UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo
BEATRIZ ARANTES
FACHADAS SAZONALMENTE ADAPTÁVEIS:
POTENCIAL DE MELHORIA DE DESEMPENHO
TERMO-ENERGÉTICO DE EDIFÍCIOS RESIDENCIAIS
CAMPINAS 2019
FACHADAS SAZONALMENTE ADAPTÁVEIS:
POTENCIAL DE MELHORIA DE DESEMPENHO
TERMO-ENERGÉTICO DE EDIFÍCIOS RESIDENCIAIS
Tese de Doutorado apresentada a Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Unicamp, para obtenção do título de Doutora em Arquitetura, Tecnologia e Cidade, na área de Arquitetura, Tecnologia e Cidade.
Orientadora: Profa. Dra. Lucila Chebel Labaki
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO OU TESE DEFENDIDA PELA ALUNA BEATRIZ ARANTES E ORIENTADA PELA PROFA. DRA. LUCILA CHEBEL LABAKI ASSINATURA DA ORIENTADORA ___________________________________ CAMPINAS 2019
Rose Meire da Silva - CRB 8/5974
Arantes, Beatriz,
Ar14f AraFachadas sazonalmente adaptáveis : potencial de melhoria de
desempenho termo-energético de edifícios residenciais / Beatriz Arantes. – Campinas, SP : [s.n.], 2019.
AraOrientador: Lucila Chebel Labaki.
AraTese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo.
Ara1. Fachadas. 2. Edifícios - Desempenho. 3. Conforto térmico. 4. Simulação computacional. I. Labaki, Lucila Chebel, 1943-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Seasonally adaptive facades : potential for thermal performance improvement of residential buildings
Palavras-chave em inglês: Facades
Building - Performance Thermal comfort Computer simulation
Área de concentração: Arquitetura, Tecnologia e Cidade Titulação: Doutora em Arquitetura, Tecnologia e Cidade Banca examinadora:
Lucila Chebel Labaki [Orientador] Leticia de Oliveira Neves
Joana Carla Soares Gonçalves Alberto Hernandez Neto
Nathan Mendes
Data de defesa: 28-02-2019
Programa de Pós-Graduação: Arquitetura, Tecnologia e Cidade
Identificação e informações acadêmicas do(a) aluno(a) - ORCID do autor: https://orcid.org/0000-0003-0679-3761
- Currículo Lattes do autor: http://lattes.cnpq.br/7796011028474154
URBANISMO
FACHADAS SAZONALMENTE ADAPTÁVEIS: POTENCIAL
DE MELHORIA DE DESEMPENHO TERMO-ENERGÉTICO
DE EDIFÍCIOS RESIDENCIAIS
Beatriz Arantes
Tese de Doutorado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:
Profª. Drª. Lucila Chebel Labaki Presidente e Orientadora / UNICAMP
Profª. Drª. Leticia de Oliveira Neves UNICAMP
Profª. Drª. Joana Carla Soares Gonçalves USP
Prof. Dr. Alberto Hernandez Neto USP
Prof. Dr. Nathan Mendes PUC PR
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no SIGA/Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese e na Secretaria do Programa da
Unidade.
Agradeço a todos que colaboraram para a realização deste trabalho e, em particular: a minha orientatora, Professora Dra. Lucila Chebel Labaki pelo acolhimento no grupo de pesquisas (Lacaf), pela orientação, ensinamentos compartilhados e, incentivo para a realização do trabalho;
ao Professor Dr. Daniel Cóstola (Universidade de Strathclyde), pelos ensinamentos e constante disponibilidade em ajudar, sendo de fundamental importância para o desenvolvimento da pesquisa e meu crescimento profissional;
aos colegas membros do Lacaf pelas amizadades formadas e experiências compartilhadas, em especial os amigos Felipe Duarte da Silva Lopes e Angélica Segovia Walsh García presentes desde o início dessa jornada;
aos professores do Programa de Pós Graduação da Faculdade de Engenharia Civil e Arquitetura e Urbanismo pela dedicação e atenção dispensadas durante as aulas;
aos membros do projeto i-NoPa: “Retrofit de edifícios visando o uso de ventilação natural no Brasil” e a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES), agência fomentadora da pesquisa, que me proporcionaram uma enriquecedora experiência de intercâmbio na Alemanha;
a minha mãe e irmãos pelo apoio incondicional; a todos que torceram pelo êxito do trabalho.
O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001.
Melhorias no design, concepção e construção de fachadas desempenham importante papel nos recentes esforços que visam preencher a lacuna da prática atual em direção ao cumprimento das metas de conservação de energia. Fachadas adaptáveis ao clima podem melhorar o desempenho térmico do edifício por meio da modificação de suas propriedades em resposta às condições de contorno ambiental dinâmico. Este trabalho apresenta os resultados de estudo sobre o potencial de melhoria de desempenho termoenergético pelo uso de fachadas sazonalmente adaptáveis ao clima para edifícios residenciais em climas subtropicais úmidos, sem sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado. A pesquisa foi baseada em extensos resultados de simulação de desempenho de edifícios para adaptação sazonal de elementos de vidro e opacos, bem como o percentual de abertura na fachada e esquemas de ventilação. O número de horas de desconforto, de acordo com o modelo adaptativo, foi utilizado como métrica de desempenho. O modelo de caso base, definido com base em um edifício residencial típico no sul do Brasil, tem entre 1500 e 2200 horas de desconforto por ano (ou seja, 17 a 25% das horas do ano, ou uma média de 4 a 6 horas por dia) . Os resultados indicam que fachadas com uma adaptação por ano (inverno x verão) têm o potencial de reduzir este desconforto a valores marginais, independente do esquema de ventilação adotado.
Palavras-chave: Fachada adaptável ao clima; fachada sazonalmente adaptável; desempenho térmico; simulação de desempenho.
Improvements in design, conception and construction of facades play an important role in recent efforts toward meeting energy conservation goals. Climate adaptive building shells can improve building thermal performance by modification of properties in response the dynamic environmental boundary conditions. This reserach reports the outcomes of an investigation on the potential performance improvement by the used of climate adaptive building shells for residential buildings in humid subtropical climates with no heating, ventilation and air conditioning systems. The research was based on extensive building energy simulation results for seasonal adaptation of glazing and opaque elements, as well as window-to-wall ratio and ventilation schemes. The number of discomfort hours, according to the adaptive model, was used as performance metric. The base case model, defined based on a typical residential building in southern Brazil, has between 1500 and 2200 hours of discomfort per year (i.e. 17 to 25% of the hours of the year, or an average of 4 to 6 hours per day). Results indicate that facades with one adaptation per year (winter x summer) have the potential to reduce this discomfort to marginal values, independent of the ventilation scheme adopted.
Keywords: Climate adaptive building shell; seasonally adaptive facades; thermal performance; building performance simulation.
1. Introdução 12
2. Hipótese e objetivos 16
2.1 Hipótese 16
2.2 Objetivos 16
3. Materiais e Métodos 17
4. Fachadas sazonalmente adaptáveis 21
4.1 Contextualização motivadora 23 4.1.1 Metodologia 23 4.1.2 Resultados 25 4.1.3 Conclusões 30 5. Controle de qualidade 32 5.1 Os modelos 32
5.2 Os processos de automatização e simulação computacional 33
5.2.1 As variáveis sazonalmente adaptáveis 33
5.2.2 As rotinas de automatização e simulação computacional 35
5.3 As primeiras simulações computacionais 37
5.3.1 Desempenho da fachada estática 37
5.3.2 Desempenho ótimo de grupo 38
5.3.3 Desempenho ótimo da fachada sazonalmente adaptável 40 5.3.4 Propriedades ótimas da fachada sazonalmente adaptável 41
5.4 Resultados 41
5.5 Conclusões 42
6. Potencial de melhoria no nível de conforto térmico por meio do uso de fachada sazonalmente adaptável: o contexto de edifício residencial com alta
carga térmica em clima subtropical úmido 43
6.1 Metodologia 43
6.2 Análises dos resultados 46
6.2.1 Desempenho ótimo da fachada estática 46
6.2.2 Desempenho das fachadas sazonalmente adaptáveis 47
6.2.3 Desempenho ótimo da fachada sazonalmente adaptável 49
6.3 Conclusões 51
7. Fachadas sazonalmente adaptáveis: potencial de melhoria de desempenho
termo energético de edifícios residenciais 53
7a. A influência da adaptação sazonal das janelas no desempenho térmico de
edifícios residenciais em clima subtropical úmido 58
7a.1 Metodologia 59
7a.1.1 As simulações computacionais 60
7a.1.2 Indicadores de desempenho 61
7a.2 Resultados 61
7a.2.1 Adaptação da janela dotada de vidro simples (U-value= 5,7
W/m²K e g-value=0,86) 61
7a.2.2 A adaptação da janela dotada de vidro duplo (U-value= 1,3
W/m²K e g-value= 0,59) 67
7a.2.3 O desempenho de diferentes configurações de fachadas
sazonalmente adaptáveis 71
7a.3 Conclusões 73
7b. Desempenho térmico de fachadas sazonalmente adaptáveis para edifícios
residenciais em clima subtropical úmido 75
7b.1 Metodologia 75
7b.1.1 Simulações e estratégia de otimização 76
7b.1.2 Indicadores de desempenho 77
7b.2 Resultados 78
7b.2.1 Fachadas estáticas aprimoradas 78
7b.2.2 Parâmetro de adaptação mensal no grupo de nível I (PAF,
set-point de fechamento das persianas, tipo de ventilação) 79
7b.2.3 Parâmetro de adaptação mensal no grupo de nível II (melhoria das propriedades do vidro, set-point de fechamento das
persianas, tipo de ventilação 81
7b.2.4 Fachada estática globalmente aprimorada 83
7b.2.5 Parâmetro de adaptação mensal no grupo de nível III (fachada
1
INTRODUÇÃO
As edificações são responsáveis pelo consumo aproximado de 32% da demanda global de energia [1]. O consumo energético dos setores residencial e comercial representa 20% da energia total mundialmente consumida. Prevê-se o crescimento de 1,4% ao ano no consumo energético residencial mundial entre os anos de 2012 a 2040 [2]. A projeção de aumento de consumo energético residencial nos países não pertencentes à OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) é de 2,1% por ano, sendo resultante do crescimento econômico e do aumento da expectativa de vida. Nos países membros da OECD a projeção do crescimento do consumo energético no setor residencial é na ordem de 0,6% por ano, resultante, entre outros fatores, das melhorias na construção das fachadas e maior eficiência de equipamentos [2].O uso de energia para a climatização artificial de edifícios mais que triplicou entre os anos de 1990 e 2016, crescendo mais que qualquer outro uso final no mundo todo. O uso de aparelhos de condicionamento ambiental, sejam ventiladores elétricos ou aparelhos de ar condicionado, contribui significativamente para o aumento da demanda global de energia. Atualmente, a maior quantidade de aparelhos de ar condicionado está concentrada em um pequeno número de países, mas os números estão subindo rapidamente nas economias emergentes e tais aparelhos podem estar presentes em cerca de 2/3 dos edifícios residenciais do mundo no ano de 2050 [3]. O significativo uso e/ou o incremento do uso dos condicionadores ambientais é justificado pela busca por melhores índices de conforto térmico no interior dos edifícios. Os usuários têm se tornado mais exigentes, e ainda é recorrente a produção de moradias de baixo desempenho termo-energético [4].
No Brasil, as previsões de carga para o Planejamento Anual da Operação Energética para o período 2019-2023 indicam um crescimento médio anual da carga de energia do Sistema Interligado Nacional (SIN) de 3,7% ao ano [5]. O consumo energético em
edificações1 brasileiras corresponde a aproximadamente 51% do consumo de eletricidade total no país. Ficando atrás do setor industrial, o setor residencial foi o segundo maior consumidor de energia elétrica no ano de 2017 no Brasil e, em conjunto ao setor comercial consumiu, aproximadamente, 43% da energia elétrica do país [6]. Com estimativa crescente, o setor residencial deve alcançar 29,1% de participação no consumo energético total da rede no ano de 2021 e, embora se mantendo no primeiro posto, o setor industrial deve reduzir sua participação no consumo energético (34,9%) no referido ano [7].
Entre 2005 e 2017, o consumo de energia elétrica do setor residencial brasileiro apresentou crescimento de 61%, sendo fortemente influenciado pela elevação do uso de aparelhos de ar-condicionado. Estima-se que o consumo de energia elétrica por condicionadores de ar no setor residencial tenha aumentado, aproximadamente, 237% nos últimos 12 anos [8]. Os últimos dados acerca do consumo energético residencial brasileiro referem-se a novembro/2018. No referido mês, o consumo do setor no país registrou crescimento de 1,5%, apenas no Nordeste (+6,5%) e no Sul (+4,1%) o crescimento foi maior, influenciados pelas altas temperaturas que resultam na maior demanda por climatização ambiental [9].
Em 2016, os grandes equipamentos eletrônicos, somado com as lâmpadas, foram responsáveis por 81% do consumo total de eletricidade nos domicílios brasileiros. O item responsável pelo maior consumo elétrico nas residências é a geladeira seguida do chuveiro elétrico e a televisão. Merece destaque o crescimento da participação do ar condicionado que em 2005 respondia por 7% do consumo e em 2016 representou 13%, resultado do aumento da posse nos últimos anos [10]. Quando estimada a posse de equipamentos elétricos nas residências brasileiras, prevê-se maior incremento na propriedade de aparelhos de ar condicionado, que passou do patamar de 0,23 em 2013 para 0,43 em 2018, devendo atingir as marcas de 0,96 em 2035 e 1,37 unidades em 2050 [8], [11].
A demanda crescente por climatização artificial pode inserir grande impacto sobre o sistema elétrico do país. O aumento das cargas de condicionadores de ar pode elevar não apenas as necessidades gerais de energia, mas também a necessidade de geração e distribuição para atender à demanda nos horários de pico, adicionando maior impacto sobre o sistema energético nacional. Além disso, o aumento da demanda por ar condicionado
pode estar intimamente relacionado com o aumento da poluição, incluindo emissões de gases do efeito estufa. Nos países onde a demanda adicional por climatização é atendida principalmente por usinas térmicas, o resultado pode ser o aumento significativo das emissões de carbono que contribuem para o aquecimento global [8]. Tendo em vista a estimativa de aumento da população brasileira nos próximos 30 anos [12] e o caráter urbano do país, que teve o incremento de sua taxa de urbanização até o ano de 2000, quando o ritmo de crescimento da população em áreas urbanas passa a desacelerar (mas não apresentar retração) [13], [14], a não adoção de medidas de conservação de energia acarretará em maiores incrementos dos níveis de consumo energético.
As edificações são inseridas em ambientes dinâmicos e complexos [15], sendo conhecida a influência exercida pelo clima sobre o desempenho de edifícios [16], [17]. Como interface entre os meios externos e internos, as fachadas exercem influência direta sobre o consumo energético e qualidade dos ambientes internos [18]; [19] [20], [21]. Sistemas de fachadas inteligentes, ou adaptáveis, diferem dos sistemas tradicionais à medida que atuam como moderadores do clima. Nestes sistemas, é fornecida à envoltória a capacidade de aceitar ou rejeitar a energia proveniente do meio externo, reduzindo a quantidade de energia artificial necessária para o alcance de condições internas confortáveis [22], [23]. Neste contexto, as fachadas adaptáveis são consideradas elementos chave para a obtenção dos chamados “edifícios de energia zero”, para os edifícios sustentáveis, para o cumprimento das metas internacionais de conservação de energia e para a melhoria da qualidade dos ambientes internos de uma edificação [18], [24]–[30]. Pelo caráter dinâmico e adaptação a diferentes condições de contorno, as fachadas adaptáveis possuem desempenho otimizado [31] e são vistas como o próximo grande marco da tecnologia de fachadas [32].
Grande parte dos trabalhos desenvolvidos enfoca no estudo de adaptação de fachadas em curto prazo, como por exemplo, a cada hora. A maior parte de pesquisas sobre o potencial de utilização de fachadas sazonalmente adaptáveis se dá para climas extremos e edifícios de escritórios. Pesquisas que abordam a viabilidade de aplicação ou as soluções ótimas de fachadas sazonalmente adaptáveis para climas amenos e edificações residenciais não são amplamente difundidas e/ou realizadas. Porém, acredita-se que, diante das variações sazonais de temperatura decorrentes das diferentes estações do ano, o uso de fachadas sazonalmente adaptáveis é capaz de eliminar a dependência de sistemas artificiais
de condicionamento ambiental para a manutenção da condição de conforto térmico no interior de edifícios residenciais brasileiros em clima subtropical úmido.
Assim, diante do exposto, o presente trabalho tem por objetivo avaliar o potencial de impacto térmico de fachadas sazonalmente adaptáveis aplicadas a edificações residenciais brasileiras localizadas na Zona Bioclimática 3, destacando a cidade de Porto Alegre – RS. Salienta-se que não é almejada a proposição de um projeto arquitetônico ou o desenvolvimento de uma solução tecnológica específica de fachada adaptável. A pesquisa se desenvolve a partir do estudo de literatura difundida acerca do tema de interesse e pela realização de simulações computacionais por meio da interação entre softwares reconhecidos: SketchUp, EnergyPlus e MatLab. Análises paramétricas se dão a partir dos resultados obtidos nas simulações computacionais. A modelagem paramétrica proporciona grandes benefícios ao integrar os processos de design e análise [33]. O indicador de desempenho adotado é o número de horas de desconforto térmico no interior dos modelos analisados. O cálculo do número das horas de desconforto térmico é embasado pela ASHRAE Standard 55-2013: “Condições ambientais térmicas para ocupação humana" [34].
A tese apresentada é composta por oito capítulos. O presente Capítulo (Capítulo 1) possui uma breve introdução da pesquisa em andamento e sua justificativa. No Capítulo 2, é apresentada a hipótese que fomenta a realização do presente trabalho, e os objetivos que o norteiam. No Capítulo 3 é descrita a metodologia adotada. O Capítulo 4 apresenta a contextualização motivadora da pesquisa. Os Capítulos 5 e 6 explicitam o método para obtenção do modelo base a ser estudado e o início das simulações computacionais. O Capítulo 7, composto pelos subcapítulos 7a e 7b, apresenta extensos resultados de simulação de desempenho de edifícios para adaptação sazonal de elementos de vidro e opacos, bem como na relação entre janela e parede e esquemas de ventilação. Por fim, no Capítulos 8, são apresentadas as conclusões da pesquisa.
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HIPÓTESE E OBJETIVOS
Neste capítulo apresenta-se a hipótese que fomenta a realização do presente trabalho e os objetivos que o norteiam.2.1 HIPÓTESE
Diante das variações sazonais de temperatura decorrentes das diferentes estações do ano, o uso de fachadas sazonalmente adaptáveis é capaz de eliminar a dependência de sistemas artificiais de condicionamento ambiental para a manutenção da condição de conforto térmico no interior de edifícios residenciais brasileiros localizados em clima subtropical úmido.
2.2 OBJETIVOS
O presente trabalho tem por objetivo avaliar o potencial de impacto térmico de fachadas sazonalmente adaptáveis aplicadas a edificações residenciais brasileiras localizadas na Zona Bioclimática 3, destacando a cidade de Porto Alegre – RS.
Como objetivos específicos, citam-se:
- realização de análises de simulações computacionais visando o melhor desempenho térmico dos modelos estudados;
- a identificação do impacto da aplicação de fachadas sazonalmente adaptáveis na redução das horas de desconforto térmico;
- identificação de soluções sazonais de adaptabilidade de fachada para o modelo e clima estudados.
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MATERIAIS E MÉTODOS
A pesquisa foi organizada em três principais fases. O início do trabalho se deu através da contextualização motivadora da pesquisa. A seguir, é abordada a definição e refinamento do método e modelos empregados nas simulações computacionais, além de apresentação e análises dos primeiros resultados. Na terceira fase é apresentada a análise sobre o potencial de impacto térmico de fachadas sazonalmente adaptáveis aplicadas a edificações residenciais brasileiras localizadas na Zona Bioclimática 3, destacando a cidade de Porto Alegre – RS. A Figura 1 apresenta a referida estrutura, indicando os principais resultados de cada fase.1ª Fase
Contextualização motivadora
Fachadas sazonalmente adaptáveis: mapeamento sistemático da literatura.
2ª Fase
Desenvolvimento
Potencial de melhoria de desempenho através de fachadas sazonalmente adaptáveis - O contexto de edifícios residenciais, com alta carga térmica em climas subtropicais úmidos.
A influência da adaptação sazonal das janelas no desempenho térmico de edifícios residenciais em clima subtropical úmido.
3ª Fase Resultados
Desempenho térmico de fachadas sazonalmente adaptáveis para edifícios residenciais em clima subtropical úmido. Figura 1. Estrutura da pesquisa
A primeira fase do trabalho (Capítulo 4), desenvolvida a partir da revisão da literatura objetiva, através da realização do Mapeamento Sistemático da Literatura (Systematic
Mapping Study - SMS), apresenta o panorama de publicações acerca do assunto “fachadas
sazonalmente adaptáveis” quando iniciada a pesquisa. Os resultados evidenciaram lacunas de estudos no panorama nacional e tendência de crescimento da produção de trabalhos acerca do tema em panorama internacional. Observou-se a predominância de realização de estudos sobre desempenho de fachadas adaptáveis em edifícios comerciais, especialmente em escritórios. Além da contribuição para o entendimento do panorama geral acerca do tema pesquisado, nessa fase foram identificadas importantes publicações que abordam o tema “fachadas sazonalmente adaptáveis” e contribuem, de maneira direta, para o embasamento da pesquisa.
A segunda fase, composta por dois capítulos (Capítulos 5 e 6), é dedicada ao desenvolvimento e refinamento do modelo a ser simulado e das rotinas de simulação computacional. O Capítulo 5 cinco explica as primeiras experiências tidas com a integração dos softwares de simulação e otimização. O Capítulo 6 apresenta um estudo de caso realizado sobre o potencial de redução das horas de desconforto térmico com o uso de fachadas sazonalmente adaptáveis em ambientes controlados (não foi considerado o ambiente ventilado naturalmente). Os estudos acerca do tema aqui tratado são realizados com maior frequência sob condições de climas extremos e consideram taxas fixas de renovação de ar no ambiente. Assim foi simulado o desempenho do modelo com diferentes taxas de renovação de ar e, diante da influência da taxa de renovação de ar no desempenho do modelo provido de fachada sazonalmente adaptável, identificou-se a importância da utilização da ventilação natural no presente estudo.
Na terceira fase do trabalho (Capítulo 7) são apresentados resultados comparativos entre os desempenhos de modelos dotados de fachada sazonalmente adaptável e os modelos com fachadas estáticas. No subcapítulo 7a são apresentados os resultados de desempenho de edifícios com adaptação sazonal de elementos de vidro e esquemas de ventilação. Enquanto na primeira parte do subcapítulo 7a é utilizado um vidro simples, com características semelhantes àquele amplamente empregado nas edificações brasileiras, na segunda parte do subcapítulo, as análises se dão considerando a utilização de um vidro duplo, de maior custo e, portanto, de mais difícil utilização no Brasil. Nessa fase, os desempenhos das fachadas sazonalmente adaptáveis são comparados aos melhores
desempenhos de fachadas estáticas identificadas dentre o universo de possibilidades simuladas, para cada situação. Já o subcapítulo 7b apresenta extensos resultados de simulação de desempenho de edifícios para adaptação sazonal de elementos de vidro e opacos, bem como na relação entre janela e parede e esquemas de ventilação. Neste capítulo os desempenhos dos modelos obtidos a partir de diferentes níveis de adaptação sazonal da fachada e diferentes possibilidades de ventilação são comparados ao desempenho de um modelo cujas características são similares àquelas amplamente difundidas nos edifícios residenciais brasileiros. Por fim, no Capítulos 8 são apresentadas as discussões da pesquisa desenvolvida.
Em cada um dos capítulos que compõem o presente trabalho é exposto, detalhadamente, os seus objetivos e o método empregado para seu desenvolvimento. O trabalho transcorre por meio de análises paramétricas baseadas em resultados obtidos em simulações computacionais realizadas a partir da utilização conjunta de reconhecidos
softwares. Os modelos tridimensionais são construídos no software SketchUp. As simulações
de desempenho dos modelos são realizadas no software EnergyPlus. A conexão entre os dois primeiros softwares se dá pelo plug-in OpenStudio. Os processos de automatização e otimização das simulações de desempenho se dão por meio do software MatLab. Os resultados são organizados em planilhas, tratados, sintetizados e apresentados graficamente.
O desempenho térmico de um universo total de 26.900 casos simulados embasa os resultados apresentados (Capítulos 6 a 7). Cada caso representa uma configuração de fachada aliada a uma condição de ventilação do ambiente e orientação solar. Simulações mensais de desempenho, dependendo da combinação a qual são submetidas, permitem a obtenção dos desempenhos anuais de fachadas estáticas e daquelas adaptáveis, em diferentes sazonalidades. A fim de sintetizar a metodologia de simulação computacional e extração de resultados aplicada nesta pesquisa, a Figura 2 ilustra o fluxograma para a obtenção dos resultados de desempenho requeridos.
Figura 2. Fluxograma das simulações termo-energéticas
Definição dos parâmetros a serem alterados e aleatoriamente combinados
Definição do intervalo de possível variação de cada parâmetro
Desenvolvimento das rotinas de automatização e otimização
Simulações computacionais
Identificação do número de horas de desconforto térmico mensal de cada caso
simulado
Soma das horas mensais de desconforto térmico de cada caso
Desempenho da fachada estática de cada caso
Identificação das configurações mensais ótimas
Combinação entre as configurações mensais ótimas
Desempenho da fachada sazonalmente adaptável
Desenho tridimensional do modelo
Link entre os softwares de modelagem tridimensional e simulação
computacional
Refinamento do modelo tridimensional no programa de simulação termo-energética
Definição dos números de amostras a serem simuladas (número de casos)
4
FACHADAS SAZONALMENTE ADAPTÁVEIS
A envoltória do edifício é o subsistema primário capaz de regular as condições externas e as mudanças ambientais [27], sendo determinante para as condições ambientais internas [19], [31]. Sistemas de envelope de construção estáticos limitam as possibilidades de atingir níveis ideais de conforto interno [35]. Eles não respondem às condições meteorológicas que mudam ao longo do dia e / ou do ano, nem às mudanças nas necessidades dos ocupantes [36]. Portanto, as decisões de projeto relativas a envelopes de construção estáticos podem melhorar o desempenho em uma estação do ano, afetando negativamente outras [37]. Em alguns casos, as variações no desempenho ao longo do ano podem ser mitigadas pela adoção de invólucros construtivos adaptáveis ao clima (climate adaptive building shells - CABS) [25]. Os CABS são definidos como sistemas de fachadas que podem modificar uma ou mais propriedades para responder às mudanças no clima ou nas necessidades dos ocupantes. Fachadas adaptáveis podem representar uma alternativa às fachadas estáticas tradicionais, levando a melhorias no desempenho do edifício [38]. Os CABS podem potencialmente desempenhar um papel no cumprimento de metas ambiciosas de conservação de energia, como as metas de conservação de energia da União Europeia para 2020 e 2050 [18], [24]–[26], [31]. As propriedades do CABS foram estudadas em uma variedade de construções e climas, como discutido abaixo.Uma pesquisa demonstrou o potencial da aplicabilidade de fachadas adaptáveis em edifícios de escritórios. A adaptação mensal de seis parâmetros da fachada da construção demonstrou o potencial para melhorar as condições de qualidade ambiental interna e 15% a 18% de economia de energia em comparação ao melhor desempenho de fachadas estáticas em climas moderados [28]. Uma obra indicou que os materiais de envelope de resistência térmica variável têm o potencial de reduzir: a) o consumo anual de energia de resfriamento em edifícios residenciais em média de 15% e até 39% nos EUA; b) o uso anual de energia de aquecimento em 10%, em média para climas moderados dos EUA, dependendo dos tamanhos das janelas e dos ganhos internos de calor [39]. Um estudo realizado sob
diferentes condições climáticas (Stuttgart, Alemanha; Amsterdã, Holanda; Helsinque, Finlândia; Lisboa, Portugal) mostrou que a aplicação de elementos de construção opacos com propriedades de transmitância térmica dinamicamente ajustáveis resultou no aumento do conforto térmico interno de um edifício residencial típico enquanto usava menos energia do que sistemas de resfriamento passivo comparáveis, como a ventilação noturna [40]. A maioria das pesquisas é conduzida em níveis de material ou componente, e avaliações adaptáveis de fachadas no nível do edifício são raras [41]. Independentemente do tipo de adaptação, é importante que as adaptações da fachada não causem desconforto aos usuários dos edifícios, seja pelo movimento dos sistemas ou pelo ruído dos sistemas de adaptação [42]. Uma pesquisa demonstrou que as transições menos frequentes, porém discretas, na configuração da fachada foram significativamente melhor apreciadas do que as transições suaves em uma frequência mais alta [43]. Todos esses estudos consideram uma alta frequência de adaptação, na ordem de minutos a horas / dias. Esses sistemas de alta frequência de adaptação podem se tornar complexos e exigir tecnologias caras. Tecnologias com altos custos de implantação e manutenção dificultam a implantação da fachada adaptativa.
Uma alternativa à alta frequência de adaptação são as fachadas adaptativas sazonais, ou seja, fachadas com baixíssima frequência de adaptação (semanas, meses, estações)[36]. A adaptação sazonal foi investigada com foco em uma variedade de temas, tais como dispositivos de sombreamento solar [44], [45], propriedades das janelas [46]–[49] e massa térmica [50], [51], dentre outros. No entanto, nenhum desses estudos abordou edifícios residenciais sem aquecimento, ventilação e sistema de ar condicionado (AVAC) em regiões subtropicais. Estes tipos de edifícios são importantes, uma vez que os problemas de conforto térmico podem afetar a saúde dos ocupantes. Além disso, o desenvolvimento econômico de países em climas subtropicais tem sido acompanhado por uma crescente adoção de AVAC no setor residencial. A maioria das pesquisas para este tipo de edifícios é focada em fachadas estáticas. Por exemplo, um estudo realizado em uma típica residência subtropical de Hong Kong mostrou o envelope como responsável por aproximadamente 72% da demanda de energia de resfriamento de um dormitório [52]. A inércia térmica pode fornecer conforto térmico passivo em construções naturalmente ventiladas em climas com grande amplitude térmica [53]. Análises sobre a influência da envoltória no desempenho térmico de casas ventiladas e ocupadas mostraram menores horas de desconforto térmico em modelos com
maior capacidade térmica e atrasos térmicos em clima subtropical úmido [54]. Edifícios em climas subtropicais enfrentam tanto desconforto térmico pelo calor durante o verão quanto por frio durante o inverno. Eles são, portanto, candidatos ideais para CABS sazonais. Além disso, este tipo de clima, que inclui as categorias Cfa e Cwa da classificação climática de Köppen-Geiger, deverá representar uma área mais ampla dos EUA e da China devido às alterações climáticas, de acordo com as recentes projeções de alta resolução [55].
4.1 CONTEXTUALIZAÇÃO MOTIVADORA2
Tendo em vista que propriedades adaptáveis visando fachadas "ideais" resultam em maiores índices de eficiência termo-energética da edificação [42], é de extrema importância o desenvolvimento de estudos acerca do assunto e a busca por edifícios providos de fachadas adaptáveis ou dinâmicas. Assim, o objetivo deste capítulo foi, por meio do Mapeamento Sistemático da Literatura (Systematic Mapping Study - SMS), apresentar o panorama de publicações acerca do assunto “fachadas sazonalmente adaptáveis” no momento de início da presente pesquisa. Buscou-se a identificação de eventuais lacunas de conhecimento e/ou tendências de estudo na área. As informações apresentadas embasaram a definição do tema de pesquisa abordado nesta tese.
4.1.1 Metodologia
O SMS é um processo de busca por literatura para a identificação de trabalhos publicados [56]. Objetiva o conhecimento do panorama geral acerca de determinado assunto de pesquisa. São abordados os aspectos tipológicos, quantitativos e descritivos dos estudos realizados [57], [58]. A aplicação deste processo pode tornar mais ágil a busca por informações que orientem e embasem pesquisas. Para tanto, a investigação realizada deve ser bastante criteriosa e rigorosa [59]. Visando dados de saída relevantes, a seleção das Bases de Dados onde serão realizadas as buscas deve ser feita segundo critérios de qualidade e de acordo com a área de estudo. O acesso às Bases de Dados aceitas e reconhecidas pelo meio científico geralmente se dá por convênios firmados pelas Universidades [56].
2 Conteúdo publicado. Arantes, B; Cóstola, D; Labaki, Lucila C. “Fachadas sazonalmente adaptáveis:
mapeamento sistemático da literatura”. In: ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 16., 2016, São Paulo. Anais... Porto Alegre: ANTAC, 2016.
O SMS tem sido bastante difundido no meio científico visando à identificação de lacunas de conhecimento e/ou tendências de pesquisas. Para a realização SMS, empregado neste trabalho, foi utilizado o método elaborado por Ruiz e Granja [56] e já adotado por Guedes e Bertoli [60] e Lopes et al. [61]. Tal método é composto pelas cinco etapas descritas a seguir.
O que buscar? Consistiu na definição das palavras-chave mais aderentes ao tema pesquisado. Estas foram utilizadas como inputs nas Bases de Dados pesquisadas. Para as Bases de Dados em língua inglesa, foram utilizadas as seguintes expressões: “dynamic building skins”3, “adaptive building skins”, “dynamic
facades”, “dynamic building envelope”, climate adaptive building shells e advanced integrated facades. Para a Base de Dados em língua portuguesa
adotou-se a tradução das citadas expressões.
Onde buscar? Fase focada na identificação das Bases de Dados onde a pesquisa seria realizada. Tal identificação se deu através de análise exploratória de fontes e/ou pesquisas de artigos prévias [60]. Visando a identificação de relevantes publicações nacionais e internacionais, foi definida a utilização das seguintes Bases de Dados: Revista Ambiente Construído (RA), Scopus (SC), Science Direct (SD) e Web of Science (WS).
Como buscar? A maneira de operação e especificidades de cada uma das Bases de Dados foi entendida. Recursos de buscas avançadas foram utilizados. As buscas realizadas restringiram-se a article e review article. Não houve restrição para período de publicação dos documentos nas buscas realizadas. A string de busca foi formada através da utilização do Operador Booleano OR4 para a união de todas as expressões.
Como salvar? As listagens dos arquivos obtidos foram armazenadas, de acordo com a Bases de Dados pela qual foram disponibilizados, através de arquivos nos formatos .csv, .xls. Tal ação permitiu que, posteriormente, os dados pudessem ser
3 A colocação de frases entre aspas (“”) indica que a expressão exata deve ser buscada (Web of
Science – tutorial. Disponível em: <
https://www.ufrgs.br/bibeng/wp-content/uploads/2014/02/WEB_OF_SCIENCE.pdf>. Acesso em 25 de maio, 2016).
4 O Operador Booleano OR é utilizado quando pelo menos uma das expressões digitadas deve ser
trabalhados em planilhas eletrônicas dinâmicas.
Para maior agilidade do processo de execução do SMS, as planilhas foram compostas por informações gerais de cada arquivo, tais como títulos, informações a respeito das Bases de Dados pelas quais os arquivos foram disponibilizados, seu ano de publicação, autores e resumos. Tais planilhas ainda podem ser acessadas posteriormente para futuras consultas.
Como analisar? As listagens de arquivos foram organizadas em uma única planilha eletrônica, o que permitiu a seleção e triagem dos mesmos. Inicialmente foram identificados e descartados os arquivos que apresentaram duplicidade.
Assim, deu-se início às análises de aderência: quando aderentes, os dados receberam o rótulo “S”, os talvez aderentes o rótulo “T” e os não aderentes receberam o rótulo “N”. A primeira análise de aderência foi baseada nos títulos dos documentos reportados nas buscas. Posteriormente, foi realizada uma nova análise de aderência, baseada em características específicas do tema “fachadas sazonalmente adaptáveis”. Por meio da leitura do resumo de cada título aderente, foram identificadas as publicações de interesse. Os dados que receberam o rótulo de não aderência em alguma análise deixaram de fazer parte de rol de documentos de interesse. O resultado desse processo é apresentado no tópico “Resultados”. Os artigos de interesse foram salvos no formato .pdf para posteriores consultas. Para a coordenação destes artigos foi utilizada a plataforma Mendeley, disponibilizada gratuitamente para a organização de arquivos de formato .pdf.
4.1.2 Resultados
Os resultados apresentados foram baseados nas publicações reportadas no SMS realizado e descrito. A pesquisa realizada na Base de RA não reportou resultados acerca do assunto específico de interesse. Os resultados apresentados a seguir são fundamentados nas buscas realizadas nas demais Bases de Dados utilizadas.
A Figura 3 apresenta o número de documentos obtidos durante as etapas do SMS. A Figura indica uma redução de aproximadamente 72% dos documentos classificados como aderentes entre as etapas 1 e 4 do SMS. Tal redução se deve à existência de uma mesma publicação em mais de uma Base de Dados (duplicidade de publicações), mas principalmente pela ocorrência de publicações reportadas na etapa inicial do processo, com temas divergentes daquele buscado. O foco deste trabalho foi a identificação de publicações que abordassem em seus títulos / resumos termos relacionados ao tema “fachadas
sazonalmente adaptáveis”.
Legenda: (1) número total de documentos encontrados: 130; (2) documentos sem duplicidade - 108; (3) documentos de interesse após análise de aderência primaria (por título): 54; (4) documentos de interesse após análise de aderência secundária (leitura de resumos): 36.
Figura 3. Documentos obtidos versus evolução do SMS
A Figura 4 apresenta a distribuição das publicações obtidas de acordo com as Bases de Dados pesquisadas. A Figura 4(a) indica que aproximadamente 68% dos documentos oriundos na fase inicial da pesquisa da Base de Dados SC, foi descartado por não aderência primária (por título) e secundária (leitura de resumo). Porém, por meio da Figura 2(b), nota-se que aproximadamente 81% dos arquivos aderentes estava prenota-sente na Banota-se de Dados SC, apontando-a como Base de Dados relevante para busca por documentos sobre o assunto pesquisado.
(a) (b)
Figura 4. Número de documentos versus Base de Dados
Embora haja uma pequena redução do número de publicações classificadas como aderentes do ano de 2014 para o ano de 2015 (redução de aproximadamente 22%), na Figura 5, observou-se uma tendência de aumento de interesse pelo tema pesquisado dos anos de 2012 a 2014. O incremento do número de documentos reportados e classificados como aderentes (por título e leitura de resumos) e publicados entre os anos de 2012 e 2014 foi bastante significativo, atingindo o valor aproximado de 350%. Tal fato demonstra que o tema “fachadas sazonalmente adaptáveis” tem sido foco de maior interesse por parte de
0 50 100 150 1 2 3 4 N º d e d o cu m e n to s Etapas do SMS 0 20 40 60 80 100 SC WS SD N º d e Pu b lic aç õ e s Base de Dados Busca inicial Documentos aderentes 0 5 10 15 20 SC WS SC + WS SC + WS + SD Nº de Publicações aderentes B ases d e d ad o s
pesquisadores nos últimos anos. A não existência de publicações no ano de 2016 pode ser explicada em função da data de realização das pesquisas nas Bases de Dados (janeiro/2016).
Figura 5. Distribuição dos arquivos aderentes por ano de publicação
Nota-se, na Figura 6, que em aproximadamente 61% das publicações classificadas como aderentes, o tema abordado é investigado em edifícios comerciais. A maior parte dessas publicações utiliza como ambientes de estudo/análise salas de escritórios, evidenciando o interesse dos pesquisadores pela análise dessa tipologia de edifício. Tal interesse, provavelmente, se deve ao fato desses edifícios consumirem significativa quantidade de energia e, com a adoção de fachadas adaptáveis, é possível melhorar seu desempenho termo-energético.
Por motivos adversos, até a execução deste trabalho, algumas publicações não foram obtidas integralmente e, por meio de seus resumos, não foi possível identificar o local onde a análise foi realizada. Tais publicações receberam a sigla N.I. (não informado) nas figuras. Destaca-se que, dentre as publicações classificadas como aderentes para este trabalho, apenas um documento (equivalente a 3% do universo avaliado) apresentou análise realizada em edificação de caráter residencial. Pesquisas específicas para esse tipo de edificação devem ser realizadas.
A Figura 6 ainda demonstra a diversidade de aplicabilidade e/ou adaptação do tema abordado. Exemplo disso é a existência de trabalhos sobre a aplicabilidade de adaptação sazonal em envoltórias de estufas.
0 2 4 6 8 10 2015 2014 2013 2012 2011 2010 2009 2005 2000 1995 N º d e Pu b lic aç õ e s Ano de Publicação
Figura 6. Publicações aderentes por local de investigação
A Figura 7 apresenta, detalhadamente, os diferentes subtemas abordados nas publicações classificadas como aderentes neste trabalho, permitindo a identificação, por parte de pesquisadores, de lacunas e/ou tendências no estudo sobre o tema “fachadas sazonalmente adaptáveis”. De acordo com a ilustração, a maior parte das publicações é focada na identificação ou quantificação do potencial para economia de energia (análise de desempenho) das fachadas e/ou elementos de fachadas adaptáveis.
Ressalta-se que, dentre os documentos classificados como aderentes nesse trabalho, não foram encontrados estudos sobre a viabilidade de aplicação de fachadas adaptáveis para edifícios de caráter residencial. Essa temática de avaliação foi identificada em estudos voltados para edifícios de caráter comercial e estufas. Assim, na Figura 7 pode-se identificar uma possível lacuna de conhecimento sobre a viabilidade de aplicação de fachadas sazonalmente adaptáveis a edifícios de caráter residencial. Pesquisas específicas sobre esse assunto devem ser realizadas e o panorama de publicações sobre o mesmo entendido.
A ilustração ainda permite afirmar que o tema abordado proporciona um leque bastante grande e diversificado de pesquisas a serem desenvolvidas. Do total de 36 arquivos classificados como aderentes ao tema, nessa etapa do estudo, foram identificados 22 diferentes subtemas de trabalho. As diferentes publicações analisadas demonstram que o tema comporta pesquisas realizadas por meio de métodos de simulação computacional, experimentos, medições realizadas in loco e revisão da literatura e/ou estado da arte.
61% 6% 8% 3% 3% 11% 8% Edifício comercial Estufas Células teste Edifício universitário Edifício residencial Edifícios em geral N. I.
Legenda: E.C. (edifício comercial) - (I) Fachada dinâmica combinada a painéis fotovoltaicos; (II) potencial / análise de desempenho de fachadas dinâmicas; (III) desenvolvimento de modelo de fachada adaptável; (IV) método / métrica para avaliação de fachadas dinâmicas; (V) método para definição de intervalo ideal de adaptação de fachadas; (VI) quantificação da influência da operação da fachada automatizada na satisfação do usuário; (VII) instruções para tomada de decisões para desenvolvimento de fachadas; (VIII) consumo energético x iluminação natural x índice de conforto; (IX) estudo de protocolos fachadas dinâmicas em edifícios comerciais; (X) retrofitting; (XI) fachada dinâmica com foco em ventilação natural; E. (estufas) - (XII) estudo de otimização para adaptação mensal x anual; (XIII) discussão de modelos para determinar efeitos de estratégias de controle; C.T. (células teste) - (XIV) comportamento de janelas com phase change materials; (XV) alteração de sistemas mecânicos de fachadas adaptáveis; (XVI) análise de módulo de fachada adaptável; E.U. (edifício universitário) - (XVII) análise de módulo de fachada adaptável; E.R. (edifício residencial) - (XVIII) metodologia de design; E.G. (edifícios em geral) - (XIX) estado da arte / revisão fachadas adaptáveis; (XX) métodos computacionais de formatação de espaços; N.I. (não informado) - (XXI) potencial de economia de energia; (XXII) processo orientado para tomada de decisões.
Figura 7. Publicações aderentes por subtema
A Figura 8 demonstra que a maior parte dos documentos encontrados (aproximadamente 61%) relaciona-se a discussões e/ou análises de desempenho e/ou potencial de otimização termo-energética do edifício, por meio da adoção de fachadas adaptáveis. Destacaram-se também publicações de caráter teórico, voltadas para a discussão ou explanações sobre as fachadas adaptáveis. Estas totalizam, aproximadamente, 19% dos documentos selecionados como aderentes. Os demais documentos aderentes relacionam-se a discussões diversas sobre o tema.
Legenda: (DP) discussões/ análises de desempenho/potencial – 19 documentos; (DT) discussões/explanações sobre o tema fachadas adaptáveis – 6 documentos; (DD) discussões diversas – 6 documentos.
Figura 8. Tipologia de pesquisa
0 1 2 3 4 I II III IV V VI V II V
III IX X XI XII XIII XIV XV XVI
XV
II
XV
III XIX XX XXI
XXII
E.C. E. C.T. E.U. E.R. E.G. N.I.
N ° d e Pu b lic aç õ e s Subtemas 0 5 10 15 20 DP DT DD N ° d e Pu b lic aç õ e s Tipo de Pesquisa
A Figura 9 ilustra a distribuição continental de origem dos documentos (total de 19) que tratam sobre discussões e/ou análises de desempenho e/ou potencial de otimização termo-energética do edifício, por meio da aplicação de fachadas adaptáveis.
Observa-se que aproximadamente 37% das publicações são oriundas do continente Europeu. Tais publicações se devem a pesquisas desenvolvidas para climas de países como Holanda, Itália, Países Baixos e Países Nórdicos. Notam-se também documentos oriundos de pesquisas realizadas para climas da América do Norte (trabalhos desenvolvidos para climas dos Estados Unidos) e Ásia (publicação proveniente de análises realizadas para o clima de Abu Dhabi). Por motivos adversos, conforme ocorrido e explicado na Figura 4, não foram obtidas estas informações de 32% dos documentos. Destaca-se que não foram encontrados ou não foi obtido acesso a documentos completos produzidos a partir de estudos desenvolvidos para a América do Sul, África e Oceania.
Legenda: (AN) América do Norte; (EU) Europa; (AS) Ásia.
Figura 9. Distribuição continental de publicações de interesse
4.1.3 Conclusões
Diante da realização da pesquisa descrita, pôde-se concluir que:
tendo em vista o número de pesquisas relacionadas ao tema “fachadas sazonamente adaptáveis” até o ano de 2015 e a importância da realização de estudos acerca do tema, visando à melhoria do desempenho termo-energético dos edifícios, conclui-se que há uma tendência de incremento no número de publicações sobre a temática investigada;
o maior foco de estudo de fachadas adaptáveis está em edifícios comerciais, mais precisamente, em salas de escritórios;
as buscas realizadas com as expressões citadas traduzidas para a língua
AN 26% EU 37% AS 5%
portuguesa não reportou resultados, o que permitiu a identificação de lacunas de estudo no panorama nacional;
o tema “fachadas sazonalmente adaptáveis” proporciona um leque bastante grande e diversificado de pesquisas a serem desenvolvidas;
o tema, que pode ser considerado contemporâneo, ainda deve ser explorado para diferentes climas e regiões continentais. Dentre os documentos acessados, não foi identificado nenhum que abordasse o potencial de fachadas sazonalmente adapátaveis por meio de estudos realizados na América do Sul;
a realização do Mapeamento Sistemático da Literatura é de extrema importância para a identificação de lacunas e/ou tendências de assuntos de pesquisa, contribuindo para a evolução das pesquisas científicas;
para a realização do Mapeamento Sistemático da Literatura, é indispensável a atenção às características de pesquisa de cada Base de Dados utilizada, visando à obtenção de resultados aderentes.
5
CONTROLE DE QUALIDADE
Após a não identificação de pesquisas que abordassem o potencial de aplicabilidade de fachadas sazonalmente adaptáveis na América do Sul, deu-se início ao estudo visando à avaliação de tal potencial. A princípio buscou-se o modelo tridimensional base a ser simulado, identificação dos dados necessários para o início do trabalho e a interação entre os softwares de simulação computacional e aquele para automatização e otimização de processos.Assim, no presente capítulo explicita-se o método adotado para a obtenção do modelo tridimensional base a ser utilizado. São apresentados também detalhes sobre parâmetros adotados, além das primeiras experiências de simulações computacionais realizadas por rotinas de automatização e otimização escritas no software MatLab.
5.1 OS MODELOS
As análises expostas no presente trabalho foram realizadas a partir da adoção de modelos hipotéticos de construção. Cada um dos capítulos da tese apresenta uma fase da pesquisa e cada modelo analisado é descrito com detalhes no capítulo que o referencia. Neste subitem é descrita a metodologia adotada para a obtenção do modelo tridimensional base simulado, utilizado como referência para o desenvolvimento dos demais modelos analisados.
Para a construção do modelo base foi utilizado o BESTEST (Building Energy Simulation
Test). O BESTEST é um método para testes e diagnósticos de programas de simulação de
energia de edifícios, desenvolvidos no Anexo 43 "Testes e Validação de Edifícios Ferramentas de Simulação de Energia" da Conservação de Energia em Edifícios e Sistemas Comunitários e de Sistemas Comunitários (ECBCS), Programa da Agência Internacional de Energia (IEA) [62].
O modelo base utilizado nas simulações é originário do BESTEST 600. Inicialmente foi simulado o BESTEST 600, obtendo-se como resultado de consumo energético simulado um valor dentro do intervalo estipulado como aceitável pelos desenvolvedores do referido modelo. Posteriormente o modelo foi simulado para a realidade brasileira, seguindo os
preceitos estabelecidos por Melo et al. [63].
A Tabela 1 apresenta os valores obtidos e aqueles aceitos para os dois primeiros passos descritos no parágrafo anterior (simulação do BESTEST 600 caso base e para a realidade brasileira).
Tabela 1. Resultados de demanda energética BESTEST
BESTEST caso 600
(Denver – EUA)
BESTEST caso 600
(Porto Alegre – BRA) Resultado aceitável1 Resultado alcançado Resultado Aceitável2 Resultado alcançado Demanda energética [MWh] 10,4 – 14,1 12,2 3,3 – 4,4 3,8
Legenda: Resultado aceitável1: intervalo aproximado de valores aceitáveis de acordo com [62]/ Resultado aceitável2: intervalo aproximado de valores aceitável de acordo com Melo et al. [63].
Por fim, as dimensões do modelo simulado para a realidade brasileira foram reduzidas para que este se enquadrasse nos padrões da maioria dos cômodos existentes em edificações de caráter residencial brasileiras. O modelo com dimensões reduzidas possui L x A x C = 2,7 x 3 x 4, (Figura 10) e é utilizado como modelo para realização das primeiras simulações.
Figura 10. Figura esquemática modelo base
5.2 OS PROCESSOS DE AUTOMATIZAÇÃO E SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL 5.2.1 As variáveis sazonalmente adaptáveis
Para dar início às primeiras simulações computacionais foram estudadas as propriedades da fachada que poderiam gerar impacto no desempenho térmico do ambiente quando adaptáveis. Assim, com base no trabalho desenvolvido por Kasinalis et al. [28], foram definidas as seis primeiras propriedades sazonalmente adaptáveis a serem consideradas no presente estudo. Posteriormente, novos parâmetros passíveis de adaptabilidade foram introduzidos nas análises. Faz-se importante ressaltar que não se pretendeu analisar a adaptabilidade de fachadas por meio da simulação de sistemas conhecidos e/ou difundidos de construção. Buscaram-se as melhores soluções de adaptabilidade, o que poderia resultar na identificação da necessidade de desenvolvimento
de novos sistemas construtivos, visando melhores índices de conforto térmico no interior do edifício.
A seguir são apresentados os parâmetros cuja possibilidade de adaptabilidade sazonal foi considerada para o início do estudo. A descrição dos mesmos lembra a função desempenhada por cada um dos parâmetros nas envoltórias dos edifícios. O possível intervalo de variação dos valores das propriedades sazonalmente adaptáveis foi definido a partir dos dados utilizados em pesquisa anterior [28], sendo os intervalos referentes a densidade, calor específico, condutividade térmica e absortância solar externa adaptados de acordo com as propriedades de materiais conhecidos e descritos na Norma Brasileira de Desempenho Térmico de Edificações [64].
Densidade (ρ): relação existente entre massa e volume de um corpo. Materiais de baixa densidade são bastante porosos e podem funcionar como isolantes térmicos, já que o ar existente nos poros tem baixa capacidade de transmissão de calor [65]. Poliestireno estruturado e espuma rígida de poliuretano podem apresentar densidade próxima a 40 kg/m3, enquanto pedras, como granito, gneisse, adósia e xisto podem apresentar densidade próxima a 3000 kg/m3 [64].
Calor específico (c): quantidade de calor necessária para que cada grama de uma substância sofra uma variação de temperatura correspondente a 1 °C. Assim, quanto maior o valor de calor específico de um material, maior a quantidade de calor que deve ser fornecida ou retirada dele para que ocorram variações de temperatura. Argamassa e placas de gesso, placas de fibrocimento, brita ou seixo, terra argilosa seca e pedras podem apresentar valores de calor específico próximos a 0,8 kJ/(kg/K). Concretos e madeiras podem apresentar valores de calor específico de, respectivamente 1,0 e 1,3 kJ/(kg/K) [64].
Condutividade térmica (λ): representa a capacidade do material em conduzir maior ou menor quantidade de calor por unidade de tempo [65]. Estruturas possuidoras de materiais com alto valor de condutividade térmica conduzem energia térmica de forma mais rápida que aquelas construídas com materiais de baixa condutividade térmica. Madeiras podem apresentar valores de condutividade térmica próximos a 0,1 W/(m.K), caracterizando-se como material mau condutor de calor, enquanto algumas pedras podem apresentar valores de condutividade térmica próximos a 3,0 W/(m.K), apresentando-se como materiais
que conduzem energia térmica com eficiência [64].
Absortância solar: refere-se à parcela de radiação solar absorvida pelo material, geralmente relacionada à cor do material. Quanto mais escuro o material, maior a parcela da radiação solar incidente absorvida por ele [65]. Assim, enquanto a pintura preta apresenta absortância solar um pouco superior a 0,9, a pintura branca apresenta um valor de absortância solar de 0,2.
Percentual de abertura da fachada (PAF): é a relação entre as áreas opaca e translúcida da parede. Quanto maior o PAF, maior o tamanho da janela, assim um PAF= 90% indica que a janela ocupa 90% da área da parede. A relação entre a área envidraçada e a área total da fachada é utilizada como parâmetro em estudos sobre a influência das características arquitetônicas no consumo de energia [66]. Em conjunto com as características óticas do envidraçamento, são importantes características de projeto que influem no desempenho energético e no conforto ambiental das edificações.
U-value e g-value são propriedades térmicas dos vidros. O U-value ou U-factor, é
a transmitância térmica total da janela (W/m²K). Os vidros com alto valor do coeficiente “U” são bons condutores de calor, portanto, quanto menor o valor de “U”, melhor o isolamento. O g-value, SHGC (solar heat gain coefficient) ou Solar
factor é a energia térmica que penetra num recinto através da radiação solar. É o
quociente de energia solar transmitida e absorvida por um componente pela energia solar total incidente sobre a superfície externa do mesmo (FS).
5.2.2 As rotinas de automatização e simulação computacional
Definido o modelo tridimensional a ser simulado e as primeiras propriedades da fachada passíveis de adaptabilidade, o passo seguinte foi o desenvolvimento das rotinas de automatização e otimização para a realização das simulações computacionais. Conforme citado no Capítulo 3, para a realização do trabalho foram utilizados os softwares SketchUp, EnergyPlus e MatLab, além do plugin OpenStudio. As primeiras rotinas de automatização e otimização das simulações computacionais foram desenvolvidas conforme descrito a seguir:
RunEnergyPlus: rotina para abertura do software EnergyPlus e simulação do número requerido de casos que se diferenciaram por propriedades termofísicas e / ou termo-ópticas, sendo estas pré-definidas e determinadas por automatização.
Definiu-se intervalos de possíveis valores para densidade, calor específico, condutividade térmica e absortância superficial externa da fachada opaca em contato com o meio externo. Fechamentos translúcidos com propriedades conhecidas (U-value [W/m2K]; g-value) foram selecionados, enumerados de 1 a 7 e utilizados como opções para as simulações. As combinações de diferentes valores dos parâmetros citados para a obtenção dos diversos casos ocorreram aleatoriamente, pelo método de Monte Carlo. Esta rotina ainda determinou a criação de uma pasta para cada caso simulado, de forma que fossem salvos todos os arquivos resultantes de cada simulação, juntamente com o seu arquivo .idf, aquele onde é possível a identificação do valor atribuído a cada uma das propriedades passíveis de variação;
ExtractMensalResults: rotina para extração dos valores de temperatura operativa
a cada hora e cálculo do número de horas de desconforto por frio e por calor em cada mês, de acordo com o modelo de conforto adaptativo da ASHRAE [34], "Condições ambientais térmicas para ocupação humana", nível de aceitabilidade de 80%5. Por meio da abertura do arquivo .csv gerado para cada caso simulado e da rotina de cálculo escrita, o programa verifica existência ou não de condição de conforto térmico no modelo a cada hora. O resultado compilado mensalmente mostra, para cada um dos casos simulados, o número de horas de desconforto por calor e por frio para cada um dos meses do ano;
MensalBestResults: rotina para identificação dos casos de melhor desempenho de
cada rodada de simulação realizada, o que resulta na possibilidade de combinação dos melhores casos simulados para cada mês.
A partir do completo domínio das rotinas descritas, com o transcorrer da pesquisa, foram desenvolvidas novas rotinas de automatização necessárias para a combinação de resultados mensais e, então, obtenção dos desempenhos anuais dos modelos dotados de fachadas estáticas e daqueles providos por fachadas sazonalmente adaptáveis, nos diferentes níveis estudados.
5 A norma especifica as combinações de fatores ambientais térmicos e fatores pessoais que resultam em condições
5.3 AS PRIMEIRAS SIMULAÇÕES COMPUTACIONAIS
Com o início das simulações computacionais, objetivou-se a realização de um pré-teste para o melhor entendimento das ações necessárias e dos resultados de interesse para que o objetivo do trabalho fosse alcançado. Salienta-se que neste momento foi simulada uma pequena amostra de casos, sendo o principal objetivo dessa fase o desenvolvimento da metodologia aplicada para alcance dos dados desejados. Assim, diante do não refinamento das taxas de uso adotadas, não é apresentado qualquer resultado concreto (em números) de desempenho das simulações realizadas.
A fim de realizar as primeiras simulações computacionais, a partir do desenvolvimento das rotinas de automatização e otimização dos processos, foram simulados 200 casos, que se diferenciam entre si pela combinação aleatória dos valores das cinco propriedades pré-definidas das fachadas: densidade, calor específico, condutividade térmica, absortância superficial externa e propriedades do fechamento translúcido. Adotou-o percentual de abertura da fachada e a taxa de renAdotou-ovaçãAdotou-o de ar dAdotou-o ambiente cAdotou-omAdotou-o constantes. O modelo considerado para a análise situa-se em piso intermediário, com apenas uma fachada em contato com o meio externo. Para o experimento teste os meses de Janeiro (verão) e Agosto (inverno) foram analisados. Os resultados de desempenho do modelo provido de fachadas estáticas e adaptáveis obtidos foram baseados nos resultados das 1488 horas que compõem os dois meses. As análises de desempenho realizadas foram comparativas.
5.3.1 Desempenho da fachada estática
A possibilidade de identificação do número de horas de desconforto térmico mensal no interior do modelo, para cada caso simulado, permite a obtenção do desempenho do modelo, quando sua fachada é estática, pela soma das horas de desconforto por calor e frio mensais de cada caso simulado. Assim, por meio da identificação do número de horas de desconforto térmico por calor e por frio nos meses de Janeiro e Agosto, foram alcançados os dados sobre o desempenho térmico do modelo, com 200 diferentes configurações de fachadas estáticas, nos referidos meses.
A Figura 11 exemplifica o resultado de desempenho do modelo quando a fachada em contato com o meio externo é estática. A figura apresenta o número total de horas de desconforto por calor (eixo horizontal) de acordo com o número total de horas de desconforto por frio (eixo vertical). Cada ponto do gráfico representa o número total de
