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Análise do desempenho térmico da fachada ventilada em edifícios de escritório

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Academic year: 2021

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Emerson Antônio Penso

ANÁLISE DO DESEMPENHO TÉRMICO DA FACHADA VENTILADA EM EDIFÍCIOS DE ESCRITÓRIO

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanismo - PósARQ, como um dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Arquitetura e Urbanismo.

Orientador: Prof. Dr. Martin Gabriel Ordenes Mizgier

Florianópolis 2017

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Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor,

através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.

Penso, Emerson Antônio

Análise do Desempenho Térmico da Fachadas Ventiladas em Edifícios de Escritório / Emerson Antônio Penso ; orientador, Martin Gabriel Ordenes Mizgier, 2017.

144 p.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós Graduação em Arquitetura e Urbanismo, Florianópolis, 2017.

Inclui referências.

1. Arquitetura e Urbanismo. 2. Simulação Computacional. 3. Energy Plus. 4. Fachada

Ventilada. I. Ordenes Mizgier, Martin Gabriel. II. Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanismo. III. Título.

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Emerson Antônio Penso

ANÁLISE DO DESEMPENHO TÉRMICO DA FACHADA VENTILADA EM EDIFÍCIOS DE ESCRITÓRIO

Esta dissertação foi julgada adequada para obtenção do Título de Mestre em Arquitetura e Urbanismo e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanismo – PosARQ,

da Universidade Federal de Santa Catarina

Florianópolis, 31 de agosto de 2017.

______________________ Prof. Renato T. de Saboya, Dr.

Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanismo

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Banca Examinadora:

_________________________________ Prof. Martin Gabriel Ordenes Mizgier, Dr.

Orientador - UFSC

_________________________________ Prof. Fernando Simon Westphal, Dr.

UFSC

________________________________ Prof. Roberto Lamberts, PhD.

UFSC

_________________________________ Prof. Alberto Hernandez Neto, Dr.

USP

Florianópolis 2017

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AGRADECIMENTOS

Deixo expresso meus sinceros agradecimentos à CAPES pelo apoio financeiro e concessão de bolsa durante essa pesquisa.

Agradeço a todos professores que contribuíram para minha formação, desde meu jardim de infância até os dias atuais.

Aos meus pais e irmãos, minha profunda gratidão por serem minha família e porto seguro.

Meu carinho e agradecimento especial às amigas Ani, Lu e Mônica, vocês são muito especiais.

Ao meu companheiro Alexandre, agradeço o amor, auxílio e compreensão diuturnos e em todos os momentos desse mestrado.

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RESUMO

A redução do consumo de energia elétrica em edifícios comerciais tem sido alvo de políticas públicas em diversos países, sendo a diminuição da carga térmica para os sistemas de ar-condicionado uma alternativa crucial. Nas edificações, a carga térmica é a soma da densidade de carga interna com o ingresso ou perda de calor pelas envoltórias. As partes opacas de uma envoltória podem ter comportamentos diferentes em detrimento do seu revestimento, sendo que este estudo teve como objetivo a comparação do desempenho termo energético dos sistemas de fachada ventilada opaca com juntas abertas (FVJA) e fachada com revestimento aderido, visando compreender os impactos na escolha da FVJA frente o revestimento aderido, com o software Energy Plus, relacionando cores e densidades de carga interna (DCIs) distintas com o desempenho térmico, bem como investigando a ventilação na câmara de ar por meio do efeito convectivo do ar. O clima de duas capitais litorâneas brasileiras foram estudados: Florianópolis (subtropical) e Maceió (tropical). Com os dados climáticos locais, foi definindo um design day representativo do verão de Florianópolis e um dia com similaridade de radiação e temperaturas em Maceió, para uma comparação adequada entre os climas. A pesquisa investigou os sistemas para oferecer subsídios e critérios para decisões mais conscientes sobre a utilização do sistema ventilado como revestimento. Os resultados sugerem que a FVJA é uma escolha adequada para os climas estudados, quando do uso de revestimento com cores mais escuras (absortância solar acima de 0,50) chegando a uma redução máxima de 7% (Florianópolis) e 6,4% (Maceió) no consumo de energia anual do ar-condicionado com o

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uso de revestimento preto. A FVJA oferece reduções de carga térmica para ambos os climas; exceto quando do uso de revestimento branco (absortância solar abaixo de 0,20).

Palavras-chave: Simulação Computacional; Energy Plus; Fachada Ventilada.

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ABSTRACT

The reduction of electricity consumption in commercial buildings has been the target of public policies in several countries. Aiming on this topic, the reduction of the thermal load for air conditioning systems is a crucial alternative. It is convenient to consider that thermal load is the sum of the internal load density and the gain or loss of heat by the shells. These are related to different coatings of the opaque parts of an envelope, resulting in different thermos-energetic behaviors. The objective of this study has been to analyze the energy performance of an open-joint ventilated façade (OJVF) in comparison with that obtained by using an adhered cladding façade. In order to understand the impacts on the choice of the OJVF over the adhered coating, Energy Plus software outputs related distinct interior load densities (ILDs) and colors with thermal performance, as well as the ventilation in the air chamber through the convective air effect. The climate of two Brazilian coastal capitals was studied: Florianopolis (subtropical) and Maceio (tropical). It was defining a day design representative of the summer of Florianopolis and a day with similarity of radiation and temperatures in Maceio, for a suitable comparison between the climates through climatic data investigation. Looking for providing subsidies and criteria for more conscious decisions about the use of the ventilated system as a coating, research has investigated the two systems. The results suggest that OJVF is a suitable choice for the climates studied, when using a darker color coating (solar absorptivity above 0.50), reaching a maximum reduction of 7% (Florianopolis) and 6.4% (Maceio) in the annual energy consumption of the air conditioning system with the use of black coating. OJF offers

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thermal load reductions for both climates except when using white coating (solar absorptivity below 0.20).

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Representação esquemática de uma fachada ventilada ... 25

Figura 2 - Edifício da Telefônica em São Paulo ... 26

Figura 3 - Retrofit de fachada - Hospital Sírio Libanês - São Paulo ... 27

Figura 4 – Elementos que compõem uma envoltória com a fachada ventilada ... 34

Figura 5 - Fachada ventilada com peças cerâmicas ... 35

Figura 6 - Fachada ventilada com placas de porcelanato ... 35

Figura 7 - Fachada ventilada com placas metálicas ... 35

Figura 8 - Esquema das trocas térmicas durante o verão ... 37

Figura 9 - Tipos de juntas em fachadas ventiladas ... 39

Figura 10 - Exemplo de fachada ventilada com uso de placa cimentícia ... 40

Figura 11 - Detalhe de fixação oculto para porcelanato ... 41

Figura 12 - Corte de uma fachada ventilada com juntas seladas (esq.) e com juntas abertas (dir.) ... 46

Figura 13 - Detalhes em planta e corte do experimento de campo ... 47

Figura 14 - Esquema do modelo base para o estudo ... 48

Figura 15 – Valores preditos para a velocidade de ar na saída da cavidade de fachadas duplas ... 50

Figura 16 - Protótipos em escala real M1, M2 e M3 ... 51

Figura 17 - Esquema e detalhe do experimento ... 53

Figura 18 - Experimento no laboratório ... 54

Figura 19 - Representação gráfica do movimento do ar na cavidade em relação à altura ... 55

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Figura 21 - Construção da célula PASLINK ... 59

Figura 22 – Corte esquemático da fachada (E) e detalhes da fachada em estudo (D) ... 60

Figura 23 – Ventilação na câmara de ar com fachada ventilada com juntas abertas ... 60

Figura 24 - Detalhe da envoltória simulada ... 62

Figura 25 – Detalhes do experimento ... 63

Figura 26 - Fachada sul (a), detalhe das camadas (b) e detalhe junta aberta (c) ... 64

Figura 27 - Diferença uma fachada com cavidade selada (es

q.) com FVJA (dir.) 65

Figura 28 – Velocidade do ar dentro da cavidade ... 66

Figura 29 – Temperaturas do ar externo e na cavidade selada (E) e com juntas abertas (D) ... 67

Figura 30 – Detalhes do modelo e módulo ... 70

Figura 31 – Detalhe do modelo para a fachada ventilada ... 71

Figura 32 – Esquema das trocas térmicas e ventilação na cavidade de ar. ... 74

Figura 33 - Cidades contempladas pelo estudo. ... 84

Figura 34 – Mapa das normais climatológicas das temperaturas médias anuais no Brasil. ... 85

Figura 35 - Cartas solares para o clima de Florianópolis e Maceió ... 88

Figura 36 – Comportamento anual do regime de ventos para as cidades de Maceió e Florianópolis. ... 90

Figura 37- Planta esquemática do pavimento tipo ... 93

Figura 38 - Detalhes do modelo e tipos de envoltórias ... 94

(14)

Figura 40 - Representação esquemática dos pontos das temperaturas simuladas ... 98

Figura 41 - Comparação entre Fachada Ventilada e Aderia na cor preta e orientação norte – Florianópolis ... 130

Figura 42 - Comparação entre Fachada Ventilada e Aderia na cor branca e orientação norte – Florianópolis ... 130

Figura 43 - Comparação entre Fachada Ventilada e Aderia na cor preta e orientação norte – Maceió ... 131

Figura 44 - Comparação entre Fachada Ventilada e Aderia na cor preta e orientação norte – Maceió ... 131

(15)

LISTA DE QUADROS

Quadro 1 – Coeficientes relacionado ao terreno. ... 78

Quadro 2 - Parâmetros para a simulação ... 92

Quadro 3 – Parâmetros de saída de dados da simulação ... 98

Quadro 4 - Resumo metodológico ... 101

Quadro 5 - Resumo dos resultados obtidos para os climas de Florianópolis e Maceió ... 127

(16)

LISTA DE GRÁFICOS

Gráfico 1 - Velocidade de ar com Cv constante ... 57

Gráfico 2 - Velocidade de ar com Cv variável ... 57

Gráfico 3 – Temperatura do ar na cavidade ventilada (oeste) para larguras diferentes ... 72

Gráfico 4 - Temperaturas médias mensais - Florianópolis e Maceió .... 86

Gráfico 5 – Insolação total mensal para as cidades em estudo. ... 87

Gráfico 6 – Radiação solar direta normal, global horizontal e difusa para Florianópolis e Maceió. ... 89

Gráfico 7 - Velocidade média mensal dos ventos nas cidades em estudo. ... 90

Gráfico 8- Diferença no consumo do ar-condicionado entre os casos em estudo - Florianópolis ... 105

Gráfico 9 – Redução da carga nas zonas térmicas do 6º pavimento – FVJA Preta - Florianópolis. ... 105

Gráfico 10 – Fachada Aderida Preta - Norte – Condução de Calor e Temperaturas – Florianópolis. ... 106

Gráfico 11 - Fachada Aderida Preta - Sul – Condução de Calor e Temperaturas – Florianópolis. ... 107

Gráfico 12 - Fachada Aderida Preta - Leste – Condução de Calor e Temperaturas– Florianópolis. ... 108

Gráfico 13 - Fachada Aderida Preta - Oeste – Condução de Calor e Temperaturas – Florianópolis. ... 108

Gráfico 14 - FVJA Preta - Norte – Condução de Calor e Temperaturas – Florianópolis. ... 109

(17)

Gráfico 15 – FVJA Preta - Sul – Condução de Calor e Temperaturas – Florianópolis. ... 110

Gráfico 16 - FVJA Preta - Leste – Condução de Calor e Temperaturas – Florianópolis. ... 110

Gráfico 17 - FVJA Preta - Oeste – Condução de Calor e Temperaturas – Florianópolis. ... 111

Gráfico 18 – FVJA Preta - Norte - Velocidade do ar por convecção e temperaturas - Florianópolis ... 112

Gráfico 19 - FVJA Preta - Sul - Velocidade do ar por convecção e temperaturas - Florianópolis ... 113

Gráfico 20 - FVJA Preta - Leste - Velocidade do ar por convecção e temperaturas - Florianópolis ... 113

Gráfico 21 - FVJA Preta - Oeste - Velocidade do ar por convecção e temperaturas - Florianópolis ... 114

Gráfico 22 – FVJA Preta- Oeste - Diferença na velocidade do ar no interior da cavidade por convecção em relação à cor do revestimento - Florianópolis. ... 115

Gráfico 23 - Diferença no consumo do ar-condicionado entre os casos em estudo - Maceió ... 116

Gráfico 24 - Redução da carga nas zonas térmicas do 6º pavimento – FVJA Preta – Maceió ... 117

Gráfico 25 - Fachada Aderida Preta - Norte – Condução de Calor e Temperaturas - Maceió. ... 118

Gráfico 26 - Fachada Aderida Preta - Sul – Condução de Calor e Temperaturas - Maceió. ... 119

Gráfico 27 - Fachada Aderida Preta - Leste – Condução de Calor e Temperaturas - Maceió. ... 119

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Gráfico 28 - Fachada Aderida Preta - Oeste – Condução de Calor e Temperaturas - Maceió. ... 120

Gráfico 29 - FVJA Preta - Norte – Condução de Calor e Temperaturas - Maceió. ... 121

Gráfico 30 - FVJA Preta - Sul – Condução de Calor e Temperaturas - Maceió. ... 121

Gráfico 31 - FVJA Preta Leste – Taxa média de condução de calor - Maceió. ... 122

Gráfico 32 - FVJA Preta Oeste – Taxa média de condução de calor - Maceió. ... 122

Gráfico 33 – FVJA Preta Norte - Velocidade do ar por convecção e temperaturas - Maceió. ... 123

Gráfico 34 – FVJA Preta - Sul - Velocidade do ar por convecção e temperaturas - Maceió. ... 124

Gráfico 35 FVJA Preta - Leste - Velocidade do ar por convecção e temperaturas - Maceió. ... 125

Gráfico 36 - FVJA Preta - Oeste - Velocidade do ar por convecção e temperaturas - Maceió. ... 125

Gráfico 37 – FVJA - Oeste - Diferença na velocidade do ar no interior da cavidade por convecção em relação à cor do revestimento - Maceió .. 126

(19)

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT - Associação Brasileira de Normas Tércnicas ACM - Aluminium Composite Material

CBSB - Conselho Brasileiro de Construção Sustentável CFD - Computational Fluid Dynamics

DCI - Densidade de Carga Interna DSF - Double Skin Façade

EPE - Empresa de Pesquisa Energética

FVJA - Fachada Ventilada com Juntas Abertas IMET - Instituto de Meteorologia

NBR - Norma Brasileira

RCD - Resíduos de Construção e Demolição TRY - Test Reference Year

TS - Laminado Melamínico

!"#$% - Taxa de energia adicionada pelos ventos locais [W]

!'( - Taxa de energia adicionada pela ventilação por convecção [W] !',*+,, - Taxa de energia adicionada no revestimento externo [W] -"#$% - Volume de ventilação pela ação dos ventos locais [kg/s] . - Densidade do ar [kg/m3]

/%(% - Taxa de ventilação total [kg/s]

/"#$%( - Taxa do volume de ventilação proveniente dos ventos locais [kg/s]

/%#01+2 - Taxa do volume de ventilação proveniente do efeito chaminé [kg/s]

3" - Coeficiente de descarga 45$ - Área livre das aberturas [m2]

(20)

67 - Velocidade média do vento para o intervalo do cálculo [m/s] /1#% - Velocidade do vento medida pela estação [m/s]

Z - Altura central da superfície calculada [m]

81#% - Altura do sensor de medição da estação meteorológica [m] 9 - Referente ao tipo de superfície do terreno informado

91#% - Tipo de superfície do local da estação meteorológica : - Coeficiente relacionado ao tipo de terreno

:1#% - Coeficiente relacionado ao tipo de terreno 3; - Coeficiente de descarga

< - Constante da aceleração da gravidade [9,81 m/s2] ∆>?@A - Ponto de pressão neutro [m].

C T - Capacidade térmica de um material kJ/(m2.K)

U - Transmitância térmica do componente W/(m2.K) a - Absortância solar

- - Volume de ventilação na cavidade [kg/s] . - Densidade do ar em [kg/m3]

4 - Área da envoltória em [m2] B - Velocidade do vento em [m/s]

(21)

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ... 23

OBJETIVOS ... 29

Objetivo Geral ... 29

Objetivos Específicos ... 30

ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ... 30

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 33

A FACHADA VENTILADA ... 33

TECNOLOGIAS DE MONTAGEM DE FACHADA VENTILADA ... 37

PESQUISAS REALIZADAS PARA A INVESTIGAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DA FACHADA VENTILADA . 42

Desempenho térmico de fachada ventilada ... 42

Ensaios e protótipos para obtenção de dados experimentais .... 52

Medições em edificações para validação de simulações ... 61

Métodos de simulações de desempenho para fachada ventilada ... 68

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL PARA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DE FACHADAS VENTILADAS COM O SOFTWARE ENERGY PLUS ... 73

(22)

MÉTODO ... 83

CARACTERIZAÇÃO DOS CLIMAS ... 84

Caracterização dos climas quanto à temperatura ... 85

Caracterização dos climas quanto à radiação incidente ... 87

Caracterização dos climas quanto aos ventos locais ... 89

DEFINIÇÃO DO MODELO DO EDIFÍCIO ... 91

CONSIDERAÇÕES FINAIS DA METODOLOGIA ... 95

ANÁLISE DOS DADOS ... 97

Parâmetros de saída para as simulações ... 97

Tratamento dos dados ... 99

RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 103

RESULTADOS PARA O CLIMA DE FLORIANÓPOLIS .. 103

RESULTADOS PARA O CLIMA DE MACEIÓ ... 115

COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS DE FLORIANÓPOLIS

E MACEIÓ ... 126

CONSIDERAÇÕES SOBRE OS RESULTADOS ... 128

CONCLUSÕES E ESTUDOS FUTUROS ... 133

REFERÊNCIAS ... 139

(23)

INTRODUÇÃO

Durante a última década, governos e agências internacionais têm dedicado significativo esforço para aumentar o desempenho energético de edificações existentes. Os governos dos Estados Unidos, Austrália e Reino Unido, por exemplo, criaram programas que incentivam ações de renovação e retrofit de edificações, além de orientações para soluções pré-fabricadas que sejam consoantes com a eficiência energética (MA, Z. et al, 2012).

De acordo com Cerqueira, et al. (2015) a falta de chuvas e a baixa do nível dos reservatórios das hidroelétricas, principal matriz energética do país, levaram à crise energética e ao risco de racionamento ocorridos nos anos de 2014 e 2015. Estes resultaram, inclusive, no acionamento de termoelétricas, energia com alto custo financeiro e ambiental. Esses dados reforçam a preocupação em torno do tema, sendo que as edificações brasileiras, segundo o Balanço Energético Nacional (EPE, 2015), são responsáveis por 50% do consumo de energia elétrica no país, percentual superior ao observado no consumo das edificações nos Estados Unidos e na Europa (BPIE, 2015), que fica em torno de 40%.

Segundo a Associação Brasileira das Empresas de Conservação de Energia (ABESCO. 2016) vários pontos devem ser observados para reduzir o desperdício de energia em edificações, onde os principais sistemas consumidores de energia elétrica são a climatização e a iluminação. A envoltória do prédio é outro ponto que deve ser observado, pois atua diretamente no consumo dos sistemas de ar-condicionado e iluminação da edificação, uma vez que pode modificar o comportamento de perdas e ganhos de calor pela radiação solar pelas

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superfícies opacas (paredes e coberturas) e translúcidas (janelas e aberturas).

Já o Conselho Brasileiro de Construção Sustentável (CBCS, 2011) aponta o retrofit e a requalificação de edifícios em regiões centrais do Brasil como um nicho de mercado importante para empresas, construtoras e agentes imobiliários. O termo retrofit surge da união dos termos: “retro”, que significa movimentar-se para trás, e do termo “fit”, do inglês, que significa ajustar-se. Sendo assim, trata-se da renovação de um edifício de modo que o antigo seja reformulado em novo.

Já a Norma de Desempenho (NBR 15.575) define retrofit como a "remodelação ou atualização do edifício ou de sistemas, através da incorporação de novas tecnologias e conceitos, normalmente visando a valorização do imóvel, mudança de uso, aumento da vida útil e eficiência operacional e energética".

O retrofit promove um menor impacto ambiental quando comparado à demolição e construção de novas edificações (CAMARGOS, 2016), e as fachadas ventiladas, em retrofit, são utilizadas pelas qualidades de eficiência energética, beleza, resistência, potencial criativo e conforto, argumentos estes que incentivam as especificações entre os profissionais da indústria da construção civil segundo Campos (2011).

Permitindo o fluxo de ar por meio da cavidade entre a alvenaria e o revestimento, como é observado na Figura 1, este sistema tem tecnologias industrializadas em sua instalação e o seu desempenho térmico envolve trocas térmicas complexas. Além desses parâmetros, a influência da cor, a composição do revestimento externo e condições do clima local (ventos, temperatura e radiação solar) interferem no modo

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como este sistema de fachada não aderida se comporta quanto à economia de energia.

Nos estudos de Sanjuan et al. (2011b) e Francés et al. (2013), evidencia-se que o sistema de fachada ventilada tem um efeito maior na redução do consumo de energia para climas de verão intenso e invernos mais amenos, características climáticas comuns nos climas brasileiros

Figura 1 - Representação esquemática de uma fachada ventilada

Fonte: O Autor.

O edifício sede da Telefônica (Figura 2), na cidade de São Paulo, é referenciado como a primeira obra de grande porte a adotar o sistema de fachada ventilada para retrofit em 2001 no Brasil. Datado de 1975, após 26 anos de sua inauguração, teve a instalação da fachada ventilada com painéis de ACM (aluminium composit material), sistema esse que não agregou cargas excessivas à estrutura existente. Este tipo de

Cavidade Ventilada Ventos Locais + Efeito Chaminé

V en to s Lo ca is Parede de Alvenaria Revestimento Externo

(26)

tecnologia foi escolhido pela rapidez da obra e os benefícios térmicos do uso do sistema. A fachada, com pequenas intervenções quanto a sua forma, manteve a disposição das esquadrias, porém aumentando as torres de circulação para a instalação de escadas de incêndio. A escolha dessa tecnologia se deu pela rapidez na execução e melhora no desempenho térmico, além da possibilidade de implementar mudanças estruturais sem uma reforma invasiva para um edifício em operação.

Figura 2 - Edifício da Telefônica em São Paulo

Fonte: Repositório digital do portal Metálica 1

A reforma do Hospital Sírio Libanês (Figura 3) utilizou a fachada ventilada devido a rapidez e menores impactos provenientes da obra. A fachada teve uma mudança maior quanto às aberturas do que o retrofit do edifício da Telefônica, mantendo as que se destinavam às áreas de permanência e fechando grandes planos envidraçados em áreas de

1

Disponível em http://www.metalica.com.br/edificio-sede-da-telefonica-em-sp-revitalizacao-da-fachada. Acessado em agosto. 2016.

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circulação. Dessa forma, a mudança do percentual de abertura da fachada, para as orientações norte e oeste, contribuiu para reduções no consumo de energia com ar-condicionado e permitiu uma modificação das características estéticas da edificação sem impedir o funcionamento das atividades desenvolvidas na edificação.

Figura 3 - Retrofit de fachada - Hospital Sírio Libanês - São Paulo

Fonte: Repositório digital do site da empresa Kiir2

Tanto no retrofit da fachada do Edifício da Telefônica quanto no Hospital Sírio Libanês foram utilizados o sistema de fachada ventilada com juntas abertas (FVJA), sistema esse que no estudo de Sanjuan et al. (2011b) é apontado como a solução mais utilizada em edifícios em processo de retrofit da fachada e novas edificações, por diminuir questões relacionadas com umidade da cavidade e relação com o ambiente externo. A utilização da alvenaria com revestimento cerâmico aderido é uma solução recorrente para renovação das vedações externas de

(28)

fachadas, porém não incorporando novas tecnologias e ocasionando maior geração de resíduos. Dessa forma, a adoção de um sistema que reaproveita edificações existentes, adicionando ao envelope existente da edificação o sistema não aderido (fachada ventilada), gera menos resíduos. Vale observar que o volume de resíduos de construção e demolição (RCD) compreende mais da metade dos resíduos sólidos urbanos conforme Santiago (2008), indicando que a escolha do sistema de fachada ventilada tem outros fatores influenciadores na decisão de seu uso.

Somada às questões já abordadas, o uso da fachada ventilada para o retrofit das envoltórias opacas de edificações existentes oferece alternativas mais flexíveis para o uso de materiais, correções de eventuais desalinhamentos, rapidez para execução do novo revestimento e fácil manutenção na eventualidade de troca de placas do revestimento.

Com este estudo, procura-se compreender as potencialidades no uso da fachada ventilada frente ao sistema de revestimento aderido (solução tradicional e culturalmente difundida no Brasil), uma vez que existem poucas pesquisas sobre o desempenho térmico da fachada ventilada para as condições climáticas e especificidades das envoltórias das construções brasileiras.

Vale observar que normas como a NBR 15220 - Desempenho Térmico de Edificações (ABNT, 2005) apresentam métodos de cálculo das principais propriedades térmicas da envoltória: transmitância térmica, capacidade térmica e atraso térmico e também relações entre as propriedades térmicas dos materiais, absortância e emissividade de superfícies devido às suas cores. Apesar de seu caráter prescritivo, os dados por ela apresentados são de grande valia na concepção de projetos

(29)

de envoltórias. Cabe ressaltar, contudo, que as trocas térmicas em componentes opacos aumentam consideravelmente de complexidade a medida em que são adicionados elementos aos envelopes construtivos como os que compõem as fachadas ventiladas.

No que tange a adoção de câmaras de ar como componente da envoltória, a NBR 15220 não é específica, porém se reporta à utilização destas para a melhoria do desempenho da envoltória. A norma caracteriza as câmaras de ar em muito ou pouco ventiladas e não ventiladas, ao mesmo tempo em que apresenta valores válidos para casos com temperatura média da camada entre 0ºC e 20ºC e com uma diferença de temperatura entre as superfícies limitantes menor do que 15ºC.

Resta, portanto, uma lacuna referente às situações onde ocorram variações maiores de temperatura na câmara de ar, os efeitos do ingresso dos ventos locais, a movimentação do ar na cavidade ventilada proveniente do efeito chaminé (convecção natural) e, consequentemente, o impacto no desempenho térmico do edifício com a utilização da fachada ventilada.

OBJETIVOS

Objetivo Geral

Compreender o impacto termo energético da fachada ventilada opaca com juntas abertas (FVJA) como revestimento de edificações comerciais como alternativa ao uso de uma tecnologia convencional de revestimento aderido.

(30)

Objetivos Específicos

• Identificar as características técnicas construtivas das fachadas ventiladas

• Desenvolver um modelo para simulação computacional para a análise térmica do sistema de fachada ventilada para edifícios comerciais.

• Analisar o desempenho térmico obtido com o uso da FVJA como acabamento das vedações externas.

• Testar os principais parâmetros que definem o desempenho térmico de uma fachada ventilada.

• Investigar o fenômeno de ventilação na cavidade de ar da fachada ventilada.

• Avaliar o potencial do uso da FVJA em função dos climas a serem estudados.

ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO

O tema da pesquisa é inicialmente abordado quanto aos aspectos do cenário mundial e nacional sobre o consumo de energia elétrica por edificações comerciais e as estratégias que têm sido orientadas para a redução do consumo em edificações existentes. Considera, ainda, que a participação dos sistemas de ar-condicionado é no consumo final de energia elétrica em edificações comerciais é ponto chave para uma redução efetiva. O retrofit de envoltórias é tido como uma das estratégias a serem adotadas para essa economia de energia e o uso de fachada ventilada tem sido observado como promissor para esse intento. O Capítulo 1 é finalizado com a justificativa dessa pesquisa, que tange os

(31)

aspectos da avaliação do sistema ventilado, a falta de parâmetros em norma que sejam efetivos para esse tipo de tecnologia e a pouca produção científica sobre esse tema para o clima brasileiro. Os objetivos específicos e gerais da pesquisa são descritos no final desse capítulo, bem como uma visão geral dessa pesquisa.

Para aprofundar os conhecimentos relacionados ao tema da fachada ventilada, o Capítulo 2 aborda a revisão bibliográfica, discorrendo sobre o sistema de fachada ventilada, seus tipos e os fenômenos físicos que envolvem o desempenho térmico da mesma. As pesquisas sobre diferentes abordagens de estudos realizados sobre esse sistema, bem como os programas computacionais para a simulação do sistema de fachadas ventilada permitem uma compreensão de metodologias, parâmetros investigados, particularidades relacionadas aos climas estudados e valores referenciais baseados em climas similares.

A utilização de simulação computacional para a avaliação do desempenho térmico da fachada ventilada conta com um método, descrito no Capítulo 3. A compreensão dos climas em estudo e a definição dos dias de referência para a ilustração dos resultados é abordada em capítulos específicos. A forma que os dados serão trabalhados após as simulações é sistematizada para que venha de encontro a oferecer subsídios para compreensão do alcance da pesquisa aos objetivos iniciais. A apresentação do método empregado nessa pesquisa para alcançar os objetivos propostos e as estratégias escolhidas para a avaliação dos resultados foi listada no final deste capítulo.

Os resultados são avaliados no Capítulo 4, discutidos e comparados para um aprofundamento das informações produzidas no capítulo anterior. Estas avaliações basearam-se, ainda, em informações

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provenientes dos estudos revisados no Capítulo 2, bem como a comparação dos resultados entre os climas, avaliando se os fenômenos se relacionam com os mesmos e de que forma isso ocorre.

As considerações finais do trabalho, limitações, potencialidades do método e as sugestões para trabalhos futuros foi desenvolvido no Capítulo 5, e na sequência as referências bibliográficas.

(33)

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Por meio de pesquisa bibliográfica em periódicos, livros, artigos e repositórios digitais, as questões relacionadas aos aspectos construtivos, aos fenômenos físicos e ao desempenho térmico foram estudadas, estruturando um repertório sobre a tecnologia de fachada ventilada e a forma como este sistema de revestimento tem sido abordado em artigos técnicos e acadêmicos.

A FACHADA VENTILADA

De acordo com Aparício-Fernández et al. (2014), Francés et al.(2013) e Ibañez-Puy et al. (2017) o sistema de fachada ventilada caracteriza-se como um revestimento não aderido à vedação externa, composto de placas ou lâminas externas, uma cavidade de ar ventilada e um sistema de fixação (ver Figura 4) .

A aparência de uma fachada ventilada depende não somente da escolha do revestimento externo, mas também de decisões estéticas do projetista uma vez que o sistema permite diversas alternativas de composições como por exemplo: o acabamento cerâmico em padrões retangulares e disposição regular das esquadrias (Figura 5), placas de porcelanato com instalação plana e trechos com a placas inclinadas (Figura 6) e formas retangulares variadas com material metálico e esquadrias dispostas de forma aleatória (Figura 7), entre outras possibilidade e materiais.Além do padrão, do tipo de juntas e do material constituinte das placas, existe uma vasta gama de cores que oferecem respostas estéticas e térmicas distintas.

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Figura 4 – Elementos que compõem uma envoltória com a fachada ventilada

Fonte: Adaptado do repositório digital Construção e Mercado 3

3 Disponível em http://construcaomercado.pini.com.br/negocios-incorporacao-construcao/153/artigo309960-1.aspx. Acessado em julho. 2017

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Figura 5 - Fachada ventilada com peças cerâmicas

Fonte: Repositório digital do site Edilportale4

Figura 6 - Fachada ventilada com placas de porcelanato

Figura 7 - Fachada ventilada com placas metálicas

Fonte: Repositório digital do site

Casa Projeto Estilo5 Fonte: Repositório digital do site Grafio 6

Desta forma, a definição da tipologia de fachada ventilada pode ser realizada de acordo com critérios diferentes: o material da placa

4 Disponível em http://img.edilportale.com/products/prodotti-88233-rel9b5e9823af78485e858499e2

02559469.jpg. Acessado em Agosto. 2016

5 Disponível em http://www.casaprojetoeestilo.com.br/img/Fachada-Ventilada.jpg. Acessado em

agosto. 2016

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externa, a distribuição e a posição das aberturas, as propriedades radiantes do revestimento externo, o tamanho e a forma do espaço entre a parede e a placa externa, etc. (FRANCÉS et al., 2013).

Atualmente, o uso de fachadas ventiladas surge em artigos e publicações como uma resposta termo energética eficiente para edifícios novos ou em retrofit da fachada, de acordo com Corrado et al. (2013). As abordagens visam compreender o comportamento do sistema e possíveis reduções na carga térmica para sistemas de ar-condicionado, propondo metodologias para estas verificações, que utilizam simulações, experimentos e modelos matemáticos.

Os fenômenos físicos que envolvem esse tipo de sistema de revestimento de fachadas são influenciados pelos ventos e temperatura locais, radiação solar incidente, temperatura da superfície do revestimento externo e da parede interna, temperatura do ar na cavidade, fenômenos de convecção na cavidade de ar e a ventilação por efeito chaminé como descrevem Ibañez-Puy et al. (2017). O esquema da Figura 8 apresenta o comportamento do balanço térmico para esse sistema de fachada durante o verão, com a admissão de calor do meio externo para o interno, bem como para o período de inverno com a perda de calor do meio interno para o externo.

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Figura 8 - Esquema das trocas térmicas durante o verão

Fonte: O Autor.

O desempenho térmico é abordado nos estudos de Roth, Lawrence, Brodrick. (2007), De Gracia et al. (2015) e Iribar-Solaberrieta et al. (2015), entre outros, e sinalizam ser um tópico de grande interesse para projetistas que encontram nesse sistema, além de aspectos estéticos e acústicos, a possibilidade de melhoria do desempenho termo energético durante o verão e/ou inverno.

TECNOLOGIAS DE MONTAGEM DE FACHADA VENTILADA

As fachadas ventiladas podem ser caracterizadas em relação ao tipo de material do revestimento externo, as juntas entre as placas, fluxo de ar na cavidade e sistema de fixação.

O comportamento da fachada ventilada se modifica, dependendo do material da placa de revestimento externo utilizado. Os materiais mais comuns são: vidros (translúcido), placas cerâmicas ou metálicas (opaco).

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Quanto à ventilação da câmara, encontram-se três tipos de fachada ventilada: selado com camada de ar, em que a cavidade do ar e o ar exterior não fazem trocas; juntas fechadas com grelhas abertas (na parte superior e na parte inferior), neste caso a cavidade de ar está em contato com o ar exterior e um fluxo de ar através da cavidade existente; e com juntas abertas e grades abertas, o que representa a construção mais comum (FRANCÉS et al., 2013).

As fachadas ventiladas podem ter as juntas abertas, fechadas ou sobrepostas conforme a Figura 9, sendo que essa característica, segundo Sousa (2010), Suárez et al. (2012) e Ibañez-Puy et al. (2017), é um dos principais elementos que define o comportamento de uma fachada ventilada, pois pode permitir uma maior circulação de ar na cavidade (juntas abertas), ou somente pela grade inferior com as juntas fechadas (com o uso de juntas sobrepostas ou perfil de junta) (Figura 9). A definição de junta, conforme a ABNT (1996), é o “Espaço regular entre duas peças de materiais idênticos ou distintos” e variam de acordo com a dilatação dos materiais e sistemas de fixação. No caso das fachadas ventiladas, este termo indica os espaços entre as placas, mantidos sem aplicação de selantes ou rejuntes.

As juntas abertas são comuns nos sistemas em placas e que buscam uma facilidade para a manutenção e troca das mesmas e devem ter dimensões que considerem a dilatação dos materiais e o espaço necessário para encaixe e desencaixe das placas. Estas aberturas permitem o ingresso de ventos e umidade, não comprometendo a integridade das subestruturas. As juntas fechadas ou seladas são comumente usadas com placas de materiais do tipo aluminium composite

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material (ACM) ou fenólicos, porém podem ser feitas com silicone ou

polímeros elásticos em porcelanatos e placas pétreas.

Figura 9 - Tipos de juntas em fachadas ventiladas

Fonte: Sousa. (2010)

A diferença entre o tipo de juntas é quanto à entrada de ar externo na cavidade ventilada. Com juntas seladas a tomada de ar se dá pela base do plano ventilado e tem a descarga de ar pela parte superior, sendo esse comportamento acentuado pelo efeito chaminé. Este sistema permite, inclusive, o controle da abertura da cavidade de ar, e pode ser totalmente fechada caso considere-se necessário quanto às condições climáticas (principalmente em países onde o período do inverno é mais longo).

Já nas juntas abertas, o ar é admitido inclusive pelas juntas, bem como o escape de ar, e permite um melhor desempenho em climas onde o período de verão é mais intenso, como observado por Sanjuan et al. (2011b), Suárez et al. (2012) e Ibañez-Puy et al. (2017).

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Quanto aos materiais de revestimento externo há os porcelanatos com espessura regular ou laminar, ACM, placas pétreas, placas cerâmicas extrudadas, laminado melamínico (TS), vidro, painéis fotovoltaicos, cimentício e madeira.

A Figura 10 apresenta na esquerda o potencial estético das placas de cimentícias que apresentam juntas abertas conferindo um aspecto minimalista à fachada, e, ao lado, o mesmo material utilizado em réguas sobrepostas remetendo ao tradicional sidding.

Figura 10 - Exemplo de fachada ventilada com uso de placa cimentícia

Fonte: Sousa. (2010)

Os revestimentos têm características muito singulares quando, ao custo, resistência, manutenção, durabilidade, peso e sistemas de fixação. A decisão por um tipo de revestimento envolve questões estéticas, estruturais e termo energéticas. O uso em retrofit de fachadas deve avaliar o peso do sistema e os critérios previstos em norma. No Brasil tem-se somente a NBR 15846:2010 (Rochas para revestimento – Projeto, execução e inspeção de revestimento de fachadas de edificações com

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placas fixadas por insertos metálicos) que se refere às fachadas não aderidas que utilizam inserts metálicos para fixação de placas pétreas. Esta norma não contempla os novos sistemas que estão em uso no mercado e deixa a maior parte dos sistemas que estão em uso na construção civil sem orientações e parâmetros a serem atendidos.

Os sistemas de fixação são variáveis conforme o material de revestimento externo, principalmente. Os principais tipos são os por ancoragem ou oculto (cavilhas, grampos, linear por encaixe) e os com fixação por parafusos e rebites ou com laminas fixas ou móveis. O sistema oculto pode ser visto na Figura 13, utilizado com placas pétreas ou porcelanatos.

Figura 11 - Detalhe de fixação oculto para porcelanato

Fonte: Repositório digital da revista AU7

7 Disponível em http://www.au.pini.com.br/arquitetura-urbanismo/169/

especial-pini-60-anos-futuro-da-ceramica-77735-1.aspx. Acesso em agosto. 2016

02

03

01 Revestimento Externo | 02 Fixador | 03 Material Isolante | 04 Parede Externa 04

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Causs (2014) dedicou-se ao estudo do sistema de fachada ventilada, abordando cada elemento estrutural do sistema e as variações encontradas no mercado brasileiro, discorrendo com maior abrangência os aspectos técnicos desse sistema e compilando com mais detalhe as variadas informações sobre este assunto. O estudo relaciona as tecnologias de fachada ventilada abordando aspectos construtivos e considerações quanto às questões estruturais da implantação do sistema.

PESQUISAS REALIZADAS PARA A INVESTIGAÇÃO DO DESEMPENHO TÉRMICO DA FACHADA VENTILADA

Foram selecionados artigos que estudam o desempenho térmico, métodos de simulação e validação desses dados provenientes de cálculos computacionais, visando uma compreensão dos métodos desenvolvidos, resultados obtidos e parâmetros para referência.

Desempenho térmico de fachada ventilada

Encontra-se uma vasta bibliografia referente ao estudo do desempenho térmico dos sistemas de fachada ventilada em artigos e periódicos técnicos e acadêmicos, predominantemente para os climas da Europa.

Para os climas em que tem uma preocupação relaciona-se com os invernos rigorosos, os estudos são dirigidos para sistemas de fachada ventilada opacos e com juntas seladas, bem como para fachadas com dupla camada de vidros (que permite maior ingresso da luz natural). Já para os climas em que apresentam verões mais intensos e períodos de

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inverno menos rigorosos, os estudos investigam as fachadas ventiladas com juntas abertas.

Com o intuito de compreender o desemprenho da fachada ventilada como alternativa de diminuição da perda de calor, Seferis et al. (2011) estudam o desempenho de fachadas ventiladas para o clima do sul da Europa, Shameri et al. (2011) investigam a relação da largura da cavidade em uma DSF (Double Skin Façade) na Bélgica. Os experimentos ou simulações são orientados para fachadas com cavidades ventiladas e com juntas seladas, que apresentam um melhor desempenho em climas frios, por protegerem a parede de vedação externa da umidade e permitindo a instalação de sistemas que permitem regular as aberturas inferiores e superiores, opção esta que auxilia na redução da perda de calor e diminuição da umidade que pode ingressar na parede externa, sendo que estes são pontos de atenção coerentes aos climas predominantemente frios.

Buscando avaliar o desempenho da fachada ventilada selada para um melhor desempenho térmico durante o inverno, De Gracia et al. (2015) desenvolveram um estudo, na cidade de Puigverd de Lleida, Espanha, por meio de um experimento físico em escala real. Os resultados demonstram que o uso do sistema de aquecimento durante o inverno é quase desnecessário quando do uso da fachada ventilada, aumentando a temperatura de 9ºC para 18ºC, com a reutilização do calor proveniente da cavidade ventilada para renovação do ar no interior da edificação. A redução do consumo de ar-condicionado para aquecimento teve variação entre 19% a 26% dependendo do setpoint do sistema de climatização (21ºC e19ºC respectivamente).

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A utilização do sistema de fachada ventilada com juntas abertas tem sido referenciada também nos estudos de Francés et al. (2013) e Sanjuan et al. (2011a) como uma solução para a redução de carga térmica para o período quente do ano, contribuindo para uma redução no consumo de energia pelo sistema de ar-condicionado. Estes estudos foram conduzidos no clima mediterrâneo da Espanha, trazendo considerações válidas para a aplicação das metodologias de pesquisa e do próprio sistema para o clima brasileiro.

Sanjuan et al. (2011a) abordam que uma dificuldade encontrada no estudo das fachadas ventiladas com juntas abertas é a grande variedade de sistemas e tipos de revestimento externo que existem disponíveis no mercado. O estudo sobre este sistema, apontam os autores, no que tange o comportamento térmico e da dinâmica dos fluidos, tem sido uma área de interesse que cresceu nos últimos tempos. Esse sistema tem um apelo estético bastante utilizado por arquitetos, porém necessita de uma maior compreensão dos impactos da sua escolha sobre o consumo de energia e projetos de envoltórias orientados para o seu uso.

Segundo Sanjuan et al. (2011a), uma forma de compreender o desempenho desse sistema é a comparação com os sistemas já conhecidos e que se tem uma boa resposta em simulações quando comparados a dados experimentais. A diferença principal do sistema com juntas abertas é o comportamento de difícil predição do efeito chaminé, decorrente das diferenças de temperaturas superficiais e do ar local.

Outro ponto a observar é que o sistema ventilado com juntas abertas diferencia-se do sistema com juntas seladas, em que o ar se movimenta por convecção dentro da cavidade, subindo junto à camada mais quente e descendo próximo à face mais fria; o sistema ventilado

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força a entrada de ar externo, removendo ou aumentando a temperatura interna da camada de ar, isso tendo variações térmicas com relação à diferença de temperatura entre a superfície interna e o ar ambiente. O ingresso de ar na cavidade se dá também pelas aberturas entre as placas do revestimento externo, bem como a saída do mesmo. Ibañez-Puy et al. (2017) observam que os ventos locais encontram passagem ao longo de toda a superfície opaca, através das juntas, somando-se à ventilação decorrente do efeito chaminé.

A fachada ventilada com juntas abertas, diferente da fachada com juntas seladas, não permite a operacionalização das aberturas inferiores e superiores. Esta característica, durante o inverno, não permite o fechamento destas ventilações, impedindo diminuir as trocas de calor com o meio externo através das áreas opacas da envoltória. Dessa forma, é comum verificar que o uso do sistema ventilado com juntas abertas tem sido considerado uma resposta para climas quentes nos quais o maior consumo de energia por climatização recai sobre a carga térmica de refrigeração, conforme observa Ibañez-Puy et al. (2017).

Visando compreender a diferença de comportamento térmico da edificação com a adoção da fachada ventilada com juntas abertas e seladas, o estudo de Sanjuan et al. (2011b) teve como objetivo avaliar o comportamento termo energético de uma fachada ventilada com juntas seladas e comparar com os resultados obtidos com a fachada ventilada com juntas abertas, para o clima de Madri, Espanha (Figura 12).

Os autores observaram que a fachada ventilada com juntas abertas tem sido utilizada para construções que estão em processo de

retrofit e para condições climáticas onde o pico de consumo de energia

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Figura 12 - Corte de uma fachada ventilada com juntas seladas (esq.) e com juntas abertas (dir.)

Fonte: Adaptado de Sanjuan et al. (2011b)

As simulações computacionais termo energéticas tiveram como resultados os fluxos de condução de calor entre a superfície externa da fachada e a interna. Além disso, a análise da velocidade do vento dentro da cavidade e as diferenças de temperatura entre os dois sistemas (com juntas seladas e juntas abertas) ofereceram subsídios para concluir que, para a orientação sul, o desempenho da fachada com juntas abertas levou a uma redução de 26% no ganho de carga térmica.

Porém, para a fachada norte ocorre uma perda de calor de até 50% para os períodos de inverno, durante a noite. Vale ressaltar que se tratando de um estudo no hemisfério norte, tem-se a orientação sul como a com maior incidência de radiação solar durante o dia.

López et al. (2012) investigam a contribuição da ventilação natural e o comportamento da ventilação por efeito chaminé,

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relacionando com as condicionantes do clima local: radiação solar, velocidade e direção do vento e temperatura local. Primeiramente foram coletadas informações em campo, através de sensores e aparelhos de medição no edifício da Universidade de Aalborg, Dinamarca (Figura 13).

Figura 13 - Detalhes em planta e corte do experimento de campo

Fonte: Adaptado de López et al. (2012)

Uma simulação computacional com o software TRNSYS foi implementada, dividindo a cavidade de ar da fachada em 5 zonas térmicas, correspondendo aos locais dos sensores no experimento in loco. No estudo foi observado que dependendo das condições climáticas, tanto a ventilação proveniente dos ventos locais, quanto a por efeito chaminé podem se destacar como a principal ventilação dentro da camada de ar da fachada. Além dos fatores climáticos, a geometria da edificação e principalmente o coeficiente de descarga interfere nesse processo.

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Este estudo reitera que a compreensão do fenômeno de ventilação, ora por efeito dos ventos locais ora por efeito chaminé, é o ponto principal quanto às diferentes formas de comportamento térmico do sistema ventilado.

Já o comportamento da ventilação em dutos e fachadas duplas é estudada por Gan (2006), utilizando modelos computacionais com o software de CFD Fluent e comparando com dados obtidos através de medições em modelos físicos. Este estudo observou o comportamento da velocidade do vento e volume de ventilação em dutos de ventilação e cavidades ventiladas de fachadas, variando a largura e altura das mesmas, bem como o número de entradas de ar nas cavidades, para um modelo com 4 pavimentos, conforme a Figura 14.

Figura 14 - Esquema do modelo base para o estudo

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A relação da espessura da cavidade é relacionada com o a velocidade do ar na cavidade proveniente do efeito chaminé. Quanto maior a largura da cavidade, menor é a velocidade do ar por efeitos da convecção do ar. Para uma dada quantidade de calor que é transferida para dentro da cavidade, o aumento da largura da cavidade afeta no gradiente de temperatura e fenômenos físicos que envolvem o efeito chaminé e, quando observado os aspectos relacionados à convecção. A Figura 15 demonstra essa relação entre a velocidade na cavidade, largura da cavidade e número de entradas de ar. No estudo, uma das conclusões se faz sobre a interferência que ocorre na velocidade do vento proveniente do efeito chaminé. Ocorre um incremento de 21% na velocidade na saída superior da cavidade no caso em que a entrada de ar se dá somente pela base do prédio. Para a mesma largura de cavidade, porém com quatro entradas de ar ao longo dos pavimentos, a velocidade diminui, conforme comentado anteriormente sobre a diminuição da temperatura na cavidade com o maior ingresso de ar na mesma.

O estudo também conclui que a utilização da ventilação por efeito chaminé é variável ao longo da altura do edifício, em ambos os casos, sendo necessários outros tipos de abordagem técnica para a utilização desse tipo de ventilação como alternativa à ventilação natural.

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Figura 15 – Valores preditos para a velocidade de ar na saída da cavidade de fachadas duplas

Fonte: Adaptado de Gan. (2006)

Considerando que as características dos materiais de revestimento da envoltória influenciam diretamente nos ganhos e perdas de carga térmica no interior da edificação, Alonso et al. (2017) analisam a fachada da edificação tendo como parâmetros a cor, emissividade e refletância solar dos materiais de revestimento externo, para um edifício em Madri, Espanha. O estudo compara, também, as diferenças no

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comportamento termo energético de um edifício, com uma fachada tradicional das edificações em Madri, frente a duas opções de retrofit da fachada do mesmo (sistemas ventilado e parede dupla).

Para isso, foram feitos três protótipos das envoltórias estudadas em escala real, denominadas M1 (parede dupla com câmara de ar intermediária não ventilada) considerada como o caso base, M2 (fachada ventilada em conformidade com a DIT, aplicada sobre o caso base) e M3 (o caso base com a adição exterior de um sistema de isolamento térmico externo composto) , conforme a Figura 16.

Figura 16 - Protótipos em escala real M1, M2 e M3

Fonte: Adaptado de Alonso et al. ( 2017)

Um monitoramento anual foi feito, sendo que as células tiveram suas faces com o revestimento em estudo orientadas para o sul e as demais partes da envoltória com vedações altamente isoladas. Foram instalados equipamentos de ar-condicionado idênticos nas três células, e o consumo de energia registrado de forma horária.

Paralelas às medições in loco, simulações computacionais com o software Energy Plus foram processadas, com o intuito de avaliar o

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impacto das características ópticas dos revestimentos em relação ao desempenho energético. Foram realizados cálculos e análises em laboratório das amostras dos revestimentos para definir os valores de entrada para Absortância Visível, Absortância Solar e Absortância Térmica. Já a emissividade foi calculada utilizando Termografia por Infravermelho nas células do protótipo.

O estudo aponta que cor, absortância e emissividade são parâmetros que devem ser avaliados para a definição de revestimentos em sistemas como fachadas ventiladas ou com materiais altamente isolantes. Em ambos os casos ocorrem impactos na temperatura interna, comparando com o modelo base. Porém, os resultados com maiores diferenças foram encontrados com o sistema ventilado.

A absortância solar é um parâmetro que interfere diretamente na temperatura do revestimento externo, sendo que os modelos físicos não tinham exatamente a mesma cor, por serem revestimentos provenientes de diferentes fornecedores. Porém, a cor, dentre os parâmetros analisados, não necessariamente precisa ser o primeiro aspecto na escolha do revestimento ou sistema. A refletância solar gera impactos maiores no que tange o ingresso de carga térmica, porém pode não ser uma boa alternativa o uso de um material muito reflexivo no contexto urbano por causa das ilhas de calor, segundo Alonso et al. ( 2017).

Ensaios e protótipos para obtenção de dados experimentais

O desenvolvimento de experimentos pode ser feito em condições controladas de laboratório, necessitando para tal a construção de modelos físicos em tamanho reduzido, chamados de ensaios. Outra abordagem são

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os protótipos em tamanho real e expostos a condições climáticas reais. Os estudos que seguem foram desenvolvidos com a intenção de identificar, com maior precisão, os fenômenos físicos e comportamento térmico do sistema de fachada ventilada.

Sanjuan et al. (2011a), Francés et al. (2013) e Iribar-Solaberrieta et al. (2015) desenvolveram experimentos visando uma melhor compreensão dos fenômenos físicos e do desempenho térmico da fachada ventilada.

No estudo de Sanjuan et al. (2011a), um ensaio em laboratório foi desenvolvido para investigar o comportamento da ventilação em uma fachada ventilada com juntas abertas. Na Figura17, segue um esquema de como foi montado o experimento, com o uso de placas aquecidas, para observar o efeito chaminé na cavidade. Um feixe de laser e uma câmera foram utilizados para criar imagens do movimento de entrada e saída ar, bem como do movimento deste dentro da cavidade ventilada.

Figura 17 - Esquema e detalhe do experimento

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A Figura 18 apresenta uma foto do experimento montado no laboratório. A temperatura dentro da caixa de alimentação de ar era constante para os três experimentos que se desenvolveram mudando a temperatura das placas (30ºC, 39ºC e 49ºC). A forma como o ar se movimenta na cavidade pode ser observada na Figura 19, na qual é possível perceber um comportamento similar da velocidade do vento com o aumento da mesma conforme temperatura das placas.

Figura 18 - Experimento no laboratório

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Figura 19 - Representação gráfica do movimento do ar na cavidade em relação à altura

Fonte: Sanjuan et al. (2011a)

Os resultados demonstraram, ainda, que o ar entra pelas juntas inferiores e sai pelas superiores, sendo que 55% a 60% do ar entra pela junta inferior da base e o restante da ventilação pela segunda junta. Este estudo sugere que quanto maior a disposição de radiação solar nas placas, maior será o efeito da ventilação, e que a velocidade da ventilação tem seu pico no ponto mais central do vão da cavidade.

Já nos estudo de Francés et al. (2013), Iribar-Solaberrieta et al. (2015) e De Gracia et al. (2015), modelos em tamanho real foram expostos ao clima local de Castellón (Espanha), Almeida (Portugal) e

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Burgos (Espanha) (com célula de teste PASLINK) e Puigverd de Lleida consecutivamente. Em ambos estudos foram obtidas as temperaturas da cavidade de ar, velocidade do vento e temperatura do revestimento externos com o objetivo de comparar com os dados obtidos em simulações e verificar o potencial para economia de energia.

No estudo de Francés et al. (2013), o estudo foi desenvolvido com uma fachada com juntas fechadas, com abertura inferior e superior, conforme o esquema da Figura 20. O experimento conta com 3 paredes, teto e piso adiabáticos e uma parede, orientada para o sul, com alvenaria de tijolos e revestida com os módulos ventilados

Figura 20 - Esquema do experimento

Fonte: Francés et al. (2013)

Os dados da velocidade do vento na câmara de ar tiveram que adotar um coeficiente de descarga variável para que o modelo matemático pudesse calcular valores similares aos medidos. O coeficiente de descarga é razão entre resultados reais e resultados teóricos para vazão de entrada de ar pela abertura da cavidade ventilada, e representa os efeitos de turbulência causados pela redução abrupta da área da abertura. Os resultados com o coeficiente de descarga fixo apresentaram discrepâncias

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possíveis de se observar no Gráficos 01, sendo que esse erro foi corrigido com o coeficiente de descarga variável, como se observa no Gráfico 02.

Gráfico 1 - Velocidade de ar com Cv constante

Fonte: Francés et al. (2013)

Gráfico 2 - Velocidade de ar com Cv variável

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Essa mudança permitiu melhorar os resultados obtidos para temperaturas da cavidade e revestimento externo. Os resultados indicam uma correlação R2 de 0,987 para a temperatura do revestimento externo para os resultados medidos e calculados, bem como uma correlação R2 de 0,976 para a temperatura interna da cavidade. O estudo demonstra que a metodologia aplicada para os cálculos apresentou resultados confiáveis, sendo que em outros estudos com condições similares os resultados das simulações computacionais podem ser validados sem a necessidade de experimentos físicos.

No experimento de Iribar-Solaberrieta et al. (2015) propõe-se uma metodologia para obter dados em campo do comportamento de uma fachada ventilada opaca, com o uso de uma célula de teste PASLINK e posterior validação da simulação computacional com o software TRNSYS. Na Figura 21, pode-se ver o processo de construção do experimento, com medidas de 8 x 2,7 x 2,7 (profundidade x altura x largura em metros).

O modelo foi desenvolvido para simular os efeitos da fachada ventilada e aplicar a tecnologia em edifícios residenciais construídos nos anos 60 em Almeria e Burgos, na Espanha, sendo que a primeira região tem maior demanda energética para resfriamento e a segunda para o sistema de calefação.

Um modelo para simulação foi desenvolvido para atender um edifício residencial com seis pavimentos, e foi feita a comparação do consumo de energia anual para o modelo com a envoltória original (tijolo e bloco) e outra simulação com a instalação da fachada ventilada opaca (com três opções de materiais de revestimento com emissividades diferentes).

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Figura 21 - Construção da célula PASLINK

Fonte: Iribar-Solaberrieta et al. (2015)

Dentre as opções simuladas, a utilização de placas de concreto com maior emissividade (0,9) leva a uma economia de 31,15kWh/m2.ano para o sistema de aquecimento na região de Burgos. Na região mais quente, Almeria, as mudanças não representaram diferenças sensíveis (economia de 0,57kWh/m2ano) para o sistema de refrigeração.

No estudo de Giancola et al. (2012) uma fachada ventilada em um edifício é investigada experimental e numericamente. O edifício situa-se na cidade de Almeira, Espanha, com clima Mediterrâneo. A fachada em estudo está orientada para o sul e é composta por placas cerâmicas com juntas abertas, conforme a Figura 22.

Nesse estudo, o comportamento assimétrico e não homogêneo do movimento de ar na cavidade ventilada é estudado, uma vez que a fachada tem juntas abertas e, por essa característica, difere do comportamento de uma fachada com juntas fechadas, na qual o movimento do ar é homogêneo e simétrico, como é visto na Figura 23.

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Figura 22 – Corte esquemático da fachada (E) e detalhes da fachada em estudo (D)

Fonte: Adaptado de Giancola et al. (2012)

Figura 23 – Ventilação na câmara de ar com fachada ventilada com juntas abertas

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O estudo comparou os dados obtidos em campo para temperatura, fluxo de calor e velocidade do ar na cavidade com os do modelo computacional desenvolvido com o software Fluent. A temperatura das placas do revestimento externo foi medida com termografia e também foi comparada com os resultados obtidos em simulação computacional.

Dos resultados obtidos, os autores observam que durante os períodos de inverno, quando de uma incidência solar maior, a fachada ventilada auxilia o isolamento e evita a perda de calor do interior da edificação. Caso a incidência solar seja muito baixa e a temperatura externa menor que a interna, essa tecnologia de fachada acaba aumentando a perda de calor.

Já no caso do período de verão, caso a radiação e temperaturas externas sejam altas, a fachada pode contribuir a diminuição dos ganhos de calor, considerando o clima Mediterrâneo do estudo.

Quanto à comparação dos dados de campo com os provenientes da simulação computacional, o desvio entre os resultados ficou em até 10%, sugerindo o uso da simulação uma boa alternativa, principalmente em estágios iniciais de projeto.

Medições em edificações para validação de simulações

Uma das abordagens para coleta de dados sobre o comportamento de envoltórias é a medição através de sensores e módulos de aquisição de dados. As informações coletadas são utilizadas para desenvolver modelos matemáticos, regressões lineares e validação de metodologias de simulações computacionais.

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Anđelković, Mujan, Dakić. (2016) desenvolveram uma pesquisa em um edifício comercial em Belgrado, Sérvia. O retrofit da fachada, utilizando uma DSF, foi objeto de medições in loco. É possível observar na Figura 24 o edifício que foi modelado no software Designer Builder (interface do EnergyPlus para a realização de simulações termo energéticas).

Foram coletados dados referentes às temperaturas externa e interna à cavidade, velocidade e direção dos ventos dentro da cavidade de ar. Além desses dados, as características termo físicas dos materiais, número de ocupantes, sombreamento, pressão de ventos e informação do sistema de ar-condicionado foram considerados. Foi desenvolvido um arquivo climático com os dados coletados no ano, para que a simulação considerasse as temperaturas, regime de ventos e insolação, com o mesmo cenário das medições experimentais.

Figura 24 - Detalhe da envoltória simulada

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Os dados foram comparados com os obtidos na simulação. Os resultados foram processados estatisticamente, conforme os períodos do ano (verão, meia-estação e inverno). Os resultados referentes às temperaturas tiveram correlações R2 de 0,97, e o coeficiente de variação do erro médio quadrático variou sua porcentagem em 11,95%, 11,97% e 13,85% para as zonas 1, 2 e 3 respectivamente. Estes resultados indicam que a simulação ofereceu resultados confiáveis, sendo um processo com baixa demanda de tempo, em torno de 10 minutos para cada simulação.

No caso analisado por Aparicio-Fernández et al. (2014), a fachada ventilada em estudo localizada em Valência, Espanha, teve sensores instalados em pontos determinados e dados de temperatura na cavidade foram coletados conforme se observa na Figura 25: corte esquemático (a), detalhe da fachada (b) e detalhes da placa de ACM. A fachada tem um sistema de captação de ar externo através da cavidade de ar, buscando uma redução no consumo de energia com calefação, utilizando o ar da cavidade ventilada (que tem uma temperatura maior que a do ar externo) para a renovação de ar do sistema de ar-condicionado.

Figura 25 – Detalhes do experimento

Referências

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