ENCONTRO LATINOAMERICANO DE EDIFICAÇÕES E COMUNIDADES SUSTENTÁVEIS

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1 ENCONTRO LATINOAMERICANO DE EDIFICAÇÕES E COMUNIDADES SUSTENTÁVEIS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO DISPONIBILIDADE DA VENTILAÇÃO NATURAL EM SALAS DE AULA: SEU IMPACTO NA TEMPERATURA DO ESPAÇO INTERIOR Catalina Morales Maya, Martín Ordenes Mizgier Resumo A ventilação é um dos fatores que possui maior impacto na sensação térmica das pessoas que habitam um espaço e no intercâmbio de calor com o exterior. Os espaços escolares são locais que, devido à importância das atividades realizadas no seu interior e a grande quantidade de pessoas que a usam, têm grandes requisitos neste aspecto. Este trabalho buscou avaliar o comportamento da temperatura interior dentro de uma sala de aula hipotética naturalmente ventilada. A sala foi projetada com os parâmetros base do Caderno Técnico No. 4 Volume 2 do Ministério de Educação Brasileiro e simulada no software EnergyPlus, dividindo a Área total de ventilação requerida em duas fachadas opostas, orientadas no eixo norte-sul. A sala foi avaliada mudando as porcentagens do total de aberturas entre as fachadas em diferentes proporções e modificando o modo de controle dos dispositivos em fachada para ventilação. Os dados obtidos na avaliação da temperatura média interior foram comparados para as diversas simulações. As simulações realizadas evidenciam que a quantidade de tempo no que está disponível a ventilação natural, é o fator avaliado mais determinante no aumento e diminuição da temperatura interior. Palavras-chave: Ventilação Natural, Ambientes Escolares, EnergyPlus, Modos de Controle da Ventilação. NATURAL VENTILATION AVAILABILITY IN SCHOOL CLASSROOMS: ITS IMPACT IN THE INTERNAL TEMPERATURE. Abstract People s thermal sensation inside a room and the heat exchange with the outdoors, is highly influence by Ventilation. School environments, due to the importance of the activities they host and the number of people inhabiting them, have strict requirements in this aspect. This paper aims to evaluate the behavior of the internal temperatures of a natural-ventilated hypothetical school classroom. This classroom was design according to the parameters enlisted in the Technical Notebook No. 4, Volume 2 of the Brazilian Education Ministry and was simulated through the EnergyPlus Software. The total area required for ventilation was divided into two opposite façades, orientated in a North-South axis. The proportions of the ventilation area were modified to evaluate different airflow situations, and the control modes for the ventilation devices were modified as well. The data obtain from de evaluation of the mean interior temperature, made in each resulting space were compared. The simulations show that the amount of time in which natural ventilation is available, is the most decisive factor in the increase and decrease of internal temperature. Key-words: Natural Ventilation, Escolar environments, EnergyPlus, Ventilation control modes. ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 1

2 1 INTRODUÇÃO Segundo a ASHRAE standard 55 (2010), o conforto térmico é definido como condição mental que expressa satisfação com o ambiente térmico. Este conforto depende de vários fatores, de caráter ambiental e de caráter pessoal. De acordo com a mesma normativa, estes fatores primários com que está relacionado o conforto são 6: os fatores pessoais, como a Taxa Metabólica, o Isolamento das roupas; e os fatores ambientais, como a temperatura do Ar, a temperatura Radiante, a velocidade do Ar e a Umidade do ambiente (ASHRAE, 2010). Cada tipo de espaço tem diferentes requisitos e exigências relacionadas com o conforto térmico de seus usuários. Alguns, devido às atividades realizadas dentro deles, não precisam de grandes exigências para garantir o conforto térmico, pois estas atividades podem ser passageiras e de curta duração. Os espaços educativos como as salas de aula, pelo contrário, são espaços com grandes requerimentos térmicos. Além de conter uma das atividades mais importantes na sociedade, a educação, contêm uma grande quantidade de pessoas durante longos períodos de tempo, tornando-os em importantes objetos de estudo. Soma-se a isto, o fato de que nas instituições educativas, desde creches, colégios, escolas, até universidades, as salas de aula são usadas por pessoas de quase todos os grupos etários, condições sociais e culturais, destacando a importância de conhecer e desenhar com maior precisão seu comportamento térmico. Grande quantidade destes espaços são condicionados naturalmente, fato pelo qual a projeção e disponibilidade de ventilação adquire grande importância. No Brasil, o Ministério de Educação lista os requisitos básicos para a projetação de espaços escolares numa série de documentos chamados Cadernos Técnicos. no volume nomeado Espaços Educativos Ensino Fundamental, Subsídios Para Elaboração De Projetos E Adequação De Edificações Escolares, Cadernos Técnicos 4. Volume 2, estão contidos os parâmetros principais de desenho das salas de Aula, incluindo a área obrigatória para ventilação natural. De acordo com este documento, para uma ocupação de 36 alunos e um professor, cada sala deve ter como mínimo 1.32m2 por aluno, 3.00m de Pé direto, 1/4 da área do piso ou mais em aberturas para Iluminação Natural e 1/8 para ventilação natural, que obrigatoriamente deve ser cruzada. Todos os fatores antes mencionados representam um impacto considerável no ganho térmico de um espaço, ainda mais se são somados os ocupantes, que aportam seu próprio calor e suas próprias ações e decisões sobre sua sensação térmica. Este reconhecimento do usuário como agente ativo no seu ambiente pode ser evidenciado na criação e desenvolvimento de modelos de conforto adaptativo, feitos por numerosos grupos de estudo (CONCEIÇÃO et al. 2012, HAN-HSILIANG et al. 2012) e instituições, incluindo a ASHRAE (ASHRAE Standard 55, 2010). No entanto, os ganhos de calor ocorrem não só durante os períodos de ocupação, mas também durante todo o decorrer do dia. Usualmente, os dispositivos de ventilação são acionados somente quando um espaço está ocupado, e o desconforto pelo aumento da temperatura é percebido por estes usuários. Contudo, se os dispositivos são abertos durante estes períodos e posteriormente fechados, o espaço continuará ganhando calor sem ter um mecanismo muito efetivo de intercâmbio desse calor com o exterior; mas se as janelas continuarem abertas durante todo o dia, é possível não só que seja melhorado o intercâmbio, mais que outras estratégias, como o resfriamento convectivo noturno, sejam aproveitados. Este estudo busca então, avaliar o impacto que tem a disponibilidade da ventilação natural na temperatura interior do espaço durante o dia, se esta está disponível permanentemente ou se somente é acionada quando o aumento de temperatura é perceptível para os usuários. 2 OBJETIVO O objetivo deste artigo é avaliar o impacto que o uso da ventilação natural disponível tem na temperatura ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 2

3 interior de ambientes de estudo de alta densidade. Neste caso, será avaliada uma sala de aula hipotética, condicionada naturalmente, localizada nas cidades de Florianópolis SC e Maceió AL, mediante a simulação com o software EnergyPlus. 3 MÉTODO 3.1 Objeto de Estudo O objeto de Estudo foi uma sala de aula hipotética, denominada Caso Base, modelada no software EnergyPlus, como uma Zona. Esta foi modelada com o LegacyOpenStudio Plug-in for SketchUp, Plug in do software que permite desenhar as zonas a serem avaliadas na interface gráfica do Sketch Up, programa digital de representação gráfica. A zona foi projetada como um espaço de dimensões 7.9m de largura por 8.1m de comprimento (Ver figura 1), cumprindo com os diferentes requisitos mencionados na introdução: de área por pessoa, pé direito, área obrigatória de ventilação e Iluminação. A sala foi orientada com suas janelas no eixo Norte-Sul. o espaço foi projetado com uma proteção solar de 2.5 m de largura na fachada Norte e Sul, equivalente aos corredores de circulação do andar superior. Figura 1. Planos do Caso Base Avaliado As paredes orientadas a Norte e Sul, paredes expostas ao exterior, foram modeladas como paredes em alvenaria, com bloco cerâmico de 6 furos de 9.0 cm e uma capa de argamassa tanto no interior como no exterior de 2.5 cm. Os dados do comportamento térmico (Densidade de Massa aparente, condutividade térmica e Calor especifico) dos materiais são apresentados na Tabela 1. Sala de Aula Hipotética ::: Elementos e Materiais ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 3

4 Tabela 1. Propriedades térmicas dos Materiais e Elementos construtivos. As Paredes Oeste e Leste foram modeladas como Adiabáticas, pois foi considerada como uma sala de aula limitada a cada lado com outra sala de aula. Da mesma forma, foram considerados a cobertura e o piso como adiabáticos, assumindo que a sala se encontrava no primeiro andar, com o térreo abaixo e outro piso acima. Na fachada norte, o espaço foi modelado com uma janela tipo veneziana, com um coeficiente de descarga de 0.4 e uma porta em madeira como dispositivos de ventilação; na Fachada sul, foi modelado com 2 tipos de Janela. Uma janela de vidro fixo e, na parte inferior, uma fila de janelas basculantes de vidro, com um coeficiente de descarga de 0.58, que cumprirá o objetivo de ventilar o espaço e assim, de permitir o ingresso da luz natural. Esta zona foi localizada nas cidades de Florianópolis SC e Maceió - AL, Brasil, e para sua modelagem foram usados os arquivos climáticos FlorianopolisTRY1963_05CSV.epw e MaceioTRY1962_05CSV.epw, obtidos dos arquivos disponíveis no site do Laboratório de Eficiência Energética em Edificações da Universidade Federal de Santa Catarina. Ambas as cidades, foram escolhidas pelas características dos seus climas. A cidade de Florianópolis é uma cidade localizada num clima subtropical, que apresenta durante o ano, períodos de inverno, estações médias e períodos de Verão. Este último apresenta altas temperaturas que podem resultar desconfortáveis para os usuários dos espaços. Por outro lado, a cidade de Maceió apresenta um clima tropical úmido, com temperaturas consideravelmente altas durante todo o ano, o que pode estender o desconforto dos usuários não só durante uma determinada época, mais durante todo o tempo. 3.2 Cargas Térmicas e Schedules ou Horários: A tabela 2 mostra os diferentes elementos modelados dentro do espaço, como número de pessoas, iluminação artificial, entre outros e os valores de aporte térmico que cada um desses elementos possui, assim como os períodos durante os quais estão aportando essa carga térmica. ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 4

5 Tabela 2. Cargas Térmicas e Períodos de aporte ao espaço. Além dos parâmetros listados acima, foi acrescentado 50% a mais de usuários, em relação aos 37 usuários recomendados pelos cadernos técnicos, resultando em 55 pessoas dentro da sala. O valor de 37 usuários é um valor teórico que muitas vezes é ultrapassado em situações reais, por isso foi considerado uma maior quantidade de pessoas, para se ter uma referência de comparação. Figura 2. Distribuição da Área de Janela para ventilação em Fachadas Norte e Sul. ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 5

6 3.3 Os Modelos de Simulação Distribuição da Área em Fachada Para realizar a avaliação do impacto da disponibilidade da Ventilação natural na temperatura interior do espaço, foram modelados 3 versões do modelo digital da Sala de Aula. Mantendo todas as características físicas, orientação, dimensões, materiais, dispositivos de ventilação, entre outras, descritas no item 3.1, foi distribuída a área de ventilação requerida pelos cadernos técnicos em 3 formas. No primeiro modelo, foi distribuído 80% da área de ventilação obrigatória na fachada norte e 20% na sul (Opção1); no segundo, foi distribuído 50% em cada fachada (Opção 2); e finalmente, no terceiro, foi distribuído 20% na fachada norte e 80% na sul (Opção 3). As áreas foram modificadas, mantendo sempre o mesmo comprimento e variando somente a altura da janela. Da mesma forma, cada um dos modelos foram simulados em estado ocupação e Desocupação Modos de Controle da Ventilação Natural dentro do espaço Para realizar a avaliação do impacto da disponibilidade da Ventilação natural na temperatura interior do espaço, foram simulados cada um dos modelos com e sem ocupação, com 3 modos de controle diferentes. O primeiro modo de controle utilizado foi uma ventilação constante, disponível durante 100% do tempo. O segundo modo foi o ASHRAE55AdaptiveComfort. De acordo com o documento Input Output Reference do EnergyPlus, todas as janelas e portas operáveis da zona, são abertas se a temperatura operativa é maior que a temperatura de conforto (Linha central) calculada de acordo com o Modelo de Conforto Adaptativo do Standard da ASHRAE e se a ventilação está disponível segundo seu schedule (Input- OutputReference, 2012). Finalmente, o terceiro modo de controle usado foi a temperatura, desta maneira, se a temperatura interior é maior que a temperatura exterior e a temperatura definida como Set Point ou temperatura de referência, todas as janelas e portas disponíveis serão abertas. A temperatura de referência definida foi igual à temperatura de conforto para o período avaliado segundo o modelo de Auliciems. Para a cidade de Florianópolis foi definida como 25.4ºC, e para a cidade de Maceió como 25.8ºC. 3.4 Períodos avaliados: De acordo com os Arquivos climáticos, foi selecionada a semana onde a maior temperatura foi registrada. Se esta temperatura foi medida durante um período de desocupação do espaço (Feriados dos Alunos), foi adotada então, a semana ocupada com a maior temperatura registrada. Estes períodos foram escolhidos por representarem a pior condição para alcançar o conforto térmico, devido às mencionadas altas temperaturas. Para a cidade de Florianópolis SC, a semana avaliada foi desde o dia 04 ao dia 10 de Março, de domingo a Sábado, segundo o calendário de 2012, onde foi registrada una temperatura de 35.2ºC durante o dia 07 desse mês. Para a cidade de Maceió AL, o período avaliado foi a semana do mês de Fevereiro, entre os dias 19 e 25 desse mês, onde foi registrada uma temperatura de 33.28ºC neste último dia. Os avaliadores são cientes de que, dependendo do ano, estas temperaturas máximas podem variar ou mesmo não serem alcançadas. No entanto, foram selecionados com base nos dados disponíveis. 4 RESULTADOS A seguir serão apresentados os dados obtidos nas simulações do caso base, e os modelos resultantes das diferentes variações feitas nele. A Figura 3 apresenta os gráficos resultantes dos dados de temperatura interior, alterando as disponibilidades, nas diferentes opções de distribuição de fachada da área. Cada gráfico apresenta em cinza a temperatura exterior, em Azul (Escuro, médio e Claro) a Disponibilidade do 100%, em Laranja (Escuro, médio e Claro) a disponibilidade da ventilação segundo o Modelo da ASHRAE ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 6

7 55 (2010) e em Verde (Escuro, Médio e Claro) a disponibilidade da ventilação com uma temperatura de set point igual a temperatura de conforto. Os gráficos estão organizados de maneira descendente. O primeiro apresenta os dados obtidos quando a área de ventilação está distribuída 80% na fachada norte e 20% na sul; o segundo apresenta os dados obtidos quando a área de ventilação foi distribuída em partes iguais em ambas as fachadas (50%); e finalmente o último apresenta os dados quando as áreas estão distribuídas em 20% na fachada norte e 80% na sul, para cada una das cidades. ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 7

8 Figura 3. Florianópolis SC. Temperatura Interior medida segundo a disponibilidade da ventilação natural. ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 8

9 Figura 4. Maceió AL. Temperatura Interior medida segundo a disponibilidade da ventilação natural. Como pode ser observado nos gráficos, as 3 opções apresentam comportamentos muito similares. Quando ocupado, as temperaturas interiores do espaço são levemente maiores do que quando este está desocupado, comportamento esperado, devido ao aporte de calor feito pelos usuários. Quando o número de usuários aumenta, a temperatura interior da sala não apresenta grandes variações. Para a cidade de Florianópolis SC, com uma disponibilidade da ventilação de 100% do tempo, as variações de temperatura acompanham a linha de comportamento da temperatura exterior, quanto ao aumento de temperatura. Durante o período avaliado, estas temperaturas só são superadas durante os últimos dois dias, onde a temperatura diminui notavelmente da média dessa semana (observar Sexta-feira e Sábado). Nos valores mínimos, nota-se que a temperatura supera em aproximadamente um grau a temperatura exterior, o que pode ocorrer devido ao fato de que o espaço interior não consegue chegar à temperatura mínima exterior pelos ganhos calóricos durante o dia. Quando o ingresso da ventilação é disponibilizado de acordo com o Modelo de Conforto Adaptativo da ASHRAE 55, como é descrito no item 3.3.2, a temperatura interior ultrapassa os valores medidos no exterior, até em 8.0 C, quando comparado com os valores mínimos medidos a cada dia. Comparadas às temperaturas maiores, a temperatura interior ultrapassa estes valores, em aproximadamente 2.0 C, alcançando temperaturas médias do espaço de até 33.0 C. Finalmente, quando o ingresso da ventilação ao espaço é permitido quando é alcançada a temperatura de conforto, pode observar-se um comportamento parecido com a primeira forma de operação da ventilação (disponibilidade o 100% do tempo). As temperaturas acompanham os valores exteriores nos picos máximos, mas apresentam valores menores nos períodos das temperaturas exteriores mais altas (Observar a Quinta feira avaliada). Nos picos mínimos, estas ultrapassam estes valores em aproximadamente 2.0 ou 3.0 C, evidenciando uma maior dificuldade para resfriar-se durante os períodos de menores temperaturas, devido ao calor conservado no interior do espaço e nos materiais que o compõem. Para a Cidade de Maceió AL, que possui um clima tropical, pode ser observado que as temperaturas apresentam um comportamento cíclico regular, sem grandes diferenças entre os picos máximos e mínimos de cada dia avaliado. Quando o espaço tem ventilação natural disponível em 100% do tempo, as temperaturas interiores acompanham o comportamento cíclico, só ultrapassando as temperaturas exteriores nos períodos de picos mínimos, que assim como para a cidade de Florianópolis, pode ocorrer devido ao calor contido dentro do espaço e aos materiais, que não conseguem liberar a quantidade de energia armazenada durante os períodos mais quentes, antes que a temperatura aumente novamente. Quando o acesso da ventilação é controlado pelo Modelo de Conforto Adaptativo da ASHRAE 55 (2010), igual à outra cidade avaliada, na maioria do tempo as temperaturas interiores superam os valores medidos no exterior. Nos períodos de maior temperatura, as temperaturas interiores ultrapassam estas em aproximadamente 2.0 C, e durante os períodos de menor temperatura, esta diferença pode aumentar até aproximadamente 8.5 C. A temperatura média interior máxima alcançada é igual a 34.0 C. Quando a temperatura de conforto calculada é o mecanismo de disponibilização da ventilação do espaço, esta apresenta um comportamento semelhante ao comportamento verificado quando ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 9

10 a ventilação está disponível o tempo todo. As temperaturas interiores médias não ultrapassam as temperaturas máximas exteriores, mas as temperaturas médias interiores mínimas superam em aproximadamente 4.0 C as exteriores. Apesar de serem consideravelmente maiores que as temperaturas exteriores, estas não superam os 27.0 C, só quando acompanham o aumento da temperatura exterior. 5 DISCUSSÃO DOS RESULTADOS E CONCLUÇÕES A partir dos resultados obtidos nas simulações realizadas nos espaços resultantes, onde foram alteradas as distribuições em fachada da área obrigatória de ventilação natural, a disponibilidade desta durante o dia e o seu número de usuários, pode observar-se que o fator que tem o maior impacto no comportamento da temperatura interior é a disponibilidade de ventilação natural durante o dia. Durante os períodos mais quentes do ano, com uma disponibilidade da ventilação em 100% do tempo, o comportamento da temperatura interior acompanha as variações da temperatura exterior, pois o espaço conta com um mecanismo de troca de ar que ajuda equilibrar a temperatura do contexto com a sua temperatura. Fato que pode ser prejudicial durante àquelas horas onde a temperatura exterior supera as temperaturas dentro da faixa de Conforto. Quando a forma de operação da ventilação está associada ao Modelo de Conforto adaptativo, onde os dispositivos são ativados quando a temperatura operativa é maior que a temperatura de conforto, o espaço apresenta as maiores temperaturas médias interiores das 3 formas de operação da ventilação. Foi observado que o espaço retêm o calor por mais tempo, apresentando um comportamento regular, entre os dias avaliados, mas sempre acima do comportamento da temperatura exterior, mesmo estando em estado de ocupação e desocupação. Na terceira forma de operação dos mecanismos de ventilação, que depende da temperatura de conforto, foi verificado que nas duas cidades avaliadas ocorre um comportamento semelhante no comportamento da temperatura, quando a ventilação está disponível o 100% do tempo. A diferença nos picos de temperaturas menores pode ser explicada porque o primeiro modo tem maior tempo de troca de calor com o exterior. Nos picos de maior temperatura, este modo de controle apresenta um melhor desempenho que as outras duas opções. Quando a temperatura exterior alcança seu valor máximo, este mecanismo consegue manter a temperatura interior abaixo da registrada no exterior e nos interiores da sala quando têm outro modo de controle da disponibilidade da ventilação. Considerando as limitações reais para manter abertas as janelas e portas durante todo o tempo, devido às condições de segurança, praticidade, preferência do usuário, entre outras, e seu desempenho nas altas temperaturas, este modo apresenta um cenário promissor. Claramente, quanto maior o tempo em que seja proporcionado o intercâmbio de calor com o exterior, mais parecida será a temperatura do espaço com a deste, desde que uma boa proteção solar seja garantida para estas aberturas. Mas uma ventilação em 100% do tempo, na maioria das ocasiões, não é viável, pois os espaços escolares estão desocupados por longos períodos de tempo, durante as noites e os feriados. Optar então, pela opção que permita aproveitar a ventilação durante a maior quantidade de tempo possível, e diminuir o ganho de calor quando as temperaturas exteriores aumentam, permitirá obter o comportamento da temperatura interior mais semelhante à temperatura da faixa de conforto. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASHRAE Standard 55. Thermal environmental conditions for human occupancy. American Society of ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 10

11 Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, inc. Atlanta, GA, CONCEIÇÃO, Eusébio et al. Application of a developed adaptive model in the evaluation of thermal comfort in ventilated kindergarten occupied spaces. Building and Environment, volume 50, Pág The Board of Trustees of the University of Illinois and the Regents of the University of California through the Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory. The Encyclopedic Reference to EnergyPlus Input and Output. EnergyPlus Outubro LIANG, Han-Hsi. LIN, Tzu-Ping. HWANG, Ruey-Lung. Linking occupants thermal perception and building thermal Performance in naturally ventilated school buildings. Applied Energy, volume 94, Pág Março MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO, FUNDO DE FORTALECIMENTO DA ESCOLA FUNDESCOLA, Coordenação de Instalações Escolares. Espaços Educativos Ensino Fundamental, Subsídios Para Elaboração De Projetos E Adequação De Edificações Escolares, Cadernos Técnicos 4. Volume 2. BRASÍLIA, 2002 Laboratório de Eficiência Energética em Edificações LabEEE, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis SC. WESTPHAL, Fernando S. Introdução ao EnergyPlus. Apostila da Disciplina Analise Térmica, ELECS CURITIBA - PR 21 A 24 DE OUTUBRO 11

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