MARINA VASCONCELOS SANTANA

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1 MARINA VASCONCELOS SANTANA Pós-Graduação em Engenharia Civil Universidade Federal de Santa Catarina Florianópolis Avenida Desembargador Vitor Lima, 4, A2 406 Trindade [48] / [48] INFLUÊNCIA DE PARÂMETROS CONSTRUTIVOS NO CONSUMO DE ENERGIA DE EDIFÍCIOS DE ESCRITÓRIO LOCALIZADOS EM FLORIANÓPOLIS - SC Monografia apresentada ao Eco_Lógicas: Concurso Catarinense de Monografias sobre Energias Renováveis e Eficiência Energética, promovido pelo Instituto IDEAL. Florianópolis 2009

2 ii RESUMO Este trabalho avalia a influência de parâmetros construtivos no consumo de energia em edifícios de escritório. Essa avaliação foi realizada através de simulações computacionais utilizando o programa EnergyPlus. Para tal análise, foi modelado um edifício de escritório com características construtivas predominantes levantadas de edificações do centro da cidade de Florianópolis, e simulado com os dados climáticos desta. Os parâmetros considerados foram: os ângulos horizontal e vertical de sombreamento, o entorno, o fator solar dos vidros, o percentual de área de janela na fachada, a transmitância térmica dos materiais, a absortância dos materiais e orientação da edificação. Dessa forma, foram realizadas alterações de cada parâmetro construtivo, enquanto outras características mantiveram-se constantes, assim, avaliou-se a resposta no consumo de energia e os resultados comparados entre si. A cada variação de % do percentual de área de janela na fachada, o consumo de energia aumentou em 2,9%. Para a absortância das paredes externas, cada variação de % implicou no aumento de 1,9% do consumo de energia. Entretanto, ao se analisar a carga de resfriamento relacionada à transmitância térmica e à absortância do pavimento de cobertura, observaram-se variações significativas. Ao se aumentar a transmitância térmica da cobertura em %, implicou-se no aumento da carga de resfriamento em 8%; para a absortância da cobertura, a cada acréscimo de %, a carga de resfriamento aumentou em 14%. A simulação dos casos permitiu identificar a influência desses parâmetros da edificação no consumo de energia, auxiliando nas decisões mais adequadas ao clima em estudo a fim de garantir melhores níveis de eficiência energética. PALAVRAS CHAVE: Parâmetros construtivos; Eficiência energética; Simulação computacional. ABSTRACT The main objective of this paper is to analyze office buildings located in Florianópolis Brazil, evaluating the influence of construction parameters on their energy consumption using the EnergyPlus computer programme. Thus, a methodology for surveying building parameters to verify the most used characteristics in office buildings in Florianópolis was developed. Based on the collected data, a representative model was developed and used as the base-case for the computer simulations. Alterations in construction parameters were carried out in order to evaluate their influence on the energy consumption. The parameters considered were the horizontal and vertical shading angle, the building surroundings, the solar heat gain factor of glasses (SHGF), the window to wall ratio (WWR), the thermal transmittance (U-value) of components, the absorptance of surfaces and the solar orientation of the building. The analysis was divided in two groups: envelope and HVAC efficiency. For the envelope, by increasing the WWR by an increment of %, the annual energy consumption increased by 2.9%. Regarding the external walls absorptance, an increment of % implied an increase of 1.9% on the energy consumption. However, by analysing the cooling load related to the roof thermal transmittance and the absorptance of the roof tiles, significant variations were observed on the top floor. By increasing the roof thermal transmittance in %, an increase of 8% on the cooling load was observed on the top floor; and by increasing the absorptance of the roof tiles in %, an increase of 14% on the cooling load was observed. Results helped identify the influence of construction parameters on the energy consumption of office buildings, as well as the decision-making by providing appropriate measures according to the climate to guarantee better levels of energy efficiency. KEY WORDS: Construction parameters; Energy efficiency; Computer simulation.

3 iii SUMÁRIO RESUMO/ABSTRACT... ii 1.INTRODUÇÃO OBJETIVO METODOGIA Levantamento de dados Levantamento dos edifícios de escritório Levantamento das tipologias construtivas Orientação solar dos edifícios Determinação da forma Elementos de proteção solar Levantamento das absortâncias das paredes externas Levantamento das atividades profissionais Levantamento do padrão de ocupação e uso de equipamentos Estimativa da densidade de carga interna de equipamentos Definição da tipologia predominante Simulações termo-energéticas Fator de projeção Entorno Fator solar dos vidros Percentual de área de janela na fachada Transmitâncias térmicas Absortâncias das paredes externas Orientação solar Resultados Distribuição e número de edifícios de escritório Número de pavimentos tipo, forma, proporção e área Orientação das fachadas Orientação e área das aberturas Elementos de proteção solar Cores dos edifícios de escritório Detalhes construtivos Padrão de ocupação e uso de equipamentos Atividades profissionais nos edifícios de escritório Padrão de ocupação Padrão de uso dos equipamentos Monitoramento dos equipamentos Tipologia predominante Distribuição dos PJFs na tipologia predominante Características da tipologia predominante Simulações termo-energéticas Simulação da tipologia predominante: caso base Variações do fator de projeção das proteções solares Variações do entorno Variações do fator solar dos vidros Variações do PJF Variações da transmitância térmica Variações da absortância Variações da orientação Síntese dos resultados CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 19

4 1 1. INTRODUÇÃO A correta escolha de parâmetros construtivos dá ensejo à eficiência energética e, consequentemente, à economia de energia e à redução dos impactos ambientais. Ünver et al. (2004) e Oral et al. (2004) desenvolveram métodos que aborda a otimização do desempenho de edificações na Turquia, em função de elementos que compõem o envelope construtivo. Yang et al. (2008) criaram envelopes genéricos de edificações na China, considerando zonas diferenciadas, e apresentaram o desempenho térmico e energético de cada envelope. Um dos parâmetros mais significativos no consumo de energia está relacionado à abertura de janela. Segundo Ghisi e Tinker (2005), grandes áreas de janela têm a inconveniência de permitir ganhos ou perdas excessivas de calor. Logo, para amenizar o desconforto, torna-se mais intenso o uso de sistema de ar condicionado, aumentando o consumo de energia. Num estudo realizado em Netherlands, Bokel (2007) concluiu que houve redução na demanda de energia, na ordem de 1400 kwh/ano, com a utilização da combinação adequada de posição, de tamanho, de forma e de sistemas de abertura. Ademais, Lam (2000) verificou que os ganhos de calor através da janela representam quase 50% dos ganhos através do envelope da edificação. O estudo das características do envelope de um edifício de apartamentos energeticamente eficiente, de Cheung et al. (2005), mostra que, com redução de 30% da absortância à radiação solar, pôde-se alcançar redução de 12,6% da carga de resfriamento. Num trabalho realizado em Hong Kong, por Cheng e Givoni (2005), verificaram-se variações de temperaturas internas de até 12ºC, de acordo com a absortância à radiação solar utilizada. Na Turquia, Oral e Yilmaz (2006) e Aksoy e Inalli (2002) revisaram valores limites de transmitância térmica relativamente à forma e à orientação solar de edificações, com o intuito de alcançar conforto térmico e, consequentemente, conservar energia. Simulação termo-energética é um método vastamente utilizado para analisar a influência dos parâmetros construtivos no consumo de energia (LAM e HUI, 1993). Iqbal et al. (2007) investigaram medidas de conservação de energia, em edifícios de escritório na Arábia Saudita, donde concluíram que uma edificação pode reduzir o consumo anual de energia em até 36%. A despeito da realização de estudos objetivando a avaliação dos parâmetros que estão relacionados ao consumo de energia, necessita-se de um diagnóstico acerca da realidade construtiva do Brasil e da utilização de edificações relativamente à eficiência energética. Frequentemente, a falta de conhecimento, aliada à falta e de consciência dos profissionais, dá azo a escolhas inadequadas, que não contribuem para a redução do consumo de energia. 2. OBJETIVO Este trabalho tem como objetivo principal diagnosticar a situação de edifícios de escritório localizados no município de Florianópolis SC, bem como avaliar a influência de parâmetros construtivos na racionalização do consumo de energia e no incremento da eficiência energética desse tipo de edificação.

5 2 3. METODOLOGIA O método deste trabalho engloba a análise da influência de parâmetros no consumo de energia em edifícios de escritório, a partir de levantamentos de características construtivas e levantamentos de ocupação e de uso de equipamentos. De forma geral, consiste em localizar os edifícios de escritório na cidade de Florianópolis; levantar as características predominantes; levantar as atividades profissionais e seus padrões de ocupação e de uso dos equipamentos; monitorar alguns equipamentos utilizados em escritórios; definir uma tipologia predominante; e, finalmente, realizar simulações termo-energéticas do caso-base e das alterações dos parâmetros que envolvem a edificação e que influenciam no desempenho energético desta Levantamento de dados Para a coleta de dados, foram utilizados os resultados dos trabalhos de Minku (2005) e Moreira (2005), os quais possuem levantamentos necessários à consistência da metodologia deste trabalho Levantamento dos edifícios de escritório A etapa inicial da coleta de dados consistiu na obtenção do número de edifícios de escritório particulares, a partir de cinco pavimentos, situados no centro da cidade de Florianópolis. A Secretaria de Urbanismo e Serviços Públicos (SUSP) forneceu o número de edifícios de serviços existentes. A distinção entre edifícios de escritório públicos, particulares e comerciais foi realizada mediante visitas in loco Levantamento das tipologias construtivas Foram analisados 35 edifícios de escritório, dos quais se registrou as principais características, tais como tipologia, localização, profissionais responsáveis, data de ocupação, número de pavimentos, dimensões, áreas, orientações, área de janela por fachada, sistemas de aberturas e elementos de proteção solar, as quais foram generalizadas ao serem transformadas em indicadores para a simulação. Outros dados construtivos, como tipos de cobertura, lajes e paredes, foram obtidos somente de 14 edifícios, devido à dificuldade de encontrar projetos na íntegra Orientação solar dos edifícios A posição de cada edificação foi determinada por intermédio da orientação solar de sua fachada principal, que se aferiu in loco. Com uma bússola, obteve-se o norte magnético dos edifícios e, para o norte verdadeiro, utilizou-se o programa computacional Declinação Magnética 2.0, disponível no site < Para definir a orientação das fachadas determinou-se, para cada ponto cardeal, um limite de abrangência de 22,5 no sentido horário e anti-horário.

6 Determinação da forma Relativamente à forma, as edificações foram classificadas em retangulares, quadradas e triangulares, mediante aproximação do formato das plantas dos edifícios com as formas citadas Elementos de proteção solar Os componentes das fachadas dos edifícios que funcionam como elementos de sombreamento das aberturas, ou partes destas, foram considerados e denominados como elementos de proteção solar. Entretanto, não se verificou a adequação e a eficiência desses elementos. Mediante registro fotográfico, distinguiu-se os elementos de proteção solar, como brises, de suportes contínuos para aparelhos de ar condicionado Levantamento das absortâncias das paredes externas Obtiveram-se as absortâncias das paredes externas dos edifícios por intermédio de medições, in loco, das respectivas refletâncias, as quais foram realizadas com o aparelho portátil ALTA II Levantamento das atividades profissionais As atividades profissionais da amostra de edificações foram obtidas com visitas in loco, entrevistas e consultas. Essas atividades foram divididas em modalidades de acordo com a área de atuação. Tal levantamento serviu para identificar a relevância das atividades e focar as entrevistas para a etapa de obtenção do funcionamento dos escritórios Levantamento do padrão de ocupação e uso de equipamentos A partir da relevância das atividades profissionais, visitou-se 41 escritórios e destes foram obtidos os dados de funcionamento, o tempo de permanência dos usuários, a quantidade de usuários e, por fim, os dias de ocupação. Para este trabalho, utilizou-se o padrão de ocupação médio da amostra de escritórios. Registraram-se os horários em que os equipamentos elétricos e o sistema de iluminação foram ligados e desligados. Obtidos os resultados, tornou-se conhecido o uso dos equipamentos, tanto nos dias úteis como nos finais de semana e feriados Estimativa da densidade de carga interna de equipamentos Nesta etapa da pesquisa, foram monitorados equipamentos de dois escritórios de advocacia. A partir desse monitoramento, obteve-se a potência total instalada. Assim, apresentou-se um indicador de simulação (densidade de carga interna de equipamentos), que é resultado da razão da potência instalada total pela área do escritório (W/m²). Determinou-se a potência instalada de todos os equipamentos existentes, com exceção de lâmpadas, com auxílio do medidor de consumo portátil Yokogawa MCP 5000, que forneceu o consumo (kwh), a tensão (V) e a potência (kw) de cada equipamento, num determinado período de tempo estipulado pelo usuário.

7 4 Para as lâmpadas incandescentes e fluorescentes compactas, adotou-se a potência nominal e, relativamente às lâmpadas fluorescentes tubulares, empregou-se a potência nominal mais 20% de perda pelos reatores. A razão da potência instalada total de iluminação pela área resultou na densidade de carga interna de iluminação Definição da tipologia predominante A tipologia predominante constitui-se de características construtivas e funcionais mais representativas em edifícios de escritório levantados em Florianópolis. Definida a amostra, analisou-se a freqüência de ocorrência de pavimentos tipo e incidência das formas encontradas. Avaliou-se também a freqüência de ocorrência das proporções, assim, definiram-se as dimensões da tipologia predominante a partir da proporção representativa, juntamente com a área da edificação. À definição da orientação solar da tipologia predominante, analisou-se a freqüência de ocorrência das orientações das fachadas principais e das orientações das demais fachadas. Além disso, verificou-se a existência de elementos de proteção solar nas fachadas da amostra de edificações. A partir dos materiais construtivos que constituem as edificações da amostra, tornaram-se conhecidos alguns indicadores significativos. O valor de fator solar dos vidros foi calculado com base em dados dos componentes obtidos de catálogos de fabricantes e da biblioteca de materiais do programa EnergyPlus. Obtiveram-se os dados de transmitâncias térmicas das paredes e da cobertura e suas respectivas capacidades térmicas do procedimento de cálculo apresentado na ABNT (2005). Os percentuais de área de janela na fachada (PJF) foram limitados por faixas, de 0 a %, de,1% a 20%, e assim sucessivamente, e analisados por fachada. Para a tipologia predominante, analisou-se a freqüência de ocorrências dos PJFs conjuntamente, diferenciando somente fachada principal (fachadas dispostas no alinhamento da rua) de fachadas laterais, independentemente da orientação solar. À tipologia predominante, adotou-se o padrão de ocupação médio obtido do levantamento de funcionamento, permanência e quantidade de usuários, e dias úteis dos 41 escritórios visitados. Obteve-se o padrão de uso dos equipamentos mediante o levantamento de utilização dos equipamentos e do sistema de iluminação das salas monitoradas citadas anteriormente. Obteve-se a densidade de carga interna dos levantamentos in loco e comparada a valores utilizados em trabalhos similares. O total de carga interna é resultado da quantidade de potência de iluminação (W/m²), da densidade de carga de equipamentos (W/m²) e da quantidade de pessoas (pessoas/m²). A taxa metabólica considerada foi de 70 W/m², de acordo com a ISO 7730/94 (1994) para atividade leve manual realizada em escritórios Simulações termo-energéticas A simulação computacional foi empregada para avaliar o consumo de energia elétrica, por se tratar do método mais simplificado de analisar a influência desse consumo em função das alterações nos parâmetros construtivos.

8 5 Para os dados de entrada no programa de simulação, utilizaram-se os levantamentos de caracterização construtiva, bem como os padrões de uso e ocupação. Utilizaram-se, ademais, arquivos climáticos de Florianópolis com dados horários desenvolvidos no estudo de Goulart et al. (1998) revistos, tratados e compilados por Carlo (2005). Iniciou-se a simulação termo-energética com a tipologia predominante e, em seguida, simulou-se as alterações de parâmetros. Mediante alteração de um parâmetro por vez, tornou-se conhecido o efeito de cada alteração no consumo de energia da edificação Fator de projeção Relativamente às simulações das variações dos elementos de proteção solar, foram simulados três casos com brises (ângulos de 45 ). Os brises utilizados nas simulações são iguais para as fachadas e dispostos em todas as aberturas da edificação. Foram modeladas placas de 50 cm, distanciadas verticalmente a cada 50 cm. A Fig. 1 apresenta os croquis dos casos simulados. As placas foram desenhadas de forma simplificada para a simulação, todas proporcionando a mesma proteção desejada. Com relação aos brises horizontais, ainda foram simulados dois casos, variando os ângulos verticais de sombreamento (ângulos de 25º e 65º). (a) Brise horizontal (AVS45 ) (b) Brise vertical (AHS45 ) (c) Brise horizontal e vertical (AHVS) Fig. 1: Características dos casos relacionados ao fator de projeção Entorno Para a análise das obstruções, comuns no entorno das edificações, foram simulados casos em seis situações distintas. Consideraram-se obstruções que representassem edificações construídas respeitando o afastamento disposto pela Lei Complementar n o 1/97 do Código de Obras de Florianópolis (Fig. 2). A altura considerada para as edificações do entorno, é idêntica a altura do edifício que representa a tipologia predominante. A Fig. 3 apresenta os seis casos que foram simulados para a análise da influência do entorno no consumo de energia do edifício. Os blocos com hachuras representam a tipologia predominante. (a) obstrução NE (b) obstrução NO (c) obstrução SE Fig.2: Afastamento adotado pelo Código de Obras de Florianópolis. (e) obstrução das (d) obstrução SO (f) obstrução total fachadas Fig.3: Casos simulados para a análise do entorno.

9 Fator solar dos vidros Considerando-se o vidro adotado para a tipologia predominante, foram avaliados outros vidros encontrados no levantamento construtivo das edificações (três casos), levando-se em conta seus respectivos fatores solares (FS) Percentual de área de janela na fachada Estabeleceram-se faixas de percentagem à análise do consumo de energia relativamente à dimensão das áreas de janela. Foram simulados casos com PJFs iguais para as quatro fachadas, variando de % a 0%, em intervalos de %, totalizando dez casos Transmitâncias térmicas Tendo em mente o valor adotado para as transmitâncias térmicas da cobertura e paredes do caso base, foram avaliadas as alterações destas em faixas percentuais de -50%, -25%, 25% e 50%. Para esses casos, não foram mencionados quais os materiais utilizados, apenas os componentes construtivos desses materiais para as transmitâncias desejadas. A transmitância e a capacidade térmica das paredes e da cobertura foram obtidas do procedimento de cálculo apresentado na ABNT (2005). Foram simulados quatro casos alterando as transmitâncias térmicas da cobertura e quatro casos alterando as transmitâncias térmicas das paredes externas. Para o último pavimento, mais sensível às alterações climáticas e construtivas, analisou-se a carga de resfriamento, sabendo-se que cargas maiores de resfriamento implicam consumo maior de energia Absortâncias das paredes externas À análise das absortâncias das paredes externas, realizaram-se simulações de nove casos, com as cores obtidas do levantamento in loco. Contudo, para a cobertura, adotou-se a absortância correspondente à cor do material obtida do levantamento de dados para a tipologia predominante. Para as simulações das alterações, as absortâncias foram adotadas (20%, 40%, 60% e 80%), pois não foram obtidas as cores das coberturas da amostra de edificações. Também foi realizada uma análise da carga de resfriamento somente para o pavimento de cobertura Orientação solar Para as simulações dos casos das alterações da orientação solar, foram consideradas as quatro orientações principais: norte (0º), sul (180º), leste (90º) e oeste (-90º). Foram simulados quatro casos e os resultados comparados ao obtido do caso base. 4. Resultados As informações a seguir referem-se aos resultados obtidos dos levantamentos. Inicia-se com a localização e distribuição dos edifícios na malha urbana central de Florianópolis e prossegue-se com os resultados dos levantamentos que constituem o modelo representativo da realidade construtiva local, ou seja, a tipologia predominante. Também são apresentados os resultados obtidos

10 das simulações propostas na metodologia, tais como a simulação da tipologia predominante e de suas alterações Caracterização da tipologia Distribuição e número de edifícios de escritório Foram considerados apenas os edifícios de escritório localizados no centro da cidade de Florianópolis, por ocorrer maior incidência desses edifícios nessa região da cidade, relativamente à distribuição na malha urbana. A Fig. 4 apresenta o mapa do Brasil, a localização da cidade em estudo e a distribuição dos 35 edifícios de escritórios privados, dando destaque ao centro de Florianópolis. A data de ocupação desses edifícios varia entre 1974 e Número de pavimentos tipo, forma, proporção e área Fig.4: Mapa do Brasil, destacando o município de Florianópolis e indicação da distribuição dos edifícios de escritório no centro da cidade. Houve variação entre 7 e 17 pavimentos dos edifícios de escritório, porém, nesta análise, consideraram-se apenas os pavimentos tipo. Dentre esses, ocorre variação entre 5 e 12 pavimentos, sendo que a maior incidência é de 11 pavimentos, representando 28,6% dos edifícios analisados. Relativamente à forma das edificações, foram encontradas 22 retangulares, 8 quadradas, 3 triangulares e 2 irregulares. Das edificações, 90% das formas retangulares possuem suas profundidades iguais ou superiores ao dobro de suas larguras. A primeira ocorrência na análise das proporções corresponde a 32% das edificações com profundidade igual ao triplo da largura. Do número de escritórios existentes nos pavimentos tipo, 34,2% dos edifícios possuem até 2 escritórios por pavimento. O pé direito adotado foi de 2,7m, média aritmética dos valores obtidos do levantamento. A maioria dos edifícios possui área do pavimento tipo igual ou inferior a 500m². A primeira ocorrência que corresponde ao intervalo de área de 0m² a 300m², representa 57% dos edifícios analisados. Em seguida, representando 37%, encontra-se o intervalo entre 300,1m² e 500m² Orientação das fachadas Para Florianópolis, adotou-se a declinação magnética de 17º30, resultado obtido do programa computacional Declinação Magnética 2.0. Dos edifícios analisados, 49% possuem fachadas principais voltadas às orientações principais (norte, sul, leste ou oeste) e 51% voltadas às orientações secundárias (nordeste, sudeste, noroeste ou sudoeste). A ocorrência de orientações é bem distribuída, embora a primeira e a segunda ocorrência se destaquem, apresentando 22% para a orientação nordeste e 17% para a orientação sul. Para essa análise, foram contabilizadas 141 fachadas, sendo que 23% são fachadas principais, e 77% são fachadas secundárias. O número de fachadas principais é superior ao número de edifícios devido à existência de edificações localizadas em esquinas, que possuem mais de uma fachada principal.

11 Orientação e área das aberturas No conjunto dos edifícios analisados, observa-se que, independente da orientação, 67% deles possuem PJFs maiores nas fachadas principais. Considerando-se as fachadas principais e secundárias conjuntamente, a maioria das edificações apresenta um PJF entre,1% e 20%, e 77% das fachadas apresentam PJFs igual ou inferior a 50%. Dentre as 41 fachadas, 66% apresentam PJF igual ou inferior a 50%, sendo que 34% possuem PJF na faixa entre 30,1 e 40%. Dentre as 99 fachadas secundárias existentes, 80% apresentam o PJF igual ou inferior a 50%, sendo que 28% encontram-se entre,1 e 20%. Observa-se, ainda, que não existem fachadas com PJFs superiores a 70% Elementos de proteção solar Dos edifícios analisados em Florianópolis, apenas 22,8% da amostra possuem algum tipo de proteção solar, sendo que a maioria foi utilizada para fins estéticos Cores dos edifícios de escritório Mediante o levantamento in loco, foi possível obter as cores de 32 edifícios. As cores são variadas, sendo comum a presença de duas cores nas fachadas (41% da amostra). Em 19 casos verificou-se apenas uma cor, representando 59% da amostragem. A partir da média da absortância das cores de mesma tonalidade, observou-se que, dentre as existentes, 70% apresentam absortância superior a 50% Detalhes construtivos Relativamente ao sistema de abertura, dos 14 edifícios de escritório estudados, 13 possuem janelas do tipo máximo-ar e apenas 1 possui janela de dois tipos: de correr e máximo-ar. Os sistemas de abertura tipo máximo-ar permitem ventilação, embora não sejam os mais adequados. Logo, percebe-se que os edifícios de escritório utilizam tanto o ar condicionado como a ventilação natural, em razão do tipo de abertura encontrado. De acordo com os estudos feitos sobre o tipo de parede utilizada nos edifícios, verificou-se que todos os 14 edifícios possuem paredes externas de tijolo cerâmico. Dentre eles, 13 possuem tijolo cerâmico de 6 furos, dos quais 7 possuem a cerâmica assentada no sentido horizontal e 6 no sentido vertical. Apenas um edifício possui tijolo cerâmico de 8 furos. A espessura das paredes analisadas varia de 15cm a 25cm, a transmitância térmica varia de 2,02W/m²K a 2,49W/m²K e a capacidade térmica de 158kJ/m²K a 200kJ/m²K (ABNT, 2003). Dos 14 edifícios analisados, 3 possuem vidro fumê float 6mm, 2 apresentam vidros do tipo comum 4mm e vidro transparente fumê 4mm. O restante dos tipos de vidro encontra-se em apenas um edifício, tais como: fumê float 4mm, laminado prata 8mm, película colorida 8mm, laminado marrom 8mm, vidro laminado 8mm, laminado azul 8mm, e vidro refletivo verde. Os vidros foram agrupados em 6 tipos. Dentre os 14 edifícios estudados, a telha de fibrocimento foi encontrada em 4 edifícios, enquanto 8 deles possuíam apenas laje. O sistema de cobertura mais encontrado foi o terraço com

12 9 laje nervurada preenchida com concreto celular, representando 3 dos 14 edifícios. Em seguida, 2 edifícios possuem lajes treliçadas sob telhados de fibrocimento e 2 possuem lajes nervuradas preenchidas com tijolo cerâmico. As transmitâncias térmicas das coberturas analisadas variam de 1,93W/m²K a 2,42W/m²K e as capacidades térmicas de 6kJ/m²K a 451kJ/m²K (ABNT, 2003) Padrão de ocupação e uso de equipamentos Atividades profissionais nos edifícios de escritório A atividade de maior participação percentual foi advocacia, representando 18,6% do total das atividades. As seis atividades de maior participação dos edifícios, consideradas conjuntamente, representam 51,4%. A partir do resultado desse levantamento, identificou-se a relevância das atividades e estabeleceu-se o foco sobre as entrevistas de obtenção do funcionamento dos escritórios cujas atividades foram mais representativas Padrão de ocupação Neste trabalho, para a tipologia predominante, utilizou-se uma média obtida dos levantamentos de ocupação. A ocupação média (seis usuários por escritório) foi obtida das médias de usuários dos escritórios visitados. Com as entrevistas, pôde-se constatar que cada atividade possui expediente diferenciado, que pode variar no período entre 8h e 20h para os dias úteis. Nos escritórios visitados, não há expediente nos finais de semana e feriados, e a ocupação é diferenciada para cada atividade. O estudo mostrou que 70% dos ocupantes dos escritórios iniciam o expediente às 8h e 75% finalizam o expediente às 18h. Demonstrou também que o período de intervalo de almoço é muito variado. A Fig. 05 apresenta a ocupação média obtida. Observa-se ocupação mais intensa no período das 8h às 12h e das 14h às 18h. Os demais períodos possuem uma ocupação reduzida devido ao horário de almoço e a horários que comumente não possuem expediente Padrão de ocupação médio (%) Padrão de uso médio iluminação (%) h-07h 07h-08h 08h-09h 09h-h h-11h 11h-12h 12h-13h 13h-14h 14h-15h 15h-16h 16h-17h 17h-18h 18h-19h 19h-20h 20h-21h 21h-22h 22h-23h 23h-24h 06h-07h 07h-08h 08h-09h 09h-h h-11h 11h-12h 12h-13h 13h-14h 14h-15h 15h-16h 16h-17h 17h-18h 18h-19h 19h-20h 20h-21h 21h-22h 22h-23h 23h-24h 06h-07h 07h-08h 08h-09h 09h-h h-11h 11h-12h 12h-13h 13h-14h 14h-15h 15h-16h 16h-17h 17h-18h 18h-19h 19h-20h 20h-21h 21h-22h 22h-23h 23h-24h Padrão de uso médio equipamentos (%) Fig.5: Ocupação média dos escritórios visitados. Fig. 6: Padrão de uso médio para iluminação Fig.7: Padrão de uso médio para equipamentos Padrão de uso dos equipamentos O padrão de uso de equipamentos provém do levantamento realizado junto à pesquisa de padrão de ocupação. Foram obtidos os padrões de uso para cada equipamento encontrado nos escritórios visitados. Os equipamentos mais comuns encontrados foram aparelhos de ar condicionado, cafeteiras, computadores, fax, lâmpadas, geladeiras, impressoras, ventiladores, filtro de água e rádio.

13 Para este trabalho, foi obtido um padrão médio de uso de equipamentos para a tipologia predominante e outros padrões de uso de equipamentos (Figs. 6 e 7). Observa-se na Fig. 7 que há uso de equipamentos em todo período. Justifica-se tal uso pela presença de equipamentos que não são desligados, como a geladeira. Para a iluminação do corredor, foi adotado o uso das 8h às 19h Monitoramento dos equipamentos Para o levantamento da densidade de carga interna de iluminação e equipamentos, dois escritórios de advocacia foram monitorados (80m² cada). Para as densidades de carga de iluminação e de equipamentos serem adotadas na tipologia predominante, foram obtidas médias das densidades adquiridas no monitoramento. Desse modo, a densidade média de iluminação obtida foi de 6,4W/m² e a densidade média de equipamentos obtida foi de 9,7W/m² Tipologia predominante Distribuição dos PJFs na tipologia predominante Relativamente à distribuição e definição dos PJFs a serem utilizados na tipologia predominante, adotou-se a freqüência de ocorrências dos PJFs encontrados no levantamento dos detalhes construtivos da amostra de edificação. Tem-se que 35% das fachadas principais possuem PJF entre 30,1% e 40%. Quanto às fachadas laterais, 32% encontram-se na faixa entre,1% e 20%. Com relação à orientação, adotou-se a fachada principal voltada para aquela que obteve a maior incidência na análise das orientações das fachadas principais, no caso, a fachada nordeste, com PJF de 40%. Já para as fachadas secundárias, adotou-se PJF de 20% Características da tipologia predominante Para a modelagem da tipologia predominante, foram analisados todos os resultados alcançados dos levantamentos. A tipologia predominante simulada possui 8m de largura por 25m de comprimento, apresentando uma área de pavimento de 200m², que corresponde ao valor de área de pavimento mais freqüente do estudo de ocorrência. Dessa forma, o edifício manteve uma proporção aproximada de 1x3 das edificações retangulares analisadas. A média do pé direito obtido foi de 2,7m. Junto ao estudo de freqüência de ocorrência, obteve-se um edifício com 11 pavimentos (Fig.8). A forma, a proporção, a área do pavimento e a área das zonas foram obtidas do estudo de freqüência de ocorrência. O modelo possui 3 zonas térmicas, sendo a frontal e a posterior (88m² cada) condicionadas, e, por fim, a zona denominada circulação (24m²), não condicionada. A Tab. 1 apresenta a descrição da tipologia predominante.

14 Tab.1: Descrição da tipologia predominante. Transmitância Térmica (W/m 2 K) Capacidade Térmica [kj/(m²k)] Absortância Vidro Densidade de carga interna (W/m 2 ) Caract. do sis. de condicionamento de ar Paredes 2,47 Cobertura 2,42 Paredes 200 Cobertura 187 Paredes 0,65 Cobertura 0,70 Cor cinza Espessura 6 mm Fator solar 0,83 Ocupação média (m 2 /pessoa) 14,7 Iluminação 6,4 Equipamentos 9,7 Tipo Ap. de janela Capacidade de refrigeração (BTU/h) Fig. 8: Modelo genérico. COP (W térmico/w elétrico) 2,8 O sistema de ar condicionado é formado por um aparelho de ar condicionado em cada escritório (tipo aparelho de janela), operando durante o horário médio de uso da edificação (8h às 19h), para manter a temperatura interna a 24ºC. Embora as temperaturas sejam amenas no inverno para o clima analisado, se ocorrerem temperaturas acima de 24ºC nesse período, o sistema é acionado. Em nenhum caso o sistema de aquecimento é acionado. A taxa de infiltração foi fixada em uma renovação de ar por hora para o período entre 8h e 19h (0,067m³/s) e 30% dessa taxa para o período restante Simulações termo-energéticas Simulação da tipologia predominante: caso base Na Fig. 9, observa-se o gráfico de consumo em kwh/m² no decorrer do ano para a tipologia predominante. O edifício apresenta um consumo anual de energia de 191,8 MWh (87,2 kwh/m²). Claramente, observa-se na curva da Fig. 25 que o consumo de energia durante o período de temperaturas mais amenas (junho, julho e agosto) é reduzido, pois os aparelhos de ar condicionado não são acionados, nem mesmo para aquecimento, pois no clima de estudo o inverno não é rigoroso. Consumo de energia (kwh/m²) Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov 11 Fig.9: Consumo de energia da tipologia predominante (caso base). Os consumos anuais do edifício obtidos da simulação, relacionados à iluminação e aos equipamentos, é de 40,2MWh e 76,2MWh, respectivamente. O percentual de cada um relativamente ao total de consumo anual de energia é de 21% para iluminação e de 40% para os equipamentos Variações do fator de projeção das proteções solares A análise da influência no consumo de energia com relação à variação do fator de projeção foi feita de forma simplificada, contudo, as respostas dos casos analisados foram bem significativas. Dez

15 A Fig. apresenta o consumo de energia das variações do fator de projeção comparado ao consumo do caso base. Nota-se que nos cinco casos apresentados ocorreu uma redução no consumo de energia. Entretanto, vale ressaltar que a maior redução no consumo de energia não significa, necessariamente, que seja o caso ideal, pois a proteção pode estar barrando em excesso a entrada de luz no ambiente. Consumo de energia (kwh/m²) Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul caso base AVS 45 AVS 25 AVS 65 AHS AHVS Fig.: Consumo de energia das variações do fator de projeção. O brise vertical obteve a menor influência na redução do consumo de energia, ao passo que os demais casos obtiveram uma redução máxima no consumo de energia de 15,2% para o mês de abril. A Tab. 2 apresenta o consumo anual de energia com relação ao fator de projeção. Comparando-se o caso base com o caso que obteve menor consumo anual de energia, nota-se que houve redução de,1 kwh/m².ano (11,6%). Tab.2: Consumo anual de energia com relação ao fator de projeção e variação percentual em relação ao caso base. Brise horizontal Brise Brise horizontal e Consumo Caso base vertical vertical AVS25 AVS45 AVS65 Simulado (kwh/m².ano) 87,2 82,3 79,4 77,1 85,1 77,8 Variação (%) - -5,6-8,9-11,6-2,4 -,7 Os brises horizontais (ângulo vertical de sombreamento) demonstraram uma relação linear com o consumo de energia. Ocorreu redução no consumo de energia paralelamente ao aumento do ângulo vertical de sombreamento. Observou-se que os casos simulados com proteção solar colaboraram para a redução do consumo de energia. Contudo, deve-se atentar para a adequação desta ao tipo de clima e, principalmente, à orientação solar. Para este trabalho, os brises foram considerados iguais para todas as fachadas. Entretanto, para um melhor desempenho, estes devem ser projetados de acordo com a orientação solar correspondente a cada fachada Variações do entorno O entorno foi determinado da forma descrita na metodologia, que foram apresentados 6 casos. A Fig. 11 apresenta as curvas de consumo anual do caso base e dos demais casos simulados. Os casos em que ocorreram as menores variações do consumo de energia estão relacionados à obstrução, em separado, das fachadas NE, SE e SO do caso base, nas quais não ultrapassam 2% (Tab. 3). Consumo de energia (kwh/m²) Jan Fev Mar Abr Maio Jun caso base obstrução NE obstrução NO obstrução SE obstrução SO obstrução das fachadas obstrução total Fig.11: Consumo de energia das variações de entorno. Da análise das obstruções adotadas separadamente, a maior variação do consumo de energia ocorreu ao se obstruir a fachada NO, devido à grande incidência de radiação solar nesta. Embora no período do inverno (junho, julho e agosto) a altitude solar seja menor, o que ocasiona mais Jul Ago Ago Set Set Out Out Nov Nov Dez Dez 12

16 sombreamento em função das obstruções do entorno, o consumo é menor do que nos demais períodos do ano, pois no inverno o uso do ar condicionado é reduzido. A Tab. 3 mostra o consumo anual de energia relativamente ao entorno. Nota-se pequena influência no consumo de energia ao analisar as obstruções do entorno individualmente. No entanto, ao se obstruir todas as fachadas e até mesmo cercar toda a edificação (obstrução total), observa-se que ocorre redução no consumo de 5,8% e 12,3%, respectivamente. Embora ocasione redução no consumo de energia, o entorno também possui seus aspectos negativos, como a obstrução da iluminação natural, a obstrução da ventilação natural e, até mesmo, a obstrução da vista para o exterior. Tab. 3: Consumo anual de energia com relação ao entorno e variação percentual em relação ao caso base. Consumo Caso base Obstrução NE NO SE SO Fachadas Total Simulado (kwh/m².ano) 87,2 86,5 84,4 85,7 87,0 82,1 76,5 Variação (%) - -0,8-3,2-1,7-0,2-5,8-12, Variações do fator solar dos vidros Para a simulação das variações dos fatores solares dos vidros, adotaram-se os vidros que foram encontrados com maior freqüência. Dessa forma, foram simulados: o vidro claro, com fator solar igual a 0,87; o vidro refletivo prata, com fator solar igual a 0,61; e o vidro refletivo bronze, com fator solar igual a 0,22. Os resultados foram comparados ao caso base, simulado com vidro fumê, fator solar igual a 0,83, e PJF de 40% para a fachada nordeste e 20% para as demais fachadas. A Fig. 12 apresenta a semelhança no consumo anual de energia das variações do fator solar dos vidros, exceto o vidro com fator solar igual a 0,22, que apresentou a variação mais significativa do consumo, 4,7% no mês de janeiro. A Tab. 4 apresenta o consumo anual de energia com relação ao fator solar. Consumo de energia (kwh/m²) Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul caso base FS 0,22 FS 0.61 FS 0.87 Fig.12: Consumo de energia em função das variações do fator solar dos vidros. Nota-se que a maior redução do consumo anual de energia foi de 3,5%. Dessume-se que a pequena variação da influência do consumo pode ser explicada pelo pequeno valor de PJF adotado no caso base. Observa-se, ademais, que ocorre acréscimo no consumo de energia, conforme se aumenta o valor do fator solar dos vidros, embora o acréscimo seja pouco significativo. Aumentando o fator solar em 0,1, aumenta-se o consumo de energia em 0,65%. Tab. 4: Consumo anual de energia com relação ao fator solar e variação percentual em relação ao caso base. Consumo Caso base Fator solar 0,83 0,22 0,61 0,87 Simulado (kwh/m².ano) 87,2 84,1 86,7 87,9 Variação (%) - -3,5-0,6 0, Variações do PJF Para analisar a influência da área de janelas da fachada no consumo de energia, foram variados os PJFs em faixas de %, igualmente para as fachadas, e comparados ao caso base. Ago Set Out Nov Dez 13

17 A Fig. 13 mostra a variação do consumo de energia no decorrer do ano com relação aos PJFs adotados para a análise. Ocorre uma redução máxima do consumo de 8,5% para PJF igual a % no mês de abril, quando comparada ao consumo do caso base, e um acréscimo máximo do consumo de 25,1% para o PJF igual a 0%, no mês de fevereiro. Consumo de energia (kwh/m²) Jan Fev Mar Abr Maio Jun caso base PJF % PJF 20% PJF 30% PJF 40% PJF 50% PJF 60% PJF 70% PJF 80% PJF 90% PJF 0% Fig.13: Consumo de energia em função das variações dos PJFs. Na Tab. 5, observa-se que houve uma redução no consumo de energia de 6,6% para de PJF equivalente a %. Já para o maior valor de PJF, equivalente a 0%, houve um acréscimo no consumo de energia de 20,4%. Excluindo o caso base e considerando o consumo de energia do PJF de % a 0%, nota-se um acréscimo no consumo de 23,6kWh/m².ano, equivalente a 29%. Estabelecendo-se correlação do PJF ao consumo de energia, aumentando-se aquele em %, há um acréscimo do consumo de energia de aproximadamente 2,9%. Tab.5: Consumo anual de energia com relação ao PJF e variação percentual em relação ao caso base. Consumo Caso Base PJF % 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 0% Simulado (kwh/m².ano) 87,2 81,4 85,1 88,7 91,9 94,9 97,5 99,7 1,6 3,3 5,0 Variação (%) - -6,6-2,4 17 5,4 8,8 11,8 14,3 16,5 18,5 20,4 Jul Ago Set Out Nov Dez Variações da transmitância térmica Ao analisar a variação no consumo de energia em função das alterações das transmitâncias térmicas das paredes, observou-se a pequena influência deste parâmetro (Fig. 14). Consumo de energia (kwh/m²) Consumo de energia (kwh/m²) Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez caso base Upar 25% (3,09W/m²K) Upar -50% (1,24W/m²K) Upar 50% (3,70W/m²K) Upar -25% (1,85W/m²K) Fig. 14: Consumo de energia em função das variações da transmitância térmica das paredes. caso base Ucob 25% (3,03W/m²K) Ucob -50% (1,21W/m²K) Ucob 50% (3,63W/m²K) Ucob -25% (1,81W/m²K) Fig. 15: Consumo de energia em função das variações da transmitância térmica da cobertura. A partir da transmitância térmica obtida para o caso base, foram variadas para mais e para menos em 25% e 50% do valor. A transmitância térmica obtida para o caso base foi de 2,47W/m²K. Os demais valores de transmitâncias térmicas obtidos para as simulações estão apresentados na Tab. 6. Nestes casos, os valores das capacidades térmicas adotados foram mantidos ao se alterar as transmitâncias térmicas, certificando-se que a variação do consumo é proveniente apenas da alteração da transmitância dos componentes. Tab. 6: Consumo anual de energia com relação à transmitância térmica das paredes e variação percentual em relação ao caso base. Consumo Caso base U - parede 2,47 W/m².K 3,70 W/m².K 3,09 W/m².K 1,85 W/m².K 1,24 W/m².K Simulado (kwh/m².ano) 87,2 85,1 85,2 87,6 89,7 Variação(%) - -2,4-2,3 0,5 2,9

18 Nesse parâmetro, a resposta do consumo de energia com relação às variações das transmitâncias térmicas das paredes não se comporta como o esperado, tendo em vista que, ao se aumentar a transmitância térmica, ocorre um acréscimo no consumo de energia. Ao analisar o balanço térmico dos casos simulados, percebe-se que, ao se aumentar a transmitância térmica, ocorre perda de calor pelas paredes para o exterior, devido às cargas internas serem elevadas. Com isso, o calor no ambiente interno é reduzido, o que, consequentemente, implica a redução do consumo por condicionamento de ar. A Fig. 15 apresenta as curvas de consumo de energia das variações da transmitância térmica da cobertura. Nota-se que o consumo do caso base e dos demais casos se assemelha. A transmitância térmica da cobertura foi obtida da mesma maneira que as transmitâncias térmicas das paredes. A transmitância térmica da cobertura obtida para o caso base foi de 2,42W/m²K. Os demais valores de transmitâncias térmicas obtidos para as simulações estão apresentados na Tab.7. Tab. 7: Consumo anual de energia e carga de resfriamento do edifício e do pavimento de cobertura com relação à transmitância térmica da cobertura e variação percentual em relação ao caso base. Consumo Caso base 2,42 W/m².K U - cobertura 3,63W/m².K 3,03W/m².K 1,81W/m².K 1,21W/m².K Simulado (kwh/m².ano) 87,2 87,8 87,6 87,1 86,8 Variação (%) - 0,7 0,5-0,1-0,5 Carga de resfriamento (kw) Caso base 2,42 W/m².K U - cobertura 3,63W/m².K 3,03W/m².K 1,81W/m².K 1,21W/m².K Edifício simulado Variação (%) - 2,4 1,5-0,1-1,3 Pavimento cobertura Variação (%) - 29,4 28,1 8,0-7,5 Comparando-se os casos de menor e maior consumo, obtém-se uma variação de 1,2%. Observa-se que a redução no consumo de energia é pequena, porém bastante significativa se comparada proporcionalmente com o comportamento das paredes, visto que a área de cobertura é menor que a área de paredes. Ao diminuir a transmitância térmica da cobertura em 1W/m²K, ocorre uma redução no consumo anual de energia na ordem de 0,5%. Relativamente ao pavimento da cobertura, também foram empregadas as cargas de resfriamento à análise da transmitância térmica. A Tab. 7 apresenta os valores de carga de resfriamento do caso base, das variações das transmitâncias térmicas e, em seguida, os valores de carga de resfriamento do pavimento de cobertura. Também estão apresentadas as variações de carga de resfriamento com relação à tipologia predominante e ao pavimento de cobertura. Observa-se que, com relação ao edifício, a variação máxima de carga de resfriamento foi de 2,4%. Quando é considerado somente o pavimento de cobertura, ocorre uma variação de carga de resfriamento de 29,4% para uma transmitância térmica de 3,63W/m²K. Essa análise demonstra que ocorrem pequenas variações de carga com relação ao edifício. Entretanto, ao se tratar do pavimento que está mais vulnerável às influências da cobertura, ocorrem variações significativas. Aumentando-se a transmitância térmica, ocorre um acréscimo na carga de resfriamento. 15

19 Variações da absortância 16 Nas simulações do edifício que representa a tipologia predominante, foram estabelecidas paredes com acabamento superficial de cor cinza (absortância média é igual a 65%). Em relação às variações observadas no consumo de energia (Fig. 16), quando a absortância varia do valor mínimo obtido (α=0,19) ao máximo (α=0,9), ocorre aumento no consumo de energia de 15,1% Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Consumo de energia (kwh/m²) Jan Fev Mar Abr Maio Jun Jul Ago Set Consumo de energia (kwh/m²) Out Nov Dez caso base amarela azul bege branco laranja marrom preta rosa verde Fig.16: Consumo de energia em função das variações da absortância das paredes. caso base absortância 20% absortância 40% absortância 60% absortância 80% Fig. 17: Consumo de energia em função das variações da absortância da cobertura. A Tab. 8 apresenta o consumo anual de energia com relação às absortâncias médias das paredes externas. Observa-se que a menor variação foi da cor branca, com uma redução do consumo de energia de 8,4%. A maior variação comparada ao caso base foi da cor preta, alcançando um acréscimo do consumo de energia de 5,5%. Tab. 8: Consumo anual de energia com relação à absortância média das paredes e variação percentual em relação ao caso base. Consumo Caso base α=65% Branco α=19,0% Amarelo α=39,0% Bege α=39,2% Rosa α=60,7% Simulado (kwh/m².year) 87,2 79,9 83,4 83,4 85,1 Variação (%) - -8,4-4,4-4,4-2,4 Consumo Laranja α=61,3% Marrom α=74,4% Azul α=74,5% Verde α=85,8% Preto α=92,6% Simulado (kwh/m².year) 86,8 88,7 89,2 90,6 92,0 Variação (%) -0,5 1,7 2,3 3,9 5,5 O consumo de energia aumenta em função do aumento da absortância das paredes. A cada alteração de % da absortância, ocorre um aumento de aproximadamente 1,9% no consumo de energia. A alteração da absortância das paredes é uma alternativa de economia de energia relativamente simples de ser executada, pois, o mais das vezes, basta alterar a tonalidade da pintura do acabamento externo do edifício. Além disso, esta medida pode ter seu custo quase nulo se for implementada no período de execução ou reforma da edificação. Desta forma, a economia alcançada pode ser bastante significativa. À análise da influência da absortância na cobertura, adotou-se para o caso base uma absortância de 70%, caracterizando a cor da telha de fibrocimento escura. Na Fig. 17, pode-se observar que no mês de novembro ocorreram as maiores variações, chegando à redução do consumo de 6,4% para absortância igual a 20%. Como mostra a Tab. 9, houve redução do consumo de energia em todos os casos analisados com absortâncias inferiores às do caso base. Houve aumento no consumo de energia, relativamente ao caso base, somente para a hipótese da cobertura com absortância de 80%. Ademais, correlacionado-se parâmetro com consumo, ao se aumentar a absortância em %, aumenta-se o consumo de energia em 1%.