2 JULIANA YURIKO CHAGAS CRUZ ALVES
ANÁLISE DO DESEMPENHO TERMO-ENERGÉTICO EM
DORMITÓRIOS CONDICIONADOS ARTIFICIALMENTE:
ZONAS BIOCLIMÁTICAS 3 E 8
Dissertação submetida ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Dr.Saulo Güths
Florianópolis 2019
Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor,
através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.
Cruz Alves, Juliana Yuriko Chagas
ANÁLISE DO DESEMPENHO TERMO-ENERGÉTICO EM DORMITÓRIOS CONDICIONADOS ARTIFICIALMENTE : ZONAS BIOCLIMÁTICAS 3 E 8 / Juliana Yuriko Chagas Cruz Alves ; orientador, Saulo Güths, 2019.
111 p.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2019.
Inclui referências.
1. Engenharia Civil. 2. Eficiência energética nas
edificações. 3. Simulação computacional. 4. RTQ-R. I. Güths, Saulo. II. Universidade Federal de Santa Catarina.
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JULIANA YURIKO CHAGAS CRUZ ALVES
ANÁLISE DO DESEMPENHO TERMO-ENERGÉTICO EM DORMITÓRIOS CONDICIONADOS ARTIFICIALMENTE: ZONAS BIOCLIMÁTICAS 3 E 8
O presente trabalho em nível de mestrado foi avaliado e aprovado por banca examinadora composta pelos seguintes membros:
Prof. Aldomar Pedrini Dr.
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
(Videoconferência)
Prof. Roberto Lamberts, PhD. Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Deivis Luís Marinoski, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina
Certificamos que esta é a versão original e final do trabalho de conclusão que foi julgado adequado para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
____________________________ Prof. Dr. Roberto Lamberts, PhD. - UFSC
Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil
____________________________ Prof. Dr. Saulo Güths, PhD. - UFSC
Orientador
Florianópolis, 04 de abril de 2019
Saulo
Guths:53888952972
Assinado de forma digital por Saulo Guths:53888952972 Dados: 2019.08.25 20:30:39 -03'00'
Assinado de forma digital por Roberto Lamberts:29400384068 Dados: 2019.08.26 09:01:07 -03'00'
6 AGRADECIMENTOS
Primeiro agradeço a Deus e Meishu-Sama pela permissão de realizar mais essa conquista.
Agradeço imensamente a paciência, o apoio e compreensão do meu orientador Prof. Saulo Güths ao longo dessa jornada. Agradeço também aos membros da banca e suas contribuições para a finalização do trabalho, Prof. Roberto Lamberts e Prof. Deivis, e a participação do Prof. Aldomar.
Agradeço aos amigos e colegas do LabEEE, da “sala do lado” - Labsdl e do LMPT. Agradeço a UFSC, pela qualidade e toda a estrutura disponível. Desde a graduação inspirou a busca por conhecimento e tornou possível todo um aprendizado. Ao Programade Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPGEC), ao apoio da Pri e Mari!
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), que financiou parte desta pesquisa e a Eletrobras, pelo apoio financeiro com a oportunidade de trabalhar como pesquisadora.
Aos meus amigos pela paciência e que me apoiaram e incentivaram o tempo todo para continuar e não desistir. Mesmo isso significando uma certa ausência.
Gratidão a minha família, aos meus pais, que sempre ressaltaram a importância dos estudos em minha vida. E mesmo com a distância, incentivaram e apoiaram esses anos de estudos.
RESUMO
Devido a extensão territorial com cerca de 8,5 milhões de km² e diferentes condições climáticas, o Brasil é dividido em oito zonas bioclimáticas descritas pela norma NBR15220-3. Para resolver o problema do déficit habitacional, o governo brasileiro criou um programa chamado “Minha casa, minha vida”, o programa oferece moradia social de baixo custo, entretanto, as construções são semelhantes nas diferentes regiões do país. As edificações residenciais representam um impacto significativo no consumo anual de energia elétrica. O percentual de domicílios com equipamento de ar condicionado no Brasil é 16 %. Com o aumento da população, da renda média das famílias e da busca dos indivíduos por mais conforto através de ambientes climatizados, a demanda de uso de condicionamento de ar está aumentando, especialmente nas regiões mais quentes. Este trabalho discute o efeito de diferentes envoltórias no desempenho energético em dormitórios condicionados artificialmente durante o período noturno localizados na zonas bioclimáticas 3 - Florianópolis, São Paulo, Natal e Rio de Janeiro. O estudo comparativo é realizado através de simulação computacional com o programa EnergyPlus e analisado de acordo com o Regulamento Brasileiro de Rótulo de Eficiência Energética de Edificações Residenciais (RTQ-R). São realizados o total de 116 simulações computacionais, e os resultados apresentam baixo desempenho energético nas atuais técnicas construtivas das habitações de interesse social e definem uma melhor combinação de estratégias de projeto para reduzir o consumo de energia nas duas zonas bioclimáticas analisadas. A redução do consumo para refrigeração mais significativa comparado ao Caso Base, na cidade do Rio de Janeiro é de 38 %, em Natal, é de 29 %. Para Florianópolis e São Paulo, a redução mais significativa é de 51,8 % e 77,5 % respectivamente.
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ABSTRACT
Due the territorial extension with about 8.5 million km² and different climatic conditions, Brazil is divided into eight bioclimatic zones described by norm NBR15220-3. To address the housing deficit problem, the Brazilian government created a program called “My house, my life”, offering standard social low-cost housing, with similar typologies being built throughout different regions. Residential buildings represent a significant impact on the annual energy consumption. Also, the percentage of households that have air conditioner in Brazil is 16 %. As incomes rise and populations grow, the demand of air conditioners is increasing, especially in the hotter regions. Therefore, an analysis of the thermal and energy performance of residences from social program is needed in order to formulate better strategies to increase energy efficient buildings. This work discusses the effect in energy performance in dorms of different building seals located in bioclimatic zones 3 and 8 - Florianópolis, São Paulo, Natal and Rio de Janeiro. The comparative study is built and simulated in computer using the software EnergyPlus analyzed according to the Brazil’s Regulation for Energy Efficiency Labelling of Residential Buildings (RTQ-R). And define the best combination of strategies to reduce the energy consumption in the two bioclimatic zones analyzed. A low thermal and energy performance is observed in current building techniques of low incoming house according to Brazil’s Regulation for Energy Efficiency Labelling criteria. A total of 116 computer simulations are performed and the results provide a direction for better building strategies towards energy efficiency, leaving a path for studies within the sector. The most significant reduction in consumption for refrigeration compared to the Base Case in the city of Rio de Janeiro is 38%, in Natal, is 29%. For Florianópolis and São Paulo, the most significant reduction is 51.8% and 77.5% respectively.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Consumo percentual de energia elétrica das edificações no Brasil e consumo percentual de energia elétrica por setor ano base 2018 ... 22 Figura 2 - Consumo residencial de energia elétrica por equipamento (TWh) no Brasil Demanda de Energia 2050 – EPE (2016) ... 23 Figura 3 - Operação diária do ar condicionado no verão em cidades da China ... 24 Figura 4 - Vendas de aparelhos de ar condicionado –Setor residencial no Brasil (em 1000xTR) ... 25 Figura 5 - Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE) de uma Unidade Habitacional Autônoma (UH) e de uma edificação multifamiliar ... 30 Figura 6 - Consumo por aquecimento e refrigeração, influência da espessura do isolamento nas paredes sobre o consumo total em cidades da China ... 33 Figura 7 - Resultados de consumo para aquecimento/refrigeração e configuração das paredes avaliadas na Grécia ... 35 Figura 8 - Taxa de respiração, consumo de oxigênio e produção de CO2 em função da atividade ... 45 Figura 9 - Planta baixa e maquete eletrônica da unidade habitacional – Edificação Unifamiliar ... 57 Figura 10 - Estudo de caso: Dormitório 02 - Zona térmica ... 58 Figura 11 - Temperaturas máximas, médias e mínimas mensais do ar externo para Florianópolis/SC ... 62 Figura 12 - Temperaturas máximas, médias e mínimas mensais do ar externo para São Paulo/SP ... 62 Figura 13 - Temperaturas máximas, médias e mínimas mensais do ar externo para Rio de Janeiro/RJ ... 63
10 Figura 14 - Temperaturas máximas, médias e mínimas mensais do ar externo para Natal/RN ... 63 Figura 15 - Orientação solar da fachada ( e da janela da zona térmica - Dormitório 2) ... 68 Figura 16 – Posição do isolamento térmico nos componentes opacos da envoltória ... 68 Figura 17 - Radiação global horizontal e umidade relativa: Rio de Janeiro/RJ – Período 19/03-21/03 (Verão) e 28/06-30/06 (Inverno) ... 69 Figura 18 - Consumo anual para refrigeração: Rio de Janeiro. Variação tipo parede, absortância e ventilação diurna. (janela oeste) ... 72 Figura 19 - Consumo anual para refrigeração: Rio de Janeiro. Variação tipo cobertura, absortância solar e ventilação diurna ... 73 Figura 20 - Fluxo de Calor e Temperaturas: Rio de Janeiro. Caso absortância solar baixa - Verão ... 75 Figura 21 - Fluxo de Calor e Temperaturas: Rio de Janeiro. Caso absortância baixa - Inverno ... 76 Figura 22 - Consumo anual para refrigeração: Rio de Janeiro. Variação tipo janela, persiana e ventilação diurna ... 77 Figura 23 - Fluxo de Calor e Temperaturas: Rio de Janeiro. Caso Janela – Verão ... 78 Figura 24 - Fluxo de Calor e Temperaturas: Rio de Janeiro. Caso Janela - Inverno ... 79 Figura 25 - Consumo anual para refrigeração: Rio de Janeiro. Variação orientação solar da parede com janela e ventilação diurna ... 81 Figura 26 - Consumo anual para refrigeração: Rio de Janeiro. Variação isolamento, posição isolamento e ventilação diurna ... 82 Figura 27 - Fluxo de Calor e Temperaturas: Rio de Janeiro. Caso Isolamento – Verão ... 83 Figura 28 - Fluxo de Calor e Temperaturas: Rio de Janeiro. Caso Isolamento – Inverno ... 84 Figura 29 - Consumo anual para refrigeração: Rio de Janeiro. Combinações de estratégias ... 86
Figura 30 - Rio de Janeiro: Fluxo de Calor e Temperaturas. Caso Base – Verão ... 87 Figura 31 - Rio de Janeiro: Fluxo de Calor e Temperaturas. Caso Base - Inverno ... 88 Figura 32 - Rio de Janeiro: Fluxo de Calor e Temperaturas. Caso 24: Combinação de estratégias de projeto - Verão ... 89 Figura 33 - Fluxo de Calor e Temperaturas: Rio de Janeiro. Caso 24: Combinação de estratégias de projeto - Inverno ... 90 Figura 34 - Consumo anual para refrigeração: Natal. Caso Base e melhores resultados para parede, cobertura, janela, orientação solar, uso de isolamento e combinação parâmetros ... 92 Figura 35 - Consumo anual para refrigeração: Florianópolis. Caso Base e melhores resultados para parede, cobertura, janela, orientação solar, uso de isolamento e combinação parâmetros ... 93 Figura 36 - Consumo anual para refrigeração: São Paulo. Caso Base e melhores resultados para parede, cobertura, janela, orientação solar, uso de isolamento e combinação parâmetros ... 94
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Poluentes típicos presentes no ar interno e suas principais fontes em ambientes
fechados ... 38
Tabela 2 - Principais medidas de correção em ambientes internos para os poluentes no ar .... 39
Tabela 3 - Limites de concentração de dióxido de carbono (CO2) em ambientes internos ... 42
Tabela 4 - Etapas para elaboração de simulação computacional pelo software Energy Plus .. 50
Tabela 5 - Arquivos climáticos ... 51
Tabela 6 - Padrão de ocupação para dias de semana e final de semana ... 51
Tabela 7 - Taxas metabólicas para cada atividade ... 53
Tabela 8 - Dados de entrada: Objeto. HVACTemplate:Zone:PTHP - sistema de condicionamento de ar ... 53
Tabela 9 - Dados de entrada: Building. AirflowNetwork ... 54
Tabela 10 – Variáveis (parâmetros) relacionadas a cada fonte de calor presente em uma edificação ... 56
Tabela 11 - Características gerais do modelo base de simulação – Edificação Unifamiliar .... 57
Tabela 12 – Características geométricas dos ambientes ... 58
Tabela 13 - Dormitório 02: Características da zona térmica analisada ... 59
Tabela 14 – Síntese dos dados de entrada adotados segundo o método de simulação do RTQ-R para dormitórios ... 59
Tabela 15 - Resumo dos parâmetros variáveis ... 60
Tabela 16 – Caso Base: Resumo dos parâmetros ... 61
Tabela 17 - Características das cidades analisadas ... 61
Tabela 19 – Parede: Propriedades térmicas dos materiais utilizados nos componentes construtivos ... 64 Tabela 20 - Características dos componentes construtivos da envoltória – Cobertura e Piso .. 65 Tabela 21 - Propriedades térmicas dos materiais utilizados nos componentes construtivos – Cobertura e piso ... 65 Tabela 22 - Características dos componentes construtivos da envoltória – Tipos de Janelas .. 66 Tabela 23 - Propriedades térmicas e ópticas do vidro simples e vidro duplo ... 66 Tabela 24 – Dados de entrada: Window:Material:Blind ... 67 Tabela 25 – Síntese dos parâmetros fixos e variáveis da envoltória ... 70 Tabela 26 - Rio de Janeiro: Desempenho energético e características da envoltória. Variação tipo parede, absortância e ventilação diurna ... 71 Tabela 27 – Síntese dos parâmetros fixos e variáveis da envoltória ... 72 Tabela 28 –Rio de Janeiro: Desempenho energético e características da envoltória. Variação tipo cobertura, absortância e ventilação diurna ... 73 Tabela 29 – Síntese dos parâmetros fixos e variáveis da envoltória ... 76 Tabela 30 – Rio de Janeiro (ZB8): Desempenho termo-energético – Tipos de Janelas e ventilação diurna ... 77 Tabela 31 – Síntese dos parâmetros fixos e variáveis da envoltória ... 80 Tabela 32 - Rio de Janeiro (ZB8): Resultados desempenho energético – Orientação solar da fachada com base a parede da janela (Dormitório 2) ... 80 Tabela 33 – Síntese dos parâmetros fixos e variáveis da envoltória ... 81 Tabela 34 - Rio de Janeiro: Desempenho energético e características da envoltória. Variação da Aplicação de Isolamento na envoltória e ventilação diurna ... 82
14 Tabela 35 - Síntese dos parâmetros aplicados para os casos de combinações de estratégias ... 85 Tabela 36 – Rio de Janeiro: Desempenho energético e características da envoltória. Combinação de parâmetros ... 86 Tabela 37 – Síntese dos parâmetros fixos e variáveis da envoltória ... 90 Tabela 38 – Rio de Janeiro: Desempenho energético e características da envoltória. Assentamentos informais – Caso Favela ... 91 Tabela 39 - Rio de Janeiro: Desempenho energético e características da envoltória. Variação da Taxa de Renovação de ar ... 91
Tabela 40 - Dados de entrada: HVACTemplate:Zone:PTHP –
sistema de condicionamento de ar ... 109 Tabela 41 - Dados de entrada: Material – Propriedades Materiais ... 110 Tabela 42 - Dados de entrada: Propriedades térmicas e ópticas do vidro simples e vidro duplo ... 111 Tabela 43 – Dados de entrada: Window:Material:Blind ... 111
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABRAVA
Associação Brasileira de Refrigeração, Ar condicionado, Ventilação e Aquecimento
ANVISA Agência Nacional de Vigilância Sanitária
ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers AVAC Aquecimento, ventilação e ar condicionado
BEM Balanço Energético Nacional
CA Consumo relativo anual para aquecimento (kWh/m².ano) CO2 Dióxido de Carbono
COP Coeficient of performance COV Compostos Orgânicos Voláteis
CR Consumo relativo anual para refrigeração (kWh/m².ano)
BTU British Thermal Unit (Unidade Térmica Britânica). 1BTU = 1055J’
BTU/h
Refere-se a taxa de transferência de calor a ser retirada de um ambiente por hora
EPS Poliestireno Expandido
GHR Graus-hora para resfriamento
J Joules
INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial PBE Programa Brasileiro de Etiquetagem
PMCMV Programa Minha Casa Minha Vida Ppm Partes por milhão
16 PVC Policloreto de vinila
OMS Organização Mundial de saúde QAI Qualidade do ar interno
RTQ-C
Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos
RTQ-R
Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Residenciais
SED Síndrome dos edifícios doentes
TR Tonelada de refrigeração. 1TR=1200 BTU/h ZB Zona Bioclimática
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 21 1.1 OBJETIVOS ... 26 1.1.1 Objetivos Específicos ... 26 1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 26 2 REVISÃO DE LITERATURA ... 27
2.1 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM EDIFICAÇÕES ... 27
2.1.1 Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Residenciais - RTQ-R ... 29
2.1.2 Uso de isolamento térmico nas edificações ... 33
2.2 TAXA DE VENTILAÇÃO E QUALIDADE DO AR INTERNO (QAI) ... 37
2.2.1 Legislação Nacional para QAI ... 40
2.2.2 Dióxido de Carbono ... 42
2.3 SÍNTESE ... 46
3 MÉTODO ... 48
3.1 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL ... 49
3.1.1 SOFTWARES ... 49
3.1.2 MÉTODO DE AVALIAÇÃO DA ENVOLTÓRIA BASEADO NO MÉTODO DE SIMULAÇÃO DO RTQ-R ... 51 3.1.2.1 Arquivo climático ... 51 3.1.2.2 Padrão de ocupação ... 51 3.1.2.3 Sistema de ar condicionado ... 53 3.1.2.4 Ventilação natural ... 54 3.1.2.5 Temperatura do solo ... 54
3.2 DEFINIÇÃO DO MODELO DE SIMULAÇÃO ... 55
3.2.1 Tipologia da edificação ... 57
3.2.2 Zona térmica ... 58
3.2.3 Parâmetros variáveis e fixos (caso base) ... 60
18
3.2.3.2 Sistema construtivo das paredes externas e internas ... 64
3.2.3.3 Sistema construtivo da cobertura e piso ... 65
3.2.3.4 Tipo de abertura ... 66
3.2.3.5 Orientação solar ... 68
3.2.3.6 Aplicação de isolante térmico ... 68
3.2.3.7 Taxa de renovação de ar ... 68
3.3 ANÁLISE DOS DADOS OBTIDOS ... 69
3.3.1 Consumo energético ... 69
3.3.2 Fluxo de calor ... 69
4 RESULTADOS ... 70
4.1 RIO DE JANEIRO (ZONA BIOCLIMÁTICA 8) ... 70
4.1.1 Rio de Janeiro (ZB8): Desempenho termo-energético – Parede e Cobertura.. ... 70
4.1.2 Rio de Janeiro (ZB8): Desempenho termo-energético – Tipos de Janelas 76 4.1.3 Rio de Janeiro (ZB8): Desempenho energético – Orientação solar da fachada... ... 79
4.1.4 Rio de Janeiro (ZB8): Desempenho termo-energético – Aplicação de Isolamento na envoltória ... 81
4.1.5 Rio de Janeiro (ZB8): Desempenho termo-energético – Combinação de parâmetros ... 84
4.1.6 Rio de Janeiro (ZB8): Desempenho energético – Assentamentos urbanos informais, favelas ... 90
4.1.7 Rio de Janeiro (ZB8): Desempenho energético Taxa de renovação de ar . 91 4.2 NATAL (ZONA BIOCLIMÁTICA 8) ... 92
4.3 FLORIANÓPOLIS (ZONA BIOCLIMÁTICA 3) ... 93
4.4 SÃO PAULO (ZONA BIOCLIMÁTICA 3) ... 94
5 CONCLUSÃO ... 95
5.1 LIMITAÇÕES DA PESQUISA ... 97
5.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 97
REFERÊNCIAS ... 98
APÊNDICE A – RESULTADOS SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL: RIO DE JANEIRO – RJ ... 105
APÊNDICE B – RESULTADOS SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL: NATAL - RN ... 106 APÊNDICE C – RESULTADOS SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL:
FLORIANÓPOLIS - SC ... 107 APÊNDICE D – RESULTADOS SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL: SÃO
PAULO - SP ... 108 APÊNDICE E – DADOS DE ENTRADA: PARÂMETROS APLICADOS NO
21 1 INTRODUÇÃO
A arquitetura desempenha um papel fundamental na finalidade de construir um espaço físico e tem influência, tanto na paisagem urbana, como na da qualidade de vida dos usuários. Maiores níveis de eficiência energética podem ser alcançados por meio de estratégias de projeto e cooperação entre os profissionais envolvidos do setor da construção civil.
Nos últimos anos, o consumo de energia elétrica tem crescido de forma acelerada. Segundo Fossati et al. (2016), as edificações são responsáveis por um terço da demanda de energia elétrica na maior parte dos países, e, até o ano de 2035, a demanda irá crescer significativamente, com a China e o Oriente Médio representando 60 % deste crescimento. Dentre os fatores que influenciaram a alta estão: o crescimento da população mundial, a melhoria das condições econômicas de países em desenvolvimento, e uma maior busca na melhoria do conforto ambiental. Lamberts, Dutra e Pereira (2014) ressaltam que o consumo energético pode ser reduzido a partir da aplicação do conhecimento em eficiência energética e conforto ambiental nos projetos por engenheiros e arquitetos.
O setor residencial representa um impacto significativo no consumo anual de energia elétrica. Segundo o Escritório Nacional de Estatísticas da China (2009), o consumo do setor residencial alcança o segundo lugar no ranking de maior consumo de energia elétrica. As residências em grandes centros urbanos representam 63 % do total de consumo de energia no setor. Chen, Yoshino e Li (2010) revelam a falta de estudos com relação aos fatores que influenciam o uso final de energia elétrica no país, como: as características das edificações, os equipamentos domésticos e os hábitos dos usuários. Os autores ressaltam que a partir do estudo desses fatores é possível realizar estimativas do futuro do consumo energético no setor residencial.
De acordo com o Balanço Energético Nacional (2018), no Brasil as edificações são responsáveis por 50,8 % do consumo de energia elétrica , onde 25,5 % representa o setor residencial, enquanto 17,1 % edifícios comerciais e 8,2 % de edifícios públicos. (Figura 1).
24 frio na China. Através da compilação dos resultados de questionários, obtiveram o perfil das residências chinesas analisadas. O estudo constatou que em três centros urbanos, 96 % das residências possuíam ar condicionado. A operação do condicionamento artificial em quatro cidades no verão é de 11,7 horas por dia/residência, com o pico às 20h e que 60 % das famílias utilizam o ar condicionado a noite. (Figura 3)
Figura 3 - Operação diária do ar condicionado no verão em cidades da China
Fonte: adaptado T.HU, Yoshino e Jiang (2013)
Chen, Yoshino, Li (2010) analisaram os fatores que influenciam no impacto do consumo de energia no verão nas cinco zonas climáticas da China, incluindo o grande centro urbano de Hong Kong. Hong Kong é a cidade que mais consome energia elétrica no país. O estudo conclui que a localização e o ano da construção são os fatores que mais influenciam o consumo de energia. Yoshino et al. (2006) realizaram um mapeamento dos tipos e hábitos dos usuários em diversas grandes cidades da China e aplicaram estratégias para reduzir o consumo nas cidades de Beijing (Região fria) e Shangai (Região de verão quente e inverno frio). Os resultados da combinação do emprego de isolamento térmico e ventilação natural obteve um impacto significativo na redução do consumo de energia elétrica.
No Brasil, segundo dados da pesquisa Associação Brasileira de Refrigeração, Ar condicionado, Ventilação e Aquecimento - ABRAVA (2012), o mercado de ar condicionado está em crescimento contínuo. Os tipos de equipamentos mais frequentes em edificações residenciais são os aparelhos de janela e o tipo Split. Entre 2008-2014, em toneladas refrigeração (TR), as vendas de ar condicionado do sistema tipo Split cresceram 187 % (Figura 4).
26 1.1 OBJETIVOS
O objetivo deste trabalho é analisar o desempenho termo-energético noturno de dormitórios condicionados artificialmente para diferentes estratégias de projeto aplicadas a envoltória de uma edificação unifamiliar de interesse social.
1.1.1 Objetivos Específicos
Para o estudo, os objetivos específicos são:
a. Avaliar o desempenho energético noturno em um dormitório condicionado artificialmente do modelo HIS em cidades localizadas na zona bioclimática 3 -Florianópolis/SC e São Paulo/SP (ZB3); e na zona bioclimática 8 - Natal/RN e Rio de Janeiro/RJ (ZB8).
b. Comparar o impacto de diferentes estratégias de projeto aplicadas na envoltória sobre o modelo no desempenho energético dos dormitórios, individualmente e combinadas. c. Analisar o comportamento térmico através do fluxo de calor dos componentes da
envoltória para a cidade do Rio de Janeira/RJ.
d. Comparar o impacto de diferentes valores de taxa de renovação de ar e um tipo de assentamento urbano informal para a cidade do Rio de Janeiro/RJ.
1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO
O primeiro capítulo abrange a introdução referente a problemática atual associada ao tema do trabalho. O panorama da situação energética atual e prevista do setor residencial. No segundo capítulo é apresentada a revisão bibliográfica, o regulamento utilizado como base do método de avaliação do desempenho térmico e a legislação nacional referente a qualidade do ar interno em ambientes internos. O terceiro capítulo descreve o método empregado, a ferramenta, as características das cidades e as definições de estratégias de projeto. O quarto capítulo apresenta os resultados alcançados a partir da aplicação do método para alcançar os objetivos propostos e o quinto as conclusões. Por fim é apresentado as referências bibliográficas e apêndices.
27 2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1 EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM EDIFICAÇÕES
Após a crise energética de 2001, se intensificou a criação de medidas que contribuam para a racionalização do uso de energia no Brasil. A primeira iniciativa em legislações foi em outubro de 2001, com a Lei No10.295 (BRASIL, 2001b) que dispõe sobre a Política Nacional de Conservação de Uso Racional de Energia, regulamentada pelo decreto 4.059 (BRASIL 2001a), onde estabelecia os níveis máximos de consumo de energia, ou mínimos de eficiência energética.
Em outubro de 2003 foi lançado o PROCEL Edifica, estabelecendo uma série de projetos para implementar a eficiência energética na cultura da construção brasileira. Dentro dos projetos está o regulamento de eficiência energética em edificações, em um convênio assinado em 2004, cujo desenvolvimento da base técnica ficou a cargo do Laboratório de Eficiência Energética em Edificações da Universidade Federal de Santa Catarina - LabEEE/UFSC.
A norma NBR15220, em 2005, estabelece um conjunto de recomendações e estratégias construtivas destinadas às habitações para um melhor desempenho térmico. E, publicada em fevereiro de 2013, após anos de revisão e debates, está em vigor a Norma de Desempenho NBR 15.575 – 2013 (ABNT, 2013) que institui o nível de desempenho mínimo em edificações habitacionais para os elementos construtivos como: estrutura, vedações, instalações elétricas e hidrossanitários, pisos, fachada e cobertura. Sendo uma das alterações mais polêmicas, a não obrigatoriedade de venezianas nos dormitórios. (CRUZ, et al, 2014; BOTTAMEDI, 2011)
O Programa Brasileiro de Etiquetagem – PBE dispõem de informações sobre o desempenho dos produtos com relação à sua eficiência energética através dos programas de Avaliações da Conformidade que utilizam a Etiqueta Nacional de Conservação de Energia - ENCE. A classificação da etiqueta especifica o nível de eficiência alcançado e está entre a letra “A” (mais eficiente) e o “E” (menos eficiente). Como parte do Programa Brasileiro de Etiquetagem, o Inmetro, com o apoio do Procel Edifica, lançou os regulamentos a seguir, referentes ao nível de eficiência energética de edifícios comerciais, de serviços e públicos (RTQ-C) e residenciais (RTQ-R):
28 a) Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de
Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos (RTQ-C), publicado em fevereiro de 2009, cuja portaria em vigor é a Portaria Inmetro 372/2010 (BRASIL, 2010) e as Portarias complementares 17/2012 e 292/2013; e
b) Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Residenciais (RTQ-R), publicado em novembro de 2010 e atualmente em vigor sob Portaria Inmetro no18/2012 (BRASIL, 2012).
A existência de dois regulamentos se deve as das duas categorias possuírem parâmetros diferentes para a classificação do nível de eficiência energética. Contudo, em ambas, a aplicação do regulamento é feita através do método prescritivo ou do método por simulação computacional termo-energética. E, além disso, a etiqueta pode ser concedida na fase de projeto e/ou para o edifício construído.
O RTQ-R classifica as edificações residenciais através da avaliação do (a) sistema de aquecimento de água e a (b) envoltória da Unidade Habitacional (UH). As edificações multifamiliares são compostas por diversas UHs, e podem obter a classificação individual de uma UH ou uma geral de todas as UHs. Além disso, é possível avaliar as áreas de uso comum, de uso frequente e/ou eventual.
Os regulamentos apresentam procedimentos para alcançar níveis mais elevados de eficiência energética nas edificações. A etiquetagem de edificações comerciais, de serviços e residenciais no Brasil é de caráter voluntário. Entretanto, em 4 de junho de 2014 houve um importante passo visando à eficiência energética do país. Neste dia foi publicada em Diário Oficial a Instrução Normativa no2 (BRASIL, 2014) que dispõe sobre obrigatoriedade do uso da Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE) aos projetos e respectivas edificações públicas federais novas ou que recebam retrofit. A etiquetagem será um forte instrumento de mudança no mercado ao agregar valor aos empreendimentos que se diferenciam dos convencionais e, além disso, a etiquetagem orienta e informa o consumidor ao permitir que o mesmo avalie e escolha a edificação que proporcionará maior economia de energia. A divulgação de informação aos consumidores incentiva a melhoria na construção através de uma maior transparência do mercado.
29 2.1.1 Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de
Edificações Residenciais - RTQ-R
O Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Residenciais – RTQ-R apresenta requisitos para a classificação da eficiência energética de três tipologias de edificações:
a) Unidades Habitacionais Autônomas (UHs): corresponde a uma edificação unifamiliar (casa) ou uma unidade de uma edificação multifamiliar (apartamento); b) Edificação Multifamiliar: corresponde a uma edificação que possui mais de uma UH
em um mesmo lote (edifício de apartamentos, sobrado, casa geminada);
c) Áreas de Uso Comum: correspondem a ambientes de uso coletivo de edificações multifamiliares ou condomínios de edificações residenciais.
A classificação do nível de eficiência energética de edificações residenciais, através do RTQ-R possibilita a obtenção da Etiqueta Nacional de Conservação de Energia - ENCE (Figura 5). A ENCE é concedida no âmbito do Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE) do Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (Inmetro). O RTQ-R apresenta dois métodos para determinação da eficiência energética da envoltória das UHs: o método prescritivo e o método de simulação computacional termo-energética.
Nas UHs são avaliados separadamente dois sistemas individuais que estabelecem seu nível de eficiência energética: (a) a envoltória e o (b) aquecimento de água. A nota final é obtida através de uma equação com ponderação dos níveis destes sistemas, sendo que a ponderação varia com a Zona Bioclimática estabelecida pela NBR 15220-3 (ABNT, 2005). Também é necessário o cumprimento de pré-requisitos de medição individualizada de água e energia elétrica, propriedades térmicas, ventilação natural e iluminação natural para obter os níveis mais eficientes (A e B). E, na pontuação final, podem-se somar bonificações através de iniciativas que aumentem a eficiência da edificação como iluminação e ventilação natural, uso racional de água e uso de equipamentos eficientes. Os dois sistemas, assim como a classificação final, têm níveis de eficiência que variam de A (mais eficiente) a E (menos eficiente).
30 Figura 5 - Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE) de uma Unidade
Habitacional Autônoma (UH) e de uma edificação multifamiliar
Fonte: BRASIL (2012)
A envoltória é o conjunto de elementos da edificação em contato com o meio externo, dentre eles os fechamentos opacos e translúcidos. O regulamento avalia a envoltória das áreas de permanência prolongada de cada unidade habitacional autônoma (UH) em três condições:
a) Desempenho da envoltória para verão: avaliação calculada através do indicador de graus-hora para resfriamento (GHR1) de cada ambiente de permanência prolongada; b) Desempenho da envoltória para inverno: avaliação calculada através o consumo relativo anual (kWh/m².ano) para aquecimento (CA) de cada ambiente de permanência prolongada;
c) Desempenho da envoltória quando condicionada artificialmente: avaliação calculada através do consumo relativo anual (kWh/m².ano) para refrigeração (CR) nos dormitórios. O desempenho da envoltória quando condicionada artificialmente é de caráter informativo.
O peso da avaliação do sistema de aquecimento de água na nota final da UH é diferente da envoltória e varia de acordo com a zona bioclimática na qual a edificação se localiza: 35 % para as regiões que requerem mais aquecimento e 10 % ou 5 % para regiões mais quentes, e os demais valores através da ponderação do desempenho da envoltória para o verão e o inverno. Além da avaliação das unidades habitacionais, o RTQ-R permite a avaliação de edificações multifamiliares. Em edificações multifamiliares pondera-se pelas suas áreas úteis a pontuação
31 total de todas as UHs. Para obter o nível de eficiência áreas de uso comum de edificações multifamiliares e condomínios residenciais são avaliadas as áreas de uso frequente e de uso eventual. São consideradas áreas comuns de uso frequente: circulações, halls, garagens, escadas, antecâmaras, elevadores, corredores, estacionamento, e, é avaliado a iluminação artificial, bombas centrífugas e elevadores. As áreas de uso eventual são: salões de festa, piscina, brinquedoteca, banheiros coletivos e demais espaços coletivos destinados ao lazer e descanso dos moradores e a avaliação é com relação à iluminação artificial, equipamentos, sistema de aquecimento de água para banho, piscina e sauna existentes na edificação.
Invidiata et. al (2016) realizaram a análise do desempenho energético de uma edificação residencial através do método de simulação do RTQ-R para as cidades de Curitiba, Florianópolis e Salvador. Os autores obtiveram os resultados de melhor desempenho para Curitiba, ao utilizar isolante térmico na envoltória e janelas sem sombreamento. Para Florianópolis e Salvador, o melhor desempenho ocorreu com a utilização de isolante térmico, absortância baixa e sombreamento nas janelas. Cruz et al (2014) avaliam uma edificação residencial nas zonas bioclimáticas 3 e 8 através do método prescritivo do RTQ-R e, o estudo demonstrou que a maior influência no desempenho da envoltória da habitação se deve ao uso de dispositivo de sombreamento nas aberturas e absortância baixa nas paredes e coberturas. Almeida et al. (2013) avaliou 22 habitações de interesse social (HIS) localizadas na região da Grande Florianópolis/SC, dentro da zona bioclimática 3. Através de questionários, foram levantadas informações sobre as características geométricas e características dos componentes construtivos das HIS avaliadas. A avaliação das edificações é realizada pelo método prescritivo RTQ-R e a classificação final predominante da envoltória foi nível C ou D. Outros trabalhos também realizados na cidade de Florianópolis apontam o baixo nível de eficiência obtido pelas edificações de baixa renda, como descrito por Vieira et al. (2012) e Triana et al. (2013). NOGUEIRA et al. (2012) avaliam o impacto de diferentes combinações de estratégias bioclimáticas na classificação de eficiência energética da envoltória de uma residência com base no método prescritivo do RTQ-R para a zona bioclimática 8. Os autores constatam que a absortância da cobertura e o tamanho das aberturam são os parâmetros que mais impactam no desempenho final. Na pesquisa de Lima, Pedrini e Alves (2012) avalia-se o desempenho térmico do modelo de residência Programa Social da Habitação (PSH) através do método de simulação do RTQ-R no município de Parnamirim/RN e o resultado obtido foi o nível E. A
1 O parâmetro “graus-hora” de resfriamento (GHR) é determinado a partir da somatória da diferença da temperatura horária,
32 estratégia de projeto que maior impactou sobre o desempenho é o emprego da absortância baixa na cobertura. Os resultados das comparações de diversas estratégias através do método de simulação de Triana e Lamberts (2013) indicam que com o emprego de isolamento térmico e baixa absortância da cobertura impactam significativamente em um melhor desempenho térmico. Alves et al. (2012) afirmam que é possível produzir uma moradia energeticamente eficiente (nível A) e viável economicamente, mesmo diante das restrições do programa Minha Casa Minha Vida 2012.
Um dos fatores desses resultados é a utilização do mesmo sistema construtivo em diferentes zonas bioclimáticas. O Brasil possui uma extensão territorial com área de 8,5 milhões de km², caracterizado por uma variedade de condições climáticas dividindo o território em oito zonas bioclimáticas, sendo as ZB1 e ZB2 as mais frias e ZB7 e ZB8 as mais quentes (ABNT, 2005). Entretanto, os materiais e sistemas construtivos empregados na envoltória das edificações não refletem esta diversidade. Para obter edificações mais eficientes é fundamental projetar de acordo com o clima, reduzindo os consumos para refrigeração e aquecimento e melhorando o nível de conforto ambiental para o usuário. Os materiais de construção têm uma forte influência sobre as condições de conforto no ambiente interior e, por conseguinte, sobre o consumo energético da edificação. A escolha correta dos materiais construtivos e das estratégias da envoltória fará com que a edificação utilize menos sistemas artificiais e melhore as condições de conforto para o usuário. As edificações residenciais, principalmente as edificações unifamiliares, pela maior área de superfície em contato com o exterior, são influenciadas pelo ambiente externo. Portanto, pensar a envoltória reflete em um impacto significativo para a promoção do conforto térmico e maior eficiência da edificação. Os estudos referentes à aplicação do RTQ-R demonstram a importância do emprego da regulamentação como ferramenta de projetos arquitetônicos de edificações residências, tanto através do método prescritivo como pelo método de simulação. Através do RTQ-R diversas estratégias podem ser comparadas e o impacto que cada uma exerce sobre o nível de eficiência da edificação.
34 envoltória das edificações. O estudo analisou as seguintes cidades na China: Urumqi, Pequim, Xangai, Cantão e Kunming, cidades localizadas em zonas climáticas diferentes, no inverno (necessidade de aquecimento) e no verão (necessidade de resfriamento). Os resultados obtidos através de equações matemáticas demonstram a melhor espessura de isolante térmico (EPS) em paredes de bloco de concreto para cada cidade: Urumqi (175mm); Pequim (216mm); Xangai (205mm); Cantão (116mm) e Kunming (163mm). A maior espessura de isolamento térmico é necessária em climas mais frios, com maior amplitude térmica ao longo do dia.
Aditya et al. (2017) revisaram estudos desenvolvidos sobre a evolução do uso de isolamentos na construção civil, para melhor eficiência energética em edificações e o ciclo de vida do material. Nos estudos investigados, em climas de inverno rigoroso e verão quente, o uso de isolamentos na edificação comprovou ser um investimento seguro para um melhor conforto térmico. O estudo mais representativo apresentado é a redução de 64 % para consumo de energia realizado pelo grupo de produtores de isolamentos da Malásia, com uma diminuição de 5 oC ao se utilizar lã de rocha no forro da cobertura de uma residência. Entretanto a referência deste estudo é de caráter sigiloso.
Fang et al. (2014) construíram dois protótipos de ambientes – tipologia com e sem o uso de isolamento na envoltória - dentro da Universidade de Chongqing na China, em uma cidade caracterizada por clima quente. O experimento avaliou o comportamento térmico da envoltória ao longo do verão e concluiu redução de 23,5 % no consumo de energia para refrigeração. Simona, Spiru, Ion (2017) realizaram um experimento para analisar a temperatura das superfícies externas de uma edificação multifamiliar na Romênia. Os autores avaliaram o uso do isolamento na parte interna e na parte externa das paredes, e os resultados demonstraram que as duas tipologias melhoraram de forma significativa, o desempenho térmico das paredes, principalmente durante o inverno.
Kolaitis, Malliotakis e Kontogeorgos (2013) analisou um comparativo entre a utilização de isolamento na parte interna e parte externa de uma edificação multifamiliar típica da Grécia em duas regiões - de clima quente mediterrâneo e clima temperado – e dois tipos de usuários – passivo, sem uso de sombreamento e janelas fechadas ao longo do dia, e ativo, com uso de sombreamento e controle por temperatura da abertura de janelas. O estudo foi realizado através de simulações pelo software TRNSYS. Contrapondo os resultados de consumo de energia para aquecimento, o uso de isolamento nas paredes não impactou significativamente no consumo de energia elétrica por refrigeração. O comportamento do usuário e uso de sombreamento nas
36 custo, força de compressão, absorção e transmissão de vapor d’água, resistência ao fogo, facilidade na aplicação, durabilidade e condutividade térmica. Em climas quentes como os países Golfo, regulamentações foram adaptadas que se aplique o uso de isolantes térmicos que promovam paredes e coberturas com resistência térmica de 1,3 m²K/W e 1,75 m²K/W respectivamente (Budaiwi, Abdou, Al-Homoud, 2002). Budaiwi, Abdou, Al-Homoud (2002) realizou um estudo em Dharan, Arábia Saudita e mostrou que o uso de combinação de diversos parâmetros alcançou uma redução de 38 % do consumo de energia elétrica em edificações residenciais. Entretanto, atualmente não há uso adequado dos isolantes térmicos por falta da aplicação de regulamentos.
PASSOS (2016) realizou um estudo para avaliar o impacto do uso de isolamento térmico (50 mm de lã de vidro) no desempenho energético e no conforto térmico dos usuários através da simulação computacional em habitações de interesse social para oito cidades no Brasil, em diferentes zonas bioclimáticas - Curitiba/PR (ZB1), Santa Maria/RS (ZB2), São Paulo (ZB3), Brasília/DF (ZB4), Vitória da Conquista/BA (ZB5), Campo Grande/MS (ZB6), Teresina/PI (ZB7), Recife/PE (ZB8). O estudo avalia seis situações para o uso de isolamento térmico: (1) sem isolamento nas paredes, no teto e no telhado; (2) com isolamento nas paredes; (3) com isolamento no cobertura; (4) com isolamento nas paredes e no cobertura; (5) com isolamento no teto; (6) com isolamento no teto e nas paredes. Em Teresina e Recife, onde as temperaturas, os casos 3 e 5 (isolamento na cobertura) apresentaram os melhores resultados, gerando menor consumo de energia e menor percentagem de desconforto pelo calor. Em Curitiba, Santa Maria e São Paulo o caso 6 (com o isolamento nas paredes e sobre a laje) apresentou o melhor resultado. Em Brasília e Vitória da Conquista o melhor resultado foi o caso 4 (isolamento nas paredes e cobertura). Diversos fatores devem ser levados em consideração na escolha da isolante térmico: custo, força de compressão, absorção e transmissão de vapor d’água, resistência ao fogo, facilidade na aplicação, durabilidade e condutividade térmica.
37 2.2 TAXA DE VENTILAÇÃO E QUALIDADE DO AR INTERNO (QAI)
Segundo Gioda e Neto 2003, para conservar energia, os ambientes passaram a se tornar mais selados, e, consequentemente, a diminuir a troca de ar entre exterior/interior ocasionando o aumento de níveis poluentes. A qualidade do ambiente interno (QAI) está relacionada pelos componentes presentes no ar, os aspectos construtivos, o fluxo de pessoas no ambiente, o uso da edificação, pelo sistema AVAC (aquecimento, ventilação e ar condicionado) utilizado e sua manutenção.
Segundo Carmo e Prado (1999), as medições de temperatura e a umidade são utilizadas para controle da qualidade do ar. Estes são parâmetros que exercem um impacto direto na percepção de QAI pelos usuários. Entretanto, maiores estudos de QAI foram desconsiderados enquanto crescia os de sistemas AVAC para redução das perdas de energia. Consequentemente, as taxas de infiltração de ar diminuíram e, as concentrações de poluentes no ar cresceram substancialmente (CARMO E PRADO,1999). Dentre os poluentes podem-se citar os presentes nos materiais de construções como o monóxido de carbono, dióxido de carbono, amônia, nitrogênio, e há os poluentes decorrente ao uso de produtos de limpeza, mofo, e ainda as atividades metabólicas. As fontes de emissões de alguns poluentes podem ser observadas na Tabela 1. Estes poluentes comprometem a saúde e rendimento dos usuários das edificações, gerando situações de desconfortos, problemas de saúde relacionados com a permanência em ambientes internos. A Organização Mundial de Saúde - OMS define o termo Síndrome do Edifício Doente (SED), aplicado apenas para um edifício comercial. O cenário de uma SED é caracterizado por mais de 20 % dos trabalhadores da edificação apresentado sintomas como enxaqueca, dores de cabeça, náuseas, fadiga, letargia, prurido e ardor nos olhos, irritação de nariz e garganta, anormalidades na pele e falta de concentração (SANTOS, 2012).
Esta síndrome, que começou a ser estudada na década de 1970, está frequentemente relacionada ao sistema de refrigeração ou de aquecimento dos edifícios. Ela pode ser provocada pela presença de bactérias, vírus ou fungos em sistemas de ar condicionado sem manutenção adequada, em produtos químicos dispersos no ar ou na poeira acumulada por carpetes ou cortinas. As medidas de correção para os poluentes mais típicos em ambientes internos podem ser observadas na Tabela 2. A principal característica observada em situações de síndrome do edifício doente é que os sintomas tendem a melhorar ao sair do ambiente. (APMT, 2014)
38 Tabela 1 - Poluentes típicos presentes no ar interno e suas principais fontes em ambientes
fechados
Poluentes no ar Fontes de emissão
Dióxido de carbono (CO2)
Atividade metabólica; Atividade de combustão; Veículos motores em garagem.
Monóxido de carbono (CO) Queima de combustível; Aquecedores a gás ou querosene; Fogão; Fumaça de cigarro. Dióxido de nitrogênio (NO2) Cigarro;
Vazamento de equipamentos com queima incompleta de combustível (caldeiras, fogões, aquecedores).
Formaldeído (HCHO)
Materiais de construção e mobiliário.
COV’s Adesivos; Solventes; Materiais de construção; Volatilização; Combustão; Pintura; Fumaça de cigarro; Atividades de limpeza; Fotocopiadores; Impressora a laser. Material particulado Fumaça de cigarro; Produtos de combustão; Atividades de limpeza.
Fonte: Adaptado NBR 16401 (2008) e Gioda e Neto (2003)
Pagel, Alvarez, Reis Jr. (2018) avaliaram a qualidade de ar interno em apartamentos com e sem fechamento em vidros nas varandas na cidade de Vitória/ES. A análise é feita através da medição da concentração de partículas no ar, e os maiores valores foram encontrados quando os vidros se encontravam fechado – diferente da percepção dos usuários, e ocorreu em dias que o trafego de carros era mais intenso. O resultado do estudo mostrou a presença de partículas menores e inaláveis encontradas em ambientes que permaneciam fechados, partículas essas que mesmo em baixas concentrações podem causar danos a saúde devido a maior facilidade de penetração no trato respiratório humano.
39 Tabela 2 - Principais medidas de correção em ambientes internos para os poluentes no ar
Poluentes no ar Medidas para correção em ambientes internos Dióxido de
carbono (CO2)
Aumentar a renovação de ar externo;
Restringir as fontes de combustão e o tabagismo em áreas fechadas; Eliminar a infiltração de fontes externas.
Monóxido de carbono (CO)
Manter a captação de ar exterior com baixa concentração de poluentes; Restringir as fontes de combustão;
Manter a exaustão em áreas em que ocorre combustão; Eliminar a infiltração de CO proveniente de fontes externas; Restringir o tabagismo em áreas externas.
Dióxido de nitrogênio (NO2)
Restringir as fontes de combustão;
Manter a exaustão em áreas em que ocorre combustão; Impedir a infiltração de NO2 de fonte externa;
Restringir o tabagismo em áreas externas.
Formaldeído (HCHO)
Selecionar os materiais de construção;
Acabamento e mobiliário que possuam ou emitam menos formaldeído.
COV’s
Selecionar os materiais de construção, acabamento, mobiliário e produtos de limpeza que possuam ou emitam COV ou que não apresentem alta taxa de volatilidade e toxidade
Material particulado
Evitar isolamento termo acústico que possa emitir fibras minerais, orgânicas, ou sintéticas para o ambiente climatizado;
Reduzir as fontes internas e externas;
Higienizar as superfícies fixas e os mobiliários sem o uso de vassouras, escovas ou espanadores;
Selecionar os materiais de construção e acabamento com menor porosidade, Adotar medidas especifica para reduzir a contaminação dos ambientes interiores;
Restringir o tabagismo em áreas fechadas.
Fonte: Adaptado ANVISA (2003)
Cartaxo et al. (2007), realizaram uma pesquisa de contaminação dos filtros de condicionadores de ar instalados em residências na cidade de Manaus/AM. O resultado comprovou uma contaminação biológica de enorme variedade de agentes prejudiciais à saúde humana, entre bactérias e fungos. Constataram, que mais de 50 % dos usuários dos aparelhos testados apresentaram sintomas dos problemas de falta de QAI. E, dentre estes, 74 % dos entrevistados melhorara após a troca para um novo aparelho de ar condicionado. Ressalta-se a importância de se realizar o efeito placebo neste tipo de estudo, dado a importância que o efeito possa ser muitas vezes psicológico.
40 2.2.1 Legislação Nacional para QAI
Ao construir edificações mais herméticas com o intuito de diminuir o consumo de energia resulta-se em uma baixa renovação de ar para dispersar os gases contaminantes. No Brasil, as normas para QAI existentes são regulamentadas para edificações comerciais pela Agência Nacional de Vigilância Sanitária (ANVISA), a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e pela Associação Brasileira de Refrigeração, ar condicionado, ventilação e Aquecimento (ABRAVA), com as seguintes publicações:
a) NBR 16401-3: 2008, de 4 de agosto de 2008, da Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT: Instalações de ar-condicionado – Sistemas centrais e unitários. Parte 3: Qualidade do ar interior. (NBR 16401, 2008)
A norma especifica os parâmetros básicos e os requisitos mínimos para sistemas de ar condicionado, visando à obtenção de QAI através da definição de vazões mínimas entre interior/exterior, níveis mínimos de filtragem do ar e os requisitos técnicos dos sistemas e componentes.
b) Resolução-RE nº 9, de 16 de janeiro de 2003, da Agência Nacional de Vigilância Sanitária – Anvisa, do Ministério da Saúde: determina a publicação de orientação técnica elaborada por Grupo Técnico Assessor, sobre padrões referenciais de qualidade do ar interior, em ambientes climatizados artificialmente de uso público e coletivo. (ANVISA,2003)
c) Resolução-RE nº 176, de 24 de outubro de 2000, da Agência Nacional de Vigilância Sanitária – Anvisa, do Ministério da Saúde: estabelece critérios e metodologias de análise para
avaliar a qualidade do ar interior em ambientes climatizados artificialmente de uso público e coletivo e relaciona as principais fontes poluentes químicas e biológicas. (ANVISA, 2000)
d) Portaria nº 3.523/GM, de 28 de agosto de 1998, da Agência Nacional de Vigilância Sanitária – Anvisa, do Ministério da Saúde: estabelece procedimentos de verificação visual do estado de limpeza e manutenção da integridade e eficiência de todos os componentes dos sistemas de climatização para garantir a qualidade do ar e prevenção de riscos à saúde dos ocupantes de ambientes climatizados. (ANVISA, 1998)
41 Dentre as determinações desta portaria estão: manter limpos os sistemas de climatização como bandejas, ventiladores, serpentinas e dutos; utilizar na limpeza produtos registrados pelo Ministério da Saúde; fazer a manutenção periodicamente; proteger a captação de ar externo e garantir a constante renovação de ar.
e) Recomendação normativa RN02-2003, da Associação Brasileira de Refrigeração, ar condicionado, ventilação e Aquecimento: trata sobre o conforto e qualidade de ar interno para sistemas de condicionamento de ar e ventilação. (ABRAVA, 2003)
ANVISA (2003) estabelece o critério de renovação de ar de no mínimo 27m³/h.pessoa e em ambiente sem permanência prolongada e com grande rotatividade de pessoas, o mínimo é de 17m³/h.pessoa. A ASHRAE 62.1 (2010) também estabelece o mínimo de 27m³/h.pessoa, entretanto o mínimo para ambientes de escritório é de 9m³/h.pessoa.
Uma edificação considerada saudável possui renovação de ar conciliado com os sistemas artificiais, equipamento e mobiliário adequado, o monitoramento constante das instalações e da qualidade do ar interno. O aprimoramento da QAI resulta em níveis mais elevados de saúde e contribui em um melhor desempenho das atividades dos usuários da edificação.
42 2.2.2 Dióxido de Carbono
O dióxido de carbono (CO2) é um gás incolor, inodoro e não inflamável, que está presente no ambiente interno e externo. O CO2 pode ser produzido por processos metabólicos como também por equipamentos que realizam processo de combustão, exemplo de fogões e lareiras. Segundo Carmo e Prado (1999), apesar de não ser considerado um gás tóxico, em alta concentração pode ocasionar sonolência até desmaio e ainda, pode indicar que outros gases contaminantes também estão presentes no ar interno. No conceito de qualidade do ar interno, o dióxido de carbono é um bom indicador de contaminação. (ANVISA, 2003)
A concentração interna do CO2 depende dos seus níveis externos e da sua taxa de produção interna (CARMO E PRADO, 1999). Na atmosfera, a concentração de dióxido de carbono é aproximadamente 379 ppm variando conforme localização e condições climáticas (TRENBERTH et al, 2007). A ANVISA (2003) estabelece o máximo de concentração permitida de dióxido de carbono em 1000 ppm e a NBR 16401-3 (2008) descrimina o limite em 3500 ppm. Segundo a NBR 16401 (2008), para considerar um ambiente com baixa QAI, este ultrapassa uma concentração de dióxido de carbono em 700 ppm comparado a concentração do ar exterior. A ASHRAE 62.1 (2010) estipula o valor máximo de concentração de 3500 ppm em residências e em indústrias de 5000 ppm.
A Associação Brasileira de Refrigeração, ar condicionado, ventilação e Aquecimento (ABRAVA) publicou no ano de 2003 uma recomendação normativa (RN02) para sistemas de condicionamento de ar e ventilação para conforto e qualidade do ar. A concentração de dióxido de carbono interna recomendada é de 1050 ppm a 1200 ppm, com o máximo de 3500 ppm.
Tabela 3 - Limites de concentração de dióxido de carbono (CO2) em ambientes internos
Norma Limite de concentração de dióxido de carbono
ANVISA 1000 ppm
NBR 16401 3500 ppm ou
700 ppm acima da concentração externa
ASHRAE 62.1 3500 ppm - Residências
5000 ppm - Indústrias
Norma Limite de concentração de dióxido de carbono
ABRAVA 3500 ppm
Segundo Liddament (1997), a alta concentração de dióxido de carbono igual ou acima de 10.000 ppm em edificações não possuem efeitos significativos, mas indicam que as taxas de ventilação estão inadequadas para diluir outros poluentes. E, a sensação de falta de ar em
43 ambientes quando redução do nível de concentração se a concentração estiver acima de 1500 ppm a 2000 ppm. (ABRAVA, 2003)
Segundo Fisk W. e Almeida A. (2010), a evolução da concentração de um poluente em um ambiente com a troca de ar com o exterior, com uma fonte de poluente e um elemento de purificação do ar pode ser calculada pela Equação (1):
!" !# = % &+ ()"*+, − ()"(#) − 01 234 & "(#) − 567 & "89: (1) Onde:
C: concentração média do poluente no ambiente (mg/m³); t: tempo (s);
G: geração de poluente no interior (mg/h); V: volume do ambiente (m³);
(): taxa de renovação (h-1)
Cext: concentração do poluente no exterior (mg/m³); 01: velocidade de deposição do poluente (mg/h.m²); 234: superfície de deposição (m²);
567: renovação do ar através do purificador de ar (m3/h); =67: eficiência do purificador de ar (adimensional).
O metabolismo humano consome oxigênio e produz vapor de água e o dióxido de carbono através da respiração. A geração de CO2 depende dos parâmetros fisiológicos, do nível da sua atividade e o tipo de atividade (met). O quociente respiratório (QR) é a relação volumétrica do dióxido de carbono produzido para o oxigênio consumido e pode ser obtido através da Figura 8. Uma pessoa de estatura média, de atividade sedentária e com uma dieta normal, apresenta QR igual a 0,83 (ABNT, 2008). A área superficial de uma pessoa de estatura média é de 1,8 m² de pele.
44 O oxigênio consumido por uma pessoa é dado pela Equação 2:
&>? = @A3B
567(0,235J + 0,77) (2) Onde:
@A3: área de superfície do corpo humano (área de DuBois) (m²); M: taxa metabólica (met);
QR: quociente respiratório.
A produção de CO2 por pessoa é dada pela Equação 3: &K>? = &>?5J (3) Onde:
&K>?: taxa de dióxido de carbono (l/s.pessoa); &>?: consumo de oxigênio (l/s.pessoa); QR: quociente respiratório.
A geração de dióxido de carbono é obtida em (kg/h). Para converter, é necessário multiplicar o resultado da Equação 3 pela densidade do CO2 a temperatura de 298K, conforme a Equação 4:
%K>? = &K>?1,98 (4) Onde:
&K>?: taxa de dióxido de carbono (l/s.pessoa); %K>?: geração de dióxido de carbono (mg/h);
45 Figura 8 - Taxa de respiração, consumo de oxigênio e produção de CO2 em função da
atividade
Fonte: ABNT (2008)
Segundo Carmo e Prado (1999), a alta concentração ocasiona o aumento da acidez do sangue e, a exposição contínua conduz a desmineralização dos ossos. Quando a concentração estiver acima de 50.000 ppm, o gás produz efeitos no sistema nervoso central.
46 2.3 SÍNTESE
Neste capítulo buscou-se subsídios e conceitos do método proposto na pesquisa. Detalhes do tema, problemáticas, definições e pesquisas foram abordados para auxiliar no desenvolvimento da pesquisa de como melhores estratégias de projeto em habitações de interesse social podem promover edificações mais eficientes energeticamente.
Com relação ao cenário atual da utilização de aparelhos de ar condicionado em edificações residenciais, as pesquisas existentes enfocam o potencial aumento de energia elétrica atual e no futuro decorrente o uso do equipamento frente as mudanças climáticas e a busca dos usuários por conforto. Observou-se muitas pesquisas na China que abordam o tema e criam uma base de dados para melhor compreensão do impacto do crescente aumento de aquisição de aparelhos de ar condicionado sobre o consumo de energia elétrica no país. Há Poucos estudos com medições reais, análises de padrão de uso, manutenção de equipamento e avaliação da qualidade de ar interno em residências. A maioria dos estudos de QAI aplica-se em edificações comerciais, e não levam em considerações os novos padrões de uso em residências, onde cada vez mais pessoas utilizam ar condicionado de maneira prolongada. O estudo encontrado de QAI no Brasil, em edificações residências comprovou a diminuição na contaminação biológica de agentes prejudiciais no ambiente com a troca do equipamento. Entretanto o estudo é antigo e era com equipamentos antigos, sem nenhuma ou pouca manutenção.
Uma revisão é realizada sobre a regulamentação de certificação de eficiência energética para edificações residenciais existentes no Brasil. O RTQ-R, apesar de sua adoção ser de caráter voluntário, apresenta um importante mecanismo de melhoria no desempenho de edificações e do setor da construção civil. Conhecer sua aplicabilidade e conceito possibilitou determinar a forma mais adequada para avaliação proposta pelo trabalho. As pesquisas em relação em tema, retratam a importância de estudos do desempenho das edificações de acordo com as características do local, e das decisões em fase de projeto. Os estudos apresentam como as HIS no Brasil não levam em consideração e possuem um baixo desempenho energético segundo o RTQ-R, possuindo o mesmo sistema construtivo. Muitos autores aplicaram a simulação termo-energética como ferramenta para análise e ressaltaram a importância dos estudos mesmo diante das restrições de programas de habitações de interesse social.
47 Também uma revisão bibliográfica é realizada dos estudos sobre o uso de isolamento térmico em edificações residenciais. Foi realizado estudos, onde indica-se que principalmente em clima frios, que a utilização de isolamento térmico na envoltória ajudou a diminuir o consumo energético ao evitar a perda de calor interna para o exterior, reduzindo o gasto com aquecimento. Apontam que posicionamento do material na envoltória, sua espessura e o tipo permite alcançar melhoria no conforto térmico do ambiente.
Para climas quentes e úmidos, com menor amplitude térmica diária, a utilização de isolante pode contribuir na diminuição de altas temperaturas nos ambientes internos. Entretanto, percebe-se a necessidade de maiores estudos da maneira que este material pode ser aplicado e se justifica o custo com os benefícios. Alguns estudos apontaram que não há diferença significativa ao variar a espessura do material (inverso do que aconteceu em climas frios, onde melhores resultados foram obtidos com maior espessura), e os melhores resultados eram obtidos no inverno.
Junto à justificativa do tema descrito no capitulo de introdução, a revisão de literatura mostrou uma crescente preocupação nas abordagens de edificação energeticamente eficientes e apresenta um embasamento teórico que auxiliam no desenvolvimento da pesquisa. Logo foi possível identificar as principais necessidades para análise a serem feitas e o método a ser empregado neste trabalho.
48 3 MÉTODO
Neste capítulo é descrito o método para a realização da análise do desempenho termo-energético da envoltória em dormitórios condicionados artificialmente de uma edificação unifamiliar HIS pelo método de simulação computacional do RTQ-R. Foram selecionadas quatro cidades brasileiras localizadas em duas condições bioclimáticas: Florianópolis/SC e São Paulo/SP – Zona Bioclimática 3; e Rio de Janeiro/RJ e Natal/RN – Zona Bioclimática 8. A análise de desempenho é realizada conforme as etapas a seguir:
1) Definição do objeto de estudo de uma habitação unifamiliar;
2) Definição das características construtivas da envoltória recorrente da construção civil brasileira e das estratégias de projeto a serem implementadas;
3) Realização de simulações computacional através do programa Energy Plus, utilizando como base o método de simulação da avaliação da envoltória segundo o RTQ-R; 4) Tratamento de dados obtidos pelos relatórios gerados através da simulação
computacional por parâmetro individualmente e combinado.
No presente trabalho, o modelo da edificação unifamiliar adotado é um projeto padrão de uma habitação de interesse social desenvolvido pela Caixa Econômica Federal (CAIXA, 2007). As características consideradas fixas para a realização da simulação do modelo da edificação são: (a) padrão de uso e ocupação dos usuários, (b) contato do piso com o solo (térreo) e (c) geometria da edificação. E, com relação aos parâmetros variáveis: (a) componentes construtivos das paredes e coberturas, e as propriedades térmicas (transmitância e absortância), (b) orientação geográfica das fachadas, (c) com ou sem ventilação diurna e (d) características das aberturas e sombreamento.
