influência dos elementos da envoltória na

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
INFLUÊNCIA DOS ELEMENTOS DA ENVOLTÓRIA NA EFICIÊNCIA
ENERGÉTICA DE EDIFICAÇÕES
Verônica Stefanichen Monteiro
Cláudia Cotrim Pezzuto
Faculdade de Arquitetura e Urbanismo
CEATEC
[email protected]
Grupo de Pesquisa Eficiência Energética
CEATEC
[email protected]
Resumo: A presente pesquisa apresenta como
principal objetivo avaliar a influência de parâmetros
construtivos, tais como: percentual de área de janelas
e absortância de paredes externas, no consumo de
energia em edificações. As análises foram feitas por
meio de simulações computacionais no programa
EnergyPlus o qual é uma ferramenta para a
modelagem de energia para a avaliação do consumo
térmico do edifício. Como estudo de caso foi avaliado
um edifício institucional, condicionado artificialmente,
no Campus I – CEATEC, na Pontifícia Universidade
Católica de Campinas. Conclui-se que com a
diminuição da área destinada as aberturas, ou seja,
referente ao elemento transparente, conjuntamente
com a modificação das absortâncias dos elementos
opacos constituintes na envoltória, houve uma
melhora significativa no desempenho energético do
edifício em questão.
Palavras-chave: eficiência energética, desempenho
térmico de edificações, simulação computacional.
Área de Conhecimento: Engenharias – Engenharia
Civil – Construção Civil.
1. INTRODUÇÃO
Durante séculos, a utilização do elemento
transparente (vidro) no fechamento/vedação de
janelas era pouco presente pelo custo elevado e por
ser um material escasso na região, portanto
necessitaria da exportação para adquiri-lo. Porém,
durante a Revolução Industrial iniciada no século
XVIII, a produção em massa conjuntamente com um
preço acessível e a evolução de elementos
construtivos como o aço e o concreto, possibilitou a
utilização do vidro em maiores áreas e em maior
quantidade. Porém, logo estes edifícios com áreas
envidraçadas
superdimensionadas
presentes
principalmente quando o Moderno Movimento da
Arquitetura chegaram ao seu estopim, no início do
século XX e os efeitos negativos referentes ao
conforto térmico começaram a surgir [1].
Castro [2] relata que conjuntamente com esta má
orientação da fachada o superdimensionamento das
aberturas e/ou elementos transparentes contribuem
significativamente a uma elevação da temperatura
interna da edificação.
Portanto, com este aumento na temperatura interna
nas edificações o uso de equipamentos de
condicionamento de ar se torna maior, aumentando
consequentemente o consumo energético da mesma.
Atrelado a isso, Castro [2] relata que o edifício atua
como mecanismo de controle das variáveis do clima,
através de sua envoltória (paredes, piso, cobertura e
aberturas) e dos elementos do entorno e deve ser
projetado de modo a proporcionar conforto e
eficiência energética.
Gratia e De Herde [3] afirmam que o tamanho das
janelas, a forma da edificação, a profundidade e a
altura das salas (pé-direito) podem, juntos, dobrar o
consumo de energia de uma edificação.
Ao abordar os ganhos de calor sobre a envoltória
Roriz e Dornelles [4] declaram que a absortância solar
é o fator que exerce grande influencia sobre os
ganhos de calor solar da envoltória. Os autores
definem que a absortância solar é definida como a
razão entre a energia solar absorvida pela superfície
e o total da energia solar incidente. Dornelles e Roriz
[5] apresentam métodos alternativos para identificar a
absortância solar de superfícies opacas. A partir de
medições em espectrofotômetro os autores relatam
que as superfícies opacas comportam-se de maneira
distinta nas diferentes regiões do espectro solar.
De acordo com Mendes et al. [6] para a determinação
de indicadores de consumo de edificações é
imprescindível o uso de simulação computacional.
Dentre as diversas finalidades da simulação destacase a estimativa do consumo de uma edificação a
partir da definição de suas características
arquitetônicas, propriedades físicas dos materiais
construtivos, cargas internas instaladas, sistemas de
condicionamento de ar e padrões de uso e ocupação
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2. OBJETIVO
O presente estudo tem como principal objetivo avaliar
a influência de parâmetros construtivos, tais como,
percentual de área de janelas, materiais construtivos
e absortância de paredes externas no consumo de
energia em uma edificação institucional. Para estudo
de caso foi avaliado um edifício parcialmente
condicionado na Pontifícia Universidade Católica de
Campinas, CEATEC, Campus I.
Como objetivo específico destaca-se a aplicação do
software EnergyPlus.
3. METODOLOGIA
Para o desenvolvimento do projeto foi desenvolvido
as seguintes fases: caracterização do edifício de
estudo, divisão das zonas térmicas e modelagem
tridimensional.
3.1. Caracterização do Edifício
O objeto de estudo foi um edifício institucional (figura
1 e 2), parcialmente condicionado, localizado no
Campus I da Pontifícia Universidade Católica de
Campinas, no CEATEC, onde são ministradas as
aulas de informática. A fachada principal está voltada
para o lado oeste. De acordo com a NBR 15220-3
(2005), a cidade de Campinas, SP, pertence à zona
bioclimática 3.
Figura 2: Edifício de Estudo – Fachada Leste
Os elementos opacos constituintes do edifício são
feitos de alvenaria de tijolo maciço de 15 cm de
espessura, rebocados e em sua maior extensão são
pintados na cor branca. Porém encontra-se na parte
inferior das paredes externas do primeiro pavimento
uma faixa de altura 0,95 m revestida de pastilha
cerâmica na cor vermelha. Os elementos
transparentes são representados em todas as janelas
pela presença de vidro comum incolor e como modo
de fixação do mesmo esquadria metálicas de 3mm de
espessura que representam 33,5% da área destinada
as aberturas.
O edifício possui dois pavimentos onde são
ministradas as aulas de informática. Possui uma área
total de 1692,05 m² e uma área total de envoltória de
3319,34 m². Assim seu percentual de área de
abertura na fachada é de aproximadamente 35%. Ao
todo o edifício possui 20 salas de aula, cada sala com
computadores, aparelhos de ar condicionado
ministrados a uma temperatura entre 23 á 24º e com
iluminação artificial feita por lâmpadas fluorescentes.
3.2. Modelagem Tridimensional
Para realizar a modelagem tridimensional foram
realizados três cenários de estudo:
•
Figura 1: Edifício de Estudo – Fachada Oeste
1º Cenário (Figura 3) - Referente ao resgate
do banco de dados da pesquisa Corte e
Pezzuto [7], no qual a dimensão da área de
janela é referente à área de vidro (vidro
simples de 3mm de espessura) mais a área
de esquadria.
Figura 3: Modelo Tridimensional 1 – Fachada
Oeste
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•
2º Cenário (figura 4) - Neste modelo a área
destinada às aberturas foi reduzida em 33,5%
(percentual referente às esquadrias metálicas
presentes na edificação original), sendo
assim sua representação foi da área exata
destinada ao uso do elemento transparente
(vidro simples 3mm de espessura).
3º Cenário, não obteve um resultado significativo no
consumo energético quando comparado com 1º
Cenário. Porém, quando considerada apenas o real
percentual destinado apenas às áreas envidraçadas
(2º Cenário) e este comparado com o 1º e 3º Cenário,
observa-se uma redução no consumo energético do
edifício, comprovando que o percentual da envoltória
reservado as áreas envidraças têm grande influência
neste parâmetro.
Figura 4: Modelo Tridimensional 2 – Fachada
Oeste
•
3º Cenário (Figura 5) Neste modelo as áreas
destinadas ao elemento transparente e ao
elemento de esquadria (opaco) foram
separadas e especificadas com seus
respectivos materiais construtivos.
Figura 5: Modelo Tridimensional 3 – Fachada
Oeste
4. ANÁLISE DOS RESULTADOS
Para as simulações foi utilizado o arquivo climático do
aeroporto de Congonhas, devido à inexistência deste
para a cidade de Campinas. As análises realizadas
focaram o objetivo de avaliar a influência do
dimensionamento e especificação de materiais das
superfícies transparentes e opacas referentes à
envoltória no consumo energético do edifício em
questão. Para as análises foram considerados o
período matutino em função da insolação nas
fachadas. As análises foram feitas em dia típico de
fevereiro, referenciando o período de aula no verão.
Vale ressaltar, que a rotina utilizada para esta análise
contemplou tantos os equipamentos quanto à
iluminação desligadas durante o período noturno, e
parte dos computadores desligados a partir do meio
do dia, referenciando a rotina da Universidade.
As análises se dividiram em duas etapas
4.1 Primeira Etapa
Esta etapa consistiu em simular os três cenários de
estudos proposto na modelo tridimensional. Através
dos resultados encontrados na figura 6 observa-se
que a especificação da área envidraçada
conjuntamente com a área destinada as esquadrias,
Figura 6: Consumo Energético (W) – Cenários de
estudo
4.2 Segunda Etapa
Consistiu em uma análise mais especifica no que diz
respeito à especificação dos materiais constituintes
da envoltória. Nesta etapa foi considerado apenas o
modelo do 2º Cenário, pois este obteve o melhor
desempenho energético quando simulado e
comparado com os outros dois cenários. Para esta
etapa foi modificado as absortâncias dos elementos
opacos que constituem a envoltória. Os elementos
constituintes se caracterizam em dois; as paredes
externas pintadas na cor branca e a faixa de pastilhas
“vermelho queimado” de 0,95m de altura que circunda
toda a extensão do pavimento térreo. Para a
especificação dos valores de absortância foi utilizados
os dados do estudo de Dornelles [8]
As modificações realizadas e analisadas se resumem
basicamente em três propostas:
•
1ª Proposta - O edifício original 1º Cenário, no
qual não
houve
diferenciação entre
absortâncias das pastilhas e alvenaria. Foi
considerada como pintura externa a cor
concreto com absortância 0,55.
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•
2º Proposta - O edifício com suas cores
atuais que consistem na faixa de pastilhas
(Terracota) e nas paredes externas brancas;
•
3ª Proposta - Foi adotada a cor com menor
absortância (Branco:0,167) para todos os
elementos opacos constituintes da envoltória.
A figura 7 mostra os cenários de estudo referenciando
as diferentes absortâncias na envoltória. Na 1ª
Proposta, onde a absortância foi de 0,55 para todo o
edifício, o consumo energético é maior do que
quando houve a aplicação de uma menor absortância
nas paredes e pastilhas da envoltória na cor Branca
(3ª Proposta). Já comparando apenas os cenários em
que as cores foram especificadas de acordo com o
projeto hoje instalado, os resultados relatam que a
“faixa” de pastilhas na cor Terracota que circunda o
edifício não tem grande influência do que diz respeito
ao consumo energético do edifício.
Conclui-se, portanto que os elementos, tanto opacos
quanto transparentes que compõe a envoltória tem
real influência no consumo energético do edifício e
consequentemente em sua eficiência energética
AGRADECIMENTOS
Os autores gostariam de agradecer à Pontifícia
Universidade Católica de Campinas pela bolsa
concedida FAPIC/Reitoria para o desenvolvimento
desta pesquisa.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Bahaj, AbuBakr S., James, Patrick A.B. and
Jentsch, Mark F. (2008) Potential of emerging glazing
technologies for highly glazed buildings in hot arid
climates. Energy and Buildings, 40, (5), 720-731.
[2] Castro, A. P. A. S. (2006) Desempenho térmico de
vidros utilizados na construção civil: estudo em
células-teste. 2006. 223 p. Tese (Doutorado) Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e
Urbanismo, Universidade Estadual de Campinas,
Campinas.
[3] Gratia, E.; De Herde, A. (2003) Design of low
energy office buildings. Energy and Buildings, v. 35, n.
5, p. 473-491.
[4] Roriz, M.; Dornelles, K. A.(2005) Identificação da
absortância solar de superfícies opacas a partir de
imagens
digitalizadas.
In:
VIII
ENCONTRO
NACIONAL SOBRE CONFORTO NO AMBIENTE
CONSTRUÍDO, Anais... Maceió, 2005.
Figura 7: Consumo Energético (W) – Cenários
referentes à modificação da absortância da
envoltória.
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
A partir das análises realizadas verificou-se que a
porcentagem de área envidraçada tem forte influencia
no consumo de energia. Isto pode ser verificado
quando analisado os cenários de estudo. Quando
proposto uma redução da área envidraçada de
aproximadamente 35% (1º Cenário) para 24% (2º
Cenário), o resultado foi positivo. É nítido observar
esta redução no consumo energético quando
analisado o edifício total com a carga térmica
referente.
Outro aspecto que apresentou influencia no consumo
de energia foi o parâmetro da absorbância dos
elementos construtivos.
[5] Dornelles, K. A., Roriz, M.(2007) Métodos
alternativos para identificar a absortância solar de
superfícies opacas. Ambiente Construído, v. 7, n. 3, p.
109-127, jul./set. 2007.
[6] Mendes, N. ; Westphal, F S ; Lamberts, R ; Cunha
Neto, J A B . (2005) Uso de instrumentos
computacionais para análise do desempenho térmico
e energético de edificações no Brasil. Ambiente
Construído (São Paulo), Porto Alegre, v. 5, n. 4, p. 4768.
[7] Corte, F. H., Pezzuto, C. C. (2011) Simulação
computacional para análise da eficiência energética
em edifício parcialmente condicionado. In: XV
Encontro de Iniciação Científica e I Encontro de
Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e
Inovação da PUC-Campinas – Faculdade de
Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica de
Campinas.
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
[8] Dornelles, K. A. (2008) Absortância solar de
superfícies opacas: Métodos de determinação e base
de dados para tintas latéx acrílica e PVA. Tese
(Doutorado).. 152p. Faculdade de Engenharia Civil,
Arquitetura e Urbanismo, Universidade Estadual de
Campinas.