( PDF ) A influência do envelope no desempenho térmico de edificações residenciais unifamiliares ocupadas e ventiladas naturalmente

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Pereira

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Dissertação de Mestrado

Orientador: Prof. Enedir Ghisi, PhD

Florianópolis, 2009

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Donald

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Pereira

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Universidade Federal de Santa Catarina

Departamento de Engenharia Civil

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil

Influência do Envelope no

Influência do Envelope no Influência do Envelope no

Influência do Envelope no

Desempenho Térmico de Edificações

Desempenho Térmico de Edificações Desempenho Térmico de Edificações

Desempenho Térmico de Edificações

Residenciais Unifamiliares Ocupadas e

Residenciais Unifamiliares Ocupadas e Residenciais Unifamiliares Ocupadas e

Residenciais Unifamiliares Ocupadas e

Ventilad

VentiladVentilad

Ventiladas Naturalmente

as Naturalmenteas Naturalmente

as Naturalmente

Dissertação apresentada ao Programa de

Pós-Graduação em Engenharia Civil da

Universidade Federal de Santa Catarina

como requisito à obtenção do título de

Mestre em Engenharia Civil.

Orientador: Prof. Enedir Ghisi, PhD

Florianópolis

2009

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Cláudia Donald Pereira

A Influência do Envelope no Desempenho Térmico de Edificações

Residenciais Unifamiliares Ocupadas e Ventiladas Naturalmente

Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

Mestre em Engenharia Civil e aprovada em sua forma final pelo Programa de

Pós-Graduação.

_____________________________________

Prof. Glicério Trichês, Dr. – Coordenador do Programa de

Pós-Graduação em Engenharia Civil

_____________________________________

Prof. Enedir Ghisi, Ph.D. – Orientador

COMISSÃO EXAMINADORA:

_____________________________________

Prof. Aldomar Pedrini, Ph.D. (UFRN) – Membro

_____________________________________

Prof. Roberto Lamberts, Ph.D. (UFSC) – Membro

_____________________________________

Profa. Solange Virginia Galarça Goulart, Ph.D. (UFSC) – Membro

Florianópolis, 27 de fevereiro de 2009

“O coração do homem traça o

seu caminho, mas o Senhor lhe dirige os

passos.” (Provérbios 16:9)

GRADECIMENTOS

A Deus, Autor e Senhor da minha vida, que me guiou e conduziu em

toda essa caminhada.

À minha família, especialmente meus pais, Nehemias e Ilma, que em

todo o tempo apoiaram meus sonhos e planos, oraram por mim, e estiveram

sempre presentes, apesar da distância.

Ao meu amado Gabriel, que fez minha vinda a Florianópolis ter um

sentido muito maior e mais especial.

À família do Gabriel, que tem sido minha família em Florianópolis.

Ao meu orientador, Enedir Ghisi, sempre presente e pronto a ajudar.

Ao professor Roberto Lamberts, que possibilitou minha participação

nas pesquisas da Casa Eficiente, e me ajudou em diversos momentos.

A todos os amigos do LabEEE, que passaram por ali entre 2006 e

2008, e de alguma forma colaboraram, me oferecendo seu apoio e amizade.

Ao Miguel Pacheco, que além da sua amizade, me ofereceu sua ajuda

em diversos momentos, como na tradução de alguns textos.

Aos amigos de Maringá que permaneceram presentes na minha vida,

independente da distância física.

Aos amigos da Igreja Presbiteriana na Trindade, que me acolheram e

oraram por mim.

Ao Lepten, que colaborou com o fornecimento dos dados climáticos.

À Eletrosul e Eletrobrás, que permitiram minha participação nos

estudos com a Casa Eficiente, e financiaram minha pesquisa.

UMÁRIO

LISTA

FIGURAS...................................................................................................

VII

LISTA

TABELAS....................................................................................................

XII

RESUMO...................................................................................................................

XIV

ABSTRACT ................................................................................................................

CAPÍTULO 1.......................................................................................................1

. INTRODUÇÃO........................................................................................................2

1.1. Apresentação do Problema e Justificativa .......................................................................2

1.2. Objetivos...........................................................................................................................7

1.2.1. Objetivo Geral......................................................................................................7

1.2.2. Objetivos Específicos ..........................................................................................7

1.3. Estrutura do Trabalho.......................................................................................................7

CAPÍTULO 2.......................................................................................................9

. REVISÃO

BIBLIOGRÁFICA..................................................................................10

2.1. Avaliação do Desempenho Térmico de Edificações......................................................10

2.1.1. Métodos Internacionais......................................................................................10

2.1.2. Métodos Brasileiros ...........................................................................................14

2.2. Estudo do Desempenho Térmico do Envelope Sem Considerar a Ventilação Natural.17

2.3. Estudo do Desempenho Térmico do Envelope Considerando a Ventilação Natural.....22

2.4. Avaliação de Desempenho Térmico Utilizando Simulação Computacional ..................24

2.5. Considerações Finais.....................................................................................................27

CAPÍTULO 3.....................................................................................................28

. MÉTODO..............................................................................................................29

3.1. Monitoramento da Edificação.........................................................................................29

3.1.1. Descrição da Edificação Monitorada.................................................................29

3.1.2. Períodos de Monitoramento ..............................................................................34

3.1.3. Variáveis Monitoradas.......................................................................................34

3.2. Simulação Computacional..............................................................................................36

3.2.1. Calibração do Modelo para Simulação..............................................................37

3.2.1.1. Descrição do Modelo Inicial Para Calibração....................................................38

3.2.1.2. Ajustes no Modelo.............................................................................................50

3.2.1.3. Critérios para a Calibração................................................................................53

3.2.2. Definição do Modelo de Referência para as Simulações..................................55

3.2.2.1. Geometria .........................................................................................................55

3.2.2.2. Temperatura do Solo ........................................................................................56

3.2.2.3. Materiais............................................................................................................56

3.2.2.4. Cargas Térmicas Internas.................................................................................58

3.2.2.5. Trocas de Ar......................................................................................................58

3.2.3. Variações no Modelo de Referência .................................................................58

3.2.3.1. Variação da Ventilação .....................................................................................58

3.2.3.2. Variação da Ocupação (Cargas Térmicas Internas) .........................................60

3.2.3.3. Variações de Propriedades Térmicas do Envelope ..........................................62

3.2.4. Tratamento dos Dados Finais............................................................................65

CAPÍTULO 4.....................................................................................................68

. RESULTADOS......................................................................................................69

4.1. Calibração do Modelo para Simulação ..........................................................................69

4.1.1. Simulações Sem Ventilação..............................................................................70

4.1.1.1. Resultados para o mês de Dezembro de 2007.................................................70

4.1.1.2. Resultados para o mês de Agosto de 2007 ......................................................74

4.1.2. Simulações Com Ventilação..............................................................................77

4.1.2.1. Resultados para o mês de Janeiro de 2008......................................................77

4.1.2.2. Resultados para o mês de Setembro de 2007..................................................80

4.2. Análises das Simulações de Desempenho Térmico......................................................82

4.2.1. Análises de Correlação......................................................................................89

4.2.2. Análise das Trocas Térmicas ............................................................................92

CAPÍTULO 5.....................................................................................................98

. CONCLUSÃO.......................................................................................................99

5.1. Limitações do Trabalho ................................................................................................101

5.2. Sugestões para Trabalhos Futuros..............................................................................101

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..............................................................103

REFERÊNCIAS

BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................... 104

APÊNDICES...................................................................................................108

APÊNDICE

–

LANTA E

ORTES DA

DIFICAÇÃO

STUDADA

....................................109

APÊNDICE

–

RÁFICOS DA

ALIBRAÇÃO

ÊS DE

EZEMBRO

.................................111

APÊNDICE

–

RÁFICOS DA

ALIBRAÇÃO

ÊS DE

GOSTO

.....................................113

APÊNDICE

–

RÁFICOS DA

ALIBRAÇÃO

ÊS DE

ANEIRO

.....................................116

APÊNDICE

–

RÁFICOS DA

ALIBRAÇÃO

ÊS DE

ETEMBRO

.................................117

APÊNDICE

–

ESULTADOS DE

ESEMPENHO

ÉRMICO DA

ALA

..............................119

vii

ISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 – Mapa do Brasil indicando a cidade de Florianópolis – SC..............4

Figura 1.2 – Gráfico de temperaturas médias mensais de Florianópolis,

segundo as normais climatológicas de 1961 a 1990...................................5

Figura 1.3 – Gráfico de temperaturas médias mensais do ano climático de

referência de Florianópolis...........................................................................5

Figura 1.4 – Carta Bioclimática gerada no Analysis Bio, com dados do ano

climático de referência de Florianópolis.......................................................6

Figura 2.1 – Zonas de conforto de verão e inverno da ASHRAE......................12

Figura 2.2 – Zona de Conforto de Givoni adaptada para climas quentes.........13

Figura 2.3 – Método adaptativo – zona de conforto para edifícios naturalmente

ventilados...................................................................................................14

Figura 3.1 – Localização da residência monitorada na cidade de Florianópolis.

...................................................................................................................30

Figura 3.2 – Implantação da residência no pátio da Sede da Eletrosul............31

Figura 3.3 – Planta Baixa da residência. ..........................................................31

Figura 3.4 – Fotografias da residência – fachada Sul.......................................32

Figura 3.5 – Fotografia da residência – fachadas Norte e Oeste......................32

Figura 3.6 – Planta de cobertura da residência. ...............................................33

Figura 3.7 – Hobos U12 data logger - Onset Computer Corporation................35

Figura 3.8 – Planta baixa da edificação com indicação dos pontos de medição

da temperatura utilizando Hobos...............................................................36

Figura 3.9 – Perspectivas do modelo de calibração da simulação: fachadas

oeste e sul (a), e leste e norte (b)..............................................................38

Figura 3.10 – Plantas do modelo de calibração da simulação: térreo (a) e

superior (b). ...............................................................................................39

Figura 3.11 – Esquema dos dois tipos de parede do modelo de calibração:

dupla (a) e simples (b)...............................................................................41

Figura 3.12 – Esquema dos tipos de cobertura do modelo de calibração: telha

cerâmica (a), telha metálica (b), teto jardim (c), teto jardim + laje de

concreto (d)................................................................................................43

viii

Figura 3.13 – Ocupação da casa – período de monitoramento em agosto de

2007...........................................................................................................45

Figura 3.14 – Ocupação da casa – período de monitoramento em setembro de

2007...........................................................................................................46

Figura 3.15 – Ocupação da casa – período de monitoramento em janeiro de

2008...........................................................................................................47

Figura 3.16 – Esquema das Persianas.............................................................49

Figura 3.17 – Perspectiva do modelo de calibração com alteração na volumetria

da cobertura...............................................................................................51

Figura 3.18 – Equipamento Alta II.....................................................................52

Figura 3.19 – Perspectiva do modelo base.......................................................56

Figura 3.20 – Ocupação do modelo – dias úteis e finais de semana................60

Figura 3.21 – Combinações de componentes do envelope, totalizando 12

variações. ..................................................................................................63

Figura 4.1 – Comparação entre simulação 1 (modelo inicial) e medição em

dezembro/2007..........................................................................................70

Figura 4.2 – Comparação entre simulação 2 (alteração na temperatura do solo)

e medição em dezembro/2007. .................................................................71

Figura 4.3 – Comparação entre simulação 9 (alteração na infiltração de ar) e

medição em dezembro/2007. ....................................................................73

Figura 4.4 – Comparação entre simulação 1 (modelo inicial) e medição em

agosto/2007...............................................................................................74

Figura 4.5 – Comparação entre simulação 9 (alteração na infiltração de ar) e

medição em agosto/2007...........................................................................75

Figura 4.6 – Corte da sala: Hobos utilizados para verificação de estratificação

na temperatura do ar. ................................................................................76

Figura 4.7 – Gráfico de temperaturas do ar: dias 2 a 5/11/2008.......................77

Figura 4.8 – Comparação entre simulação 9 (alteração na infiltração de ar) e

medição em janeiro/2008...........................................................................78

Figura 4.9 – Comparação entre simulação 13 (expoente da velocidade do vento

= 0,5) e medição em janeiro/2008. ............................................................80

Figura 4.10 – Comparação entre simulação 13 (expoente da velocidade do

vento = 0,5) e medição em setembro/2007. ..............................................81

Figura 4.11 – Esquema das simulações finais realizadas. ...............................82

Figura 4.12 – Carta bioclimática gerada no programa Analysis Bio, para ........84

Figura 4.13 – Porcentagens de horas de desconforto anuais no quarto de casal

relacionadas à transmitância térmica equivalente.....................................86

Figura 4.14 – Porcentagens de horas de desconforto anuais no quarto de casal

relacionadas à capacidade térmica equivalente........................................86

Figura 4.15 – Porcentagens de horas de desconforto anuais no quarto de casal

relacionadas ao atraso térmico equivalente...............................................86

Figura 4.16 – Porcentagens de horas de desconforto no verão no quarto de

casal relacionadas à transmitância térmica equivalente............................88

Figura 4.17 – Porcentagens de horas de desconforto no verão no quarto de

casal relacionadas à capacidade térmica equivalente...............................88

Figura 4.18 – Porcentagens de horas de desconforto no verão no quarto de

casal relacionadas ao atraso térmico equivalente.....................................88

Figura 4.19 – Correlação entre a porcentagem de horas de desconforto e as

propriedades térmicas da cobertura do quarto de casal: transmitância

térmica (a), capacidade térmica (b), e atraso térmico (c)...........................89

Figura 4.20 – Correlação entre a porcentagem de horas de desconforto e as

propriedades térmicas da parede do quarto de casal: transmitância térmica

(a), capacidade térmica (b), e atraso térmico (c). ......................................90

Figura 4.21 – Correlação entre a porcentagem de horas de desconforto e as

propriedades térmicas equivalentes do quarto de casal: transmitância

térmica (a), capacidade térmica (b), e atraso térmico (c)...........................91

Figura 4.22 – Trocas de calor do quarto de casal – Modelo Referência sem

ventilação e ocupação, nos dias 3 a 9 de janeiro......................................93

Figura 4.23 – Trocas de calor do quarto de casal – Modelo Referência com

ventilação e ocupação, nos dias 3 a 9 de janeiro......................................93

Figura 4.24 – Temperatura do ar no exterior e no quarto – Modelo Referência:

...................................................................................................................94

Figura 4.25 – Trocas de calor do quarto de casal – Variação Parede 6 sem

ventilação e ocupação...............................................................................96

Figura 4.26 – Trocas de calor do quarto de casal – Variação Parede 6 com

ventilação e ocupação...............................................................................96

Figura 4.27 – Temperatura do ar no exterior e no quarto – Variação Parede 6:

...................................................................................................................97

Figura A.1 – Planta baixa. ...............................................................................109

Figura A.2 – Corte AA. ....................................................................................110

Figura A.3 – Corte BB. ....................................................................................110

Figura B.1 – Comparação entre simulação 3 (alteração na volumetria da

cobertura) e medição em dezembro/2007. ...................................................111

Figura B.2 – Comparação entre simulação 4 (resistência térmica - 10%) e

medição em dezembro/2007. ................................................................111

Figura B.3 – Comparação entre simulação 5 (resistência térmica + 10%) e

medição em dezembro/2007. ................................................................111

Figura B.4 – Comparação entre simulação 6 (resistência térmica + 20%) e

medição em dezembro/2007. ................................................................112

Figura B.5 – Comparação entre simulação 7 (alteração na absortância) e

medição em dezembro/2007. ................................................................112

Figura B.6 – Comparação entre simulação 8 (alteração no ganho de calor

por equipamentos) e medição em dezembro/2007. ...............................112

Figura C.1 – Comparação entre simulação 2 (alteração na temperatura do

solo) e medição em agosto/2007. ..........................................................113

Figura C.2 – Comparação entre simulação 3 (alteração na volumetria da

cobertura) e medição em agosto/2007. .................................................113

Figura C.3 – Comparação entre simulação 4 (resistência térmica - 10%) e

medição em agosto/2007. ...................................................................... 113

Figura C.4 – Comparação entre simulação 5 (resistência térmica + 10%) e

medição em agosto/2007. ...................................................................... 114

Figura C.5 – Comparação entre simulação 6 (resistência térmica + 20%) e

medição em agosto/2007. ...................................................................... 114

Figura C.6 – Comparação entre simulação 7 (alteração na absortância) e

medição em agosto/2007. ...................................................................... 114

Figura C.7 – Comparação entre simulação 8 (alteração no ganho de calor

por equipamentos) e medição em agosto/2007. ....................................115

Figura D.1 – Comparação entre simulação 10 (coeficiente de descarga =

0,7) e medição em janeiro/2008. ...........................................................116

Figura D.2 – Comparação entre simulação 11 (coeficiente de descarga =

0,5) e medição em janeiro/2008. ...........................................................116

Figura D.3 – Comparação entre simulação 12 (coeficiente de descarga =

0,3) e medição em janeiro/2008. ...........................................................116

Figura E.1 – Comparação entre simulação 9 (alteração na infiltração de ar)

e medição em setembro/2007. .............................................................. 117

Figura E.2 – Comparação entre simulação 10 (coeficiente de descarga =

0,7) e medição em setembro/2007. .......................................................117

Figura E.3 – Comparação entre simulação 11 (coeficiente de descarga =

0,5) e medição em setembro/2007. .......................................................117

Figura E.4 – Comparação entre simulação 12 (coeficiente de descarga =

0,3) e medição em setembro/2007. .......................................................118

Figura F.1 – Porcentagens de horas de desconforto anuais na sala

relacionadas à transmitância térmica equivalente. ................................120

Figura F.2 – Porcentagens de horas de desconforto anuais na sala

relacionadas à capacidade térmica equivalente. ...................................120

Figura F.3 – Porcentagens de horas de desconforto anuais na sala

relacionadas ao atraso térmico equivalente. ..........................................121

Figura F.4 – Correlação entre a porcentagem de horas de desconforto e as

propriedades térmicas da cobertura da sala: transmitância térmica (a),

capacidade térmica (b), e atraso térmico (c). .........................................121

Figura F.5 – Correlação entre a porcentagem de horas de desconforto e as

propriedades térmicas da parede da sala: transmitância térmica (a),

capacidade térmica (b), e atraso térmico (c). .........................................122

Figura F.6 – Correlação entre a porcentagem de horas de desconforto e as

propriedades térmicas equivalentes da sala: transmitância térmica (a),

capacidade térmica (b), e atraso térmico (c). .........................................122

Figura F.7 – Trocas de calor da sala – Modelo Referência sem ventilação e

ocupação. ..............................................................................................123

Figura F.8 – Trocas de calor da sala – Modelo Referência com ventilação e

ocupação. ..............................................................................................123

Figura F.9 – Temperatura do ar no exterior e na sala – Modelo Referência:

dias 03 a 09 de janeiro (a), e dias 02 a 08 de novembro (b). .................124

Figura F.10 – Temperatura do ar no exterior e na sala – Variação Parede 5:

dias 03 a 09 de janeiro (a), e dias 02 a 08 de novembro (b). .................124

xii

ISTA DE TABELAS

Tabela 2.1– Critérios de avaliação de desempenho térmico proposto em ABNT,

2008...........................................................................................................16

Tabela 3.1 – Especificações técnicas do Hobo U12.........................................34

Tabela 3.2 – Temperaturas do solo para o modelo inicial de calibração..........40

Tabela 3.3 – Características dos materiais utilizados na simulação

computacional............................................................................................44

Tabela 3.4 – Atividades realizadas e calor produzido nas zonas térmicas do

modelo.......................................................................................................46

Tabela 3.5 – Abertura das janelas e portas externas nos períodos de

monitoramento em setembro/2007 e janeiro/2008. ...................................48

Tabela 3.6 – Abertura das persianas nos períodos de monitoramento em

agosto e setembro de 2007, e janeiro de 2008..........................................50

Tabela 3.7 – Valores de temperatura média do solo obtidos in loco [°C]..........51

Tabela 3.8 – Valores corrigidos de absortância dos materiais..........................52

Tabela 3.9 – Simulações realizadas para a calibração e meses de análise.....54

Tabela 3.10 – Valores de temperatura média do solo [°C] para as simulações.

...................................................................................................................56

Tabela 3.11 – Características da parede do modelo base................................57

Tabela 3.12 – Características da cobertura do modelo base............................57

Tabela 3.13 – Abertura das janelas e portas externas nos meses de verão. ...59

Tabela 3.14 – Abertura das janelas e portas externas nos meses de inverno..59

Tabela 3.15 – Atividades realizadas e calor produzido nas zonas térmicas do

modelo.......................................................................................................61

Tabela 3.16 – Iluminação em cada zona térmica do modelo............................61

Tabela 3.17 – Padrão de uso da iluminação – dias úteis e finais de semana...62

Tabela 3.18 – Descrição e Propriedades Térmicas das Coberturas Simuladas.

...................................................................................................................63

Tabela 3.19 – Descrição e Propriedades Térmicas das Paredes Simuladas. ..64

Tabela 3.20 – Características dos materiais utilizados na simulação

computacional............................................................................................65

xiii

Tabela 4.1 – Resultados das simulações comparadas às medições de

dezembro/2007..........................................................................................71

Tabela 4.2 – Resultados das simulações comparadas às medições de

agosto/2007...............................................................................................75

Tabela 4.3 – Resultados das simulações comparadas às medições de

janeiro/2008...............................................................................................79

Tabela 4.4 – Resultados das simulações comparadas às medições de

setembro/2008...........................................................................................81

Tabela 4.5 – Porcentagem de horas de conforto e desconforto anuais............83

Tabela 4.6 – Porcentagem de horas de conforto e desconforto do quarto de

casal no Modelo de Referência para ano inteiro, verão e inverno.............85

Tabela F.1 – Porcentagem de horas de conforto e desconforto anuais na

sala. .......................................................................................................119

Tabela F.2 – Porcentagem de horas de conforto e desconforto da sala no

Modelo de Referência. ........................................................................... 120

xiv

ESUMO

Apesar do crescente número de pesquisas a respeito da influência da

especificação dos materiais construtivos da envoltória dos edifícios na

manutenção de seu desempenho térmico, é reduzido o número de estudos que

consideram o desempenho do envelope sob a influência da ventilação natural e

da ocupação pelos usuários. O objetivo central deste trabalho é investigar a

influência das propriedades térmicas do envelope no desempenho térmico de

edificações residenciais unifamiliares quando estas são ocupadas e ventiladas

naturalmente. O método utilizado compreende o estudo do desempenho

térmico do envelope de uma edificação residencial unifamiliar, através de

medições e de simulação computacional. Com a caracterização e

monitoramento de uma edificação real, foi possível criar e calibrar um modelo

para simulação computacional, utilizando o programa EnergyPlus. A calibração

permitiu a criação de um modelo computacional com resultados de temperatura

interna do ar similares ao medido na edificação real. Porém, tais resultados

foram melhores para o modelo sem ventilação que para o modelo com

ventilação. A partir do modelo calibrado, foram simuladas variações no

envelope da edificação, utilizando materiais com diferentes propriedades

térmicas. Para estas variações foram obtidos os valores de temperatura e

umidade do ar interno, e verificada a porcentagem de horas de desconforto em

um ano, através do programa Analysis Bio. Com isso, foi possível verificar a

correlação entre as horas de desconforto e as propriedades térmicas dos

componentes do envelope, a partir das quais se verificou que o envelope

exerce uma influência sobre o desempenho térmico da edificação, inclusive

quando esta é ocupada e ventilada naturalmente. Essa influência é mais

fortemente relacionada ao valor de capacidade térmica do componente do

envelope. Pode-se dizer que a transmitância térmica do componente exerce

fraca influência no desempenho térmico da edificação. Ressalta-se que os

resultados podem apresentar imprecisões pelo fato do programa computacional

considerar ambientes homogêneos termicamente e com distribuição uniforme

dos fluxos de ar.

BSTRACT

Despite the growing number of studies about the influence of materials

used in the envelope on the thermal performance of buildings, there are few

studies that consider the performance of the building’s envelope under the

influence of natural ventilation and occupation. The main objective of this work

is to investigate the influence of the thermal properties of the envelope on the

thermal performance of houses when they are occupied and naturally

ventilated. The method used includes the study of the thermal performance of a

single-family residential building envelope’s thermal properties, through both

measurements and computer simulation. With the characterization and

monitoring of an actual building, it was possible to create and calibrate a model

for computer simulation, using the EnergyPlus computer program. By calibration

it was possible to create a computer model with results of indoor air

temperature similar to the measured values. However, such results were better

for the model without ventilation than for the model with ventilation. From the

calibrated model, several variations of the building’s envelope were made, each

using materials with different thermal properties. For each variation, the values

for air temperature and air humidity were found and, from those values, verified

the percentage of discomfort hours in a year through the Analysis Bio computer

program. With the results obtained it was possible to verify the correlation

between thermal discomfort hours and the envelope’s thermal properties. From

these correlations, it was found that there is an influence of the envelope on the

thermal performance of the occupied and naturally ventilated building. This

influence is more strongly related to the value of the envelope’s thermal

capacity. It’s possible to say that the envelope’s thermal transmittance

exercises a weak influence on the building’s thermal performance. It should also

be highlighted that the results may present inaccuracies because the

EnergyPlus computer program considers that the rooms are thermally

homogeneous and have a perfect mix of air flow.

íí

INTRODUÇÃO

1.1. Apresentação do Problema e Justificativa

Os primeiros anos do século XXI estão sendo cercados por uma série

de discussões sobre economia de energia, geradas em grande parte pelos

indícios do aquecimento global e suas desastrosas conseqüências e, mais

especificamente no Brasil, pela crise energética ocorrida em 2001. Mendes et

al. (2005) esclarecem que, nesse ano, o sistema elétrico brasileiro entrou em

colapso devido ao efeito conjugado dos poucos investimentos em ampliação do

parque gerador nos anos anteriores e da escassez de chuvas registradas em

2000.

Fruto dessas discussões, a busca por eficiência energética tem

crescido e chamado a atenção de arquitetos e engenheiros. Para Lamberts et

al. (2004), um edifício é considerado energeticamente mais eficiente que outro

quando proporciona as mesmas condições ambientais de conforto ao seu

usuário, com menor consumo de energia.

Nesse sentido, é crescente também a discussão sobre a aplicação de

estratégias passivas de condicionamento, entendidas como a construção e

organização de edifícios de forma que suas propriedades térmicas, e de seus

componentes, contribuam para a criação de ambientes agradáveis e estáveis

climaticamente (WONG; LI, 2007), evitando ou diminuindo a necessidade de

equipamentos elétricos para esse fim.

Vários estudos sobre o assunto (CHENG et al., 2005; GHISI;

MASSIGNANI, 2007; MANIOGLU; YILMAZ, 2006; WONG; LI, 2007; YILMAZ,

2007) procuram comprovar a hipótese de que a especificação adequada dos

materiais construtivos no projeto de edifícios, e sua correta relação com fatores

e elementos climáticos do local, permitem uma condição final de maior conforto

e uma grande redução no consumo energético.

Dentre as diferentes estratégias passivas de condicionamento

conhecidas, uma das mais estudadas é a especificação dos materiais do

envelope do edifício baseada nas propriedades térmicas de interesse,

conforme o clima local. Alguns pesquisadores, como Manioglu e Yilmaz (2006),

consideram que o envelope do edifício é o principal determinante do clima

interno, responsável pelos fluxos de calor em seu interior e, portanto, fator

determinante do seu desempenho térmico.

Apesar destas pesquisas realizadas a respeito da melhor especificação

dos materiais de construção para obtenção de maior conforto térmico, verifica-

se um número reduzido de estudos que levam em consideração a influência da

ventilação natural e da ocupação pelos usuários no desempenho do envelope.

Esta é uma questão que deve receber atenção nas pesquisas em regiões de

clima tropical ou quente, especialmente no caso das edificações residenciais.

No Brasil, estudos de bioclimatologia apontam o aproveitamento da ventilação

natural como uma das estratégias de resfriamento, para habitações

unifamiliares, mais indicadas em seu território, sendo desejável em 7 das 8

zonas bioclimáticas brasileiras (ABNT, 2005c).

Dados de Almeida et al. (2001) mostram que no setor residencial

brasileiro, no ano de 1997, 3% do consumo de energia elétrica total foi

destinado ao condicionamento de ar. Já a pesquisa de Ghisi et al. (2007), que

considerou 12 dos 26 estados brasileiros (abrangendo 70% da população),

aponta que entre os anos de 1997 e 1999, 10% do consumo de energia elétrica

total do setor residencial brasileiro foi destinado ao condicionamento de ar.

Dados mais recentes de ELETROBRÁS e PROCEL (2007), referentes a 2005,

indicam o crescimento do consumo residencial com condicionamento de ar,

alcançando 20% do total da energia elétrica consumida no setor. Esse

consumo com condicionadores de ar poderia ser reduzido se houvesse um

melhor aproveitamento da ventilação natural por parte desses consumidores.

Ressalta-se que, mesmo com a porcentagem de 20% do consumo

residencial destinada a condicionamento de ar, grande parte das edificações

residenciais brasileiras não possui condicionamento artificial, e utiliza

prioritariamente a ventilação natural. A maior parte desse consumo concentra-

se em um número reduzido de consumidores. Segundo ELETROBRÁS e

PROCEL (2007) os aparelhos de ar condicionado estão distribuídos em apenas

10,5% dos domicílios do Brasil.

Esta dissertação estudou a influência das propriedades térmicas do

envelope no desempenho térmico de uma edificação residencial sob a

influência da ventilação natural e da ocupação. A pesquisa se deu através de

medições em ambiente real, em uma residência na cidade de Florianópolis –

Santa Catarina, e também através de simulação computacional para o clima de

Florianópolis. A cidade localiza-se na Região Sul do Brasil, conforme indicado

na Figura 1.1.

Figura 1.1 – Mapa do Brasil indicando a cidade de Florianópolis – SC.

Florianópolis, capital de Santa Catarina, localiza-se na latitude 27,7° S,

a uma altitude de 7m, ou seja, praticamente ao nível do mar (embora podendo

chegar a altitudes de cerca de 500m nos picos de alguns morros). Seu clima é

classificado como mesotérmico úmido (Cfa segundo Köppen), com as estações

do ano bem definidas: altas temperaturas no verão e baixas no inverno.

Os registros das Normais Climatológicas de 1961 a 1990 (BRASIL,

1992) para Florianópolis, indicam as temperaturas médias mensais variando de

16,3°C em julho a 24,7°C em fevereiro, conforme Fig ura 1.2. A média das

temperaturas máximas varia de 20,4°C em julho a 28, 4°C em fevereiro. A

média das temperaturas mínimas varia de 13,3°C em j ulho a 21,8°C em

fevereiro.

Janeiro

Fevereiro

Março

Abril

Maio

Junho

Julho

Agosto

Setembro

Outubro

Novembro

Dezembro

Temperatura do Ar [°C]

Temperatura Máxima

Temperatura Média

Temperatura Mínima

Figura 1.2 – Gráfico de temperaturas médias mensais de Florianópolis, segundo as

normais climatológicas de 1961 a 1990.

Para Florianópolis, entre outras capitais brasileiras, foi definido um Ano

Climático de Referência (Test Reference Year – TRY), através de uma

metodologia aplicada por Goulart et al. (1998). Nela, analisou-se uma

seqüência histórica (10 anos) de dados climáticos, escolhendo o ano mais

representativo do período, sem valores extremos de temperatura. O ano

climático de referência (TRY) definido por Goulart et al. (1998) para

Florianópolis é 1963. A Figura 1.3 apresenta os valores de temperatura média

mensal desse ano.

Janeiro

Fevereiro

Março

Abril

Maio

Junho

Julho

Agosto

Setembro

Outubro

Novembro

Dezembro

Temperatura do Ar [°C]

Temperatura média

Figura 1.3 – Gráfico de temperaturas médias mensais do ano climático de referência

de Florianópolis.

Com o programa computacional Analysis Bio (LabEEE, 2007), é

possível analisar a porcentagem de horas de conforto e desconforto de um

determinado arquivo cllimático, a partir dos parâmetros estabelecidos na carta

bioclimática de Givoni (1992). Para isso são necessários dados horários de

temperatura do ar e umidade relativa do ar. O programa foi desenvolvido por

pesquisadores do Laboratório de Eficiência Energética em Edificações

(LabEEE) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).

Inserindo os dados do ano climático de referência de Florianópolis no

programa Analysis Bio, obtem-se a carta bioclimática mostrada na Figura 1.4.

Verifica-se a ocorrência 21,0% de horas de conforto e 79,0% de horas de

desconforto, sendo destas, 40,8% por frio e 38,2% por calor. O uso da

ventilação é indicado em 35,6% das horas do ano.

Figura 1.4 – Carta Bioclimática gerada no Analysis Bio, com dados do ano climático de

referência de Florianópolis.

Na residência estudada foram realizadas medições de temperaturas do

ar, que permitiram a calibração de um modelo para ser utilizado em simulações

computacionais de desempenho térmico. A ferramenta utilizada para tais

simulações foi o programa EnergyPlus (versão 2.2.0), capaz de calcular as

trocas térmicas do edifício com o ambiente a partir da modelagem da

edificação, sua geometria e materiais construtivos, sistemas de ventilação,

iluminação, cargas internas, ocupação, entre outros.

Este trabalho se atém às questões diretamente ligadas ao desempenho

térmico das edificações, não incluindo discussões a respeito do conforto do

usuário. Entende-se aqui desempenho térmico como o comportamento térmico

do edifício frente às condições climáticas externas e cargas internas.

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo Geral

O objetivo geral deste trabalho é verificar a influência das propriedades

térmicas do envelope no desempenho térmico de edificações residenciais

unifamiliares, na cidade de Florianópolis, quando estas são ocupadas e

ventiladas naturalmente.

1.2.2. Objetivos Específicos

Destacam-se também os objetivos específicos a serem alcançados no

decorrer do trabalho:

• Monitorar a temperatura do ar em uma edificação real, para calibrar o

modelo a ser utilizado nas simulações computacionais.

• Calibrar o modelo computacional representativo de uma edificação

residencial na cidade de Florianópolis.

• Utilizar simulação computacional para estudar o desempenho térmico

de um modelo de edificação residencial no contexto climático de Florianópolis,

com e sem ocupação e ventilação natural, tendo como ferramenta o programa

EnergyPlus.

• Comparar porcentagens de horas de desconforto do modelo

computacional com diferentes tipos de envelope, no caso do modelo com e

sem ocupação e ventilação.

1.3. Estrutura do Trabalho

Este trabalho está dividido em cinco capítulos. O primeiro capítulo

apresenta uma introdução sobre o assunto, caracterizando o problema

estudado e descrevendo os objetivos buscados.

No segundo capítulo inicia-se uma revisão bibliográfica referente à

análise do desempenho térmico de edificações, focalizando métodos de análise

utilizados por diferentes pesquisadores, em alguns lugares do mundo, incluindo

o Brasil.

O terceiro capítulo apresenta a metodologia utilizada no trabalho.

Inicialmente descreve-se como foi realizado o monitoramento de uma

edificação e a utilização desses dados para a calibração de um modelo

computacional. Em seguida, descreve-se a realização de simulações

computacionais para análises de desempenho térmico, com diferentes

materiais no envelope do modelo, apresentando os programas computacionais

utilizados, e o método para tratamento dos dados.

No quarto capítulo são apresentados os resultados alcançados ao

longo do trabalho, mostrando inicialmente a calibração do modelo de

simulação, e, em seguida, as análises de influência do envelope no

desempenho térmico do modelo. São mostradas as correlações entre a

porcentagem de horas de desconforto e as propriedades térmicas dos

componentes do envelope e as trocas térmicas do modelo. No quinto e último

capítulo apresenta-se as conclusões do trabalho, as limitações encontradas e

sugestões para trabalhos futuros.

íí

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O presente capítulo apresenta uma revisão de literatura e de normas

sobre avaliação do desempenho térmico de edificações, servindo como

fundamentação teórica para o desenvolvimento dos demais capítulos deste

trabalho. Apresentam-se algumas normas internacionais e nacionais referentes

ao assunto, e também alguns trabalhos publicados que buscaram estudar o

desempenho térmico do envelope de edificações, ocupadas e ventiladas ou

não. Por fim, discute-se o uso de programas computacionais de simulação

termo-energética na avaliação do desempenho térmico de edificações.

2.1. Avaliação do Desempenho Térmico de Edificações

2.1.1. Métodos Internacionais

As discussões em vários países do mundo a respeito de economia de

energia e melhoria do desempenho energético das edificações levam,

conseqüentemente, à questão do desempenho térmico de edificações.

Atualmente, vários países, como França, Estados Unidos, Canadá, Austrália,

entre outros, possuem normas para conservação de energia que abrangem

diretrizes para o projeto de edificações com melhor desempenho térmico.

Algumas destas normas são obrigatórias e outras voluntárias.

As normas mais difundidas internacionalmente, e que serviram de base

para várias outras, foram desenvolvidas pela ASHRAE – Sociedade Americana

de Aquecimento, Refrigeração e Engenharia de Condicionamento de Ar – nos

Estados Unidos. A norma ANSI, ASHRAE e IESNA (2001), número 90.1, tem

como proposta principal estabelecer requisitos mínimos para projeto de

edifícios eficientes energeticamente, porém não se aplica a edifícios

residenciais de pequeno porte. Já a norma ANSI e ASHRAE (2001), número

90.2, estabelece requisitos mínimos para eficiência energética em projetos

especificamente de edifícios residenciais.

Akutsu e Vittorino (1997) destacam que estas normas ASHRAE da

série 90, e também as da série 100, apresentam exigências de isolamento

térmico de vedações, dutos e tubulações, estanqueidade ao ar de caixilhos,

eficiência energética dos equipamentos de iluminação, bombas de água,

ventiladores, chillers e caldeiras, visando o projeto de edifícios de alto

desempenho energético. Tais normas ainda incentivam a realização de

análises utilizando programas de simulação detalhada, em bases horárias, para

anos típicos de referência.

Estes requisitos para projetos de edifícios eficientes recomendados

pela ASHRAE são indicados com base na manutenção das condições mínimas

de conforto térmico descritas na ASHRAE Standard 55 (ANSI; ASHRAE, 2004)

e no capítulo 8 da ASHRAE Handbook – Fundamentals (ASHRAE, 2005a).

Elas indicam uma zona de conforto, definida em uma escala de condições

climáticas, dentro da qual 80% das pessoas consideraria o ambiente aceitável

termicamente, ou seja, não sentiria desconforto térmico, nem por calor nem por

frio. Assim, os edifícios deveriam ser capazes de proporcionar um ambiente

interno dentro das condições indicadas na zona de conforto.

As condições de conforto estabelecidas pela ASHRAE (2005a) são

para pessoas em atividade sedentária ou leve, sendo na situação de verão

(calor) considerado o isolamento da vestimenta de 0,5 clo, e no inverno (frio)

considerada uma vestimenta com 0,9 clo. Entendendo que a umidade e a

velocidade do ar são fatores também determinantes na situação de conforto do

usuário, a norma estabelece limites para essas variáveis. Para a umidade

relativa do ar indica-se que o ideal é manter um valor de no máximo 60%, e

para a velocidade do ar o valor máximo aceitável é 0,8 m/s. Nessas condições,

os limites estabelecidos pela ASHRAE (2005a) para a zona de conforto são

demarcados em uma carta psicrométrica, como mostrado na Figura 2.1,

indicando as seguintes temperaturas ideais aproximadamente:

• no verão: de 23°C a 27°C;

• no inverno: de 20,5°C a 24,5°C.

Ao longo dos anos, a zona de conforto da ASHRAE já sofreu algumas

alterações, porém os limites de temperatura de conforto continuam

aproximadamente os mesmos desde pelo menos o início da década de

noventa. A respeito dessa norma, Givoni (1992) avaliou que tais valores só

seriam bem aplicados para edifícios condicionados artificialmente, e, portanto,

não deveriam ser utilizados como critério de avaliação do desempenho térmico

de edifícios não condicionados. Ele considera ainda que os limites máximos de

umidade e velocidade do ar determinados pela ASHRAE não são aplicáveis a

locais com clima quente e úmido, já que as pessoas passariam por um

processo de aclimatação.

Figura 2.1 – Zonas de conforto de verão e inverno da ASHRAE.

Fonte: ASHRAE (2005a)

Segundo a ASHRAE, as pessoas não conseguem se adaptar ao clima,

não sendo possível a preferência por ambientes mais frios ou mais quentes.

Portanto, as mesmas condições de conforto poderiam ser aplicadas em todo o

mundo, dependendo apenas da variação das vestimentas utilizadas e das

atividades realizadas (ASHRAE, 2005a). Porém, Givoni (1992) defende ser

razoável assumir que pessoas em países quentes em desenvolvimento,

vivendo a maior parte do tempo em edifícios sem condicionamento, são

aclimatadas e conseguem tolerar temperaturas mais altas e maior umidade.

Segundo ele, o limite aceitável de velocidade do ar de 0,8 m/s estabelecido

pela ASHRAE, pode ser aumentado no caso de edifícios residenciais

naturalmente ventilados. Uma alteração na velocidade do ar de 0,1 m/s para

1,5 m/s possibilitaria um aumento de mais de 2°C na temperatura máxima de

conforto.

Com base nisso, Givoni (1992) estabelece uma zona de conforto

adaptada para países quentes e úmidos, também delimitada em uma carta

psicrométrica, apresentada na Figura 2.2. Os valores indicados por Givoni para

os limites de temperatura de conforto nesses países, e que, portanto, deveriam

ser utilizados como critério de avaliação do desempenho térmico de seus

edifícios, são:

• no verão: de 20°C a 29°C;

• no inverno: de 18°C a 27°C.

Figura 2.2 – Zona de Conforto de Givoni adaptada para climas quentes.

Fonte: Adaptado de Givoni (1992)

Essas discussões a respeito de uma possível aclimatação do indivíduo

a determinadas condições do ambiente levaram a ASHRAE a patrocinar um

estudo sobre adaptação térmica. Esse estudo, desenvolvido por De Dear e

Brager (1998; 2002), baseou-se no entendimento de uma dimensão psicológica

na adaptação, importante em contextos onde a interação da pessoa com o

ambiente, e suas diversas experiências térmicas, podem alterar suas

expectativas e, conseqüentemente, sua sensação e satisfação térmica. Um dos

contextos onde isso é verificado é em edifícios naturalmente ventilados (DE

DEAR; BRAGER, 2002).

Um banco de dados foi criado pela ASHRAE com informações de

edifícios e seus usuários, reunindo aproximadamente 21.000 conjuntos de

dados, de cinco continentes. Esses edifícios foram separados em dois grupos:

naturalmente ventilados, e com controle central de aquecimento, ventilação e

sistema de condicionamento do ar (HVAC). Baseada nesse banco de dados, a

pesquisa de De Dear e Brager (2002) chegou à conclusão de que o método de

avaliação de conforto utilizado pela ASHRAE era adequado apenas no caso

dos edifícios com condicionamento artificial do ar (HVAC). Assim, para o caso

dos edifícios naturalmente ventilados, os pesquisadores desenvolveram um

novo método, chamado de adaptativo, com novos limites para uma zona de

conforto.

O método adaptativo foi incluído na ASHRAE Standard 55 (ANSI;

ASHRAE, 2004) com o nome de Método Opcional para Determinação das

Condições Térmicas Aceitáveis em Espaços Naturalmente Condicionados.

Nele não há limitações para os valores de umidade e velocidade do ar. A faixa

de temperatura de conforto é relacionada apenas com o valor da média mensal

de temperatura externa do ar, e chega a variar de 17°C a 31°C, conforme a

Figura 2.3.

Figura 2.3 – Método adaptativo – zona de conforto para edifícios naturalmente

ventilados.

Fonte: ASHRAE (2004) e De Dear e Brager (2002)

2.1.2. Métodos Brasileiros

Desde a década de 1980, vários pesquisadores brasileiros têm

discutido o desenvolvimento e a implantação de um método de avaliação do

desempenho térmico de edificações para o Brasil. Na década de 1990, Akutsu

e Vittorino (1997) apontavam que os métodos tradicionais de avaliação,

baseados em análises de situações em regime permanente de trocas térmicas

e que fixam valores limites para a resistência térmica da envoltória, são

próprios de países de clima temperado ou frio (países onde as condições

climáticas apresentam características que permitem uma grande simplificação

dos modelos matemáticos). Para eles, no Brasil, seria preciso adotar novos

procedimentos, levando em conta o caráter dinâmico das trocas térmicas que

ocorrem nas edificações.

Akutsu e Vittorino (1997) entendem que, nos países de clima quente, a

ventilação e a radiação solar exercem grande influência no desempenho

térmico das edificações, principalmente das não condicionadas, e, portanto,

estes elementos devem receber maior atenção nos métodos de avaliação do

desempenho. Eles indicam que, nesses casos, o parâmetro de avaliação não

deveria ser o consumo de energia e sim o conforto térmico dos ocupantes,

tendo como variáveis de análise a temperatura, velocidade e umidade do ar e a

temperatura radiante média do ambiente.

Uma das normas em vigor no Brasil, referente a este assunto, é a NBR

15220, sobre desempenho térmico de edificações (ABNT, 2005a). Ela possui

cinco partes que descrevem a respeito de métodos de cálculo e de medição de

propriedades térmicas dos componentes construtivos das edificações, definem

um zoneamento bioclimático brasileiro e indicam diretrizes construtivas para

habitações unifamiliares de interesse social. Existe ainda a NBR 15575, em

vigor desde 2008, chamada de Edificações habitacionais de até cinco

pavimentos – Desempenho (ABNT, 2008), que, principalmente em sua Parte 1,

estabelece requisitos mínimos de desempenho térmico, entre outros fatores.

Além destas normas, outros métodos de avaliação de desempenho térmico de

edificações foram estudados por pesquisadores brasileiros. Destaca-se aqui a

proposta da tese de doutorado de Barbosa (1997), revisada por Barbosa et al.

(2003). Dentre os métodos desenvolvidos no Brasil, pode-se identificar dois

tipos básicos de avaliação de desempenho térmico de edificações residenciais:

avaliação por prescrição e por desempenho.

A Parte 3 da NBR 15220 – Desempenho térmico de edificações (ABNT,

2005c) apresenta recomendações quanto ao desempenho térmico de

habitações unifamiliares de interesse social aplicáveis na fase de projeto. A

partir dela, é possível realizar uma avaliação por prescrição, verificando-se o

cumprimento de determinados limites estabelecidos para as propriedades

térmicas dos componentes construtivos, e de algumas recomendações de

estratégias de condicionamento térmico passivo (ventilação cruzada,

resfriamento evaporativo, massa térmica, etc.). Tais recomendações são

especificadas segundo um Zoneamento Bioclimático Brasileiro e uma Carta

Bioclimática adaptada, estabelecidos pela norma. Nesse método, as paredes e

coberturas são caracterizadas termicamente a partir dos valores de resistência

térmica dos seus componentes.

A NBR 15575 – Edificações habitacionais de até cinco pavimentos –

Desempenho (ABNT, 2008), e também o método proposto por Barbosa (1997),

utilizam um sistema de avaliação por desempenho.

O NBR 15575 (ABNT, 2008), além de reafirmar as indicações da NBR

15220, utiliza como critério de avaliação de desempenho térmico a

determinação de valores limites de temperatura do ar no interior da edificação,

para verão e inverno. Estes limites variam em uma escala de classificação do

desempenho em mínimo (M), intermediário (I) e superior (S), e também variam

segundo as zonas bioclimáticas. As temperaturas máximas estabelecidas para

o verão e mínimas para o inverno são apresentadas na Tabela 2.1.

Tabela 2.1– Critérios de avaliação de desempenho térmico proposto em ABNT, 2008.

Critério

Nível de

desempenho

Zonas bioclimáticas 1 a 7 Zona bioclimática 8

i,max

≤ T

e,max

i,max

≤ (T

e,max

– 2°C) T

i,max

≤ (T

e,max

– 1°C)

VERÃO

i,max

≤ (T

e,max

– 4°C)

i,max

≤ (T

e,max

– 2°C) e

i,min

≤ ( T

e,min

+ 1°C)

Critério

Nível de

desempenho

Zonas bioclimáticas 1 a 5 Zonas bioclimáticas 6 a 8

i,min

≥ (T

e,min

+ 3

i,min

≥ (T

e,min

+ 5

INVERNO

i,min

≥ (T

e,min

+ 7

Dispensa verificação

i,max

é o valor máximo diário da temperatura do ar no interior da edificação [°C];

e,max

é o valor máximo diário da temperatura do ar exterior à edificação [°C];

i,min

é o valor mínimo diário da temperatura do ar no interior da edificação [°C];

e,min

é o valor mínimo diário da temperatura do ar exterior à edificação [°C];

NOTA – Zonas bioclimáticas de acordo com a ABNT - NBR 15220/3.

É relevante verificar que os valores máximos de temperatura do ar são

considerados, em todos os casos nesse projeto de norma, sem a presença de

fontes internas de calor (ocupantes, lâmpadas, outros equipamentos em geral),

o que afasta esta verificação do caso real, de uma edificação ocupada e em

uso. Não há comentários sobre ventilação natural, nem limites de temperatura

diferenciados para edifícios naturalmente ventilados ou com condicionamento

artificial.

No método de Barbosa (1997), a avaliação é realizada com a

simulação de qualquer sistema construtivo, comparando-se as horas de

desconforto anual, quantificadas após a simulação, com um limite aceitável de

horas de desconforto anual estabelecido para o local ou região. As horas de

desconforto são calculadas com base na zona de conforto térmico delimitada

por Givoni (1992), para países de clima quente e em desenvolvimento, que

recomenda temperaturas internas variando de 18°C a 29°C. O parâmetro

adotado como critério de avaliação é o total de horas por ano em que as

temperaturas internas obtidas por simulação ou monitoramento apresentam-se

fora dos limites de temperatura da zona de conforto de Givoni (BARBOSA et

al., 2003).

Na proposta de Barbosa (1997) seria considerada com desempenho

térmico satisfatório a edificação que não ultrapassasse 1.000 horas de

desconforto anuais em seu interior. Já na proposta mais recente de Barbosa et

al. (2003), sugere-se que uma edificação seja considerada com bom

desempenho térmico quando apresentar um máximo de 20% de horas anuais

de desconforto, que equivale a 1.752 horas ao ano.

2.2. Estudo do Desempenho Térmico do Envelope Sem

Considerar a Ventilação Natural

Vários pesquisadores destacam a importância do uso de estratégias

passivas de condicionamento, sendo a especificação do envelope do edifício

uma das mais citadas e estudadas. Manioglu e Yilmaz (2006), por exemplo,

afirmam que o envelope do edifício é o parâmetro mais importante no

condicionamento passivo. Eles consideram que a envoltória do edifício é o

principal determinante do clima interno, responsável pelos fluxos de calor em

seu interior, e, portanto, fator determinante do seu desempenho térmico.

Yilmaz (2007) reafirma esta idéia dizendo que dentre todos os

parâmetros que afetam o conforto térmico e a conservação de energia nas

edificações, entre eles a orientação do edifício, distância entre edifícios, forma

do edifício e propriedades termo-físicas do envelope do edifício, este último

parâmetro é o mais importante. Isto porque o envelope é o responsável por

separar o ambiente externo do interno.

Porém, verifica-se nestas pesquisas, e em outras pesquisas sobre o

assunto (CHENG et al., 2005; GHISI; MASSIGNANI, 2007; KRÜGER, 2003;

WONG; LI, 2007), que o envelope é analisado sem considerar as influências de

usuários e da ventilação natural, e, portanto, sem verificar as possíveis

alterações que estes fatores causariam no desempenho do envelope.

Em artigo sobre desempenho térmico de edificações na Turquia,

Yilmaz (2007) descreve a simulação de um ambiente de um edifício residencial,

com duas alternativas de tipos de parede, comparando seu desempenho em

duas situações climáticas existentes no país, nomeadas como clima

temperado-úmido e clima quente-seco. O ambiente analisado localiza-se em

um andar intermediário do edifício, e então assume-se que não haja fluxos de

calor através do piso e do teto. Na descrição destas simulações, o pesquisador

não cita a inclusão de ventilação ou de usuários, e nenhuma das conclusões

apresentadas destaca a influência destes fatores.

No artigo de Manioglu e Yilmaz (2006) analisa-se também o

desempenho térmico do envelope de uma edificação na Turquia através da

simulação computacional. O edifício simulado é de uma escola primária, na

cidade de Istambul, que possui clima temperado-úmido. Os autores consideram

que, em alguns casos, não é possível manter o conforto térmico apenas com o

condicionamento passivo, sendo necessário o condicionamento artificial em um

período específico do ano.

A pesquisa procura, então, a combinação entre características do

envelope e período de operação do sistema artificial de condicionamento que

propiciem maior economia e eficiência energética. Nas variações de

características do envelope, Manioglu e Yilmaz (2006) estudaram apenas

diferentes opções para as paredes externas (cinco casos), mantendo sempre o

mesmo detalhe de piso e cobertura. Estas simulações consideraram o ganho

de calor por cargas internas de iluminação e usuários, porém não foi

considerado o efeito das paredes internas e do piso, e excluiu-se totalmente o

uso da ventilação natural.

Wong e Li (2007) pesquisaram a aplicação de estratégias passivas de

condicionamento em edifícios residenciais em Cingapura, que possui clima

quente e úmido. Em tal pesquisa, uma das investigações foi a respeito da

influência da fachada do edifício (materiais e construção) em seu desempenho.

Utilizando o programa de simulação chamado Thermal Analysis Software

(TAS), eles modelaram um edifício residencial e variaram a espessura das

paredes leste e oeste. Com isso, os pesquisadores observaram que as paredes

com maior espessura proporcionaram um maior atraso térmico e resultaram em

uma diminuição de 6,9 a 9,7% na carga para resfriamento do ambiente.

Concluíram, assim, que estava comprovada a eficiência da otimização da

fachada. Porém, nestas simulações, Wong e Li (2007) não adotaram valores de

ganhos internos de calor, ou seja, foi desconsiderada a existência de

equipamentos e usuários; e, apesar de destacarem que o estudo era a respeito

de edifícios naturalmente ventilados, não há informações sobre o uso da

ventilação natural nessas simulações computacionais.

A pesquisa apresentada por Cheng et al. (2005) estuda a influência da

cor e da massa térmica do envelope no desempenho térmico de edificações.

Ela foi conduzida na cidade de Hong Kong, China, que possui clima quente e

úmido. Os autores reconhecem que o efeito da cor do envelope no

desempenho térmico do edifício depende de vários parâmetros, como a

composição da parede, a orientação solar e os diferentes modos de ventilação.

Porém, em seus experimentos, analisam a influência apenas dos dois primeiros

parâmetros citados.

Os experimentos de Cheng et al. (2005) foram realizados com o

monitoramento de protótipos construídos e colocados na cobertura de um

edifício, sendo dois protótipos pequenos (1,0m x 1,0m x 1,0m) e idênticos, para

estudo do efeito da cor, e um outro, maior (1,5m x 1,5m x 1,5m), com quatro

espaços internos, para estudo do efeito da orientação. Os dois protótipos

menores foram pintados, um com cor clara (absortividade = 0,25) e o outro com

cor escura (absortividade = 0,80). Além disso, em um dos experimentos, esses

protótipos tiveram a massa térmica de seu envelope aumentada, pela

colocação de uma camada de tijolos de concreto na face interna das paredes.

Dessa forma, Cheng et al. (2005) analisaram o efeito da cor no caso

das paredes leves e das paredes com maior massa térmica, e também o efeito

da variação da massa térmica em diferentes orientações solares. Os resultados

indicaram que a influência da cor do envelope no desempenho dos protótipos

variou de acordo com a radiação solar global e com a massa térmica do

envelope. Quanto maiores os valores de radiação e quanto menor a massa

térmica, maior foi a influência da cor no desempenho do protótipo. Uma das

conclusões destes pesquisadores foi que o uso de envelopes com cores claras

é uma das formas mais simples, efetivas e econômicas de reduzir a

temperatura interna das edificações em climas quentes e úmidos. Em todos

estes estudos, os protótipos permaneceram fechados, sem influência da

ventilação em seu interior. Portanto, as conclusões obtidas são mais

significativas para o caso de edificações sem ventilação natural.

No Brasil, Ghisi e Massignani (2007) desenvolveram pesquisa a

respeito do desempenho térmico de um edifício residencial na cidade de

Florianópolis, com clima quente e úmido. Foram comparados os desempenhos

térmicos de oito quartos, em diferentes andares e diferentes orientações, em

um edifício ainda desocupado. Como os quartos apresentavam paredes de

diferentes espessuras, algumas propriedades térmicas destas paredes

(transmitância térmica, capacidade térmica, atraso térmico) foram calculadas

para permitir uma melhor comparação entre eles. Os valores de temperatura do

ar e umidade relativa do ar foram monitorados e registrados por equipamentos

data loggers, e os quartos foram analisados a partir destes valores.

A principal conclusão destes pesquisadores foi que o desempenho

térmico da edificação residencial em Florianópolis durante o verão, pode ser

melhorado se os valores de transmitância térmica dos componentes da

fachada, bem como a área de fachada, forem diminuídos. Quanto menor a área

de fachada e a transmitância do envelope, melhor o desempenho térmico do

edifício no verão. Para o inverno, o desempenho térmico é melhorado quanto

maiores os valores de capacidade térmica e atraso térmico. Porém, por tratar-

se de um edifício desocupado, as medições de Ghisi e Massignani (2007) não

sofreram influência de cargas térmicas internas (de usuários, iluminação e

equipamentos) ou de qualquer tipo de ventilação. Sendo assim, as conclusões

obtidas nesta pesquisa não devem ser estendidas aos casos de edifícios

ocupados e ventilados.

Também no Brasil, Krüger (2003) realizou uma avaliação de

desempenho térmico de um protótipo habitacional. Trata-se de um protótipo de

aproximadamente 15m² de área interna, construído com um material alternativo

chamado bloco ISOPET, um compósito que reaproveita isopor e garrafas

plásticas. Foram monitoradas a temperatura e a umidade relativa do ar,

internas e externas, através de aparelhos data loggers, em um período de

verão e um de inverno.

Krüger (2003) esclarece que durante todo o tempo de monitoramento

(nos dois períodos), o protótipo permaneceu com as janelas sombreadas e sem

qualquer tipo de ventilação. Seus resultados indicam que o envelope propiciou

um amortecimento nos valores de pico de temperatura do ar, tanto mínimos

como máximos. A partir de uma avaliação do desempenho térmico do

protótipo, utilizando o método de somatória de graus-dia, o autor afirma que

houve uma diminuição no desconforto em relação ao ambiente externo. Porém,

com essa pesquisa, não é possível saber qual seria o desempenho do protótipo

em uma situação real, com ventilação e ocupação de usuários.

Dornelles e Roriz (2005) realizaram pesquisa sobre a influência da

inércia térmica da envoltória de edificações na variação de suas temperaturas

internas, para a cidade de São Carlos, que possui clima quente e úmido no

verão, e frio e seco no inverno. Para isso, foram monitorados três ambientes,

de três edificações, com diferentes características construtivas, utilizando

aparelhos do tipo hobo, que registraram valores de temperatura do ar. As

medições ocorreram sempre com os ambientes fechados e sem ocupação.

Cada um dos ambientes apresentava diferente valor de inércia térmica, sendo

um com média, um com alta e o outro com baixa inércia térmica.

As edificações estudadas por Dornelles e Roriz (2005) foram

monitoradas em diferentes dias, e por isso, para serem avaliadas

comparativamente, calculou-se uma relação entre temperatura interna e

externa, chamada Fator de Variação da Temperatura Interna (FTIh). A partir

deste dado, estimaram-se as temperaturas que ocorreriam internamente se

todos os ambientes estivessem submetidos ao mesmo clima externo, em um

dia típico de verão e um de inverno. Nesses dias foram calculados graus-hora

de desconforto por frio e calor, comparando os três ambientes.

Os resultados apresentados por Dornelles e Roriz (2005) demonstram

que, nesses casos estudados, o melhor desempenho foi obtido pelo ambiente

com média inércia térmica. O ambiente com alta inércia obteve o melhor

desempenho no verão, porém o pior no inverno. Os autores acreditam que, nos

meses frios, o desempenho de edificações com alta inércia térmica poderia ser

melhorado combinando-o com aquecimento solar passivo e ventilação seletiva.

Porém, não foram realizados experimentos para verificação disto, e portanto,

não há informações sobre como a ventilação poderia ter alterado tais

resultados.

2.3. Estudo do Desempenho Térmico do Envelope

Considerando a Ventilação Natural

Verifica-se que faltam informações sobre o desempenho térmico do

envelope de edificações sob a influência da ventilação natural e da ocupação

dos usuários. Essa é uma importante discussão, principalmente no caso do

Brasil, já que grande parte dos edifícios, especialmente os residenciais, não

possui condicionamento artificial, e utiliza prioritariamente a ventilação natural.

Esta influência pode ser percebida na pesquisa de Liping e Hien

(2007), realizada em edifícios habitacionais em Singapura (clima quente e

úmido). Os pesquisadores entendem que o projeto de fachadas considerando

as propriedades térmicas dos materiais de construção, tamanho das aberturas,

proteções solares, orientação solar e estratégias de ventilação, pode

proporcionar um melhor conforto térmico com um mínimo consumo energético.

Eles ressaltam que muitas pesquisas investigam o impacto da fachada no

consumo de energia em edifícios com ventilação artificial, mas que ainda é

deficiente o estudo da fachada em edifícios naturalmente ventilados.

Nesse estudo, Liping e Hien (2007) investigam quatro estratégias de

ventilação, combinadas com diferentes opções de materiais de construção no

envelope, para edifícios naturalmente ventilados em Singapura, através do

programa de simulação Thermal Analysis Software (TAS). As estratégias de

ventilação avaliadas foram: ventilação diurna, ventilação noturna, ventilação

diurna e noturna, e sem ventilação. Quanto ao envelope do edifício, foram

testadas 14 opções de materiais de vedação, com diferentes valores de

condutância térmica

(W/m

K) e inércia térmica (horas).

Taxa de fluxo de calor através de uma unidade de área de material, de uma das faces do

material até a outra, para uma unidade de diferença de temperatura entre as duas faces, em

condição de estado de equilíbrio. É igual ao inverso da resistência térmica de superfície a

superfície do material.

Alguns dos principais resultados do estudo de Liping e Hien (2007), são

que as propriedades dos materiais do envelope não geram impactos

importantes no desempenho térmico do edifício quando estes são ventilados

naturalmente, principalmente nos casos da ventilação diurna e da ventilação

constante diurna e noturna. A condutância térmica do envelope possui

influência considerável no desempenho do edifício apenas quando este não é

ventilado, e a massa térmica do envelope é mais importante para o caso da

ventilação noturna.

Outras verificações interessantes podem ser realizadas a partir da

pesquisa de Özdeniz e Hançer (2005), que compara o desempenho térmico de

14 tipos de cobertura, verificando sua adequação para climas quentes. A

pesquisa ocorreu na cidade de Gazimağusa, no Chipre, em coberturas com

dimensões de aproximadamente 2m X 2m. Através de equipamentos data

loggers, foram medidos e registrados os valores de temperaturas superficiais

internas, temperaturas do ar, e umidades relativas do ar, durante o período de

um ano. Estas medições ocorreram com as edificações em duas situações:

condicionada artificialmente durante todo o ano, e não condicionada. Nesse

segundo caso, as edificações eram naturalmente ventiladas durante o verão.

Com estes dados, Özdeniz e Hançer (2005) calcularam as horas de

conforto térmico durante o ano monitorado (quando o PMV calculado ficava

entre -0,5 e +0,5), para cada tipo de cobertura, nas duas situações de

condicionamento. Os resultados demonstraram que quando a edificação era

condicionada artificialmente, o tipo de cobertura exercia influência considerável

no conforto. Nessa situação, dependendo da cobertura, as horas de conforto

variaram de 73% do total de horas do ano no pior caso, até 91% no melhor

caso, propiciando uma diferença de 18%. Já na situação em que a edificação

não possuía condicionamento artificial, as horas de conforto variaram de 9%

das horas do ano no pior caso, até 11% no melhor caso, ou seja, uma

diferença de apenas 2%. Entre outras coisas, os autores concluíram que em

edifícios sem condicionamento do ar, é pequena a diferença entre os

desempenhos de diferentes coberturas.

No Brasil, recentemente, Matos (2007) realizou pesquisa com o

objetivo de simular a ventilação natural para um modelo de residência

unifamiliar, e verificar seu desempenho térmico para diferentes tipos de

envelope. As simulações foram realizadas para a cidade de Florianópolis – SC.

Modelou-se um caso base e então foram estudadas diferentes opções de área

de abertura de ventilação e iluminação, sombreamento de aberturas,

orientação da edificação, valores de absortância e transmitância das paredes e

cobertura, e estratégias de ventilação. A maior parte dessas variações não foi

simulada de forma combinada, e sim individualmente. Seis tipos de parede e

quatro tipos de cobertura foram simulados a partir do caso base, que possuía

ventilação diurna, sendo as janelas abertas entre 7h e 22h no verão e

primavera, 7h e 18h no outono, e fechadas no inverno. As análises mostradas

são para um quarto e para a sala da residência, com base em quantidade de

graus-hora de desconforto.

Os resultados de Matos (2007) indicaram que as transmitâncias do

envelope tiveram maior influência nas situações de maior desconforto, que

eram o inverno para o quarto, e o verão para a sala. Nas outras situações

(verão para o quarto, e inverno para a sala), as alterações praticamente não

influenciaram o desempenho térmico do cômodo.

2.4. Avaliação de Desempenho Térmico Utilizando

Simulação Computacional

As diversas ferramentas computacionais de simulação são importantes

instrumentos para verificação e análise de edifícios em relação ao seu

comportamento tanto energético quanto térmico, acústico e de iluminação,

entre outros. Segundo Mendes et al. (2005), através dos programas de

simulação é possível avaliar o desempenho térmico e energético de edificações

para diferentes alternativas de projeto, sejam elas opções do desenho

arquitetônico, componentes construtivos, sistemas de iluminação ou sistemas

de condicionamento de ar.

Vários países, nas últimas décadas, têm realizado pesquisas na área e

desenvolvido diferentes programas na busca por edifícios mais eficientes. O

Departamento de Energia dos Estados Unidos tem disponível na Internet

(DOE, 2007a) uma lista com 344 programas de simulação de edificações, para

análises de eficiência energética, energias renováveis e sustentabilidade em

edifícios.

O programa francês COMFIE (Calcul d’Ouvrages Multizones Fixé à une

Interface Experte), por exemplo, utilizado por Krüger e Givoni (2004), é capaz

de realizar simulações horárias de edifícios, estimando consumo energético e

variações de temperatura. Outro programa, chamado TAS (Thermal Analysis

Software), utilizado por Wong e Li (2006) e por Liping e Hien (2007), também

realiza simulações térmicas e energéticas de edifícios, a fim de otimizar seu

desempenho ambiental, energético e de conforto.

Um dos programas de simulação de edificações mais utilizados no

mundo é o EnergyPlus, desenvolvido pelo Departamento de Energia dos

Estados Unidos. Ele foi desenvolvido para estimar trocas térmicas, índices de

iluminação e consumo energético de edifícios, a partir da modelagem física do

edifício e seus sistemas de ventilação, iluminação, aquecimento e resfriamento.

Além disso, as versões mais recentes do programa incluem inovações nas

simulações, como a possibilidade de adicionar ventilação natural, usos de

água, sistemas fotovoltaicos, índices de conforto térmico, entre outros (DOE,

2007b).

O EnergyPlus realiza simulações para o clima do local de interesse do

usuário, a partir de um arquivo climático com dados horários. Ele calcula

temperaturas internas e trocas de calor em edifícios não condicionados

artificialmente, ou, no caso de edifícios com condicionamento artificial, calcula

cargas de aquecimento e resfriamento necessárias para manter a temperatura

em uma faixa de conforto, verificando também o consumo de energia

resultante. O programa permite a análise das cargas térmicas provenientes dos

componentes construtivos, de equipamentos existentes no ambiente, do

sistema de iluminação, de usuários e das trocas de ar.

No Brasil, ainda são poucos os profissionais de engenharia e

arquitetura que utilizam tais programas como ferramenta de trabalho. As

principais causas disto são a complexidade dos programas e a conseqüente

dificuldade e demora no aprendizado pelos usuários. Westphal e Lamberts

(2005) destacam que a complexidade dos fenômenos envolvendo o

comportamento térmico de edifícios implica em uma grande quantidade de

dados de entrada nas simulações, o que requer conhecimentos

multidisciplinares dos usuários.

As principais dificuldades na modelagem das simulações costumam

ocorrer na definição dos padrões de uso e das trocas de ar da edificação. Estes

padrões de uso dizem respeito à inclusão de pessoas no modelo, uso de

iluminação e equipamentos, e ainda ao padrão de abertura de janelas, portas e

persianas. O problema encontra-se no momento de estimar o tempo e horários

de uso, ao longo do dia, semana e meses do ano. A inclusão desses fatores é

de grande importância, principalmente tratando-se de edificações residenciais,

pois eles influenciam diretamente nas trocas de calor do edifício. A sua

desconsideração, afasta a simulação da situação real de uma residência.

Com relação às trocas de ar, a simulação pode incluir infiltração e

ventilação. A infiltração trata dos fluxos de ar que penetram no edifício sem a

intenção do usuário, geralmente através de frestas ou de rápidas aberturas e

fechamentos de portas externas. A ventilação, que pode ser natural ou artificial,

trata dos fluxos de ar provocados intencionalmente pela abertura de janelas e

portas (ventilação natural), ou pelo acionamento de equipamentos mecânicos

como ventiladores e exaustores (ventilação artificial). A dificuldade na definição

desses parâmetros tem provocado a sua desconsideração em muitas

simulações, ou ainda a adoção de valores constantes para todo o ano.

Mesmo com tais dificuldades, as simulações têm sido de grande valia

para análises termo-energéticas de edificações. Com base em uma pesquisa

sobre desempenho térmico de diferentes coberturas utilizando a simulação

computacional, Batista et al. (2005) concluíram que programas como o

EnergyPlus são ferramentas valiosas para o projetista, exigindo, contudo, um

conhecimento aprofundado a respeito das diversas variáveis envolvidas no

balanço térmico de uma edificação. Isso é necessário para assegurar a correta

interpretação dos dados das simulações, auxiliando em sua posterior aplicação

no projeto de edificações energeticamente eficientes e capazes de garantir a

satisfação dos seus usuários.

Grings e Beyer (2003) realizaram um estudo verificando a

confiabilidade de dados do comportamento térmico de uma edificação, obtidos

através de simulação computacional. O trabalho comparou valores de

temperatura do ar e de carga térmica, obtidos em medições no ambiente real,

com valores obtidos por simulação computacional, pelo programa EnergyPlus.

A maior dificuldade relatada pelos pesquisadores foi a determinação da taxa de

infiltração do ar. Ao final do estudo, eles consideraram que houve uma boa

correlação entre os valores medidos e simulados.

2.5. Considerações Finais

Esta revisão bibliográfica procurou apresentar informações referentes à

análise do desempenho térmico de edificações, de forma a embasar o presente

trabalho. Foram apresentados métodos de análise utilizados por diferentes

pesquisadores, em alguns lugares do mundo, incluindo o Brasil.

Grande parte dos trabalhos utiliza como principal critério, para análise

do desempenho térmico, o número de horas de desconforto ou o número de

graus-hora de desconforto, calculado a partir do total de horas por ano em que

as temperaturas internas do ambiente estudado apresentam-se fora de limites

de temperatura determinados como confortáveis. Existem, entretanto,

divergências quanto à determinação de quais seriam tais limites de

temperatura de conforto. Estudos recentes indicam que edificações em climas

quentes e/ou naturalmente ventiladas devem utilizar diferentes limites de

conforto em relação àquelas em climas frios ou com condicionamento artificial.

As pesquisas descritas demonstram também um crescente interesse

em entender o papel do envelope no desempenho térmico das edificações,

mas percebe-se um pequeno número de trabalhos que estuda as edificações

ventiladas naturalmente, inclusive no Brasil. Os resultados obtidos nas

pesquisas que não incluíram a ventilação natural, apontam o envelope como

um importante fator na determinação do desempenho térmico da edificação.

Modificações nas características da envoltória provocaram alterações

consideráveis no desempenho do edifício. Já nas pesquisas que incluíam a

ventilação natural, modificações no envelope provocaram pequenas, ou quase

nenhuma, alterações no desempenho térmico da edificação.

As pesquisas utilizando simulação computacional indicam que essa é

uma importante ferramenta para análises de desempenho térmico, contanto

que o pesquisador tenha o domínio do programa. Porém deve-se destacar que

as ferramentas computacionais têm limitações, como por exemplo na

determinação da velocidade interna do ar.

íí

MÉTODO

O método aqui proposto compreende o estudo do desempenho térmico

do envelope de uma edificação residencial unifamiliar, tanto através do estudo

em campo, quanto da simulação computacional. Ele consiste, portanto, de

duas etapas principais:

1. Estudo e monitoramento de uma edificação real, através da

caracterização dos materiais e componentes do seu envelope, e de medições

de temperaturas do ar. Este monitoramento ocorreu em quatro períodos do

ano, e os valores obtidos nessas medições foram utilizados para calibrar um

modelo base de simulação computacional.

2. Utilização de simulação computacional para analisar o desempenho

térmico do modelo da edificação com diferentes variações de propriedades

térmicas no envelope, verificando a influência do envelope no desempenho.

Nas simulações, a edificação foi modelada com e sem ventilação natural e

usuários.

3.1. Monitoramento da Edificação

3.1.1. Descrição da Edificação Monitorada

A edificação estudada e monitorada é uma residência unifamiliar

construída na cidade de Florianópolis, em uma parceria entre a Eletrosul, a

Eletrobrás e o Laboratório de Eficiência Energética em Edificações (LabEEE)

da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Denominada como “Casa

Eficiente”, sua construção foi resultado de uma pesquisa a respeito de

tecnologias e estratégias para obtenção de eficiência energética e conforto

ambiental em edificações residenciais. Seu objetivo é a disseminação dos

conceitos de eficiência energética, adequação climática e uso racional da água,

não só para a comunidade acadêmica, mas também para os profissionais que

atuam no mercado da construção civil. O projeto arquitetônico foi desenvolvido

pelas arquitetas Alexandra Albuquerque Maciel e Suely Ferraz de Andrade.

Essa casa funciona em regimes quinzenais alternados para realização

de pesquisas (como um laboratório de estudo) e para visitação pública

(divulgação das estratégias e tecnologias incorporadas ao seu projeto). Ela foi

escolhida para este estudo pois, nos períodos em que fica destinada à

pesquisa, há a possibilidade de controle total da ocupação e manipulação das

aberturas. Além disso, foi escolhida por possuir aberturas em fachadas

opostas, favorecendo a ventilação cruzada, que é fator importante nesta

pesquisa. A residência está localizada no bairro Pantanal (Figura 3.1), no pátio

da sede da Eletrosul, ao lado do campus da UFSC, conforme a indicação da

Figura 3.2. Trata-se de uma região predominantemente residencial e com

pouca verticalização.

Figura 3.1 – Localização da residência monitorada na cidade de Florianópolis.

Esta residência possui 124 m

de área, e foi projetada e construída

com a intenção de proporcionar o máximo de conforto aos seus usuários, com

o mínimo de consumo energético, buscando alcançar um bom desempenho

térmico. Para isso, um estudo bioclimático foi realizado por seus projetistas,

permitindo a utilização de algumas estratégias de projeto, como:

• Orientação da edificação definida a partir de estudos de insolação,

permitindo o aproveitamento da radiação solar para aquecimento no inverno, e

com o sombreamento necessário das fachadas nos períodos onde esse ganho

de calor é indesejado (Figura 3.3);

• Aproveitamento da ventilação natural para resfriamento, graças ao

favorecimento da ventilação cruzada, mas evitando ventos indesejados de

velocidade muito elevada, através de dispositivos redutores de vento (Figura

3.4);

• Inércia e isolamento térmico nas paredes, esquadrias e coberturas

(Figura 3.5).

Figura 3.2 – Implantação da residência no pátio da Sede da Eletrosul.

Figura 3.3 – Planta Baixa da residência.

Figura 3.4 – Fotografias da residência – fachada Sul.

Figura 3.5 – Fotografia da residência – fachadas Norte e Oeste.

Os cortes e a planta baixa mais detalhada da edificação, com indicação

de ambientes e áreas internas, podem ser visualizados no Apêndice A. Quanto

ao envelope, a residência possui paredes duplas, de tijolos cerâmicos maciços,

com camada de manta de lã de rocha no interior, fazendo o isolamento térmico.

Apenas algumas paredes internas da residência não são duplas, possuindo

uma camada de tijolos cerâmicos maciços. O uso de inércia térmica e

isolamento térmico busca reduzir ganhos de calor nos períodos quentes, e

perdas nos períodos de frio.

Houve também uma preocupação especial com a cobertura, já que ela

é um elemento essencial nas trocas de calor de edificações térreas. Na

cobertura desta residência são utilizadas três diferentes soluções (Figura 3.6):

1. Telha cerâmica clara, camada interna de manta de lã de rocha e

isolamento refletivo, e forro de madeira: sobre o quarto de casal, corredor e

cozinha;

2. Telha metálica, camada interna de manta de lã de rocha, e forro de

madeira: sobre as salas de jantar e estar (em uma das águas do telhado está

instado o painel fotovoltaico);

3. Laje horizontal, coberta total ou parcialmente por área ajardinada –

“teto-jardim”: sobre o quarto de solteiro, banheiro e área de serviços.

Estas camadas de isolamento refletivo proporcionam uma redução dos

ganhos térmicos diurnos e das perdas noturnas. Todos os telhados (com

exceção do teto-jardim) possuem inclinação de 27°. O forro de madeira

existente em alguns cômodos possui a mesma inclinação do telhado.

As esquadrias das portas externas e de todas as janelas da casa são

de PVC, com vidros duplos, para garantir seu isolamento térmico. Elas

possuem (com exceção da porta na área de serviço) persianas externas

também de PVC, na cor branca, para permitir o sombreamento quando

desejado e a ventilação noturna.

Figura 3.6 – Planta de cobertura da residência.

3.1.2. Períodos de Monitoramento

Foram utilizados, neste trabalho, dados de monitoramento da

edificação em quatro períodos. Dois deles ocorreram durante o inverno, nos

dias 15 a 21 de agosto de 2007 e 11 a 17 de setembro de 2007. Os outros dois

ocorreram no verão, nos dias 24 a 30 de dezembro de 2007 e 07 a 13 de

janeiro de 2008. Cada um dos períodos de monitoramento teve duração de

sete dias. Esta limitação dos dias de monitoramento se deveu ao fato desta

casa funcionar tanto como laboratório de estudo e pesquisas, quanto como

ambiente para visitação e divulgação de tecnologias, restringindo a

possibilidade de manipulação das aberturas e o controle da ocupação da casa

para as medições.

Durante os períodos de agosto e dezembro a casa permaneceu com

janelas e portas externas fechadas, sem ventilação, nas 24 horas do dia, todos

os dias. Nos períodos de setembro e janeiro a casa foi monitorada aberta, com

ventilação natural, em horários determinados do dia. Apenas no período de

dezembro ela foi monitorada sem usuários.

3.1.3. Variáveis Monitoradas

Nos quatro períodos de medição, foram utilizados equipamentos Hobos

data loggers, Marca Onset Computer Corporation, modelo Hobo U12 (Figura

3.7). Eles são utilizados para medir e armazenar dados de temperatura do ar e

umidade relativa do ar. Suas especificações técnicas estão indicadas na

Tabela 3.1. Os valores armazenados foram transferidos para computador

através do programa HOBOware (Software for HOBO U-Series Data Loggers &

Devices), versão 2, para Windows.

Tabela 3.1 – Especificações técnicas do Hobo U12.

Resolução

Temperatura: 0,03°C (a 25°C)

Umidade relativa: 0,03%

Temperatura de operação De -20°C a 70°C

Faixa de medição

Temperatura: de -20°C a 70°C

Umidade: 5% a 95%

Precisão

Temperatura: ± 0,35°C, para temperatura de 0°C a 50 °C

Umidade relativa: ± 2,5%, para umidade de 10% a 90%

Figura 3.7 – Hobos U12 data logger - Onset Computer Corporation.

Com os Hobos, foram obtidos dados de temperatura do ar (bulbo seco)

e umidade relativa do ar, no interior dos ambientes da casa. Eles foram

programados para registrar os dados de 5 em 5 minutos, e, para que fossem

posteriormente utilizados em comparações com dados de simulação

computacional, foram calculadas médias horárias a partir de seus valores.

Foram utilizados seis Hobos, instalados nos seguintes cômodos da

residência: quarto de casal, quarto de solteiro, sala de jantar, sala de estar,

cozinha e banheiro. Eles foram posicionados aproximadamente no centro do

cômodo, nos pontos indicados na Figura 3.8, a 1,80 metros do piso. A altura de

medição indicada pela ISO 7726 (ISO, 1996) é de 1,10 metros acima do piso,

para captar as trocas térmicas de indivíduos em pé, porém esse

posicionamento do equipamento poderia provocar incômodos aos visitantes e

pesquisadores da casa e, portanto, não foi adotado.

Os dados obtidos nos quatro períodos de monitoramento da residência

não foram utilizados diretamente para a análise do seu desempenho. Eles

serviram como base para calibração do modelo computacional.

As variáveis ambientais externas foram obtidas pela estação

meteorológica do Laboratório de Engenharia de Processos de Conversão e

Tecnologia de Energia (LEPTEN) do Departamento de Engenharia Mecânica

da UFSC. Essa estação está localizada a aproximadamente 550 metros da

edificação estudada, e registra dados de temperatura do ar, umidade relativa

do ar, velocidade e direção do vento, pressão atmosférica e radiação solar

global, direta e difusa.

Figura 3.8 – Planta baixa da edificação com indicação dos pontos de medição da

temperatura utilizando Hobos.

3.2. Simulação Computacional

Conforme apresentado na revisão bibliográfica, diversas pesquisas

indicam a simulação computacional como uma ferramenta eficaz para análises

de desempenho térmico. Nesta pesquisa, optou-se pela utilização de

simulações pela possibilidade de estudar um determinado modelo de

edificação, variando os tipos de materiais construtivos e sua ocupação e

ventilação.

O programa escolhido foi o EnergyPlus (versão 2.2.0), por ser um dos

mais utilizados no mundo atualmente, e ter atestada, por pesquisas, a

confiabilidade do seu algoritmo no que diz respeito ao comportamento térmico

de edificações. Algumas características consideradas na escolha desse

programa foram sua possibilidade de simular a partir de um arquivo climático

com dados horários, de inserir cargas térmicas de equipamentos e usuários e

de adicionar ventilação natural.

O arquivo climático de Florianópolis utilizado nas análises finais de

desempenho térmico deste trabalho é baseado no Ano Climático de Referência

(Test Reference Year – TRY) da cidade. Este ano de referência foi definido por

Goulart et al. (1998), e está disponível em <http://www.labeee.ufsc.br>. O

arquivo climático usado na calibração do modelo, descrita a seguir, foi criado a

partir de dados meteorológicos medidos nos quatro períodos de monitoramento

da edificação.

3.2.1. Calibração do Modelo para Simulação

Pedrini (1997) afirma que as diversas variáveis que compõem um

modelo, quantificadas sob a influência de inúmeros fatores, tornam tal modelo

passível de inúmeras combinações para um mesmo caso. Essa variabilidade

implica em diferentes graus de fidelidade do modelo para com o caso real,

gerando imprecisões nos resultados.

Segundo Westphal e Lamberts (2005), para que um programa

computacional apresente resultados confiáveis, é essencial que o modelo de

simulação seja corretamente calibrado. Ou seja, o modelo virtual do edifício

analisado deve representar com certa fidelidade o comportamento térmico e

energético desse edifício. Os métodos de calibração de modelos

computacionais consistem basicamente de ajustes e correções dos valores de

suas variáveis, baseados na comparação entre resultados obtidos por

simulação e dados de edificações reais (Pedrini, 1997).

Para este estudo, foi inicialmente realizada uma calibração,

modelando-se uma edificação semelhante à monitorada, e comparando os

valores obtidos por medição e por simulação. Com este procedimento

pretendeu-se verificar a qualidade dos dados obtidos através da simulação, por

sua proximidade com os dados medidos. Sendo assim, definiu-se um modelo

inicial para calibração, com as características descritas a seguir.

As simulações para calibração não utilizaram o arquivo climático

baseado no ano climático de referência (TRY) da cidade. Nelas foi utilizado um

arquivo com dados climáticos da cidade de Florianópolis, medidos na estação

meteorológica do LEPTEN – UFSC durante os meses definidos para

monitoramento da edificação (agosto, setembro e dezembro de 2007, e janeiro

de 2008). Portanto, a calibração foi simulada apenas para quatro semanas,

sendo cada semana em um dos meses indicados anteriormente.

3.2.1.1. Descrição do Modelo Inicial Para Calibração

Pedrini (1997) define que a simulação do comportamento de uma

edificação se inicia na representação do objeto de estudo, como um modelo. O

modelo é uma abstração da realidade, compilado segundo a linguagem do

programa computacional.

Para a simulação de edificações no programa computacional

EnergyPlus, é necessária a definição de zonas térmicas do modelo. Aqui, a

residência foi modelada com nove zonas térmicas, cada uma representando os

seguintes ambientes: área de serviços, cozinha, banheiro, salas, corredor,

quarto de casal, quarto de solteiro, área das caixas d’água (em cima da

cozinha) e área do boiler (em cima do corredor). A Figura 3.9 mostra duas

perspectivas desse modelo, e a Figura 3.10 mostra as plantas com suas

dimensões.

Figura 3.9 – Perspectivas do modelo de calibração da simulação: fachadas oeste e sul

(a), e leste e norte (b).

(a)

(b)

Figura 3.10 – Plantas do modelo de calibração da simulação: térreo (a) e superior (b).

(a)

(b)

As aberturas (portas e janelas) foram modeladas conforme o existente

na casa. Também foram incluídas no modelo as proteções solares existentes

nas diversas fachadas da residência. A principal diferença em relação à

edificação real está na geometria das coberturas, modeladas de forma

simplificada, sem as inclinações. As alturas desses planos de cobertura foram

calculadas de forma a proporcionar o mesmo volume interno dos ambientes

reais.

Uma importante informação para a simulação de edificações térreas,

especialmente as residenciais, é a temperatura do solo. Isso porque as trocas

de calor entre piso e solo são determinantes no resultado final das trocas de

calor do ambiente. Para as temperaturas do solo desta primeira simulação,

foram utilizados os valores existentes no arquivo climático (TRY) de

Florianópolis, que dizem respeito ao ano de referência da cidade. Esses

valores são apresentados na Tabela 3.2.

Tabela 3.2 – Temperaturas do solo para o modelo inicial de calibração.

Mês

Temperatura média

do solo [°C]

Janeiro 22,75

Agosto 17,48

Setembro 17,16

Dezembro 21,01

Quanto aos materiais, foram definidos dois tipos de paredes: duplas e

simples. As paredes duplas são adotadas em todas as paredes externas e na

maior parte das internas do modelo. Elas possuem três camadas: tijolo, manta

de lã de rocha e tijolo. O tijolo é cerâmico, maciço e aparente (sem reboco),

com espessura de 10 cm; a manta de lã de rocha possui 2,5 cm de espessura.

A parede simples é adotada no caso de apenas uma parede interna do modelo,

e possui três camadas: reboco, tijolo e reboco. O reboco, interno e externo, é

de argamassa com espessura de 2,5 cm; o tijolo é cerâmico maciço, com 10

cm de espessura. Esquemas desses dois tipos de parede são mostrados na

Figura 3.11. O piso de toda a casa foi modelado com uma camada de

concreto, com 10 cm de espessura. Não foi considerado o revestimento

cerâmico existente no piso.

(a) Parede Dupla (b) Parede Simples

U Ct

1,49 315 7,4 3,13

255 3,8

Figura 3.11 – Esquema dos dois tipos de parede do modelo de calibração: dupla (a) e

simples (b).

Nota: U = Transmitância térmica [W/m².K]; Ct = Capacidade térmica [kJ/m

.K]; ϕ = Atraso térmico [horas].

Diferentes tipos de cobertura foram criados para o modelo de

calibração, conforme o existente na residência estudada. As zonas foram

simuladas com as opções de coberturas descritas a seguir. Um esquema de

cada uma delas é mostrado na Figura 3.12.

• Cozinha e corredor: Por possuírem outra zona acima delas (área das

caixas d’água e área do boiler), sua cobertura é apenas uma laje horizontal de

concreto, com 10 cm de espessura.

• Quarto de casal, área das caixas d’água (em cima da cozinha) e área

do boiler (em cima do corredor): Sua cobertura possui seis camadas, sendo

elas de telha cerâmica, câmara de ar, polietileno aluminizado, câmara de ar,

manta de lã de rocha e forro de madeira. A telha cerâmica possui 1,0 cm de

espessura. A primeira câmara de ar é do tipo não ventilada com superfície de

baixa emissividade e espessura maior que 5,0 cm, de acordo com o indicado

pela norma NBR 15220 (ABNT, 2005b). O polietileno aluminizado possui 5 mm.

A segunda câmara de ar é do tipo não ventilada com superfície de alta

emissividade e espessura maior que 5,0 cm. A manta de lã de rocha é a

mesma utilizada no interior das paredes. O forro de madeira possui 1,5 cm de

espessura.

• Salas: Sua cobertura possui quatro camadas, sendo elas de telha

metálica, câmara de ar, manta de lã de rocha, e forro de madeira. A telha

metálica é de aço zincado, possui pintura branca e 1,0 mm de espessura. A

câmara de ar, modelada de acordo com a norma NBR 15220 (ABNT, 2005b), é

REBOCO

MANTA DE LÃ

DE ROCHA

TIJOLO

CERÂMICO

MACIÇO

do tipo não ventilada, com superfície de alta emissividade e espessura de 3,0

cm. A manta de lã de rocha e o forro de madeira possuem as características já

descritas na cobertura do quarto de casal. Além disso, metade da área da

cobertura da sala (a parte mais ao norte) possui mais duas camadas acima da

telha: outra câmara de ar e vidro opaco representando o painel fotovoltaico.

Essa câmara de ar possui superfície de alta emissividade e espessura maior

que 5,0 cm.

• Banheiro e Quarto de Solteiro: Sua cobertura possui três camadas,

sendo uma cobertura ajardinada sobre uma laje horizontal, com isolamento

térmico entre elas. Esta cobertura ajardinada foi modelada como um material

específico do programa EnergyPlus, denominada EcoRoof, onde são descritas

as características da vegetação utilizada e do tipo de solo. O isolamento é de

poliestireno extrudado, com 2,0 cm de espessura. A laje horizontal é de

concreto, com 10 cm de espessura.

• Área de Serviços: Essa zona possui dois tipos de cobertura. Isso

porque esse cômodo, na residência estudada, apresenta uma cobertura com

laje horizontal, apenas parcialmente coberta por jardim. Assim, para a

simulação, sua cobertura foi modelada uma parte apenas com uma camada de

laje de concreto, e outra parte com três camadas, sendo uma laje de concreto,

isolamento térmico e uma cobertura ajardinada. As propriedades desses

materiais são as mesmas utilizadas na cobertura do banheiro e quarto de

solteiro.

As janelas e portas externas possuem duas camadas de vidro incolor

de 3,0 mm de espessura, com uma camada de ar de 12 mm no interior. As

propriedades do vidro foram obtidas nos modelos de vidro do próprio programa

EnergyPlus. Apenas a porta externa do banheiro não é de vidro, e sim de PVC,

com 1,0 cm de espessura. As demais portas da casa (portas internas) são de

madeira com pintura branca, tendo 3,0 cm de espessura.

Figura 3.12 – Esquema dos tipos de cobertura do modelo de calibração: telha cerâmica (a),

telha metálica (b), teto jardim (c), teto jardim + laje de concreto (d).

Nota: U = Transmitância térmica [W/m².K]; Ct = Capacidade térmica [kJ/m

.K]; ϕ = Atraso térmico [horas].

As propriedades térmicas da maior parte dos materiais usados, tais

como condutividade térmica, densidade, calor específico, absortância para

radiação solar e resistência térmica, foram obtidas na norma NBR 15220

(ABNT, 2005b; 2005c). Apenas as características utilizadas para a parede de

tijolos cerâmicos maciços foram obtidas em Ordenes et al. (2003), de forma

que fosse considerada a influência da argamassa de assentamento, adotando

valores para um material equivalente. Estes dados são apresentadas na Tabela

3.3.

(d) Telhado vegetado + laje concreto

(a) Cobertura

cerâmica:

(b) Cobertura

metálica:

vegetado

U Ct

0,58 54,7 4,9

U Ct

0,95 25,3 2,9

U Ct

0,82 295 10,9

Tabela 3.3 – Características dos materiais utilizados na simulação computacional.

Material

Condutividade

térmica

[W/m.K]

Densidade

[kg/m

]

Calor

específico

[J/kg.K]

Absortância

Resistência

térmica

.K/W]

Tijolo cerâmico maciço 10

cm, com argamassa de

assentamento

0,900 1764 920 0,3 0,107

Argamassa reboco 2,5 cm 1,150 2000 1000 0,2 0,022

Concreto maciço 10,0 cm 1,750 2200 1000 0,3 0,057

Telha cerâmica 1,0 cm 1,050 2000 920 0,4 0,010

Telha metálica 0,1 cm 112,00 7100 380 0,2 0,000

Madeira para forro 1,5 cm 0,140 600 2300 0,7 0,107

Madeira para porta 3,0 cm 0,150 600 1340 0,2 0,200

PVC para esquadria 1,0 cm 0,200 1350 960 0,2 0,050

Polietileno aluminizado 0,5

0,400 1200 2299 0,3 0,013

Manta de lã de rocha 2,5

0,045 100 750 - 0,555

Poliestireno extrudado 2,0

0,035 30 1420 - 0,571

Câmara de ar de baixa

emissividade, espessura

>5,0 cm - fluxo

descendente

- - - - 0,61

Câmara de ar de alta

emissividade, espessura

>5,0 cm - fluxo

descendente

- - - - 0,21

Câmara de ar de alta

emissividade, espessura 3

cm - fluxo descendente

- - - - 0,18

O EnergyPlus permite também a inclusão de ganhos internos de

calor no modelo, podendo ser por equipamentos elétricos, iluminação e

ocupação de usuários. Para a calibração, os ganhos internos foram incluídos

conforme o uso ocorrido na edificação durante os dias de monitoramento, nos

quatro períodos determinados. Grosso

Tendo em vista que, nos períodos considerados, a edificação foi

ocupada apenas durante o dia, seus usuários aproveitaram ao máximo a

iluminação natural, com o mínimo de uso de lâmpadas. Por isso, no modelo de

calibração não foram incluídos ganhos de calor pela iluminação.

Quanto aos equipamentos elétricos, representando a realidade

observada no local, dois aparelhos foram considerados: uma geladeira e um

computador. A geladeira permaneceu ligada 24 horas por dia, todos os dias, na

zona da cozinha. O computador permaneceu ligado também 24 horas por dia,

todos os dias, na zona do quarto de casal. Para a geladeira considerou-se uma

potência média de 50 W, e para o computador de 130 W. Estes valores foram

obtidos a partir de medições de consumo desses eletrodomésticos da casa,

Dia 15/08/2007 - quarta-feira

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas

Dia 16/08/2007 - quinta-feira

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas

Dia 17/08/2007 - sexta-feira

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas

Dia 20/08/2007 - segunda-feira

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas

Dia 21/08/2007 - terça-feira

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas

utilizando um medidor portátil de consumo, marca Yokogawa. O valor adotado

para a fração radiante de ganho de calor foi 0,5 para os dois equipamentos,

que é um valor comumente utilizado por pesquisadores, tendo em vista que a

divisão entre as parcelas radiante e convectiva (de ganho de calor) para grande

parte dos equipamentos é geralmente uniforme (ASHRAE, 2005b).

A ocupação dos usuários não foi constante durante o monitoramento.

Por isso, foram criados vários padrões de ocupação definindo a quantidade de

usuários em cada zona do modelo, para cada um dos dias, dos quatro períodos

monitorados. Gráficos referentes à ocupação da casa durante os dias de

monitoramento são apresentados na Figura 3.13 para o período de agosto/07,

na Figura 3.14 para setembro/07 e Figura 3.15 para janeiro/08. Os ambientes

que não são mostrados nas figuras, não foram ocupados (por no mínimo 30

minutos) nos dias de monitoramento. No período de dezembro/07 a casa

permaneceu sem usuários. Em todos os finais de semana, ou seja, sábados e

domingos, a casa também permaneceu sem usuários.

Figura 3.13 – Ocupação da casa – período de monitoramento em agosto de 2007

área serviços

sala

Dia 11/09/2007 - terça-feira

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas

Dia 12/09/2007 - quarta-feira

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas

Dia 13/09/2007 - quinta-feira

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas

Dia 14/09/2007 - sexta-feira

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas

Dia 17/09/2007 - segunda-feira

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas

Foram também definidas as atividades realizadas em cada zona,

resultando em diferentes produções de calor. Esses dados, apresentados na

Tabela 3.4, foram baseados nos valores de taxa metabólica (W/m

) da

ASHRAE (2005a), considerando uma área de pele média de 1,80 m

. Nas

simulações, o valor do calor produzido [W] é multiplicado pela quantidade de

pessoas na zona.

Tabela 3.4 – Atividades realizadas e calor produzido nas zonas térmicas do modelo.

Zona

Atividade

realizada

Calor produzido

[W/m²]

Calor produzido para

área de pele = 1,80 m² [W]

Área de serviços

Limpeza

doméstica

115 207

Sala

Sentado, lendo

e/ou escrevendo

60 108

Cozinha, banheiro,

corredor, quarto

solteiro e quarto casal

Em pé 70 126

Figura 3.14 – Ocupação da casa – período de monitoramento em setembro de 2007

área serviços

sala

Dia 08/01/2008 - terça-feira

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas

Dia 09/01/2008 - quarta-feira

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas

Dia 10/01/2008 - quinta-feira

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas

Dia 11/01/2008 - sexta-feira

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas

Dia 07/01/2008 - segunda-feira

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas

Figura 3.15 – Ocupação da casa – período de monitoramento em janeiro de 2008

O sistema “AirflowNetwork”, inserido no programa EnergyPlus, é capaz

de simular as trocas de ar em uma edificação, incluindo as trocas do exterior

com as zonas térmicas, e entre as zonas. Nesta calibração, a ventilação foi

modelada de acordo com o comportamento verificado durante os períodos de

monitoramento da edificação real. Considerou-se todas as portas internas

abertas 24 horas todos os dias.

Nos períodos de agosto e dezembro todas as janelas e portas externas

permaneceram fechadas. Nos períodos de setembro e janeiro a abertura das

janelas e portas externas, nos dias úteis, aconteceu conforme mostrado na

Tabela 3.5. Nos finais de semana (sábado e domingo) elas permaneceram

sempre fechadas. As portas externas do banheiro, do quarto de casal e do

quarto de solteiro, e a janela da parede norte da cozinha, permaneceram

fechadas durante todos os períodos de monitoramento.

Utilizando o AirflowNetwork, a infiltração de ar é definida por um

parâmetro chamado “Air Mass Flow Coefficient When Opening is Closed“

área serviços

banheiro

sala

quarto casal

(Coeficiente de fluxo de massa de ar quando as aberturas estão fechadas),

dado em kg/s.m (para 1 Pa por metro de fresta). O valor utilizado nesse

parâmetro foi 0,001 kg/s.m, o mesmo adotado nos exemplos de simulação do

programa EnergyPlus.

Tabela 3.5 – Abertura das janelas e portas externas nos períodos de monitoramento

em setembro/2007 e janeiro/2008.

Horário

porta externa -

área serviços

janela sul - área

serviços

janela oeste -

área serviços

janela oeste -

cozinha

janela oeste -

banheiro

janela norte -

banheiro

porta sul - sala

porta norte -

sala

janela leste -

quarto casal

janela leste -

quarto solteiro

00h a 08h F F F F F F F F F F

08h a 09h F F F F F F A F F F

09h a 12h A A A A A A A A A A

12h a 14h F F F F F F F F F F

14h a 17h A A A A A A A A A A

17h a 24h F F F F F F F F F F

Legenda: A = Aberto F = Fechado

Com relação às trocas de ar quando as janelas e portas são abertas,

uma das principais definições no AirflowNetwork é feita pelo item “Discharge

coefficient” (coeficiente de descarga). Ele pode ser definido como um

coeficiente adimensional que relaciona a taxa de fluxo de ar médio através de

uma abertura para um ambiente e a correspondente diferença de pressão na

abertura (ALLEN, 1981). O valor utilizado nesse parâmetro foi 0,6 para janelas

e portas, tendo em vista que, segundo Flourentzou et al. (1998), é indicado um

valor de 0,6 (com precisão de ± 0,1) para o coeficiente de descarga para

aberturas retangulares (janelas e portas).

Além destes itens, para a simulação da ventilação natural é essencial a

definição de valores de coeficiente de pressão (Wind Pressure Coefficient),

definidos para cada abertura da edificação, para diferentes direções do vento.

Estes são dados de difícil definição, que dependem da volumetria do edifício,

do seu entorno e de qualquer tipo de obstáculo à passagem do vento. Para

estas simulações, o coeficiente de pressão foi obtido com auxílio do programa

Cp Generator, desenvolvido no TNO Building Research (TNO, 2008).

Além disso, deve-se definir um valor de expoente para a velocidade do

vento tendo em vista a rugosidade do entorno (Exponent of Wind velocity

Profile), que pode variar de 0 a 0,5. O valor adotado aqui para esse expoente

foi 0,32, correspondente a um entorno heterogêneo, com estruturas maiores

que um pavimento.

Outro item importante modelado são as persianas existentes em

algumas janelas e portas externas. Elas foram inseridas no programa

EnergyPlus como do tipo “Shade”, sendo o material de PVC branco, conforme

o esquema da Figura 3.16. As propriedades térmicas definidas foram

refletância (solar e visível) igual a 0,8, transmitância (solar e visível) igual a 0,4,

espessura 0,5 cm e condutividade térmica 0,2 W/mK.

Figura 3.16 – Esquema das Persianas.

O padrão de aberturas dessas persianas também foi definido em

função do comportamento verificado durante os períodos de monitoramento da

edificação real. No período de dezembro todas as persianas permaneceram

fechadas 24 horas todos os dias. Nos demais monitoramentos sua abertura se

deu conforme mostrado na Tabela 3.6. Em todos os finais de semana (sábado

e domingo) elas permaneceram sempre fechadas. As persianas das portas

externas do quarto de casal e do quarto de solteiro, e da janela da parede norte

da cozinha permaneceram fechadas durante todos os períodos de

monitoramento.

EXTERIOR

INTERIOR

VIDRO INCOLOR 3mm

AR 12mm

PERSIANA DE PVC

Tabela 3.6 – Abertura das persianas nos períodos de monitoramento em agosto e

setembro de 2007, e janeiro de 2008.

AGOSTO

SETEMBRO e JANEIRO

Horário

janela oeste -

cozinha

porta sul - sala

porta norte - sala

janela leste -

quarto casal

janela leste -

quarto solteiro

janela oeste -

cozinha

porta sul - sala

porta norte - sala

janela leste -

quarto casal

janela leste -

quarto solteiro

00h a 08h

F F F F F

08h a 12h

A A A A A

12h a 14h

F F F F F

14h a 17h

F A F A F

A A A A A

17h a 24h

F F F F F

Legenda: A = Aberta F = Fechada

3.2.1.2. Ajustes no Modelo

Para a calibração foram realizados ajustes no modelo, modificando

alguns parâmetros e comparando os resultados destas simulações com as

medições efetuadas previamente na casa. Esses parâmetros foram escolhidos

por se tratarem dos principais dados de entrada utilizados para a simulação no

programa EnergyPlus. A cada simulação um novo parâmetro era alterado,

sendo que, quando considerada adequada, a alteração era mantida nas

simulações seguintes.

Em uma primeira etapa, os primeiros parâmetros alterados foram

comparados com as medições realizadas nos meses de agosto e dezembro de

2007, quando a casa foi monitorada sem ventilação (janelas e portas

fechadas). São eles:

- Temperatura do solo: Os dados de temperatura do solo foram

alterados, passando a utilizar valores medidos no terreno estudado (média

mensal), mostrados na Tabela 3.7. Essas medições foram realizadas com um

sensor do tipo termopar, instalado no solo abaixo da sala de jantar da casa, a

uma profundidade de 20 cm.

Tabela 3.7 – Valores de temperatura média do solo obtidos in loco [°C].

Mês

Temperatura média

do solo [°C]

Janeiro/2008 26,3

Agosto/2007 18,7

Setembro/2007 22,1

Dezembro/2007

24,7

- Geometria da edificação: Tendo em vista que o modelo inicial foi

construído com todas as coberturas horizontais, essa alteração foi realizada

definindo as coberturas com as inclinações existentes na edificação estudada.

Este modelo é mostrado na Figura 3.17.

Figura 3.17 – Perspectiva do modelo de calibração com alteração na volumetria da

cobertura.

- Resistência térmica dos materiais do envelope: As propriedades

térmicas dos materiais utilizados no modelo inicial, obtidas em norma, são

apontadas pela própria norma como sendo apenas indicativos, porque eles

podem variar em função da matéria prima e da forma de fabricação. Para

verificar a influência de diferenças nos valores da resistência térmica dos

materiais, foram realizadas simulações diminuindo em 10% e aumentando em

10% e em 20% a resistência térmica de todos os materiais. Santana (2006)

trabalhou com a variação da transmitância térmica dos materiais e constatou

uma influência linear desta sobre o desempenho da edificação. Por isso, é

desnecessária a análise de muitas opções de variação.

- Absortância dos materiais do envelope: No modelo inicial, a

absortância dos materiais foram definidas pela observação das cores na

edificação estudada e adotando valores de norma. Porém, esta observação

simples não define tais valores com precisão, mesmo porque a sujeira pode

provocar alterações nessa propriedade. Assim, para confirmar o valor real de

absortância dos materiais utilizados no envelope da casa estudada, foram

realizadas medições no local utilizando o equipamento medidor de refletância

(espectrômetro) “Alta II”, mostrado na Figura 3.18. Com os valores medidos, e

tendo como referência medições em um papel branco, a absortância real pôde

ser calculada utilizando-se planilhas eletrônicas. Os valores obtidos e utilizados

nessa simulação estão indicados na Tabela 3.8.

Tabela 3.8 – Valores corrigidos de

absortância dos materiais.

Material Absortância

Tijolo cerâmico maciço 0,36

Telha cerâmica 0,48

Telha metálica 0,36

PVC das esquadrias 0,26

Figura 3.18 – Equipamento Alta II.

- Ganho interno de calor por equipamentos: Para a simulação inicial

adotou-se o valor 0,5 para a fração radiante de ganho de calor pelos

equipamentos, resultando, conseqüentemente, em 0,5 para a fração

convectiva. Porém, segundo a ASHRAE (2005b), a divisão entre as parcelas

radiante e convectiva (de ganho de calor) para grande parte dos equipamentos

é geralmente uniforme, mas há uma importante diferença no caso de

equipamentos que possuem ventilador para resfriamento, como no caso de

computares. Sendo assim, foi realizada uma simulação adotando, para a fração

radiante de ganho de calor, o valor 0,20 para o computador e o valor 0,35 para

a geladeira, baseado no apresentado pela ASHRAE (2005b).

- Infiltração de ar: O valor utilizado inicialmente no parâmetro “Air

Mass Flow Coefficient When Opening is Closed“ foi 0,001 kg/s.m. Nessa

simulação, esse parâmetro foi alterado de forma a diminuir a infiltração de ar,

adotando o valor 0,0001 kg/s.m para as janelas e portas de correr, e 0,0005

kg/s.m para as janelas máximo-ar, conforme obtido a partir de Liddament

(1986).

Em uma segunda etapa, com o modelo corrigido, adotando as

melhores opções das simuladas na primeira etapa, foram simuladas novas

alterações, comparando-as com os dados das medições dos meses de

setembro de 2007 e janeiro de 2008. Foram alterados no modelo os

parâmetros relacionados à ventilação natural descritos a seguir. Pela

dificuldade de obtenção dos valores de coeficiente de pressão, eles não foram

variados.

- Coeficiente de descarga: O valor utilizado como coeficiente de

descarga nas simulações iniciais foi 0,6 para janelas e portas. Porém, como

Flourentzou et al. (1998), indicam o valor de 0,6 com precisão de ± 0,1, foram

realizadas simulações alterando o coeficiente de descarga para 0,7 e para 0,5.

Foi ainda realizada outra simulação reduzindo esse valor para 0,3 para analisar

a influência de maiores alterações nesse parâmetro.

- Expoente da velocidade do vento: O valor de 0,32, inicialmente

adotado para esse expoente, foi alterado para 0,5, que é o limite máximo aceito

pelo programa. Esse novo valor significaria um entorno com alta rugosidade, ou

seja, muitas obstruções, que pode corresponder melhor ao caso da edificação

estudada, pois ela localiza-se numa área cercada por morros.

3.2.1.3. Critérios para a Calibração

Para comparação dos resultados destas simulações com os valores

medidos na edificação real, foi requerida, como dado de saída do modelo, a

temperatura média horária do ar no interior da edificação. Foram utilizados os

valores das zonas da sala, banheiro e quarto de casal, que se localizam em

diferentes orientações solares na casa. Em cada um dos quatro períodos

definidos, foram escolhidos três dias mais significativos para as análises. Esses

dias foram escolhidos por estarem em uma seqüência de dias com

comportamento semelhante, proporcionando uma estabilidade no

comportamento térmico da casa.

As primeiras simulações foram comparadas com as medições

realizadas em agosto e em dezembro de 2007, quando a casa foi mantida com

janelas e portas externas fechadas, ou seja, sem ventilação. As últimas

simulações de calibração foram comparadas com as medições realizadas em

setembro de 2007 e janeiro de 2008, quando a casa foi monitorada com

abertura de janelas e portas, ou seja, com ventilação natural. A Tabela 3.9

descreve as simulações realizadas e os meses utilizados nas comparações.

Tabela 3.9 – Simulações realizadas para a calibração e meses de análise.

Simulação

Número Descrição / Alterações

Mês analisado

Modelo inicial Agosto e Dezembro/2007

Modelo inicial + Temperatura do solo Agosto e Dezembro/2007

Simulação 2 + Volumetria da cobertura Agosto e Dezembro/2007

Simulação 3 + Resistência térmica - 10% Agosto e Dezembro/2007

Simulação 3 + Resistência térmica + 10% Agosto e Dezembro/2007

Simulação 3 + Resistência térmica + 20% Agosto e Dezembro/2007

Simulação 3 + Absortância Agosto e Dezembro/2007

Simulação 6 + Ganho por equipamentos Agosto e Dezembro/2007

Simulação 7 + Infiltração de ar

Agosto, Setembro e

Dezembro/2007 e Janeiro/2008

Simulação 8 + Coeficiente de descarga = 0,7 Setembro/2007 e Janeiro/2008

Simulação 8 + Coeficiente de descarga = 0,5 Setembro/2007 e Janeiro/2008

Simulação 8 + Coeficiente de descarga = 0,3 Setembro/2007 e Janeiro/2008

Simulação 8 + Expoente da vel. vento = 0,5 Setembro/2007 e Janeiro/2008

Os dados obtidos por medição e simulação foram comparados, e

calculadas as diferenças entre os valores, o erro quadrático e a amplitude das

temperaturas no período. As diferenças entre os valores simulados e medidos

foram verificadas para cada dado horário, e então calculadas a diferença

mínima, máxima e média, para cada período de três dias analisados. A

Equação 3.1 mostra como foi realizado o cálculo da diferença média. O erro

quadrático foi calculado conforme indicado na Equação 3.2.

( )

∑

−

Equação 3.1

)(













−

∑

Equação 3.2

Onde:

• Dm é a diferença média [°C];

• EQ é o erro quadrático [°C];

• yi é a temperatura horária obtida por simulação [°C];

• xi é a temperatura horária medida na edificação [°C];

• N é o número de observações.

3.2.2. Definição do Modelo de Referência para as Simulações

Após a calibração, para possibilitar as demais análises desejadas,

definiu-se um Modelo de Referência para as simulações, representando uma

edificação residencial unifamiliar. Sua geometria foi determinada a partir do

modelo calibrado anteriormente, com os mesmos cômodos da edificação real

monitorada, porém os materiais foram simplificados e foram definidos novos

padrões de uso.

A partir desse modelo de referência foram simuladas variações,

alterando as propriedades do envelope, a fim de verificar a influência deste no

desempenho térmico da edificação. Estas simulações foram realizadas com e

sem ventilação e ocupação. As simulações, tanto do modelo de referência

quanto das variações, foram realizadas para um ano inteiro, utilizando um

arquivo climático com dados do ano climático de referência (TRY) de

Florianópolis.

3.2.2.1. Geometria

O modelo de referência seguiu a mesma geometria definida no modelo

final da calibração, possuindo, portanto, nove zonas térmicas de simulação.

Quanto às aberturas, foram apenas excluídas as portas externas do banheiro,

do quarto de casal e do quarto de solteiro, e a janela da parede norte da

cozinha. As demais aberturas foram mantidas (portas e janelas), mas sem

persianas e sem brises. Foram também retiradas as proteções solares nas

fachadas. A Figura 3.19 mostra uma perspectiva do modelo.

Figura 3.19 – Perspectiva do modelo de referência.

3.2.2.2. Temperatura do Solo

A temperatura do solo é uma característica ligada diretamente às

temperaturas médias do ar, internas e externas, na cidade simulada. Quando

não existem dados de medição da temperatura do solo, para obter resultados

confiáveis indica-se o uso do programa Slab, vinculado ao EnergyPlus. Ele

calcula a temperatura média do solo para cada mês do ano, com base nos

valores médios de temperaturas internas e externas da edificação, para o clima

determinado. Aqui foram usados dados referentes ao ano climático de

referência de Florianópolis. Os valores obtidos com o Slab, e então utilizados

nas simulações seguintes, são apresentados na Tabela 3.10.

Tabela 3.10 – Valores de temperatura média do solo [°C] para as simulações.

Mês

Temperatura

média do solo [°C]

Mês

Temperatura

média do solo [°C]

Janeiro 25,94 Julho 17,80

Fevereiro 26,05 Agosto 17,69

Março 25,26 Setembro 19,20

Abril 23,43 Outubro 19,93

Maio 20,49 Novembro 21,86

Junho 18,12 Dezembro 23,47

3.2.2.3. Materiais

Como já mencionado, as características do modelo de referência foram

escolhidas a partir das características da edificação monitorada, mas

diminuindo a variedade dos materiais. Foi definido um único tipo de parede

para toda a casa, possuindo uma camada de tijolo cerâmico, maciço e

aparente, com espessura de 10 cm, com as características mostradas na

Tabela 3.11.

Tabela 3.11 – Características da parede do modelo base.

Fonte: ABNT (2005c)

Parede Descrição

Transmitância

térmica – U

[W/(m².K)]

Capacidade

térmica - Ct

[kJ/(m

.K)]

Atraso

térmico -

ϕϕ

ϕ [horas]

Parede de tijolos maciços

aparentes, assentados na menor

dimensão:

Dimensões do tijolo: 10x6x22 cm;

Espessura da argamassa de

assentamento: 1,0 cm;

Espessura total da parede: 10,0 cm.

3,70 149 2,4

O piso, no interior de toda a casa, foi modelado com uma camada de

concreto, com espessura de 10 cm. A cobertura do modelo base foi

determinada com três camadas: telha cerâmica, camada de ar e forro de

madeira, com as características mostradas na Tabela 3.12. A telha cerâmica

possui 1,0 cm de espessura. A camada de ar foi modelada como uma câmara

de ar não ventilada, com superfície de alta emissividade, possuindo espessura

maior que 5,0 cm, de acordo com o apresentado pela norma NBR 15220

(ABNT, 2005b). O forro de madeira possui 1,0 cm de espessura.

Tabela 3.12 – Características da cobertura do modelo base.

Fonte: ABNT (2005c)

Cobertura Descrição

Transmitância

térmica – U

[W/(m².K)]

Capacidade

térmica - Ct

[kJ/(m

.K)]

Atraso

térmico -

ϕϕ

ϕ [horas]

Cobertura de telha de barro

com forro de madeira

Espessura da telha: 1,0 cm

Espessura da madeira: 1,0

2,00

1,3

Todas as janelas e portas externas modeladas possuem apenas uma

camada de vidro incolor de 3,0 mm de espessura. As propriedades do vidro

foram obtidas dos modelos de vidro do próprio programa EnergyPlus. As

demais portas da casa (portas internas) são de madeira com pintura branca,

tendo 3,0 cm de espessura.

As propriedades térmicas dos materiais usados no modelo base

(condutividade, densidade, calor específico, absortância para radiação solar e

resistência térmica) são as mesmas utilizadas no modelo de calibração,

conforme apresentado anteriormente na Tabela 3.3.

3.2.2.4. Cargas Térmicas Internas

O modelo de referência foi definido sem cargas térmicas internas.

Posteriormente, nas variações de caso de simulação, foi estudada a alternativa

com ganhos internos de calor, tanto por equipamentos elétricos, quanto por

iluminação e ocupação de usuários. Dessa forma, puderam-se comparar os

resultados, verificando a influência do envelope no desempenho da edificação

considerada com e sem ocupação.

3.2.2.5. Trocas de Ar

No modelo de referência as janelas e portas externas foram mantidas

fechadas todos os dias do ano, permitindo trocas de ar apenas por infiltração.

Nas variações de caso posteriores, a ventilação natural foi permitida com a

abertura de janelas e portas, a fim de estudar a influência do envelope no

desempenho da edificação naturalmente ventilada.

3.2.3. Variações no Modelo de Referência

Uma série de variações foram propostas, a partir do modelo de

referência, a fim de comparar a influência do envelope no desempenho da

edificação. Em todas as variações simuladas foram mantidas as características

da geometria do modelo de referência. As alterações propostas dizem respeito

às propriedades térmicas do envelope, e foram simuladas com e sem

ventilação natural e ocupação (cargas térmicas internas).

3.2.3.1. Variação da Ventilação

Esta variação do modelo inclui trocas de ar pela ventilação natural,

como alternativa ao modelo de referência, modelado apenas com infiltração.

Definiu-se um padrão de abertura das janelas e portas externas, para dias úteis

e para finais de semana, diferenciado para os meses de verão e inverno

conforme a Tabela 3.13 e a Tabela 3.14. Considerou-se todas as portas

internas abertas 24 horas todos os dias. Esses padrões foram definidos

buscando reproduzir o uso convencional de uma edificação em Florianópolis.

Tabela 3.13 – Abertura das janelas e portas externas nos meses de verão.

VERÃO - Dias Úteis VERÃO - Finais de Semana

Horário

porta externa - área serviços

janela sul - área serviços

janela oeste - área serviços

janela oeste - cozinha

janela oeste - banheiro

janela norte - banheiro

porta sul - sala

porta norte - sala

janela leste - quarto casal

janela leste - quarto solteiro

porta externa - área serviços

janela sul - área serviços

janela oeste - área serviços

janela oeste - cozinha

janela oeste - banheiro

janela norte - banheiro

porta sul - sala

porta norte - sala

janela leste - quarto casal

janela leste - quarto solteiro

00h a 06h F A A F A A F F F F F A A F A A F F F F

06h a 08h F A A A A A F F A A F A A F A A F F F F

08h a 09h F A A A A A A A A A F A A F A A F F F F

09h a 10h A A A A A A A A A A F A A A A A A A A F

10h a 11h A A A A A A A A A A F A A A A A A A A A

11h a 15h F A A A A A A A A A F A A A A A A A A A

15h a 17h A A A A A A A A A A F A A A A A A A A A

17h a 18h F A A A A A A A A A F A A A A A A A A A

18h a 19h F A A A A A F F A A F A A A A A F F A A

19h a 20h F A A A A A F F A A A A A A A A F F A A

20h a 21h F A A F A A F F A A F A A F A A F F A A

21h a 22h F A A F A A F F F F F A A F A A F F A F

22h a 24h F A A F A A F F F F F A A F A A F F F F

Legenda:

= Aberto

= Fechado

Tabela 3.14 – Abertura das janelas e portas externas nos meses de inverno.

INVERNO - Dias Úteis INVERNO - Finais de Semana

Horário

porta externa - área serviços

janela sul - área serviços

janela oeste - área serviços

janela oeste - cozinha

janela oeste - banheiro

janela norte - banheiro

porta sul - sala

porta norte - sala

janela leste - quarto casal

janela leste - quarto solteiro

porta externa - área serviços

janela sul - área serviços

janela oeste - área serviços

janela oeste - cozinha

janela oeste - banheiro

janela norte - banheiro

porta sul - sala

porta norte - sala

janela leste - quarto casal

janela leste - quarto solteiro

00h a 06h F F A F A F F F F F F F A F A F F F F F

06h a 07h F F A F A F A F F F F F A F A F F F F F

07h a 08h F F A F A F F F F F F F A F A F F F F F

08h a 09h F F A F A F F F F F F F A F A F F F F F

09h a 10h F F A F A F F F F F F F A F A F F F F F

10h a 11h F F A A A F F F F F F F A A A F A F F F

11h a 12h F F A F A F A A F F F F A F A F F F F F

12h a 14h F F A F A F F F A A F F A F A F F F A A

14h a 15h F F A F A F F F A A F F A F A F F F A A

15h a 16h F F A A A F F F F F F F A A A F A F F F

16h a 17h F F A F A F F F F F F F A F A F F F F F

17h a 18h F F A F A F A F F F F F A F A F F F F F

18h a 24h F F A F A F F F F F F F A F A F F F F F

Legenda:

= Aberto

= Fechado

Os meses de verão e inverno foram diferenciados tendo como critério a

temperatura média mensal do ar registrada no ano climático de referência

(TRY) de Florianópolis, sendo que para valores acima de 20°C, considerou-se

mês de verão. Com isso, o verão foi considerado nos meses de novembro a

abril, e o inverno de maio a outubro.

3.2.3.2. Variação da Ocupação (Cargas Térmicas Internas)

Como alternativa ao caso base, que foi simulado sem ocupação,

definiu-se a variação da simulação incluindo cargas térmicas internas, incluindo

ganhos de calor por equipamentos elétricos, iluminação e ocupação de

usuários. Para cada uma dessas fontes de calor, foram criadas diferentes

rotinas (schedules) que definem seu padrão de uso, baseadas em um perfil de

usuários da residência.

Em relação aos usuários, foi determinado um modelo ocupado por

quatro pessoas, representando uma família com um casal, no qual apenas um

deles trabalha fora de casa, e dois filhos, que estudam no período da manhã.

Foram definidos dois padrões de ocupação pelos usuários, sendo um para os

dias úteis (de segunda a sexta-feira) e outro para os finais de semana (sábado

e domingo). Tendo isso em vista, a ocupação do modelo variou conforme

apresentado na Figura 3.20. As zonas do corredor, caixas d’água e boiler foram

consideradas sem ocupação.

Dias Úteis

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas na casa

Finais de Semana

00:00 a 01:00

01:00 a 02:00

02:00 a 03:00

03:00 a 04:00

04:00 a 05:00

05:00 a 06:00

06:00 a 07:00

07:00 a 08:00

08:00 a 09:00

09:00 a 10:00

10:00 a 11:00

11:00 a 12:00

12:00 a 13:00

13:00 a 14:00

14:00 a 15:00

15:00 a 16:00

16:00 a 17:00

17:00 a 18:00

18:00 a 19:00

19:00 a 20:00

20:00 a 21:00

21:00 a 22:00

22:00 a 23:00

23:00 a 24:00

no. de pessoas na casa

área serviços cozinha banheiro sala quarto casal quarto solteiro

Figura 3.20 – Ocupação do modelo – dias úteis e finais de semana

De acordo com o tipo de atividade desempenhada em cada zona,

foram determinadas diferentes produções de calor, apresentadas na Tabela

3.15. Elas basearam-se nos valores de taxa metabólica (W/m

) da ASHRAE

(2005a), considerando uma área de pele média de 1,80 m

. Nas simulações, o

valor do calor produzido [W] é multiplicado pela quantidade de pessoas na

zona.

Tabela 3.15 – Atividades realizadas e calor produzido nas zonas térmicas do modelo.

Zona

Atividade

realizada

Calor produzido

[W/m²]

Calor produzido para área

de pele = 1,80 m² [W]

Área de serviços Limpeza doméstica 115 207

Cozinha Cozinhando 95 171

Banheiro Em pé 70 126

Sala

Sentado, lendo

e/ou escrevendo

60 108

Quarto solteiro e

quarto casal

Dormindo ou

descansando

45 81

Quanto à iluminação, definiu-se um modelo utilizando lâmpadas

incandescentes de 60 W e 100 W, e fluorescentes compactas de 25 W. As

incandescentes, que ainda são as mais utilizadas no contexto residencial

brasileiro, foram incluídas nas zonas dos quartos, banheiro, cozinha e área de

serviços. As fluorescentes foram incluídas na zona onde há maior uso de

iluminação artificial, que é a da sala. O modelo possui um total de 9 lâmpadas,

perfazendo 520 W, e aproximadamente 4,2 W/m² de densidade de potência

instalada em iluminação. Elas são distribuídas nas zonas conforme mostrado

na Tabela 3.16.

Tabela 3.16 – Iluminação em cada zona térmica do modelo.

Zona

Quantidade de

lâmpadas

Potência das

lâmpadas [W]

Área de serviços 1 60

Cozinha 1 100

Banheiro 1 60

Sala 4 25

Quarto solteiro 1 100

Quarto casal 1 100

O padrão de uso da iluminação foi definido a partir da ocupação dos

usuários em cada zona, conforme apresentado na Tabela 3.17, sendo,

portanto, diferente para dias úteis e finais de semana. Considerou-se que os

usuários aproveitam a iluminação natural durante o dia, apenas acendendo

lâmpadas nos primeiros horários da manhã, e à noite.

Tabela 3.17 – Padrão de uso da iluminação – dias úteis e finais de semana

Porcentagem da potência total em uso

Dias Úteis Finais de Semana

Horário

área serviços

cozinha

banheiro

sala

quarto casal

quarto solteiro

área serviços

cozinha

banheiro

sala

quarto casal

quarto solteiro

00h a 06h 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

06h a 07h 0 100

100

0 100

100

0 0 0 0 0 0

07h a 08h 0 100

0 50 0 0 0 0 0 0 0 0

08h a 09h 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 100

09h a 10h 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 100

10h a 17h 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

17h a 18h 0 100

0 0 0 100

0 0 0 50 100

100

18h a 19h 0 0 0 100

0 0 0 100

100

50 0 0

19h a 20h 0 0 100

100

0 0 100

0 0

20h a 21h 0 0 0 50 0 0 0 0 0 100

0 0

21h a 22h 0 0 0 50 0 100

0 0 0 50 0 100

22h a 23h 0 0 0 0 100

0 0 0 0 50 100

23h a 24h 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Com relação aos equipamentos elétricos, foram incluídos ganhos de

calor por dois aparelhos: uma geladeira e um computador. A geladeira

permanece ligada 24 horas por dia, todos os dias, na zona da cozinha. O

computador permanece ligado entre 18 e 21 horas nos dias úteis, e nos finais

de semana entre 10 e 12 horas e 19 e 22 horas, na zona da sala. Para a

geladeira considerou-se uma potência média de 50 W, e para o computador de

130 W, ou seja, os mesmos valores adotados na calibração.

3.2.3.3. Variações de Propriedades Térmicas do Envelope

A fim de estudar a contribuição do tipo de envelope no desempenho

térmico da edificação, foram realizadas simulações do modelo base com

variações nas opções de materiais das paredes e coberturas.

Foram escolhidas sete opções de parede e cinco opções de cobertura

(além das utilizadas no modelo base). Os tipos de parede e cobertura foram

variados separadamente, sendo que, nas simulações com variação da parede,

manteve-se a cobertura do modelo base e, nas simulações com variação da

cobertura, manteve-se a parede do modelo base. Foram então simulados doze

casos de variação do envelope, além do modelo de referência (Figura 3.21).

parede 1

parede 2

parede 3

parede 4

parede 5

parede 6

parede modelo

de referência

cobertura 1

cobertura 2

cobertura 3

cobertura 4

cobertura 5

cobertura modelo

de referência

parede 7

Figura 3.21 – Combinações de componentes do envelope, totalizando 12 variações.

As opções de envelope selecionadas, que são apresentadas na Tabela

3.18 (coberturas), e na Tabela 3.19 (paredes), foram escolhidas por suas

diferentes propriedades térmicas. As paredes possuem transmitância térmica

variando de 1,21 a 5,04 W/(m².K), e capacidade térmica variando de 55 a 430

kJ/(m².K). As coberturas possuem transmitância térmica variando de 0,95 a

4,55 W/(m².K), e capacidade térmica variando de 18 a 458 kJ/(m².K).

Tabela 3.18 – Descrição e Propriedades Térmicas das Coberturas Simuladas.

Fonte: ABNT (2005c)

Coberturas Descrição

Transmitânci

a térmica – U

[W/(m².K)]

Capacidad

e térmica -

[kJ/(m

.K)]

Atraso

térmico -

ϕϕ

ϕ [horas]

Cobertura de telha de barro

sem forro

Espessura da telha: 1,0 cm

4,55 18 0,3

Cobertura de telha de barro

com laje de concreto de 20

Espessura da telha: 1,0 cm

1,84 458 8,0

Cobertura de telha de barro,

lâmina de alumínio polido e

forro de madeira

Espessura da telha: 1,0 cm

Espessura da madeira: 1,0

1,11 32 2,0

Cobertura de telha de barro,

lâmina de alumínio polido e

laje de concreto de 20 cm

Espessura da telha: 1,0 cm

1,06 458 11,8

Cobertura de telha de barro

com 2,5 cm de lã de vidro

sobre o forro de madeira

Espessura da telha: 1,0 cm

Espessura da madeira: 1,0

0,95 33 2,3

NOTA: Os atrasos térmicos das coberturas são calculados para condições de verão (fluxo térmico descendente).

Tabela 3.19 – Descrição e Propriedades Térmicas das Paredes Simuladas.

Fonte parcial: ABNT (2005c)

Paredes Descrição

Transmitância

térmica – U

[W/(m².K)]

Capacidade

térmica - Ct

[kJ/(m

.K)]

Atraso

térmico -

ϕϕ

ϕ [horas]

Parede de concreto maciço:

Espessura total da parede: 5,0

cm.

5,04 110 1,3

Parede de concreto maciço:

Espessura total da parede: 10,0

cm.

4,40 220 2,6

Parede de tijolos maciços,

assentados na menor dimensão:

Dimensões do tijolo: 10x6x22 cm;

Argamassa de assentam.: 1,0

cm;

Argamassa de emboço: 2,5 cm;

Espessura total da parede: 15,0

cm.

3,13 255 3,8

Parede de madeira:

Espessura total da parede: 3,0

cm.

2,60 41 2,2

Parede dupla de tijolos maciços,

assentados na menor dimensão:

Dimensões do tijolo: 10x6x22 cm;

Argamassa de assentam.: 1,0

cm;

Argamassa de emboço: 2,5 cm;

Espessura total da parede: 26,0

cm.

2,30 430 6,6

Parede dupla de tijolos maciços,

assentados na menor dimensão:

Dimensões do tijolo: 10x6x22 cm;

Camada de manta de lã de rocha

no interior: 2,0 cm;

Argamassa de assentam.: 1,0

cm;

Argamassa de emboço: 2,5 cm;

Espessura total da parede: 27,0

cm.

1,45 416 9,1

Parede dupla de madeira:

Espessura da madeira: 2,0 cm;

Câmara de ar não ventilada no

interior: 4,0 cm;

Espessura total da parede: 8,0

cm.

1,21 55 6,9

As propriedades térmicas dos materiais usados (condutividade térmica,

densidade, calor específico, absortância para radiação solar e resistência

térmica), obtidas na NBR 15220 (ABNT, 2005b; 2005c) e em Ordenes et al.

(2003), são apresentadas na Tabela 3.20. Todas as paredes possuem a

mesma absortância, de forma que esse não seja mais um fator de influência

nos resultados. O mesmo ocorre com as coberturas.

Tabela 3.20 – Características dos materiais utilizados na simulação computacional.

Material

Condutividade

térmica

[W/m.K]

Densidade

[kg/m

]

Calor

específico

[J/kg.K]

Absortância

Resistência

térmica

.K/W]

Tijolo cerâmico maciço 10

cm, com argamassa de

assentamento

0,900 1764 920 0,3 0,107

Argamassa emboço 2,5 cm 1,150 2000 1000 0,3 0,022

Concreto maciço 10,0 cm 1,750 2200 1000 0,3 0,057

Telha cerâmica 1,0 cm 1,050 2000 920 0,4 0,010

Madeira para parede 2,0

0,140 600 2300 0,7 0,143

Madeira para forro 1,0 cm 0,140 600 2300 0,7 0,071

Manta de lã de rocha 2,0

0,045 100 750 - 0,444

Manta de lã de vidro 2,5 cm 0,045 50 700 - 0,556

lâmina de alumínio polido

(ε<0,2)

230 2700 880 - -

Câmara de ar de baixa

emissividade, espessura

>5,0 cm - fluxo

descendente

- - - - 0,61

Câmara de ar de alta

emissividade, espessura

>5,0 cm - fluxo

descendente

- - - - 0,21

Câmara de ar de baixa

emissividade, espessura 4

cm - fluxo horizontal

- - - - 0,37

3.2.4. Tratamento dos Dados Finais

Para a realização das análises desejadas, das simulações no programa

EnergyPlus as variáveis requeridas do ambiente externo foram temperatura de

bulbo seco [°C] e umidade relativa do ar [%]; e as variáveis requeridas da

edificação foram temperatura média do ar no interior de cada zona [°C],

umidade relativa do ar no interior de cada zona [%], ganho de calor por cargas

internas [J], troca de calor por infiltração e ventilação [J], troca de calor pelas

janelas e portas de vidro [J], troca de calor por convecção pelas paredes, pisos

e coberturas [J].

Uma análise comparativa dos desempenhos de cada modelo proposto

foi realizada com base na porcentagem de horas de desconforto, considerando

a zona de conforto adaptada de Givoni (1992). Para isso foi utilizado o

programa computacional Analysis Bio, inserindo os valores horários de

temperatura e umidade relativa do ar obtidos nas zonas térmicas da edificação,

em cada modelo simulado, para o ano inteiro. Foram analisados dados de duas

zonas do modelo: sala e quarto de casal, que estão entre os ambientes de

maior permanência em uma residência.

Os valores de horas de desconforto foram também obtidos

separadamente para o período de verão (novembro a abril) e de inverno (maio

a outubro). Isso foi feito tendo em vista a diferenciação do padrão de abertura

das janelas nos meses de verão e inverno. As horas de abertura da maior parte

das janelas e portas externas são reduzidas no inverno.

Foram realizadas análises de correlação das porcentagens de horas de

desconforto com os valores de transmitância térmica, capacidade térmica e

atraso térmico dos componentes do envelope, para as diferentes opções de

parede e cobertura. Para isso, foram calculadas as propriedades térmicas

equivalentes para cada cômodo, através de uma ponderação, conforme

exemplificado na Equação 3.3. O mesmo cálculo mostrado para a

transmitância, foi também realizado para a capacidade e atraso térmicos.

jpicpa

jjpipiccpapa

AAAA

AUAUAUAU

+++

).().().().(

Equação 3.3

Onde:

• U

é a transmitância térmica equivalente do cômodo [W/m².K];

• U

é a transmitância térmica das paredes externas [W/m².K];

• U

é a transmitância térmica da cobertura [W/m².K];

• U

é a transmitância térmica do piso [W/m².K];

• U

é a transmitância térmica da janela (vidro) [W/m².K];

• A

é a área de parede externa [m²];

• A

é a área de cobertura [m²];

• A

é a área de piso [m²];

• A

é a área de janela [m²].

As correlações foram realizadas com o auxílio de planilhas eletrônicas,

gerando gráficos e obtendo o valor do coeficiente de determinação (R²). Esse é

um dado que varia de 0,0 a 1,0, sendo que quanto mais próximo do valor 1,0

for o R², melhor a correlação. Um R² igual a 1,0 significaria uma correlação

perfeita entre as duas variáveis. Um R² igual a zero significaria que as duas

variáveis não dependem linearmente uma da outra. Neste trabalho adotou-se a

seguinte interpretação:

• R² > 0,70 indica correlação forte;

• 0,40 ≤ R² ≤ 0,70 indica correlação moderada;

• R² < 0,40 indica correlação fraca.

Com os valores de trocas térmicas da edificação, foi possível verificar

os principais meios de ganho e perda de calor do modelo, com e sem

ocupação e ventilação natural.

íí

RESULTADOS

Neste capítulo são apresentados os resultados obtidos ao longo desta

pesquisa. Inicialmente são mostrados os resultados da calibração, realizada

pela comparação dos dados obtidos nas simulações com as medições em

quatro períodos na edificação estudada. Foram verificadas as diferenças entre

esses valores e o erro quadrático. Quanto menor fossem tais valores, mais

adequada foi considerada a simulação.

Em seguida, são apresentadas as análises para verificação da

influência do envelope no desempenho do modelo simulado, com e sem

ventilação e ocupação. Foram verificadas as horas de desconforto do modelo

com diferentes opções de envelope, e realizadas correlações entre a

porcentagem de horas de desconforto e as propriedades térmicas dos

componentes da edificação. Ao fim, são apresentadas as trocas térmicas do

modelo.

4.1. Calibração do Modelo para Simulação

Os resultados descritos a seguir dizem respeito à comparação dos

valores de temperatura média do ar obtidos por simulação e por medição na

edificação estudada. Para as análises, foram utilizados dados dos seguintes

ambientes: sala, banheiro e quarto de casal. Todos os gráficos apresentados

são referentes a três dias compreendidos entre o período total de

monitoramento da edificação em cada mês, e mostram os valores de

temperatura média do ar medidos e simulados.

Os resultados das primeiras simulações foram comparados às

medições realizadas em agosto e em dezembro de 2007 (janelas e portas

externas fechadas, sem ventilação). Os resultados das últimas simulações

foram comparados com as medições realizadas em setembro de 2007 e janeiro

de 2008 (janelas e portas externas abertas, com ventilação), conforme

mostrado anteriormente na Tabela 3.9.

4.1.1. Simulações Sem Ventilação

4.1.1.1. Resultados para o mês de Dezembro de 2007

São mostrados a seguir os resultados das comparações entre

simulação e a medição de dezembro. No primeiro caso simulado, utilizando o

modelo inicial descrito no item 3.2.1.1, obteve-se os resultados mostrados na

Figura 4.1, para três dias escolhidos, nos três ambientes analisados. Verifica-

se que os comportamentos das curvas de temperatura são semelhantes,

porém os simulados estão sempre bem abaixo dos medidos. A diferença média

entre temperaturas simulada e medida é de 3,7°C na sala, 4,0°C no quarto de

casal e 3,3°C no banheiro, conforme indicado na Tab ela 4.1.

28/12 - 01h

28/12 - 05h

28/12 - 09h

28/12 - 13h

28/12 - 17h

28/12 - 21h

29/12 - 01h

29/12 - 05h

29/12 - 09h

29/12 - 13h

29/12 - 17h

29/12 - 21h

30/12 - 01h

30/12 - 05h

30/12 - 09h

30/12 - 13h

30/12 - 17h

30/12 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura 4.1 – Comparação entre simulação 1 (modelo inicial) e medição em

dezembro/2007

A segunda simulação, com alteração nos valores de temperatura do

solo (do TRY para o medido in loco), apresentou os resultados da Figura 4.2.

Percebe-se uma grande melhoria em relação à primeira simulação. As curvas

de temperatura da simulação se aproximaram da medição, ficando entre elas a

diferença média de 1,4°C na sala, 1,7°C no quarto d e casal e 1,1°C no

banheiro (Tabela 4.1). O erro quadrático apresenta valores quase iguais à

diferença média: 1,5°C na sala, 1,7°C no quarto de casal e 1,1°C no banheiro.

Essa alteração foi mantida nos casos seguintes.

Tabela 4.1 – Resultados das simulações comparadas às medições de dezembro/2007.

SIMULAÇÃO

DIFERENÇA (Temp. simulada – Temp. medida) [°C]

MÍNIMA MÁXIMA MÉDIA

ERRO

QUADRÁTICO

AMPLITUDE

[ºC]

N°

Descrição

S Q B S Q B S Q B S Q B S Q B

Alterações

adotadas

- Medição - - - - - - - - - - - - 2,1

2,6

1,7

Modelo

inicial

3,0 3,5 2,4 4,2 4,6 3,9 3,7 4,0 3,3 3,7 4,0 3,3 2,4

1,9

2,3

Modelo

inicial +

alteração

temp. do

solo

0,8 1,3 0,2 1,9 2,2 1,7 1,4 1,7 1,1 1,5 1,7 1,1 2,4

1,9

2,2

Sim

Simulação 2

+ alteração

volumetria

da cobertura

0,7 1,3 0,2 2,0 2,2 1,7 1,4 1,7 1,1 1,5 1,7 1,1 2,5

1,9

2,3

Sim

Simulação 3

+ diminuição

de 10% na

resistência

0,6 1,3 0,1 2,0 2,2 1,7 1,4 1,7 1,0 1,4 1,7 1,1 2,6

2,0

2,4

Não

Simulação 3

+ aumento

de 10% na

resistência

0,7 1,3 0,2 2,0 2,2 1,7 1,4 1,7 1,1 1,5 1,8 1,1 2,4

1,8

2,2

Não

Simulação 3

+ aumento

de 20% na

resistência

0,8 1,3 0,2 2,0 2,3 1,7 1,5 1,7 1,1 1,5 1,8 1,1 2,3

1,7

2,2

Não

Simulação 3

+ alteração

absortâncias

0,3 1,1 0,0 1,8 2,1 1,6 1,2 1,5 0,9 1,3 1,5 1,0 2,7

2,0

2,4

Sim

Simulação 6

+ aumento

do ganho de

calor

0,3 1,0 0,0 1,8 1,9 1,5 1,2 1,4 0,9 1,2 1,4 0,9 2,7

2,0

2,3

Sim

Simulação 7

+ alteração

infiltração

0,5 0,9 0,2 1,8 1,9 1,5 1,2 1,4 0,9 1,3 1,4 1,0 2,5

1,9

2,1

Sim

Obs.: S = Sala; Q = Quarto; B = Banheiro

28/12 - 01h

28/12 - 05h

28/12 - 09h

28/12 - 13h

28/12 - 17h

28/12 - 21h

29/12 - 01h

29/12 - 05h

29/12 - 09h

29/12 - 13h

29/12 - 17h

29/12 - 21h

30/12 - 01h

30/12 - 05h

30/12 - 09h

30/12 - 13h

30/12 - 17h

30/12 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura 4.2 – Comparação entre simulação 2 (alteração na temperatura do solo) e

medição em dezembro/2007.

Na terceira simulação, com alteração na volumetria da cobertura do

modelo, obtiveram-se resultados bem semelhantes ao anterior, e por isso o

gráfico está apresentado em apêndice (Apêndice B). O erro quadrático e as

diferenças médias entre temperaturas simuladas e medidas permaneceram

iguais ao segundo caso. Apesar de não representar mudanças significativas

para os resultados, essa alteração foi mantida nos casos seguintes, já que esta

volumetria representa melhor o caso real da edificação estudada.

As três simulações seguintes foram realizadas alterando a resistência

térmica dos materiais de construção da casa, com diminuição de 10% e

aumento de 10% e de 20%. Como pode ser verificado na Tabela 4.1, as

diferenças em relação à simulação anterior foram mínimas (gráficos no

Apêndice B). Nos três casos, as diferenças médias e os erros quadráticos

sofreram apenas leves variações. Analisando as amplitudes de temperatura, na

simulação 4 as amplitudes nos três ambientes foram maiores que o caso

anterior, e conseqüentemente mais diferentes em relação às medições. Na

simulação 5 a sala apresentou amplitude de 2,4°C, o quarto de 1,8°C e o

banheiro de 2,2°C. Isso significa que as amplitudes diminuíram um pouco em

relação ao modelo inicial, porém não a ponto de alcançar os valores medidos.

Na simulação 6, as amplitudes ficaram ainda um pouco menores, sendo de

2,3°C na sala, 1,7°C no quarto e 2,2°C no banheiro. Esses resultados

indicaram que tais alterações na resistência dos materiais tiveram pouca

influência nos valores de temperatura do ar dos ambientes, não contribuindo

significativamente na aproximação do modelo com as medições. Isso pode ter

acontecido porque os valores de resistência utilizados inicialmente já são altos,

e já proporcionam um grande isolamento térmico dos ambientes. Sendo assim,

as demais simulações foram realizadas mantendo os valores de resistência

originais, do modelo inicial.

A sétima simulação teve alterações nos valores de absortância dos

materiais do envelope da edificação (gráfico no Apêndice B). Verifica-se,

conforme a Tabela 4.1, que as diferenças médias foram de 1,2°C na sala,

1,5°C no quarto e 0,9°C no banheiro. Ou seja, as di ferenças médias de

temperatura foram menores. O erro quadrático também diminuiu um pouco:

1,3°C na sala, 1,5°C no quarto e 1,0°C no banheiro. Com isso, esses dados de

absortância foram mantidos nas simulações seguintes.

A oitava simulação foi realizada alterando a fração radiante de ganho

de calor pelos equipamentos. Analisando os resultados na Tabela 4.1 (gráfico

no Apêndice B), se vê que as diferenças médias nos valores de temperatura

entre simulação e medição foram de 1,2°C na sala, 1 ,4°C no quarto de casal e

0,9°C no banheiro. O erro quadrático foi de 1,2°C n a sala, 1,4°C no quarto e

0,9°C no banheiro. Isso significa que houve uma peq uena diminuição das

diferenças em relação à simulação anterior. Com relação às amplitudes das

temperaturas, elas ficaram em 2,7°C na sala, 2,0°C no quarto e 2,3°C no

banheiro. Essa alteração é pouco significativa neste modelo porque ele possui

uma quantidade pequena de equipamentos: apenas dois. Ainda assim, a

alteração foi mantida para as simulações seguintes por provocar uma pequena

redução nas diferenças.

No nono caso simulado (o último comparado com os períodos de

agosto e dezembro de 2007) o modelo sofreu alterações no parâmetro de

definição da infiltração de ar. Com os resultados, mostrados na Figura 4.3,

verifica-se que não houve mudanças significativas nas diferenças médias em

relação à simulação anterior. Porém, ocorreram algumas leves alterações nas

amplitudes de temperatura dos ambientes, que passaram a 2,5°C na sala,

1,9°C no quarto e 2,1°C no banheiro. Esses valores da infiltração foram

mantidos nas simulações seguintes. Não foi simulada uma alteração nesse

parâmetro de forma a aumentar a infiltração de ar, pois isso aumentaria a

amplitude da temperatura simulada, tornando-a ainda mais divergente em

relação ao medido.

28/12 - 01h

28/12 - 05h

28/12 - 09h

28/12 - 13h

28/12 - 17h

28/12 - 21h

29/12 - 01h

29/12 - 05h

29/12 - 09h

29/12 - 13h

29/12 - 17h

29/12 - 21h

30/12 - 01h

30/12 - 05h

30/12 - 09h

30/12 - 13h

30/12 - 17h

30/12 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura 4.3 – Comparação entre simulação 9 (alteração na infiltração de ar) e medição

em dezembro/2007.

4.1.1.2. Resultados para o mês de Agosto de 2007

Os resultados dessas nove simulações foram comparados com as

medições realizadas em agosto de 2007. A Figura 4.4 mostra a comparação da

primeira simulação com a medição de agosto. Verifica-se novamente que os

resultados simulados estão abaixo dos valores medidos. A Tabela 4.2, que

mostra as diferenças encontradas entre simulação e medição de agosto, indica

erros quadráticos de 1,2°C na sala, 1,0°C no quarto e 1,1°C no banheiro para o

modelo inicial.

15/08 - 01h

15/08 - 05h

15/08 - 09h

15/08 - 13h

15/08 - 17h

15/08 - 21h

16/08 - 01h

16/08 - 05h

16/08 - 09h

16/08 - 13h

16/08 - 17h

16/08 - 21h

17/08 - 01h

17/08 - 05h

17/08 - 09h

17/08 - 13h

17/08 - 17h

17/08 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura 4.4 – Comparação entre simulação 1 (modelo inicial) e medição em

agosto/2007.

Verificando os resultados de agosto da nona simulação, na Figura 4.5,

percebe-se uma grande melhoria, pela redução das diferenças entre valores

simulados e medidos. Conforme a Tabela 4.2, os erros quadráticos da

simulação 9 caíram para 0,4°C na sala, 0,2°C no qua rto e 0,4°C no banheiro.

Os gráficos das simulações 2 a 8 para o mês de agosto são apresentados no

Apêndice C, por terem resultados muito semelhantes à simulação 9.

Percebe-se que os resultados das simulações apresentaram menores

diferenças quando comparados às medições de agosto do que às de

dezembro. Na comparação com agosto, os erros quadráticos ficam bem

próximos a zero, o que atestaria a sua confiabilidade.

Tabela 4.2 – Resultados das simulações comparadas às medições de agosto/2007.

SIMULAÇÃO

DIFERENÇA (Temp. simulada – Temp. medida) [°C]

MÍNIMA MÁXIMA MÉDIA

ERRO

QUADRÁTICO

AMPLITUDE

[ºC]

N°

Descrição

S Q B S Q B S Q B S Q B S Q B

Alterações

adotadas

Medição - - - - - - - - - - - - 1,4

1,9

2,9

Modelo

inicial

0,2 0,7 0,0 1,8 1,6 1,8 1,1 1,0 1,1 1,2 1,0 1,1 2,2

1,6

2,2

Modelo

inicial +

alteração

temp. do

solo

0,5 0,0 0,7 1,1 0,8 1,1 0,4 0,3 0,4 0,5 0,4 0,5 2,2

1,6

2,2

Sim

Simulação 2

+ alteração

volumetria

da cobertura

0,7 0,0 0,8 1,1 0,9 1,0 0,4 0,3 0,3 0,6 0,4 0,5 2,5

1,8

2,3

Sim

Simulação 3

+ diminuição

de 10% na

resistência

0,7 0,0 0,8 1,2 0,9 1,0 0,4 0,3 0,4 0,6 0,4 0,6 2,5

1,9

2,3

Não

Simulação 3

+ aumento

de 10% na

resistência

0,7 0,0 0,8 1,1 0,8 1,0 0,4 0,3 0,3 0,5 0,3 0,5 2,4

1,7

2,2

Não

Simulação 3

+ aumento

de 20% na

resistência

0,7 0,0 0,9 1,0 0,8 1,0 0,3 0,2 0,3 0,5 0,3 0,5 2,4

1,6

2,2

Não

Simulação 3

+ alteração

absortâncias

0,9 0,2 0,8 1,0 0,8 1,0 0,2 0,1 0,2 0,5 0,3 2,6 2,6

1,9

2,4

Sim

Simulação 6

+ aumento

do ganho de

calor

0,9 0,4 0,8 0,9 0,6 1,0 0,2 0,0 0,2 0,5 0,2 0,4 2,5

1,9

2,4

Sim

Simulação 7

+ alteração

infiltração

0,9 0,4 0,9 0,9 0,6 1,0 0,2 0,1 0,2 0,4 0,2 0,4 2,4

1,7

2,2

Sim

Obs.: S = Sala; Q = Quarto; B = Banheiro

15/08 - 01h

15/08 - 05h

15/08 - 09h

15/08 - 13h

15/08 - 17h

15/08 - 21h

16/08 - 01h

16/08 - 05h

16/08 - 09h

16/08 - 13h

16/08 - 17h

16/08 - 21h

17/08 - 01h

17/08 - 05h

17/08 - 09h

17/08 - 13h

17/08 - 17h

17/08 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura 4.5 – Comparação entre simulação 9 (alteração na infiltração de ar) e medição

em agosto/2007.

Investigando o que poderia provocar essa maior diferença na

comparação com os dados de dezembro, verificou-se que nos dias de

monitoramento em dezembro a temperatura do ar manteve-se mais alta

(variação de 23°C a 35°C nos dias 28 a 30/12/2007) do que o verificado em

agosto (variação de 15°C a 27°C nos dias 15 a 17/08 /2007). Isso gerou a

desconfiança de que nos períodos mais quentes poderia ocorrer uma

estratificação da temperatura nos ambientes, influenciando as medições com

os Hobos.

É importante destacar que os dados de temperatura do ar do

monitoramento dizem respeito a um ponto de medição localizado a 1,80 m de

altura aproximadamente no centro de cada ambiente, e que os ambientes não

apresentam distribuição uniforme dos fluxos de ar. Já o resultado da simulação

diz respeito ao valor de temperatura do ar exatamente no centro ambiente,

considerando cada ambiente homogêneo termicamente.

A fim de investigar essa desconfiança, seis Hobos foram posicionados

na sala da edificação monitorada, em diferentes alturas, conforme mostrado na

Figura 4.6. Foram realizadas medições entre os dias 2 e 5 de novembro de

2008, com a casa fechada, sem ventilação, e sem ocupação. O dia mais

quente desse período foi 5/11, com temperatura externa do ar variando de 22 a

29°C. O dia menos quente no período foi 2/11, com t emperatura externa

variando de 20 a 22°C.

Figura 4.6 – Corte da sala: Hobos utilizados para verificação de estratificação na

temperatura do ar.

A Figura 4.7 mostra as temperaturas medidas pelos seis Hobos no

período. Os resultados mostram que realmente há uma diferenciação nos

valores de temperatura do ar para as diferentes alturas, sendo essa diferença

maior para os dias com temperatura mais elevada. Sendo assim, tal fato

poderia explicar a maior diferença nos dados da calibração para o período de

dezembro (mais quente) e menor para agosto (mais frio). A partir desta

verificação, o modelo foi considerado adequado, e sua calibração teve

prosseguimento, incluindo a ventilação natural.

2/11/2008

3/11/2008

4/11/2008

5/11/2008

Temperatura do ar [°C]

Hobo 1

Hobo 2

Hobo 3

Hobo 4

Hobo 5

Hobo 6

Figura 4.7 – Gráfico de temperaturas do ar: dias 2 a 5/11/2008.

4.1.2. Simulações Com Ventilação

As últimas simulações de calibração foram comparadas com as

medições realizadas em setembro de 2007 e janeiro de 2008, quando a casa

foi monitorada com abertura de janelas e portas, ou seja, com ventilação

natural.

4.1.2.1. Resultados para o mês de Janeiro de 2008

São mostrados a seguir os resultados das comparações entre as

simulações e a medição de janeiro. A Figura 4.8 mostra os resultados para a

simulação do nono caso (com alteração na infiltração de ar) comparado com as

medições em três dias de janeiro. Verifica-se que a influência da ventilação na

temperatura interna dos ambientes é mais significativa na simulação do que a

que ocorreu de fato no monitoramento, principalmente na sala e banheiro.

Nos horários da noite, quando as janelas estavam fechadas, os

resultados da simulação são mais semelhantes aos medidos. Porém, nos

horários diurnos, quando as janelas estavam abertas, os resultados da

simulação atingem picos mais elevados que os das medições. A Tabela 4.3

mostra que essa diferença chega ao máximo de 2,0°C na sala, 1,9°C no quarto

e 2,2°C no banheiro. Apesar disso, as diferenças mé dias podem ser

consideradas pequenas: 0,2°C na sala, 0,4°C no quar to e 0,6°C no banheiro.

Analisando as amplitudes de temperatura no período, verifica-se que nas

medições obteve-se amplitude de 3,0°C na sala, 2,8° C no quarto de casal e

2,5°C no banheiro. Já nas simulações, as amplitudes obtidas foram maiores:

4,8°C na sala, 3,3°C no quarto e 4,3°C no banheiro.

08/01 - 01h

08/01 - 05h

08/01 - 09h

08/01 - 13h

08/01 - 17h

08/01 - 21h

09/01 - 01h

09/01 - 05h

09/01 - 09h

09/01 - 13h

09/01 - 17h

09/01 - 21h

10/01 - 01h

10/01 - 05h

10/01 - 09h

10/01 - 13h

10/01 - 17h

10/01 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura 4.8 – Comparação entre simulação 9 (alteração na infiltração de ar) e medição

em janeiro/2008.

Para verificar a influência do coeficiente de descarga na simulação da

ventilação, foram realizadas simulações alterando seu valor para 0,7 e para

0,5. Os gráficos dessas simulações são apresentados no Apêndice D, por

terem resultados muito semelhantes aos da simulação anterior. Com os

resultados da Tabela 4.3 para a simulação 10, que utilizou coeficiente de

descarga igual a 0,7, verifica-se que esta alteração provocou um pequeno

aumento nos valores e nas amplitudes de temperatura obtidos na simulação,

tornando os resultados mais diferentes em relação aos medidos. Já nos

resultados da simulação 11, com coeficiente de descarga igual a 0,5, verifica-

se uma pequena diminuição nas amplitudes de temperatura, porém não há

alterações nas diferenças médias. As amplitudes de temperatura desta

simulação ficaram em 4,7°C na sala, 3,0°C no quarto e 4,2°C no banheiro. Os

resultados ficaram mais próximos às medições, mas ainda com diferenças

máximas de 2,0°C na sala, 1,9°C no quarto e 2,1°C n o banheiro, sempre nos

momentos mais quentes do dia, com ventilação.

Tabela 4.3 – Resultados das simulações comparadas às medições de janeiro/2008.

SIMULAÇÃO

DIFERENÇA (Temp. simulada – Temp. medida) [°C]

MÍNIMA MÁXIMA MÉDIA

ERRO

QUADRÁTICO

AMPLITUDE

[ºC]

N°

Descrição

S Q B S Q B S Q B S Q B S Q B

Alterações

adotadas

Medição - - - - - - - - - - - - 3,0

2,8

2,5

Simulação 7

+ alteração

infiltração

1,0 0,7 0,7 2,0 1,9 2,2 0,2 0,4 0,6 0,7 0,7 0,8 4,8

3,3

4,3

Sim

Simulação 8

+ coef. desc.

= 0,7

1,0 0,8 0,8 2,1 2,0 2,3 0,3 0,4 0,6 0,7 0,8 0,8 4,9

3,4

4,5

Não

Simulação 8

+ coef. desc.

= 0,5

0,9 0,6 0,6 2,0 1,9 2,1 0,2 0,4 0,6 0,6 0,7 0,8 4,7

3,0

4,2

Não

Simulação 8

+ coef. desc.

= 0,3

0,8 0,6 0,5 1,8 1,7 1,9 0,2 0,4 0,5 0,6 0,7 0,7 4,4

2,5

3,7

Não

Simulação 8

+ exp. vel.

vento = 0,5

0,8 0,5 0,4 1,7 1,6 1,8 0,2 0,4 0,5 0,6 0,7 0,7 4,3

2,6

3,6

Sim

Obs.: S = Sala; Q = Quarto; B = Banheiro

Tendo em vista que essas duas alterações tiveram pouco efeito sobre

os resultados, foi realizada uma nova simulação utilizando coeficiente de

descarga ainda menor: igual a 0,3 (simulação 12). Apesar de estarem um

pouco mais próximos às medições, os valores de temperatura ainda

apresentam diferenças máximas de 1,8°C na sala, 1,7 °C no quarto e 1,9°C no

banheiro (gráfico no Apêndice D). As amplitudes de temperatura na simulação

foram de 4,4°C na sala, 2,5°C no quarto e 3,7°C no banheiro. Estas alterações

não foram mantidas.

As diferenças que permaneceram podem também ser provocadas por

imprecisão nos valores de coeficiente de pressão. Porém, como este é um

parâmetro complexo, com a inclusão de uma série de valores, para cada

abertura e para diferentes ângulos de vento, seria difícil definir uma variação

para ele. Assim, para tentar minimizar as diferenças nos resultados, optou-se

por uma última modificação, no valor do expoente da velocidade do vento,

relacionado à rugosidade do entorno. Os resultados desta última simulação

(simulação 13) são mostrados na Figura 4.9. Tais resultados se mostram um

pouco mais próximos às medições, com diferenças máximas de 1,7°C na sala,

1,6°C no quarto e 1,8°C no banheiro. As diferenças médias foram de 0,2°C na

sala, 0,4°C no quarto e 0,5°C no banheiro. As ampli tudes de temperatura na

simulação foram de 4,3°C na sala, 2,6°C no quarto e 3,6°C no banheiro. Sendo

assim, esta última alteração foi mantida, definindo o modelo final.

08/01 - 01h

08/01 - 05h

08/01 - 09h

08/01 - 13h

08/01 - 17h

08/01 - 21h

09/01 - 01h

09/01 - 05h

09/01 - 09h

09/01 - 13h

09/01 - 17h

09/01 - 21h

10/01 - 01h

10/01 - 05h

10/01 - 09h

10/01 - 13h

10/01 - 17h

10/01 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura 4.9 – Comparação entre simulação 13 (expoente da velocidade do vento = 0,5)

e medição em janeiro/2008.

4.1.2.2. Resultados para o mês de Setembro de 2007

Os resultados das simulações 9 a 13 foram também comparados com

as medições realizadas em setembro de 2007. Na Tabela 4.4 são mostradas

as diferenças encontradas entre simulações e medição de setembro. O erro

quadrático na simulação 9 foi de 1,2°C na sala, 0,7 °C no quarto e 1,0°C no

banheiro. Na simulação 13, o erro quadrático caiu para 1,0°C na sala, 0,6°C no

quarto e 0,8°C no banheiro. As amplitudes que na si mulação 9 eram de 5,5°C

na sala, 4,1°C no quarto e 5,1°C no banheiro, caíra m na simulação 13 para

4,9°C, 2,8°C e 4,2°C, respectivamente, diminuindo a s disparidades em relação

aos dados medidos. O gráfico da simulação final, com alteração no expoente

da velocidade do vento (simulação 13) é mostrado na Figura 4.10. Os demais

gráficos (simulações 9 a 12) estão apresentados no Apêndice E, pois têm

resultados semelhantes.

Verifica-se que, assim como nas comparações do mês de janeiro, os

valores de temperatura da simulação atingem picos mais elevados que os das

medições nos horários diurnos, quando as janelas estavam abertas. Apesar

dessas diferenças que se mantiveram, esse modelo final apresentou diferenças

médias e erros quadráticos iguais ou menores que 1,0°C. Tendo isso em vista,

e considerando que os equipamentos utilizados para as medições de

temperatura do ar possuem precisão de ± 0,35°C, o m odelo foi considerado

adequado para as simulações seguintes, de análises da influência do envelope

no desempenho térmico da edificação.

Tabela 4.4 – Resultados das simulações comparadas às medições de setembro/2008.

SIMULAÇÃO

DIFERENÇA (Temp. simulada – Temp. medida) [°C]

MÍNIMA MÁXIMA MÉDIA

ERRO

QUADRÁTICO

AMPLITUDE

[ºC]

N°

Descrição

S Q B S Q B S Q B S Q B S Q B

Alterações

adotadas

Medição - - - - - - - - - - - - 2,3

2,0

2,1

Simulação 7

+ alteração

infiltração

0,5 1,3 0,8 3,5 2,0 3,1 0,5 0,1 0,4 1,2 0,7 1,0 5,5

4,1

5,1

Sim

Simulação 8

+ coef. desc.

= 0,7

0,5 1,3 0,8 3,6 2,1 3,2 0,5 0,1 0,5 1,2 0,7 1,1 5,6

4,3

5,2

Não

Simulação 8

+ coef. desc.

= 0,5

0,6 1,2 0,7 3,4 1,9 3,0 0,4 0,2 0,4 1,2 0,6 1,0 5,5

3,8

4,9

Não

Simulação 8

+ coef. desc.

= 0,3

0,7 1,2 0,6 3,2 1,4 2,6 0,3 0,3 0,3 1,1 0,6 0,9 5,3

3,1

4,4

Não

Simulação 8

+ exp. vel.

vento = 0,5

0,6 1,1 0,6 2,9 1,2 2,4 0,3 0,3 0,3 1,0 0,6 0,8 4,9

2,8

4,2

Sim

Obs.: S = Sala; Q = Quarto; B = Banheiro

12/09 - 01h

12/09 - 05h

12/09 - 09h

12/09 - 13h

12/09 - 17h

12/09 - 21h

13/09 - 01h

13/09 - 05h

13/09 - 09h

13/09 - 13h

13/09 - 17h

13/09 - 21h

14/09 - 01h

14/09 - 05h

14/09 - 09h

14/09 - 13h

14/09 - 17h

14/09 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura 4.10 – Comparação entre simulação 13 (expoente da velocidade do vento =

0,5) e medição em setembro/2007.

4.2. Análises das Simulações de Desempenho Térmico

O modelo computacional, após calibrado, recebeu algumas

simplificações (retirada de algumas aberturas e de todas as persianas e

proteções solares), e foi utilizado para simulações de desempenho térmico,

com diferentes materiais no seu envelope. A Figura 4.11 mostra um esquema

das simulações realizadas, com 13 combinações de envelope, simulados com

e sem ventilação e ocupação, totalizando 26 simulações.

Duas zonas do modelo foram escolhidas para as análises: quarto de

casal e sala. Os dados de temperatura interna do ar e umidade relativa do ar,

para cada uma dessas zonas, obtidas nas simulações com o programa

EnergyPlus, foram inseridas no programa Analysis Bio. Com isso, obteve-se a

porcentagem de horas de conforto e de desconforto no ano, para cada

ambiente, em cada variação simulada. São mostrados a seguir os resultados

para o quarto de casal. Os resultados obtidos para a sala foram semelhantes

ao do quarto e, por isso, estão apresentados no Apêndice F.

Arquivo climático de Florianópolis

com ventilação

sem ventilação

sem ocupação com ocupação

parede 1

parede 2

parede 3

parede 4

parede 5

parede 6

parede modelo

de referência

cobertura 1

cobertura 2

cobertura 3

cobertura 4

cobertura 5

cobertura modelo

de referência

parede 7

Figura 4.11 – Esquema das simulações finais realizadas.

A Tabela 4.5 mostra as porcentagens de horas de conforto e

desconforto no quarto de casal, para as 26 simulações. Nas simulações com

ventilação e ocupação, o quarto de casal teve a janela aberta no período

diurno, conforme determinado no item 3.2.3.1, e teve ocupação principalmente

noturna, conforme o item 3.2.3.2. Verifica-se que as alterações no envelope

provocaram algumas variações nas porcentagens, sendo que nos modelos

sem ventilação e ocupação as horas de desconforto variaram de 43,2% a

57,4%, e nos modelos com ventilação e ocupação as horas de desconforto

variaram de 57,4% a 69,0%.

Tabela 4.5 – Porcentagem de horas de conforto e desconforto anuais

no quarto de casal.

Sem Ventilação e Ocupação Com Ventilação e Ocupação

Horas de

desconforto [%]

Horas de

desconforto [%]

Modelo

Horas de

conforto

[%]

Total

Frio Calor

Horas de

conforto

[%]

Total

Frio Calor

Modelo

Referência

48,3 51,7

23,8 27,9

34,1 65,9

26,2 39,7

Variação

Cobertura 1

46,7 53,3

25,1 28,2

31,0

69,0

29,5 39,5

Variação

Cobertura 2

50,5 49,5

23,1 26,4

39,1 60,9

22,6 38,3

Variação

Cobertura 3

49,2 50,8

23,5 27,3

35,6 64,4

24,7 39,7

Variação

Cobertura 4

50,5 49,5

23,3 26,2

38,4 61,6

22,7 38,9

Variação

Cobertura 5

49,1 50,9

23,3 27,6

36,0 64,0

24,5 39,5

Variação

Parede 1

46,9 53,1

25,3 27,8

31,8 68,2

29,2 39,0

Variação

Parede 2

49,6 50,4

23,3 27,1

34,9 65,1

25,7 39,4

Variação

Parede 3

50,5 49,5

23,0 26,5

37,6 62,4

23,9 38,5

Variação

Parede 4

42,6

57,4

27,0 30,4

31,7 68,2

29,3 38,9

Variação

Parede 5

53,0 47,0

22,7 24,3

40,1 59,9

22,0 37,9

Variação

Parede 6

56,8

43,2

21,1 22,1

42,6

57,4

20,4 37,0

Variação

Parede 7

44,6 55,4

24,9 30,5

35,7 64,3

25,6 38,7

Para todas as opções de envelope, o modelo com ventilação e

ocupação apresentou maior desconforto que o modelo sem ventilação e

ocupação, principalmente por calor. Nos modelos sem ventilação e ocupação,

os valores de desconforto por frio e por calor são semelhantes (diferenças

variando de 1,0% a 5,6%). Já nos modelos com ventilação e ocupação, as

porcentagens de desconforto por calor são de 9,6 a 16,6% maiores que por

frio. Isso significa que a ventilação diurna constante durante o verão foi

desfavorável ao conforto térmico do ambiente. O ideal para obter conforto seria

fazer a ventilação seletiva, abrindo as janelas apenas nos horário em que a

temperatura do ar externa estivesse mais baixa que a interna. Verifica-se ainda

que, nos dois casos (com e sem ventilação e ocupação), o menor desconforto

foi obtido no modelo com a parede 6, correspondente à parede dupla de tijolos

maciços, com camada de manta de lã de rocha no interior.

A Figura 4.12 mostra as cartas bioclimáticas, geradas no programa

Analysis Bio, para o modelo de referência com e sem ventilação e ocupação. É

possível observar que no caso sem ventilação, os pontos ficam mais

organizados, sem ultrapassar determinados valores de umidade. Já no caso

com ventilação, os pontos ficam mais dispersos na carta. Apesar dessas

diferenças, nos dois casos os pontos se distribuem nas mesmas zonas da

carta, estando a maioria dos pontos nas zonas de conforto (1), ventilação (2) e

massa térmica/aquecimento solar (7).

Figura 4.12 – Carta bioclimática gerada no programa Analysis Bio, para o

quarto de casal - Modelo de Referência: sem ventilação e ocupação (a), e com

ventilação e ocupação (b).

(a)

(b)

Tendo em vista a diferenciação do padrão de abertura das janelas nos

meses de verão e inverno, os dados da simulação com ventilação e ocupação

foram separados em período de verão e de inverno. Com essa separação,

obtiveram-se os valores de horas de conforto e desconforto para verão e para

inverno. Para o modelo de referência obtiveram-se os resultados mostrados na

Tabela 4.6. Verifica-se que o valor de horas de desconforto anual, é igual à

média entre os valores de verão e inverno, em decorrência de ambos os

períodos serem compostos por 6 meses. É possível perceber ainda que, no

caso sem ventilação e ocupação o desconforto é maior no verão. Já no caso

com ventilação e ocupação, o desconforto é maior no inverno.

Tabela 4.6 – Porcentagem de horas de conforto e desconforto do quarto de casal no

Modelo de Referência para ano inteiro, verão e inverno.

Horas de desconforto [%]

Período Simulação

Horas de

conforto [%]

Total Frio Calor

Sem Ventilação

e Ocupação

48,3

51,7

23,8 27,9

Ano inteiro

Com Ventilação

e Ocupação

34,1

65,9

26,2 39,7

Sem Ventilação

e Ocupação

43,6 56,4 1,8 54,6

Verão

Com Ventilação

e Ocupação

38,6 61,4 0,8 60,6

Sem Ventilação

e Ocupação

52,9 47,1 45,5 1,6

Inverno

Com Ventilação

e Ocupação

29,6 70,4 51,2 19,2

As três figuras mostradas a seguir (Figuras 4.13, 4.14 e 4.15)

apresentam as porcentagens de horas de desconforto anuais no quarto de

casal, ordenadas pelo valor crescente de transmitância térmica equivalente

(Figura 4.13), capacidade térmica equivalente (Figura 4.14), e atraso térmico

equivalente (Figura 4.15) dos componentes do envelope. Essas propriedades

térmicas equivalentes foram calculadas por uma ponderação para o cômodo,

conforme explicado no item 3.2.4 deste trabalho. Verifica-se que a variação dos

materiais do envelope provoca também variações nas horas de desconforto,

sendo essa variação semelhante para os casos com e sem ventilação e

ocupação.

(Par.7) 2,18

(Par.6) 2,3

(Par.5) 2,75

(Par.4) 2,9

(Par.3) 3,18

(Cob.5) 3,22

(Cob.4) 3,25

(Cob.3) 3,26

(Cob.2) 3,44

(M.Ref.) 3,47

(Par.2) 3,84

(Cob.1) 4,1

(Par.1) 4,17

Horas de Desconforto [%]

Transmitância térmica equivalente – U

[W/(m².K)]

Sem ventilação e

ocupação

Com ventilação e

ocupação

Figura 4.13 – Porcentagens de horas de desconforto anuais no quarto de casal

relacionadas à transmitância térmica equivalente.

(Par.4) 77,04

(Par.7) 84,34

(Par.1) 113,01

(Cob.1) 129,93

(M.Ref.) 133,34

(Cob.3) 133,34

(Cob.5) 133,59

(Par.2) 170,36

(Par.3) 188,6

(Cob.2) 237,15

(Cob.4) 237,15

(Par.6) 272,53

(Par.5) 279,83

Horas de Desconforto [%]

Capacidade térmica equivalente - Cteq [kJ/(m².K)]

Sem ventilação e

ocupação

Com ventilação e

ocupação

Figura 4.14 – Porcentagens de horas de desconforto anuais no quarto de casal

relacionadas à capacidade térmica equivalente.

(Par.1) 1,56

(Cob.1) 1,89

(Par.4) 2,03

(M.Ref.) 2,13

(Par.2) 2,24

(Cob.3) 2,3

(Cob.5) 2,38

(Par.3) 2,86

(Cob.2) 3,77

(Par.5) 4,32

(Par.7) 4,48

(Cob.4) 4,69

(Par.6) 5,63

Horas de Desconforto [%]

Atraso térmico equivalente -

[horas]

Sem ventilação e

ocupação

Com ventilação e

ocupação

Figura 4.15 – Porcentagens de horas de desconforto anuais no quarto de casal

relacionadas ao atraso térmico equivalente.

Analisando a Figura 4.13, percebe-se que, com o aumento dos valores

de transmitância térmica equivalente, há uma tendência ao aumento das horas

de desconforto. Porém, essa relação é irregular, com valores que fogem a essa

tendência, como os referentes à parede 7 e à parede 4. Não há uma

regularidade (reta ascendente ou descendente) na relação entre a variação da

transmitância e a variação das horas de desconforto.

Observando as Figuras 4.14 e 4.15, verifica-se que, tanto para

capacidade térmica equivalente como atraso térmico equivalente, com o

aumento desses valores, há uma tendência à diminuição das horas de

desconforto. Porém, novamente essa relação é irregular: no gráfico do atraso

térmico verifica-se, por exemplo, que o valor correspondente à parede 7

novamente foge à tendência.

Os mesmos gráficos foram elaborados para as porcentagens de horas

de desconforto no quarto de casal apenas no período do verão, obtendo-se os

resultados mostrados na Figura 4.16 (transmitância térmica equivalente),

Figura 4.17 (capacidade térmica equivalente) e Figura 4.18 (atraso térmico

equivalente). Com elas, verifica-se que, apesar das diferenças entre as

porcentagens de horas de desconforto apenas no período do verão, ainda

assim os resultados dos casos com e sem ventilação e ocupação

apresentaram variações bem semelhantes.

Na Figura 4.16 verifica-se que também há uma tendência ao aumento

das horas de desconforto à medida que se aumenta a transmitância, porém

novamente com irregularidades e com valores fora dessa tendência. Da

mesma forma, nas Figuras 4.17 e 4.18 observa-se uma tendência à diminuição

das horas de desconforto à medida que se aumenta a capacidade e o atraso

térmico, porém também com irregularidades, principalmente no gráfico

relacionado à capacidade térmica.

(Par.7) 2,65

(Par.6) 2,74

(Par.5) 3,06

(Par.4) 3,17

(Cob.5) 3,28

(Cob.4) 3,31

(Cob.3) 3,33

(Par.3) 3,37

(Cob.2) 3,53

(M.Ref.) 3,58

(Par.2) 3,84

(Par.1) 4,08

(Cob.1) 4,31

Horas de Desconforto [%]

Transmitância térmica equivalente – U

[W/(m².K)]

Sem ventilação e

ocupação

Com ventilação e

ocupação

Figura 4.16 – Porcentagens de horas de desconforto no verão no quarto de casal

relacionadas à transmitância térmica equivalente.

(Par.4) 80,7

(Par.7) 85,91

(Par.1) 106,38

(Cob.1) 116,92

(Cob.3) 120,9

(M.Ref.) 120,9

(Cob.5) 121,19

(Par.2) 147,33

(Par.3) 160,36

(Par.6) 220,3

(Par.5) 225,51

(Cob.4) 242,12

(Cob.2) 242,12

Horas de Desconforto [%]

Capacidade térmica equivalente - Ct

[kJ/(m².K)]

Sem ventilação e

ocupação

Com ventilação e

ocupação

Figura 4.17 – Porcentagens de horas de desconforto no verão no quarto de casal

relacionadas à capacidade térmica equivalente.

(Par.1) 1,52

(Cob.1) 1,65

(Par.4) 1,86

(M.Ref.) 1,93

(Par.2) 2,01

(Cob.3) 2,13

(Cob.5) 2,22

(Par.3) 2,45

(Par.5) 3,49

(Par.7) 3,61

(Cob.2) 3,84

(Par.6) 4,43

(Cob.4) 4,92

Horas de Desconforto [%]

Atraso térmico equivalente -

[horas]

Sem ventilação e

ocupação

Com ventilação e

ocupação

Figura 4.18 – Porcentagens de horas de desconforto no verão no quarto de casal

relacionadas ao atraso térmico equivalente.

4.2.1. Análises de Correlação

Os valores de porcentagens de horas de desconforto foram

correlacionados às propriedades térmicas dos componentes do envelope, com

o auxílio de planilhas eletrônicas, obtendo-se o valor de “R²”. Foram

desenhados gráficos de correlação, considerando separadamente as variações

de parede e variações de cobertura.

A Figura 4.19 mostra os gráficos de correlação das porcentagens de

horas de desconforto do quarto com as propriedades térmicas da cobertura do

modelo. Considerando os valores de R², que em todos os casos ficaram entre

0,4 e 0,7, pode-se dizer que houve correlação moderada entre o desconforto e

as três propriedades térmicas, tanto com quanto sem ventilação e ocupação. O

maior valor de R² foi 0,70, obtido na correlação entre desconforto e atraso

térmico para o modelo sem ventilação e ocupação. O menor valor de R² foi

0,57, obtido na correlação entre desconforto e transmitância térmica do modelo

com ventilação e ocupação. De forma geral, verifica-se que, para as variações

de cobertura, a transmitância, a capacidade e o atraso térmicos influenciam de

forma semelhante as horas de desconforto (R² varia pouco).

R² = 0,6322

R² = 0,5789

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

Horas de Desconforto [%]

Transmitância térmica da cobertura – U

[W/(m².K)]

R² = 0,6344

R² = 0,6625

0 100 200 300 400 500

Horas de Desconforto [%]

Capacidade térmica da cobertura - Ct

[kJ/(m².K)]

R² = 0,7006

R² = 0,6916

0,0 5,0 10,0 15,0

Horas de Desconforto [%]

Atraso térmico da cobertura - φc [horas]

Sem ventilação e ocupação

Com ventilação e ocupação

Linear (Sem ventilação e

ocupação)

Linear (Com ventilação e

ocupação)

Obs: Parede: U

= 3,7 ; Ct

= 149 ;

= 2,4

Figura 4.19 – Correlação entre a porcentagem de horas de desconforto e as

propriedades térmicas da cobertura do quarto de casal: transmitância térmica (a),

capacidade térmica (b), e atraso térmico (c).

(c)

(a)

(b)

Fazendo a correlação das porcentagens de horas de desconforto com

as propriedades térmicas da parede do modelo, obtiveram-se os gráficos

mostrados na Figura 4.20. Tendo em vista os valores de R², percebe-se que as

correlações obtidas foram variadas, sendo algumas fracas e outras fortes. As

análises com a transmitância térmica foram as que apresentaram menores

valores de R², que ficaram abaixo de 0,4, indicando correlação fraca tanto para

o caso com ventilação e ocupação quanto sem ventilação e ocupação. Na

análise com o atraso térmico, apenas o caso com ventilação e ocupação

obteve forte correlação com o desconforto, com R² = 0,77. A correlação mais

forte ocorreu entre o desconforto e a capacidade térmica da parede: R² = 0,90

para o modelo sem ventilação e ocupação e R² = 0,79 para o modelo com

ventilação e ocupação.

R² = 0,036

R² = 0,3679

0,00 2,00 4,00 6,00

Horas de Desconforto [%]

Transmitância térmica da parede – U

[W/(m².K)]

R² = 0,9092

R² = 0,7961

0 100 200 300 400 500

Horas de Desconforto [%]

Capacidade térmica da parede - Ct

[kJ/(m².K)]

R² = 0,3716

R² = 0,7745

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Horas de Desconforto [%]

Atraso térmico da parede - φ

[horas]

Sem ventilação e ocupação

Com ventilação e ocupação

Linear (Sem ventilação e

ocupação)

Linear (Com ventilação e

ocupação)

Obs: Cobertura: U

2,0 = ; Ct

= 32 ;

= 1,3

Figura 4.20 – Correlação entre a porcentagem de horas de desconforto e as

propriedades térmicas da parede do quarto de casal: transmitância térmica (a),

capacidade térmica (b), e atraso térmico (c).

Foram ainda realizadas correlações entre as porcentagens de horas de

desconforto e as propriedades térmicas equivalentes dos componentes do

envelope (ponderação para o cômodo como um todo, conforme explicado no

item 3.2.4), mostradas na Figura 4.21. É possível perceber que houve fraca

correlação entre desconforto e transmitância térmica, com valores de R²

(c)

(a)

(b)

menores que 0,4. Houve forte correlação entre desconforto e capacidade

térmica, com valor de R² = 0,75 para o caso com ventilação e ocupação, e R² =

0,81 para o caso sem ventilação e ocupação.

R² = 0,0521

R² = 0,3663

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

Horas de Desconforto [%]

Transmitância térmica equivalente – U

[W/(m².K)]

R² = 0,813

R² = 0,7466

0,00 100,00 200,00 300,00

Horas de Desconforto [%]

Capacidade térmica equivalente - Ct

[kJ/(m².K)]

R² = 0,3707

R² = 0,7424

0,00 2,00 4,00 6,00

Horas de Desconforto [%]

Atraso térmico equivalente -

[horas]

Sem ventilação e ocupação

Com ventilação e ocupação

Linear (Sem ventilação e

ocupação)

Linear (Com ventilação e

ocupação)

Figura 4.21 – Correlação entre a porcentagem de horas de desconforto e as

propriedades térmicas equivalentes do quarto de casal: transmitância térmica (a),

capacidade térmica (b), e atraso térmico (c).

Analisando a linha de tendência indicada em cada correlação, observa-

se que, na análise da Figura 4.21a, a mesma variação de transmitância térmica

equivalente corresponderia a uma variação de 3% no desconforto do caso sem

ventilação e ocupação e de 7% no desconforto do caso com ventilação e

ocupação. Isso significa que, apesar da fraca correlação, a transmitância

exerce maior influência sobre o desconforto para o modelo ventilado e

ocupado. Fazendo a mesma análise para a Figura 4.21b, verifica-se que a

mesma variação de capacidade térmica equivalente corresponderia a uma

variação de 10% no desconforto do caso sem ventilação e ocupação e de 9%

no desconforto do caso com ventilação e ocupação. Sendo assim, a

capacidade térmica influencia o desconforto do modelo ventilado e ocupado

tanto quanto o modelo sem ventilação e ocupação. Na análise para a Figura

4.21c, observa-se que a mesma variação de atraso térmico equivalente

(c)

(a)

(b)

corresponderia a uma variação de 7% no desconforto do caso sem ventilação e

ocupação e de 9% no desconforto do caso com ventilação e ocupação. Dessa

forma, o atraso térmico demonstra exercer maior influência sobre o desconforto

do modelo ventilado e ocupado do que sobre o modelo sem ventilação e

ocupação

Esses resultados apontam que o tipo de material do envelope

influencia no desempenho térmico da edificação com ventilação e ocupação,

em alguns casos até mais do que no caso da edificação sem ventilação e

ocupação. Eles indicam também que essa influência está mais fortemente

relacionada à capacidade térmica dos componentes do envelope, e menos à

sua transmitância térmica.

4.2.2. Análise das Trocas Térmicas

Os gráficos de correlação apresentados anteriormente demonstraram,

em alguns casos, maior influência das propriedades dos componentes do

envelope sobre os modelos com ventilação e ocupação do que sobre os

modelos sem ventilação e ocupação. Esses resultados vão de encontro ao

obtido em outras pesquisas apresentadas na revisão bibliográfica deste

trabalho, tais como Özdeniz e Hançer (2005) e Liping e Hien (2007), o que

gerou desconfianças quanto à veracidade dos resultados aqui obtidos. Foram

então verificados os ganhos de calor dos modelos simulados. Os gráficos

mostrados nas duas figuras a seguir (Figura 4.22 a 4.23), dizem respeito ao

modelo de referência, nos dias 3 a 9 de janeiro, sendo o dia 8/1 o pico de calor

do ano climático de referência (TRY).

A Figura 4.22 mostra as trocas de calor do quarto de casal para o

modelo de referência sem ventilação e ocupação, e a Figura 4.23 com

ventilação e ocupação. Nessas duas figuras, os gráficos são compostos por

dados de troca de calor por convecção dos componentes do envelope com o ar

no interior do cômodo, trocas de calor por infiltração e ventilação e ganhos de

calor pelas cargas térmicas internas (pessoas, iluminação e equipamentos).

Verifica-se que em ambos os gráficos existe um grande ganho de calor pela

cobertura, seguido pelo ganho da parede leste (pois o quarto fica na fachada

leste), e grandes perdas de calor pelo piso. Na Figura 4.23 existe ainda um

grande ganho de calor pelas cargas internas, e uma grande perda pela

ventilação.

-1500000

-1000000

-500000

500000

1000000

03/01 01h

03/01 11h

03/01 21h

04/01 07h

04/01 17h

05/01 03h

05/01 13h

05/01 23h

06/01 09h

06/01 19h

07/01 05h

07/01 15h

08/01 01h

08/01 11h

08/01 21h

09/01 07h

09/01 17h

Ganhos de Calor [J]

Vidros (convecção)

Parede Sul (convecção)

Parede Leste (convecção)

Parede Norte (convecção)

Parede Oeste (convecção)

Piso (convecção)

Cobertura (convecção)

Infiltração externa

Infiltração entre zonas

Figura 4.22 – Trocas de calor do quarto de casal – Modelo Referência sem ventilação

e ocupação, nos dias 3 a 9 de janeiro.

-1500000

-1000000

-500000

500000

1000000

03/01 01h

03/01 11h

03/01 21h

04/01 07h

04/01 17h

05/01 03h

05/01 13h

05/01 23h

06/01 09h

06/01 19h

07/01 05h

07/01 15h

08/01 01h

08/01 11h

08/01 21h

09/01 07h

09/01 17h

Ganhos de Calor [J]

Vidros (convecção)

Parede Sul (convecção)

Parede Leste (convecção)

Parede Norte (convecção)

Parede Oeste (convecção)

Piso (convecção)

Cobertura (convecção)

Ventilação

Infiltração entre zonas

Cargas internas

Figura 4.23 – Trocas de calor do quarto de casal – Modelo Referência com ventilação

e ocupação, nos dias 3 a 9 de janeiro.

Tendo em vista tais fluxos de calor, era de se esperar que, quando

comparado ao modelo sem ventilação e ocupação, o modelo com ventilação e

ocupação apresentasse maiores temperaturas durante a noite (quando há

grandes ganhos de calor por cargas internas) e menores temperaturas durante

o dia (quando há grandes perdas de calor por ventilação. Porém, observando o

comportamento da temperatura do ar do quarto de casal no modelo de

referência, nesse mesmo período de janeiro, mostrado na Figura 4.24a,

verifica-se que a temperatura interna do quarto fica com valores bem próximos

no modelo com e no sem ventilação e ocupação. Verifica-se que a temperatura

interna do ar realmente é um pouco mais elevada durante a noite no modelo

com ocupação e ventilação, porém durante o dia as temperaturas são muito

semelhantes nos dois modelos. Existe uma maior diferenciação nos valores de

umidade relativa, que são mais elevados para o modelo com ventilação e

ocupação. Possivelmente essa diferença de umidade tenha provocado o maior

número de horas de desconforto no modelo ventilado e ocupado. Pode-se

também observar que nos dois modelos a temperatura interna fica com valores

próximos à temperatura externa. A Figura 4.24b mostra as temperaturas e

umidades em uma semana com temperatura do ar mais baixa, em novembro, e

novamente verifica-se a semelhança nos valores de temperatura, com maiores

diferenças na umidade relativa do ar.

03/01 01h

03/01 13h

04/01 01h

04/01 13h

05/01 01h

05/01 13h

06/01 01h

06/01 13h

07/01 01h

07/01 13h

08/01 01h

08/01 13h

09/01 01h

09/01 13h

Temperatura do ar [°C]

100

Umidade relativa do ar [%]

02/11 01h

02/11 13h

03/11 01h

03/11 13h

04/11 01h

04/11 13h

05/11 01h

05/11 13h

06/11 01h

06/11 13h

07/11 01h

07/11 13h

08/11 01h

08/11 13h

Temperatura do ar [°C]

100

Umidade relativa do ar [%]

Temperatura - Quarto - sem ventilação e ocupação Umidade - Quarto - sem ventilação e ocupação

Temperatura - Quarto - com ventilação e ocupação Umidade - Quarto - com ventilação e ocupação

Temperatura - Externa

Figura 4.24 – Temperatura e umidade relativa do ar no exterior e no quarto –

Modelo Referência: dias 03 a 09 de janeiro (a), e dias 02 a 08 de novembro (b).

O modelo de referência utiliza componentes no envelope com alta

transmitância e baixa capacidade e inércia térmica. Tendo isso em vista, as

mesmas análises foram realizadas para a variação do modelo com a parede 6,

que possui menor transmitância e maior capacidade e inércia térmica

(composta por parede dupla de tijolos maciços com isolamento de manta de lã

de rocha).

As trocas térmicas no modelo com variação usando a parede 6 podem

ser vistas na Figura 4.25 (sem ventilação e ocupação) e na Figura 4.26 (com

ventilação e ocupação). Verifica-se que os principais ganhos de calor também

(a) (b)

ocorrem pela cobertura do modelo. A principal diferença em relação ao modelo

de referência é que os ganhos de calor pelas paredes são menores, pois estas

são mais isoladas termicamente. As principais perdas de calor ocorrem pelo

piso durante o dia e pela cobertura durante a noite. No caso da simulação com

ventilação e ocupação (Figura 4.26), novamente acrescenta-se um grande

ganho de calor noturno por cargas internas. Porém, nesse caso, a ventilação é

responsável em determinados momentos por perdas de calor e, em outros, por

ganho de calor.

A Figura 4.27 mostra o comportamento da temperatura do ar no quarto

de casal no modelo com variação usando a parede 6. Verifica-se que, mesmo

nesse caso, apesar das diferenças nos fluxos de calor, as temperaturas ficam

muito semelhantes nos modelos com e sem ventilação e ocupação. Esperava-

se igualmente que o modelo com ocupação apresentasse maiores temperatura

no período noturno e que no período diurno a temperatura do modelo sem

ventilação tivesse um maior amortecimento que no modelo com ventilação.

Porém apenas no dia de pico de calor, o dia 08/01, é possível perceber uma

maior diferença nas temperaturas máximas dos dois modelos.

Com isso, pode-se afirmar a necessidade de avaliar com cuidado os

resultados baseados nas simulações dos modelos com ventilação natural, pois

eles podem não ser uma boa representação da realidade. As inconsistências

verificadas podem ser conseqüência de algumas simplificações do programa

computacional utilizado, que considera que cada ambiente é homogêneo

termicamente e que apresenta distribuição uniforme dos fluxos de ar. Outra

questão a ser citada é que o manual do programa EnergyPlus (ENERGYPLUS,

2008) informa que nos cálculos de transferência de calor por condução e ganho

solar através de janelas e portas assume-se que tais janelas e portas estão

sempre fechadas. Isso poderia provocar imprecisões nos resultados das

simulações com ventilação natural.

-1000000

-500000

500000

1000000

1500000

03/01 01h

03/01 11h

03/01 21h

04/01 07h

04/01 17h

05/01 03h

05/01 13h

05/01 23h

06/01 09h

06/01 19h

07/01 05h

07/01 15h

08/01 01h

08/01 11h

08/01 21h

09/01 07h

09/01 17h

Ganhos de Calor [J]

Vidros (convecção)

Parede Sul (convecção)

Parede Leste (convecção)

Parede Norte (convecção)

Parede Oeste (convecção)

Piso (convecção)

Cobertura Norte (convecção)

Infiltração externa

Infiltração entre zonas

Figura 4.25 – Trocas de calor do quarto de casal – Variação Parede 6 sem ventilação

e ocupação, nos dias 3 a 9 de janeiro.

-1000000

-500000

500000

1000000

1500000

03/01 01h

03/01 11h

03/01 21h

04/01 07h

04/01 17h

05/01 03h

05/01 13h

05/01 23h

06/01 09h

06/01 19h

07/01 05h

07/01 15h

08/01 01h

08/01 11h

08/01 21h

09/01 07h

09/01 17h

Ganhos de Calor [J]

Vidros (convecção)

Parede Sul (convecção)

Parede Leste (convecção)

Parede Norte (convecção)

Parede Oeste (convecção)

Piso (convecção)

Cobertura (convecção)

Ventilação

Infiltração entre zonas

Cargas internas

Figura 4.26 – Trocas de calor do quarto de casal – Variação Parede 6 com ventilação

e ocupação, nos dias 3 a 9 de janeiro.

100

03/01 01h

03/01 13h

04/01 01h

04/01 13h

05/01 01h

05/01 13h

06/01 01h

06/01 13h

07/01 01h

07/01 13h

08/01 01h

08/01 13h

09/01 01h

09/01 13h

Umidade relativa do ar [%]

Temperatura do ar [°C]

100

02/11 01h

02/11 13h

03/11 01h

03/11 13h

04/11 01h

04/11 13h

05/11 01h

05/11 13h

06/11 01h

06/11 13h

07/11 01h

07/11 13h

08/11 01h

08/11 13h

Umidade relativa do ar [%]

Temperatura do ar [°C]

Temperatura - Quarto - sem ventilação e ocupação Umidade - Quarto - sem ventilação e ocupação

Temperatura - Quarto - com ventilação e ocupação Umidade - Quarto - com ventilação e ocupação

Temperatura - Externa

Figura 4.27 – Temperatura e umidade relativa do ar no exterior e no quarto –

Variação Parede 6: dias 03 a 09 de janeiro (a), e dias 02 a 08 de novembro (b).

(a)

(b)

íí

CONCLUSÃO

Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de investigar a influência

das propriedades térmicas do envelope no desempenho térmico de edificações

residenciais unifamiliares quando estas são ocupadas e ventiladas

naturalmente. Para tal, foram realizadas análises de desempenho térmico,

utilizando simulações computacionais.

A caracterização e o monitoramento de uma edificação real, na cidade

de Florianópolis, permitiram a calibração de um modelo para simulação

computacional, utilizando o programa EnergyPlus (versão 2.2.0). A calibração

realizada demonstrou a possibilidade de criação de modelos computacionais

com resultados de temperatura interna do ar similares ao que se encontraria

em uma edificação real. Porém, tais resultados são melhores para modelos

sem ventilação que para modelos com ventilação.

As simulações de calibração sem ventilação natural comparadas com

as medições em agosto de 2007 apresentaram resultados muito semelhantes,

com erros quadráticos entre 0,2 e 0,4°C apenas. Ten do em vista que a

precisão dos equipamentos utilizados nas medições de temperatura do ar

(Hobos data loggers) é de ±0,35°C, tais erros estão cobertos por essa faixa.

Quando comparadas às medições de dezembro de 2007 os resultados foram

um pouco menos satisfatórios, provavelmente devido à estratificação de

temperatura que ocorre nos ambientes em dias muito quentes. Em geral, as

simulações sem o uso da ventilação natural são mais simples e conseguem

obter resultados mais precisos.

Nestas calibrações destacou-se a importância da correta definição dos

valores de temperatura do solo para simulação de edificações térreas, que

tiveram grande influência nos resultados. As alterações na volumetria da

cobertura tiveram pouquíssimo impacto nos resultados, o que indica que os

modelos computacionais de residências térreas podem ter algumas

simplificações de geometria, sem grandes prejuízos aos resultados.

As simulações com a ventilação natural obtiveram valores não tão

acurados, com erros quadráticos de aproximadamente 0,7°C. As curvas de

temperatura obtidas com a simulação apresentaram picos de temperatura mais

100

elevados que os das medições. Isso poderia indicar uma influência maior da

ventilação no modelo simulado do que o observado na residência monitorada.

Tais diferenças podem ter sido provocadas por imprecisões nos valores de

coeficiente de pressão, ou ainda na não inclusão do mobiliário no interior da

residência, que provocaria uma diminuição da velocidade do vento. Destaca-se

que a calibração foi realizada com períodos curtos de medição, o que também

pode provocar imprecisões.

A partir do modelo calibrado, com algumas simplificações, foram

simuladas variações no envelope da edificação, utilizando materiais com

diferentes propriedades térmicas. Com isso, foram obtidas as porcentagens de

horas de desconforto em um ano, para cada caso, através do programa

Analysis Bio. Foram então realizadas correlações entre as horas de

desconforto e as propriedades térmicas dos componentes do envelope.

Verificou-se que a propriedade térmica equivalente com mais forte correlação

com as horas de desconforto da edificação foi a capacidade térmica. A

transmitância térmica foi a propriedade com mais fraca correlação com o

desconforto do modelo, tanto para o caso sem quanto com ventilação e

ocupação.

Com tais resultados seria possível afirmar que existe uma influência do

envelope sobre o desempenho térmico da edificação ocupada e ventilada

naturalmente. Essa influência é mais fortemente relacionada ao valor de

capacidade térmica do componente do envelope. Pode-se dizer que a

transmitância térmica do componente proporciona pouca influencia no

desempenho térmico da edificação.

Analisando as trocas térmicas do modelo simulado, verificou-se que,

apesar das diferenças nos ganhos de calor entre modelo com e sem ventilação

e ocupação, a temperatura interna do ar foi muito semelhante em ambos os

casos. Tendo isso em vista, ressalta-se a necessidade de cautela ao avaliar

dados obtidos por simulação computacional. Determinadas simplificações do

programa computacional podem provocar imprecisões nos resultados. O

programa EnergyPlus, utilizado nesta pesquisa, considera que cada ambiente é

homogêneo termicamente e que apresenta distribuição uniforme dos fluxos de

ar (perfect mix), o que não se verificaria em um ambiente real. O modelo

estudado apresenta alguns ambientes com pé-direito elevado, e, portanto, a

101

ventilação se dá de forma heterogênea e há estratificação de temperatura.

O fato de o programa considerar as janelas e portas sempre fechadas

nos cálculos de transferência de calor, mesmo quando a casa está ventilada,

também poderia provocar imprecisões nos modelos com ventilação natural. O

trabalho enfrentou algumas outras limitações, conforme se descreve a seguir.

5.1. Limitações do Trabalho

Como as análises de influência do envelope no desempenho térmico

da edificação foram baseadas em dados obtidos com a simulação

computacional, os resultados estão sujeitos às imprecisões dos cálculos do

programa. Além disso, houve grande dificuldade na obtenção de valores para

os parâmetros de ventilação, especialmente para os coeficientes de pressão

das aberturas, para a edificação com forma não retangular. Praticamente todas

as bases de dados encontradas apresentam apenas valores de coeficiente de

pressão para edificações quadradas ou retangulares. O programa Cp

Generator, utilizado aqui para obter tais dados, também apresenta limitações,

de forma que o seu desenvolvedor adverte que edifícios com formas

complexas precisam ser analisados cuidadosamente. Sendo assim, os valores

obtidos podem também apresentar imprecisões. Valores mais precisos seriam

obtidos apenas com experimentos em túnel de vento.

Também houveram limitações nas medições ocorridas na residência

estudada: os períodos de monitoramento foram curtos (quatro períodos de sete

dias) e os equipamentos utilizados (Hobos data loggers) podem apresentar

imprecisões e erros de calibração.

5.2. Sugestões para Trabalhos Futuros

Como sugestões para futuros trabalhos relacionados à análises de

desempenho térmico de edificações naturalmente ventiladas, podem ser

realizadas:

• Utilização de dados de medições (e não apenas de simulação) em

residências edificadas com diferentes materiais de construção nas paredes e

coberturas, para as análises da influência do envelope no desempenho térmico

das edificações.

102

• Definição mais precisa dos valores de coeficiente de pressão para

edificações com formas irregulares (não retangulares).

• Realizar simulações de modelos com ventilação natural em outros

programas computacionais, a fim de comparar os resultados com o

EnergyPlus, e obter dados mais confiáveis para os modelos naturalmente

ventilados.

• Verificar também a influência da absortância do envelope no

desempenho de edificações residenciais unifamiliares.

êê

áá

104

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êê

109

PÊNDICE

– Planta e Cortes da Edificação Estudada.

Figura A.1 – Planta baixa.

110

Figura A.2 – Corte AA.

Figura A.3 – Corte BB.

111

PÊNDICE

– Gráficos da Calibração: Mês de Dezembro

28/12 - 01h

28/12 - 05h

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30/12 - 13h

30/12 - 17h

30/12 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura B.1 – Comparação entre simulação 3 (alteração na volumetria da cobertura) e

medição em dezembro/2007.

28/12 - 01h

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Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura B.2 – Comparação entre simulação 4 (resistência térmica - 10%) e medição em

dezembro/2007.

28/12 - 01h

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Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura B.3 – Comparação entre simulação 5 (resistência térmica + 10%) e medição em

dezembro/2007.

112

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30/12 - 05h

30/12 - 09h

30/12 - 13h

30/12 - 17h

30/12 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura B.4 – Comparação entre simulação 6 (resistência térmica + 20%) e medição em

dezembro/2007.

28/12 - 01h

28/12 - 05h

28/12 - 09h

28/12 - 13h

28/12 - 17h

28/12 - 21h

29/12 - 01h

29/12 - 05h

29/12 - 09h

29/12 - 13h

29/12 - 17h

29/12 - 21h

30/12 - 01h

30/12 - 05h

30/12 - 09h

30/12 - 13h

30/12 - 17h

30/12 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura B.5 – Comparação entre simulação 7 (alteração na absortância) e medição em

dezembro/2007.

28/12 - 01h

28/12 - 05h

28/12 - 09h

28/12 - 13h

28/12 - 17h

28/12 - 21h

29/12 - 01h

29/12 - 05h

29/12 - 09h

29/12 - 13h

29/12 - 17h

29/12 - 21h

30/12 - 01h

30/12 - 05h

30/12 - 09h

30/12 - 13h

30/12 - 17h

30/12 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura B.6 – Comparação entre simulação 8 (alteração no ganho de calor por

equipamentos) e medição em dezembro/2007.

113

PÊNDICE

– Gráficos da Calibração: Mês de Agosto

15/08 - 01h

15/08 - 05h

15/08 - 09h

15/08 - 13h

15/08 - 17h

15/08 - 21h

16/08 - 01h

16/08 - 05h

16/08 - 09h

16/08 - 13h

16/08 - 17h

16/08 - 21h

17/08 - 01h

17/08 - 05h

17/08 - 09h

17/08 - 13h

17/08 - 17h

17/08 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura C.1 – Comparação entre simulação 2 (alteração na temperatura do solo) e

medição em agosto/2007.

15/08 - 01h

15/08 - 05h

15/08 - 09h

15/08 - 13h

15/08 - 17h

15/08 - 21h

16/08 - 01h

16/08 - 05h

16/08 - 09h

16/08 - 13h

16/08 - 17h

16/08 - 21h

17/08 - 01h

17/08 - 05h

17/08 - 09h

17/08 - 13h

17/08 - 17h

17/08 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura C.2 – Comparação entre simulação 3 (alteração na volumetria da cobertura) e

medição em agosto/2007.

15/08 - 01h

15/08 - 05h

15/08 - 09h

15/08 - 13h

15/08 - 17h

15/08 - 21h

16/08 - 01h

16/08 - 05h

16/08 - 09h

16/08 - 13h

16/08 - 17h

16/08 - 21h

17/08 - 01h

17/08 - 05h

17/08 - 09h

17/08 - 13h

17/08 - 17h

17/08 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura C.3 – Comparação entre simulação 4 (resistência térmica - 10%) e medição em

agosto/2007.

114

15/08 - 01h

15/08 - 05h

15/08 - 09h

15/08 - 13h

15/08 - 17h

15/08 - 21h

16/08 - 01h

16/08 - 05h

16/08 - 09h

16/08 - 13h

16/08 - 17h

16/08 - 21h

17/08 - 01h

17/08 - 05h

17/08 - 09h

17/08 - 13h

17/08 - 17h

17/08 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura C.4 – Comparação entre simulação 5 (resistência térmica + 10%) e medição em

agosto/2007.

15/08 - 01h

15/08 - 05h

15/08 - 09h

15/08 - 13h

15/08 - 17h

15/08 - 21h

16/08 - 01h

16/08 - 05h

16/08 - 09h

16/08 - 13h

16/08 - 17h

16/08 - 21h

17/08 - 01h

17/08 - 05h

17/08 - 09h

17/08 - 13h

17/08 - 17h

17/08 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura C.5 – Comparação entre simulação 6 (resistência térmica + 20%) e medição em

agosto/2007.

15/08 - 01h

15/08 - 05h

15/08 - 09h

15/08 - 13h

15/08 - 17h

15/08 - 21h

16/08 - 01h

16/08 - 05h

16/08 - 09h

16/08 - 13h

16/08 - 17h

16/08 - 21h

17/08 - 01h

17/08 - 05h

17/08 - 09h

17/08 - 13h

17/08 - 17h

17/08 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura C.6 – Comparação entre simulação 7 (alteração na absortância) e medição em

agosto/2007.

115

15/08 - 01h

15/08 - 05h

15/08 - 09h

15/08 - 13h

15/08 - 17h

15/08 - 21h

16/08 - 01h

16/08 - 05h

16/08 - 09h

16/08 - 13h

16/08 - 17h

16/08 - 21h

17/08 - 01h

17/08 - 05h

17/08 - 09h

17/08 - 13h

17/08 - 17h

17/08 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura C.7 – Comparação entre simulação 8 (alteração no ganho de calor por

equipamentos) e medição em agosto/2007.

116

PÊNDICE

– Gráficos da Calibração: Mês de Janeiro

08/01 - 01h

08/01 - 05h

08/01 - 09h

08/01 - 13h

08/01 - 17h

08/01 - 21h

09/01 - 01h

09/01 - 05h

09/01 - 09h

09/01 - 13h

09/01 - 17h

09/01 - 21h

10/01 - 01h

10/01 - 05h

10/01 - 09h

10/01 - 13h

10/01 - 17h

10/01 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura D.1 – Comparação entre simulação 10 (coeficiente de descarga = 0,7) e

medição em janeiro/2008.

08/01 - 01h

08/01 - 05h

08/01 - 09h

08/01 - 13h

08/01 - 17h

08/01 - 21h

09/01 - 01h

09/01 - 05h

09/01 - 09h

09/01 - 13h

09/01 - 17h

09/01 - 21h

10/01 - 01h

10/01 - 05h

10/01 - 09h

10/01 - 13h

10/01 - 17h

10/01 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura D.2 – Comparação entre simulação 11 (coeficiente de descarga = 0,5) e

medição em janeiro/2008.

08/01 - 01h

08/01 - 05h

08/01 - 09h

08/01 - 13h

08/01 - 17h

08/01 - 21h

09/01 - 01h

09/01 - 05h

09/01 - 09h

09/01 - 13h

09/01 - 17h

09/01 - 21h

10/01 - 01h

10/01 - 05h

10/01 - 09h

10/01 - 13h

10/01 - 17h

10/01 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura D.3 – Comparação entre simulação 12 (coeficiente de descarga = 0,3) e

medição em janeiro/2008.

117

PÊNDICE

– Gráficos da Calibração: Mês de Setembro

12/09 - 01h

12/09 - 05h

12/09 - 09h

12/09 - 13h

12/09 - 17h

12/09 - 21h

13/09 - 01h

13/09 - 05h

13/09 - 09h

13/09 - 13h

13/09 - 17h

13/09 - 21h

14/09 - 01h

14/09 - 05h

14/09 - 09h

14/09 - 13h

14/09 - 17h

14/09 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura E.1 – Comparação entre simulação 9 (alteração na infiltração de ar) e medição

em setembro/2007.

12/09 - 01h

12/09 - 05h

12/09 - 09h

12/09 - 13h

12/09 - 17h

12/09 - 21h

13/09 - 01h

13/09 - 05h

13/09 - 09h

13/09 - 13h

13/09 - 17h

13/09 - 21h

14/09 - 01h

14/09 - 05h

14/09 - 09h

14/09 - 13h

14/09 - 17h

14/09 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura E.2 – Comparação entre simulação 10 (coeficiente de descarga = 0,7) e

medição em setembro/2007.

12/09 - 01h

12/09 - 05h

12/09 - 09h

12/09 - 13h

12/09 - 17h

12/09 - 21h

13/09 - 01h

13/09 - 05h

13/09 - 09h

13/09 - 13h

13/09 - 17h

13/09 - 21h

14/09 - 01h

14/09 - 05h

14/09 - 09h

14/09 - 13h

14/09 - 17h

14/09 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura E.3 – Comparação entre simulação 11 (coeficiente de descarga = 0,5) e

medição em setembro/2007.

118

12/09 - 01h

12/09 - 05h

12/09 - 09h

12/09 - 13h

12/09 - 17h

12/09 - 21h

13/09 - 01h

13/09 - 05h

13/09 - 09h

13/09 - 13h

13/09 - 17h

13/09 - 21h

14/09 - 01h

14/09 - 05h

14/09 - 09h

14/09 - 13h

14/09 - 17h

14/09 - 21h

Temperatura do Ar [°C]

Exterior

Sala - Simulação

Sala - Medição

Quarto Casal - Simulação

Quarto Casal - Medição

Banheiro - Simulação

Banheiro - Medição

Figura E.4 – Comparação entre simulação 12 (coeficiente de descarga = 0,3) e

medição em setembro/2007.

119

PÊNDICE

– Resultados de Desempenho Térmico

da Sala

Tabela F.1 – Porcentagem de horas de conforto e desconforto anuais na sala.

Sem Ventilação e Ocupação Com Ventilação e Ocupação

Horas de

desconforto [%]

Horas de

desconforto [%]

Modelo

Horas de

conforto

[%]

Total

Frio Calor

Horas de

conforto

[%]

Total

Frio Calor

Modelo

Referência

49,6 50,4

22,8 27,6

34,4 65,6

26,5 39,1

Variação

Cobertura 1

47,5 52,5

24,6 27,9

31,1

68,9

30,1 38,8

Variação

Cobertura 2

52,8 47,2

21,8 25,4

38,9 61,1

23,1 38

Variação

Cobertura 3

50,9 49,1

21,9 27,2

36,5 63,5

24,9 38,6

Variação

Cobertura 4

53,6 46,4

21,4 25

39,1 60,9

22,8 38,1

Variação

Cobertura 5

51,3 48,7

21,8 26,9

36,8 63,2

24,6 38,6

Variação

Parede 1

47,8 52,2

24,1 28,1

32,1 67,9

29 38,9

Variação

Parede 2

50,9 49,1

22,3 26,8

35,2 64,8

26 38,8

Variação

Parede 3

51,6 48,4

22,2 26,2

37,4 62,6

24,4 38,2

Variação

Parede 4

43,6

56,4

25,8 30,6

31,9 68,1

29,6 38,5

Variação

Parede 5

54,1 45,9

21,7 24,2

39,4 60,6

23,1 37,5

Variação

Parede 6

57,4

42,6

20,1 22,5

41,2

58,8

21,7 37,1

Variação

Parede 7

45,4 54,6

23,8 30,8

35,1 64,9

26,4 38,5

120

Tabela F.2 – Porcentagem de horas de conforto e desconforto da sala no

Modelo de Referência, para ano inteiro, verão e inverno.

Horas de desconforto [%]

Período Simulação

Horas de

conforto [%]

Total Frio Calor

Sem Ventilação

e Ocupação

49,6

50,4

22,8 27,6

Ano inteiro

Com Ventilação

e Ocupação

34,4

65,6

26,5 39,1

Sem Ventilação

e Ocupação

44,6 55,4 1,4 54,0

Verão

Com Ventilação

e Ocupação

37,1 62,9 1,7 61,2

Sem Ventilação

e Ocupação

54,5 45,5 43,8 1,7

Inverno

Com Ventilação

e Ocupação

31,7 68,3 50,9 17,4

(Par.7) 2,65

(Par.6) 2,74

(Par.5) 3,06

(Par.4) 3,17

(Cob.5) 3,28

(Cob.4) 3,31

(Cob.3) 3,33

(Par.3) 3,37

(Cob.2) 3,53

(M.Ref.) 3,58

(Par.2) 3,84

(Par.1) 4,08

(Cob.1) 4,31

Horas de Desconforto [%]

Transmitância térmica equivalente – U

[W/(m².K)]

Sem ventilação e

ocupação

Com ventilação e

ocupação

Figura F.1 – Porcentagens de horas de desconforto anuais na sala relacionadas à

transmitância térmica equivalente.

(Par.4) 80,7

(Par.7) 85,91

(Par.1) 106,38

(Cob.1) 116,92

(Cob.3) 120,9

(M.Ref.) 120,9

(Cob.5) 121,19

(Par.2) 147,33

(Par.3) 160,36

(Par.6) 220,3

(Par.5) 225,51

(Cob.4) 242,12

(Cob.2) 242,12

Horas de Desconforto [%]

Capacidade térmica equivalente - Ct

[kJ/(m².K)]

Sem ventilação e

ocupação

Com ventilação e

ocupação

Figura F.2 – Porcentagens de horas de desconforto anuais na sala relacionadas à

capacidade térmica equivalente.

121

(Par.1) 1,52

(Cob.1) 1,65

(Par.4) 1,86

(M.Ref.) 1,93

(Par.2) 2,01

(Cob.3) 2,13

(Cob.5) 2,22

(Par.3) 2,45

(Par.5) 3,49

(Par.7) 3,61

(Cob.2) 3,84

(Par.6) 4,43

(Cob.4) 4,92

Horas de Desconforto [%]

Atraso térmico equivalente -

φeq

[horas]

Sem ventilação e

ocupação

Com ventilação e

ocupação

Figura F.3 – Porcentagens de horas de desconforto anuais na sala relacionadas ao

atraso térmico equivalente.

R² = 0,6298

R² = 0,6949

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

Horas de Desconforto [%]

Transmitância térmica da cobertura – U

[W/(m².K)]

R² = 0,6469

R² = 0,5664

0 100 200 300 400 500

Horas de Desconforto [%]

Capacidade térmica da cobertura - Ct

[kJ/(m².K)]

R² = 0,764

R² = 0,6547

0,0 5,0 10,0 15,0

Horas de Desconforto [%]

Atraso térmico da cobertura -

[horas]

Sem ventilação e ocupação

Com ventilação e ocupação

Linear (Sem ventilação e

ocupação)

Linear (Com ventilação e

ocupação)

Figura F.4 – Correlação entre a porcentagem de horas de desconforto e as

propriedades térmicas da cobertura

da sala: transmitância térmica (a), capacidade

térmica (b), e atraso térmico (c).

(c)

(a)

(b)

122

R² = 0,0256

R² = 0,3018

0,00 2,00 4,00 6,00

Horas de Desconforto [%]

Transmitância térmica da parede – Upa [W/(m².K)]

R² = 0,9138

R² = 0,8384

0 100 200 300 400 500

Horas de Desconforto [%]

Capacidade térmica da parede - Ct

[kJ/(m².K)]

R² = 0,3373

R² = 0,7051

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Horas de Desconforto [%]

Atraso térmico da parede -

pa [horas]

Sem ventilação e ocupação

Com ventilação e ocupação

Linear (Sem ventilação e

ocupação)

Linear (Com ventilação e

ocupação)

Figura F.5 – Correlação entre a porcentagem de horas de desconforto e as

propriedades térmicas da parede da sala: transmitância térmica (a), capacidade

térmica (b), e atraso térmico (c).

R² = 0,0554

R² = 0,357

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

Horas de Desconforto [%]

Transmitância térmica equivalente – U

[W/(m².K)]

R² = 0,7334

R² = 0,6975

0,00 100,00 200,00 300,00

Horas de Desconforto [%]

Capacidade térmica equivalente - Ct

[kJ/(m².K)]

R² = 0,3765

R² = 0,6602

0,00 2,00 4,00 6,00

Horas de Desconforto [%]

Atraso térmico equivalente -

[horas]

Sem ventilação e ocupação

Com ventilação e ocupação

Linear (Sem ventilação e

ocupação)

Linear (Com ventilação e

ocupação)

Figura F.6 – Correlação entre a porcentagem de horas de desconforto e as

propriedades térmicas equivalentes da sala: transmitância térmica (a), capacidade

térmica (b), e atraso térmico (c).

(c)

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

123

-4000000

-3000000

-2000000

-1000000

1000000

2000000

3000000

01/03 01:00:00

01/03 11:00:00

01/03 21:00:00

01/04 07:00:00

01/04 17:00:00

01/05 03:00:00

01/05 13:00:00

01/05 23:00:00

01/06 09:00:00

01/06 19:00:00

01/07 05:00:00

01/07 15:00:00

01/08 01:00:00

01/08 11:00:00

01/08 21:00:00

01/09 07:00:00

01/09 17:00:00

Ganhos de Calor [J]

Janela (convecção)

Parede Sul (convecção)

Parede Leste (convecção)

Parede Norte (convecção)

Parede Oeste (convecção)

Piso (convecção)

Cobertura Norte (convecção)

Cobertura Sul (convecção)

Infiltração externa

Infiltração entre zonas

Figura F.7 – Trocas de calor da sala – Modelo Referência sem ventilação e ocupação,

nos dias 3 a 9 de janeiro.

-4000000

-3000000

-2000000

-1000000

1000000

2000000

3000000

01/03 01:00:00

01/03 11:00:00

01/03 21:00:00

01/04 07:00:00

01/04 17:00:00

01/05 03:00:00

01/05 13:00:00

01/05 23:00:00

01/06 09:00:00

01/06 19:00:00

01/07 05:00:00

01/07 15:00:00

01/08 01:00:00

01/08 11:00:00

01/08 21:00:00

01/09 07:00:00

01/09 17:00:00

Ganhos de Calor [J]

Janela (convecção)

Parede Sul (convecção)

Parede Leste (convecção)

Parede Norte (convecção)

Parede Oeste (convecção)

Piso (convecção)

Cobertura Norte (convecção)

Cobertura Sul (convecção)

Ventilação

Cargas internas

Infiltração entre zonas

Figura F.8 – Trocas de calor da sala – Modelo Referência com ventilação e ocupação,

nos dias 3 a 9 de janeiro.

124

100

03/01 01h

03/01 13h

04/01 01h

04/01 13h

05/01 01h

05/01 13h

06/01 01h

06/01 13h

07/01 01h

07/01 13h

08/01 01h

08/01 13h

09/01 01h

09/01 13h

Umidade relativa do ar [%]

Temperatura do ar [°C]

100

02/11 01h

02/11 13h

03/11 01h

03/11 13h

04/11 01h

04/11 13h

05/11 01h

05/11 13h

06/11 01h

06/11 13h

07/11 01h

07/11 13h

08/11 01h

08/11 13h

Umidade relativa do ar [%]

Temperatura do ar [°C]

Temperatura - Sala - sem ventilação e ocupação Umidade - Sala - sem ventilação e ocupação

Temperatura - Sala - com ventilação e ocupação Umidade - Sala - com ventilação e ocupação

Temperatura - Externa

Figura F.9 – Temperatura e umidade relativa do ar no exterior e na sala –

Modelo Referência: dias 03 a 09 de janeiro (a), e dias 02 a 08 de novembro (b).

100

03/01 01h

03/01 13h

04/01 01h

04/01 13h

05/01 01h

05/01 13h

06/01 01h

06/01 13h

07/01 01h

07/01 13h

08/01 01h

08/01 13h

09/01 01h

09/01 13h

Umidade relativa do ar [%]

Temperatura do ar [°C]

100

02/11 01h

02/11 13h

03/11 01h

03/11 13h

04/11 01h

04/11 13h

05/11 01h

05/11 13h

06/11 01h

06/11 13h

07/11 01h

07/11 13h

08/11 01h

08/11 13h

Umidade relativa do ar [%]

Temperatura do ar [°C]

Temperatura - Sala - sem ventilação e ocupação Umidade - Sala - sem ventilação e ocupação

Temperatura - Sala - com ventilação e ocupação Umidade - Sala - com ventilação e ocupação

Temperatura - Externa

Figura F.10 – Temperatura e umidade relativa do ar no exterior e na sala –

Variação Parede 6: dias 03 a 09 de janeiro (a), e dias 02 a 08 de novembro (b).

(a) (b)

(a)

(b)

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