisão bibliográfica. Fonte: autor.
Como se nota, incialmente, foi realizada uma revisão bibliográfica sistemática da literatura nos últimos 12 anos mais o ano corrente (2011-2022), no que tange às metodologias para análise de desempenho térmico de edificações envolvendo simulações energéticas. A pesquisa foi realizada no dia 10/08/2022 nas plataformas Scopus e Web of Science. Estas plataformas foram selecionadas com base no trabalho de Pranckutė (2021), que aponta seus diversos aspectos positivos, como a quantidade de artigos indexados, a interface, a performance e várias outras ferramentas de análise.
Como mostrado na Figura 3-1, a procura pelos trabalhos foi feita com base nos títulos, palavras-chave e resumos, a partir do seguinte termo de busca: (“energy performance” OR “thermal performance”) AND (“energy simulation” OR “thermal simulation” OR “computational simulation”) AND (“building” OR “residence” OR
“construction”). Adotou-se as palavras-chave mais recorrentes em trabalhos da área
32 de avaliação de desempenho térmico via simulação computacional. É importante ressaltar que os estudos resultantes desta pesquisa se limitam aos termos buscados e aos critérios adotados – não foi levado em consideração o mérito científico ou as métricas de citações dos artigos selecionados. Essa é uma limitação deste trabalho, mas que é inerente a todas as pesquisas sistemáticas sobre algum tema (WANYAMA, MCQUAID e KITTLER, 2022).
Dos 2143 documentos identificados, 680 eram duplicados (foram listado nas duas plataformas). Nos 1161 artigos remanescentes, foram aplicados os critérios para seleção (e refinamento) dos trabalhos. Para avaliar a compatibilidade aos critérios, inicialmente foram lidos todos os títulos, depois, todos os resumos e, por fim, os trabalhos por completo, restando 158 artigos que foram integralmente lidos. Os critérios de seleção dos trabalhos foram:
O estudo deveria abranger edificações residenciais ou comerciais, pois edificações industriais possuem muitas particularidades;
O estudo deveria envolver simulação energética computacional;
O estudo deveria avaliar o desempenho ou conforto térmico1;
O estudo deveria abranger a edificação por inteiro (estudos relativos a um só cômodo ou parte da edificação, como artigos que só avaliavam uma fachada ou um quarto, foram descartados).
1 Apesar de muitos autores mencionarem a realização de uma análise de “conforto térmico”, a metodologia e os resultados reportados efetivamente discutiam o desempenho térmico da edificação, não as percepções do usuário sobre essa. Nesses casos, eles foram incluídos na análise.
33 Após a leitura completa dos artigos que chegaram à última fase, construiu-se um panorama geral de como se tem feito a avaliação de desempenho térmico de edificações via simulação energética nos últimos anos e os ajustes feitos nas simulações para utilização dos métodos. Inicialmente realizou-se uma análise cientométrica dos artigos encontrados, apontando aspectos como país que mais publica, frequência anual dessas publicações, revistas mais frequentes para essas submissões, além das parcerias entre instituições nos estudos desenvolvidos. Com o auxílio do software VOSviewer (v1.6.18), montou-se um mapa de rede dos termos técnicos com mais de 3 recorrências nas palavras-chave dos autores e nos resumos dos trabalhos. A seguir, foram apresentados os métodos mais frequentes para análise de desempenho térmico de edificações, fazendo explicações textuais e explanações gráficas sobre o procedimento de cada um deles, além de expor como eles se relacionam com o conceito de desempenho térmico.
Em seguida, foram apontadas questões como as normas regulamentadoras utilizadas pelos autores e se os trabalhos foram validados ou calibrados de alguma maneira. Por fim, com as lacunas encontradas na revisão dos artigos, construiu-se uma lista de boas práticas recomendadas a pesquisadores, principalmente no que diz respeito aos ajustes da simulação energética relacionadas a um determinado método utilizado, para adotar em trabalhos futuros envolvendo avalição de desempenho térmico. Com essa lista, pretende-se deixar os futuros trabalhos mais compreensíveis e replicáveis para outros pesquisadores da área.
3.3 Resultados
3.3.1 Panorama cientométrico
A análise cientométrica envolveu 158 artigos selecionados para leitura. A Figura 3-2 apresenta a disposição das publicações pelo mundo, por meio de um histograma e de um gráfico coroplético. Quanto mais escuro estiver o laranja que se colore o país,
34 maior é a sua quantidade de publicações. Os países que não tiveram publicações selecionadas apresentam-se em cinza claro no mapa.
Figura 3-2 – Histograma e gráfico coroplético dos países com publicações constatadas no tocante à avaliação de desempenho térmico via simulação computacional. Os países com laranja mais escuro sobressaem-se com uma maior quantidade de publicação. Os países em
cinza claro no mapa não tiveram nenhuma publicação constatada. Fonte: autor.
Analisando a Figura 3-2, nota-se uma predominância dos países do hemisfério Norte nas publicações com o tema de desempenho térmico de edificações (5 dos 6 países com mais publicações). O Brasil foi o único país representante do hemisfério Sul entre os 5 que mais publicaram, entrando em 2º lugar com 11 publicações. Wuni et al. (2019) constataram algo semelhante em sua revisão cientométrica sobre as tendencias globais de pesquisas que abordam edificações sustentáveis. Tendo
“eficiência energética”, “análise de ciclo de vida”, “conforto térmico” e “energia”
como algumas das palavras-chave mais recorrentes nessas pesquisas, os autores perceberam que o hemisfério Norte também detém a maior contribuição sobre esse volume de estudos. Curiosamente, em contraponto ao que é visto neste estudo, o Brasil não despontou nos resultados de Wuni et al. (2019). Possivelmente, isso se deve à janela temporal entre a pesquisa desse autor (1992 a 2018) e a deste trabalho (2011 a 2022), além da maior abrangência que Wuni et al. (2019) fazem sobre o tema.
35 Pode-se considerar que o estudo de “desempenho térmico” é apenas uma parte sobre o tema “edificações sustentáveis”.
Na Figura 3-3, apresenta-se a evolução da quantidade de publicações sobre o tema com o passar dos anos. Em geral, nota-se uma tendência de crescimento, indicando que pesquisadores têm cada vez mais dado importância ao desempenho térmico de edificações. Em 2022, com resultados de uma busca realizada em outubro desse mesmo ano, já havia 26 trabalhos publicados.
Figura 3-3 – Quantidade anual de publicações sobre avaliação de desempenho térmico via simulação computacional (busca feita em outubro/2022). Fonte: autor.
Na Figura 3-4, apresenta-se a quantidade de trabalhos por autores, além da quantidade de trabalhos que integram mais de uma instituição no desenvolvimento dos estudos. Percebe-se que a maioria das publicações (>70%) são de autoria de 3 a 5 pesquisadores. Além disso, nota-se uma predominância de pesquisas envolvendo múltiplas instituições, chegando a mais de 60% dos estudos analisados.
Figura 3-4 – Esquerda: quantidade de autores por publicação. Direita: quantidade de trabalhos feitos em parceria com outras instituições. Fonte: autor.
26 48
28
9 10 10 8
6 3 3 4
3 0 10 20 30 40 50 60
2022 2021 2020 2019 2018 2017 2016 2015 2014 2013 2012 2011 Quantidade de publicações
36 Já na Figura 3-5, expõe-se a quantidade de publicações encontrada em cada revista, a partir de 2 trabalhos publicados. O jornal Energy and Buildings (Energy Build.) teve um destaque muito grande nas publicações. Ele é um jornal internacional de subscrição ou acesso aberto direcionado para pesquisas que envolvem o uso de energia e a eficiência energética das edificações (ELSEVIER, 2022). Em segundo lugar, com menos da metade das publicações do jornal Energy Build., sobressaiu-se o Journal of Building Engineering (J. Build. Eng.), seguido pelo jornal Building and Environment (Build. Environ.). Nota-se uma aglomeração de pesquisas nesse tema, dado que 33%
das publicações estão concentradas em 5% das revistas.
Figura 3-5 – Revistas com duas ou mais publicações e suas quantidades. Fonte: autor.
Na Figura 3-6, apresenta-se um mapa de rede dos termos técnicos identificados pelo VOSviewer com mais de 3 recorrências nas palavras chaves e resumos dos 158 artigos analisados. Quanto maior os círculos que acompanham os termos, maior é a sua recorrência. Além disso, os termos agrupados pela mesma cor indicam a
31
11 10 10 9
7 7 6
3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2
0 10 20 30
Quantidade de publicações
37 constância de aparecimento simultâneo dos termos nas pesquisas. Sobressaem-se nesse mapa palavras como “simulação energética”, “eficiência energética”,
“desempenho energético”, “consumo de energia”, “conforto térmico” e “análise de sensibilidade”. A proximidade observada entre a maioria dos termos é um indicativo da grande interrelação dos assuntos. Parte considerável desses termos-chave é abordada neste trabalho.
Figura 3-6 – Mapa de rede dos termos técnicos com mais de 3 recorrências identificados pelo VOSviewer nas palavras-chaves e resumos dos trabalhos.
3.3.2 Métodos de avaliação mais frequentes
Com base na leitura dos artigos, observou-se que as pesquisas que centram na avaliação de desempenho térmico da edificação podem ser divididas em algumas poucas categorias de métodos. Na Figura 3-7, elenca-se os métodos mais frequentes
38 de avaliação de desempenho térmico de edificações via simulação computacional, expondo a frequência no total dos trabalhos analisados (nota: alguns artigos apresentam mais de um método, de modo que o somatório supera os 158 lidos). A maioria das pesquisas (95%) se baseia na carga térmica demandada para controlar o clima interior. No presente trabalho, esse tipo de análise foi chamado de “Método da Carga Térmica”. Algumas pesquisas (9%) medem a variação da temperatura interna da edificação fora dos limites do conforto dos ocupantes, ao longo de um período de tempo definido. Comumente essa análise é chamada de “Método Graus-Dias” ou
“Método Graus-Horas”. E, em menor quantidade (5%), mas ainda pertinente, existem estudos que fazem a análise da evolução da temperatura interna e externa nos dias típicos meteorológicos de verão e inverno, o qual foi chamado, neste trabalho, de
“Método dos Dias Típicos”.
Figura 3-7 – Frequência dos métodos adotados. Fonte: autor.
São poucos os estudos que utilizam métodos além desses três mencionados, sendo que foram identificados somente 4 trabalhos entre os 158 analisados. Como exemplo, cita-se um trabalho anterior do autor desta pesquisa (MENDES, FARDIN, et al., 2022), no qual foi desenvolvido um método para acumular as amplitudes térmicas diárias dentro de edificações ao longo de um ano, baseado em simulações energéticas. Outro exemplo trata-se de Flores-Larsen et al. (2019). Esse autores analisaram a média mensal
4 3%
8 5%
14 9%
148 95%
0 50 100 150
Outros métodos Método dos Dias Típicos Método Graus-Horas/ Graus-Dias Método da Carga Térmica
Quantidade de estudos
