UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
NATHANI DINIZ
ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DE UM SISTEMA DE SOMBREAMENTO
APLICADO À UMA SALA DE AULA
Sinop
2017/2
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MATO GROSSO – UNEMAT
NATHANI DINIZ
ANÁLISE DA EFICIÊNCIA DE UM SISTEMA DE SOMBREAMENTO
APLICADO À UMA SALA DE AULA
Projeto de Pesquisa apresentado à Banca Examinadora do Curso de Engenharia Civil – UNEMAT, Campus Universitário de Sinop-MT, como pré-requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Prof.ª Orientadora: Dr. Ing. Érika Fernanda Borges
Sinop
2017/2
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Determinação da constante A ... 31 Tabela 2 - Quantidade mínima de pontos a serem medidos ... 34
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1...31 Equação 2 ... 32 Equação 3 ... 32 Equação 4 ... 32 Equação 5 ... 32 Equação 6...33LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Consumo de energia elétrica em prédios públicos no Brasil ... 14
Figura 2 - Parâmetros do conforto térmico ... 16
Figura 3 - Trajetória solar ao longo da abóbada celeste, de um dia qualquer ... 19
Figura 4 - Leitura de uma carta solar ... 20
Figura 5 - Persianas verticais e horizontais ... 20
Figura 6- Sistemas de sombreamento ... 21
Figura 7 - Sombreamento com persianas externas ... 22
Figura 8 - Esquematização da metodologia ... 24
Figura 9 - Localização da UNEMAT, campus Sinop ... 25
Figura 10 - Fachada a 33° Nordeste da universidade ... 26
Figura 11 - Dimensões de sala da sala de aula analisada (metros) ... 27
Figura 12 - Datalogger HD 32.1 Delta OHM ... 29
Figura 13 - Sonda Combinada ... 29
Figura 14 - Anemômetro de fio quente ... 30
Figura 15 - Termômetro de globo negro ... 30
Figura 16 - Luxímetro ... 33
Figura 17 - Determinação de Hm ... 34
LISTA DE ABREVIATURAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas BEN – Balanço Energético Nacional
EPE – Empresa de Pesquisa Energética EPW – EnergyPlus Weather File
IBGE – Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística ISO – International Organization for Standardization
LABEEE – Laboratório de Eficiência Energética em Edificações NBR – Norma Brasileira
PROCEL – Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica UNEMAT – Universidade do Estado de Mato Grosso
DADOS DE IDENTIFICAÇÃO
1. Título: Análise da eficiência de um sistema de sombreamento aplicado à uma sala de aula
2. Tema: 3.01.00.00-3 – Engenharia Civil
3. Delimitação do Tema: 3.01.01.00-0 – Construção Civil
4. Proponente(s): Nathani Diniz
5. Orientador(a): Dra. –Ing. Erika Fernanda Borges
6. Coorientador(a): Dr. –Ing. Marlon Leão
7. Estabelecimento de Ensino: Universidade do estado de Mato Grosso 8. Público Alvo: Acadêmicos, docentes, pesquisadores, profissionais de Engenharia, Arquitetura e da Construção Civil em geral.
9. Localização: Avenida dos Ingás, 3001, Jardim Imperial, Sinop/MT, CEP 78550-000
SUMÁRIO
LISTA DE TABELAS ... I LISTA DE EQUAÇÕES ... II LISTA DE FIGURAS ... III LISTA DE ABREVIATURAS ... IV DADOS DE IDENTIFICAÇÃO ... V 1 INTRODUÇÃO ... 8 2 PROBLEMATIZAÇÃO ... 10 3 JUSTIFICATIVA ... 11 4 HIPÓTESES ... 12 5 OBJETIVOS ... 13 5.1 OBJETIVO GERAL ... 13 5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 13 6 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 14 6.1 CONFORTO TÉRMICO ... 15 6.2 CONFORTO VISUAL ... 16
6.3 SISTEMAS DE PROTEÇÃO SOLAR ... 17
6.3.1 Carta Solar ... 19 6.3.2 Estado da arte ... 20 6.4 SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO ... 22 6.5 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL ... 22 6.5.1 DesignBuilder ... 23 7 METODOLOGIA ... 24 7.1 LOCAL DE ESTUDO ... 24
7.1.1 Estado de Mato Grosso ... 24
7.1.2 Cidade Sinop ... 25
7.1.3 Universidade do Estado de Mato Grosso – UNEMAT ... 25
7.2 PASSO 1: DETERMINAÇÃO DO SISTEMA DE SOMBREAMENTO ... 26
7.2.1 Simulação Computacional ... 27
7.3 PASSO 2: COLETA DE DADOS ... 28
7.3.1 Variáveis Climáticas ... 28
7.3.1.1 Manipulação dos dados ... 31
7.3.2 Iluminação ... 32
7.4 PASSO 3: ANÁLISE DOS DADOS ... 35
7.4.1 Variáveis Climáticas ... 35
8 CRONOGRAMA ... 36
1 INTRODUÇÃO
O modelo atual de desenvolvimento baseado no uso deliberado de recursos naturais traz como consequências a degradação e a poluição ambiental (MOTTA; AGUILAR, 2009). As limitações destes recursos e a constante alerta sobre o aquecimento global e as mudanças climáticas do planeta, enfatizam a insustentabilidade deste cenário (CASAGRANDE JUNIOR; DEEKE, 2011). Estes fatores levam a sociedade a uma busca por um novo modelo de gestão, produção e consumo, de modo a cumprir com a sustentabilidade.
Segundo Araújo (2006), um desenvolvimento sustentável consegue satisfazer as necessidades atuais do ser humano, sem afetar a possibilidade de gerações futuras fazerem o mesmo. Ele diz que é necessária a criação de uma cultura sustentável, na qual todos estejam conscientizados. Deste modo, esta ideia se tornaria acessível para as mais diferentes classes sociais, sem limitar o conhecimento apenas a pessoas com nível profissional.
Casagrande Junior e Deeke (2011) citam como exemplo de falta de eficiência, a construção civil. Araújo (2006) diz que uma forma de atender as necessidades da edificação, habitação e do meio ambiente é o conceito de construção sustentável. Cada vez mais este vem sendo aplicado na busca por conforto e economia aliados ao respeito com o meio ambiente, ressaltando a importância de profissionais conhecerem as técnicas construtivas necessárias para viabilizarem a solicitação.
Para uma edificação apresentar eficiência, o primeiro passo é reduzir a demanda de energia, sem afetar as condições de conforto ao usuário. Rodriguez-Ubinas et al. (2014) relataram que a eficiência de um edifício pode ser obtida através do equilíbrio entre estratégias passivas (envoltória, orientação, técnicas de refrigeração, aquecimento e iluminação natural) e equipamentos de alto desempenho. Decisões que vêm desde a fase de projeto tendem a auxiliar no conforto do ambiente, sem a utilização indevida de recursos.
Estudos atuais buscam soluções e alternativas para garantir a eficiência do ambiente. Berardi e Anaraki (2015) comprovaram que a utilização da iluminação natural é uma maneira eficaz para manter o conforto interno e diminuir o consumo de energia. Gago et al. (2015) identificam o sombreamento de aberturas como uma maneira de permitir a entrada de luz solar, sem aumentar os ganhos térmicos. Shaikh
et al. (2014) apontaram que com o uso da automação predial de sistemas e equipamentos, é possível reduzir o consumo elétrico em 30%.
Pesquisas como estas evidenciam a importância da busca pelo conhecimento de técnicas que visem a eficiência e o conforto da edificação. Por este motivo, o presente estudo visa solucionar a falta de controle de entrada de luz solar em uma sala de aula. Além do desconforto visual causado pelo excesso de iluminação, a radiação solar indesejada proporciona ganhos térmicos que prejudicam a refrigeração. Deste modo, poderá ser possível associar o aumento do conforto do ambiente com a redução da demanda energética.
2 PROBLEMATIZAÇÃO
O crescimento populacional dos últimos anos tem aumentado a preocupação com os impactos ambientais causados, incluindo o uso de recursos naturais para a geração de energia elétrica (LAMBERTS et al., 2014). O clima quente do país aumenta cada vez mais a busca por condicionadores de ar, apresentando como consequência, maior gasto de eletricidade. Entre 2015 e 2016, por exemplo, o balanço energético brasileiro apresentou aumento da oferta de energia elétrica de 615,7 TWh para 619,7 TWh, com mais da metade desta produção sendo proveniente de hidrelétricas (EPE, 2017). No entanto, com a falta de conscientização no consumo de eletricidade e com um regime de chuvas irregular no Brasil, questionou-se até se as hidrelétricas seriam capaz de suprir a demanda de energia elétrica para todo o país (LACO; LEÃO, 2013). Este cenário revela a importância de estudos relacionados à economia de energia e eficiência na construção civil, bem como a conscientização de profissionais e da população em geral. Edificações apresentam, de modo geral, alto potencial para a redução dos custos e economia de energia elétrica, através de estratégias arquitetônicas aliadas ao uso de equipamentos eficientes (PROCEL, 2001). A adequação da edificação com o clima e local no qual estiver inserida, pode proporcionar conforto ao usuário sem que este tenha a necessidade de utilizar energia elétrica, seja para iluminação, refrigeração ou aquecimento.
3 JUSTIFICATIVA
Visando a eficiência da edificação, surge a necessidade da elaboração de projetos que levem em consideração o conforto do ambiente desde a fase de projeto. A integração adequada entre a luz do dia, iluminação artificial, refrigeração do ambiente e a influência do sombreamento deve ser analisada, para que o conforto ao usuário seja fornecido com o mínimo consumo elétrico (BELLIA et al., 2014).
Segundo Al-Tamimi e Fadzil (2011), superfícies que recebem incidência de radiação solar direta devem ser protegidas, com ênfase em fachadas envidraçadas, pois estas permitem maior penetração de calor. Os efeitos da radiação solar através de uma envoltória envidraçada incluem os ganhos solares que geram o sobreaquecimento, bem como a iluminação excessiva, que leva ao desconforto visual (EVOLA et al., 2017).
Hien e Istiadji (2003) apresentaram diferentes tipologias de sombreamento, como solução para os problemas causados por áreas envidraçadas. Como resultado, a melhora na iluminação e ventilação natural variaram de acordo com a tipologia. Os ganhos de temperatura, por outro lado, diminuíram em todas as situações.
A adoção de sistemas de sombreamento adequados mostra-se uma solução eficaz para a diminuição da demanda de energia para resfriamento e iluminação, mantendo o conforto térmico e luminoso (EVOLA et al., 2017). Por este motivo, o sombreamento pode ser uma potencial solução para os problemas causados por áreas envidraçadas em uma sala de aula. Deste modo, torna-se clara a importância da análise de uma técnica com potencial para aumentar o conforto térmico e luminoso e, diminuir o consumo de energia elétrica.
Baseado neste contexto, notou-se a necessidade da análise da sala de aula de uma universidade na cidade de Sinop, MT. A mesma recebe alta incidência solar, devido a grandes áreas de janelas, orientadas a Noroeste, sem qualquer sistema de proteção solar. Por consequência tem-se o desconforto visual por excesso de iluminação, bem como o desconforto térmico causado por ganhos de temperatura. Busca-se através deste estudo analisar a eficiência de um sistema de sombreamento aplicado a esta sala, no que diz respeito a conforto térmico e luminoso.
4 HIPÓTESES
A implantação de um sistema de sombreamento pode diminuir a temperatura do ambiente em locais de clima quente, aproximando-a da temperatura de neutralidade térmica. De mesmo modo, reduz a iluminação excessiva, melhorando a qualidade da iluminação no ambiente.
5 OBJETIVOS
5.1 OBJETIVO GERAL
Analisar o desempenho de um sistema de sombreamento em uma sala de aula de universidade.
5.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Selecionar tipologias de brises eficazes por meio de pesquisas já realizadas; Dimensionar cada tipologia de brise, de acordo com a trajetória solar da cidade
de Sinop, em uma edificação com fachada Noroeste;
Simular os sombreamentos definidos por meio do software DesignBuilder; Definir qual o brise mais eficiente com base no consumo de energia elétrica
para iluminação e refrigeração do ambiente;
Implantar o sistema de sombreamento escolhido em uma sala de aula da UNEMAT – Universidade do estado de Mato Grosso, campus de Sinop;
Avaliar o efeito do sombreamento na sala, em relação ao conforto térmico e luminoso.
6 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Com a crise do petróleo de 1973 e a intensa migração da população para os centros urbanos nos anos 80, a demanda de eletricidade aumentou significativamente, trazendo os inconvenientes impactos ambientais e sociais para sua produção (LAMBERTS et al., 2014). Segundo o Balanço Energético Nacional (BEN), edificações que incluem o setor residencial, comercial e público, são responsáveis por 42,8% do consumo total de energia no Brasil (EPE, 2017). Em prédios públicos, por exemplo, o principal foco é o gasto energético para manter o conforto interno dos ambientes, seja com iluminação, ar condicionado ou aquecedores, como pode ser visualizado na Figura 1 (PROCEL, 2001).
Figura 1 - Consumo de energia elétrica em prédios públicos no Brasil Fonte: (PROCEL, 2001)
A expansão contínua da demanda energética traz a necessidade do consumo racional e do combate aos desperdícios. A eficiência energética surge como uma possibilidade de manter os mesmos níveis de conforto no ambiente, consumindo menos recursos para tanto (NUNES, 2010). Visto isso, tem-se a importância da criação de ambientes com estratégias pensadas desde a fase de projeto, que incluem a consideração do clima local, uso de luz natural, resfriamento e aquecimento passivo.
Apesar de a eficiência energética ser importante atualmente, o principal custo para uma empresa não é relacionado a eletricidade e sim, aos gastos com funcionários. Este, segundo Leão (2015), pode chegar a 80% do custo total, enquanto o custo de ocupação (que inclui a construção, refrigeração e iluminação) é de apenas 8%. Portanto, ao melhorar o conforto ambiental e por consequência as condições de trabalho, maior será a eficiência do funcionário e maior será a possibilidade da otimização de custos.
Isto foi comprovado em estudos como os de Wargocki e Wyon (2007) e Batiz et al. (2009), pois concluíram que o conforto ambiental (conforto térmico, visual e boa qualidade do ar) está diretamente ligado com a eficiência do usuário, aumentando a concentração, memória e agilidade para a realização de tarefas. Portanto, o conforto do usuário em relação ao ambiente passou a ser o principal foco de construções, pois influencia diretamente na produtividade.
6.1 CONFORTO TÉRMICO
O conforto térmico é descrito como uma busca psicológica de satisfação com o ambiente, natural do homem (BATIZ et al., 2009). Se as trocas de calor do corpo com o ambiente forem nulas e se a pele estiver dentro de um limite de temperatura, pode-se concluir que o homem está confortável termicamente. Estudos acerca deste assunto visam definir as condições necessárias para ambientes serem adequados às atividades humanas, assim como definir métodos de análise da situação local (LAMBERTS et al., 2011). A NBR 16401-2 define como padrão de conforto, temperaturas de 22,5°C a 26°C para o verão, e de 21°C a 24°C para o inverno, dependendo da umidade do ar (ABNT, 2008).
A ISO 7730 menciona que o conforto térmico pode ser influenciado por parâmetros divididos em duas classes: variáveis ambientais e individuais (ISO, 2005). As ambientais são: temperatura, velocidade e umidade relativa do ar e temperatura radiante média. As variáveis humanas são: metabolismo do usuário, de acordo com a atividade do mesmo, e resistência térmica, conforme a vestimenta (Figura 2). Conforme Lamberts et al. (2011), quando o uma pessoa é submetida a situações extremas de frio ou calor, entra em um estado chamado stress térmico. Os sintomas envolvem debilitação da saúde e queda da produtividade.
Figura 2 - Parâmetros do conforto térmico Fonte: (LAMBERTS et al., 2014)
Uma boa arquitetura deve atender, simultaneamente, à eficiência energética e às necessidades de conforto (LAMBERTS et al., 2014). Segundo Didoné e Pereira (2009), questões relacionadas ao gasto de energia e ao meio ambiente devem ser pensadas logo na primeira fase de projeto. Para que isso seja possível, o clima e o local da obra devem ser analisados antes de qualquer outro elemento de projeto e, estes devem adequar fatores como a forma e a orientação da edificação. De modo geral, no Brasil a arquitetura possui características marcantes de outros países e, muitas vezes, são impróprias para o clima brasileiro (NEVES; CARAM, 2003).
Portanto, devem ser analisadas soluções para que o ambiente interno se adeque para garantir altos níveis de conforto, com economia de energia, de acordo com o local onde a edificação será inserida. Combinações de diversas técnicas passivas de resfriamento ou aquecimento do ambiente podem ser utilizadas para atingir as temperaturas desejadas, como: ventilação natural, inércia térmica, análise da absortância, refletância, transmitância dos elementos construtivos, controle da dimensão e sombreamento de aberturas. Caso soluções como estas não sejam suficientes, há ainda técnicas ativas, como ar condicionado e aquecedor.
6.2 CONFORTO VISUAL
O conforto visual corresponde ao conjunto de condições no ambiente, necessário para o ser humano conseguir realizar suas tarefas visuais com o máximo de cuidado e precisão visual, com o mínimo de esforço visual, de risco de prejuízos a visão e de risco de acidentes. Essas condições são: adequado nível de iluminância, boa distribuição de luz, contraste ideal, bom padrão e direção de sombras, boa
definição de cores e ausência de ofuscamento, sendo que cada um depende da tarefa visual a ser realizada em cada ambiente (LAMBERTS et al., 2014). Como consta na NBR 8995-1, os níveis de iluminância ideal variam de 20 a 20.000 lux, de acordo com a classe da tarefa visual. Salas de aula, por exemplo, devem manter a iluminação entre 200 e 500 lux (ABNT, 2013).
Li (2010) relata que a luz natural é uma das estratégias mais eficientes e sustentáveis para aumentar o conforto visual, pois, a luz solar é considerada a melhor para a interpretação de cores, com qualidade que mais se aproxima da resposta humana. Segundo Alrubaih et al. (2013), a iluminação natural é um importante elemento arquitetônico para criar um ambiente interno prazeroso. Bavaresco (2016) relatou em seu estudo, que usuários abrem persianas principalmente pelo conforto proporcionado pela luz solar. Ainda, alguns estudos comprovam que a iluminação natural proporciona economia energética na edificação. Segundo Didoné e Pereira (2009) o aproveitamento da luz solar proporcionou uma redução de 20 a 62% na energia gasta com iluminação artificial. Vale ressaltar que no Brasil a luz proveniente do sol é farta no período diurno, correspondente ao horário de funcionamento da maioria das edificações não residenciais (DIDONÉ; PEREIRA, 2010).
No entanto, a luz solar direta tem nível de iluminância que varia entre 60.000 a 100.000 lux, valor muito além do ideal para ser utilizado sobre o plano de trabalho (LAMBERTS et al., 2014). Segundo Bavaresco (2016), o principal motivo que leva o usuário a bloquear a entrada de luz solar é a intensa iluminação sobre a superfície de trabalho, que provoca desconforto visual. Este desconforto, somado à componente térmica da radiação solar, leva alguns projetistas a bloquearem completamente sua entrada no ambiente (LAMBERTS et al., 2014).
Portanto, é necessário que o design da envoltória e o tamanho das aberturas sejam adequados e integrados com sistemas de seleção da luz solar. Assim, pode-se alcançar redução não apenas do uso de iluminação artificial, mas também no consumo de energia para a refrigeração (ALRUBAIH et al., 2013). Didoné e Pereira (2010) mostraram a redução de 12 a 52% no consumo final de energia, incluindo a utilizada para refrigeração e iluminação do ambiente.
A tendência atual de edificações com grandes fachadas envidraçadas trouxe o superaquecimento dos ambientes e problemas de muita luminosidade, como reflexos e ofuscamentos (BERARDI; ANARAKI, 2015). Segundo Skarning et al. (2017), mesmo lugares que necessitam de aquecimento, passam a ter sobrecarga térmica devido ao uso de aberturas exageradas. Didoné e Pereira (2009) deram o exemplo da cidade brasileira Florianópolis, que faz o uso desmoderado de fachadas envidraçadas e a abundância de raios solares passa a superaquecer o ambiente. Desta maneira, sistemas de sombreamento passaram a ser necessários para auxiliar no conforto térmico e eficiência energética da edificação, podendo ser pensados como elemento compositivo da fachada e linguagem arquitetônica do edifício (LAMBERTS et al., 2014).
Os dispositivos de proteção solar tem como principal função o impedimento da incidência solar direta em superfícies verticais, principalmente as translúcidas e as aberturas (GUTIERREZ; LABAKI, 2005). O brise-soleil é, possivelmente, um dos sistemas mais simples de iluminação natural. Composto por elemementos geralmente planos, que podem ser horizontais, verticais ou inclinados; internos, externos ou ambos; e são posicionados em qualquer posição da janela para redistribuir a iluminação solar (CLAROS; SOLER, 2001).
O ideal consiste em dispositivos que permitam a entrada de luz sem o ofuscamento e que barrem o infravermelho, componente térmica da radiação solar. Berardi e Anaraki (2015) relataram a eficiência de brises-soleil para aumentar a entrada e melhorar a distribuição da luz no ambiente. Skarning et al. (2017) testaram brises móveis e relataram aumento da iluminância ideal e a eliminação quase completa de temperaturas excessivas.
A eficiência do sistema de proteção dependerá do clima do local, da orientação da abertura, do tipo de brise utilizado, do material do dispositivo e do período para qual foi projetado (GUTIERREZ; LABAKI, 2005). Conforme é frisado por Lamberts, Dutra e Pereira (2014), é imprescindível a integração do local que a edificação será inserida e, portanto, analise criteriosa do clima e da trajetória solar.
No entanto, segundo Gutierrez e Labaki (2005) ainda não há metodologia definida como padrão para o desenvolvimento e avaliação destes sistemas. A quantidade de variáveis oriundas do local de inserção da obra, o custo de
equipamentos e o período de medições são fatores que dificultam a comparação entre estudos. Uma metodologia amplamente utilizada para a análise do local, em estudos como os de Gutierrez e Labaki (2005), Leitzke et al. (2017) e Lamberts et al. (2014), é a carta solar.
6.3.1 Carta Solar
A carta solar é uma ferramenta de auxilio que projeta a trajetória solar ao longo da abóbada celeste, em um determinado local (Figura 3). Depende principalmente da altitude em questão, que indicará a trajetória, a altitude e o azimute solar, para cada hora do dia e de cada mês do ano (Figura 4). É amplamente utilizada por projetistas, por exemplo, para saber o quanto de radiação solar vai penetrar por uma abertura, se será necessário algum tipo de sombreamento e, qual sera o sombreamento mais eficaz para cada caso (LAMBERTS et al., 2014).
Figura 3 - Trajetória solar ao longo da abóbada celeste, de um dia qualquer Fonte: (LAMBERTS et al., 2014)
Figura 4 - Leitura de uma carta solar Fonte: (LAMBERTS et al., 2014)
6.3.2 Estado da arte
Alzoubi e Al-Zoubi (2010) avaliaram o desempenho de dispositivos de sombreamento nas posições vertical e horizontal para encontrar a situação ideal, que integrasse uma boa iluminação natural com o mínimo de ganhos de calor. Escritórios na cidade Amã, na Jordânia, com fachadas de orientação sul, foram simulados com o software lightscape. Os dispositivos de sombreamento eram persianas simples, de dimensões conforme a Figura 5:
Figura 5 - Persianas verticais e horizontais Fonte: (ALZOUBI; AL-ZOUBI, 2009)
Como resultado, ambos os dispositivos melhoraram a distribuição de luz no ambiente, diminuíram o nível de iluminância acima do ideal e o gasto de energia elétrica para manter a iluminação em níveis ideais. Para o caso, os brises verticais foram mais eficientes, providenciando melhor iluminação e o mínimo de ganhos solares.
De maneira semelhante, Mandalaki et al., (2012) avaliaram dispositivos de sombreamento integrados com painéis fotovoltaicos, de acordo com a eficiência energética. Foram considerados dois edifícios do clima mediterrâneo na Grécia, em cidades com diferentes latitudes: um em Atenas e o outro em Chania. As fachadas
sombreadas eram orientadas a sul. Os tipos de sombreamento avaliados podem ser observados na Figura 6:
Figura 6- Sistemas de sombreamento Fonte: (MANDALAKI et al., 2012)
Os sistemas de sombreamento que apresentaram a menor demanda de energia, considerando aquecimento, resfriamento e iluminação foram:
- Chania: Surrounding shading, Soleil full facade, Soleil semi facade, Brise-Soleil semi facade with louvers and Canopy inclined double.
- Atenas: Surrounding shading, Canopy Inclined double and Brise-Soleil full facade.
Como, neste caso, os painéis fotovoltaicos podem ser utilizados para o aquecimento e resfriamento do ambiente, o sistema de sombreamento mais eficiente em termos de iluminação foi o Surrounding shading, para ambas cidades.
No Brasil, Lamberts (2005) indicou persianas externas (Figura 7) como indicadas para sombreamento de fachadas leste e oeste. Estas configuram um sistema de sombreamento externo maleável quanto às dimensões e aos ângulos de inclinação, podendo ser fixas ou ajustáveis de forma manual ou automatizada.
Figura 7 - Sombreamento com persianas externas Fonte: (ARCSTRUCTURES apud LAMBERTS, 2005)
6.4 SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO
O sistema de automação de construção objetiva o controle e monitoramento de serviços responsáveis pelo aquecimento, ventilação, ar condicionado, trocas de ar, iluminação, sombreamento e entre outros (DOMINGUES et al., 2016). Podem utilizar sistemas que façam a medição da iluminância, umidade, temperatura, presença de usuários e etc., para o gerenciamento das variáveis e dos equipamentos responsáveis por manter o conforto no ambiente (BRAMBLEY et al., 2005).
Segundo Domingues et al. (2016) a importância da utilização destes sistemas é devida ao potencial para a redução da demanda de eletricidade, facilitando a economia de gastos e melhorando a satisfação dos ocupantes. Aghemo et al. (2014), comprovaram a eficiência de sistemas de automação da iluminação e refrigeração, através de um estudo em escritórios na Itália que apresentaram economias de energia entre 17% e 32%.
6.5 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL
A simulação computacional termo energética tem recebido maior atenção conforme a necessidade da economia de eletricidade tem aumentado. Ferramentas de softwares de simulação possibilitam análises de conforto e eficiência antes da
construção da edificação, bem como análises mais complexas, como a transferência de calor, que geralmente não podem ser feitas manualmente.
Será utilizado o software de simulação DesignBuilder, devido a disponibilidade na universidade onde será realizado o estudo.
6.5.1 DesignBuilder
O DesignBuilder é uma interface do software de simulação energética EnergyPlus e foi criado para facilitar a introdução de geometrias e a modelação de edifícios. O EnergyPlus simula o consumo de energia da edificação, para um determinado período de tempo, analisando aquecimento, refrigeração, temperaturas interiores e de superfícies, entre outros parâmetros (LOPES, 2012). Além disso, pode identificar alternativas para melhoria na eficiência energética e a estimativa na redução da demanda de eletricidade que pode ser alcançada.
7 METODOLOGIA
A pesquisa pretende avaliar a eficiência de um sistema de sombreamento que será implantado em uma sala de aula de uma universidade. Com este objetivo, estudos anteriores servirão como base para a determinação de variadas tipologias de sistemas de sombreamento. Estes serão dimensionados de acordo com a trajetória solar respectiva do local e, simulados para a determinação das melhores características de um brise para o caso.
Após a determinação do sombreamento, o brise será instalado em uma sala de aula da UNEMAT, campus Sinop, MT. Em seguida, as variáveis como temperatura ambiente e nível de iluminância serão mensuradas na sala que receberá o sistema de sombreamento e, em uma sala padrão, sem o sombreamento. Com isso, será possível comparar e avaliar a influência do brise escolhido no conforto térmico e luminoso do usuário das salas.
Figura 8 - Esquematização da metodologia Fonte: Autor (2017)
7.1 LOCAL DE ESTUDO
7.1.1 Estado de Mato Grosso
Destaca-se por sua grande extensão territorial quando comparado com outros estados do Brasil, ocupando 10,61% de todo território do país. Conta com área
territorial de 903.378,292 km² (IBGE, 2010), abrangendo uma grande diversidade ecológica com ocorrência de cerrados, floresta tropical úmida e planícies do pantanal. O clima é definido por duas estações: chuvosa (de outubro a abril) e seca (de maio a setembro), com precipitações anuais que variam de aproximadamente 1.200 a 2.000mm, concentrando maiores níveis no norte do estado (SOUZA et al., 2013).
7.1.2 Cidade Sinop
Localizada na região norte do Mato Grosso, a 483,4 km da capital Cuiabá, latitude 11°50’53’’ Sul, longitude 55°38’57’’ Oeste e a 384m de altitude. Sua área territorial é de aproximadamente 3.942,229 km² e população estimada para 2017 de 135.874 pessoas (IBGE, 2010). Segundo Souza et al. (2013) a precipitação anual média é de 1974,47 mm e a média de temperatura anual é de 24°C.
7.1.3 Universidade do Estado de Mato Grosso – UNEMAT
A pesquisa pretende avaliar sistemas de sombreamento que serão inseridos em aberturas da fachada Nordeste de uma sala de aula da UNEMAT, campus Sinop. A Figura 9 e a Figura 10 trazem, respectivamente, a localização do campus da universidade e a fachada avaliada com sua orientação, em planta.
Figura 9 - Localização da UNEMAT, campus Sinop Fonte: Adaptado Google Earth (2017)
Figura 10 - Fachada a 33° Nordeste da universidade Fonte: Autor (2017)
7.2 PASSO 1: DETERMINAÇÃO DO SISTEMA DE SOMBREAMENTO
Algumas tipologias de brise serão selecionadas de acordo com a revisão bibliográfica. Estudos como o de Alzoubi e Al-Zoubi (2010), Lamberts (2005) e Mandalaki et al. (2012) já avaliaram diversas combinações de sombreamento, encontrando os mais eficientes para cada caso. Com isso, o estudo partirá de sistemas que já resultaram em um bom desempenho. Considerando que o Brasil está situado no sul do continente (recebendo maior insolação da orientação norte), que a fachada avaliada está orientada a 33º nordeste e relacionando estes dados com estudos já realizados, o sombreamento horizontal será considerado como melhor opção neste caso.
A partir disto, a tipologia determinada será adaptada ao local de estudo, visto que é imprescindível a adequação das técnicas a serem empregadas para o clima de onde a edificação está inserida (LAMBERTS et al., 2014). Para isto, a carta solar correspondente a latitude de Sinop será obtida a partir do software SOL-AR disponibilizado gratuitamente pelo Laboratório de Eficiência Energética em Edificações (LABEEE). Com base na trajetória solar, é possível determinar dimensões necessárias para um sombreamento adequado.
Assim, é possível obter algumas combinações quanto à tipologia e às dimensões de sombreamento, variando o número de lâminas, a inclinação das mesmas e a conciliação destas com brises verticais. Estas variações de brises serão
simuladas pois, desta maneira, será possível avaliar o desempenho de cada, integrado à edificação. Será determinado como sombreamento ideal o qual apresentar mais eficiência, isto é, menor valor de consumo elétrico ao considerar iluminação artificial e ar condicionado.
7.2.1 Simulação Computacional
Os dados computados serão compatíveis com as características construtivas existentes, como dimensões da sala e das aberturas (Figura 11), orientação da fachada, tipo e coloração da vedação, cobertura e aparelhos eletrônicos utilizados internamente. O perfil do usuário e o número de ocupantes também serão correspondentes ao real. A pesquisa será dotada de duas salas de aula: uma considerada como modelo padrão, condizente com a situação atual; a outra será dotada de sistema de automação e sombreamento das aberturas.
Figura 11- Dimensões de sala da sala de aula analisada (metros) Fonte: Autor (2017)
A inserção de dados climáticos sobre o local também é necessária para a simulação. No entanto, será utilizado o arquivo climático (EPW - EnergyPlus Weather
File) da cidade de Cuiabá-MT, pelo fato de Sinop ainda não apresentar disponibilidade destas informações.
Será necessário o ajuste de dados específicos sobre a edificação, como dados construtivos, refrigeração, ventilação natural, nível de iluminância, perfil de ocupação, equipamentos utilizados e atividade metabólica dos ocupantes, que seguirá o modelo construído e as normas vigentes.
Uma vez que a modelagem dos ambientes estiver pronta, será analisado o efeito do brise em uma sala automatizada. Nesta, serão controladas variáveis do ambiente como temperatura, umidade relativa, nível de iluminância. Através deste controle, será possível avaliar a eficiência do brise para que o conforto no ambiente seja alcançado com economia.
O objetivo da automação é manter a temperatura de neutralidade definida para Sinop por e a iluminação mínima exigida na NBR 8995-1 (ABNT, 2013). Desta maneira, o sombreamento integrará um nível de iluminação suficiente para diminuir o uso da iluminação artificial, sem aumentar os ganhos solares e o uso com ar condicionado.
A análise será relacionada com um ambiente padrão, representativo da situação atual da sala de aula. Ela não receberá o sombreamento nas aberturas, a iluminação artificial e o ar condicionado funcionarão de acordo com o horário das aulas. Isso se deve ao fato de que o sistema de iluminação e o de refrigeração são acionados por funcionários da universidade no início das aulas de cada período (7:00, 13:00 e 19:00) e desligados no fim dos mesmos (11:00, 17:00 e 23:00). As aberturas permanecerão fechadas, como ocorre no campus.
Será realizada uma simulação para cada tipologia de brise, e será escolhido o que apresentar maior economia de energia (sistema de iluminação artificial e sistema de refrigeração do ar) em relação à sala padrão. A partir do resultado da simulação, será implantado na sala de aula da UNEMAT um sistema de sombreamento com maior possibilidade de resultar em um bom desempenho térmico e luminoso.
7.3 PASSO 2: COLETA DE DADOS
7.3.1 Variáveis Climáticas
Para a obtenção das variáveis climáticas ambientais como temperatura e velocidade do ar, temperatura radiante e umidade, será utilizado um aparelho portátil
com um conjunto de sensores conectados, o Datalogger HD 32.1 Delta OHM (Figura 12). As variáveis ficarão armazenadas no aparelho e posteriormente transferidas para o computador.
Figura 12 - Datalogger HD 32.1 Delta OHM Fonte: (MANUAL HD 32.1, 2009)
Para este estudo, 3 destes sensores serão utilizados: sonda combinada para a medição de temperatura e umidade relativa do ar (Figura 13); anemômetro de fio quente para a determinação da velocidade do ar (Figura 14); termômetro de globo negro para a leitura da temperatura radiante (Figura 15).
Figura 13 - Sonda Combinada Fonte: (MANUAL HD 32.1 2009)
Figura 14 - Anemômetro de fio quente Fonte: (MANUAL HD 32.1, 2009)
Figura 15 - Termômetro de globo negro Fonte: (MANUAL HD 32.1, 2009)
Cada ambiente deverá ser classificado em homogêneo ou heterogêneo e em estacionário ou não com relação ao ocupante. Um ambiente é considerado homogêneo quando apresenta variáveis ambientais praticamente constantes, e
estacionário quando as variáveis utilizadas para relatar o nível de exposição de calor ao usuário sejam praticamente independentes do tempo (LAMBERTS et al., 2011).
Por recomendações da ISO 7726 (ISO, 1998) o aparelho será posicionado a 0,60m do piso, para reproduzir a altura do abdômen de um usuário sentado. Segundo Straub et al. (2017), o aparelho deve permanecer por um período de 15 minutos em aclimatação, devido as diferenças de condições climáticas entre o exterior e interior do ambiente. Apenas após este período, as medições serão iniciadas.
A medição das variáveis ambientais realizada pelos sensores terá duração de 5 minutos, com registro de dados a cada 30 segundos. Ao fim de cada medição, todos os valores serão integrados para resultar em um valor médio. A coleta de dados será realizada nos meses março, abril, maio, junho e julho. Assim, as informações serão referentes as duas estações locais: seca e chuva.
7.3.1.1 Manipulação dos dados
Para a comparação das variáveis climáticas com a temperatura de neutralidade definida por Straub et al. (2017), tem-se a necessidade do conhecimento da temperatura operativa. Este parâmetro é utilizado por se aproximar com a percepção do usuário em relação ao ambiente e é empregado na avaliação do conforto térmico no interior dos ambientes. Pode ser determinado através da Equação 1 (LAMBERTS et al., 2011): rm a op At A t t . (1 ). Equação 1 Sendo:
top: temperatura operativa;
A: constante estimada em função da velocidade do ar, conforme a Tabela 1; ta: temperatura do ar;
trm: temperatura média radiante.
Tabela 1 - Determinação da constante A A Velocidade do ar (m/s) 0,5 <0,2
0,6 0,2 a 0,6 0,7 0,6 a 1,0
Para a determinação da variável temperatura média radiante, é necessário o cálculo com o dado obtido através do termômetro de globo. Este, é dado pela Equação 1 quando a ventilação for por convecção natural, ou pela Equação 2, caso a ventilação seja por convecção forçada.
273 ) .( | | . 10 . 4 , 0 ) 273 ( 4 4 84 g g a a g rm t t t t t t Equação 2 4 ( 273)4 2,5.108.( )273 a g g rm t t t t Equação 3 Sendo:
trm: temperatura média radiante;
tg: temperatura do termômetro de globo; ta: temperatura do ar;
O tipo de ventilação é definido através das equações abaixo. A equação que apresentar maior valor, caracterizará o tipo de ventilação em questão.
4 ( ) .. 4 , 1 D t t
hcg g a (convecção natural) Equação 4 0,4 6 , 0 . 3 , 6 D v
hcg (convecção forçada) Equação 5
Nas quais:
hcg: coeficiente de troca de calor por convecção; tg: temperatura do termômetro de globo;
ta: temperatura do ar;
D: diâmetro do globo, em centímetros.
7.3.2 Iluminação
Para a medição do nível de iluminância das duas salas, será utilizado um luxímetro da Instrutemp modelo ITDL- 270 (Figura 16). Este será posicionado paralelamente à superfície avaliada, sendo esta de altura correspondente ao plano de trabalho das carteiras da sala de aula. O aparelho deve ser mantido no local da medição por aproximadamente 5 minutos antes da primeira leitura, evitando sombras e incidência de radiação solar direta.
Figura 16 - Luxímetro Fonte: (INSTRUTEMP, 2007)
A coleta de dados de iluminação também será realizada entre os meses março e julho, para que sejam consideradas as diferentes situações de céu (encoberto no período chuvoso e aberto no período de estiagem). Para a medição de pontos suficientes do ambiente, será seguida a recomendação da NBR 15215-4 (ABNT, 2004) dada pela Equação 6:
) .( . L C H L C K m Equação 6 Onde: L: largura do ambiente (m); C: comprimento do ambiente (m); K: Índice do local;
Hm: distância vertical (em metros) entre a superfície de trabalho e o topo da janela. Caso o peitoril esteja a mais de 1m acima do plano de trabalho, deve-se utilizar Hm = Hm’= distância vertical entre a superfície e o peitoril (Figura 17).
Figura 17 - Determinação de Hm
Fonte: (ABNT, 2004)
Uma vez determinado o valor de K, será utilizada a Tabela 2 disponibilizada pela norma, para a determinação do número mínimo de pontos a serem medidos.
Tabela 2 - Quantidade mínima de pontos a serem medidos K Nº de pontos
K< 1 9 1 ≤ K < 2 16 2 ≤ K < 3 25 K ≥ 3 36
Fonte: Adaptado de ABNT (2004)
A área do ambiente será dividida em áreas iguais, com formatos próximos a quadrados, evitando a colocação de pontos a uma distância menor que 0,5m da parede. A iluminância (Ej) será medida o mais próximo do centro da área quanto possível, para que d1=d2, como ilustrado na Figura 18.
Figura 18 - Malha de pontos a serem medidos Fonte: (ABNT, 2004)
7.4 PASSO 3: ANÁLISE DOS DADOS
7.4.1 Variáveis Climáticas
Um estudo realizado por Straub et al. (2017) definiu a temperatura de neutralidade (temperatura na qual a pessoa não prefira nem mais frio, nem mais calor) de estudantes em salas de aula climatizadas para as zonas bioclimáticas do Mato Grosso. Sinop, representante da zona bioclimática 5 apresentou como temperaturas de neutralidade:
a) 26,05°C para a estação chuvosa, com intervalo de aceitabilidade de 22,55°C/29,55°C;
b) 25,42°C para a estação seca, com intervalo de aceitabilidade de 21,76°C/29,07°C;
Os dados coletados com o Datalogger serão utilizados para a determinação da temperatura operativa do ambiente e esta será relacionada com os intervalos apresentados por Straub et al. (2017). A sala com a aplicação do sistema de sombreamento será analisada e comparada com a sala padrão.
7.4.2 Iluminação
Os pontos medidos serão classificados de acordo com o nível de iluminância, baseado na NBR 8995-1 (ABNT, 2013) sendo:
- Abaixo de 200 lux = iluminação insuficiente; - De 200 a 500 lux = iluminação ideal;
- Acima de 500 lux = excesso de iluminação.
Será analisado o efeito do sistema de sombreamento na iluminação do ambiente, comparando os resultados da sala padrão e da sala sombreada.
8 CRONOGRAMA
ATIVIDADES
2018
JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET
Encontros com o orientador Revisão bibliográfica Determinação da tipologia a partir da bibliografia Dimensionamento das tipologias selecionadas através da carta solar Simulação termo energética para escolha do brise Implantação do sombreamento escolhido na sala de aula Medição das variáveis climáticas Medição do nível de iluminação Manipulação dos dados Análise dos resultados
Comparação entre os dados da sala sombreada com os dados da sala padrão Elaboração do artigo Revisão e entrega do artigo Apresentação do artigo em banca
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