IMPORTÂNCIA DA DEFINIÇÃO DA TEMPERATURA DO SOLO PARA O PROCESSO DE SIMULAÇÃO TERMOENERGÉTICA DE EDIFICAÇÕES Liader da Silva Oliveira (1), Eduardo Grala da Cunha (2), Antônio Cesar Silveira Baptista da Silva (3), Mônica Pinto (4) (1) liader@globo.com; (2) eduardogralacunha@yahoo.com.br; (3) acsbs@uol.com.br; (4) monikinha @hotmail.com Programa de Pós Graduação em Arquitetura e Urbanismo Faculdade de Arquitetura e Urbanismo Universidade Federal de Pelotas, Rua Benjamin Constant, 1359 Pelotas/ RS Cep: 96010-020, Tel.: (53) 3721-5501 RESUMO Os programas de simulação termoenergética de edificações possibilitam quantificar a influência das variáveis arquitetônicas no desempenho térmico e energético das edificações. Programas de simulação termoenergética, como o EnergyPlus e o DesignBuilder, são ferramentas valiosas para o projetista, mas exigem um conhecimento aprofundado a respeito das diversas variáveis envolvidas no balanço térmico de uma edificação. Isto é fundamental para assegurar que os dados de saída das simulações sejam analisados de forma correta, e sua aplicação na busca de edificações térmica e energeticamente eficientes possa garantir a satisfação dos usuários. Nas simulações de edificações térreas a temperatura do solo é um parâmetro que assume grande importância, pois as trocas de calor entre o piso e o solo são determinantes no resultado final das trocas de calor do ambiente. Este artigo tem por objetivo verificar a influência da escolha da forma de inserção da temperatura do solo no programa de simulação, para a zona bioclimática 2. Para isto será feita uma análise do conforto térmico, através da aplicação do programa Analysis-Bio (UFSC, 2010), em uma habitação modelada e simulada através do programa DesignBuilder, dentro dos padrões mínimos exigidos pelo programa Minha Casa Minha Vida, do Governo Federal, e com os padrões de ocupação e utilização do RTQ-R. A edificação foi modelada com materiais de baixa e alta transmitância térmica nos seus fechamentos opacos (1,00 e 5,00 W/m²K, respectivamente), além do caso-base, que utiliza os limites das propriedades térmicas estabelecidos pela NBR 15220-3. Os resultados obtidos indicaram a importância da utilização da metodologia do RTQ-R para inserção da temperatura do solo (programa SLAB) no programa de simulação e que a influência da temperatura do solo no balanço térmico da edificação é significativamente maior quanto mais isolada for a edificação. Palavras-chave: simulação termo-energética, temperatura do solo, Programa slab, conforto térmico. ABSTRACT The simulation programs allow quantify the influence of architectural variables on thermal and energy performance of buildings. The simulation programs like EnergyPlus and DesignBuilder, are valuable tools for the designer, but require a thorough knowledge about the various variables involved in the thermal balance of a building. This is critical to ensure that the data output of the simulations are analyzed correctly, and its application in search of thermal and energy efficient buildings to ensure users satisfaction.in the simulations of bungalow houses the soil temperature is a very important parameter, because the heat exchanges between the floor and the soil are crucial in the final result of the heat exchange of the environment. This article aims at studying the influence of the choice of the form for entering the soil temperature in the simulation program for the bioclimatic zone 2.To reach 2350
this objective it is presented an analysis of thermal comfort, through the application of Bio- Analysis software (UFSC, 2010), in a room modeled and simulated by the software DesignBuilder, within the minimum standards required by the program Minha Casa Minha Vida from, the Federal Government, and the patterns of occupation and use of RTQ-R (Energy Efficiency Regulation of the Residential Buildings). The building was modeled with materials of low and high thermal transmittance in its walls and roofs (1.00 and 5.00 W / m² K, respectively) than the base case, which utilizes the thermal propertyes of limits established by the NBR 15220-3.The results indicated the importance of using the methodology of the RTQ-R for insertion of soil temperature (SLAB program) in the simulation software and that the influence of soil temperature in the thermal balance of the building is significantly larger for the more isolated the building. Keywords: simulation-term energy, soil temperature, slab, thermal comfort. 1. INTRODUÇÃO Segundo dados do Programa Nacional de Amostra por Domicílios (PNAD) de 2008, para zerarmos o déficit habitacional nacional precisaríamos construir quase 5,6 milhões de moradias e, somente na região sul do país, cerca de 590 mil moradias. Elevados recursos financeiros estão sendo disponibilizados para a redução deste déficit, porém, não garantem a qualidade das moradias. A preocupação crescente com o nível de conforto dos usuários e, principalmente, com o consumo energético desnecessário de energia de edificações mal projetadas ou construídas com materiais não adequados, reforça a necessidade dos profissionais responsáveis pela elaboração do projeto de utilizar-se das orientações e recursos disponíveis para definir os detalhes da edificação, buscando a adequação da mesma ao clima local. O auxílio de ferramentas de simulação permite respaldar decisões projetuais, através da análise do desempenho termo-energético das edificações, possibilitando que o profissional possa verificar as condições que serão obtidas em função de suas escolhas, tanto na orientação da edificação quanto da sua tipologia, definição de materiais de fechamentos, cores, aberturas e estratégias de ventilação natural. Uma grande vantagem da simulação computacional é que ela pode ser utilizada na fase de projeto, durante a construção ou mesmo na habitação já construída, dando condições ao arquiteto de testar soluções para a edificação a um baixo custo e sem a necessidade de intervir na mesma. Programas de simulação termoenergética, como o EnergyPlus, são ferramentas valiosas para o projetista, mas exigem um conhecimento aprofundado a respeito das diversas variáveis envolvidas no balanço térmico de uma edificação (Batista et al, 2005). Sorgato (2009) frisou a importância da definição correta da temperatura do solo para inserção nos programas de simulação computacional, principalmente nas edificações térreas, onde as trocas de calor entre o piso e o solo são determinantes no resultado final das trocas de calor do ambiente. Pereira (2009), que estudou a importância do envelope no desempenho térmico de edificações residenciais ocupadas e ventiladas naturalmente, simulou a mesma edificação com várias formas de inserção de temperatura do solo, obtendo valores muito diferentes de temperatura no interior da edificação, comprovando a importância deste dado de entrada no balanço térmico da edificação. 2. OBJETIVOS O presente trabalho tem por objetivo determinar a forma mais adequada de inserção da temperatura do solo nos programas de simulação computacional, para que a análise dos 2351
resultados de saída do programa, como o conforto térmico no interior da edificação, sejam mais confiáveis. Para isto foi definido um modelo de habitação que esteja dentro das especificações do Ministério das Cidades para construção pelo programa Minha Casa Minha Vida, que busca atender, preferencialmente, a população com renda salarial até três salários mínimos. A edificação foi simulada com as temperaturas do solo a partir das médias mensais do arquivo climático e também com metodologias que utilizam o programa SLAB, vinculado ao ENERGYPLUS. Cabe salientar que essa é a forma referendada pelo Regulamento Técnico de Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Residenciais RTQ-R (INMETRO, 2010). Além da simulação do caso-base, no qual as características térmicas dos fechamentos da edificação são os indicados na NBR 15220-3, a edificação também foi simulada com alterações das características dos fechamentos opacos, buscando verificar a influência da temperatura do solo em edificações isoladas (paredes e cobertura com transmitância térmica de 1,0 W/m²K) e abertas (paredes e cobertura com transmitância térmica de 5,0 W/m²K). A análise foi feita para a zona bioclimática 2, com base na comparação dos dados de conforto térmico no interior da edificação, obtidos através da aplicação do programa Analysis Bio (UFSC, 2009), considerando a zona de conforto caracterizada por Givoni (1992). 3. METODOLOGIA O trabalho foi desenvolvido em quatro etapas: 3.1. Caracterização da Habitação de Interesse Social. 3.2. Elaboração do modelo computacional da edificação, utilizando o programa EnergyPlus, versão 7.0, com interface do DesignBuilder, versão 3.0. 3.3. Definição das formas de inserção da temperatura do solo e simulação da edificação. 3.4. Análise dos Resultados. 3.1. Caracterização da Habitação de Interesse Social a ser analisada. 3.1.1. Tipologia da edificação Para determinação da tipologia da habitação a ser estudada verificou-se as especificações mínimas que constam no site do Ministério das Cidades para o programa Minha Casa Minha Vida 2 e o código de obras do município de Pelotas, zona bioclimática 2, buscando uma habitação que represente a tendência atual da construção civil no país. Segundo reportagem veiculada no Jornal Diário Popular (Pelotas), em 04 de outubro de 2011, estavam sendo construídas no município cerca de 1300 habitações de interesse social, sendo que a área total das mesmas estaria compreendida entre 35 e 42m². Com base nessas premissas foi desenvolvido um projeto de habitação que atendesse a todas as especificações. Ela possui dois dormitórios, sala e cozinha conjugadas e banheiro, totalizando 40,8m², conforme figura 1. 2352
Figura 1. Planta baixa da edificação 3.1.2. Condições de contorno Programa de simulação: O DesignBuider, software que será utilizado neste trabalho, dispõe de recursos amigáveis para modelagem da geometria e para a inserção de dados de entrada dos sistemas construtivos e rotinas de ocupação e utilização da edificação. Utiliza os algoritmos do EnergyPlus, que apresenta funções mais elaboradas para simulação do balanço térmico, além de maior precisão na simulação para ambientes não condicionados (Venâncio, 2007). Arquivos Climáticos: Conforme o RTQ-R (INMETRO, 2010) o arquivo climático a ser utilizado para o processo de simulação computacional deve, no mínimo, fornecer valores horários para todos os parâmetros relevantes requeridos pelo programa de simulação, como temperatura e umidade do ar, direção e velocidade do vento, radiação solar, etc. Neste trabalho será utilizado o arquivo.tmy da cidade de Santa Maria (RS), mesma zona bioclimática do município de Pelotas (RS). Padrões de ocupação e utilização: Quanto aos padrões de uso e ocupação dos ambientes, bem como uso e densidade de potência da iluminação e cargas internas de equipamentos foram utilizados os padrões descritos no Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Residenciais (RTQ-R, 2010), que também serviu de base para definição da taxa metabólica das atividades desempenhadas em cada ambiente. Orientação solar: Por possuir aberturas apenas em duas orientações, o que viabiliza inclusive a sua construção em fita, em relação à orientação solar a edificação será simulada sobre o eixo norte-sul, isto é, as aberturas estarão voltadas para leste e oeste. Ventilação natural: A edificação será analisada utilizando o padrão de uso da ventilação natural com controle automático por temperatura. Nesta opção as janelas somente serão abertas se, 2353
concomitantemente, a temperatura do ar no interior da edificação estiver acima da temperatura de setpoint de ventilação e também for maior que a temperatura do ar no exterior. Além disso, o horário de funcionamento deve estar habilitando para utilização da ventilação natural. Como a edificação possui venezianas nas aberturas, proporcionando controle de entrada de radiação solar e segurança, as janelas estão habilitadas para abertura nas 24 horas do dia. A temperatura de setpoint foi definida em 25ºC, com base em trabalho de Martins et al (2009). O padrão de utilização das venezianas procura atender aos critérios de segurança, ao mantêlas fechadas durante a noite, e às recomendações da NBR 15220 3, que indicam para a zona bioclimática 2, durante o período de inverno, que as janelas permitam a entrada de radiação solar na edificação. Fechamentos: O programa de simulação considera todos os componentes formados por camadas transversais ao fluxo de calor, não permitindo o cálculo de resistências térmicas em paralelo. Desta forma foi utilizado o trabalho de Ordenes et al (2003) que desenvolveu um modelo de construção de um componente equivalente para ser inserido no programa. As características dos fechamentos, tanto do caso-base quanto das alternativas de simulação estão definidas na figura 2. Os valores de absortância solar correspondem aos limites estabelecidos pela NBR 15220-3 para atraso térmico de 4,3 e 3,3 horas, para paredes e cobertura, respectivamente. Características físicas dos fechamentos opacos CONFIGURAÇÃO Paredes Cobertura U (W/m²K) Abs solar U (W/m²K) Abs solar CASO_BASE 3,00 0,42 2,00 0,82 CONFIGURAÇÃO_1 1,00 0,50 1,00 0,50 CONFIGURAÇÃO_2 5,00 0,50 5,00 0,50 Figura 2. Características físicas dos fechamentos opacos 3.2. Elaboração do modelo computacional da edificação, utilizando o programa EnergyPlus, versão 7.0, com interface do DesignBuilder, versão 3.0. Foi utilizado o programa DESIGN BUILDER, versão 3.0, que, além de uma fácil introdução de geometrias, opera com os algoritmos do ENERGYPLUS, que atende as normas da ASHRAE 140 (2004). A edificação foi modelada em dois blocos. As figuras 3 e 4 ilustram a habitação simulada no trabalho e as zonas térmicas existentes em cada bloco. Figura 3. Habitação modelada através do programa DESIGNBUILDER 2354
Figura 4. Zonas térmicas internas do bloco 1 3.3. Definição da forma de inserção da temperatura do solo e simulação computacional Para buscarmos as formas de inserção da temperatura do solo nos programas de simulação computacional foi feita uma pequena revisão bibliográfica sobre o tema. Papst (1999), a partir de um estudo de caso em Florianópolis (SC), tratou sobre o uso de inércia térmica no clima subtropical e utilizou as médias mensais do arquivo climático local para calcular as trocas térmicas entre o radier e o solo. Venâncio (2009) também sugere a inserção dos dados de temperatura do solo a partir das médias mensais para utilização nos programas de simulação. Sorgato (2009) propõe a utilização do programa Slab, vinculado ao EnergyPlus, como a forma mais adequada de representar a temperatura do solo, mesmo procedimento sugerido pelo Regulamento Técnico de Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Residenciais RTQ-R (Inmetro, 2010). Pereira (2009) comprovou em seu trabalho que as temperaturas obtidas com a aplicação do programa SLAB são bem mais próximas das temperaturas do solo, medidas no local, do que as temperaturas médias mensais do arquivo climático. O arquivo climático utilizado neste trabalho é o.tmy de Santa Maria (RS), zona bioclimática 2, e as suas temperaturas médias mensais estão indicadas na figura 5. Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez T (ºC) 25 24 22 20 15 15 15 17 16 19 21 24 Figura 5. Temperaturas Médias Mensais do Arquivo.TMY de Santa Maria (RS) Para a determinação das temperaturas do solo a partir do programa Slab o procedimento adotado foi o sugerido pelo manual do programa EnergyPlus. O programa calcula a temperatura média do solo para cada mês do ano, com base nos valores médios de temperaturas internas e externas da edificação, para o clima escolhido. Para isto a edificação já deve estar modelada com todos os padrões e rotinas de utilização e ocupação, bem como com os fechamentos opacos e transparentes utilizados no modelo, sombreamento, etc. Este processo foi feito para o caso-base e para as outras duas configurações propostas no trabalho, que representam uma edificação bem isolada e outra com fechamentos opacos com alta transmitância. As temperaturas obtidas estão representadas na figura 6. 2355
Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez T (ºC) caso-base 26 25 25 24 20 19 20 19 19 21 21 23 T (ºC) config1 26 25 25 24 21 20 21 20 20 21 21 23 T (ºC) config2 26 25 24 24 19 18 19 18 18 20 20 22 Figura 6. Temperaturas Médias Mensais obtidas através do programa SLAB 3.4. Análise dos Resultados. Com os dados de temperatura do solo definidos a edificação foi simulada com as configurações definidas anteriormente. Os resultados que indicam o percentual de conforto para a edificação como um todo, durante as 24 horas, estão representados na figura 7, e os resultados que mostram as trocas térmicas entre a edificação e o solo, para o caso-base, no período de verão e de inverno, além de sua influência na temperatura do interior da edificação estão nas figuras 8 e 9. Figura 7 Percentual de conforto para toda a edificação 2356
Figura 8 Caso-base: relação entre trocas térmicas com o piso e temperatura interna no verão Figura 9 Caso-base: relação entre trocas térmicas com o piso e temperatura interna no inverno Este trabalho não pretende comparar os percentuais de conforto obtidos em configurações diferentes de fechamento, até porque as absortâncias solares adotadas são diferentes, e sim verificar a influência da metodologia de entrada dos dados de temperatura do solo em cada configuração. Os resultados mostrados na figura 7 indicam que, os índices de conforto térmico obtidos com a utilização do programa SLAB, para a edificação como um todo, durante as 24 horas, são significativamente superiores aos valores encontrados com a utilização das médias mensais do arquivo climático. Isto ocorre tanto no caso-base, quanto nas configurações com paredes e cobertura isoladas, ou paredes e coberturas com alta transmitância térmicas. No caso-base esta diferença é de 5,40%; na configuração 1, com os fechamentos opacos bem isolados, a diferença sobe para 8,20% e, na configuração 2, com os fechamentos opacos com alta transmitância térmica, a diferença se reduz para 4,10%. Os resultados mostrados na figura 8 indicam que as trocas térmicas no período de verão, entre os dias 23 e 25 de janeiro, são praticamente as mesmas para a inserção da temperatura do solo pelas médias mensais ou pelo programa SLAB, para o caso-base. Isto se reflete na temperatura no interior da edificação, que tem diferenças não significativas entre os dois modelos. Já os resultados da figura 9, onde temos as trocas térmicas no período de inverno, entre os dias 5 e 7 de julho, mostram uma maior troca térmica entre o piso e a edificação para o modelo que teve a temperatura do solo inserida através dos resultados obtidos no programa SLAB. Isto se reflete diretamente na diferença de temperatura no interior da edificação, que é sempre superior na configuração citada. 4. CONCLUSÕES Os resultados obtidos, para a zona bioclimática 2, indicam que as trocas térmicas entre a edificação e o solo são muito significativas no balanço térmico da edificação. A inserção de temperaturas do solo através das médias do arquivo climático, com diferenças de até 6ºC no período frio, em relação às temperaturas produzidas pelo programa SLAB, produziu 2357
diferenças muito grandes nos índices de conforto térmico. Quando as temperaturas médias mensais são mais altas, no período de verão, esta diferença cai para até 1ºC. Isto pode indicar que, em zonas bioclimáticas que possuam médias de temperatura mais alta, e a diferença de temperaturas para inserção no arquivo climático seja pequena, esta metodologia possa ser utilizada sem grandes diferenças nos resultados obtidos. Em função disto indicamos a utilização do programa SLAB para a inserção correta da temperatura do solo, para a zona bioclimática 2, visto ser este modelo o indicado na normatização. Outra conclusão a que chegamos com os resultados de conforto térmico obtidos, principalmente para a edificação como um todo, nas 24 horas do dia, é que a influência da temperatura do solo no balanço térmico da edificação é significativamente maior quanto mais isolada for a edificação em relação aos seus fechamentos opacos (paredes e cobertura). REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT, 2005 NBR 15.220. Norma Brasileira de Desempenho Térmico de Edificações, Parte 3: Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social. ABNT, Rio de Janeiro. BATISTA, J. O. et al, 2005. Avaliação de Desempenho Térmico de Componentes Construtivos Utilizando o EnergyPlus. Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído. ENTAC. Anais do evento. ANTAC, pp 145-154, Maceió, Brasil. GIVONI, B, 1992. Confort, Climate Analysis and Building Design Guidelines. Energy and Building, volume 18, julho 1992. INMETRO - INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, NORMALIZAÇÃO E QUALIDADE INDUSTRIAL, 2010. Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edificações Residenciais, RTQ-R. INMETRO, Rio de Janeiro. MARTINS, D. J et al, 2009. Ensaio sobre a Utilização da Automação de Aberturas na Simulação do Desempenho Térmico de Edificações. X ENCAC. Anais do evento. Natal, Brasil. MATOS, M. 2007. Simulação Computacional do Desempenho Térmico de Residências em Florianópolis Utilizando a Ventilação Natural. Dissertação de Mestrado, UFSC, Florianópolis. ORDENES, M. et al, 2003. Metodologia Utilizada na Elaboração da Biblioteca de Materiais e Componentes Construtivos Brasileiros para Simulações no Visualdoe-3.1. Relatório Interno Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis. PAPST, A. L, 1999. Uso de Inércia Térmica em Clima Subtropical Estudo de Caso em Florianópolis / SC. Dissertação de Mestrado, UFSC, Florianópolis, SC. PEREIRA, Cláudia Donald, 2009. A Influência do Envelope no Desempenho Térmico de Edificações Residenciais Unifamiliares Ocupadas e Ventiladas Naturalmente. Dissertação de Mestrado, UFSC, Florianópolis. PNAD, 2011. Pesquisa Nacional por Amostra de Domicílios 2008. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Disponível em <http://www.ibge.gov.br>. Acessado em agosto de 2011. SORGATO, M. J, 2009. Desempenho Térmico de Edificações Residenciais Unifamiliares Ventiladas Naturalmente. Dissertação de Mestrado, UFSC, Florianópolis, SC. VENÂNCIO, Raoni, 2007. A Influência de Decisões Arquitetônicas na Eficiência Energética do Campus/UFRN Vol. I. Dissertação de Mestrado, UFRN, Natal. 2358