análise do desempenho termico de edificio

Anais do XVII Encontro de Iniciação Científica– ISSN 1982-0178
Anais do II Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – ISSN 2237-0420
25e 26 de setembro de 2012
ANÁLISE DO DESEMPENHO TERMICO DE EDIFICIO ESCOLAR
ATRAVES DO PROGRAMA ENERGYPLUS
Luis Fernando Malluf Sanchez
Faculdade de Engenharia Civil
CEATEC
[email protected]
Resumo: Atualmente tem crescido a preocupação
de arquitetos e engenheiros em manter a construção
ecologicamente correta após sua conclusão.
Destaca-se neste ponto, a importância da relação
clima e arquitetura, e a avaliação do conforto térmico
nas edificações. E por este motivo a simulação
computacional torna-se uma ferramenta de grande
utilidade neste setor. O objetivo da presente
pesquisa foi investigar a influência conjugada dos
parâmetros
arquitetônicos
relativos
ao
posicionamento das aberturas e sua influencia na
ventilação natural no interior destes espaços,
avaliando o conforto térmico dessa edificação. Com
objeto de estudo foi avaliado um edifício institucional,
naturalmente ventilado. As análises foram feitas por
meio da simulação computacional no programa
EnergyPlus. Para tanto, foram propostos três
cenários de estudo, relacionando a entrada dos
ventos no ambiente analisado. Os resultados
demonstraram que a fachada voltada para os ventos
predominantes sudeste da região de estudo
apresentou o melhor índice de conforto térmico.
Palavras-chave:
Desempenho
térmico
de
edificações, simulação computacional, eficiência
energética.
Área do Conhecimento: Engenharias – Engenharia
Civil – Construção Civil
1. INTRODUÇÃO
Peña, Ghisi, Pereira [1] mostram que com o passar
do tempo a porcentagem de consumo de energia de
aparelhos condicionadores de ar vem aumentando,
seja por moradias que não tenham um bom
desempenho térmico, seja por um aumento na renda
da população. Aliado ao fato anterior, Toledo e
Rocha [2] mostram que por influencia do mercado
imobiliário muitas edificações são construídas
apenas com o intuito lucrativo e esquecendo-se de
seu conforto térmico, como por exemplo, edificações
com vários apartamentos por andar, em que muitas
vezes
apenas
alguns
apartamentos
serão
beneficiados pela ventilação predominante da região.
Claudia Cotrim Pezzuto
Faculdade de Engenharia Civil
CEATEC
[email protected]
Neste sentido, Figueiredo [3] afirma que uma das
grandes vantagens da ventilação natural é obter
conforto térmico além de renovar a qualidade do ar
e, consequentemente, diminuir o consumo de
energia. Entretanto, segundo Bittencourt e Lôbo [4],
esta eficiência só é obtida quando uma serie de
variáveis são combinadas com a intenção de
proporcionar o conforto térmico.
Vieira, Melem, e Barbosa [5] ressaltam que a
velocidade da ventilação natural tem grande
importância na questão do conforto e da eficiência.
Porém, relatam em estudo que a velocidade do ar
deve ser suficiente para resfriar o ambiente e não
apenas transportar o calor externo para dentro da
edificação.
Destaca-se neste ponto, a importância da relação
clima e arquitetura, e a avaliação do conforto térmico
nas edificações. E por este motivo a simulação
computacional torna-se uma ferramenta de grande
utilidade para avaliação do conforto térmico em
edificações. Segundo Trindade, Pedrini, Duarte [6],
simulações computacionais tem tido uma grande
importância na confecção de novos projetos e
também na readequação de construções já
concluídas.
Diversos programas são utilizados para avaliar as
questões térmicas e a eficiência energética da
edificação. Dentre os programas destaca-se nesta
pesquisa o programa EnergyPlus. O EnergyPlus é
uma ferramenta para a modelagem de energia para
a avaliação do desempenho do edifício, desenvolvida
pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos,
que permite simular os sistemas de aquecimento,
iluminação e ventilação, de forma a quantificar seu
consumo de energia [7].
Figueiredo [3] apresenta um estudo para avaliar o
potencial de utilização da ventilação natural em
edifícios de escritórios na cidade de São Paulo, SP.
Para análises realizou simulações no programa
EnergyPlus e CFX. Os resultados no programa
EnergyPlus possibilitaram estimar com facilidade o
desempenho térmico nas diferentes orientações. As
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simulações no programa CFX demonstraram mais
complexidade, porém permitiram uma estimativa
visual e confiável, muito útil com ferramenta de
projeto.
2. OBJETIVOS
A pesquisa teve principal objetivo principal avaliar o
conforto térmico em um ambiente escolar por meio
de simulação computacional. Para tanto, foi utilizado
o programa EnergyPlus.
3. METODOLOGIA
O edifício de estudo localiza-se na Pontifícia
Universidade Católica de Campinas, Campus I. A
edificação apresenta materiais pré-fabricados na sua
construção, três pavimentos, totalizando 3.639,6 m².
A envoltória da edificação é feita por blocos de
concreto de 20 cm de espessura, porém, nas
fachadas Norte e Sul, foi utilizado painel préfabricado de concreto de espessura de 15 cm. As
aberturas são amplas, com largura igual ao vão entre
os pilares da estrutura. Nas fachadas leste e oeste
as aberturas são pequenas. Todos os caixilhos são
de alumínio. As fachadas são pintadas na cor branco
neve. As figuras 1 e 2 mostram as fachadas do
edifício.
Figura 1 – Fachada principal da edificação
Figura 2 – Fachada posterior da edificação
Para a simulação no programa EnergyPlus é necessária a construção do modelo tridimensional do edifício. Para tanto, esta pesquisa partiu de um estudo
realizado por Barbosa e Pezzuto [8] do qual foi realizada a modelagem tridimensional do edifício, a partir
do Plug in Open Studio 6.0 no Software Sketch Up7.
Na modelagem realizada, dividiu-se o edifício em 34
zonas térmicas. A zona térmica é definida como um
volume de ar com temperatura uniforme [7]. A Figura
3 ilustra a modelagem tridimensional.
Figura 3 – Modelagem tridimensional.
Também foi definido o arquivo climático do aeroporto
de Congonhas – São Paulo, devido a proximidade da
cidade de Campinas e a inexistência deste arquivo
para a cidade de Campinas, SP.
Para as análises da influencia da ventilação natural
no conforto térmico foram adotados três cenários
(figura
4).
Os
cenários
contemplaram
o
rotacionamento do edifício em relação ao norte
verdadeiro. O primeiro cenário contempla a posição
original do edifício, rotação 0 º. Os outros dois
cenários foram propostos a partir da análise do
vendo predominante sudeste da região de estudo [9].
Assim no segundo cenário, rotação 45º, o fluxo de ar
incide perpendicular a fachada. Já no terceiro cenário, rotação 315 º, o fluxo de ar coincide com a normal da fachada. A partir dos três cenários ( 0º, 45º,
315º) foram escolhidas duas zonas, uma na fachada
norte (ZN) e outra na fachada sul (ZS) para as respectivas análises.
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Figura 4. Posições simuladas do edifício
4. ANÁLISE DOS RESULTADOS
Para as análises dos resultados foram consideradas
a respectivas salas da fachada norte (ZN) e fachada
sul (ZS), com janela fechada
da e aberta nos diferentes
cenários (rotação 0º, 45º 315º), período do verão
(mês de fevereiro). O mês de fevereiro foi
selecionado pelo motivo da presença de aulas na
Universidade. A média mensal do período foi
considerada para as análises.
stra nitidamente a temperatura do ar
A figura 5 mostra
mais elevada na sala da zona sul (ZS), comparada
com a sala da zona norte (ZN) em todos os cenários.
Este fato deve-se
se a incidência do sol de verão nesta
fachada, justificado pela localização de São Paulo,
latitude 23°S , arquivo climático utilizado para
simulação. Ressalta-se
se na sala de fachada sul (ZS) a
queda brusca de temperatura, no período da
temperatura máxima, proporcionada pela incidência
dos ventos nesta fachada, entre a janela fechada
(ZS0º fechada) e os cenários
os de janela aberta (ZS0º,
ZS 45º ZS315º). Este fato não foi observado na
fachada norte, a qual apresenta temperaturas
semelhantes tanto para janela aberta e fechada.
Infere-se
se que os ventos predominantes oriundos do
quadrante sudeste proporcionaram a amenização
amen
da
temperatura nas janelas abertas da sala (ZS).
Para a análise do conforto térmico das salas
analisadas foi considerado o voto médio estimado,
simulado através do programa Conforto 2.03.
As diferenças maiores ocorreram no período de
verão como mostra
ostra a tabela 1. Em todos os períodos
de análise verifica-se
se o voto médio estimado próximo
ao índice de calor (+2,0) na sala da zona sul (ZS),
comparado com a sala da zona norte. Este
comportamento também foi confirmado ao verificar a
temperatura média dass salas, figura 5. Este fato
justifica-se
se novamente pela incidência do sol de
verão nesta fachada, justificado pela localização de
São Paulo, latitude 23°S.
23°S.
Um fato importante de ressaltar é a diferença entre
os votos dos cenários referente à zona sul,
quadrante
drante dos ventos predominantes. Em relação
aos ventos predominantes, estes incidem à 45º em
relação à normal da fachada na zona sul (ZS) no
cenário ZS0º, 0º em relação à normal da fachada no
cenário ZS 315º, e 90º em relação à normal da
fachada no cenário ZS 45º. Ou seja, infere-se
infere
que a
melhor situação para entrada dos ventos da sala da
zona sul (ZS) é o cenárioZS 315º, seguido do
cenário ZS0º e ZS 45º, o qual seria a situação
menos privilegiada. Os resultados demonstram este
fato ao verificar que todos o
os votos referentes ao
cenário ZS 315º apresentaram índices mais
elevados, seguidos do cenário ZS0º e ZS 45º. Os
dados da sala ZN em todos os cenários
apresentaram valores próximos, indicando baixa
influencia dos ventos predominantes, já que esta
fachada está
tá no lado oposto da entrada dos ventos.
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Temperatura (Celsius)
35
30
25
20
15
10
5
0
3:00
9:00
15:00
21:00
ZN 0º Fechada
ZS - 0º
ZS - 45º
ZS - 315º
ZS 0º Fechada
ZS - 0º
ZS - 45º
ZS - 45º
temp ext
Horário
Figura 5: Temperatura do ar, cenários de estudo – Período de verão, mês de fevereiro
Tabela 1: Voto médio estimado, cenário de estudo. Período de Verão, mês de fevereiro.
Janela Aberta
ZN 0º
Janela Fechada
ZS - 0º
ZS 45º
ZS 315º
ZN 45º
ZN 315º
09:00
0,43
0,43
+1,43
12:00
+2,15
+2,01
+2,04
15:00
+2,40
+2,60
+2,19
0,61
18:00
-0,52
-0,06
-0,73
-1,69
21:00
-0,65
-0,78
-0,78
-1,34
-1,37
-0,91
-0,51
-0,93
1,42
-0,10
+0,24
0,35
0,15
+2,70
0,80
0,66
0,82
+2,99
0,96
-1,62
-1,34
0,91
-0,49
-1,43
0,92
0,09
1.1 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Com as analises realizadas, conclui-se que a
ventilação natural é um recurso de grande
importância para o conforto térmico de edificações
podendo consequentemente ser vantajosa quanto a
eficiência energética da edificação. Como se
esperava a posição do rotacionamento que melhor
conforto apresentaria foi a de 315º por apresentar a
fachada sul perpendicular à direção do vento
predominante.
É importante citar a influência da insolação incidente
na edificação, pois foi notória a variação de
ZSF 0º
ZNF 0º
temperatura entre fachadas norte e sul. O que torna
possível o estudo futuro de simulações com a
aplicação de brises. Com intuito de diminuir a
insolação incidente na edificação estudada.
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer a FAPIC/Reitoria
pelo financiamento desta pesquisa.
REFERÊNCIAS
[1] PEÑA, C. C.; GHISI, E.; PEREIRA, C. D. (2008)
Comparação entre necessidade e disponibilidade
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de vento e radiação solar. para fins de análise
bioclimática de edificações em Florianópolis.
Ambiente Construído, Porto Alegre, v. 8, n. 4, p.
87-101, out./dez. 2008.
Levantamento de Dados Reais. In VIII
ENCONTRO NACIONAL E IV ENCONTRO
LATINO-AMERICANO SOBRE CONFORTO NO
AMBIENTE CONSTRUÍDO, Maceió, AL.
[2] Toledo A. M., Rocha H. (2010) Tipologias
Arquitetônicas Correntes de Apartamentos em
Maceió/AL: (In) Adequação ao Aproveitamento
da Ventilação Natural? In:XIII ENCONTRO
NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE
CONSTRUÍDO, Canela, RS.
[6] Trindade, S. C.; Pedrini, A.; Duarte, R. N. C.
(2010) Métodos de aplicação da simulação
computacional
em
edifícios
naturalmente
ventilados no clima quente e úmido. Ambiente
Construído, Porto Alegre, v. 10, n. 4, p. 37-58.
[3] Figueiredo, C. M. de. (2007) Ventilação Natural
em Edifícios de Escritórios na Cidade de São
Paulo Limites e Possibilidades do Ponto de Vista
do Conforto Térmico. Dissertação (Mestrado)
221 p.. Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da
Universidade de São Paulo - FAUUSP. São
Paulo. 2007.
[4] Bittencourt L. S., Lôbo D. G F.. (1999) A
Influência da Localização das Aberturas na
Ventilação Natural de Edificações Escolares.
In:V ENCONTRO NACIONAL DE CONFORTO
NO AMBIENTE CONSTRUÍDO E II ENCONTRO
LATINO AMERICANO DE CONFORTO NO
AMBIENTE CONSTRUÍDO, Fortaleza, CE.
[5] Vieira, J. K.; Melem, V. M.; Barbosa, M. J..(2005)
Caracterização da Ventilação Natural em
Protótipos
Habitacionais
a
Partir
de
[7] EERE, (2012) ENERGY EFFICIENCY AND
RENAWABLE ENERGY. EnergyPlus Energy
Simulation Software, U S Department of Energy,
Disponível
em
<http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energypl
us/> Acesso em 01 fev 2012
[8] Barbosa, J. D. S. Pezzuto, C. C.(2010) Análise
do Desempenho Térmico da Envoltória Através
da
Simulação
Computacional.
IN:
XV
ENCONTRO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA - PUCCAMPINAS, Campinas.
[9] Barbano, M. T.; Brunini, O.; Pinto, H. S.. (2003)
Direção Predominante do vento para a
localidade de Campinas. Revista Brasileira de
Agrometeorologia, Santa Maria, v. 11, n. 1, p.
123-128..