Simulações Casa Eficiente: Desempenho e Estratégias de Condicionamento, Notas de estudo de Engenharia Civil

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Simulação Computacional do Desempenho Termo-Energético

Casa Eficiente

volume 4

Florianópolis

UFsC

Simulação Computacional do Desempenho Termo-Energético

Casa Eficiente:

Editores: Roberto Lamberts Enedir Ghisi Cláudia Donald Pereira Juliana Oliveira Batista

Casa Eficiente

A Universidade Federal de Santa Catarina possui longa tradição de ensino, pesquisa e extensão na área de uso racional de energia, envolvendo vários dos seus departamentos dentre os quais destacam-se a Engenharia Civil, Elétrica, Mecânica, e Arquitetura.

A Casa Eficiente é resultado de uma parceria entre a Universidade Federal de Santa Catarina, a ELETROSUL e a ELETROBRÁS para a construção de um centro de demonstrações em eficiência energética.

Durante a metade de cada mês, por um período de dois anos, a Casa funcionou como laboratório possibilitando diversas pesquisas de doutorado, mestrado e iniciação científica. Na outra metade do mês a Casa funcionou como um centro de visitação, expondo ao público, em geral, novas referências em termos de uso eficiente e racional de energia.

Na Casa foram testadas diversas tecnologias ligadas ao aproveitamento da energia solar, adaptações ao clima local, uso eficiente de energia, coleta de água da chuva e sustentabilidade ambiental.

Nestes livros são apresentados os resultados de dois anos de pesquisa. Muitas outras publicações já foram realizadas em congressos e periódicos científicos e outras ainda estão por vir, frutos dos dados levantados pelo projeto e muitos dos quais integram teses e dissertações em andamento.

A Universidade Federal de Santa Catarina acredita que projetos como o da Casa Eficiente representam uma boa maneira de transmitir os conhecimentos gerados pela Universidade para a comunidade. Como instituição que se preocupa tanto em avançar a fronteira do conhecimento como também em disseminar o saber para a sociedade, participar do projeto da Casa Eficiente é altamente gratificante e recompensador.

prof. alvaro Toubes prata Reitor Universidade Federal de Santa Catarina

Sociedade eficiente e sustentável

Atuar nos mercados de energia de forma integrada, rentável e sustentável é a missão da Eletrobras, que norteia nossa visão de futuro, indicando nosso objetivo de ser, até 2020, o maior sistema empre- sarial global de energia limpa, com rentabilidade comparável às das melhores empresas do setor elétrico. Temos a convicção de que essa atuação rentável e sustentável passa pela questão da eficiência energética. Dessa maneira, a Eletrobras investe em pesquisa e desenvolvimento, já tendo inaugurado, inclusive, dois Centros de Eficiência Energética, ambos por meio do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (Procel): um no Pará, em parceria com a Universidade Federal do Pará (UFPA), e outro em Minas Gerais, com a Universidade Federal de Itajubá.

Outro investimento feito na área é a parceria entre a Universidade Federal de Santa Catarina, a Eletrobras Eletrosul e a Eletrobras, que possibilitou a construção da Casa Eficiente, um centro de demons- trações em eficiência energética, localizado na sede da Eletrobras Eletrosul. Na casa, são testadas modernas técnicas de uso da energia solar para aquecimento, uso eficiente da água e da energia elétrica. Essa iniciativa, que está dentro das ações do Procel Edifica, mostra que a preocupação da Eletrobras com o uso correto e eficiente da energia, bem como com a sustentabilidade, é uma prática empresarial constante, e não apenas discurso.

A Eletrobras acredita que energia mais barata é a utilizada com eficiência e que as boas práticas de eficiência energética devem ser disseminadas na sociedade, a fim de que todas as pessoas saibam valorizar o uso racional da energia elétrica e tragam o conceito de sustentabilidade para suas vidas cotidianas. A Casa Eficiente cumpre essa função pedagógica, indicando o futuro que a nação brasileira deverá trilhar. Um futuro que conjugue desenvolvimento com respeito ao meio ambiente. Igual à atuação da Eletrobras no Brasil e no mundo.

José antônio Muniz lopes Presidente da Eletrobrás

Sumário

• PREFÁCIO..............................................................................................................................
• RESUMO ExECUTIVO
• 1. INTRODUÇÃO
• 2. SIMULAÇÕES PARA O PROJETO DA CASA EFICIENTE..............................................
  • 2.1. Modelos Simulados
  • 2.2. Resultados Principais
• 3. SIMULAÇÕES DA CASA EFICIENTE APÓS SUA CONSTRUÇÃO
  • 3.1. Calibração do Modelo Computacional da Casa Eficiente
    • 3.1.1. Modelo Inicial
    • 3.1.2. Ajustes do Modelo
    • 3.1.3. Resultados e Modelo Final
  • 3.2. Análises do Desempenho Térmico da Casa Eficiente
    • 3.2.1. A Utilização da Ventilação Diurna e Noturna para o Conforto no Verão
    • 3.2.2. A Importância do Aquecimento Solar Passivo para o Conforto no Inverno
    • 3.2.3. O Desempenho das Coberturas da Casa Eficiente
• 4. CONCLUSÕES
• REFERÊNCIAS

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Prefácio

Prefácio

A Casa Eficiente (Figuras 1 a 4), localizada em Florianópolis, SC, é resultado da parceria estabelecida entre a ELETROSUL, ELETROBRÁS/PROCEL Edifica e a Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), através do Laboratório de Eficiência Energética em Edificações (LabEEE).

Em setembro de 2002, técnicos da ELETROSUL e da ELETROBRÁS iniciaram a avaliação de alternativas de inves- timento em projetos de eficiência energética na construção civil, uma vez que mais da metade do consumo da Energia Elétrica no Brasil se dá nas edificações (BRASIL, 2007), justificando-se a necessidade de investimentos neste setor.

Com a criação do Procel Edifica pela ELETROBRÁS/ PROCEL em 2003, criou-se uma oportunidade para a atuação conjunta de setores como universidades, centros de pesquisa e entidades das áreas governamental, tecnológica, econômica e de desenvolvimento, em benefício da promoção do uso racional da energia elétrica em edificações.

Paralelamente, as negociações entre a ELETROSUL, ELETROBRÁS/PROCEL e a UFSC evoluiram, até que, em maio de 2004, foi assinado um convênio de cooperação técnica para a construção da Casa Eficiente, incluindo também ações de marketing e divulgação, destacando-se a criação do site www.eletrosul.gov.br/ casaeficiente.

O projeto arquitetônico da Casa Eficiente (Figuras 5 a 8) foi concebido pelas arquitetas Alexandra Maciel e Suely Andrade como uma vitrine de tecnologias de ponta, contando com a colaboração de pesqui- sadores do LabEEE, da Universidade Federal de Santa Catarina. A Casa Eficiente reúne diversas estratégias de adequação climática, com o aproveitamento da ventilação e da luz natural, adotadas como alternativas ao uso da refrigeração e iluminação artificiais. Conta ainda com aproveitamento da energia solar térmica para aquecimento de água e da energia solar luminosa para a geração de eletricidade através de um painel fotovoltaico interligado à rede.

Visando a redução do impacto ambiental e o uso eficiente da água, a Casa Eficiente utiliza água da chuva para fins não potáveis (máquina de lavar roupas, vaso sanitário, tanque e torneira externa). Além disso, ela possui um sistema de reúso de águas, no qual os efluentes recebem tratamento biológico por zona de raízes, as águas negras tratadas são encaminhas para a rede coletora e as águas cinzas tratadas são armazenadas para uso na irrigação do jardim da Casa.

FigUra 1 – Vista Sudoeste da Casa.

FigUra 2 – Vista Sudeste da Casa.

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Prefácio

FigUra 6 – Planta baixa da Casa Eficiente – mezanino.

FigUra 7 – Corte AA.

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Prefácio

FigUra 8 – Corte BB.

A concepção do projeto das instalações prediais da Casa Eficiente contemplou, além dos objetivos de sustentabilidade (eficiência energética e uso racional da água), a necessidade de flexibilidade de operação, de manutenção e de seu funcionamento como um laboratório de pesquisa. Contemplou ainda, a necessidade de proporcionar, de maneira didática, a visitação para divulgação dos conceitos adotados, ou seja, além de ser um laboratório é também uma vitrine tecnológica.

Em 29 de março de 2006 a Casa Eficiente foi inaugurada e aberta à visitação, constituindo-se em um espaço destinado à sensibilização pública, objetivando demonstrar como as soluções de projeto podem favorecer o uso eficiente da energia elétrica e da água nas edificações residenciais, reduzindo desperdícios e impactos sobre o meio ambiente.

Considerando-se a Casa Eficiente como um instrumento com potencial para a promoção do desen- volvimento científico e tecnológico, em junho de 2006, foi assinado outro convênio, criando-se o LMBEE

• Laboratório de Monitoramento Bioclimático e Eficiência Energética. Para tal, a Casa Eficiente foi equipada com um amplo sistema de monitoramento termo-energético, desenvolvido pelo Laboratório de Meios Porosos e Propriedades Termofísicas (LMPT/UFSC), além de uma estação meteorológica própria.

O LMBEE, formado por uma equipe de pesquisadores da UFSC, desenvolveu experimentos quinzenais na Casa Eficiente nos anos de 2007 e 2008. Nesses dois anos, a Casa foi submetida a um revezamento quinzenal entre as atividades de pesquisa (experimentos controlados) e de visitação pública. Estes experi- mentos destinaram-se a verificar o desempenho termo-energético da edificação e a eficácia das estratégias de uso racional da água incorporadas ao projeto. Os experimentos foram conduzidos por três grupos de trabalho (GTs): GT-1, Eficácia das estratégias de condicionamento ambiental; GT-2, Potencial de geração solar fotovoltaica interligada à rede elétrica de distribuição e GT-3, Uso racional da água.

Após dois anos e meio de atividades do LMBEE, a ELETROSUL, a ELETROBRÁS/PROCEL Edifica e o LabEEE/UFSC apresentam ao público os resultados das pesquisas desenvolvidas na Casa Eficiente, reunidos em quatro publicações técnicas, abordando as seguintes temáticas:

:: 1. Bioclimatologia e Desempenho Térmico. :: 2. Consumo e Geração de Energia. :: 3. Uso Racional da Água. :: 4. Simulação Computacional do Desempenho Termo-Energético.

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Resumo executivo

Resumo executivo

Os programas computacionais para simulação de edificações são importantes ferramentas para análises detalhadas de desempenho termo-energético. Ao longo das pesquisas realizadas com a Casa Eficiente, o programa EnergyPlus foi utilizado em diversas simulações computacionais. Elas foram utilizadas para permitir e facilitar algumas análises de desempenho térmico dos componentes construtivos, de efici- ência energética, do uso da ventilação natural e do uso do aquecimento solar passivo.

Nas pesquisas envolvendo a Casa Eficiente, foram realizadas simulações tanto nas etapas iniciais de projeto, quanto após a sua construção. Nas simulações realizadas antes da construção, foram avaliados dez modelos, com a mesma planta e volumetria da residência, alterando parâmetros construtivos e de uso e ocupação. Dessa forma, pôde-se verificar a influência de cada estratégia de interesse, tais como cobertura com isolamento térmico, parede dupla e com isolamento, proteção solar nas aberturas, vidros duplos, equipamentos eficientes e ventilação natural.

Como resultado final destas primeiras simulações, concluiu-se que o uso dessas estratégias em uma conFiguração única resultaria em um melhor desempenho termo-energético da edificação. Foi possível diminuir o consumo energético e melhorar as condições de conforto térmico para os usuários. Tal conFigu- ração corresponde ao adotado no projeto arquitetônico da Casa Eficiente.

Já com as simulações efetuadas após a construção foi possível testar e calibrar o modelo compu- tacional, verificando a semelhança de seu comportamento térmico com o verificado em medições na Casa Eficiente. Com essa calibração, após alguns ajustes, foi definido um modelo que representa com bastante proximidade os valores medidos na Casa. Apesar de algumas diferenças, o modelo final foi considerado adequado para as simulações de análises de desempenho térmico da Casa Eficiente. Em seguida, foram realizadas análises de desempenho térmico da Casa Eficiente, obtendo como resultado os graus-hora de desconforto na edificação, e sua comparação com o encontrado no ambiente externo.

Foram realizadas simulações com diferentes opções de ventilação para o período do verão, demons- trando que a ventilação pode ser uma grande aliada para o conforto térmico dos usuários do ambiente quando bem utilizada, mas também pode prejudicar o conforto quando utilizada sem critério. As simulações mostraram que o conforto térmico no período de verão é favorecido pela integração entre ventilação diurna e noturna, sendo ela controlada pelo valor da temperatura do ar no interior e no exterior da edificação. Entre utilizar apenas ventilação diurna ou noturna, a segunda opção foi mais favorável ao conforto.

A vantagem da utilização do aquecimento solar passivo para melhoria do conforto no período de inverno foi testada com simulações computacionais, variando a abertura das persianas. Os resultados apontaram que a abertura das persianas no período diurno, ao permitir o aproveitamento do sol para aquecimento no inverno, favoreceu o conforto térmico dos usuários nos ambientes da Casa.

Por fim, a simulação computacional foi utilizada para comparar o comportamento dos diferentes tipos de cobertura existentes na Casa. Os resultados mostraram que, tanto a cobertura com telha metálica (sala), quanto a com telha de barro (quarto de casal), promovem grande ganho de calor no período diurno, durante o verão, e grande perda de calor no período noturno, durante o inverno, significando que elas

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1. INTRODUÇÃO

1. Introdução Autora: Cláudia Donald Pereira Diversas ferramentas computacionais de simulação têm sido desenvolvidas com o intuito de facilitar a análise e avaliação de projetos e edifícios quanto ao seu comportamento energético, térmico, acústico e de iluminação, entre outros. Elas têm se tornado cada vez mais importantes, ganhando destaque em pesquisas de diversos países. O Departamento de Energia dos Estados Unidos tem disponível na Internet (DOE, 2007) uma lista com 347 programas de simulação de edificações, para análises de eficiência energética, energias renováveis e sustentabilidade em edifícios. O programa EnergyPlus , desenvolvido pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, é um dos mais utilizados para análises termo-energéticas de edificações. Ele foi criado com o objetivo principal de estimar trocas térmicas, níveis de iluminação e consumo energético de edifícios, a partir da modelagem física do edifício e seus sistemas de ventilação, iluminação, aquecimento e resfriamento. Atualmente, com as versões mais novas do programa, é possível ainda adicionar ventilação natural, usos de água, sistemas fotovoltaicos, índices de conforto térmico, entre outros. Com o EnergyPlus , são realizadas simulações para diferentes climas, conforme o interesse do usuário, a partir de um arquivo climático com dados horários. Como resultado, obtêm-se uma série de dados calculados, tais como temperaturas internas, temperaturas superficiais, fluxo de calor pelos compo- nentes do edifício, ganhos internos de calor, consumo energético, trocas de ar, etc. Infelizmente, esse tipo de ferramenta é ainda pouco utilizada pelos profissionais atuantes na construção civil. Isso deve-se principalmente à complexidade dos programas e a consequente dificuldade no aprendizado. Westphal e Lamberts (2005) destacam que a complexidade dos fenômenos envolvendo o comportamento térmico de edifícios implica em uma grande quantidade de dados de entrada nas simulações, o que requer conhecimentos multidisciplinares dos usuários. Embora não sejam pequenas as dificuldades, as simulações têm sido de grande valia nas pesquisas com análises termo-energéticas de edificações. Batista et al. (2005) defendem que programas como o EnergyPlus são ferramentas valiosas para o projetista, exigindo, contudo, um conhecimento aprofundado a respeito das diversas variáveis envolvidas no balanço térmico de uma edificação. Isso faz-se necessário para assegurar a correta interpretação dos resultados das simulações, auxiliando em sua posterior aplicação no projeto de edificações energeticamente eficientes e capazes de garantir a satisfação dos seus usuários. Ao longo das pesquisas realizadas com a Casa Eficiente, o programa EnergyPlus foi utilizado em diversas simulações computacionais. Elas ocorreram tanto antes da construção da Casa, para auxiliar nas decisões de projeto, avaliando as melhores estratégias a serem adotadas, quanto após sua inauguração, auxiliando em estudos e análises de desempenho térmico e eficiência energética. Este livro tem como objetivo descrever as simulações computacionais realizadas para a Casa Eficiente, desde o seu projeto até o momento atual, bem como apresentar os resultados destas simulações e as conclusões obtidas a partir deles. O Capítulo 2 deste livro, apresenta as simulações que foram realizadas durante o desenvolvi- mento do projeto da Casa Eficiente. Já no Capítulo 3, são mostradas as simulações realizadas após a construção da Casa, a fim de facilitar as análises do seu desempenho térmico. Por fim, no Capítulo 4, apresentam-se as principais conclusões obtidas a partir dos estudos da Casa Eficiente, utilizando a simulação computacional.

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3. SIMULAÇÕES DA CASA EFICIENTE APÓS SUA CONSTRUÇÃO

instaladas, definindo-se a temperatura de controle do sistema de condicionamento de ar ( set points de temperatura) para o inverno e verão, a fim de melhor representar condições reais de uso de uma residência ocupada por uma família. Mesmo o projeto da Casa Eficiente não contando com aparelhos de ar-condi- cionado o uso desse equipamento foi simulado, a fim de efetuar comparações de consumo energético. A Tabela 2.1 apresenta o resumo das estratégias simuladas.

QUARTO SOLTEIRO 13,2 m^2

BWC 11 m 2

COZINHA 13,1 m (^2) SERVIÇO 9,5 m^2

ESTAR/JANTAR 45,3 m^2

QUARTO CASAL 25,6 m 2

FigUra 2.1 – Perspectiva do modelo simulado.

TabEla 2.1 – Resumo das características das alternativas simuladas.

Alternativas simuladas Tecnologias incorporadas ao projeto MODELO 1: Caso de Referência Padrões construtivos comumente empregados. MODELO 2: MODELO 1 + Equipamentos eficientes Uso de equipamentos eficientes (lâmpadas e eletrodomésticos). MODELO 3: MODELO 2 + Uso eficiente dos equipamentos

Uso de equipamentos eficientes associados à redução no período de uso da iluminação artificial e equipamentos. MODELO 4: MODELO 3 + Coberturas com isolamento térmico

Uso de câmara de ar, isolamento refletivo de alumínio, manta de lã de rocha e forro de madeira junto com telha de barro. MODELO 5: MODELO 3 + Paredes duplas com isolamento térmico Uso de paredes duplas de tijolo maciço com manta isolante de lã de rocha. MODELO 6: MODELO 3 + Paredes duplas e coberturas com isolamento

Emprego conjunto da cobertura com isolamento (MODELO 4) e paredes duplas (MODELO 5). MODELO 7: MODELO 3 + Aberturas com protetores solares Inserção de protetores solares horizontais e venezianas nas aberturas. MODELO 8: MODELO 3 + Vidros duplos Emprego de vidros duplos nas aberturas. MODELO 9: MODELO 3 + Condicionamento alternativo (passivo)

Adoção da ventilação natural, inclusive no período noturno (quartos), em substituição aos condicionadores de ar tipo “janela”. MODELO 10: MODELOS 6 + 7 + 8 + 9 (Casa Eficiente)

Proposta equivalente ao projeto real, com a incorporação das tecnologias empregadas nos modelos 6, 7, 8 e 9.

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Simulações para o projeto da Casa Eficiente

O primeiro modelo, denominado Caso de Referência, foi desenvolvido para avaliar o consumo de energia elétrica obtido pela edificação com padrões construtivos comumente empregados em Florianópolis. Tais padrões são caracterizados pela inadequação ao clima local, reunindo elementos e sistemas conside- rados ineficientes sob os pontos de vista bioclimático e energético. Utilizaram-se cobertura de fibrocimento com forro de madeira, paredes simples de tijolo sem isolamento térmico, janelas com vidros simples e sem proteções solares.

Além disso, o Modelo 1 utilizou climatização artificial nos quartos e na sala, com condicionadores de ar ineficientes do tipo janela, classificados como etiqueta “D” pelo INMETRO. Tais condicionadores de ar, nos meses de outubro a dezembro, eram acionados sempre que a temperatura interna fosse superior a 24 C, a fim de resfriar o ambiente. Entre abril e setembro, os equipamentos eram acionados sempre que a temperatura fosse inferior a 18 C, a fim de aquecer o ambiente. Para a iluminação artificial foram adotadas lâmpadas incandescentes, e os demais equipamentos também eram de baixa eficiência, com as cargas térmicas indicadas na Figura 2.2. Nesse modelo também foram simulados hábitos de consumo pouco eficientes por parte dos usuários da edificação, em relação ao uso da iluminação artificial e ao acionamento dos condicionadores de ar. O Caso de Referência serviu como base para a avaliação do desempenho de cada modelo simulado.

COMPUTADOR/ IMPRESSORA/ ESTABILIZADOR

ILUMINAÇÃO – 790 W EQUIPAMENTOS – 9411 W OCUPAÇÃO

130 W

160 W

100 W

100 W 120 W 80 W

100 W

4900 W

2842 W

QUARTO SOLTEIRO

FERRO DE PASSAR LAVA-ROUPAS

BWC

COZINHA SERVIÇO

QUARTO CASAL

150 W

80 W

240 W

240 W

TV 20”

115 W

115 W

50 W

50 W FREEZER/ GELADEIRA/ MICROONDAS/ LAVA-LOUÇAS

CHUVEIRO/ SECADOR CABELOS

ESTAR/JANTAR

FigUra 2.2 – Cargas internas do Modelo 1.

Nos demais modelos foram simuladas tecnologias diferenciadas, com o emprego de compo- nentes do envelope construtivo e estratégias de condicionamento ambiental adequadas ao clima de Florianópolis, possibilitando avaliar individualmente a influência de cada uma delas no desempenho térmico e energético da Casa Eficiente. As tecnologias foram propostas visando o uso racional da