VARIÁVEIS E CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO TERMO-ENERGÉTICO: ESTUDO DE CASO

VARIÁVEIS E CRITÉRIOS PARA AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO

TERMO-ENERGÉTICO: ESTUDO DE CASO

Rejane Magiag Loura (1), Eleonora Sad de Assis (2)

(1) Curso de Ciência de Técnicas Nucleares, Universidade Federal de Minas Gerais. Avenida Antônio Carlos 6627, Campus UFMG PCA 1 – Anexo Engenharia, Pampulha, Belo Horizonte, MG. CEP: 31270-90 Telefone: 55-31-3499-6666 Fax: 55-31-3499-6660

E-mail: (1) magiagloura@yahoo.com

(2) Escola de Arquitetura, Universidade Federal de Minas Gerais. Rua Paraíba, 697, Funcionários, Belo Horizonte, MG. CEP: 30130-140 Telefone: 55-31-3269-1800 Fax:

55-31-3269-1818 E-mail: elsad@arq.ufmg.br

Abstract: Evaluating the energetic performance is the first step to promote the efficient

use of the energy in buildings. This article presents variables and criteria used in the methodology developmented to verify the thermal, lighting and energetic performances of a building, located in Belo Horizonte city. The definitions of these elements were made through a research in standards, codes and laws about energetic efficiency from different countries. This research has permitted to elaborate an international panorama about energetic building performance. Copyright © 2005 CBEE/ABEE

Keywords: architecture, environmental comfort, energy efficiency, thermal-energetic

performance.

Resumo: Avaliar o desempenho termo-energético é o primeiro passo para promover o

uso eficiente da energia nas edificações. Esse artigo apresenta variáveis e critérios usados na metodologia desenvolvida para verificar o desempenho do ponto de vista do conforto luminoso e térmico e da eficiência energética de um edifício, localizado na cidade de Belo Horizonte. A definição desses elementos foi feita a partir de uma pesquisa em normas, códigos e legislações sobre eficiência energética de diferentes países. Tal pesquisa permitiu construir um panorama internacional sobre a avaliação de desempenho termo-energético de edificações.

Palavras Chaves: arquitetura, conforto ambiental, eficiência energética, desempenho

termo-energético.

1 INTRODUÇÃO

A avaliação de desempenho de edificações foi desenvolvida para verificar se essas estão cumprindo sua principal tarefa que é garantir a satisfação das necessidades dos usuários (John, 1989). Dentre os pontos que devem ser avaliados conforto térmico e visual têm impacto direto sobre o consumo energético da edificação. Entretanto é possível promover a satisfação do usuário para esses dois pontos utilizando dos conceitos da arquitetura bioclimática, na qual a qualidade ambiental e a eficiência energética são obtidas por meio do aproveitamento racional dos

recursos da natureza, de modo a contribuir com o equilíbrio do ecossistema no qual está inserida.

Para desenvolver um método de avaliação de desempenho, seja ele qual for, é preciso modelar o usuário e suas necessidades, bem como suas condições de exposição. Da interação entre elas se obtém os critérios de avaliação. Esses, no caso da avaliação de desempenho térmico, luminoso e energético, variam de acordo com as características do clima, das técnicas construtivas, da matriz energética e, também, por causa de decisões políticas ou estratégicas.

In: Anais do Congresso Brasileiro de Eficiência Energética (CBEE), I, Belo Horizonte,

2005. Belo Horizonte, JOTA, F. G. e JOTA, P. R. S. (ed.), 2005, p. 161-166.

A proposta desse artigo é apresentar a base conceitual de um trabalho experimental que está sendo desenvolvido e que no futuro pode dar origem ao processo de certificação energértica de edificações. São apresentadas as variáveis que mais impactam o desempenho luminoso, térmico e energértico do edifício do Centro de Pesquisa em Energia Inteligente (CPEI) e estalebecidos, de forma conceitual, os critérios de avaliação desse prédio.

Esse trabalho parte de uma apresentação consisa do objeto de estudo e de normas, códigos e legislações que foram base para a definição das variáveis, dos critérios e da metodologia. Em seguida são definidas quais variáveis mais relevantes para o estudo de caso e estabelecidos os critérios de avaliação. Por fim, estão colocados as contribuições e os limites desse artigo, bem como possibilidades de trabalhos subseqüentes.

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OBJETO DE ESTUDO

O edifício estudado se localiza na capital de Minas Gerais, Belo Horizonte, cuja latitude é 19°55’ sul e longitude 43° 56' oeste. A altitude média da cidade é 852 metros acima do nível do mar. O clima, de acordo com a classificação de Köppen, é o “Aw”, ou seja, tropical de savana com verões quentes e úmidos e invernos suaves e secos. E a velocidade média dos ventos dificilmente ultrapassa dois metros por segundo. O estudo de caso é o prédio do CPEI do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET-MG). Ele se localiza na região oeste de Belo Horizonte, como mostra a figura 1. Na figura 2, pode-se ver a implantação do edifício no campus II do CEFET-MG e sua orientação em relação ao norte magnético. O entorno da edificação tem baixa densidade de ocupação e os edifícios existentes têm altura entre três e nove metros.

Na figura 3 estão as plantas do CPEI que, além das atividades de pesquisa, abriga uma sala de aula e funções administrativas. Essa edificação, com área construída de 285 metros quadrados, foi projetada de acordo com os conceitos da arquitetura bioclimática, com o objetivo de promover o conforto ambiental do usuário em primeira análise e, por conseqüência, contribuir para a eficiência energética do edifício. De acordo com o memorial descritivo do prédio, o sistema construtivo utilizado foi a estrutura pré-fabricada de concreto com fechamento em alvenaria de blocos de concreto celular autoclavado e a cobertura de telha galvanizada trapezoidal dupla, com núcleo em Polietileno Expandido (E.P.S), pintada externamente na cor branca (claro). Além da preocupação com os materiais, o projeto conta com elementos de proteção solar nas janelas - brise soleil- que são constituídos por chapas metálicas pintadas na cor cinza claro. Além disso, as janelas pivotantes verticais estão dispostas de modo a promover a ventilação cruzada nos ambientes.

Figura 1: Localização do Campus II do CEFET-MG em BH

Figura 2: Implantação do CPEI

Figura 3: Planta do CPEI

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CÓDIGOS, NORMAS E LEIS

Uma pesquisa sobre as normas, códigos e legislações existentes a respeito de desempenho termo-energético de edificações antecedeu a definição das variáveis e critérios e a proposição da metodologia de avaliação. Foram levantados documentos da Europa, da Ásia, da Oceânia e da América. Esse levantamento viabilizou identificar a existência de três tipologias básicas de normatizações sobre perfomance termo-energética de edificações. A divisão foi feita a partir dos critérios usados na definição do edifício eficiente. Como discutir

esses grupos não é o objetivo deste artigo, esses serão apresentados de forma breve.

O grupo é representado pela legislação japonesa e pelo Internacional Energy Conservation Code, entre outros considera que edificações eficientes adotam sistemas e equipamentos eficientes para promover o conforto dos usuários. Nestes documentos observou-se que as envoltórias dos edifícios devem primar pelo insolamentos térmico em relação ao ambiente externo, ou seja, o conforto térmico dos habitantes fica a cargo de sistemas ativos. A integração entre sistemas ativos e passivos acontece na iluminação, onde os sistemas artificiais devem ser projetados para complementar à iluminação natural.

Já legislações como a do governo da União Européia considera que a promoção de conforto dos usuários e a eficiência energética dos edifícios devem ser alcançados por meio dos conceitos da arquitetura bioclimática, principalmente. Propõe-se que os sistemas ativos atuem apenas em situações nas quais as soluções passivas não sejam capazes de prover a condição desejada. Nestes documentos existem, diferentemente do modelo anterior, ampla integração entre os edifícios e o meio que os circundam.

O representante do terceiro grupo é a Alemanha, sua legislação vai além das exigências da União Européia. Nesta tipologia não bastam equipamentos eficientes e adoção de conceitos bioclimáticos nos edifícios, a eficiência energética deve ser avaliada em todo o ciclo de vida desses - da construção a demolição, incluído a fabricação e o transporte dos seus componentes e materiais. (Ministry of Transport, Building and Housing, 2001)

Devido as características do CPEI, do clima local e da matriz energética brasileira, determinou-se que a segunda tipologia apresentada é a mais adequada para a avaliação da performance do estudo de caso. A seguir são apresentadas as variáveis relevantes para a avaliação.

4 VARIÁVEIS

A figura 4, baseada no trabalho de John (1989), apresenta a macro estrutura de desenvolvimento da metodologia de avaliação termo-energética. Observa-se que as variáveis alimentam os critérios e esses dão base para a metodologia de avaliação.

Seguindo o modelo da figura 4, as variáveis foram separadas em dois conjuntos: variáveis climáticas e da edificação. A grosso modo entende-se as primeiras como aquelas que não podem ser controladas pelo projetista ou planejador, enquanto, nas do segundo grupo a atuação desses profissionais é, além de possível, decisiva para a performance satisfatória do edifício.

4.1 Climáticas

As variáveis climáticas são as definidoras das estratégias e soluções passivas para o conforto térmico

e luminoso de uma edificação. E diante das condições climáticas de Belo Horizonte, e de grande parte do Brasil, as variáveis climáticas apresentadas a seguir são as que maior influência têm no conforto ambiental dos edifícios.

O conforto luminoso de um ambiente está relacionado com a disponibilidade de luz neste para o desenvolvimento de uma determinada atividade, e a conservação de energia está associada a integração de sistemas naturais e artificais de iluminação, bem como à eficiências dos equipamentos.

Figura 4 – Processo de definição de modelos de avaliação de desempenho termo-energético

A definição de critérios para avaliar um sistema de iluminação natural passa pelo conhecimento da disponibilidade de luz em cada tipo de céu – encoberto, parcialmente encoberto e claro – para as diferentes latitudes. A variável diretamente relacionada com a disponibilidade de luz natural na abóboda celeste é radiação difusa visível - a luz do céu. Esta associada a componente refletida pelo entorno edificado são aquelas usadas para os cálculos dos sistemas de iluminação natural. A disponibilidade de luz natural em uma localidade varia ao longo do ano com a rotação da Terra e, também, está relacionada a outras variáveis climáticas como nebulosidade e insolação.

A sensação térmica, assim como a qualidade luminosa de um ambiente, interfere na realização das atividades humanas. O equilíbrio térmico entre um indivíduo e o ambiente que o rodeia depende, principalmente, das seguintes variáveis: temperatura, umidade relativa, velocidade e direção do ar.

Pode-se dizer que a temperatura do ar é o principal alvo de atuação dos sistemas de condicionamento passivo ou ativo de edificações, seja para eleva-lá ou reduzi-lá. Embora a sensação térmica de um indivíduo seja muito influenciada pela temperatura do ar, devido as trocas secas – radiação e convecção – as variáveis que atuam sobre as trocas úmidas - umidade relativa do ar, e velocidade do ar - são muito importantes para garantir o conforto do usuário quando a elevação da temperatura

do meio dificulta as perdas por convecção e radiação. Nessa situação em que o balanço térmico começa a ser desfavorável, a perda de calor por evaporação passa a ter papel fundamental para a termo-regulação do corpo humano. A evaporação é facilitada quando o ambiente tem ventilação e umidade relativa do ar adequadas para seu o uso e ocupação.

A ventilação de um ambiente depende da velocidade externa e interna e da direção de incidência do ar sobre as fachadas e aberturas. Conhecer o comportamento das correntes de ar de uma região é indispensável para a tomada de decisão do projetista sobre como devem ser as soluções bioclimáticas implementadas.

4.2 Edificação

A relação entre as variáveis climáticas e as das edificações é bastante estreita. Enquanto aquelas definem quais estratégias devem ser adotadas para promover o conforto e a eficiência de uma edificação, a essas cabem alcançar as condições ambientais desejadas.

Inicialmente são apresentadas três variáveis sobre as quais a ação do projetista é limitada: o entorno urbano, o uso e a ocupação do edifício. O entorno urbano de uma edificação é fruto da ação conjunta da sociedade, organizada por meio de legislações ou não, e vive em constante modificação. Essa variável fornece ao projetista informações sobre qual é a interferência das edificações vizinhas sobre o objeto a ser planejado. Assim como o projetista não escolhe o terreno para implantar um empreendimento, normalmente ele também não escolhe qual será o uso e a ocupação daquele objeto arquitetônico. A atuação do arquiteto sobre essa variável passa pela organização espacial das atividades requeridas. O arranjo do programa precisa levar em consideração fatores como os tipos de atividades, o número de ocupantes dos ambientes e a carga térmica liberada em cada um deles, para verificar se a densidade de ocupação desses ambientes está adequada.

Definidas essas densidades é preciso verificar quais são as necessidades específicas de cada atividade: quais ambientes precisam de ventos com maior velocidade, quais atividades demandam alto nível de iluminação, onde a insolação direta é interesante, onde esta não deve ocorrer, etc. O papel da orientação, então, é potencializar o uso dos recursos naturais por todo o edifício de acordo com as necessidades de cada ambiente.

A forma de uma edificação, por sua vez, se deve ao espaço disponível no terreno, à legislação urbana, às tendências estéticas, à lógica de circulação e à organização espacial interna, entre outros apectos. Associados a eles devem estar os elementos climáticos externos. Pois, assim como a orientação, a forma de um objeto arquitetônico interfere na sua capaciade de perder, ganhar ou armazenar calor, ou seja, no conforto térmico dos ocupantes e na eficiência energética do

edifício. Esse impacto é mais significativo quanto maior é o tamanho do edifício. A morfologia adequada somada a elementos como brises, captadores de ventos, etc, podem reduzir significativamente ou até eliminar a necessidade de condicionamento artificial dos ambientes, promovendo a conservação de energia. Entretanto não basta que a morfologia seja adequada, os materiais que compõem a envoltória precisam estar de acordo com as condições ambientais. O balanço térmico de uma edificação depende diretamente das componentes de sua envoltória, pode-se fazer, inclusive, uma analogia entre a envoltória e a pele humana, pois é atráves delas que grande parte das trocas térmicas acontecem. A envoltória, portanto, deve trabalhar juntamente com a orientação e a forma da edificação para se obter boa perfomance térmica. Além da preocupação com os elementos da edificação é preciso manter a atenção também na escolha dos sistemas complementares implementados. A circulação vertical, o aquecimento de água, a iluminação artificial e os demais sistemas devem apresentar bom rendimento. O sistema de iluminação artificial, em especial, além de eficiente deve estar integrado a iluminação natural para que seja acionado apenas quando a luz natural não for suficiente para a realização daquela atividade. Outro sistema solar que pode utilizar se da radiação solar para diminuição do consumo de energia elétrica é o de aquecimento de água. Para se obter o rendimento máximo desse equipamento é preciso que ele seja posicionado corretamente, e nisso a orientação e a forma da edificação interferem significativamente. Por último, o sistema fotovoltáico que tem potencial para promover a conservação da energia elérica, entretanto ele ainda não está sendo usado em escala comerial no Brasil.

5 CRITÉRIOS

A metodologia proposta adota oito critérios para a avaliação das tipologias de edificações : o coeficiente de forma, o desempenho das envoltórias, a área de abertura, o uso e a eficiência de proteção solar, a integração entre o sistema de iluminação artificial e natural, o tipo de sistema utilizado para aquecimento de água, a eficiência do sistema de circulação vertical e do sistema de bombeamento de água.

A apresentação quantitativa desses critérios não é o enfoque deste trabalho. Privilegiou-se a apresentação conceitual dos critérios adotados e do fluxograma de tomada de decisão que leva aos valores númericos para diferentes tipologias de uso, entre elas a do CPEI. Definir as caracteristicas climáticas de um determinado local é o passo inicial para se chegar aos critérios de avaliação de um edificio. Isso pode ser feito por meio de um zonamento bioclimático que considere também as informações sobre a disponibilidade de luz na abóboda celeste.

Na figura 5 está apresentada a estrutura de definição de critérios para os setores comercial e público, no qual o

objeto de estudo se enquadrada. O primeiro e o segundo nó desse fluxograma estão relacionados a ocupação e uso dos edificios. Como já foi colocado, a densidade de ocupação, o tipo e a quantidade de equipamentos influenciam, significativamente, o montade de calor gerado no interior da edificação e, conseqüentemente, as estratégias para promover conforto ambiental. A seguir é feita outra separação que depende do tipo de condicionamento ambiental adotado porque cada uma dessas opções possui um perfil de consumo por usos finais da edificação.

Definidas as caracteristicas da edificação chega-se aos critérios de avaliação. Esses foram divididos em critérios para avaliar o desempenho da edificação em si e para o desempenho dos sistemas instalados nas edificações. A avaliação deve começar pelos critérios de desempenho da edificação, sendo a performance dos sistemas avaliada somente quando o edificio apresentar os resultados esperados.

Figura 5 – Estrutura do modelo de processos de avaliação de desempenho termo-energético para edificações comerciais

O CPEI, por esse fluxograma, é considerado uma edificação do setor público. Rotineiramente tem baixa densidade de ocupação (0.04 pessoas/m²), chegando a 0.18 pessoas/m²) nos horários de ocupação da sala de aula e sistema de condicionalmento ambiental natural. Alguns dos critérios de avaliação não se aplicam no estudo de caso, o que pode ocorrer com a avaliação de outras tipologias de edificação. No prédio do CPEI não existem sistemas de bombeamento e aquecimento de água e de circulação vertical. Sendo assim, o único item da avaliação dos sistemas a ser considerado neste edifício é a integração entre os sistemas de iluminação

natural e artificial. A seguir tem-se uma breve conceituação dos critérios adotados e uma discussão sobre a situação do CPEI .

A forma da edificação contribui para que as trocas térmicas entre o ambiente interno e externo ocorram na proporção adequada. O coeficiente de forma, então, pode ser definido como a razão ideal entre o volume interno da edificação e a área total de paredes externas para permitir essas trocas (Sol y Arquitectura, 1981). A definição de seu valor deve considerar as caracteristicas climáticas locais, o uso e a densidade de ocupação de uma edificação. A investigação para avaliar se o edifício apresenta o coeficiente adequado está em andamento e qualquer afirmação sobre seu desempenho neste momento seria precipitada.

Assim como o coeficiente de forma, o desempenho das envoltórias está relacionado com a capacidade do prédio trocar calor com o ambiente externo. Essas trocas se devem, principalmente, às seguintes caracteristicas dos materiais: condutância térmica, coeficiente de absorção da radiação solar e coeficiente de amortecimento do fluxo de calor. A condutância térmica é o inverso da resistência térmica e está relacionada com o fluxo de calor através das envoltórias. Já o coeficiente de amortecimento dá informações sobre a capacidade do material armazenar calor e está diretamente ligado com a densidade e o calor específico do material. O coeficiente de absorção da radiação solar, por sua vez, indica qual o percentual da radiação incidente sobre uma surperficie é absorvida por ela.

Os materiais especificados nas envoltórias do CPEI, citados anteriormente, têm comportamento adequado ao clima local. As telhas usadas têm boa capacidade de insolamento térmico o que leva a diminuição do acumulado de carga térmica pela cobertura. As características dos blocos empregados nas superfícies verticais têm coeficiente de condutividade baixo (0.17 W/mK) se comparado ao tijolo cerâmico (0.65 W/mK) o que dificulta a troca de calor por essas superfícies, evitando perdas indesejadas no inverno e ganhos excessivos no verão. Além disso, a opção por cores claras diminuie a absorção da radiação incidente. A definição do tamanho das aberturas está relacionada com a ventilação natural e com a disponiblidade de luz natural no ambiente. Os valores adotados variam significativamente com o tipo de uso, a ocupação e o volume do ambiente. A opção por sistemas ativos de condicionamento ambiental também influenciam nessa escolha. O posicionamento das aberturas neste edificios privilegiou a ventilação cruzada, embora medições para quantificar a taxa de renovação de ar ainda estejam em andamento, acredita-se que a ventilação natural tem contribuição significativa no conforto térmico do CPEI. Associado a área de abertura está a proteção solar dessa. Num clima predominantemente quente, como é o caso do brasileiro, evitar a incidência de radiação solar direta sobre as fachadas e no interior das edificações é o caminho mais eficiente para controlar os ganhos de

calor por radiação solar, segundo Olgyay (1992). Ainda de acordo com o mesmo autor o comportamento satisfatório das proteções solares são influenciadas por três fatores basicamente. O primeiro é a reflexividade do material empregado e de sua cor, o segundo é a localização do elemento de proteção, pois se este estiver mal posicionado possilita a reradiação e a convecção do calor para o interior do edifício. E o terceiro fator é a eficiência do método de proteção escolhido. Usando a carta solar para verificar a eficiência da proteção, constatou-se que no inverno os

brises da fachada inclinada 9° em relação a norte não

têm o desempenho esperado e o mesmo acontece na fachada oposta no verão.

As proteções solares, além de diminuir o impacto da radiação solar dentro da edificação, podem contribuir para a melhor distribuição da luz nos ambientes, melhorando assim o nível de iluminamento por meios naturais. Essa é a principal estratégia para reduzir o consumo final de energia com iluminação e manter o nível de iluminamento requerido pela atividade desempenhada num determinado ambiente. Associadas as soluções passivas devem, evidentemente, estar as lampâdas e equipamento auxiliares com alto rendimento energético.

Os estudos sobre o nível de iluminamento interno devido a luz natural ainda estão em andamento, mas já foi possível verificar que os brises adotados não colaboram com a captação e difusão da luz natural no interior da edificação. Entretanto, acredita-se que esses funcionam como coletores de vento.

Aquecimento de água em algumas tipologias como as residenciais, por exemplo, tem forte impacto sobre o seu perfil de consumo de energia elétrica. A grosso modo todas as tecnologias disponíveis no mercado atualmente dependem, em diferentes graus, da eletricidade. O chuveiro eletrico é um exemplo de tecnologia totalmente dependente, enquanto os equipamentos temosolares, se utilizam dela somente como backup. É essa dependência da energia elétrica que está sendo avaliada por esse critério. Quanto maior a automonia do sistema em relação a eletricidade melhor será considerado a perfomance deste.

Os critérios relativos aos demais sistemas completamentares estão diretamente relacionados a eficiência desses quanto ao consumo de energia elétrica.

6 CONSIDERAÇÕES

FINAIS

Apesar desse trabalho ainda está em andamento e aqui ter sido apresentado de forma preliminar, pode-se dizer que sua principal contribuição é o desenvolvimento de uma linha de raciocínio para a avaliação de desempenho termo-energético de edificações que altera o enfoque central, que vêm sendo sobre os modelos de simulação, e o direciona para um procedimento integrado capaz de abarcar avaliações experimentais in loco e simulações computacionais. Essa abordagem

direciona para futuros procedimentos de certificações energérticas de edificações.

Além disso, foi possível verificar, nessa avaliação preliminar, que o CPEI apresentou desempenho termo-energético satisfatório. Entretanto são necessários estudos mais aprofundados antes que afirmar que essa é uma edificação eficiente.

É importante ressalta que os critérios e as varíaveis definidos pretendiam atender a realidade climática da cidade de Belo Horizonte, e que para outras condições devem ser reavaliados.

Trabalhos futuros focados na avaliação da metodologia proposta e na definição númerica dos critérios apresentados ou na proposição de novos critérios são sugeridos. 0

7 REFERÊNCIAS

BIBLIOGRÁFICAS

components e edifícios em uso enquanto avaliação de desempenho. In: Anais do Seminário de Avaliação Pós-Uso, p. 63 – 74.

Universidade de São Paulo, São Paulo.

Ministry of International Trade and Industry; Ministry of Construction, (1999). Criteria for clients on

the rationalization of energy use for buildings. ECCJ, Japan.

International Code Council (2003). International

Energy Code Conservation. International Code

Council, United States.

Parlamento Europeu e o Conselho da União Europeia, (2002). Directiva 2002/91/CE. Jornal Oficial das Comunidades Europeias, 4/1/2003, L1/65 a L1/70.

Ministry of Transport, Building and Housing, (2001).

Guideline for Sustainable Building. Federal

Office for Building and Regional Planning, Germany.

Bardou, P; Arzoumanian, V. (1981). Sol e Arquitectura. Gustavo Gili, Barcelona.

Olgyay, V. (1992). Design with climate: bioclimatic

approach to architectural regionalism. Van

Nostrand Reinhold, New York.

AGRADECIMENTOS

Este trabalho está sendo desenvolvido no âmbito do Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento Abordagem Integrada da Eficiência Energética e Energias Renováveis, convênio CEMIG 4020000010, sob coordenação da Eng. Dra. Antônia Sônia Alves Cardoso Diniz.