Avaliação térmica de envoltórias para HIS da cidade de Sinop – MT por meio de
Simulação Computacional.
Evaluation of thermal envelope of Social Housing in the city of Sinop
– MT using
computer simulation.
Luana Aparecida Esser de Oliveira de Moraes1, Karen Wrobel Straub Schneider2
Resumo: As Habitações de Interesse Social – HIS são moradias para população de baixa renda. Em geral, essas habitações seguem um modelo padrão, sem adequação quanto ao clima da região de inserção, concebendo assim, muitas vezes um baixo desempenho térmico e ausência de conforto térmico para os moradores, devido a vasta diversidade climática encontrada no Brasil. O propósito da pesquisa, se baseou em realizar avaliação térmica de envoltórias para a HIS Daury Riva, na cidade de Sinop – MT, de forma que atendesse as premissas recomendada pela NBR-15575, para as condições climáticas locais. A avaliação foi realizada conforme as características construtivas, comparando os resultados de conforto térmico da edificação existente com as envoltórias propostas. Tal análise, foi elaborada através de simulação computacional. Para a escolha dos arranjos construtivos a serem simulados considerou-se o valor dos materiais de construção na região. Os resultados mostraram que para Sinop, as diretrizes construtivas não estão totalmente fora do padrão indicado pela norma. Entretanto, verificou-se que mesmo atendendo aos limites estabelecidos pela NBR-15575, as edificações não apresentavam condições de conforto térmico.
Palavras-chave: Conforto térmico; Desempenho térmico; Energyplus; DesignBuilder.
Abstract: : Social Housing provides accommodation to low-income families. These dwellings are usually built
according to a standard construction type, so they aren’t built to fit local climate conditions, therefore it’s not unusual the low thermal performance of the buildings, without any thermal comfort for the dwellers. The purpose of the present study is the thermal evaluation of the building envelope at the subsidized housing named Daury Riva, in the city of Sinop on the Brazilian state of Mato Grosso, taking into account the parameters of construction for local climatic conditions found in the Brazilian building regulation (NBR – 15575). The evaluation was carried out according to the characteristics of building-construction, comparing the results of thermal comfort in the building with the building envelope. This analysis was made through computer simulation. The present study took into account the value of the building materials in the whereabouts in order to designate the constructive arrangements for the simulation. The results show that parameters of construction are not totally in disagreement with the regulation. However, even complying with the requirements for the thermal performance, the buildings did not present conditions of thermal comfort.
Keywords: Thermal comfort; Thermal performance; Energyplus; DesignBuilder.
1 Introdução
O indice elevado de déficit habitacional no Brasil, faz com que os investimentos do governo nas Habitações de Interesse Social-HIS, aumentem expressivamente no país. Mas de acordo com Pereira e Ghisi (2009), essas construções são em geral de baixa qualidade e não atendem às necessidades de seus usuários, especialmente quanto às condições de conforto térmico.
Sinop é uma das cidades que mais cresce no estado de Mato Grosso, bem como a média nacional, através do crescimento populacional também cresce as construções de HIS, para garantir moradia a população de baixa renda. No entanto essas construções, assim como no Brasil em geral, são executadas de forma padrão, sem uma avaliação adequada quanto ao clima local e adequação às normas de desempenho e conforto térmico.
Uma pesquisa realizada por Goto e Leão (2015), definiu algumas condições de conforto térmico para usuários de conjuntos habitacionais de interesse social
de Sinop. Esta pesquisa mostrou que 63,49% de pessoas entrevistadas não estavam satisfeitas quanto a temperatura ambiente. A temperatura de neutralidade encontrada foi de 27,97°C, enquanto a temperatura operativa média verificada nas edificações foi de 32,15°C, mostrando que as edificações não atendem as necessidades dos usuários quanto ao conforto térmico.
Conforto térmico, segundo Lamberts et al.,(2011), é definido como o estado mental em que o indivíduo expressa a satisfação com o ambiente térmico em que se encontra. A insatisfação pode ser causada devido ao desconforto quando este é exposto a situações ambientais extremas de frio ou calor. Quando o usuário apresenta essa insatisfação com o meio, ele encontra-se em desconforto térmico, podendo sofrer consequências negativas na saúde, no psicológico e em seu desempenho físico.
Em relação ao desempenho, Frota e Schiffer (1995) confirmaram que para trabalhos físicos o aumento da temperatura de 20°C para 24°C diminui o rendimento em 15% e a 30°C de temperatura ambiente o rendimento cai 28%. Na saúde, uma das consequências é o stress térmico, que de acordo com Lamberts et al., (2008), são os efeitos psicofísiológicos a que está submetida uma pessoa, quando exposta a esse tipo de desconforto.
¹ Acadêmica de Engenharia Civil, Universidade do Estado de Mato Grosso, Sinop-MT, Brasil,
esser.luana@gmail.com.
² Mestre, Professora, Universidade do Estado de Mato Grosso, Sinop-MT, Brasil, karen.straub@unemat.br.
Diante de diversos fatores relacionados ao conforto térmico em uma edificação, um dos principais é o sistema construtivo da envoltória, que é o elemento responsável por separar o ambiente interno do ambiente externo. Manioglu e Yilmaz (2006), afirmam que a envoltória do edifício é o principal determinante do clima interno. Portanto a elaboração de um projeto e sua execução, devem ser devidamente analisados de acordo com essas propriedades que proporcionam um desempenho térmico adequado, que além de propor melhor qualidade de vida aos usuários, Lamberts et al, (2014) atesta que pode contribuir na redução do consumo de energia, aumentando assim, sua eficiência energética.
A ABNT por meio da NBR 15575/2013 apresenta recomendações sobre os materiais a serem utilizados na edificação. Dentre estes estão os relacionados à envoltória, porém são parâmetros genéricos que englobam a zona bioclimática como um todo. Entende-se assim, que a partir desEntende-ses dados ainda é necessário a verificação das variáveis locais para a definição da envoltória apropriada, principalmente para as especificidades locais. O fato de o clima e o conforto térmico serem divergentes em cada região, reforça a importância de pesquisas específicas de envoltórias que atendam as necessidades dos usuários.
Com base nos fatos apresentados, este projeto teve como objetivo avaliar envoltórias, por intermédio de simulação computacional, para a Habitação de Interesse Social (HIS) Daury Riva, da cidade de Sinop – MT, que atendessem a zona de aceitabilidade determinada por Goto (2015).
2 Revisão Bibliográfica
2.1 Habitação de Interesse Social
O Governo Federal define os princípios da aplicação das Habitações de Interesse Social, como a ação voltada ao apoio a estados, Distrito Federal, municípios e entidades privadas sem fins lucrativos para viabilizar o acesso à habitação digna, regular e dotada de serviços públicos, em localidades urbanas ou rurais, mitigando as desigualdades sociais e contribuindo para a ocupação urbana planejada. Sendo esta, implementada por meio do repasse de recursos do Orçamento Geral da União, da Unidade Orçamentária do Fundo Nacional de Habitação de Interesse Social– FNHIS.
O termo Habitação de Interesse Social-HIS segundo Abiko (1995) define uma série de soluções arquitetônicas de moradias destinadas à população de baixa renda. Habitação popular é a nomenclatura empregada genericamente, ao definir uma determinada solução habitacional destinada à população de baixa renda. Além deste termo secundário encontram-se outros como: habitação de interesse social ou habitação social, habitação de baixo custo e habitação para população de baixa renda. No Brasil, a falta de habitação está em um total de mais de 6 milhões de famílias, de acordo com os dados estatísticos sobre o Déficit Habitacional Brasileiro, segundo a Fundação João Pinheiro em parceria com o Ministério das Cidades, Banco Interamericano de Desenvolvimento (BID) e Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento (PNUD) de 2014. Segundo a Câmara Brasileira da Indústria da
Construção-CBIC (2014), devido a esse déficit que ainda apresenta um número elevado, as habitações de interesse social são justificadas como uma ação de combate dessa carência habitacional.
“Ter uma moradia digna é o sonho de milhões de pessoas em todo mundo e um direito previsto na Declaração Universal dos Direitos Humanos. No Brasil, a Constituição da República reconhece esse direito como social” (MEDEIROS, 2007). Tais deveres do governo em cumprir com esse direito social, faz com que os investimentos nas Habitações de Interesse Social, fomente a ascensão da construção civil no país. Porém, essa ascensão baseia-se apenas em quantidade e não em qualidade.
Além da baixa qualidade, Balen e Leão(2014), ressaltam que o fato dos métodos construtivos de habitação popular serem padronizados em todo o Brasil, sem levar em consideração o clima de cada região, faz com que interfira diretamente no conforto térmico das mesmas.
Segundo Medeiros (2007), o direito de moradia precisa de uma maior e melhor assistência do Estado, pois ainda não existe uma equipe de engenheiros, arquitetos e urbanistas no sistema público que realize assistência técnica adequada.
Essa falta de assistência leva a falta de funcionalidade, que segundo Pedro (2000) apud Logsdon (2012), é um dos requisitos que expressam qualidade à habitação, e está diretamente relacionado com a adequação das funções e atividades desenvolvidas na residência, de forma que sejam organizadas e estruturadas de um modo eficiente, levando em conta as ações exercidas. Os recursos para que esse tipo de habitação desempenhe uma melhor funcionalidade, são muitas vezes desprezados devido a diversos fatores, entre eles o econômico. As construções desse tipo de habitação são mais focadas na quantidade do que na qualidade das mesmas, acarretando muitas vezes em sua ineficiência.
2.2 Conforto térmico
Segundo a norma ISO 7730 (2005), conforto térmico é o estado de alma que expressa satisfação com o ambiente térmico.
Gallo e Ribeiro (2007), declaram que o conceito de conforto térmico não tem uma definição única. Ou seja, a sensação de conforto térmico não está associada a uma temperatura específica, mas sim de fatores mensuráveis e de fatores não-mensuráveis, os quais podem variar bastante de uma pessoa para outra, mesmo estando sob as mesmas condições térmicas. Os fatores mensuráveis envolvem a temperatura do ar, velocidade do vento, umidade do ar, entre outros e os não-mensuráveis estão relacionados ao estado mental, hábitos, educação, etc. O nível de atividade exercida pela pessoa e o tipo de vestimenta, também são agentes que influenciam na sensação de conforto. De acordo com o pesquisador dinamarquês Fanger (1970), neutralidade térmica é a situação em que uma pessoa não prefira nem mais calor nem mais frio no ambiente em que se encontra. Com base nessas
definições Lamberts, et al (2011) concluíram que, “a neutralidade térmica é uma condição necessária, mas não suficiente, para que uma pessoa esteja em conforto térmico”.
Frota e Schiffer (1995), descrevem que devido à grande diversidade nas variáveis do conforto térmico e ao fato de que as diferenças de variação de algumas delas, podem proporcionar sensações ou respostas semelhantes ou até iguais nas condições finais. Desta maneira, estudiosos desenvolveram índices que agrupam as condições que proporcionam as mesmas respostas, os índices de conforto térmico. Esses índices foram desenvolvidos com base em diferentes aspectos do conforto e podem ser classificados como Índices biofísicos, Índices fisiológicos e Índices subjetivos.
Segundo Frota & Schiffer (1995), existem diversos índices de conforto térmico, mas para fins de aplicação em edifícios para as condições climáticas brasileiras, são apresentados apenas três: carta Bioclimática, temperatura efetiva e o índice de conforto equatorial. Esses índices permitem projetar edificações com melhores desempenhos, por isso a necessidade de um estudo local e suas especificidades.
Marafon (2014), relata que quando se trata das características da edificação, o conforto térmico sofrerá influência pelas disposições construtivas adotadas em sua execução e as características dos materiais utilizados.
2.3 Desempenho térmico das edificações
De acordo com Leão (2015), para considerar que uma edificação satisfaz as exigências dos usuários, determinados requisitos devem ser atendidos, obedecendo critérios estabelecidos de utilização. Borges (2010), define que o desempenho térmico de edificações, está associada ao seu comportamento quando em utilização. O edifício deve apresentar determinadas características que o façam atender os requisitos para o qual foi projetado, quando submetido a determinadas condições de exposição e uso. Tais características, podem ser obtidas por meio dos elementos construtivos da envoltória de uma edificação.
Para Mazzaferro e Ghisi (2013), a envoltória de uma edificação é o elemento responsável por separar o ambiente interno do ambiente externo. Por isso, a especificação das propriedades termofísicas da envoltória do edifício é, dentre as estratégias passivas de condicionamento, uma das mais importantes a serem estudadas.
2.3.1 Desempenho térmico das paredes
Ghisi et al., (2011), dizem que a condição para que haja transmissão de calor entre dois corpos, é que os mesmos tenham temperaturas diferentes. O corpo de maior energia cede parte de sua energia térmica, provocando uma redução em sua temperatura enquanto o outro corpo aumenta a sua. Esse processo acontece até que ocorra o equilíbrio térmico, ou seja, suas temperaturas se igualem.
No caso das paredes, essa troca de calor pode ocorrer do meio externo para o interno, ou vice-versa, o sentido irá variar em relação a maior temperatura. Outras variáveis que interferem na obtenção do fluxo de calor são a área da superfície considerada e a transmitância térmica dos materiais empregados.
A área tem uma relação linear, ou seja, quanto maior a área em questão, maior será a quantidade de energia térmica cedida ou recebida. Em contrapartida, a transmitância térmica varia de acordo com o material, a espessura e a maneira como o mesmo estiver disposto na envoltória do edifício, Mazzaferro e Ghisi (2013).
O desempenho térmico também está relacionado a resistência térmica, que segundo Leão (2015), é a propriedade do material em resistir a passagem do calor. Essa resistência depende dos materiais, métodos construtivos, projetivos e até mesmo das cores que são utilizados na vedação externa da edificação. Outro fator interferente, são as variações climáticas da região que a edificação está situada. Os materiais opacos, por exemplo, desempenham características e transmitância térmica divergente aos materiais transparentes ou translúcidos. A incidência da energia radiante em paredes opacas é absorvida ou refletida. E em seu cálculo de transmitância são considerados os seguintes fatores: radiação total incidente na superfície; absortividade solar; refletividade solar; resistência superficial externa e a diferença entre a radiação de onda longa emitida e recebida pela superfície.
No caso de parede transparente ou translúcida, Frota e Schiffer (1995) relatam que a radiação solar incidida tem parte dissipada e penetrada por transparência para o interior, e outra parte dissipada e refletida para o exterior. Seu fator de ganho de calor é calculado de acordo com os seguintes fatores: transmitância térmica do componente; absortância à radiação solar – função da cor; resistência superficial externa e a transmitância à radiação solar.
Conforme relata a ABNT (2005) pela NBR 15220, há ainda outros fatores que alteram as propriedades do desempenho e resistência térmica superficial, tais como: emissividade, velocidade do ar sobre a superfície e temperaturas da superfície do ar e superfícies próximas.
Os requisitos e critérios para verificação dos níveis mínimos de desempenho térmico de vedações verticais externas são apresentados pela ABNT NBR 15575 normativa de desempenho das edificações, que substituiu a NBR 15220, a qual passou a ser uma norma de caráter informativo.
2.3.2 Desempenho térmico da cobertura
Outras características da envoltória da edificação que podem aumentar ou minimizar os ganhos de calor estão relacionadas a cobertura.
Os sistemas de coberturas, de acordo com Lamberts (2011), realizam importantes funções nas edificações, desde o aporte para preservação da saúde dos usuários até a proteção do corpo da própria estrutura,
interferindo diretamente na conservação dos demais elementos.
Lopes (2010), se refere às coberturas como as superfícies da envoltória que mais contribuem para os ganhos de calor num edifício, devido ser a parte da envoltória mais exposta à radiação solar, exercendo assim, preeminente influência no conforto térmico dos usuários.
Ao aplicar uma metodologia de calibração de modelos de edificações através de simulação computacional do desempenho térmico e energético, Gosch e Lamberts (2005) sugerem, para otimização de projetos, avaliar as características térmicas da cobertura, de forma a definir corretamente tanto a transmitância quanto o isolamento térmico. Pois a condutividade térmica do material que será utilizado na cobertura contribui para a redução ou aumento da taxa de fluxo de calor que irá para o interior da edificação.
Para Lopes (2010), o isolamento térmico de uma cobertura é considerado uma intervenção de eficiência energética prioritária por serem medidas simples e pouco dispendiosas para a diminuição das necessidades energéticas. Tanto para coberturas horizontais, quanto verticais.
Assim como na envoltória vertical, a cobertura também tem variação de desempenho de acordo com as características da transmitância do tipo de material e a cor utilizada. Um exemplo disso pode ser reconhecido na análise da envoltória pelo método prescritivo de etiquetagem de residência unifamiliar em Maceió-AL, conduzida por Almeida (2012). Em que a influência da absortância da cobertura se destacou, sendo que a adoção de pintura branca ao invés da cor natural da cerâmica resultou em uma redução de 61% no Graus Hora de Resfriamento - GHR e de 57% no Consumo Relativo para Refrigeração - CR.
A ABNT NBR 15575 apresenta os requisitos e critérios para verificação dos níveis mínimos de desempenho térmico de coberturas, conforme definições, símbolos e unidades da ABNT NBR 1e ABNT NBR 15220-3.
2.4 Eficiência energética
A eficiência energética, de acordo com Lamberts et al., (2014), pode ser entendida como uma propriedade da edificação que possibilita conforto térmico, acústico e visual com baixo consumo de energia. Para que um edifício seja considerado mais eficiente que o outro, ele deve propiciar as mesmas condições ambientais, porém com menor consumo de energia.
Nos últimos anos, a preocupação em obter conforto térmico e os projetos de engenharia e arquitetura relacionados ao condicionamento térmico natural, vem aumentando, não só pelo conforto, mas também pela eficiência energética. Já que se sabe que grande parte do consumo de energia é proveniente dos equipamentos de climatização e iluminação artificial. Vieira (2008), relata que o uso adequado da ventilação natural, o emprego de materiais de forma adequada e o aproveitamento de luz natural em edificações usadas principalmente durante o dia, além de melhorar o conforto ambiental dos ocupantes, realizam uma
significativa contribuição na redução do consumo de energia elétrica. Dessa forma, o montante de energia elétrica necessária para climatização e iluminação em um edifício depende, fundamentalmente, do seu projeto.
Em uma pesquisa de campo em um edifício em Florianópolis, sobre a correlação das características arquitetônicas e o consumo de energia elétrica, Lamberts et al. (1995), concluíram que a fachada, em termos de área envidraçada e os materiais componentes são as principais características de projeto que influenciam no desempenho energético da edificação.
2.5 Normas relacionadas
No Brasil, pode-se dizer que o tema conforto térmico ainda é recente, o qual não apresenta nenhuma norma brasileira que aborda tal assunto. Porém há normas para desempenho térmico da edificação e este capítulo visa trazer normativas que foram utilizadas como parâmetro para a pesquisa e realização do trabalho. 2.5.1 NBR 15575: Edificações Habitacionais - Desempenho
A NBR 15575 é uma norma da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) que entrou em vigor em 2013. Ela aborda quesitos de desempenho mínimo importantes de uma edificação, como desempenho acústico, desempenho térmico, durabilidade, garantia e vida útil. Esta normativa é dividida em seis partes:
• Parte 1: Requisitos gerais;
• Parte 2: Requisitos para os sistemas estruturais;
• Parte 3: Requisitos para os sistemas de pisos; • Parte 4: Requisitos para os sistemas de
vedações verticais internas e externas; • Parte 5: Requisitos para os sistemas de
coberturas;
• Parte 6: Requisitos para os sistemas hidros sanitários.
Nesta pesquisa, foram utilizados os requisitos abordados pelas partes 4 e 5, da referida norma, que apresentam requisitos e critérios mínimos para verificação dos níveis de desempenho térmico de vedações verticais externas e coberturas, respectivamente, apresentando transmitância e capacidade térmica. Tais parâmetros são obtidos através da NBR 15220-3 que é uma norma informativa para tais fatores em cada Zona Bioclimática Brasileira. 2.5.2 NBR 15220: Desempenho térmico de edificações A NBR 15220 é uma norma da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) que entrou em vigor em setembro de 2005. A qual aduz as definições, procedimentos, parâmetros, recomendações e estratégias que se diz respeito ao desempenho térmico das edificações, sendo composta em cinco partes.
• Parte 1: Definições, símbolos e unidades; • Parte 2: Métodos de cálculo da transmitância
térmica, da capacidade térmica, do atraso térmico e do fator solar de elementos e componentes de edificações;
• Parte 3: Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social;
• Parte 4: Medição da resistência térmica e da condutividade térmica pelo princípio da placa quente protegida;
• Parte 5: Medição da resistência térmica e da condutividade térmica pelo método fluximétrico.
A parte 3 da referida norma, traz recomendações quanto a divisão do território brasileiro em oito zonas climáticas, estabelecendo o Zoneamento Bioclimático Brasileiro - ZBB. São essas recomendações informativas que fazem referência aos valores limites, normatizados pela NBR-15575.
2.6 Zoneamento bioclimático brasileiro
O Zoneamento Bioclimático Brasileiro foi desenvolvido para que pudesse ser elaborado um conjunto de recomendações técnico-construtivas para adequação climática de habitações unifamiliares de interesse social, com até três pavimentos. Apresentado pela ABNT (2005) por meio da NBR 15220-3.
O território brasileiro, como já mencionado, é dividido em oito zonas relativamente homogêneas quanto ao clima e, para cada uma destas zonas, apresentam técnicas em relação a aberturas, vedações externas e condicionamento térmico passivo.
2.7 Estudos correlatos
Uma pesquisa de Goto e Leão (2015), realizou a Análise de Condições de Conforto Térmico de Habitações de Interesse Social do Município de Sinop-MT, levando em consideração as condições do clima e das edificações locais e associando as características dos usuários e seus respectivos votos de opinião. A correlação entre os dados definiu a porcentagem de insatisfeitos quanto a temperatura interna; a determinação de uma zona de temperatura interna aceitável; e a temperatura de neutralidade térmica definida em 27,97°C na estação seca e 26,12°C na estação chuvosa.
Dentre os conjuntos habitacionais analisados, o Daury Riva apresentou resultados de maior destaque, devido aos valores elevados de temperatura operativa interna e do número pessoas insatisfeitas. A temperatura operativa apresentou-se em uma média de 32,06°C no período de chuva e 33,09°C na seca. Quanto a porcentagem de pessoas insatisfeitas, este apresentou 67,54% e 82,41% nos períodos de chuva e seca, respectivamente.
Através dos dados obtidos em sua pesquisa, Goto e Leão (2015) realizaram a determinação de uma zona de temperatura interna aceitável a 80% dos usuários e o cálculo de uma temperatura em que eles se sentem confortáveis. Essa zona, é representada pela Figura 1, onde: em azul está representado o limite inferior da temperatura operativa e em vermelho o limite superior. A zona compreendida entre as duas linhas de tendência representa um intervalo de temperatura tolerável. E em preto, está demonstrado as temperaturas de cada uma das residências analisadas em sua pesquisa.
Figura 1: Zona de temperatura operativa interna para período de seca e chuva.
Fonte: Goto e Leão, 2015.
3 Metodologia
A ABNT (2013) através da NBR 15575 indica que a avaliação de desempenho térmico de uma edificação pode ser feita tanto na fase de projeto, quanto na edificação já construída. Após a construção, a avaliação é executada por medições in-loco, já em fase de projeto, pode ser realizada por meio de simulação computacional.
Como apresentado em revisão, através de medições
in-loco, Goto e Leão (2015) obtiveram valores que
determinaram a zona de aceitabilidade da temperatura de neutralidade, para as Habitações de Interesse Social de Sinop.
Sendo assim, para analisar e propor elementos construtivos na envoltória da HIS, com o intuito de atender a essa zona, a metodologia da pesquisa baseou-se em simulações computacionais, tendo como referência de desempenho o uso da NBR 15575 e como parâmetro informativo para a zona bioclimática, a NBR 15220.
3.1 Area de estudo
A pesquisa foi realizada na cidade de Sinop, a qual encontra-se localizada no norte do estado do Mato Grosso, com população estimada para 2016 de 132.934 habitantes (IBGE,2016).
Sinop apresenta um clima tropical, chove muito mais no verão que no inverno. Segundo a Köppen e Geiger (1936) o clima é classificado como Clima tropical chuvas de verão (Aw). A temperatura média anual em Sinop é 25,0 °C e 1818 mm é o valor da pluviosidade média anual. O mês mais quente do ano é o mês de Setembro, o qual tem uma temperatura média de 26,6 °C. Enquanto o mês de Julho apresenta a temperatura média mais baixa, com a média de 23,2 °C.
De acordo com o software de Classificação Bioclimática dos Municípios Brasileiros, Sinop encontra-se na zona bioclimática 8. Entretanto trabalhos realizados por Straub (2016), Goto e Leão (2015), Laco et al.,(2013), caracterizaram Sinop de acordo com os dados climáticos da cidade de Vera – MT, em função da proximidade entre as cidades e semelhança climática, na zona Bioclimática 5. Portanto, para realização deste, foi utilizado como parâmetro a zona Bioclimática 5.
y = 0,3023x + 14,965 R² = 0,4704 y = 0,3023x + 21,965 R² = 0,4704 21 23 25 27 29 31 33 35 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 T e m p e ra tu ra s li m it e ( °C) Temperatura operativa (°C)
Sinop conta com programas de habitação desempenhados pelo Departamento de Habitação, vinculado à Secretaria Municipal de Assistência Social. Tais programas atendem famílias de diversos bairros e têm como finalidade o acesso a moradia digna às famílias de baixa renda.
Dentre essas habitações, está o conjunto habitacional Daury Riva, situado no setor norte, caracterizado por atender população de baixa renda. A Figura 2, indica sua setorização.
Figura 2: Delimitação do conjunto habitacional, dentro do municipio de Sinop.
Fonte: Adaptado por Araujo, de Google Earth, 2017.
As habitações desse residencial possuem aproximadamente 51 m², constituídas por 2 quartos, sala, cozinha, área de serviço, banheiro e varanda. A Figura 3 mostra uma imagem da habitação já concluída no residencial.
Figura 3: Habitação do Daury Riva. Fonte: SISAN, 2013.
O conjunto habitacional em questão foi o escolhido, devido aos resultados obtidos por Goto e Leão (2015), apresentados anteriormente.
3.2 Simulação termo-energética
A simulação foi executada pelo software
DesignBuilder. Para utilização do mesmo, foi
necessário definir cada cômodo da edificação como uma zona térmica. Além disso, previamente foi modelada a geometria baseado no projeto da edificação existente, que pode ser observado na Figura 4.
A partir desse modelo de projeto, foram realizadas as modificações na envoltória da edificação – paredes externas e cobertura – norteadas pelas recomendações estratégicas contidas na NBR 15575, para a zona bioclimática 5, a qual se enquadra a cidade em questão.
Figura 4: Planta baixa habitação do Daury Riva. Fonte: SISAN, 2013.
3.2.1 Elaboração da simulação
O software DesignBuilder, faz interface para o algoritmo do EnergyPlus, o qual dispõe de três algoritmos de simulação. Dentre eles, o CTF (Conduction Transfer Function - Função de transferência por condução), que considera apenas o calor sensível não levando consideração o armazenamento ou difusão de umidade nos elementos de construção. Sendo este, o escolhido para a elaboração desta pesquisa.
A definição do modelo das simulações, foi realizado com base da representação real da edificação existente no conjunto habitacional de estudo. Adotando assim, todas as dimensões da edificação, de acordo com o projeto. A Figura 5 demonstra a imagem da edificação, modelada pelo software.
Figura 5: Edificação modelado no software. Fonte: DesignBuilder, 2017.
Além do modelo base, outro fator fundamental na simulação, é a definição do local que a edificação será analisada. Para estipular o local, o software necessita de uma base de dados de alguns locais do mundo, com base nos dados climáticos de design da ASHRAE, o
EnergyPlus Weather File – EPW.
Toda via, o município de Sinop, ainda não dispõe de um banco de dados completo e preciso para esse aspecto. Sendo assim, as pesquisas realizadas para as cidades do Mato Grosso, bem como esta, fazem-se uso do EPW de Cuiabá-MT.
3.3 Parâmetros de entrada
Os parâmetros de entrada do software, para essa pesquisa, tiveram alterações gerais e especificas. Assim como as características variáveis e as constantes.
Os parâmetros modificados foram o arranjo dos materiais para cobertura e parede; Atividade metabólica e ocupação dos usuários por ambiente; Carga e horário de iluminação por ambiente, de acordo com a utilização; Uso e carga de eletrodomésticos e fatores de ventilação e sombreamento, norteados pela NBR 15575.
3.3.1 Carga térmica interna
Para a simulação foram consideradas as influências de cargas térmicas internas, como atividade e ocupação dos usuários, carga da iluminação artificial e carga dos eletrodomésticos.
Para isso, foram definidos padrões de acordo com a metodologia utilizada por Lima e Barbirato (2010), onde considerou-se a seguinte ocupação por casa: família de 4 membros (1 casal e 2 filhos). Durante o dia considerou-se a presença de 1 adulto na casa e de noite a presença de 4 membros.
Com a modelagem da envoltória determinada, os cômodos internos foram divididos em zonas térmicas, com um total de 5. As zonas 1 e 2 foram atribuídas aos dormitórios 1 e 2, respectivamente; Zona 3 ao cômodo do banheiro; Zona 4 para cozinha e 5 a sala. A Figura 6 traz a ilustração desta divisão.
Figura 6: Divisão das zonas térmicas do modelo. Fonte: DesignBuilder, 2017.
Cada zona foi detalhada com parâmetros de entrada, de acordo com o tipo e a utilização de cada ambiente.
• Zona térmica 1 e 2: A relação de densidade de pessoa/m² foi de 0,2310 que é equivalente a presença de 2 pessoas no cômodo, com horário de ocupação fixado entre as 18:00 às 07:00 horas. Com carga de atividade metabólica de 90W/pessoa.
• Zona térmica 3: A relação de densidade de pessoa/m², foi de 0,3870, equivalente a presença de 1 pessoa no cômodo, com horário de ocupação estipulado pelo software, para esse tipo de ambiente. Com carga de atividade metabólica de 123W/pessoa.
• Zona térmica 4: Foi considerado 0,5510 pessoa/m², equivalente a presença de 4 pessoas no cômodo, para os possíveis horários das refeições, tendo assim o horário fixado das 06:00 às 08:00 horas, 11:00 às 13:00 horas e as 18:00 às 20:00 horas. Com carga de atividade metabólica de 160W/pessoa.
• Zonas térmica 5: Considerado 0,3500 pessoa/m², o equivalente a 1 pessoa no cômodo durante o dia, entre 07:00 às 18:00 horas e 4 pessoas no período noturno, com horário de ocupação fixado entre as 18:00 às 23:00 horas. Com carga de atividade metabólica de 110W/pessoa.
As carga referente as atividades metabólicas, que foram descritas a cima, foram as obtidas pelo software, que estipula as características de acordo com cada ambiente.
Para efeitos das cargas internas gerada pelos eletrodomésticos, também se optou em manter a carga de equipamentos que o próprio software estabelece para cada tipo de ambiente, de acordo com seu uso. Para a iluminação das zonas 1, 2 e 5 foi considerado o horário das 18:00 às 23:00 horas. Para zona 4, foi considerado o uso da iluminação de acordo com alguns horários de sua ocupação, sendo entre as 06:00 às 07:00 horas e das 18:00 às 20:00 horas. Para a zona 3, a iluminação permaneceu a determinada pelo
Para o sistema de iluminação, foi utilizado lâmpadas de LED com 2,5W/m²-100 lux. Pois de acordo com o INMETRO (s/d) este é o tipo de lâmpada é mais econômica que as outras, pois sua eficiência luminosa é maior.
3.3.2 Ventilação e sombreamento
A ABNT (2013) mediante a NBR 15575-4, que apresenta os requisitos e critérios para verificação dos níveis mínimos de desempenho térmico de vedações verticais externas, denota que em procedimento de simulação do desempenho térmico podem ser consideradas condições de ventilação e de sombreamento, conforme NBR 15575-1.
À vista disso e da análise da metodologia adotada por outros autores, como Pereira e Ghisi (2009), Lima e Barbirato (2010), Mazzaferro e Ghisi (2013), foi utilizado na simulação a taxa de 1ren/h para ventilação e sem trocas de ar por infiltração. Para sombreamento foi considerado que as aberturas da edificação não dispõem de qualquer tipo de proteção. Essas características foram consideradas em função do tipo de habitação, não variando entre as zonas.
3.3.3 Caracterização da envoltória
A ABNT (2005) por intermédio da norma 15575 estabelece recomendações e diretrizes construtivas, para adequação climática de habitações unifamiliares de interesse social, com até três pavimentos.
Para a zona bioclimática 5, as diretrizes construtivas sugerem que para vedações externas, as paredes devem ser leves e refletoras, e a cobertura leve e isolada. Conforme indica, a Tabela 2.
Tabela 2 –Diretrizes Construtivas para a Zona Bioclimática 5. Vedações Externas Transmitância térmica – U (W/m².K) Atraso térmico – ϕ (Horas) Fator solar - FSo (%) Paredes leve refletora ≤ 3,60 ≤ 4,3 ≤ 4,0 Coberturas leve isolada ≤ 2,0 ≤ 3,3 ≤ 6,5
Fonte: Adaptado de NBR 15220-3 ABNT, 2005.
Assente em tais parâmetros, foi possível determinar a seleção dos materiais a serem simulados. Na primeira etapa, afim de filtrar os materiais, foi realizado a pré-seleção de materiais para cobertura e parede, que atendessem aos máximos valores de transmitância e atraso térmico estabelecido pela Norma.
Já na segunda etapa, na fase de simulação, esses materiais pré-selecionados foram novamente filtrados, em função da comparação de preços.
Tal análise de preço, foi realizada através do Sistema Nacional de Pesquisa de Custos e Índices da Construção Civil-SINAPI, que estabelece regras e critérios para elaboração do orçamento de referência de obras e serviços de engenharia. Os itens não encontrados da tabela da SINAPI, foram avaliados por meio de uma média dos orçamentos realizados nos materiais de construção locais.
Os materiais que não foram encontrados em nenhuma das alternativas mencionadas, foram descartados devido dificuldade de acesso.
A lista dos materiais selecionados para as simulações, bem como seu devido custo, encontra-se na Tabela 3. O mesmo, foi desempenhado, considerando apenas o dimensionamento da envoltória, que é o objeto de estudo.
Tabela 3 – Seleção do materiais simulados e orçamento. Vedações Externas Valor Total Bloco cerâmico de 6 furos R$ 1191,70 Bloco cerâmico maciço R$ 4.377,20 Telha cerâmica com forro de
madeira R$ 2.336,23
Telha cerâmica com forro de madeira e painel de lã de vidro de 5cm de espessura.
R$ 4.603,52 Telha cerâmica com forro de
madeira e painel de lã de vidro de 2,5cm de
espessura.
R$ 3.343,13
Telha de Fibrocimento com
forro de madeira. R$ 2.421,67 Fonte: Autoria própria, 2017.
Os materiais selecionados compuseram 8 combinações distintas, onde cada uma corresponde a uma simulação. Sendo essas, numeradas de 1 a 8. Conforme encontra-se na tabela 4.
Tabela 4 – Denominação e numeração das simulações, de acordo com a combinação dos materiais selecionados. Simulação Combinação de matérias de vedação.
1 Bloco furado, telha ceramica e forro de madeira.
2 Bloco maciço, telha ceramica e forro de madeira.
3
Bloco maciço, telha cerâmica e forro de madeira com painel de lã de vidro de
2,5cm. 4
Bloco furado, telha cerâmica e forro de madeira com painel de lã de vidro de
2,5cm
5 madeira com painel de lã de vidro de 5cm. Bloco furado, telha cerâmica e forro de 6 madeira com painel de lã de vidro de 5cm. Bloco maciço, telha cerâmica e forro de 7 Bloco furado, telha de fibrocimento e forro
de madeira.
8 Bloco maciço, telha de fibrocimento e forro de madeira.
Fonte: Autoria própria, 2017.
Essas combinações, são mudanças que consistem em fornecer ao software a descrição das propriedades termo físicas dos materiais que compõem os elementos construtivos da edificação. A fim de variar a transmitância térmica da envoltória e verificar a influência no desempenho térmico das residências. Essas propriedades foram fornecidas para o programa, de acordo com o material e com base a NBR 15575. A tabela 5, apresenta os dados inseridos.
Tabela 5 – Propriedades termo físicas dos materiais que compõem os elementos construtivos. Material Condutividade térmica – (W/m.K) Calor específico – (J/kg-K) Densidade – (Kg/m³) Absortância Telha cerâmica 1,00 800,0 2000,0 0,70 Telha de fibrocimento 0,55 837,00 1900,00 0,85 Tijolo furado 0,90 920,00 1232,0 0,70 Tijolo maciço 0,90 920,00 1600,00 0,73 Forro de madeira 0,23 1340,00 700,00 0,80 Painel de lã de vidro 0,045 700,00 25,00 0,60
Fonte: Adaptado de NBR 15575 ABNT, 2005.
Para análise dos resultados de cada simulação, optou-se por apreoptou-sentar os dados com intervalo mensal, com referência de um ano inteiro.
4 Resultados e discussões
4.1 Transmitância térmica obtida
Conforme apresentado durante o decorrer deste trabalho, a escolha dos materiais foi realizada em função da transmitância térmica máxima, indicada para a Zona bioclimática de Sinop.
Durante a inserção dos materiais, bem como suas referentes caracteristicas físicas, foram obtidas transmitâncias térmicas calculadas pelo software de simulação. Os valores obtidos, tiveram uma pequena diferença dos valores da Norma.
Essa diferença é resultado das divergências entre o cálculo efetuado pelo algoritmo do programa, que é baseado pela British Standard e o cálculo adotado pela NBR 15220. Além disso, em outras pesquisas relacionadas, como de Mazzaferro e Ghisi (2013), também ocorreu tal desigualdade.
4.2 Temperatura operativa interna
Através das 8 simulações realizadas, obteve-se distintos valores de temperatura operativa interna da edificação. A oscilação foi demonstrada entre 26,08°C a 33,59°C, variando de acordo com o caráter do arranjo dos materiais e o mês de referência.
Verificou-se que as menores temperaturas internas, foram constatadas no periodo de seca, que de acordo com Tarifa (2011), compete aos meses de abril a setembro. E as temperaturas mais elevadas no periodo de chuva, entre outubro e março. Sendo assim, resultados coerentes a tais períodos climáticos. Com base nos dados obtidos nas simulações, a Figura 7 foi elaborada, com auxílio de planilha eletrônica e tem como objetivo apresentar de forma simplificada e comparativa, o desempenho dos arranjos de forma anual.
Figura 7: Valores da temperatura operativa interna, obtidas nas simulações.
Fonte: Autoria própria, 2017.
Por meio da análise do gráfico, pode-se observar a diferença de Top proporcionada por cada arranjo. Entretanto, as simulações das combinações 3 e 6 tiveram uma sobreposição, pois ambas apresentaram os mesmos valores de Top. Sendo esse, o motivo do gráfico apresentar apenas 7 linhas, ao invés de 8. Os resultados fornecidos através das medições de Goto e Leão (2015), foram utilizados como parâmetro de comparação, para analisar os dados adquiridos pela simulação.
Assente em tais parâmetros, foi possível verificar que o pior desempenho, em relação as temperaturas mais elevadas, foram as combinações 7 e 8. Ambas com telhas de fibrocimento.
O arranjo de material que apresentou o melhor desempenho, foi o da combinação 1, que indica o uso do tijolo furado, telha cerâmica e forro de madeira. Este, apresentou uma média operativa de 28,58°C para o período de seca e 31,28°C no período chuvoso. Além disso, a combinação tem fator positivo devido a facilidade de se obter matéria prima para esses tipos de materiais, contribuindo assim, com sua utilização no município.
A única diferença entre a combinação proposta e a utilizada, está no material do forro. Porém, a divergência entre as médias de temperatura, são significativas. Tais diferenças podem ter acontecido, devido algumas propriedades da madeira, como sua inércia térmica mais elevada.
As temperaturas encontradas, apesar de serem as de melhor desempenho, não atingiram a temperatura de neutralidade desse tipo de residênca, determinada por Goto e Leão (2015) de 27,97°C na estação da seca e 26,12°C na estação chuvosa.
Entretanto, encontram-se dentro da zona de temperatura operativa interna aceitável determinada para o período de seca e chuva, como foi apresentado em revisão, pela Figura 1.
26,0 °C 26,5 °C 27,0 °C 27,5 °C 28,0 °C 28,5 °C 29,0 °C 29,5 °C 30,0 °C 30,5 °C 31,0 °C 31,5 °C 32,0 °C 32,5 °C 33,0 °C 33,5 °C 34,0 °C
Temperatura Operativa (°C) das Simulações
Combinação 1 Combinação 2
Combinação 3 e 6 Combinação 4
Combinação 5 Combinação 7
A combinação relatada como de melhor desempenho, diverge com o que foi suposto antes das simulações. Era esperado que esse arranjo, apresentasse temperaturas internas maiores do que aqueles que possuem painel de lã de vidro na cobertura, visto que este, dispõe de uma baixa condutividade e uma boa resistência térmica.
Devido a suas propriedades, a lã de vidro, garante menor transmissão de calor. Por outro lado, essa mesma característica contribui para que o calor que demora ser transmitdo para o interior da edificação, também mantenha-se ali por mais tempo. Aumentando assim, o valor médio das temperaturas diárias, e consequantemente, a mensal.
Sendo assim, supõe-se que se a edificação dispusesse de mecânismos de ventilação, os resultados poderiam ser diferentes, dado que Ghisi et al., (2011) afirma, que a ventilação colabora com o resfriamento do edifício e seus componentes, evitando o aquecimento do ar interno e removendo o excesso de calor acumulado no interior da edificação.
Outro aspecto que pode estar influenciando na diferença das temperaturas, é o uso do EPW de Cuiabá, pois o mesmo compõe uma base de dados climáticos da cidade, onde esse clima apresenta temperaturas médias mais elevadas que Sinop. De acordo com a Köppen e Geiger, Cuiabá tem uma temperatura média de 26,1°C enquanto em Sinop é 25° C.
4.3 Ganhos internos
Conforme já mensionado, outro fator de relevância, quanto a temperatura operativa, são os ganhos de calor por cargas interna.
Figura 8: Valores dos ganhos interno de calor em kW/h. Fonte: Adaptado de Design Builder, 2017.
O gráfico da Figura 8 apresenta os valores dos ganhos internos do arranjo escolhido como melhor desempenho, o referente a simulação 1. Por meio deste, é possivel observar, pela linha de cor vermelha, que a iluminação artificial é o agente de maior influência no ganho de carga interna, o qual apresentou ganhos entre 350kW/h e 400kW/h.
O segundo fator de maior influência, é ocupação dos próprios usuários da residência, conforme notado por meio da linha cinza. O ganho de calor por incidência solar através das aberturas, também é bastante expressivo. E por último, e não menos significativo, o ganho dos equipamentos eletrônicos.
Os ganhos com a iluminação artificial e ganho solar pelas aberturas, poderiam ser otimizados por meio de alternativas passivas no projeto arquitetônico, como por exemplo o estudo da orientação solar.
Hertz (1998) apud Bagnati e Silva (2013), afirma que através de uma orientação solar correta do edifício, é possível obter uma diferença de até 3°C entre a temperatura interna e externa, além de reduzir a potência da incidência da radiação solar durante as horas quentes.
Dessa forma, seria adequado orientar as aberturas para que aproveite a luz solar de forma eficiente, utilizando a iluminação natural e evitando ganho térmico com a iluminação artificial. Já as aberturas de maior incidência solar, poderiam ser protegidas com auxílio de sombreamento para evitar os ganhos de calor desse aspecto.
5 Conclusão
A aplicação da simulação como método de pesquisa, possibilitou o cálculo e avaliação de diferentes envoltórias de forma prática, facilitando a escolha de elementos construtivos adequados. Entretanto, ressalta-se que a limitação do EPW, pode ter interferido nos resultados.
Por meio das simulações, verificou-se que entre os materiais mais acessíveis indicados pela norma, para esse tipo de habitação, o que apresentou melhor desempenho, foram os mesmos utilizados na construção real. Com exceção ao forro, que mudou do PVC para o de madeira.
Portanto, o arranjo empregado nas edificaçãoes do residencial analisado, não estão fora dos padrões indicados pela Norma de desempenho. Desta forma, para ser mantido o padrão de custo, os materiais utilizados são adequados.
No entanto, os resultados destacam que nesse caso, apenas os materias indicados pela NBR 15575, não são suficientes para atender a zona de neutralidade determinada para esse tipo de habitação. Evidenciando a busca por materiais não convencionais e o investimento em outras estratégias, como a mudança do layout do projeto arquitetônico aliado a alternativas passivas para conforto e desempenho térmico.
Dessa maneira, como sugestão para trabalhos futuros, indica-se o levantamento de materiais alternativos que atendam as propriedades térmicas indicadas para a zona bioclimática de Sinop, para novas simulações. E se possível, utilizando EPW da cidade de Sinop, para se obter resultados com maior precisão.
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a Deus, pelas bençãos sobre mim e minha família. Por ter me dado forças e oportunidades para conseguir chegar até essa fase da conclusão de curso.
Gratidão a minha mãe Luciléia, meu pai Luis Marcelo, minha avó Adelaide, meu avô Nilton e minha tia Tatiane. Minha família que sempre me apoiou psicologicamente e financeiramente ao longo desses anos. A qual, mesmo de longe, sempre foram meu refúgio, me consolando nos momentos difíceis e me erguendo em momentos de desânimo e fraqueza. A
0 100 200 300 400 500 Ga n h o s e m k W /h
Ganhos Internos da Edificação
Iluminação Geral Equipamentos Eletronicos Ocupação
vocês, meu eterno agradecimento e meu infinito amor. Nada disso teria sido possível, sem vocês.
A minha orientadora professora Karen W. Straub Schineider, por toda atenção e dedicação como professora e orientadora. E por todo conhecimento compartilhado. Obrigada por sempre ter tido a disposiçãode me responder e tirar minhas dúvidas, por mais básicas que fossem. Sem dúvidas, a melhor orientadora que eu poderia ter escolhido.
Agradeço também a todos os amigos que tive o previlégio de conhecer na Universidade, desde os que me aproximei no início, aos que só conheci no final. A todos que me ajudaram direta ou indiretamente em todo decorrer do curso. Mas em especial, algumas pessoas que foram fundamentais e estiveram presentes desde o inicio: Antonella Trevisan, Bianca Harumi, Fernando Pillon, Haila Araujo, João Haagsma, Lucas Ferreira e Renata Mansuelo. Os quais me aguentaram e ajudaram, mesmo nos momentos de maior stress e desespero. A vocês, meus sinceros agradecimentos. De fato, as coisas teriam sido muito mais dificeis sem a contribuição de vocês.
Tenho muito agradecer também, aos amigos que me ajudaram de forma direta no decorrer deste trabalho. A Haila Araujo que me auxiliou desde o projeto de pesquisa, Elaise Gabriel e Renata Mansuelo, que semprestiverem dispostas a me auxiliar quanto ao uso do software Design Builder. A Louysse Pitton, a qual foi minha parceira durante a fase do uso do software e redação do artigo e Camila Trevisan, que me auxiliou na elaboração do abstract.
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