APLICAÇÃO DO MÉTODO GRAUS-DIA PARA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO ENERGÉTICO DE EDIFICAÇÕES UNIFAMILIARES

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1 XXX ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUÇÃO Maturidade e desafios da Engenharia de Produção: competitividade das empresas, condições de trabalho, meio ambiente. São Carlos, SP, Brasil, 12 a15 de outubro de APLICAÇÃO DO MÉTODO GRAUS-DIA PARA AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO ENERGÉTICO DE EDIFICAÇÕES UNIFAMILIARES Carine Cristiane Machado Urbim Pasa (UTFPR) carineurbim@yahoo.com.br Aldo Braghini Junior (UTFPR) aldo@utfpr.edu.br O objeto de estudo deste trabalho é avaliar o desempenho energético de quatro modelos de edificações unifamiliares através do método Graus - Dia, para as capitais brasileiras da região Sul utilizando-se dados climáticos coletados durante umm período de dez anos. O grande consumo de energia elétrica no setor residencial é um problema que se agrava com o passar dos anos e sua tendência é aumentar. O Método Graus - Dia é uma ferramenta que tem a finalidade de estimar a quantidade de energia requerida para calefação e resfriamento de edificações em diferentes localidades. Palavras-chaves: Eficiência energética, método graus-dia, conforto térmico

2 1.1 1 Introdução A demanda residencial de eletricidade é derivada da demanda por serviços, tais como aquecimento de água, resfriamento, preparação e armazenamento de alimentos e entretenimento, que são realizados pelo uso de aparelhos elétricos. Os determinantes do consumo doméstico de energia elétrica são: o preço da eletricidade, a renda do consumidor, a estrutura residencial, características demográficas e climáticas (GARCEZ e GHIRARDI, 2008). Uma das principais formas de consumo de energia está ligada à manutenção das condições de conforto térmico. Reduzir o consumo doméstico de energia, satisfazendo os níveis de conforto, implica em melhorar o rendimento da instalação produtora de calor e reduzir ao máximo as perdas desse calor para o exterior (VENDRAMIN, 2007 ). O Relatório da Pesquisa de Posse de Eletrodomésticos e Hábitos de Uso Classe Residencial ilustra bem este cenário. A pesquisa, realizada em 2005, contemplou 16 estados e o Distrito Federal e contou com a participação de 21 concessionárias de energia elétrica. Seu objetivo foi quantificar a tipologia da posse e obter a declaração de utilização de equipamentos elétricos. Os aparelhos para condicionamento de ar são responsáveis por 20,0% do consumo de energia nas residências. O estudo mostra também que, na média nacional, 24,5% dos domicílios avaliados possuem pelo menos um ventilador de teto. É possível notar que a busca por conforto já consome grande parte da demanda de energia elétrica residencial. Os projetos atuais fazem uso em grande escala dos aparelhos para refrigeração artificial, aumentando desnecessariamente o consumo de energia elétrica. O objeto de estudo deste trabalho é avaliar o desempenho energético de quatro modelos de edificações unifamiliares através do método Graus Dia, para as capitais brasileiras da Região Sul utilizando-se dados climáticos coletados durante um período de dez anos. 2 Revisão Bibliográfica 2.1 Método Graus Dia O conhecimento das características dos materiais e componentes empregados na construção e das características climáticas locais permite a pré avaliação do nível de conforto ambiental e do consumo de energia elétrica que será necessário para o uso da edificação. Segundo Goulart(1995), a aplicação de dados climáticos na construção civil requer um prévio tratamento estatístico ou métodos que transformem uma grande quantidade de registros em ferramentas práticas de trabalho. Os dados obtidos podem ser utilizados em modelos simplificados para análise do consumo de energia em edificações. Estes métodos permitem o cálculo do consumo de energia de forma rápida, substituindo programas que exigem grande capacidade de memória computacional. O Método Graus Dia é uma ferramenta introduzida no final da década de 20 que tem a finalidade de estimar a quantidade de energia requerida para calefação e resfriamento de edificações em diferentes localidades (SAID, 2003). 2

3 Este método é o mais simples para análise energética e o mais adequado quando o uso da edificação e a eficiência do aparelho de condicionamento de ar são constantes (ASHRAE, 2001). É baseado no princípio de que as perdas de energia da construção são proporcionais às diferenças de temperatura interna e externa. A energia é adicionada ou retirada da construção quando há perda para manter as condições ideais de conforto no ambiente durante as estações frias e quentes (VENDRAMIN, 2007). Graus Dia é um parâmetro climático que pode ser definido como o somatório das diferenças de temperatura, quando esta se encontra abaixo de uma temperatura base ( T b ). Por exemplo, se a temperatura base adotada é de 18ºC, verifica-se a temperatura média diária ( T méd ) durante todo o ano. Quando esta for menor do que T b, calcula-se a diferença ( Tb Tméd ), somando-se estas diferenças, dia a dia, para todo o ano. (GOULART, 1993) Portanto, para estimar-se a energia requerida para calefação, temos: HDD T b T Equação (1) méd A energia requerida para refrigeração pode ser calculada de forma análoga, porém são consideradas as temperaturas que excedem a temperatura base. CDD T méd T Equação (2) b Sendo HDD o número de graus-dia para aquecimento e CDD o número de graus-dia para resfriamento. Quanto maior o valor de HDD, menores são os valores de temperaturas médias diárias. O oposto ocorre para os valores de CDD (HOR, 2005). A temperatura base ( T b ) é a temperatura necessária para que haja conforto e varia de um lugar para outro. Muitos autores divergem quanto ao valor a ser adotado para este parâmetro. Segundo Goulart (1993), a Norma Espanhola NBE CT 79 recomenda a temperatura base de 15ºC ao estabelecer os graus dias anuais para determinar a energia necessária para aquecimento. Em estudos práticos, essa temperatura é adotada como sendo constante. Este método tem sido utilizado por países como a Turquia, onde se estimou o potencial de distribuição de gás natural destinado à calefação. O método foi avaliado com sucesso após comparação com dados reais de consumo de gás natural para calefação. (SARAK e SATMAN, 2002). Martinaitis (1998) realizou trabalho com dados climáticos da Lituânia e concluiu que o método provou ser útil para a solução de problemas relacionados ao consumo de energia em edificações. 3 Metodologia 3.1 Residências analisadas Para a realização deste trabalho foram analisadas quatro residências unifamiliares. Optou-se por utilizar residências do programa Casa Fácil, que prevê o desenvolvimento de projetos para famílias de baixa renda na construção de casas de até 70m². Com o programa, o proprietário obtém vantagens especiais que o isentam do pagamento de taxas ao CREA e garantem um 3

4 acompanhamento especializado da obra através das Associações de Engenheiros e Arquitetos do município onde a obra será realizada (CREA-PR, 2008). Após a escolha das residências, foram estabelecidas suas características construtivas como tipo de paredes, cobertura e forro. Esta escolha deu-se através dos materiais descritos no Projeto de Norma 02: /3 : Desempenho Térmico de Edificações. Em seguida, quantificaram-se as áreas da envoltória das residências, assim como cobertura, forro, piso e aberturas e o volume de cada edificação. Residência Paredes Cobertura Modelo 03 Tijolos de 6 furos circulares, argamassa de assentamento com 1,0cm, argamassa de emboço com 2,5cm. Espessura da parede: 15,0cm. Telha de barro com espessura de 1,0cm sem forro. Modelo 05 Blocos cerâmicos de 3 furos, argamassa de assentamento com 1,0cm, argamassa de emboço com 2,5cm. Espessura da parede:18,0cm. Telha de barro com espessura de 1,0cm, forro de madeira com espessura de 1,0cm. Modelo 09 Tijolos maciços, argamassa de assentamento com 1,0cm, argamassa de emboço com 2,5cm. Espessura da parede:15,0cm. Telha de barro com espessura de 1,0cm, forro de concreto com espessura de 3,0cm. Modelo 12 Tijolos de 2 furos circulares, argamassa de assentamento com 1,0cm, argamassa de emboço com 2,5cm. Espessura da parede: 17,5cm. Telha de barro com espessura de 1,0cm, laje de concreto com espessura de 20,0cm. Fonte: Projeto de Norma 02: /3 Tabela 1: Características construtivas das residências Residência Área ( m ² ) Volume ( m ³ ) Paredes Cobertura Aberturas Piso Modelo 03 83,66 70,00 8,14 70,00 168,97 4

5 Modelo 05 99,07 100,67 9,47 100,67 237,48 Modelo 09 77,14 63,00 9,36 63,00 145,74 Modelo 12 96,64 94,65 10,06 94,65 210,87 Fonte: Autoria própria Tabela 2: Quantificação de áreas e volumes das residências O Método Graus-Dia é uma ferramenta confiável e simples de ser utilizada, mas, como qualquer análise desta natureza, necessita de dados também confiáveis. Os dados utilizados na elaboração deste trabalho foram fornecidos pelo Instituto Nacional de Meteorologia. Foram analisados dados diários de temperatura média do ar medidos no período de janeiro de 1998 a dezembro de 2007 nas capitais brasileiras da região sul. Na tabela 5 podem ser vistas as informações referentes à localização dos pontos de coleta de dados em cada cidade. Cidade Latitude Longitude Altitude ( m ) Curitiba 25º º ,50 Florianópolis 27º º ,84 Porto Alegre 30º º ,97 Fonte: Instituto Nacional de Meteorologia Tabela 3 - Localização dos pontos de coleta de dados Segundo Büyükalaca (2001) os valores de graus-dia para aquecimento são calculados a uma temperatura base de 18ºC e para resfriamento utiliza-se a temperatura base de 22ºC, mas estes valores podem ser alterados de acordo com as características da edificação em estudo. Muitos autores têm questionado o valor adotado para a temperatura base. Estudos realizados na Arábia Saudita concluíram que, para este local, a temperatura base para aquecimento adotada deveria estar na faixa de 18ºC a 21ºC. Para este estudo, as temperaturas base adotadas foram obtidas na NBR 6401 que trata de parâmetros básicos de projeto para a instalação de centrais de ar condicionado para conforto térmico. Para o cálculo do número de graus dia de aquecimento foram adotadas temperaturas bases diferentes no intervalo de 20ºC a 22ºC. Analogamente para o cálculo do número de graus dia de resfriamento, foram adotadas temperaturas base no intervalo de 23ºC a 25ºC. Neste trabalho optou-se por utilizar partição anual para o cálculo de HDD e CDD, os quais foram obtidos através das equações (1) e (2). 3.2 Coeficiente global de perda de calor O coeficiente global de perda de calor depende da arquitetura e materiais construtivos utilizados. Devem ser consideradas as perdas pela envolvente, as perdas localizadas e as perdas pela ventilação. O seu cálculo se dá por: 5

6 V L U A I Cp AR Equação (4) 3,6 Onde: U é o coeficiente global de transferência de calor; A é a área dos ambientes; I é a taxa de troca de ar V é o volume interno da construção; Cp é a capacidade térmica volumétrica do ar. Os valores de U foram obtidos no Projeto de Norma 02: /3: Desempenho térmico de edificações, com exceção dos valores para aberturas e pisos, que não estavam contemplados no referido Projeto de Norma. Estes foram os mesmos utilizados por DURMAYAZ (2000). A Tabela 3 traz a relação dos valores utilizados. Residência UW m² K Paredes Cobertura Aberturas Piso Modelo 03 2,28 4,55 5,91 0,12 Modelo 05 2,43 2,00 5,91 0,12 Modelo 09 3,13 2,24 5,91 0,12 Modelo 12 2,43 1,84 5,91 0,12 Fonte: Autoria própria Tabela 4: Valores de U conforme materiais construtivos empregados Sabe-se que a utilização de vidros duplos proporciona maior conforto térmico aos ambientes. Mas como o objeto de estudo deste trabalho são residências unifamiliares, considerou-se apenas a utilização de vidros simples nas aberturas. A capacidade térmica volumétrica do ar considerada foi de 1,2k J m³ K, o mesmo utilizado por Durmayaz (2000), e a taxa de troca de ar foi de 1 troca hora. A tabela 4 mostra o coeficiente global de perda de calor para cada residência. Residência L W K Modelo ,27 Modelo ,05 Modelo ,85 Modelo ,33 6

7 Fonte: Autoria própria Tabela 5 - Valor de L para cada residência 3.3 Cálculo do consumo anual de energia Após a determinação dos parâmetros anteriores, foi avaliado o desempenho energético das edificações. Utilizando os valores de HDD e CDD, calculou-se o consumo anual médio de energia para resfriamento ( Q ) e aquecimento ( Q ) através das seguintes equações: c h 24 Q c CDD L Equação (5) 1000 Onde Q c e 4 Resultados e discussões 24 Q h HDD L Equação (6) 1000 Q h fornecem valores em 4.1 Graus Dia de aquecimento e resfriamento kwh/ ano. A Figura 1 mostra os valores de HDD calculados através da equação (1). A região Sul, conhecida pelas baixas temperaturas, apresentou altos valores de HDD, observando-se que coube a Curitiba os maiores valores de HDD entre as capitais. O valor de HDD para Curitiba a uma temperatura base de 20ºC (976,94) ficou muito próximo ao observado por GOULART (1998) para uma temperatura base de 18ºC (883,6), em estudo realizado com dados coletados entre os anos de 1961 e Pode-se perceber que um pequeno incremento na temperatura base resulta em um crescimento proporcional dos valores de HDD. Passando-se da temperatura de 20ºC para 21ºC tem-se um acréscimo de 40% no valor de HDD para a cidade de Florianópolis, indo de 320,91 para 449,33 graus dia de aquecimento, por exemplo. 7

8 HDD Variação de HDD 1600, , , ,00 800,00 600,00 Curitiba Florianópolis Porto Alegre 400,00 200,00 0, Temperaturas base Figura 1 Variação de HDD para as capitais da região sul A Tabela 7 mostra os valores de graus dia de resfriamento, calculados a partir da equação (2). Aqui se observa o oposto da Figura 1. Como a região sul apresenta temperaturas mais baixas, não há a necessidade de muita energia para resfriamento. Curitiba apresentou os menores valores de CDD. De forma análoga aos valores de HDD, com o aumento da temperatura base há uma variação proporcional nos valores de CDD. A única diferença é que neste caso há um decréscimo nos valores. Pode-se tomar a cidade de Porto Alegre como exemplo. Partindo-se da temperatura base de 23ºC para 24ºC há um decréscimo de 60% nos valores de CDD. CDD 23ºC 24ºC 25ºC Curitiba 24,23 8,07 3,37 Florianópolis 225,74 134,15 68,76 Porto Alegre 208,95 126,64 69,82 Fonte: Autoria própria Tabela 6 Valores de CDD para cada capital 4.2 Desempenho energético das edificações O conhecimento das características construtivas da edificação e das características climáticas locais permite a pré avaliação do nível de conforto ambiental e do consumo de energia elétrica que será necessário para o uso da mesma. Em conseqüência de fatores variados, a 8

9 diversidade climática do território brasileiro é muito grande. Dentre eles, destaca-se a fisionomia geográfica, a extensão territorial, o relevo e a dinâmica das massas de ar Energia requerida para resfriamento Utilizando-se os dados de CDD da Tabela 7 e os valores do coeficiente global de perda de calor calculados para cada residência, pode-se obter através da equação (5) a quantidade de energia requerida para resfriamento ( Q c ) em cada capital. A Tabela 8 mostra os resultados considerando-se a temperatura base de 24ºC. Pode-se ver nitidamente a influência do clima no consumo de energia, uma vez que cidades da região Sul apresentam temperaturas médias baixas durante todo o ano, não necessitando de uma grande quantidade de energia para resfriamento. Res 03 Res 05 Res 09 Res 12 Qc Qc Qc Qc Capitais 24ºC 24ºC 24ºC 24ºC Curitiba 100,21 87,19 64,48 80,27 Florianópolis 1665, , , ,99 Porto Alegre 1572, , , ,31 Fonte: Autoria própria Tabela 7 Quantidade de energia requerida para resfriamento kwh ano com temperatura base de 24ºC Independente da região em que se localizam as cidades nota-se que a residência 9 é a que apresenta o menor consumo de energia dentre os modelos estabelecidos Energia requerida para aquecimento Analogamente ao cálculo de Q c, a energia requerida para aquecimento ( Q h ) foi calculada através da equação (6) utilizando-se os valores de HDD e de coeficiente global de perda de calor calculados. A Tabela 9 mostra os resultados de Q h para as cidades considerando-se 21ºC como temperatura base. Percebe-se nesta Tabela o oposto da anterior. Aqui as cidades apresentam valores maiores comparados à quantidade de energia requerida para resfriamento. Res 03 Res 05 Res 09 Res 12 Qh Qh Qh Qh Capitais Curitiba 15151, , , ,98 Florianópolis 5578, , , ,07 Porto Alegre 10947, , , ,92 9

10 Fonte: Autoria própria Tabela 8 Quantidade de energia requerida para aquecimento kwh ano com temperatura base de 21ºC Nas duas situações a residência 9 mostrou ser a mais eficiente com relação ao consumo de energia. Situações como essa poderiam ser evitadas se as edificações fossem construídas de forma que recebessem o máximo de radiação solar durante os períodos de outono e inverno e o mínimo de radiação durante primavera e verão, com a utilização de elementos de arquitetura bioclimática por exemplo. Deve-se também lembrar que para este trabalho considerou-se que o aparelho destinado a promover melhores condições de conforto térmico estaria sendo utilizado durante 24h durante todo o ano. 5 Conclusões Desenvolveu-se neste trabalho um estudo sobre a eficiência energética de edificações unifamiliares nas capitais da região Sul do país, através da utilização do Método Graus Dia. Obviamente, como a região em questão apresenta temperaturas amenas durante o ano, constatou-se que a quantidade de energia requerida para resfriamento é muito pequena se comparada à quantidade de energia requerida para aquecimento. Isto mostra que o projeto de residências deve se iniciar pelo estudo adequado do clima local antes da idealização do projeto. O estudo da forma e orientação da edificação poderia propiciar que esta recebesse maior ventilação durante períodos mais quentes, ou que a mesma recebesse insolação adequada nos períodos de outono e inverno. Os resultados referentes à quantidade de energia requerida para aquecimento e resfriamento mostram que a residência mais econômica é o modelo 9. Esta apresentou o menor valor de L ( 332,85W K ), possuía a menor área entre os modelos estudados e era a única a ser construída com tijolos maciços. Deve-se levar em consideração que para esta simulação, considerou-se que o aparelho destinado a proporcionar conforto térmico estaria ligado 24 horas por dia durante o ano todo. 6 Referências ASHRAE, Fundamentals Handbook Cap. 8: Thernal confort. Ashrae: ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT. NBR 6401: Instalações centrais de ar condicionado para conforto Parâmetros básicos de projeto. ABNT:1980. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT. Projeto 02: /3: Desempenho térmico de edificações - Parte 3: Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social. ABNT: BÜYÜKALACA, O.; BULUT, H.; YILMAZ, T. Analysis of variable-base heating and cooling degree-days for Turkey. Applied Energy, n. 69, p , CONSELHO REGIONAL DE ENGENHARIA ARQUITETURA E AGRONOMIA CREA. Programa Casa Fácil. Disponível em < Acesso em jul DURMAYAZ, A.; KADIOGLU, M.; SEM, Z. An application of the degree-hours method to estimate the residential heating energy requirement and fuel consumption in Istanbul. Energy, n. 25, p , GARCEZ, E. W.; GHIRARDI, A. G. Elasticidades da demanda residencial de energia elétrica. Disponível em: < Acesso em: 30 mar

11 GOULART, S. V. G. Dados climáticos para avaliação de desempenho térmico de edificações em Florianópolis Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Universidade Federal de Santa Catarina. GOULART, S. V. G.; LAMBERTS, R.; FIRMINO, S. Dados climáticos para projeto e avaliação energética de edificações para 14 cidades brasileiras. 2 Edição. Florianópolis: Núcleo de Pesquisa em Construção/UFSC, GOULART, S. V. G.; LAMBERTS, R. Dados climáticos para uso em cálculos simplificados de consumo de energia. Conforto no ambiente construído, III Encontro Nacional I Encontro Latino Americano, HOR, C. L.; WATSON, S. J.; MAJITHIA, S. Analyzing the impact of weather variables on monthly electricity demand. IEEE Transactions on Power Systems, n. 4, p , INSTITUO NACIONAL DE METEOROLOGIA INMET. Dados climáticos das capitais brasileiras ( ). Governo Federal, Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento, Brasília, DF, MARTINAITIS V. Analytic calculation of degree-day for the regulated heating season. Energy and Buildings, n. 28, p , Fev PROCEL. Avaliação do Mercado de Eficiência Energética no Brasil: Pesquisa de posse de equipamentos e hábitos de uso ano base Procel: SAID, S. A. M.; HABIB, M. A.; IQBAL, M. O. Database for building prediction in Saudi Arabia. Energy Conversion & Management, n. 44, p , SARAK H.; SATMAN A. The degree-day method to estimate the residential heating natural gas consumption in Turkey: a case study. Energy, n. 28, p , VENDRAMIN, A. L. Método graus dia para avaliação do desempenho térmico de uma edificação unifamiliar em diferentes condições climáticas Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) Universidade Estadual do Oeste do Paraná. 11