INFLUÊNCIA DO TIPO DE VIDRO NA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DA ENVOLTÓRIA

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1 INFLUÊNCIA DO TIPO DE VIDRO NA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DA ENVOLTÓRIA Larissa Olivier Sudbrack(1), Júlia Teixeira Fernandes(2), Milena Sampaio Cintra(3), Cláudia Naves David Amorim (4) (1) Graduanda em Arquitetura e Urbanismo da FAU - UnB, Brasil. larisud@gmail.com (2) Mestranda do Programa de Pós-Graduação da FAU - UnB, Brasil. julia@fernandescapanema.com.br (3) Mestranda do Programa de Pós-Graduação da FAU - UnB, Brasil. milenascintra@gmail.com (4) Doutora, Professora do Departamento de Tecnologia da FAU - UnB, Brasil. clamorim@unb.br Endereço: Faculdade de Arquitetura e Urbanismo FAU, Universidade de Brasília UnB Instituto Central de Ciências - ICC Norte - Gleba A, Campus Universitário Darcy Ribeiro - Asa Norte CEP: Brasília DF - Brasil Abstract: This paper analyses the influence of the type of glass in the building s envelope energy efficiency through the prescriptive methodology of the Technical Regulation of the Quality for energy Efficiency of Commerce, Service and Public Buildings RTQ. A building in Brasília was studied, being its envelope performance analysed, varing Solar Factor of glass. This methodology was evaluated in RTQ, and like in computer simulations, the type of glass interferes in the efficiency and mostly, the specification of certain high performance glass would guarantee a better classification of the building s energy efficiency, which is largely diffused by producers. Keywords: glass, Energy Efficiency, Wrapper, RTQ, prescriptive methodology Resumo: Este artigo analisa a influência do tipo de vidro na eficiência energética da envoltória através do método prescritivo do Regulamento Técnico da Qualidade para Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos-RTQ. Foi estudado um edifício em Brasília e avaliado o desempenho da envoltória, substituindo o vidro, e tendo assim, como variável o Fator Solar. Essa metodologia avaliou se no RTQ, como nas simulações computacionais, os tipos de vidro interferem na eficiência e principalmente, se a especificação de um vidro de alto desempenho garantiria uma melhor classificação da eficiência energética da edificação, o que é amplamente difundido pelos fabricantes. Palavras Chaves: Vidro, Eficiência Energética, Envoltória, RTQ, método prescritivo.

2 1 INTRODUÇÃO A eficiência energética nas edificações pode ser entendida como a obtenção de um serviço com baixo dispêndio de energia, através do uso racional e da diminuição no consumo dos usos finais de iluminação, equipamentos e aquecimento de água, junto à incorporação de fontes renováveis de energia. As constantes pesquisas e legislações referentes à eficiência energética confirmam a necessidade de redução do consumo de energia nas edificações, que atualmente são responsáveis por 40% dos gastos mundiais. Publicado em 2009, o Regulamento Técnico de Qualidade para Eficiência Energética de edifícios comerciais, de serviços e públicos RTQ, especifica requisitos técnicos, bem como os métodos para a etiquetagem do nível de eficiência desses edifícios. A Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE) varia de A (mais eficiente) a E (menos eficiente), e serão avaliados três requisitos: envoltória, sistema de iluminação artificial e ar condicionado. Para a classificação geral do edifício, foram atribuídos pesos relativos à contribuição no consumo energético da edificação, sendo a envoltória responsável por 30%, a sistema de iluminação 30% e de ar condicionado 40%. (RTQ,2009) Segundo LAMBERTS (1997), a análise do consumo de energia de uma edificação é tão importante para o processo de projeto quanto qualquer das outras ferramentas usadas comumente pelos projetistas. A eficiência energética está diretamente relacionada às decisões do projeto arquitetônico, sendo o desempenho da envoltória o mais afetado pelas decisões do arquiteto. Entende-se por envoltória os planos externos da edificação, compostos por fachadas, empenas, cobertura, brises, marquises, aberturas, assim como quaisquer elementos que os compõem (RTQ, 2009). Existem vários fatores que agem diretamente na eficiência energética da envoltória, já que esta compreende a área externa do edifício. Ela sofre influência das variáveis climáticas (radiação solar, temperatura, ventilação, umidade) do lugar onde o edifício esta inserido, do tipo de sítio (côncavo, convexo, plano), da implantação, da orientação das fachadas, da forma do edifício, dos fechamentos, dos materiais e ainda da área de aberturas e das proteções solares. O uso de grandes áreas de abertura envidraçadas favorece a transferência de calor para os ambientes internos, maximizando o consumo energético. Existem discussões sobre a real eficiência de muitos vidros hoje fabricados, uma vez que prometem o isolamento térmico dos ambientes internos, mas não é comprovado em simulações computacionais. Apesar disso, é prática do mercado da construção civil, a divulgação e propaganda desses vidros inovadores, que apesar de todas suas qualidades técnicas, ainda não podem impedir completamente as trocas térmicas da edificação com o meio externo. Assim, este artigo teve como foco principal a influência da escolha do tipo de vidro para a edificação, tendo sempre em vista a sua contribuição para um melhor desempenho da eficiência energética deste edifício. Várias pesquisas sobre a influência da escolha do tipo de vidro na eficiência energética das edificações já foram publicadas (PEREIRA, 2002; LIMA, 2009). Porém, elas têm como base metodológica, as simulações em softwares. Para alcançar esse objetivo, de avaliar a influência do vidro na eficiência energética da edificação, foi usado o método prescritivo do RTQ, desenvolvido pelo Instituto Nacional de Metrologia, Normatização e Qualidade Industrial (INMETRO), com metodologia especificada no Manual de uso do RTQ. A partir de um edifício modelo, etiquetado pelo LACAM (Laboratório de Controle Ambiental FAU/UnB), foi avaliado o desempenho energético da envoltória, tendo como variável o Fator Solar de vários tipos de vidro, dado técnico presente nas fórmulas matemáticas. Essa metodologia foi utilizada também para avaliar se nas equações prescritivas do RTQ, assim como nas simulações computacionais, os tipos de vidro interferem na eficiência energética e principalmente, se apenas a especificação de um vidro de alto desempenho garantiria uma etiqueta A para a edificação. 2 AS ABERTURAS E A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA EDIFICAÇÃO Os elementos da edificação comportam-se de forma diferenciada e as aberturas são as grandes responsáveis pela carga térmica na edificação, porque são onde ocorrem as principais trocas com o meio exterior (condução, convecção e radiação). Isso é comprovado na tabela 1, onde foi feita a estimativa de carga térmica de uma sala comercial localizada na cidade de Florianópolis e voltada para oeste. As aberturas determinam o ganho térmico do ambiente interno, além de definirem a quantidade de iluminação e ventilação naturais. ELEMENTO CONTRIBUIÇÃO DE CALOR Parede Externa 9% Abertura 63% Ocupantes 7% Iluminação Artificial 10% Equipamentos 7% Infiltração 4% Tabela 1: Contribuição de cada elemento do projeto na carga térmica Fonte:Adaptado de LAMBERTS, 1997, p.100

3 Neste sentido, são de suma importância para a eficiência energética, as decisões de projeto relacionadas à abertura: dimensionamento, orientação, proteções solares e tipos de fechamento translúcido (ex: vidros). O RTQ (2009) define como abertura todas as áreas da envoltória do edifício, com fechamento translúcido ou transparente (que permite a entrada da luz). Excluem-se vãos sem fechamentos e elementos vazados como cobogós. A ventilação natural não é considerada nessa definição, sendo este o conceito utilizado nesse artigo: as aberturas são os fechamentos em vidro. Assim, o entendimento das características do vidro é essencial para entender seu comportamento e influência na eficiência da edificação. 3 O VIDRO O vidro é foco de constantes melhorias tecnológias devido a sua importância na industria da contrução civil. É o material mais utilizado para fechamentos que possibilita a vizualização e interação com o meio ambiente externo, o que é muito importante para o conforto psicológico dos usuários e iluminação natural. Suas características estéticas e transparências sempre atraíram os projetistas, que, atualmente utilizam o material de forma indiscriminada, independente das características bioclimáticas do local, contribuindo para a ineficiência energética e consequentemente para o desconforto ambiental desses espaços contruídos. Histórico A descoberta do vidro data de 5000 a.c. (mercadores fenícios), e sua utilização foi crescente ao longo da história. O aperfeiçoamento desse material e sua técnica de fabricação sempre estiveram presentes nas preocupações dos construtores. Em 100 a.c., os romanos confeccionavam suas janelas pela técnica de sopro em moldes. Um novo método possibilitou a execução de vidros planos por volta de 500 e 600 d.c., método este que foi responsável pela maior parte da produção do vidro até o século XIX. Era feito por sopro de uma esfera e sua sucessiva ampliação por rotação em forno. O vidro moldado à rolo (técnica oriental) foi introduzido em Veneza por volta do ano 1300, com as cruzadas. A ilha de Murano especializou-se na produção artística notável do vidro. Neste período descobre-se também um novo processo de produção: por sopro de cilindros (novamente, revolucionária para os vidros planos). Ao soprar e girar o cano simultaneamente, obtinha-se um cilindro de vidro líquido que depois era colocado em uma espécie de forno ( estendedeira ) e deixado para estender. A indústria de vidro propriamente dita nasceu na Revolução Industrial, em particular na indústria automotiva do século XX, e também da invenção de dois métodos chave de produção: o processo da folha estirada e o de flutuação (float). Características e tipos de vidro Os vidros geralmente são bons condutores de calor, pois tem alta transmitância térmica (U). É um material muito utilizado por ser transparente e permitir certo controle da radiação solar (luz e calor), dependendo de suas características físicas. A radiação solar pode ser absorvida, refletida ou transmitida para o interior, dependendo dos valores de absortividade, refletividade, e transmissividade de cada vidro. A porcentagem absorvida se converte em calor no interior do vidro e pode ser reemitida tanto para o interior quanto para o exterior. Os diferentes tipos de vidros possuem características ópticas distintas, e comportam-se de forma diferenciada para cada comprimento de onda da radiação, assim como para o ângulo de incidência. A escolha do vidro está relacionada à necessidade de controle da radiação solar, sendo importante avaliar a quantidade de luz solar que será admitida e/ou bloqueada para o interior da edificação. Os vidros transparentes ou incolores são os mais usados na construção civil devido ao seu menor custo e maior disponibilidade no mercado. Eles são transparentes às ondas curtas, permitindo boa visilibilidade e opacos às ondas longas, com alta transmissividade de radiação solar para o interior, o que causa o efeito estufa. Os vidros verdes e os vidros fumês são absorventes, levemente pigmentados para diminuir a transmissão da onda curta, com um pequeno aumento na absorção da parte visível. A transmissividade visível (visibilidade) deve ser adequada para não gerar gastos desnecessários de iluminação artificial. Os vidros refletivos possuem uma película, composta por uma camada metálica de substrato transparente, com efeito espelhado. Existem películas mais refletivas às ondas curtas, e outras mais refletivas em ambos os espectros. Pode-se afirmar que as películas refletivas às ondas curtas reduzem o ingresso de calor ao interior. Este tipo de película também tem reduções na sua capacidade de transmitir a luz visível. O efeito de reflexão do calor pode beneficiar o interior da edificação, mas é responsável pelo desconforto na escala urbana, uma vez que repassa a carga térmica para edificações vizinhas ou para o espaço público, interferindo no microclima local. Os vidros duplos são também denominados insulados ou sanduíche de vidros. Trata-se de um sistema de duplo envidraçamento que permite aliar as vantagens técnicas e estéticas de pelo menos dois tipos diferentes de vidro, com o benefício da camada interna de ar ou gás. Com a utilização de uma camada externa com vidro refletivo, a onda longa vinda do exterior é absorvida e o calor dissipado para cada lado por convecção e para o interior por reirradiação. Ao contrário, colocando-se a camada refletiva no lado interno do ambiente, a onda longa é refletida, evitandose perda de calor em climas frios. Esse sistema, apesar

4 de possuir vantagens no controle térmico-energético, tem alto custo e pouca disponibilidade no mercado. Cada um destes tipos de vidro tem um determinado Fator Solar (FS), que pode ser entendido como a razão entre o ganho de calor que entra no ambiente através de uma abertura e a radiação solar incidente nessa mesma abertura. (RTQ, 2009). Nas equações do método prescritivo para avaliação da envoltória, o FS é a variável específica relacionada ao tipo de vidro das aberturas. Para o RTQ, o Fator Solar considerado será relativo a uma incidência de radiação solar ortogonal à abertura. O cálculo do FS é feito através de equação da NBR (ABNT, 2005): Onde, FSt = U x α x Rse + τ FSt é o fator solar de elementos transparentes ou translúcidos (J/m2K) U é a transmitância térmica do componente (W/m2.K) α é a absortância à radiação solar Rse é a resistência superficial externa (m2.k/w) τ é a transmitância à radiação solar. Os catálogos devem possuir as propriedades específicas de cada tipo de vidro, o que permite o cálculo do FS e a correta especificação nos projetos arquitetônicos. Os fabricantes, em geral, por meio de seus catálogos e amostras, transmitem a idéia de que apenas a escolha do vidro pode garantir a eficiência energética de uma edificação, pois permite o isolamento do meio externo. No entanto, em muitos catálogos não constam dados técnicos como transmitância, refletância e fator solar de cada tipo de vidro, que permita a avaliação e eficiência desses produtos. 4 METODOLOGIA DO ESTUDO Para testar a influência do tipo de vidro na eficiência energética da envoltória, utilizamos como metodologia a aplicação das equações do RTQ, em três etapas: 1). Etiquetagem da envoltória de edifício modelo: cálculo de acordo com método prescritivo (RTQ), com todas as características e especificações originais do projeto; 2). A variável Fator Solar: substituição do tipo de vidro do edifício modelo, alterando o Fator Solar na equação para avaliação da influência do vidro na etiquetagem (eficiência) da envoltória; 3). Resultados: análise das etiquetas obtidas com os 24 diferentes vidros (variável FS) e a avaliação da contribuição para a melhoria da eficiência energética do edifício modelo. 4.1) Etiquetagem da envoltória do edifício modelo O objeto de estudo foi um edifício institucional cuja envoltória foi etiquetada pelo LACAM, através do metodo prescritivo do RTQ. O edificio, com área de 10125,0 m², está em fase de construção, e situa-se em Brasília DF, na Zona Bioclimática 4. As maiores fachadas possuem orientação leste e oeste, sendo muito semelhantes, com pele de vidro verde. Na fachada norte localiza-se a torre de circulação vertical, conectada à edificação principal por passarelas com fechamento em vidro. A fachada sul não possui aberturas, configurando um pano cego, e é constituída pelos mesmos materiais da fachada norte: paredes externas em painel de concreto pré-moldado e painel de gesso internamente, separadas por camada de ar com isolante. O LACAM fez uma avaliação da envoltória, seguindo metodologia prevista no RTQ, onde são utilizadas equações específicas de acordo com cada Zona Bioclimática. Foi definido o Indicador de Consumo (IC), que prevê de que maneira a envoltória de um edifício vai impactar em seu consumo de energia. Equação 01: Cálculo do IC para ZB4 (Eq. 3.6, RTQ, p.22) Foram calculados três tipos de IC (ICenv, ICmax e ICmin), para estabelecer os limites de intervalo de classificação do consumo da envoltória (de E a A). Todas as variáveis relativas à edificação, necessárias para alimentar a equação do IC, são apresentadas em tabela a seguir. Variável Valor Área de Projeção do Edifício (Ape) 956,4 m² Área Total de Piso (At) 10125,0 m² Área da Envoltória (Aenv) Volume Total do Edifício (Vtot) 3883,12m² 18694,6m² Fator de Altura (FA = Ape/Atot) 0,094 Fator de Forma (FF = Aenv/Vtot 0,20 Percentual de Abertura nas Fachadas (PAF) 0,43 Fator Solar (FS): do vidro verde especificado 0,61 Ângulo Vertical de Sombreamento (AVS) 0 Ângulo Horizontal de Sombreamento (AHS) 0 Tabela 02: Variáveis para cálculo do ICenv Os Resultados dos Indicadores de Consumo foram: Cálculo do ICenv = 228

5 Cálculo do ICmax = 287 Cálculo do ICmin = 79 A partir dos valores do ICmax e ICmin, foi gerado o intervalo (i = 52,11) para classificação da envoltória, seguindo equação do RTQ (Eq. 3.11, RTQ, p.42). O valor desse intervalo (i) foi utilizado nas fórmulas da Tabela dos Limites dos intervalos dos níveis de eficiência da envoltória, de acordo com o RTQ: Tabela 3: Limites dos intervalos dos níveis de eficiência (RTQ.p.24) Assim, originou-se a tabela específica do estudo de caso, com a classificação dos limites para etiquetagem da edificação: Níveis de Efic. A B C D E limite mín limite máx Tabela 4: Intervalos de IC mínimo e máximo Como o ICenv do edifício objeto de estudo foi de 228, valor que se encontra no intervalo , a etiqueta da envoltória para o edifício de referência foi C. 4.2) A Variável Fator Solar(FS) Para a análise da influência do tipo de vidro na etiqueta da envoltória da edificação, foram selecionados 24 tipos de vidro, com as respectivas características técnicas. Foram utilizados os mesmos dados e cálculos da edificação modelo, tendo como única variável o Fator Solar (FS), dado relativo a cada vidro. Foi simulada a substituição do vidro original da edificação por outras 24 especificações, obtendo consequentemente as etiquetas correspondentes. Ou seja, foi adotada a mesma fórmula usada no método prescritivo do RTQ, com os mesmos valores, alterando apenas o FS conforme cada vidro testado. Para assegurar que os dados técnicos dos vidros tivessem o mesmo padrão, evitando distorções e erros de definições ou cálculos, optou-se pelo uso de apenas um fabricante, o AFG Corporate Office. ( Foram escolhidas quatro tipologias de vidro, cada uma com seis cores diferentes. As tipologias são: vidro simples, vidro duplo, vidro simples com película refletiva série P30, e vidro duplo com película refletiva série P30. Os vidros simples tem 6mm de espessura. Os duplos tem 6mm de vidro, 13mm de camada de ar, e novamente 6mm de vidro. Cada tipologia de vidro foi testada para seis cores: incolor, verde, cinza, bronze, azul e verde escuro. Além do Fator Solar, que é o único solicitado pela fórmula, foram levantados a transmitância, radiação solar visível e radiação solar total. Estes dados são apresentados para efeito de comparação posterior, uma vez que um vidro que tenha baixo fator solar pode apresentar também pouca visibilidade para o exterior (percentual de transmissão da radiação visível ao exterior), podendo ser prejudicial ao projeto. 4.3) Resultados A tabela 05 mostra os dados técnicos de cada vidro, e a etiqueta parcial da envoltória resultante para cada um deles. Tipo de vidro/ espessura Simples não refletivo - 6mm Duplo não refletivo 6:13:6 Simples refletivo película série P30 6mm Duplo refletivo película série P30 6:13:6 Cor Rad. Solar Visível Transm. % Reflet. % Transm % Radiação Solar Total Reflet. % Absor. % Fator Solar U W/m 2 oc (verão) IC - ENCE envoltória i D v C c C b C a C ve C i D v C c C b C a C ve B i C v B c B b B a B ve B i B v B c B b B a B ve B Tabela 5: Dados Técnicos dos Tipos de vidro e respectivas etiquetas parciais da envoltória. Legenda da Tabela 5: cores dos vidros

6 5 CONCLUSÃO A partir da análise dos resultados, onde foram parametrizados os dados de todos os tipos de vidro e a etiqueta que a edificação receberia, caso o vidro do projeto fosse substituído, percebeu-se que a eficiência da envoltória da edificação estudada não aumentaria de forma significativa. A ENCE do projeto original, com vidros verdes, foi C e testando a edificação com 24 tipos de vidro, nenhum conseguiu a etiqueta A. A melhor etiqueta alcançada foi B, sendo que estas foram para os vidros com película refletiva e os duplos. A melhoria da eficiência energética nesse caso está diretamente ligada ao custo do vidro, sendo os mais eficientes com custo elevado, o que impossibilita seu uso em todas as edificações. Constatou-se que os vidros refletivos apresentam os melhores resultados para a etiqueta parcial da envoltória. Porém, não se pode deixar de lado a sua influência no entorno urbano imediato, relacionado ao ofuscamento e transmissão de calor aos edifícios vizinhos, alterando o microclima e redução de iluminação natural. No método prescritivo, o único dado tecnico do vidro avaliado é o Fator Solar, que é baixo nos vidros que alcançaram melhor etiqueta (B). Mas esses mesmos vidros possuem transmissividade visível baixa, o que nem sempre é desejável, pois a visisbiliade para o exterior é imporntante para o bem estar do usuário. O vidro incolor piorou a eficiência energética, (etiqueta D) comprovando que o vidro mais usado na contrução civil é também o mais inadequado, sendo essencial o uso de proteções solares para evitar a radiação solar direta na maioria das efificações. O método prescritivo conseguiu, através de suas formulas e do uso do Fator Solar responder de forma adequada à influencia dos tipos de vidro nas variações de eficiência energetica da envoltória das edificações. Essa comprovação possibilita o uso do método para testes de especificações desses materiais ainda na fase de projeto. Dessa forma, é possível concluir que apenas o tipo de vidro, por melhores características tecnicas, não garante sozinho a eficiência energética da envoltória, como é tão difundido pelos fabricantes. Os projetistas devem se preocupar com as demais variáveis do projeto: o clima do lugar onde o edifício esta inserido, o tipo de sítio, a implantação, a orientação das fachadas, a forma do edifício, os fechamentos, os materiais, a área de aberturas e as proteções solares, tão importantes para a eficiência da edificação. 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CARLO, J., PEREIRA, F., LAMBERTS, R. Iluminação natural para redução do consumo de energia de edificações de escritório aplicando propostas de eficiência energética para o Código de Obras do Recife. 10o Encontro Nacional de Tecnologia no Ambiente Construído, Anais. São Paulo: ANTAC, LAMBERTS, R., PEREIRA, F. O. R., DUTRA, L. Eficiência Energética em Edificações. São Paulo: PW, LIMA, Thaís B. S. Avaliação do Desempenho Térmico de Ambientes de Escritório em Brasília. LACAM/FAU- UnB, MINISTÉRIO DAS MINAS E ENERGIA. Balanço Energético Nacional. Disponível em < Acesso em: 20 de abril de Manual de Uso do Regulamento de Avaliação da Conformidade do Nível de Eficiência Energética Para Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos NBR Desempenho térmico de edificações Parte 2: Método de cálculo da transmitância, da capacidade térmica, do atraso térmico e do fato solar de elementos e componentes de edificações. ABNT, NBR Desempenho térmico de edificações Parte 3: Zonemanento bioclimatico brasileiro e diretries para habitações unifamiliares de interesse social. ABNT, PEREIRA, Fábio L. Avaliação da influência termoenergética do tipo de vidro na envoltória de edificações. Ministério da Educação, UFRS, Departamento de Engenharia Mecânica, Regulamento de Avaliação da Conformidade do Nível de Eficiência Energética Para Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos AGRADECIMENTO Os autores agradecem ao CNPQ pelas bolsas de pesquisa que permitiram a participação na equipe do Laboratório de Controle Ambiental e Eficiência Energética da Universidade de Brasília (LACAM/UnB).