ANÁLISE DO DESEMPENHO TERMICO DE EDIFICIO ESCOLAR ATRAVES DO PROGRAMA ENERGYPLUS Luis Fernando Malluf Sanchez Faculdade de Engenharia Civil CEATEC luis.fms1@puccampinas.edu.br Claudia Cotrim Pezzuto Faculdade de Engenharia Civil CEATEC claudiapezzuto@puc-campinas.edu.br Resumo: Atualmente tem crescido a preocupação de arquitetos e engenheiros em manter a construção ecologicamente correta após sua conclusão. Destaca-se neste ponto, a importância da relação clima e arquitetura, e a avaliação do conforto térmico nas edificações. E por este motivo a simulação computacional torna-se uma ferramenta de grande utilidade neste setor. O objetivo da presente pesquisa foi investigar a influência conjugada dos parâmetros arquitetônicos relativos ao posicionamento das aberturas e sua influencia na ventilação natural no interior destes espaços, avaliando o conforto térmico dessa edificação. Com objeto de estudo foi avaliado um edifício institucional, naturalmente ventilado. As análises foram feitas por meio da simulação computacional no programa EnergyPlus. Para tanto, foram propostos três cenários de estudo, relacionando a entrada dos ventos no ambiente analisado. Os resultados demonstraram que a fachada voltada para os ventos predominantes sudeste da região de estudo apresentou o melhor índice de conforto térmico. Palavras-chave: Desempenho térmico de edificações, simulação computacional, eficiência energética. Área do Conhecimento: Engenharias Engenharia Civil Construção Civil 1. INTRODUÇÃO Peña, Ghisi, Pereira [1] mostram que com o passar do tempo a porcentagem de consumo de energia de aparelhos condicionadores de ar vem aumentando, seja por moradias que não tenham um bom desempenho térmico, seja por um aumento na renda da população. Aliado ao fato anterior, Toledo e Rocha [2] mostram que por influencia do mercado imobiliário muitas edificações são construídas apenas com o intuito lucrativo e esquecendo-se de seu conforto térmico, como por exemplo, edificações com vários apartamentos por andar, em que muitas vezes apenas alguns apartamentos serão beneficiados pela ventilação predominante da região. Neste sentido, Figueiredo [3] afirma que uma das grandes vantagens da ventilação natural é obter conforto térmico além de renovar a qualidade do ar e, consequentemente, diminuir o consumo de energia. Entretanto, segundo Bittencourt e Lôbo [4], esta eficiência só é obtida quando uma serie de variáveis são combinadas com a intenção de proporcionar o conforto térmico. Vieira, Melem, e Barbosa [5] ressaltam que a velocidade da ventilação natural tem grande importância na questão do conforto e da eficiência. Porém, relatam em estudo que a velocidade do ar deve ser suficiente para resfriar o ambiente e não apenas transportar o calor externo para dentro da edificação. Destaca-se neste ponto, a importância da relação clima e arquitetura, e a avaliação do conforto térmico nas edificações. E por este motivo a simulação computacional torna-se uma ferramenta de grande utilidade para avaliação do conforto térmico em edificações. Segundo Trindade, Pedrini, Duarte [6], simulações computacionais tem tido uma grande importância na confecção de novos projetos e também na readequação de construções já concluídas. Diversos programas são utilizados para avaliar as questões térmicas e a eficiência energética da edificação. Dentre os programas destaca-se nesta pesquisa o programa EnergyPlus. O EnergyPlus é uma ferramenta para a modelagem de energia para a avaliação do desempenho do edifício, desenvolvida pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, que permite simular os sistemas de aquecimento, iluminação e ventilação, de forma a quantificar seu consumo de energia [7]. Figueiredo [3] apresenta um estudo para avaliar o potencial de utilização da ventilação natural em edifícios de escritórios na cidade de São Paulo, SP. Para análises realizou simulações no programa EnergyPlus e CFX. Os resultados no programa EnergyPlus possibilitaram estimar com facilidade o desempenho térmico nas diferentes orientações. As
simulações no programa CFX demonstraram mais complexidade, porém permitiram uma estimativa visual e confiável, muito útil com ferramenta de projeto. 2. OBJETIVOS A pesquisa teve principal objetivo principal avaliar o conforto térmico em um ambiente escolar por meio de simulação computacional. Para tanto, foi utilizado o programa EnergyPlus. 3. METODOLOGIA O edifício de estudo localiza-se na Pontifícia Universidade Católica de Campinas, Campus I. A edificação apresenta materiais pré-fabricados na sua construção, três pavimentos, totalizando 3.639,6 m². A envoltória da edificação é feita por blocos de concreto de 20 cm de espessura, porém, nas fachadas Norte e Sul, foi utilizado painel préfabricado de concreto de espessura de 15 cm. As aberturas são amplas, com largura igual ao vão entre os pilares da estrutura. Nas fachadas leste e oeste as aberturas são pequenas. Todos os caixilhos são de alumínio. As fachadas são pintadas na cor branco neve. As figuras 1 e 2 mostram as fachadas do edifício. Figura 1 Fachada principal da edificação Para a simulação no programa EnergyPlus é necessária a construção do modelo tridimensional do edifício. Para tanto, esta pesquisa partiu de um estudo realizado por Barbosa e Pezzuto [8] do qual foi realizada a modelagem tridimensional do edifício, a partir do Plug in Open Studio 6.0 no Software Sketch Up7. Na modelagem realizada, dividiu-se o edifício em 34 zonas térmicas. A zona térmica é definida como um volume de ar com temperatura uniforme [7]. A Figura 3 ilustra a modelagem tridimensional. Figura 3 Modelagem tridimensional. Também foi definido o arquivo climático do aeroporto de Congonhas São Paulo, devido a proximidade da cidade de Campinas e a inexistência deste arquivo para a cidade de Campinas, SP. Para as análises da influencia da ventilação natural no conforto térmico foram adotados três cenários (figura 4). Os cenários contemplaram o rotacionamento do edifício em relação ao norte verdadeiro. O primeiro cenário contempla a posição original do edifício, rotação 0 º. Os outros dois cenários foram propostos a partir da análise do vendo predominante sudeste da região de estudo [9]. Assim no segundo cenário, rotação 45º, o fluxo de ar incide perpendicular a fachada. Já no terceiro cenário, rotação 315 º, o fluxo de ar coincide com a normal da fachada. A partir dos três cenários ( 0º, 45º, 315º) foram escolhidas duas zonas, uma na fachada norte (ZN) e outra na fachada sul (ZS) para as respectivas análises. Figura 2 Fachada posterior da edificação
Figura 4. Posições simuladas do edifício 4. ANÁLISE DOS RESULTADOS Para as análises dos resultados foram consideradas a respectivas salas da fachada norte (ZN) e fachada sul (ZS), com janela fechada e aberta nos diferentes cenários (rotação 0º, 45º 315º), período do verão (mês de fevereiro). O mês de fevereiro foi selecionado pelo motivo da presença de aulas na Universidade. A média mensal do período foi considerada para as análises. A figura 5 mostra nitidamente a temperatura do ar mais elevada na sala da zona sul (ZS), comparada com a sala da zona norte (ZN) em todos os cenários. Este fato deve-se a incidência do sol de verão nesta fachada, justificado pela localização de São Paulo, latitude 23 S, arquivo climático utilizado para simulação. Ressalta-se se na sala de fachada sul (ZS) a queda brusca de temperatura, no período da temperatura máxima, proporcionada pela incidência dos ventos nesta fachada, entre a janela fechada (ZS0º fechada) e os cenários de janela aberta (ZS0º, ZS 45º ZS315º). Este fato não foi observado na fachada norte, a qual apresenta temperaturas semelhantes tanto para janela aberta e fechada. Infere-se que os ventos predominantes oriundos do quadrante sudeste proporcionaram a amenização da temperatura nas janelas abertas da sala (ZS). Para a análise do conforto térmico das salas analisadas foi considerado o voto médio estimado, simulado através do programa Conforto 2.03. As diferenças maiores ocorreram no período de verão como mostra a tabela 1. Em todos os períodos de análise verifica-se o voto médio estimado próximo ao índice de calor (+2,0) na sala da zona sul (ZS), comparado com a sala da zona norte. Este comportamento também foi confirmado ao verificar a temperatura média das salas, figura 5. Este fato justifica-se se novamente pela incidência do sol de verão nesta fachada, justificado pela localização de São Paulo, latitude 23 S. Um fato importante de ressaltar é a diferença entre os votos dos cenários referente à zona sul, quadrante dos ventos predominantes. Em relação aos ventos predominantes, estes incidem à 45º em relação à normal da fachada na zona sul (ZS) no cenário ZS0º, 0º em relação à normal da fachada no cenário ZS 315º, e 90º em relação à normal da fachada no cenário ZS 45º. Ou seja, infere-se que a melhor situação para entrada dos ventos da sala da zona sul (ZS) é o cenáriozs 315º, seguido do cenário ZS0º e ZS 45º, o qual seria a situação menos privilegiada. Os resultados demonstram este fato ao verificar que todos os votos referentes ao cenário ZS 315º apresentaram índices mais elevados, seguidos do cenário ZS0º e ZS 45º. Os dados da sala ZN em todos os cenários apresentaram valores próximos, indicando baixa influencia dos ventos predominantes, já que esta fachada está no lado oposto da entrada dos ventos.
35 Temperatura (Celsius) 30 25 20 15 10 5 0 3:00 9:00 15:00 21:00 ZN 0º Fechada ZS -0º ZS -45º Horário ZS - 315º ZS 0º Fechada ZS - 0º ZS - 45º ZS - 45º temp ext Figura 5: Temperatura do ar, cenários de estudo Período de verão, mês de fevereiro Tabela 1: Voto médio estimado, cenário de estudo. Período de Verão, mês de fevereiro. Janela Aberta Janela Fechada ZS - 0º ZS 45º ZS 315º ZN 0º ZN 45º ZN 315º ZSF 0º ZNF 0º 09:00 0,43 0,43 +1,43-0,91-0,51-0,93 1,42-0,10 12:00 +2,15 +2,01 +2,04 +0,24 0,35 0,15 +2,70 0,80 15:00 +2,40 +2,60 +2,19 0,61 0,66 0,82 +2,99 0,96 18:00-0,52-0,06-0,73-1,69-1,62-1,34 0,91-0,49 21:00-0,65-0,78-0,78-1,34-1,37-1,43 0,92 0,09 1.1 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS Com as analises realizadas, conclui-se que a ventilação natural é um recurso de grande importância para o conforto térmico de edificações podendo consequentemente ser vantajosa quanto a eficiência energética da edificação. Como se esperava a posição do rotacionamento que melhor conforto apresentaria foi a de 315º por apresentar a fachada sul perpendicular à direção do vento predominante. É importante citar a influência da insolação incidente na edificação, pois foi notória a variação de temperatura entre fachadas norte e sul. O que torna possível o estudo futuro de simulações com a aplicação de brises. Com intuito de diminuir a insolação incidente na edificação estudada. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer a FAPIC/Reitoria pelo financiamento desta pesquisa. REFERÊNCIAS [1] PEÑA, C. C.; GHISI, E.; PEREIRA, C. D. (2008) Comparação entre necessidade e disponibilidade
de vento e radiação solar. para fins de análise bioclimática de edificações em Florianópolis. Ambiente Construído, Porto Alegre, v. 8, n. 4, p. 87-101, out./dez. 2008. [2] Toledo A. M., Rocha H. (2010) Tipologias Arquitetônicas Correntes de Apartamentos em Maceió/AL: (In) Adequação ao Aproveitamento da Ventilação Natural? In:XIII ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO, Canela, RS. [3] Figueiredo, C. M. de. (2007) Ventilação Natural em Edifícios de Escritórios na Cidade de São Paulo Limites e Possibilidades do Ponto de Vista do Conforto Térmico. Dissertação (Mestrado) 221 p.. Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo - FAUUSP. São Paulo. 2007. [4] Bittencourt L. S., Lôbo D. G F.. (1999) A Influência da Localização das Aberturas na Ventilação Natural de Edificações Escolares. In:V ENCONTRO NACIONAL DE CONFORTO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO E II ENCONTRO LATINO AMERICANO DE CONFORTO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO, Fortaleza, CE. [5] Vieira, J. K.; Melem, V. M.; Barbosa, M. J..(2005) Caracterização da Ventilação Natural em Protótipos Habitacionais a Partir de Levantamento de Dados Reais. In VIII ENCONTRO NACIONAL E IV ENCONTRO LATINO-AMERICANO SOBRE CONFORTO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO, Maceió, AL. [6] Trindade, S. C.; Pedrini, A.; Duarte, R. N. C. (2010) Métodos de aplicação da simulação computacional em edifícios naturalmente ventilados no clima quente e úmido. Ambiente Construído, Porto Alegre, v. 10, n. 4, p. 37-58. [7] EERE, (2012) ENERGY EFFICIENCY AND RENAWABLE ENERGY. EnergyPlus Energy Simulation Software, U S Department of Energy, Disponível em <http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energypl us/> Acesso em 01 fev 2012 [8] Barbosa, J. D. S. Pezzuto, C. C.(2010) Análise do Desempenho Térmico da Envoltória Através da Simulação Computacional. IN: XV ENCONTRO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA - PUC- CAMPINAS, Campinas. [9] Barbano, M. T.; Brunini, O.; Pinto, H. S.. (2003) Direção Predominante do vento para a localidade de Campinas. Revista Brasileira de Agrometeorologia, Santa Maria, v. 11, n. 1, p. 123-128..