6. RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES E SOFTWARE DE APOIO À CONCEPÇÃO

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1 RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES E SOFTWARE DE APOIO À CONCEPÇÃO O presente capítulo tem a finalidade de apresentar as REGRAS INTELIGENTES e o PROGRAMA COMPUTACIONAL DE AUXÍLIO À CONCEPÇÃO ARQUITETÔNICA. As Regras Inteligentes são obtidas através do tratamento dos resultados das simulações sobre o modelo virtual da edificação e de uma comparação entre os comportamentos do prédio para os períodos de verão e inverno para duas distintas inércias térmicas para as paredes. O Programa Computacional (software) de auxílio à concepção arquitetônica desenvolvido na tese é apresentado de forma detalhada e mostrado um exemplo de utilização do aplicativo a um caso teórico selecionado. 6.1 Comportamentos da Edificação com Distintas Inércias Térmicas Considerou-se um primeiro grupo de simulações onde visou-se determinar o comportamento da edificação, conforme descrita no capítulo 5, para duas composições de paredes em que são utilizados tijolos ou concreto, materiais usados na construção civil brasileira. Procurou-se através das simulações esclarecer qual a melhor alternativa de material a se utilizar nas paredes, de modo a se adequar a edificação ao clima tropical carioca. O comportamento térmico de uma parede é função de sua característica geométrica e das propriedades térmicas e de transporte dos materiais utilizados. Estas propriedades são: condutividade térmica (k) ; calor específico (Cp); massa específica (ρ) e a difusividade térmica (α= k/(ρ. Cp) dos materiais constituintes. Há também um parâmetro adimensional, o número de Fourier que é frequentemente usado em problemas de condução de calor que é a razão entre a taxa de calor por condução através a espessura L no volume L³ e a taxa de calor armazenado no volume L³ : Fo = α t/l² =[ k(1/l) L²] / {[ρ Cp L³]/t} [6.1]

2 Observa-se que se a condutividade térmica (k) do material for alta e a capacidade térmica (ρ.cp) for baixa, a difusividade térmica será alta, implicando numa grande velocidade de propagação (número de Fourier grande) do perfil de temperaturas na parede. Na prática procura-se utilizar algum índice que configure as questões térmicas ligadas ao envelope da edificação, em função da diversidade dos materiais empregados e de suas quantidades relativas. Uma contribuição neste sentido é um índice definido pelo Centre Scientifique et Technique du Bâtiment. Conforme as regras regulamentares RT2000 (CSTB, 2001), cada pavimento de uma edificação terá definida a sua classe de inércia térmica diária através da utilização de dois parâmetros: i) a capacidade térmica Cm do pavimento estudado em relação a uma onda térmica de período de 24 horas e; ii) a superfície de troca equivalente Am das paredes com o ambiente. Estes parâmetros são calculados pelas seguintes expressões: 135 Cm = Σ Ai. Xi + 20 Ap [6.2] Am = (Σ Ai. Xi) 2 / (Σ Ai. Xi 2 ) [6.3] onde Ai (m 2 ) é a superfície de uma parede i do pavimento em estudo, Ap (m 2 ) é a área útil do pavimento e Xi é a CAPACIDADE CALORÍFICA DE SUPERFÍCIE de cada parede i para o período de 24 horas, dada em KJ/(m 2.K) e calculada pelo produto (ρ. Cp. L). Obtidos Cm e Am, pode-se determinar a classe de inércia conforme a RT2000, através da tabela (6.1): Tabela 6.1 Classes de Inércia Térmica Fonte: Adaptado de CSTB (RT2000, 2001) Cm/Ap Am/Ap 80 a a a a a a a a a ou a 1.4 MB MB MB MB B B B B B B 1.5 a 1.9 MB MB B MED MED MED MED MED MED MED 2.0 a 2.4 MB B MED MED MED MED MED A A A 2.5 a 2.9 MB B MED MED A A A A A A 3.0 a 3.4 MB B MED A A A A A A MA 3.5 a 3.9 MB B MED A A A A A MA MA 4.0 a 4.4 MB B MED A A A A MA MA MA 4.5 a 4.9 MB B MED A A A MA MA MA MA 5 ou + MB B MED A A MA MA MA MA MA MB - muito baixa B - baixa MED - media A - alta MA - muito alta

3 Para fins de aplicação foram definidas duas composições distintas de paredes para serem objeto de simulação neste trabalho. Denominou-se como uma edificação de INÉRCIA TÉRMICA NORMAL aquela constituída materialmente pelas composições constantes na tabela 5.1 e na figura 5.8 (capítulo 5), representativas da prática corrente da indústria de construção civil brasileira. Uma outra composição de materiais foi imaginada para representar uma edificação com comportamento térmico diferente, substituindo-se nas mesmas composições citadas, o volume de tijolos por um volume igual de concreto (mesma espessura de paredes). A edificação assim constituída apresentará INÉRCIA TÉRMICA ALTA. De fato, seguindo a metodologia apresentada pela CSTB e considerando uma área de piso Ap = 384 m 2, uma área de teto também igual a 384 m 2, uma área de paredes externas e internas igual a 487 m 2 e as capacidades caloríficas de superfície calculadas (tabela 6.2), obtêm-se as relações Cm/Ap e Am/Ap para as composições de parede com tijolos e com concreto. Estas relações são necessárias para a entrada na tabela 6.1 e para determinação da classe de inércia do pavimento. Estas relações apresentam os seguintes valores, para uma porcentagem de janelas de 50% da área da fachada: 136 Paredes de tijolos: Cm/A p =218; Am/A p =2.98 na tabela 6.1 Inércia Média Paredes de tijolos: Cm/A p =410; Am/A p =2.69 na tabela 6.1 Inércia Alta Tabela 6.2 Propriedades dos materiais utilizados nas composições das paredes Material Espessura Calor Específico Massa Específica Cap. Calorífica L C p ρ X i m KJ/(kg.K) kg/m 3 (KJ/m 2.K) Tijolo Concreto (Paredes) Concreto (Lajes) Ressalta-se que, através de outros cálculos realizados, essas classes de inércia não se modificaram ao se considerar uma proporção de janelas de 20% e 70% da área da fachada.

4 Considerando-se, portanto, os dois conjuntos de composições (distintos materiais) para os fechamentos externos e internos (paredes e lajes), pôde-se estudar os comportamentos das condições de conforto ambiental e do consumo energético para climatização, mantendo-se constante a espessura das paredes. Uma análise destes comportamentos fornece uma estratégia com relação ao uso de materiais de construção no envelope da edificação, de modo a adequar este uso ao clima da região. As tabelas 6.3 e 6.4 apresentam os resultados das simulações do consumo energético diário para climatização das salas, para as situações INÉRCIA TÉRMICA NORMAL e INÉRCIA TÉRMICA ALTA. A primeira tabela mostra os resultados para o período de verão (17/fevereiro) e a segunda para o período de inverno (15/agosto). Considerou-se nas simulações uma área de janelas de 50% da área da fachada, nenhuma proteção solar, vento perpendicular à fachada e quatro orientações para o prédio: 0, 90, 180 e 270 graus (fachadas voltadas para o norte, leste, sul e oeste). 137 Tabela 6.3 Energia elétrica consumida para diferentes condições e orientações (Verão) Condições Ori = 0 Ori = 90 Ori = 180 Ori = 270 Verão / Ar Cond / Inércia Térmica Normal Verão / Ar Cond / Inércia Térmica Grande Tabela 6.4 Energia elétrica consumida para diferentes condições e orientações (Inverno) Condições Ori = 0 Ori = 90 Ori = 180 Ori = 270 Inverno / Ar Cond / Inércia Térmica Normal Inverno / Ar Cond / Inércia Térmica Grande Os dados das tabelas mostram que o consumo de energia para climatização das áreas de escritório é sempre menor com o pavimento apresentando INÉRCIA ALTA (paredes de concreto), tanto para o período de verão (consumo ligeiramente menor) quanto de inverno. Nesse último inclusive, o arrefecimento mecânico dos ambientes torna-se desnecessário. Verifica-se, portanto, que é ligeiramente vantajoso, em termos energéticos, utilizar o concreto nas paredes, no lugar do tijolo. Os resultados das simulações indicam, portanto, que segundo esse critério, há

5 ligeiros benefícios com a utilização de um material que aumente a inércia térmica da edificação. Verifica-se, entretanto, através da análise dos PPD nos escritórios (ver item 6.2 a seguir), que paredes de concreto prejudicam a sensação de conforto térmico no inverno, justamente por absorver excessivamente o calor do ar. Nesse caso, devido às temperaturas externas baixas, é desejável que uma certa quantidade da energia solar absorvida seja transferida para o interior, mesmo para o clima tropical considerado. Poderá existir também neste caso condensação do ar nas paredes, pois a temperatura da parede pode ficar abaixo do ponto do orvalho Comportamentos da Edificação no Verão e Inverno O estudo comparativo entre os comportamentos de uma mesma edificação durante um mês quente (verão, data de referência: 17/fevereiro) e um mês frio (inverno, data de referência: 15/agosto), visa determinar se diferentes estratégias devem ser utilizadas para adequar o prédio às diferentes condições ambientais dos dois períodos distintos. Em climas temperados, não é raro que haja a necessidade de arrefecer os ambientes no verão e aquecê-los no inverno. Para climas tropicais, em que as variações médias anuais e diárias não são muito elevadas, a situação é diferente. Nesse caso, a estação quente é predominante e, geralmente, determina a tipologia, os materiais e as condições de uso da edificação. Entretanto, é interessante conhecer mais detalhadamente o comportamento da mesma, para verificar se os resultados numéricos corroboram a prática corrente em considerar apenas as condições climáticas de verão na determinação das características da construção. As tabelas 6.5 e 6.6 apresentam os resultados das simulações do consumo energético diário para climatização das salas com as janelas fechadas, para o período de verão e inverno. A primeira tabela mostra os resultados para ambientes com INÉRCIA TÉRMICA NORMAL e a segunda para paredes com INÉRCIA TÉRMICA ALTA segundo as definições adotadas. Como no item anterior, considerou-se, nas simulações, uma área de janelas de 50% da área da fachada, nenhuma proteção solar e quatro orientações para o prédio: 0, 90, 180 e 270 graus (fachada voltada para norte, leste, sul e oeste).

6 139 Tabela 6.5 Energia elétrica consumida para diferentes condições e orientações (Verão e Inverno) Condições Ori = 0 Ori = 90 Ori = 180 Ori = 270 Verão / Ar Cond / Inércia Térmica Normal Inverno / Ar Cond / Inércia Térmica Normal Tabela 6.6 Energia elétrica consumida para diferentes condições e orientações (Verão e Inverno) Condições Ori = 0 Ori = 90 Ori = 180 Ori = 270 Verão / Ar Cond / Inércia Térmica Grande Inverno / Ar Cond / Inércia Térmica Grande Verifica-se, imediatamente, que o consumo de energia no período de inverno, mantendo-se as janelas sempre fechadas, é cerca de 17 a 20% daquele do período de verão, para uma edificação de INÉRCIA TÉRMICA NORMAL. Para uma construção de INÉRCIA TÉRMICA ALTA, o consumo neste período é reduzido a zero. Esta diferença de comportamentos entre verão e inverno é independente da orientação do prédio. No caso em que o prédio é ventilado de forma natural (sem climatização artificial, com as janelas sempre abertas), a análise dos comportamentos pode ser feita através de uma comparação entre o percentual de pessoas insatisfeitas (PPD médio diário, conforme item 5.6) para os dois diferentes períodos (verão e inverno). Esses resultados são mostrados nas tabelas 6.7 e 6.8 respectivamente. Tabela 6.7 PPD médio nas salas para diferentes condições e orientações (Verão e Inverno) Condições Ori = 0 Ori = 90 Ori = 180 Ori = 270 Verão / VentNat / Inércia Térmica Normal Inverno / VentNat / Inércia Térmica Normal Tabela 6.8 PPD médio nas salas para diferentes condições e orientações (Verão e Inverno) Condições Ori = 0 Ori = 90 Ori = 180 Ori = 270 Verão / VentNat / Inércia Térmica Grande Inverno / VentNat / Inércia Térmica Grande

7 Verifica-se ao se comparar os PPD médios nas salas para as duas diferentes épocas do ano que o nível de conforto nos escritórios é bastante semelhante, ficando entre 20 e 35%, tanto para a situação de paredes constituídas de tijolos quanto para paredes de concreto. Entretanto, como já foi visto que o consumo energético para climatização é bastante baixo no inverno, esses índices relativamente altos para o PPD sugerem uma insatisfação com relação à baixas temperaturas ambientes, e não à sensação de calor. Realmente, as simulações considerando a ventilação natural mostram que as temperaturas ambientes internas ficam muito próximas às temperaturas exteriores, devido à livre circulação do ar. Para o Rio de Janeiro, no mês de agosto, estas temperaturas são menores que as temperaturas de conforto (gráfico 6.1), resultando em índices PMV negativos (sensação de frio) conforme mostra o gráfico Gráfico 6.1 Temperaturas nas salas (Dia Típico de Inverno/Ventilação Natural)

8 141 Gráfico 6.2 Evolução do PMV e PPD nas salas (Dia Típico de Inverno/Ventilação Natural) Ressalta-se que a sensação de frio ocorre, principalmente, porque as simulações foram realizadas considerando as janelas das salas permanentemente abertas, o que certamente não ocorreria na prática, durante esta época do ano. Nesta situação, haveria uma intervenção dos usuários para fechar as janelas e evitar a perda térmica dos ambientes para o exterior. Além disso, no inverno há uma tendência à utilização de vestimentas um pouco mais pesadas do que as usadas nas simulações (em que se considerou um isolamento térmico para as vestimentas de 0.109m 2 K/W, ou 0.7 CLO). Verificou-se, então, se apenas o fechamento das janelas seria suficiente para a obtenção de condições de conforto. Os resultados das simulações para o DIA TÍPICO DE INVERNO e considerando as janelas fechadas, indicam que no caso das paredes de concreto o PPD médio é maior do que aquele obtido com paredes constituídas de tijolos, ou seja, a sensação de frio é mais intensa ou ocorre durante um período maior (tabela 6.9). Tabela 6.9 PPD nas salas para diferentes condições e orientações (Dia Típico de Inverno) Condições Ori = 0 Ori = 90 Ori = 180 Ori = 270 Inverno / Ar Cond / Inércia Térmica Normal Inverno / Ar Cond / Inércia Térmica Grande

9 6.3 Conclusão dos Estudos de Comportamento para os Períodos de Verão/Inverno e para Inércias Térmicas Distintas 142 Os resultados das simulações VERÃO/INVERNO para as duas INÉRCIAS TÉRMICAS, encontram-se tabelados no anexo D. Uma análise desses resultados, sintetizada nos itens 6.3 e 6.4, permite concluir que, para o clima tropical úmido do Rio de Janeiro, durante o período de verão em muitas situações a climatização artificial é necessária (no caso de ausência de proteção solar, grande área de janelas, etc). Por outro lado, durante o período de inverno não há necessidade do uso de arcondicionado, pois o simples abrir e fechar das janelas, controlado pelo usuário da edificação, é suficiente para a obtenção de níveis de conforto. A estratégia para se obter uma redução do consumo de energia de climatização (visando o conforto térmico) pode ser determinada, portanto, estudando-se o comportamento da edificação para o período de verão. Quanto à utilização de materiais que aumentem a inércia térmica da edificação como componentes de paredes, dificilmente sua utilização indiscriminada seria justificada pelo pequeno ganho no consumo de energia de climatização no verão, às custas de um maior período de desconforto térmico no período de inverno, por parte dos usuários. Desta forma, para o clima do Rio de Janeiro e para prédios de escritório, estabelece-se como uma boa estratégia utilizar as composições de paredes (envelope do edifício) descritas na figura 5.7, no capítulo anterior deste trabalho, que apresentam uma INÉRCIA TÉRMICA NORMAL. 6.4 As Regras Inteligentes Para o Período de Verão O grupo principal de simulações realizadas visou determinar os comportamentos da edificação padrão para as diversas orientações, direções dos ventos, áreas de janelas na fachada frontal (escritórios), níveis de sombreamento destas janelas e tipo de climatização, abrangendo, como já foi visto no item 5.5, um total de 2304 diferentes combinações de projeto. A tipologia do prédio, as características das paredes e das aberturas utilizadas e o modelo de ocupação do imóvel considerado estão descritos no capítulo 5. Como

10 143 condições climáticas, utilizou-se nas simulações os dados estabelecidos para o DIA TÍPICO DE VERÃO para a cidade do Rio de Janeiro. Todas as simulações foram realizadas utilizando-se os programas descritos nos capítulos 2 e 3, ou mais especificamente, TRNSYS (versão 15), AEOLUSMZ e NATLITE. Os resultados das simulações, obtidos conforme a descrição feita no item 5.6, encontram-se tabelados nos anexos A, B e C. De posse desses resultados, seguindo a abordagem explicitada no item 5.7, determinou-se as curvas descritivas dos comportamentos do prédio em relação a cada um dos parâmetros estudados. Essas curvas representam o que se denomina neste trabalho de REGRAS INTELIGENTES, e podem ser utilizadas para determinar alguns desempenhos da edificação. Apresenta-se a seguir os valores calculados e os gráficos respectivos para cada uma das curvas determinadas As regras inteligentes relacionadas à luz natural O gráfico 6.3 mostra o comportamento do prédio em termos do potencial de utilização da luz natural para iluminação dos ambientes em relação à orientação do mesmo. Esta orientação é definida considerando-se a fachada frontal da edificação (a que contém as janelas dos ambientes de escritório), de acordo com o seguinte critério: 0 grau = fachada cuja normal aponta para o norte geográfico; outras orientações = fachadas com normais apontando para outras direções, tomadas no sentido horário, a partir do norte geográfico. Diretamente acima do gráfico, em realce, encontram-se os valores numéricos da curva de comportamento para as diversas orientações da fachada. Percebe-se que o maior potencial para uso da luz natural se dá com o prédio voltado para sudeste e sudoeste, enquanto o menor potencial é para uma edificação voltada para o norte.

11 Luz Natural (NORMALIZADO) Orientação (graus) Gráfico 6.3 Quantidade de Luz Natural nas Salas em Relação à Orientação do Prédio Em relação ao tamanho das aberturas externas, obviamente quanto maior for sua área, maior a quantidade de luz natural utilizável. Entretanto, pelo gráfico 6.4 verifica-se que a função não é linear, ou seja, o aumento na área das janelas não corresponde a um aumento proporcional à quantidade de luz dentro dos ambientes. Assim, aberturas muito pequenas fornecem menos luz natural do que o esperado, da mesma forma que o aumento de área para aberturas de tamanho já avantajado não fornece um aumento de luz na mesma proporção Luz Natural (NORMALIZADO) Área da Janela em relação à Área da Fachada (%) Gráfico 6.4 Quantidade de Luz Natural nas Salas em Relação à Área de Janelas

12 Finalmente, o gráfico 6.5 mostra o potencial de utilização da luz natural em relação ao nível de sombreamento das janelas. Neste caso, pode-se dizer que a quantidade de luz natural é inversamente proporcional ao nível de sombreamento Luz Natural (NORMALIZADO) Fator de Sombreamento das Janelas (%) Gráfico 6.5 Quantidade de Luz Natural nas Salas em Relação ao Fator de Sombreamento das Janelas Para o conforto visual, obteve-se como índice o potencial de ocorrência de ofuscamento nas salas, para as diversas condições de projeto. Pelo gráfico 6.6 verifica-se que as piores condições são para os prédios voltados para o leste e o oeste (orientações iguais a 90 e 270 graus). Isto se deve ao fato de que para estas orientações, numa boa parte do dia há uma exposição das fachadas com sol apresentando baixas alturas no céu, aumentando a possibilidade de ofuscamento. Para fachadas norte e sul, ao contrário, a probabilidade de ofuscamento se reduz muito, entre 7 e 20% do máximo observado. Já para o ofuscamento em relação à área das aberturas externas, observa-se que ele aumenta à medida que as janelas crescem em tamanho. Este aumento pode ser descrito pela curva do gráfico 6.7.

13 Ofuscamento (NORMALIZADO) Orientação (graus) Gráfico 6.6 Ofuscamento nas Salas em Relação à Orientação do Prédio Ofuscamento (NORMALIZADO) Área da Janela em relação à Área da Fachada (%) Gráfico 6.7 Ofuscamento nas Salas em Relação à Área de Janelas Um comportamento inverso ocorre para o potencial de ofuscamento em relação ao fator de sombreamento das aberturas, conforme mostra o gráfico 6.8. Neste caso, maiores sombreamentos implicam em menores chances de ofuscamento, pelo efeito de nivelamento entre luminâncias no plano da abertura e nas luminâncias das superfícies do cômodo observados pelo usuário (luminâncias de fundo).

14 Ofuscamento (NORMALIZADO) Fator de Sombreamento das Janelas (%) Gráfico 6.8 Ofuscamento nas Salas em Relação ao Fator de Sombreamento das Janelas As regras inteligentes para salas com condicionamento artificial de ar O consumo de energia para climatização dos ambientes das salas foi considerado como a demanda de energia sensível para obtenção de níveis de conforto, para o período de 6 às 19 horas. Desta forma, foi desprezada a energia gasta para climatização para os períodos anterior e posterior a estes horários, mesmo que durante este tempo as temperaturas internas exigissem arrefecimento do ar. Os valores obtidos pelas simulações são o consumo previsto em kwh de energia elétrica neste período. Da mesma forma, o grau de desconforto pela qualidade do ar foi calculado para essas mesmas 13 horas (período de 6 às 19h), sempre que o índice percebido (PPD) ultrapassou o limite de 10%. Calculou-se, então, para o período, o valor médio do PPD. O gráfico 6.9 mostra o consumo de energia em relação à orientação do prédio. Observa-se que os maiores consumos estão relacionados com prédios voltados para leste e oeste. Os menores consumos são obtidos com edificações cujas fachadas frontais são orientadas para o norte e o sul.

15 Consumo de Energia (kwh NORMALIZADO) Orientação (graus) Gráfico 6.9 Consumo de Energia de Climatização nas Salas em Relação à Orientação do Prédio O gráfico 6.10, por sua vez, apresenta os consumos de energia em relação à direção do vento incidente. As direções são tomadas em relação à normal da fachada principal. Neste caso, ventos normais à fachada (0 graus de incidência) implicam em maiores consumos, pois há uma maior infiltração de ar exterior (quente) para os ambientes climatizados. Desta forma, os consumos estão aqui relacionados diretamente aos valores de infiltração de ar nas salas Consumo de Energia (kwh NORMALIZADO) Direção do Vento em Relação à Fachada (graus) Gráfico 6.10 Consumo de Energia de Climatização nas Salas em Relação à Direção do Vento Em termos de consumo com climatização em relação à área de janelas, como esperado, a relação é linear com o consumo aumentando na medida do aumento do tamanho das aberturas. Janelas maiores deixam entrar maior quantidade de radiação

16 solar (carga térmica) e apresentam maiores frestas (maior infiltração de ar quente exterior). A relação é mostrada no gráfico Consumo de Energia (kwh NORMALIZADO) Área da Janela em relação à Área da Fachada (%) Gráfico 6.11 Consumo de Energia de Climatização nas Salas em Relação à Área de Janelas A relação entre o fator de sombreamento das janelas e o consumo de energia para climatização das salas se dá conforme o gráfico Maior sombreamento implica em menor carga térmica no ambiente, de maneira inversamente proporcional. Nesse caso, o comportamento do prédio é influenciado apenas pelo valor da radiação solar que penetra os ambientes, e não é influenciado pela infiltração do ar, por exemplo Consumo de Energia (kwh NORMALIZADO) Fatro de Sombreamento das Janelas (%) Gráfico 6.12 Consumo de Energia de Climatização nas Salas em Relação ao Fator de Sombreamento das Janelas Os dois gráficos seguintes relacionam a insatisfação quanto à qualidade do ar percebida nas salas (PPD) com a direção do vento e com a área de janelas, respectivamente. Analisando-os, percebe-se que a qualidade do ar interior percebida

17 pelos ocupantes está diretamente relacionada com a infiltração de ar externo nos ambientes. Além disso, observando as curvas nos gráficos 6.10 e 6.13 nota-se que grandes valores em uma delas implicam em pequenos valores no outro gráfico. Fica claro que quanto maior a infiltração de ar, melhor a qualidade do mesmo percebida nas salas (menor PPD, gráfico 6.13), porém, maior também é o consumo de energia elétrica (gráfico 6.10). Esse é um exemplo típico de dois critérios de projeto conflitantes entre si. Da mesma maneira, os valores dos gráficos 6.11 e 6.14 estão relacionados, pois quanto maior é a área da janela, maior é a infiltração de ar pelas frestas (e menor insatisfação quanto à qualidade do ar no interior), implicando, entretanto, num maior o consumo de energia elétrica Insatisfação quanto à Qualidade do Ar (PPD NORMALIZADO) Direção do Vento em Relação à Fachada (graus) Gráfico 6.13 Insatisfação quanto à Qualidade do Ar nas Salas em Relação à Direção do Vento

18 Insatisfação quanto à Qualidade do Ar (PPD NORMALIZADO) Área da Janela em relação à Área da Fachada (%) Gráfico 6.14 Insatisfação quanto à Qualidade do Ar nas Salas em Relação à Área de Janelas Finalmente, ressalta-se, mais uma vez, que em termos de percepção do conforto térmico, em todas as 1152 situações de projeto simuladas considerando equipamentos mecânicos de climatização, o índice de insatisfação (PPD) calculado é zero, pois a função do ar-condicionado considerado teoricamente, é de justamente prover uma carga de refrigeração suficiente para se atingir os níveis desejáveis de conforto, independente da potência instalada necessária As regras inteligentes para salas com ventilação natural Seguindo a mesma metodologia utilizada anteriormente para o caso de ambientes com climatização artificial, obteve-se curvas para o comportamento da edificação para as mesmas 1152 combinações de projeto. A diferença é que, neste segundo grande conjunto de simulações, as janelas foram consideradas abertas durante as 24 horas, numa situação que os estudiosos de língua inglesa denominam como free running building, ou seja, um edifício que apresenta em seu interior praticamente as mesmas condições climáticas exteriores. Em tal situação, obviamente não faz mais sentido calcular o consumo de energia para climatização, já que este é inexistente. Entretanto, agora deve-se pensar no nível de conforto térmico interior alcançado com a ventilação natural.

19 Apresenta-se, assim, as curvas de tendência obtidas em função dos PPD médios calculados para as salas de escritórios. O gráfico 6.15 mostra o comportamento da edificação em relação à orientação do prédio (norte = 0 grau, sul = 180 graus). Percebe-se que o desconforto é maior para edificações voltadas para leste e oeste, como esperado Desconforto Térmico (PPD NORMALIZADO) Orientação (graus) Gráfico 6.15 Desconforto Térmico nas Salas em Relação à Orientação do Prédio Em relação à direção do vento incidente, considerando a fachada principal do prédio aquela que contém as janelas dos escritórios (fachada frontal), o desconforto térmico é igualmente ruim quando essa incidência é perpendicular ou à fachada posterior ou às fachadas laterais. Por outro lado, as melhores condições de conforto são obtidas com o vento penetrando perpendicularmente às janelas das salas dos escritórios, situação esta que promove a maior vazão e as maiores velocidades internas do ar dentro das salas. Isso está em consonância com o fato de que a sensação de conforto térmico em climas quentes e úmidos é conseguida com o escoamento do ar em torno dos indivíduos, quando ocorrem as trocas de calor por evaporação. O conforto térmico alcançado em relação à incidência do vento no prédio é mostrado no gráfico 6.16.

20 Desconforto Térmico (PPD NORMALIZADO) Direção do vento em Relação à Fachada (graus) Gráfico 6.16 Desconforto Térmico nas Salas em Relação à Direção do Vento Considerando a variação da área das janelas, a curva de tendência (gráfico 6.17) observa-se que ao se aumentar o tamanho da janela, maior será o conforto térmico nos escritórios. Isso porque aberturas maiores promovem uma maior penetração de ar no ambiente e com uma velocidade de escoamento maior, promovendo as trocas por evaporação. O fato de janelas menores implicar em menor radiação solar penetrando no ambiente, não compensa os efeitos da ventilação sobre os ocupantes Desconforto Térmico (PPD NORMALIZADO) Área da Janela em relação à Área da Fachada (%) Gráfico 6.17 Desconforto Térmico nas Salas em Relação à Área de Janelas

21 Para o nível de sombreamento das janelas, como esperado, as condições de conforto são tão melhores quanto maior for a proteção das janelas em termos da incidência de radiação solar. Os resultados são mostrados no gráfico Desconforto Térmico (PPD NORMALIZADO) Fator de Sombreamento das Janelas (%) Gráfico 6.18 Desconforto Térmico nas Salas em Relação ao Fator de Sombreamento das Janelas Finalmente, foram determinadas as curvas apresentadas nos gráficos 6.19 e 6.20, que relacionam a insatisfação quanto à qualidade do ar interior com a direção do vento incidente e com a área das janelas. Como esperado, a insatisfação dos ocupantes está diretamente ligada à quantidade de ar limpo que penetra ao ambientes. Assim, as melhores condições são obtidas para um vento incidindo perpendicularmente à fachada principal e com a maior área possível de janelas (maiores vazões de ar, menor insatisfação dos usuários) Insatisfação quanto à Qualidade do Ar (PPD NORMALIZADO) Direção do Vento em Relação à Fachada (graus) Gráfico 6.19 Insatisfação quanto à Qualidade do Ar nas Salas em Relação à Direção do Vento

22 Insatisfação quanto à Qualidade do Ar (PPD NORMALIZADO) Área da Janela em relação à Área da Fachada (%) Gráfico 6.20 Insatisfação quanto à Qualidade do Ar nas Salas em Relação à Área de Janelas Comparando-se essas curvas com as curvas de conforto térmico, verifica-se que, para a tipologia simulada e o clima tropical úmido do Rio de Janeiro, a utilização de grandes aberturas promove tanto uma boa qualidade do ar nos escritórios quanto boas condições de conforto térmico para os usuários da edificação. 6.5 Aplicação das Regras Inteligentes à Análise Multicritério. Tomando como exemplo as curvas obtidas das análises dos resultados das simulações descritas detalhadamente no item anterior, verifica-se, por exemplo, que a solução de projeto que mais consome energia para climatizar os ambientes é aquela que: apresenta uma orientação de 90 graus, está sujeita a um vento normal à fachada frontal, possui janelas envidraçadas na proporção de 70% da área da fachada principal e nenhum fator de sombreamento das janelas. Uma tal alternativa de projeto teria um índice de desempenho igual à 1 (um) para o critério CONSUMO ENERGÉTICO, pois para todas as curvas normalizadas, seu consumo de energia elétrica seria o máximo encontrado nas simulações (figura 6.1). A mesma tipologia arquitetônica mas apresentando uma orientação de 45 graus em relação ao norte, sujeita a um vento incidindo a 30 graus normal à fachada

23 principal, possuindo janelas envidraçadas na mesma proporção de 70% da área da fachada com dispositivos arquitetônicos provendo 25% de sombreamento, teria por sua vez um índice de desempenho igual à 0.79, resultado da multiplicação dos desempenhos individuais iguais a 0.91, 0.99, 1.00 e 0.88, obtidos nas quatro curvas dos gráficos 6.9, 6.10, 6.11 e 6.12, respectivamente. Assim sendo, o consumo energético desta outra solução de projeto seria 21% menor daquele apresentado pela primeira solução. 156 Figura 6.1 Duas alternativas de projeto Pelo mesmo processo, e de posse das 16 curvas descritivas dos comportamentos da edificação em relação aos cinco critérios escolhidos, podem ser obtidos os respectivos índices de desempenho para diversas alternativas de projeto, que serão os dados de entrada para se proceder à análise multicritério e encontrar a melhor solução de projeto (figura 6.2), conforme explicado no Capítulo 1. Figura 6.2 Aplicando a Análise Multicritério aos valores obtidos das curvas de desempenho

24 O Software de Auxílio à Concepção Arquitetônica Para implementar em termos computacionais o método de análise multicritério para diversas alternativas de projeto, foi desenvolvida uma ferramenta utilizando a linguagem Object Pascal/Delphi 3.0, que foi denominada CONCEPT. O código foi compilado em um único arquivo de aproximadamente 700 Kb, executável numa plataforma PC/Windows. O código do CONCEPT foi desenvolvido baseando-se no enfoque descrito detalhadamente na seção 2.1 deste trabalho. A utilização do programa se dá de forma bem direta. Buscou-se elaborar uma interface bastante interativa, de modo a facilitar o uso por parte de não-especialistas. Ao iniciar o programa, o usuário se depara com a janela mostrada na figura 6.3. Através dessa janela, todos os valores e status para os parâmetros da edificação são escolhidos e determinados. São eles: opção de uso de climatização artificial ou somente ventilação natural; área das janelas da fachada principal do edifício, dada em porcentagem da área da fachada; fator de proteção solar, dado em termos de porcentagem de obstrução da área das janelas; orientação da edificação tomada no sentido horário em relação ao norte gerográfico (azimute da fachada frontal do prédio); direção do vento tomada no sentido horário em relação ao norte; Além disso, através desta janela tem-se acesso ao banco de configurações de tipologias arquitetônicas gravadas em disco. O acesso a este banco de dados é a primeira tarefa a ser realizada pelo usuário e é executada pressionando-se o botão próximo ao canto superior direito da tela, abaixo do título CONFIGURAÇÃO. Com esta ação, abre-se uma janela de gerenciamento de arquivos (figura 6.4). Os arquivos contendo as curvas conforme apresentado no item 6.4 possuem uma extensão do tipo.cpt

25 158 Figura Janela de entrada dos parâmetros da edificação Figura Janela de acesso ao banco de tipologias arquitetônicas Após a escolha de uma configuração, pressiona-se o botão CARREGAR AS CURVAS DE DESEMPENHO, a janela é fechada e pode-se passar para a escolha dos valores para os parâmetros da edificação. À medida que os valores vão sendo escolhidos, o desempenho da construção em relação aos critérios CONSUMO ENERGÉTICO, CONFORTO TÉRMICO, CONFORTO VISUAL, APROVEITAMENTO DA LUZ NATURAL e QUALIDADE DO AR (respectivamente CE, CT, CV, LN e QA nos

26 títulos das barras do gráfico) vai sendo atualizado em tempo real, e mostrado graficamente no canto superior esquerdo da janela (figura 6.5). Uma configuração ideal, apresentaria índice igual a 1 (ou 100%) para todos os critérios. O objetivo desse gráfico é auxiliar o usuário, interativamente e, de forma preliminar, a escolher valores adequados para os parâmetros da edificação. 159 Figura 6.5 Gráfico de desempenho da edificação do software Concept A segunda etapa na utilização do programa CONCEPT é a escolha das alternativas de projeto que serão objetos de comparação no processo de análise multicritério. O software permite que 10 diferentes alternativas sejam consideradas. Pode-se incluir e eliminar alternativas à vontade, desde que o número total não ultrapasse esse limite. A manipulação das alternativas é feita acionando-se o folder ALTERNATIVAS da janela do programa (figura 6.6). A inclusão de uma nova alternativa para comparação é realizada pressionando-se o grande botão vermelho contendo o título INSERE ALTERNATIVA, no canto inferior esquerdo da tela. Os detalhes dos parâmetros que serão considerados para esta solução de projeto são mostrados logo à direita do botão, e representam os valores ativos dos mesmos, neste instante, no folder PARÂMETROS. Ao incluir uma nova solução de projeto, ela aparece na tabela de LISTAGEM DAS SOLUÇÕES DE PROJETO, dentro do folder, com todos os seus parâmetros. Para incluir outra alternativa diferente, o usuário deve selecionar o folder PARÂMETROS, modificar um ou mais valores e depois retornar ao folder ALTERNATIVAS e incluir a nova solução. Este procedimento deve ser repetido até que todas as alternativas desejadas estejam na tabela de listagem. Caso o usuário deseje eliminar alguma das alternativas, deve-se pressionar o pequeno botão DEL correspondente à solução, na tabela. Imediatamente, a alternativa é excluída da tabela (que é reorganizada automaticamente) e não será considerada na análise multicritério.

27 O ranking das soluções de projeto é calculado a cada inserção ou exclusão de uma alternativa, em tempo real. O resultado é mostrado numa pequena tabela à direita da listagem de soluções. Soluções mais ao alto desta tabela representam as soluções de melhor desempenho da edificação segundo os critérios adotados na análise multicritério. 160 Figura Janela de listagem das possíveis alternativas de projeto O software apresenta ainda a possibilidade de modificação dos parâmetros de comparação das soluções de projeto considerados na análise multicritério. Através do folder RANKING (figura 6.7), o usuário pode verificar ou modificar os PESOS e os Limites de PREFERÊNCIA, INDIFERENÇA e VETO considerados na análise (ver capítulo 1).

28 161 Figura Janela de classificação das alternativas de projeto Finalmente, previu-se a possibilidade do projetista desejar utilizar um critério extra (Critério X) para a classificação das alternativas de projeto. Para isso, incluiu-se mais uma coluna dentro da matriz de valores que pode ser preenchida pelo usuário, conforme sua disponibilidade de dados. Por exemplo, supondo-se que o projetista conheça o preço global de algum item da edificação e que este preço deva ser considerado como um critério pelo método de análise multicritério, pode-se incluir os valores para este critério na última coluna da matriz, para cada uma das soluções de projeto. Para considerar estes dados nas comparações das alternativas, basta pressionar o botão violeta INATIVO que serve de título para a respectiva coluna de valores. Imediatamente, o título do botão muda para ATIVO, indicando a inclusão do sexto critério na comparação das alternativas, e o novo resultado para o RANKING é mostrado na pequena tabela da direita (figura 6.8). Para retirar o critério da análise, basta pressionar novamente o mesmo botão e, assim, apenas os cinco critérios originais são considerados. A escolha entre maximizar ou minimizar este critério extra é realizada clicando-se a seta correspondente à sua coluna, logo acima da matriz de valores. Uma seta voltada para cima significa maximizar o critério (maiores valores, melhor ranking), enquanto a seta para baixo significa minimizar o

29 critério (menores valores, melhor ranking). Para um critério extra do tipo preço, por exemplo, a seta deve assim estar voltada para baixo. 162 Figura 6.8 Utilização de um critério extra na análise multicritério 6.7 Exemplo de Aplicação do Software de Auxílio à Concepção Para exemplificar o processo de concepção arquitetônica com a utilização do software CONCEPT, imaginou-se um caso teórico de anteprojeto para uma edificação a ser construída num terreno fictício da cidade do Rio de Janeiro, cujo mapa do entorno é apresentado na figura 6.9. Considera-se que o prédio deverá possuir as mesmas características gerais que a tipologia utilizada na determinação das regras inteligentes disponíveis, ou seja, é um prédio de escritórios de múltiplos pavimentos e com um layout dos espaços interiores apresentando forte unilateralidade (salas voltadas para a fachada principal). Para esse estudo de caso, partiu-se do princípio que os atores envolvidos no projeto querem evitar a climatização mecânica do ar na edificação, porém mantendo o melhor conforto térmico possível para os usuários.

30 163 Figura 6.9 Mapa de situação do lote Devido à forma do lote imaginado, a orientação do prédio pode variar em até 15 graus, apresentando nas situações limite, as configurações mostradas na figura 6.10 a seguir. Em relação ao norte geográfico, essas duas orientações assumem valores de 110 e 125 graus (tomadas no sentido horário), respectivamente. Quanto aos ventos, pode-se considerar a direção sudeste (135 graus em relação ao norte), cuja frequência é predominante para a cidade do Rio de Janeiro. Figura 6.10 As duas orientações-limite para a edificação Dispondo-se desses parâmetros iniciais, o processo de concepção começa com a entrada dessas duas alternativas no software CONCEPT, considerando o prédio aerado naturalmente, uma área de janelas equivalente a 50% da área da fachada frontal e nenhuma proteção solar. Os cálculos indicam (figura 6.11) que entre estas duas alternativas, o melhor compromisso (melhor posição no ranking) é

31 para a edificação orientada um pouco mais para o sul, solução mostrada na planta esquerda da figura Figura 6.11 Um primeiro ranking, comparando as orientações da edificação Pode-se imaginar, entretanto, que o arquiteto tenha uma preferência pela orientação da alternativa 1, pois esta privilegia, mesmo que pouco, a iluminação natural dos ambientes e, mais importante, descola o prédio em relação à edificação do terreno à esquerda. O problema então passa a ser como melhorar sua classificação na ordem de preferências, tendo-se em vista que para três dos critérios (conforto térmico, conforto visual e qualidade do ar), ela é inferior à alternativa 2. O arquiteto pode então experimentar variar o tamanho das janelas e passar dos 50% inicialmente estabelecidos para 60% e 70% da área da fachada. As alternativas 3 e 4 representam estas duas novas configurações de janelas. Calculando-se um novo ranking das soluções de projeto, verifica-se que com este aumento das aberturas, as duas novas alternativas superam igualmente a anterior melhor alternativa 2, permitindo, desta forma, que o prédio seja implantado com a orientação menos favorável (figura 6.12). Figura 6.12 Um segundo ranking, comparando janelas de diferentes dimensões

32 165 Resta, enfim, resolver o problema de escolha entre as duas boas alternativas (3 e 4) que apresentam igual classificação. Observa-se que a alternativa 4 se sobressai em dois critérios: o conforto térmico dos ocupantes (menor PPD, índice de 0.74) e o potencial para uso da luz natural (índice de 0.97). A alternativa 3, por outro lado, apresenta um potencial menor para o ocorrência de ofuscamento (0.55 contra 0.70), o que é desejável. Como as maiores diferenças entre as duas alternativas estão relacionadas à luz natural, pode-se tentar encontrar uma solução de meio termo e que mantenha a boa qualidade do ambiente em termos do conforto térmico. Para isso, experimenta-se aumentar o fator de sombreamento das janelas das alternativas 3 e 4 de 0 para 20%, definindo duas novas alternativas 5 e 6. A idéia é incrementar o conforto visual, diminuir pouco o potencial de uso da luz natural e manter o conforto térmico nos escritórios. O novo ranking, contendo estas duas novas alternativas, é mostrado na figura 6.13 a seguir. Verifica-se que, ao contrário do esperado, a análise multicritério volta a privilegiar a alternativa 2, que já havia sido descartada. Figura 6.13 Um terceiro ranking, comparando diferentes fatores de sombreamento das janelas Isso indica que a escolha do valor de 20% para o índice de sombreamento foi exagerada. Elimina-se então estas duas alternativas do cálculo e substitui-se por outras duas com fatores de sombreamento menores, iguais a 5%.Finalmente, após o cálculo do novo ranking, verifica-se que a alternativa de melhor compromisso volta a ser de número 4, agora em melhor posição que a de número 3, o que indica que para esta edificação em particular, aumentar o sombreamento das janelas não é vantajoso

33 em termos globais do projeto. A alternativa 4 seria então a solução a ser adotada (figura 6.14). 166 Figura 6.14 Um quarto ranking de alternativas Vale ressaltar, contudo, que nesses estudos realizados não se considerou pesos distintos para os diferentes critérios, ou seja, partiu-se do princípio que todos eles possuem a mesma importância para o conceptor. Assim, se o arquiteto ou outro agente decisor envolvido no processo resolvesse privilegiar o conforto térmico dos ambientes, por exemplo, dando para este critério um peso igual a 2, o ranking final poderia diferente. Realmente, nesse caso, as soluções com fatores de sombreamento das janelas de 20%, anteriormente descartadas, seriam igualmente classificadas como as melhores alternativas de projeto e o processo de refinamento da solução deveria ter continuidade (figura 6.15). Figura 6.15 Um ranking final alternativo considerando critérios com pesos distintos

34 Além disso, a possível utilização de outros critérios para a ordenação das alternativas de projeto pode também modificar o resultado final da escolha da solução. A figura 6.16 apresenta, a título de exemplo, uma comparação entre duas alternativas que, considerendo um único terreno, teria como melhor opção a de número 2. Porém, ao considerar na análise outro critério que é o preço do terreno (imaginando então que dois terrenos estariam disponíveis), a escolha da melhor alternativa tende para aquela de número 1, cujo terreno tem o menor preço, invertendo, desta maneira, a solução final do problema. 167 Figura 6.16 Outro ranking final considerando um critério extra na análise das alternativas

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