5. SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DE UMA EDIFICAÇÃO

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1 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DE UMA EDIFICAÇÃO Este capítulo visa apresentar a técnica de simular a futura edificação através de métodos, modelos computacionais e estudos paramétricos, utilizando as informações e dados disponíveis na fase inicial do projeto que possam ter influência nas questões energéticas e de conforto ambiental na edificação. O processo de simulação possibilita uma previsão dos comportamentos do prédio para diversas alternativas de projeto. São descritos neste capítulo um modelo virtual de prédio de escritórios com todas as suas características; os dados meteorológicos utilizados para as simulações; o modelo de ocupação/utilização dos ambientes; e os estudos paramétricos realizados para obtenção das REGRAS INTELIGENTES de concepção arquitetônica. 5.1 Simulação e Modelagem de Uma Edificação A simulação computacional de uma edificação pressupõe a utilização de alguns modelos que descrevem não apenas o próprio prédio, mas também as condições externas às quais ele será submetido. O primeiro passo para a simulação dos seus comportamentos é, portanto, a pesquisa de quais pontos fundamentais devem ser considerados na elaboração de todo o trabalho de modelagem necessária. Verifica-se que neste caso, esses pontos podem ser divididos em quatro categorias gerais: estrutura física constituinte da edificação; fenômenos físicos envolvidos na simulação; condições climáticas; utilização da edificação; Os pontos relacionados à estrutura do prédio dizem respeito às dimensões, à organização estrutural ou geometria da edificação e a composição ou materiais

2 constituintes dos componentes arquitetônicos existentes. O modelo criado a partir do conhecimento dessas características da edificação representa, portanto, a edificação propriamente dita. Em relação aos fenômenos físicos um modelo busca, por sua vez, descrever o comportamento físico dos materiais e, consequentemente, dos componentes da edificação com eles construídos, comportamentos estes, ditados segundo suas características intrínsecas em relação aos fenômenos de transferência de calor por condução, convecção e radiação. Além disso, é necessário modelar o comportamento físico do ENVELOPE do prédio em relação a fenômenos como a dinâmica de fluidos, que dependem mais dos parâmetros geométricos da edificação, como volume, grau de permeabilidade ao vento, etc. Um modelo desse tipo é representado, na prática, por um conjunto de equações matemáticas. Esses dois modelos (o que descreve a edificação e o modelo matemático dos fenômenos físicos) visam, juntos, reproduzir o mais próximo possível o comportamento da edificação simulada. O conhecimento das condições climáticas permite estabelecer as cargas térmicas EXTERNAS (temperaturas do ar, radiação solar incidente nas fachadas, etc.) e os fenômenos aéreos NATURAIS atuando sobre a edificação (o vento, sua direção e intensidade). Normalmente, esses dados são provenientes de medições realizadas no local onde será construído o prédio. Entretanto, pode acontecer desses dados de entrada necessários para utilização na simulação não estarem disponíveis. Nesse caso, adotam-se modelos numéricos capazes de descrever as condições ambientais, como temperaturas, velocidades do ar e radiação solar. Um modelo climático desse tipo serve, portanto, para gerar um conjunto de parâmetros que atuam diretamente sobre o modelo de estrutura física do prédio, citado anteriormente. Finalmente, uma descrição da maneira como é utilizada a edificação, em termos de ocupação humana, quantidade e tipologia dos equipamentos existentes (iluminação elétrica, fogões, ar-refrigerado, etc.) e o período de utilização desses equipamentos, permite criar um modelo de utilização do prédio, em que são estabelecidas as cargas térmicas INTERNAS e os fenômenos aéreos ARTIFICIAIS (ventilação) atuantes no imóvel. Esse modelo se materializa, geralmente, através de perfis horários de utilização do prédio, estabelecidos a partir de estudos em 106

3 edificações de uso semelhante à construção simulada. Da mesma maneira que o modelo climático, esses perfis servem como parâmetros que determinam o comportamento do modelo de estrutura física do prédio. Segundo o exposto, pode-se sintetizar a simulação de uma edificação conforme mostrado na figura Figura 5.1 Esquema de simulação computacional de uma edificação Em relação aos cuidados que devem ser tomados na elaboração de todos esses modelos, ressalta-se: 1) os modelos relacionados ao comportamento da edificação devem descrever a maior parte dos fenômenos envolvidos de maneira precisa, estável e consistente. Quanto maior é a precisão do modelo, melhores os resultados dos cálculos em relação aos fenômenos reais. 2) os dados ou parâmetros gerados pelos modelos climático e de uso da edificação devem descrever o clima, os equipamentos e utilização do prédio, seguindo um princípio de exaustão de detalhes. Mais uma vez, uma descrição detalhada da estrutura do prédio e de seus componentes aproxima os resultados simulados dos dados da realidade. Finalmente, esse conjunto de modelos pode ser implementado na forma de uma ou mais ferramentas computacionais e a simulação da edificação propriamente dita pode ser realizada. Neste trabalho, seguindo esse esquema, diversas simulações desse tipo foram executadas para determinação das condições de conforto térmico e lumínico, qualidade do ar, grau de aproveitamento da luz natural e consumo de

4 energia de um prédio. Mais especificamente, o modelo descrevendo os fenômenos físicos é representado pelo Type56 do sistema TRNSYS, pelo programa para cálculo da ventilação natural (Aeolus/Extdll), e pelo programa para cálculo da iluminação natural (Natlite), estes últimos desenvolvidos no escopo da pesquisa de tese e já apresentados nos capítulos 2 e 3 respectivamente. Os outros modelos relacionados com o tipo de edificação escolhida (o detalhamento de sua estrutura física), as condições climáticas e o tipo de ocupação do prédio são mostrados a seguir O Modelo de Edificação Tipologia e características gerais da edificação adotada Escolheu-se como objeto de simulação neste trabalho, prédios de escritórios de porte médio. Este tipo de construção é bastante difundido pelo Brasil, podendo ser considerado como representativo de uma parcela significativa das edificações do setor terciário no país. Geralmente, essa tipologia apresenta entre 5 e 25 pavimentos, a maioria deles contendo salas utilizadas para atividades como consultórios médicos ou odontológicos, escritórios de advocacia, de contabilidade, de engenharia, e assim por diante. A circulação vertical dos usuários nessas edificações é sempre realizada através de elevadores. Dependendo do prédio, as salas podem possuir banheiros privativos ou podem existir banheiros de uso comum para cada pavimento. De uma maneira geral, no Brasil, é comum prédios deste porte não possuírem sistemas de climatização de ar centralizados, deixando a cargo dos proprietários das salas ou seus locatários, a instalação ou não de aparelhos pequenos de condicionamento de ar para as salas, geralmente, em vãos apropriados nas paredes das fachadas. Por este motivo, o uso de ar-condicionado nas salas não ocorre em 100% dos casos, apresentando os prédios geralmente um perfil de ventilação misto (climatização artificial + ventilação natural). Além disso, quase nunca existe climatização nas áreas de uso comum, como corredores, escadas e banheiros, prevalecendo aí o uso da ventilação natural como estratégia de arrefecimento e renovação do ar interior. Os pavimentos que não são utilizados por escritórios, geralmente são projetados como

5 área de garagem ou pequenos centros comerciais, constituindo sempre os andares mais baixos da edificação. As figuras 5.2 e 5.3 mostram dois exemplos desta tipologia arquitetônica. Nota-se, nas fotografias, a presença irregular dos aparelhos de ar-condicionado nas fachadas. 109 Figura 5.2 Tipologia arquitetônica Foto tirada pelo autor no Rio de Janeiro, RJ Figura 5.3 Tipologia arquitetônica Foto tirada pelo autor no Rio de Janeiro, RJ De acordo com estas características gerais, imaginou-se para objeto de simulação um prédio cujos pavimentos principais apresentassem uma distribuição adequada de salas, área de circulação, caixa de escada, caixa de elevadores e banheiros comuns (masculino e feminino). Uma planta do pavimento de salas da edificação projetada pode ser vista na figura 5.4. Nesta, as áreas mais escuras representam os escritórios (240 m 2 ), que correspondem a 62,5% da área total do pavimento (384m 2 ), num total de seis salas individuais. Cada sala possui uma dimensão de 4 x 10 metros e apresenta uma única abertura para o exterior (janela) centralizada na parede da fachada principal da edificação. A largura total das fachadas principais do prédio (frontal e posterior) mede 24 metros, e a das fachadas

6 laterais, 16 metros. As áreas de piso do corredor, escada e banheiros possuem, respectivamente, 84m 2, 24m 2 e 24m Figura 5.4 Planta baixa do prédio de escritórios Figura 5.5 Vista frontal do prédio de escritórios Quanto ao número de pavimentos, imaginou-se o prédio contendo 14 pavimentos destinados a escritórios (pé direito de 3 metros) e um único andar térreo com pé-direito de 5 metros contendo algumas lojas voltadas para a calçada e o hall de entrada. Foi desconsiderada a existência de um volume para a caixa d água e

7 outro para a casa de máquina dos elevadores, por não estarem situados no mesmo plano da fachada, não influenciando assim, significativamente, a distribuição dos coeficientes locais de pressão para o vento. Assim, a altura total da edificação ao nível do plano frontal é de 50 metros (figura 5.5). Para a execução das simulações, a distribuição dos ambientes em cada pavimento pode ser simplificada em um número reduzido de zonas apresentando as mesmas características de comportamento. Isto diminui significativamente o número de entradas nos programas e o tempo de cálculo das simulações, sem prejuízo na precisão dos resultados. Optou-se, então, em dividir o pavimento tipo em seis zonas distintas, com suas respectivas utilizações: Zona 1 Conjunto de 3 salas; Zona 2 Conjunto de 3 salas; Zona 3 Corredor/Circulação; Zona 4 Caixa da Escada; Zona 5 Banheiros feminino e masculino; e Zona 6 Caixa dos elevadores (figura 5.6). 111 Figura 5.6 Modelo zonal para o prédio de escritórios Características dos materiais e composição das paredes As construções brasileiras são em sua maioria erigidas com uma estrutura de concreto armado e fechamento em alvenaria cerâmica ou similar. Esse modelo serve tanto para edificações residenciais quanto comerciais. A utilização de estruturas metálicas ainda é muito pequena em relação a outros países. Madeiras, polímeros e metais são utilizados em alguns elementos da construção, como revestimentos de piso e esquadrias, e como componente estrutural do concreto armado (no caso do aço).

8 112 Para um prédio desse tipo, as transferências térmicas entre o interior e o exterior ocorrem em sua grande maioria através dos elementos de fechamento da estrutura, como as paredes e janelas, que formam o que se denomina o ENVELOPE da edificação. No modelo de prédio utilizado neste estudo considerou-se, portanto, para determinação dos comportamentos térmicos da edificação, apenas os materiais apresentados na tabela 5.1, que constituem o ENVELOPE do imóvel. Tabela 5.1 Propriedades dos materiais utilizados nas composições das paredes Material Condutividade Calor Específico Massa Específica Absortividade p/ (kj/h.m.k) (kj/kg.k) (kg/m 3 ) Radiação solar Esses materiais, combinados adequadamente em diversas camadas e espessuras, formam os diferentes tipos de paredes e lajes que são consideradas nas simulações. As espessuras consideradas para cada um dos materiais são mostradas na tabela 5.2. A figura 5.7 mostra as combinações utilizadas no modelo virtual e a figura 5.8 os locais de aplicação de cada uma das paredes, para um pavimento tipo do prédio. Tabela 5.2 Espessuras consideradas nas composições das paredes Material Espessura (mm) GESSO 10 TIJOLO 130 GRANITO 20 ARGAMASSA De 10 a 30 REVESTIMENTO 5 CONCRETO 8 (lajes) / 10 (paredes) AZULEJO 10

9 113 Tipo 1: Parede Interior Exterior (fachada frontal) Tipo 2: Parede Interior Exterior (outras fachadas) Tipo 3: Parede Caixa do elevador Interior Tipo 4: Parede Banheiros Interior Tipo 5: Parede Banheiros Caixa do elevador Tipo 6: Parede Banheiros Exterior Tipo 7: Parede Interior Interior Tipo 8: Parede Caixa do Elevador Exterior Tipo 9: Laje entre Pavimentos Figura 5.7 Composições das paredes utilizadas nas simulações Figura 5.8 Local de utilização das composições das paredes no modelo do prédio

10 Características das aberturas externas e internas Para a tipologia de prédio considerada, a prática brasileira utiliza largamente as esquadrias de alumínio como fechamento de áreas envidraçadas, sendo estas com panos de vidro simples de transparência normal (>90%). De uma maneira geral, devido às particularidades de cada prédio, essas esquadrias são confeccionadas mais ou menos artesanalmente por um fabricante contratado. Por esse motivo, a estanqueidade dessas janelas em relação às pressões do vento incidente se apresenta, geralmente, menor do que algumas janelas padronizadas, fabricadas numa planta industrial e com um controle técnico mais rígido. Tecnicamente, esta estanqueidade é representada por um coeficiente de infiltração de ar obtido experimentalmente através de ensaios, para uma diferença de pressão conhecida (geralmente de 1 Pa) entre os dois lados da janela. Os resultados dos ensaios são os valores de infiltração de ar por superfície de janela ou por metro linear de esquadria. Para as portas, é adotada uma abordagem semelhante. Os resultados são então disponibilizados na forma de recomendações, padrões, ou códigos legais de prática. Uma análise de diversas destas recomendações (ORME, 1998) indica que os valores se situam entre 5x10-4 m 3 /s (para janelas comuns) até 4x10-6 m 3 /s (para janelas de alto desempenho), por metro linear de esquadria. Neste trabalho, considerou-se as janelas do tipo comum. Quanto à tipologia das janelas, a prática corrente brasileira privilegia tanto o tipo MÁXIMO-AR quanto as do tipo de FOLHA-DESLIZANTE para prédios de escritórios (figura 5.9). Neste estudo, considerou-se todas as janelas como de FOLHA-DESLIZANTE. Desta forma, no cálculo das vazões de ar resultantes da ventilação natural com as janelas totalmente abertas, a área de abertura (em relação ao ar) representa metade do vão total da janela (figura 5.10). Em relação às simulações de luz natural entretanto, todo o vão é considerado como área envidraçada, descontando-se apenas a área dos caixilhos.

11 115 Figura 5.9 Tipos de Janela: Folha-Deslizante e Máximo-Ar Figura 5.10 Janela do tipo Folha-Deslizante e sua abertura máxima (Ventilação Natural) Para as aberturas internas, normalmente são utilizadas portas com batentes de madeira. Nestas, as frestas são sensivelmente maiores que aquelas das janelas, e pode-se considerar uma infiltração da ordem de 15x10-4 m 3 /s/metro-linear de fresta (ORME, 1998). Ao contrário das janelas, para as portas abertas à ventilação, todo o vão é considerado no cálculo das vazões de ar. Para a determinação dos coeficientes locais de pressão, considerando o modelo de prédio utilizado, o posicionamento das janelas nas fachadas se dá conforme a tabela 5.3 a seguir. Nesta tabela, estão representadas as janelas do sétimo pavimento de escritórios, à meia altura do prédio, seguindo o mesmo esquema de localização apresentado no esquema da figura 2.13 (capítulo 2). O posicionamento das portas nas paredes internas não afeta a ventilação natural segundo o modelo de cálculo adotado, mas suas dimensões influenciam os resultados devido às respectivas dimensões das frestas.

12 116 Tabela 5.3 Características das aberturas consideradas nas simulações ABERTURA DESCRIÇÃO LARGURA ALTURA FACHADA DIST-X DIST-Y EXTERIOR - ZONA 1 JANELA VARIÁVEL EXTERIOR - ZONA 1 JANELA VARIÁVEL EXTERIOR - ZONA 1 JANELA VARIÁVEL EXTERIOR - ZONA 2 JANELA VARIÁVEL EXTERIOR - ZONA 2 JANELA VARIÁVEL EXTERIOR - ZONA 2 JANELA VARIÁVEL EXTERIOR - ZONA 3 JANELA EXTERIOR - ZONA 3 JANELA EXTERIOR - ZONA 3 JANELA EXTERIOR - ZONA 4 JANELA EXTERIOR - ZONA 5 JANELA EXTERIOR - ZONA 5 JANELA ZONA 1 - ZONA 3 PORTA ZONA 2 - ZONA 3 PORTA ZONA 3 - ZONA 4 PORTA ZONA 3 - ZONA 5 PORTA O Modelo Climático Conforme já foi visto, o conhecimento das condições climáticas é fundamental para a simulação de um prédio, pois o clima descreve as condições externas que atuam sobre a edificação, influenciando o seu comportamento térmico, lumínico e o consumo de energia. Em termos das ferramentas de simulação computacional, as condições climáticas assumem a forma de dados de entrada ou parâmetros, para os cálculos dos comportamentos de um prédio. Esses dados são, geralmente, as temperaturas e a umidade do ar, as condições do vento e os níveis de radiação solar incidentes sobre o envelope da edificação. A forma mais simples de obter esses dados é através de tabelas fornecidas pela meteorologia. Entretanto, os dados meteorológicos, quando disponíveis, não são direcionados para a solução dos problemas de projeto de edificações. (GOULART et al, 1998). Por isso, é necessário um tratamento preliminar dos dados climatológicos, para que possam ser utilizados em sistemas de simulação computacional. Geralmente, esses sistemas de simulação requerem a leitura de dados horários para todo o período simulado. Alguns programas fornecem ferramentas para a geração desses dados através de modelos estatísticos, desde que se disponha das médias mensais de algumas das

13 grandezas procuradas (radiação solar, temperatura, umidade, etc.). Trata-se, nesse caso, de gerar valores sintéticos, baseando-se num modelo descritivo dos fenômenos meteorológicos. No caso do TRNSYS, esta ferramenta é o Type54. Entretanto, há uma limitação para o seu uso na criação de dados climatológicos horários de climas tropicais, pois o modelo estatístico desenvolvido para o programa é adaptado para gerar valores apenas de climas temperados. Existem, por outro lado, algumas metodologias que foram desenvolvidas com o propósito de preparar uma base de dados climáticos de fácil utilização. A primeira delas é a criação de um ANO CLIMÁTICO TÍPICO, que contém valores de algumas variáveis climáticas para cada uma das 8760 horas do ano. Nos EUA, duas dessas fontes de dados foram desenvolvidas para cálculos de energia: o Test Reference Year (TRY) e o Typical Meteorological Year (TMY). 117 O procedimento utilizado para selecionar o ano climático para um local específico, é baseado na eliminação de anos de dados, os quais contém temperaturas médias mensais extremas (altas ou baixas), até permanecer um ano, somente. Para isto, os meses são classificados em ordem de importância para cálculo de energia, analisandose os valores médios mensais de temperatura do ar, anotando-se o mês mais quente e o mês mais frio, o segundo mês mais quente e o segundo mês mais frio e assim por diante, conforme aparecem as maiores e as menores temperaturas médias mensais, respectivamente. Após fecharem os doze meses, repete-se a seqüência dos meses, porém invertendo-se o sentido de análise, ou seja, onde é quente passa a ser frio e vice-versa. Com isso, os anos que apresentarem temperaturas médias mensais extremas (mais altas ou mais baixas) poderão ser eliminados de acordo com o procedimento. As temperaturas médias mensais, para cada ano do período de registros disponível, são calculadas e examinadas de acordo com a seqüência listada. O ano com o mês mais quente é anotado. Depois, o ano que contém o mês mais frio. O processo continua, anotando-se os anos nos quais ocorrem os extremos. Estes anos são, então, eliminados e o procedimento é repetido até restar somente um (GOULART et al, 1998, p.7). A vantagem de utilizar um desses ANOS CLIMÁTICOS TÍPICOS, é que uma grande parte dos códigos de simulação apresenta a capacidade de utilizá-los diretamente, se o seu conteúdo estiver disponível na forma de um arquivo digital.

14 Outra opção, é partir de um grande número de valores históricos para criar um DIA TEÓRICO TÍPICO, representativo das condições médias e mais prováveis para cada época do ano (normalmente, para cada mês). Uma vantagem dessa abordagem é que ela pode ser realizada sem que os dados estejam consolidados para todo o período. Esses dias teóricos são denominados DIAS TÍPICOS DE PROJETO, e são uma ferramenta muito utilizada na simulação de edificações em que se deseja apenas verificar o comportamento das mesmas diante de condições diferenciadas, como, por exemplo, um dia de inverno e outro verão. É também com base nas características desses dias típicos que geralmente projetos são elaborados para avaliar o conforto térmico ambiental. Em conseqüência do exposto, a abordagem utilizada neste trabalho foi a do DIA TÍPICO. Nas simulações, considerou-se o prédio situado na cidade do Rio de Janeiro. A metodologia para geração de um dia típico pode variar segundo diversos autores. Goulart (1998) comparou algumas delas e concluiu que a desenvolvida por Sattler (1989) é mais recomendável por resultar em dias típicos apresentando: i) valores para amplitude de temperatura mais próxima da amplitude média; ii) valores dentro de uma faixa de maior freqüência de ocorrência. Ainda segundo o mesmo autor, detalhadamente, o procedimento para a criação de um dia típico é o seguinte: 118 Em primeiro lugar, para cada um dos dias do período de dados disponíveis, é calculada a temperatura média diária, as quais são ordenadas, em ordem crescente. São encontradas, então, o conjunto de dias de temperaturas médias mais elevadas, caracterizando, aproximadamente, 15% do número total de dias. Da mesma forma, são selecionados os dias de temperaturas médias mais baixas no período. Os dias encontrados correspondem aos períodos quente e frio, respectivamente. Deste conjunto, são verificadas as datas limites, a fim de determinar-se a abrangência dos períodos quentes e frios. Os dias incluídos no período quente, denomina-se dias quentes e aqueles incluídos no período frio são chamados dias frios. Depois de reordenadas as temperaturas médias correspondentes aos dias dos períodos definidos acima, são determinados os níveis de 1%; 2,5%; 5% e 10% tanto para os dias quentes, como para os dias frios. Portanto, o nível de 2,5%, relativo a dias quentes, por exemplo, caracteriza o dia cuja temperatura média é excedida somente por 2,5% do total de dias quentes. Para cada nível, são selecionados os dias cujas temperaturas médias se situam imediatamente acima e abaixo da temperatura média do dia de

15 119 referência e dentro de um intervalo representando 1% do número de dias do conjunto. Como a metodologia trabalha com um dia teórico, são calculadas as médias horárias das características dos dias situados nestes intervalos, para cada nível, definindo-se, assim, os dias típicos de verão e dias típicos de inverno (GOULART et al, 1998, p.11). Seguindo esses procedimentos, obtêm-se valores horários para: temperatura de bulbo seco, umidade relativa, nebulosidade (ou radiação solar), direção do vento e velocidade do vento. Cada dia típico apresenta ainda uma data de referência, data esta que é utilizada, no caso do sistema TRNSYS, como base para alguns cálculos da simulação. Por exemplo, os valores da radiação solar incidente nos diferentes planos externos da edificação são calculados pelo Type16, a partir dos valores da radiação solar total incidente sobre uma superfície externa horizontal, que variam conforme o dia do ano considerado. Assim, é primordial conhecer a data de referência dos dados climáticos. Segundo a metodologia para geração do dia típico de projeto, esta data deve ser definida pelo cálculo das declinações solares, ou seja, corresponde ao dia cuja declinação solar mais se aproxime da média das declinações solares dos dias considerados na definição dos dias típicos (GOULART, 1998). Para o mês de fevereiro, é o décimo sétimo dia, e para o mês de agosto, o décimo quinto. No presente estudo, os valores para a radiação solar sobre o plano horizontal exterior são obtidos, por sua vez, segundo o modelo de Dogniaux (1985), incluído no software NATLITE e descrito, detalhadamente, no capítulo 3. Esses dados são, portanto, resultado de uma simulação de radiação solar para o dia de referência (17 de fevereiro). A utilização desses dados simulados para a geração do DIA TÍPICO DE PROJETO garante a consistência de resultados entre as simulações térmicas e as simulações de luz natural, já que neste caso, a mesma base de dados para a radiação solar foi utilizada. Para as temperaturas de bulbo seco, umidade relativa e velocidade dos ventos no Rio de Janeiro, foram utilizados os valores apresentados por Goulart et al (1998), obtidos da Estação Meteorológica de Número Sinóptico (para o período de 1961 a 1970). Em relação à direção dos ventos, entretanto, o autor não as apresenta quando a velocidade é muito pequena, por considerar esses casos como condições de ar calmo. Contudo, para a execução dos cálculos das vazões de ar na edificação, o software AEOLUS necessita desses valores a cada passo de tempo.

16 120 Portanto, foi necessário realizar uma análise das direções do vento associando valores com baixas velocidades às horas de vento calmo, baseado nas freqüências de ocorrência mensais. Gerou-se, desta maneira, assim um perfil horário completo para o dia típico. De acordo com esta abordagem estabeleceu-se um DIA TÍPICO DE VERÃO para a cidade do Rio de Janeiro, cujos valores são apresentados a seguir, tendo como data de referência o dia 17 de fevereiro (tabela 5.4). Na tabela estão listados os valores horários da radiação solar total sobre superfície horizontal (R.Solar), temperatura de bulbo seco (TBS), umidade relativa (UR), velocidade dos ventos (VV) e direção dos ventos (DV) para o dia típico de verão. A direção do vento é expressa em graus no sentido horário em relação ao norte verdadeiro. Os dados são apresentados também em forma de gráficos, para melhor visualização das evoluções horárias de todos os parâmetros climáticos adotados. Tabela 5.4 Valores horários para o Dia Típico de Verão da cidade do Rio de Janeiro Período de Verão - Data de Referência: 17 de Fevereiro Hora R. Solar T.B.S. U.R. V.V. D.V. (kj/h.m2) ( C) (%) (m/s) (graus)

17 Graus Centígrados Gráfico 5.1 Evolução horária da Temperatura de Bulbo Seco (Dia Típico de Verão) hora Porcentagem Gráfico 5.2 Evolução horária da Umidade Relativa do Ar (Dia Típico de Verão) hora m/s Gráfico 5.3 Evolução horária da Velocidade do Vento (Dia Típico de Verão) hora

18 Graus Gráfico 5.4 Evolução horária da Direção do Vento (Dia Típico de Verão) hora KJ/h.m Gráfico 5.5 Valores horários da Radiação Solar Total sobre Superfície Horizontal (Dia Típico de Verão) hora Para a execução de simulações considerando o período de inverno, um outro DIA TÍPICO DE PROJETO foi elaborado seguindo os mesmos procedimentos utilizados para o período de verão. A tabela 5.5 apresenta os valores correspondentes para o dia de referência de 15 de agosto, constituindo o DIA TÍPICO DE INVERNO para a cidade do Rio de janeiro.

19 123 Tabela 5.5 Valores horários para o Dia Típico de Inverno da cidade do Rio de Janeiro 5.4 O Modelo de Ocupação e Utilização Os prédios de escritórios apresentam um perfil de ocupação humana e um perfil de utilização de equipamentos bastante distintos das edificações residenciais. De uma maneira geral, esta ocupação ocorre em grande parte durante o período comercial, principalmente diurno. Considerou-se neste trabalho que uma ocupação típica para este tipo de edificação segue o perfil apresentado no gráfico 5.6. Prevê-se que a ocupação se inicia a partir das 6 horas, atingindo gradualmente o máximo às 10 horas da manhã, e permanecendo neste nível até o meio-dia. Então, a ocupação diminui pela metade devido ao período de almoço, retornando ao máximo novamente às 14 horas e aí permanecendo até as 17 horas. Nesse horário, o prédio começa a se esvaziar, estando totalmente desocupado às 20 horas. Apresenta-se portanto valores para a ocupação não-nula dos ambientes entre as 7 e 19 horas. Este

20 perfil horário é dado em porcentagem do número total de usuários do prédio, ou seja, possui um caráter descritivo da ocupação Porcentagem hora Gráfico 5.6 Perfil horário de Ocupação da Edificação Os valores absolutos da ocupação são calculados por sua vez, multiplicandose o número máximo de pessoas exercendo atividades em cada um dos ambientes pela porcentagem obtida no perfil horário. Esse número máximo de pessoas representa, portanto, a ocupação de cada ambiente quando a porcentagem de ocupação é de 100%. Ressalta-se que, para todos os valores calculados desta forma, os resultados obtidos foram considerados como uma média para o período de 60 minutos. Deve-se levar em conta ainda, para efeito da qualidade do ar interior, qual a porcentagem de fumantes entre esses usuários. Para a cidade do Rio de Janeiro, existe um decreto municipal que proíbe o fumo em locais fechados de uso coletivo, o que resulta em melhores condições ambientais em termos da qualidade do ar. Entretanto, considerou-se, em termos conservativos, os seguintes números de pessoas (fumantes e não-fumantes) em cada uma das zonas (ver figura 5.7): Zona 1 Conjunto de 3 salas = Zona 2 Conjunto de 3 salas = 4 pessoas, dos quais 50% fumantes 4 pessoas, dos quais 50% fumantes

21 125 Zona 3 Corredor/Circulação = 2 pessoas, dos quais 50% fumantes Zona 4 Caixa da Escada = Zona 5 Banheiros = Zona 6 Elevadores = 1 pessoa, dos quais 10% fumantes 1 pessoa, dos quais 10% fumantes Desocupado Exemplificando, para o horário das 9 horas da manhã (ocupação de 50%), o número médio de pessoas no prédio, por um período de uma hora, seria de 2 indivíduos em cada uma das zonas de salas (sendo uma pessoa fumante e outra não fumante), um indivíduo no corredor e 0,5 pessoa no banheiro e na escada. Este valor não-inteiro pode ser compreendido como a presença de uma pessoa no ambiente por um período de meia hora ou de duas pessoas por um período de 15 minutos, e assim por diante. Com desses dados, foi possível estabelecer as cargas térmicas e de poluição olfativa devido à presença de pessoas na edificação e as cargas térmicas devido a equipamentos de escritório. O cálculo da carga térmica devido às pessoas depende do tipo de atividade que é exercida nos ambientes. Considerou-se os valores prescritos pela ISO 7730 para o trabalho em escritórios, que é de 75W (calor sensível) por pessoa. Além disso, como foi visto no capítulo 2, uma atividade deste tipo gera uma carga de poluição olfativa de 1 olf para cada pessoa não-fumante e 15 olf para cada pessoa fumante. Em termos de equipamentos existentes nos ambientes, adotou-se um perfil de utilização baseado no perfil de ocupação, porém um pouco simplificado, em que se supôs que os equipamentos são ligados às 7 horas da manhã e desligados às 19 horas. Foram considerados como equipamentos relevantes às atividades de trabalho, 2 computadores para cada um dos conjuntos de salas (zonas 1 e 2) e uma carga térmica devido à iluminação artificial daqueles ambientes. Para cada um dos computadores, considerou-se uma carga de 230W e para os equipamentos de iluminação, 10W/m 2 de superfície de piso.

22 Objetivos das Simulações De posse de um modelo numérico descritivo da edificação, de um modelo para o clima e um modelo de ocupação/utilização do prédio, pode-se realizar uma série de simulações de modo a se obter resultados que venham a fornecer indicações de como o prédio poderá se comportar. Obtidos esses resultados, procurou-se analisá-los e depois agregá-los na forma de algumas REGRAS INTELIGENTES, que representam uma tentativa de descrever em algumas curvas, as tendências dos comportamentos segundo alguns parâmetros da edificação. As REGRAS INTELIGENTES são, assim, funções que relacionam alguma característica da edificação com alguma resposta comportamental do prédio, como consumo de energia ou conforto. Em termos de projeto, essas respostas representam o desempenho do prédio diante de um determinado critério. Para este estudo, o objetivo final das simulações é, portanto, a obtenção dessas curvas de tendência. Para isso, deve-se realizar as simulações de tal modo que os resultados possam ser úteis para este fim. A abordagem possível para alcançar esses objetivos é construir as simulações através de um estudo paramétrico sobre o modelo virtual da edificação representativa da tipologia selecionada. Elaborou-se, então, grupos de simulações de tal modo que em cada grupo foi considerada apenas a variação de um único parâmetro (por exemplo, orientação do prédio), mantendo-se todos os outros parâmetros constantes. Entretanto, para isolar a importância do parâmetro escolhido (no exemplo, a orientação do prédio), é necessário considerar as outras possíveis combinações de valores para cada um dos outros parâmetros. O número destas combinações depende do número de parâmetros e do número de passos utilizados na variação de cada um deles. Neste trabalho, considerou-se os seguintes parâmetros e suas respectivas variações: 1) orientação do prédio: 8 variações, ou seja, orientação de 0 a 315 graus em relação ao norte geográfico, com um passo de 45 graus (0, 45, 90, 135, 180, 225, 270, 315 graus); 2) direção do vento: 8 variações, ou seja, vento incidindo em relação à normal da fachada do prédio entre 0 a 315 graus, com um passo de 45 graus;

23 3) área das janelas: 6 variações, ou seja, porcentagem da área das janelas em relação à área da fachada entre 20 e 70 %, com passo de 10% (20, 30, 40, 50, 60 e 70%); 4) nível de sombreamento das janelas (fator de sombreamento do dispositivo de proteção solar): 3 variações, entre 0% e 50%, com passo de 25% (0, 25 e 50%); 5) climatização: presente ou ausente, ou seja, prédio ventilado via meios naturais ou dotado de equipamentos mecânicos de condicionamento ambiental. Para o caso de aeração natural, considera-se as janelas dos escritórios abertas durante todo o período de 24 horas e para o caso de climatização mecânica, ao contrário, as aberturas permanecem sempre fechadas. 127 Esses 5 parâmetros foram escolhidos pois fazem parte dos únicos possíveis de serem conhecidos na fase de anteprojeto, como foi descrito no capítulo 1. Também nesse capítulo foram enumerados os critérios de desempenho adotados, em número de cinco: consumo energético da edificação; conforto térmico dos ocupantes; quantidade de luz natural nos ambientes; conforto visual dos ocupantes e qualidade de ar nos ambientes. Cada grupo de simulações visa, portanto, determinar o desempenho da edificação face a cada um destes cinco critérios. O número total de simulações necessárias para determinação dos desempenhos do prédio em relação a todos os critérios, é obtido através de todas as combinações possíveis de valores para cada um dos parâmetros. Seu valor é calculado através da multiplicação dos números de variações individuais de cada parâmetro, ou seja: 8 x 8 x 6 x 3 x 2 (ORIENTAÇÕES x DIREÇÕES DO VENTO x ÁREAS DAS JANELAS x FATORES DE SOMBREAMENTO x TIPOS DE CLIMATIZAÇÃO) = 2304 combinações Depois de obter os resultados de todas estas simulações, pode-se isolar a influência de cada um dos cinco parâmetros sobre qualquer um dos cinco critérios. Na prática, as regras inteligentes que podem ser obtidas com a análise de todas estas simulações, tomam a forma de 32 curvas, sendo: 8 curvas para o consumo

24 energético, 8 para o conforto térmico, 6 para a quantidade de luz natural, 6 para o conforto visual e 4 para a qualidade do ar interior, conforme descrito a seguir Descrição das Regras Inteligentes Estabeleceu-se como objetivo das simulações, a determinação de REGRAS INTELIGENTES que descrevem os comportamentos da edificação-modelo e que podem ser utilizadas para auxílio à concepção de um prédio, desde que este possua características gerais similares ao modelo. A seguir são descritas, detalhadamente, essas REGRAS INTELIGENTES que podem ser obtidas considerando os cinco critérios e os cinco parâmetros escolhidos e a maneira de obter os resultados necessários para sua determinação com as ferramentas de simulação disponíveis. Enumera-se as regras inteligentes segundo cada um dos critérios. Cada item representa, em relação ao critério, o comportamento do prédio em função de um parâmetro de projeto. 1) Em relação ao critério consumo energético da edificação: a energia necessária para climatizar os escritórios em função da orientação do prédio; a energia necessária para climatizar os escritórios em função da direção do vento incidente; a energia necessária para climatizar os escritórios em função da área das janelas; a energia necessária para climatizar os escritórios em função do nível de sombreamento das janelas; O cálculo da energia requerida de climatização é realizado automaticamente pelo software TRNSYS, a cada passo de tempo da simulação, se as condições de conforto térmico não forem atendidas. Considera-se, assim, que o sistema de climatização seja ligado automaticamente com a potência mínima para o restabelecimento das condições de conforto e desligado se não for necessário. Os valores obtidos são dados em kwh, integrados para o período das 6 às 19 horas de um único DIA TÍPICO DE PROJETO. No caso de não ser considerada a existência de

25 equipamentos mecânicos de climatização, ou seja, um prédio aerado naturalmente (janelas abertas), o valor desta energia é zero. Isso representa ausência de consumo de energia para climatização, o que é desejável. Entretanto, o conforto térmico pode não ser alcançado nessas condições ) Em relação ao critério conforto térmico dos ocupantes: o percentual médio de pessoas insatisfeitas (PPD) nos escritórios em função da orientação do prédio; o percentual médio de pessoas insatisfeitas (PPD) nos escritórios em função da direção do vento incidente; o percentual médio de pessoas insatisfeitas (PPD) nos escritórios em função da área das janelas; o percentual médio de pessoas insatisfeitas (PPD) nos escritórios em função do nível de sombreamento das janelas; Como foi visto no capítulo 2, o limite aceitável para o conforto térmico está relacionado à um PPD de 10%. Por isso, a determinação do conforto térmico é feita pelo valor médio calculado entre as 6 e 19 horas de um único DIA TÍPICO DE PROJETO, considerando neste cálculo somente os valores horários dos PPD que excedem o limite de 10% estabelecido. Ao contrário da energia consumida com climatização, considerar a existência de ar-condicionado zera o valor dessa variável para qualquer condição de projeto (PPD = 0%), pois, obviamente, é esta a função dos equipamentos mecânicos de climatização. Neste caso, o conforto térmico é sempre ideal, mas representa um aumento do consumo de energia para climatização artificial do ambiente. 3) Em relação ao critério quantidade de luz natural nos ambientes: a porcentagem de luz natural utilizável em função da orientação do prédio; a porcentagem de luz natural utilizável em função da área das janelas; a porcentagem de luz natural utilizável em função do nível de sombreamento das janelas;

26 130 O cálculo da porcentagem de luz natural que pode ser utilizada é realizada pelo software NATLITE, considerando a abordagem descrita no capítulo 3 (item 3.7). Representa, percentualmente, a energia elétrica não-utilizada pelos equipamentos de iluminação artificial, equipamentos estes necessários à manutenção dos níveis de iluminação mínimos para a realização das tarefas nos ambientes de escritório. A porcentagem é calculada em relação ao total de energia consumido com o uso das luminárias permanentemente acesas. Considera-se nos cálculos o período das 6 às 18 horas. 4) Em relação ao critério conforto visual dos ocupantes: o potencial de ocorrência de ofuscamento nos escritórios em função da orientação do prédio; o potencial de ocorrência de ofuscamento nos escritórios em função da área das janelas; o potencial de ocorrência de ofuscamento nos escritórios em função do nível de sombreamento das janelas; A determinação do grau de conforto visual na sala é realizada pelo software NATLITE, em termos da porcentagem de superfície da sala que apresenta pontos ultrapassando o índice limite de ofuscamento adotado para o ambiente, a cada passo de tempo. Obtidas essas porcentagens, calcula-se, então, uma porcentagem média para o período de 6 às 18 horas. Adotou-se, portanto, um critério representativo do POTENCIAL de desconforto lumínico a que o usuário está exposto, pois em última análise, este poderá ou não estar num local dentro do ambiente que apresente tais condições. 5) Em relação ao critério qualidade do ar interior: percentual médio de pessoas insatisfeitas (PPD) nos escritórios em função da direção do vento incidente;

27 131 percentual médio de pessoas insatisfeitas (PPD) nos escritórios em função da área das janelas; Da mesma forma como foi feito em relação ao critério de conforto térmico do ocupantes, considerou-se o limite aceitável para uma boa qualidade do ar interior, um PPD de 10%. Determinou-se a qualidade do ar pelo valor médio dos PPD calculados entre as 6 e 19 horas de um único DIA TÍPICO DE PROJETO, considerando somente os valores horários que excedem o limite de 10% estabelecido. Esse cálculo é realizado pelo software TRNSYS, através do módulo de ventilação natural desenvolvido no escopo da pesquisa, AEOLUS/ExtDLL. 5.7 Determinação das Regras Inteligentes A busca pela determinação das REGRAS INTELIGENTES representa a procura por tendências de comportamento da edificação que independam dos valores absolutos obtidos para esse comportamento. Em outras palavras, deseja-se compreender como a variação de um certo parâmetro irá refletir no desempenho do prédio frente a um critério qualquer escolhido, seja quais forem os valores considerados para todos os outros parâmetros da edificação. Repetindo esse procedimento para todos os parâmetros, obtêm-se as tendências de comportamento dos ambientes do imóvel em relação a cada um deles, para todos os critérios desejados. A melhor maneira para se proceder à determinação de regras desse tipo é normalizar os resultados das simulações, de tal modo que a relevância do valores absolutos seja eliminada. Essa normalização é realizada estabelecendo um valor de referência para um determinado comportamento e, depois, dividindo-se os valores encontrados nas simulações para esse comportamento pelo valor de referência adotado. A escolha do valor de referência é importante, pois ajuda, após a determinação das regras de tendência, a obter algumas informações sobre o comportamento da edificação. Assim, se o valor de referência escolhido for o valor máximo encontrado para um determinado comportamento, todos os outros valores

28 normalizados fornecem o desempenho relativo a esse máximo, o que pode ser muito útil. Por exemplo, no estudo da influência das ÁREAS DAS JANELAS na QUANTIDADE DE LUZ NATURAL utilizável, se o valor normalizado de uma solução arquitetônica qualquer for de 0.5, retira-se, imediatamente, a informação que essa solução apresenta um desempenho 50% inferior ao máximo encontrado no conjunto de simulações em que se considerou todas as variações das áreas de janela. Isso transforma as curvas de comportamento normalizadas em um importante instrumento para estabelecimento de estratégias de projeto. Uma outra vantagem de se normalizar pelo valor máximo, é que, para um mesmo critério, os valores máximos normalizados das muitas curvas obtidas (referentes às variações de diversos parâmetros) representam, conjuntamente, a solução arquitetônica apresentando o melhor desempenho. Seguindo o esquema exposto acima, sintetiza-se o processo de determinação das 16 curvas (ou REGRAS INTELIGENTES) listadas no item 5.6 da seguinte forma (ver figura 5.11): escolhe-se um determinado parâmetro e um certo critério; 2. monta-se uma tabela em que cada linha contenha os valores obtidos nas simulações para as diversas variações do parâmetro; 3. para cada linha da tabela, toma-se o valor máximo e normaliza-se todos os outros resultados em relação a ele; 4. ajusta-se uma curva aos valores normalizados de todas as linhas da tabela, em relação às variações do parâmetro; Figura 5.11 Esquema de determinação das Regras Inteligentes

29 De posse dessas curvas, pode-se então implementar um código computacional que é capaz de estabelecer índices de desempenho para cada um dos cinco critérios adotados Determinação de Estratégias de Projeto Através de Simulações Independentemente dos estudos paramétricos realizados para determinação das REGRAS INTELIGENTES, outras simulações da edificação-modelo podem ser executadas visando elaborar algumas boas estratégias de projeto levando-se em conta o desempenho energético do prédio e o conforto térmico e lumínico para o usuário. Inicialmente, pode-se verificar o efeito das propriedades térmicas das paredes na evolução das temperaturas internas dos ambientes e, portanto, das condições de conforto térmico dos ocupantes. Para isso, toma-se algumas alternativas de projeto para a edificação-modelo e, mantendo-se todos os parâmetros de projeto fixos (área de janelas, condições de vento, dia da simulação, etc.), executam-se simulações com duas ou mais composições de paredes distintas, apresentando diferentes graus de inércia térmica e amortecimento das temperaturas internas no prédio em relação às temperaturas exteriores. A análise das variações das condições de conforto e do consumo energético para climatização, fornece uma estratégia global em termos do uso de materiais de construção no envelope da edificação. Finalmente, pode-se realizar simulações de algumas alternativas de projeto para os dois DIAS TÍPICOS DE PROJETO (verão e inverno) descritos no item 5.3. A análise das variações das condições de conforto e do consumo energético fornecem uma idéia ao projetista se as estratégias determinadas pelas REGRAS INTELIGENTES (elaboradas para o período de verão) se aplicam também ao período de inverno. Em resumo, os resultados das simulações descritas determinam: i) qual tipo de fechamento (em termos de materiais) se adequa melhor ao clima tropical úmido; ii) quais as diferenças gerais de comportamento da edificação entre o período de verão e inverno para o tipo climático considerado.