O EFEITO DA CAPACIDADE TÉRMICA E DA RESISTÊNCIA TÉRMICA DE PAREDES NO DESEMPENHO TÉRMICO DE HABITAÇÃO NA CIDADE DE SÃO PAULO

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1 O EFEITO DA CAPACIDADE TÉRMICA E DA RESISTÊNCIA TÉRMICA DE PAREDES NO DESEMPENHO TÉRMICO DE HABITAÇÃO NA CIDADE DE SÃO PAULO Maria Akutsu (1) ; Adriana Camargo de Brito (1), Clarice Poubel Chieppe (2) (1) Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT, akutsuma@ipt.br; adrianab@ipt.br (2) Mestrado Profissional em Habitação - IPT, clarice@usearquitetura.com.br Resumo Este artigo apresenta os resultados de um estudo desenvolvido com o objetivo de elucidar como as propriedades térmicas dos materiais empregados nas paredes de uma edificação, caracterizadas pela resistência e pela capacidade térmica, afetam a sua inércia térmica. Dessa forma, foram considerados dois materiais básicos, o poliestireno epandido e o concreto, compondo elementos que representam respectivamente, elementos com alta resistência térmica e elementos com alta capacidade térmica. Foram efetuadas simulações computacionais para verificação do comportamento térmico de uma habitação térrea, com a utilização do software EnergyPlus, considerando-se os dados climáticos do dia típicode verão da cidade de São Paulo. Os resultados indicam a relevância dos valores da capacidade térmica e da resistência térmica como indicadores da inércia térmica da edificação. Palavras-chave: Inércia térmica, Desempenho térmico, Eficiência energética. Abstract This paper presents contributions to elucidate how the thermal properties of materials used on the walls of a building, characterized by resistance and thermal capacity, affect its thermal inertia, in order to assist designers in choosing the appropriate materials and construction systems. Thus, we considered two basic materials, epanded polystyrene and concrete, representing respectively, high thermal resistance elements and high thermal capacity elements. Computer simulations were performed to verify the thermal behavior of a single storey dwelling in the design phase, using EnergyPlus software. We considered the climatic data of the summer design day, in the city of São Paulo. The results indicated the importance of the values of thermal capacity and thermal resistance as indicators of thermal inertia. Keywords: Thermal inertia, Thermal performance, Energy efficiency. 1. INTRODUÇÃO A inércia térmica tem sido utilizada milenarmente como estratégia de condicionamento passivo de edifícios visando a obtenção de condições térmicas adequadas ao ser humano, em especial, em locais com alta amplitude da temperatura do ar. Edifícios com alta inércia térmica geralmente possuem componentes construtivos com alta capacidade térmica, com o uso de materiais com valores elevados de calor específico e massa específica, bem como grandes espesuras. Entretanto, há outros fatores que interferem na inércia térmica de um edifício, dos quais destaca-se a presença de isolantes térmicos e sua posição nos elementos construtivos. Atualmente, diante das crescentes preocupações ambientais, este conceito vem sendo retomado por projetistas, tornando-se também objeto de estudo de diversos pesquisadores (ASTE et al., 2007; BRITO et al., 2011; BRITO et al., 2011b; DI PERNA et al., 2011). Mesmo a inércia térmica tendo grande potencial para contribuir para a melhoria do

2 desempenho térmico de edifícios, o conceito não tem sido utilizado no projeto de edifícios atuais com frequência. Ao contrário, há uma forte tendência de uso de elementos leves, geralmente pré-fabricados, na envoltória dos edifícios, priorizando questões relacionadas à racionalidade construtiva e à diminuição de cargas nas fundações dos edifícios, muitas vezes incorporando materiais isolantes térmicos com o intuito de aumentar a sua resistência térmica e assim, melhorar o seu desempenho térmico. Sabe-se, no entanto, que somente a resistência térmica das paredes de uma edificação não caracteriza completamente o seu comportamento térmico: há a necessidade de se considerar também a sua capacidade térmica (AKUTSU, 1998, 1999). Neste sentido, a mera aplicação de materiais isolantes témicos em uma parede, aumentando-se a sua resistência térmica, sem considerar a consequente alteração da sua capacidade térmica, pode piorar o seu desempenho témico. O objetivo deste artigo é evidenciar a influência das propriedades térmicas dos materiais empregados nas paredes de uma habitação, caracterizadas pela capacidade térmica e pela resistência térmica, na inércia térmica da edificação. 2. MÉTODO Foram realizadas simulações computacionais de uma habitação térrea, apresentada na Figura 1 (CDHU, 1997), em fase de projeto, utilizando-seo software EnergyPlus (USDOE, 2010), que determina o comportamento térmico de edificações sob condições dinâmicas de eposição ao clima. Foram considerados os dados climáticos dos dias típicos de verão da cidade de São Paulo, que faz parte da Zona Bioclimática 3 (ABNT, 2005). A edificação foi posicionada de tal maneira que o Dormitório 2 apresentasse duas paredes epostas à radiação solar direta, com a janela voltada para Oeste. Foram analisados os resultados referentes a este dormitório por serem mais críticos que os da sala, e portanto, determinantes do desempenho térmico da edificação, devido à sua maior proporção de área envidraçada em relação à área do piso. As simulações foram realizadas considerando-se as janelas sem sombreamento, com ventilação dos ambientes a uma taa de 1 Ren/h (uma renovação do volume de ar do ambiente por hora). Esta taa ocorre normalmente por infiltração em habitações típicas brasileiras, com portas e janelas fechadas. A título conceitual, foram considerados dois materiais para as paredes da edificação, poliestireno epandido e concreto, compondo elementos com alta resistência térmica e elementos com alta capacidade térmica, respectivamente, e algumas combinações entre estes dois materiais, resultando em 16 tipos de paredes, apresentados no Quadro 1, indicados por letras de A a P. Com o objetivo de se verificar a influência da isolação térmica da cobertura, foram definidos ainda, dois tipos diferentes de cobertura: uma composta por telhado em telhas de fibrocimento com espessura de 6 mm, com forro em laje horizontal de concreto, com espessura de 10 cm, e outra, considerando esta cobertura com uma camada de 5 cm de poliestireno epandido sobre a laje, resultando, portanto, em 32 alternativas de combinações entre paredes e coberturas. As características térmicas do concreto e do poliestireno epandido, estão apresentadas no Quadro 2. Os valores da resistência térmica e da capacidade térmica das 16 alternativas de paredes consideradas nas análises são apresentados no Quadro 3. Observe-se que a determinação da capacidade térmica das alternativas de paredes com isolantes térmicos foi feita conforme procedimento apresentado na Norma NBR (ANBT, 2010): No caso de paredes que tenham na sua composição materiais isolantes térmicos de condutividade térmica menor ou igual a 0,065 W/(m.K) e resistência térmica maior que 0,5 (m 2.K/W), o cálculo da capacidade térmica deve ser feito desprezando-se todos os materiais voltados para o ambiente eterno, posicionados a partir do isolante ou espaço de ar.

3 Os resultados das simulações computacionais foram analisados tendo como base a comparação entre os perfis de variação da temperatura do ar eterior e da temperatura do ar interior do recinto considerado, ao longo do dia típico de verão, para as várias combinações de tipos de paredes e de coberturas. Considerando-se que o perfil de variação da temperatura do ar interior representa a resposta térmica da edificação eposta ao comportamento apresentado pelo perfil de variação da temperatura do ar eterior, pode-se caracterizar a inércia térmica de um recinto comparando-se o comportamento da temperatura do ar interior e eterior ao longo de um dia: quanto mais atenuada a amplitude da temperatura do ar interior em relaçao à amplitude da temperatura do ar eterior maior é a inércia térmica do ambiente. Quadro 1 Características das paredes, indicadas pelas letras A a N, combinadas com cobertura com isolante térmico (1 a 16) e sem isolante térmico (17 a 32). Descrição A Concreto maciço com espessura de 1 cm B Concreto maciço com espessura de 2 cm C Concreto maciço com espessura de 5 cm Concreto maciço com espessura de 10 D cm Concreto maciço com espessura de 15 E cm Concreto maciço com espessura de 20 F cm Poliestireno epandido com espessura G de 1 cm Poliestireno epandido com espessura H de 2 cm Poliestireno epandido com espessura I de 5 cm Poliestireno epandido com espessura J de 10 cm Poliestireno epandido com espessura K de 15 cm Poliestireno epandido com espessura L de 20 cm Painel duplo de concreto com espessura M de 5 cm e espaçamento de 5 cm entre os painéis Painel duplo de concreto com espessura N de 5 cm e espaço interno de 5 cm preenchido com poliestireno epandido Mesma constituição da parede M, O com 5 cm de poliestireno epandido na face interna Mesma constituição da parede M, P com 5 cm de poliestireno epandido na face eterna

4 Figura 1 Projeto arquitetônico da habitação considerada nas simulações, sem escala Quadro 2 Propriedades térmicas dos materiais utilizados nas simulações (ABNT, 2005). Material Condutividade térmica(w/m.k) Massa específica (kg/m³) Calor específico(kj/kg.k) Concreto Poliestireno epandido Parede Quadro 3 Valores da resistência térmica e da capacidade térmica das paredes. Composição Espessura total (m) R (Resistência térmica) (m².k/w) C (Capacidade térmica) (KJ/m².K) ,01 0, ,02 0, ,05 0, Concreto Maciço ,10 0, ,15 0, ,20 0, ,01 0,25 0, ,02 0,50 0, ,05 1,25 1,42 Poliestireno Epandido ,10 2,50 2, ,15 3,75 4, ,20 5,00 5, Painel duplo de concreto 0,15 0, Painel duplo de concreto, com isolante no interior 0,15 1, Painel duplo de concreto, com isolante na face interna 0,20 1, Painel duplo de concreto, com isolante na face eterna 0,20 1,31 240

5 Temperatura do ar ( o C) 3. ANÁLISE DOS RESULTADOS O gráfico apresentado na Figura 2 indica as temperaturas máimas e mínimas diárias do ar interior de cada uma das 32 alternativas de edificação consideradas, bem como do ar eterior no dia típico de verão, na Cidade de São Paulo. Figura 2 Temperaturas máimas e mínimas do ar eterior e do ar interior, por tipologia construtiva, no dia típico de verão da Cidade de São Paulo Temp. máima do ar eterior Temp. mínima do ar eterior A comparação entre as amplitudes diárias da temperatura do ar interior da edificação com as diferentes tipologias, apresentadas na Figura 2, tendo em vista as propriedades térmicas das paredes, apresentadas no Quadro 3, indica que: a) As tipologias 1 a 16, com isolante térmico na cobertura, apresentam amplitudes diárias significativamente menores que as das respectivas tipologias, 17 a 32, sem isolante térmico na cobertura; b) A amplitude diária para as tipologias 1 a 6 e 17 a 22, com paredes de concreto maciço, decresce com o aumento da espessura. Neste caso, a capacidade térmica aumenta proporcionalmente com o aumento da espessura da parede, enquanto que a variação da resistência térmica é pouco significativa; c) A amplitude diária para as tipologias 7 a 12 e 23 a 28, com paredes de poliestireno epandido, também decresce com o aumento da espessura, porém, em proporções diferentes das observadas com a parede de concreto: o decréscimo é acentuado entre as espessuras de 1 a 5 cm, e varia de modo pouco significativo até a espessura de 20 cm. Neste caso, a resistência térmica aumenta proporcionalmente com o aumento da espessura da parede, enquanto que a variação da capacidade térmica é pouco significativa; d) Tanto a amplitude diária quanto os valores máimos diários da temperatura do ar interior são sempre significativamente maiores para as tipologias com paredes de poliestireno epandido, comparando-se com as tipologias com paredes de concreto com mesma espessura. Para as tipologias com paredes de poliestireno epandido, sem isolante térmico na cobertura, a temperatura máima do ar interior é sempre maior que a temperatura máima do ar eterior. A título de eemplo, são apresentados na Figura 3, os perfis diários da variação da temperatura do ar eterior e interior para as tipologias 20 e 26, que correspondem à edificação com paredes de concreto e de poliestireno epandido com 10 cm de espessura e cobertura sem isolante térmico;

6 Temperatura do ar (oc) Temperatura do ar (oc) e) A amplitude diária para as tipologias com paredes duplas de concreto e isolante térmico na face interna, é significativamente maior se comparada com as tipologias com paredes iguais e isolante térmico na face eterna, para a edificação com ou sem isolante térmico na cobertura. Este efeito é ilustrado na Figura 4, onde se pode observar o perfil de variação diária da temperatura do ar eterior e do ar interior das edificações com as tipologias 31 e 32; f) As tipologias 6, 14 e 16 apresentam mesma amplitude diária, embora tenham paredes diferentes, constituidas respectivamente por: 20 cm de concreto, painel duplo de concreto com isolante no interior e painel duplo de concreto com isolante na face eterna. Estes casos são eemplos típicos em que se obtém a mesma resposta térmica da edificação com paredes apresentando diferentes combinações de valores de resistência e de capacidade térmica. Figura 3 Temperatura horária do ar eterior e do ar interior, no dia típico de verão da Cidade de São Paulo, com emprego das tipologias 20 e Horário (h) Eterior Figura 4 Temperatura horária do ar eterior e do ar interior, no dia típico de verão da Cidade de São Paulo, com emprego das tipologias 31 e Horário (h) Eterior 31 32

7 4. CONCLUSÃO As análises realizadas considerando-se as condições climáticas da cidade de São Paulo, com amplitude de variação diária da tempertura do ar da ordem de 10º C, evidenciam a importância da inércia térmica da edificação para se conseguir uma atenuação da amplitude de variação diária da temperatura do ar interior, tendo em vista reduzir assim, os valores máimos da temperatura do ar interior num dia típico de verão. A inércia térmica da edificação depende não somente das características térmicas das paredes, como também, da isolação térmica da cobertura. A presença de material isolante térmico na cobertura propicia aumento significativo da inércia térmica da edificação, caracterizada pela dimuição das amplitudes diárias da temperatura do ar interior. De modo geral, o aumento da capacidade térmica das paredes propicia elevação na inércia térmica da edificação, o que não ocorre com o simples aumento da resistência térmica das paredes. Entretanto, diminuições da capacidade térmica da parede podem ser compensadas com o aumento da resistência térmica em proporções que dependem também das características de isolação térmica da cobertura. REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 15220: Desempenho Térmico de Edificações. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 15575: Edifícios Habitacionais de até Cinco Pavimentos Desempenho. Rio de Janeiro, AKUTSU, M. Método para avaliação do desempenho térmico de edificações no Brasil f. Tese (Doutorado em arquitetura) - Faculdade de Arquitetura e Urbanismo, USP, São Paulo, AKUTSU, M.; VITTORINO, F. The Use of Simulation Software to Evaluate the Thermal Performance of Buildings in Brazil. In: BUILDING SIMULATION 99 - SIXTH INTERNATIONAL IBPSA CONFERENCE, 1999, Kyoto. Proceedings of Building Simulation 99 p ASTE, N.; ANGELOTTI, A.; BUZZETTI, M. The influence of the eternal walls thermal inertia on the energy performance of well insulated buildings. Energy and Buildings, n. 41, p BRITO, A. C. de; AKUTSU, M.; VITTORINO, F.; AQUILINO, M. M.; TRIBESS, A. Efeito da utilização de vedações internas leves na inércia térmica de edifício com sistema construtivo em concreto. In: ENCONTRO NACIONAL E ENCONTRO LATINO AMERICANO DE CONFORTO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 2011a, Búzios, RJ. Anais... BRITO, A. C., AKUTSU, M. & TRIBESS, A. Emprego do programa computacional EnergyPlus na análise de alternativas de projeto de habitação visando o conforto térmico do usuário. In: ENCONTRO NACIONAL E I ENCONTRO LATINO AMERICANO DE CONFORTO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 2011b, Ouro Preto, MG. Anais... COMPANHIA DE DESENVOLVIMENTO HABITACIONAL E URBANO CDHU. Caderno de Tipologias, DI PERNA, C., STAZI, F., CASALENA, A. & D'ORAZIO, M.. Influence of the internal thermal inertia of the building envelope on summertime comfort in buildings with high internal loads. Energy and Buildings, n. 43, 201, p UNITED STATES DEPARTMENT OF ENERGY. ENERGYPLUS, Energy Simulation Software Energy Efficiency and Renewable Energy Building Technologies Program. Disponível em: < Acesso em 05/05/2010.