Comparação do desempenho termoenergético de fachada de

Comparação do desempenho termoenergético de fachada de alvenaria tradicional com fachada ventilada

Carlos Leodário Monteiro Krebs Aluno Especial – PROGRAU UFPEL, e-mail: [email protected]

Eduardo Grala da Cunha

Professor Adjunto e Pesquisador – FAUrb UFPEL, e-mail: [email protected]

RESUMO

Este artigo apresenta um estudo comparativo do desempenho termoenergético de um sistema de fechamento vertical em alvenaria nas situações de vedação tradicional e com fachada ventilada. Tomou-se por base um pavimento comercial típico, no município de Santa Maria – RS. Através do aplicativo Domus Procel Edifica, foram levantados o número de graus-hora de aquecimento e resfriamento, bem como a demanda e consumo de energia para os dois tipos de envoltória. Com isto, são indicadas as melhores situações de uso, vantagens de aplicação e expectativas de retorno do investimento. Este artigo busca contribuir com aqueles que visam a introdução de outras tecnologias na construção de edificações, de forma a tomar decisões projetuais baseadas não apenas na economia construtiva, mas também em eficiência energética ao longo de sua vida útil.

Palavras-chave: Desempenho termoenergético, Simulação computacional, Fachada ventilada.

ABSTRACT

This article presents a comparative study of the thermal energy performance of a vertical closing system in masonry in situations of traditional sealing and with ventilated facade. It was noted that based on a typical commercial story, in the municipality of Santa Maria – RS. Through the Domus Procel Edifica software, were raised the number of degrees-hour of heating and cooling, as well as the demand and energy consumption for the two types of enclosure. With this, the best situations of use, advantages of application and expectations of return on investment are indicated. This article seeks to contribute to those aimed at the introduction of other technologies in the buildings construction, in order to take design-based decisions not only on the constructive economy, but also in energy efficiency throughout its lifetime.

Keywords: Thermoenergetic performance, Computational simulation, Ventilated facade.

INTRODUÇÃO

O Brasil vive um momento frenético no setor da construção civil, com grande oferta de crédito na cadeia imobiliária, permitindo uma rápida renovação e incremento nos estoques do país. Entretanto, esta nova dinâmica carrega consigo a exponencialização dos problemas da indústria da construção civil, como a falta de mão de obra qualificada em todos os níveis hierárquicos, encurtamento no ciclo dos empreendimentos não acompanhada pelo respeito ao prazos contratuais justapostos, e oferta de produtos abaixo do nível de qualidade esperado pelos consumidores. Na intenção de agir em todos os vértices do sistema, o poder público lança mão de legislação, programas de incentivos à qualificação da cadeia produtiva, instrumentos e normativas que buscam regular positivamente o produto oferecido por esta indústria em um horizonte relativamente curto. Neste cenário, há medidas que podem ser apontadas como inovadoras

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para nossa realidade, como a preocupação com o desempenho das edificações e as possibilidades de eficientizá-las sob o ponto de vista do consumo de energia. Enquanto na América do Norte e Europa engenheiros e arquitetos trabalham de forma colaborativa para conceber novas tipologias de prédios comerciais voltados para a eficiência no consumo de energia (eventualmente sem consumo, inclusive), ambientalmente amigáveis e cada vez mais imponentes, o Brasil ainda busca construí-los com tecnologias que façam uso da oferta de mão de obra com pouca ou nenhuma instrução, atendendo um mercado que busca apenas ofertar metro quadrado construído. As preocupações com os custos advindos das opções mercadológicas mais baratas de construir, demandas futuras não previstas, altos custos de operação e manutenção ficarão na conta dos usuários. A recente vigência da Norma de Desempenho de Edificações – NBR 15.575 e a futura exigência de etiquetagem nas edificações – Programa PROCEL Edifica, através do Regulamento Técnico da Qualidade do Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos (RTQ-C) poderão estabelecer um novo patamar nas relações entre fornecedores e consumidores. Dentro deste cenário, a importância de estudos como o aqui apresentado justifica-se pela necessidade de exploração das potencialidades de emprego de outras tecnologias ainda recentes em nosso contexto. Quando comparado aos sistemas mais tradicionais, as fachadas ventiladas podem oferecer uma redução de até 30% no consumo de energia, prover a ventilação natural e reduzir sensivelmente o desconforto provocado pelas fontes externas de ruído (ARONS, 2000). Figura 1. Apresentação das envoltórias nas situações parede padrão e sistema de fachada ventilada, com suas respectivas camadas compositivas.

Fonte: próprios autores (2013).

Além destas vantagens diretas, a adoção de fachadas ventiladas permite potencialmente dois benefícios adicionais, vinculados à indústria da construção: primeiro, oferecimento de um sistema com incremento de qualidade em relação à maioria das envoltórias até aqui utilizadas, contribuindo para a mecanização e montagem das edificações; segundo, deslocamento de uma parcela da mão de obra do canteiro de obras (ambiente imprevisível) para o chão das fábricas (ambiente controlado), qualificando-a na mesma cadeia produtiva.

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OBJETIVO

O objetivo principal deste artigo é averiguar possíveis vantagens nas questões referentes ao desempenho térmico e as possibilidades de economia no emprego de um sistema de fachada ventilada sobreposta à vedação externa, em oposição ao uso de uma vedação tradicional – no caso, parede com bloco de concreto, revestida com argamassa em ambas as faces1. Para isto foi desenvolvido um estudo no município de Santa Maria, RS (Zona 2 do Zoneamento Bioclimático Brasileiro).

MÉTODO

Aspectos Gerais em Etapas

O método de construção da análise utilizado consiste em quatro etapas distintas: 1. Definição do objeto de estudo: 1.1. Características das zonas térmicas; 2. Configurações da situação base e da situação proposta: 2.1. Vedações Externas; 2.2. Esquadrias; 2.3. Ganhos Internos; 3. Simulação das diferentes configurações: 3.1. Programas e plugins; 3.2. Simulação do pavimento ventilado naturalmente: 3.2.1. Graus-hora e temperaturas internas; 3.3. Simulação do pavimento climatizado artificialmente: 3.3.1. Graus-hora e consumo de energia; 4. Análise de eficiência termoenergética: 4.1. Compilação dos relatórios fornecidos pelo aplicativo; 4.2. Interpolação dos dados levantados: 4.2.1. Análise Gráfica; 4.2.2. Valoração.

1. Definição do Objeto de Estudo

Segundo Kragh (2000 apud POIRAZIS, 2006), as fachadas ventiladas podem ser categorizadas de acordo com a função da câmara de ar (tipo de ventilação) em três tipos:

– Paredes Naturalmente Ventiladas: uma pele extra é adicionada pelo lado externo da envolvente dos edifícios. Em períodos sem radiação solar, a pele extra oferece mais isolamento térmico. Em períodos com irradiação solar, a pele fica naturalmente ventilada para o exterior pelo efeito de flutuabilidade. […] Os ganhos de calor pela insolação são reduzidos, uma vez que o ar quente é expelido para o exterior. A diferença de temperatura entre o ar externo e o ar aquecido na cavidade deve ser significativa para o sistema funcionar. Assim, esse tipo de fachada não pode ser recomendado para climas quentes. – Parede Ativa: uma pele extra é aplicada no interior do invólucro do edifício; o ar de retorno interno passa através da cavidade da fachada e volta para o sistema de ventilação. Em períodos com radiação solar a energia, que é absorvida pelas persianas, é removida pela ventilação. Em períodos de cargas de aquecimento, a energia solar pode ser recuperada por meio de trocadores de calor. Este tipo de fachada é recomendado para climas frios, devido ao aumento do conforto durante a estação mais fria e a possível recuperação de energia solar.

1 Conforme "Padrões Brasileiros" na biblioteca do programa Domus, baseada na Tabela D.3 – Transmitância térmica, capacidade térmica e atraso térmico, do Anexo D na NBR 15.220:2005 – Parte 3.

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– Parede Interativa: o princípio da interatividade é mais ou menos como o das paredes naturalmente ventiladas, com a diferença significativa que a ventilação é forçada. Isso significa que o sistema funciona em situações com altas temperaturas, que não dependem apenas do efeito de flutuabilidade. O sistema é, portanto, ideal para climas quentes com alta carga de refrigeração. Durante os períodos de frio sem irradiação solar (por exemplo, durante a noite) a ventilação pode ser minimizada para maior isolamento térmico. Além das vantagens em termos de desempenho térmico e solar do sistema, permite o uso de janelas operáveis para ventilação natural, mesmo em arranha-céus.

Este trabalho buscou as relações do primeiro tipo, mas, dadas as limitações técnicas encontradas no uso do programa (em versão beta), foram realizados estudos com simulações computacionais de apenas um pavimento típico com uso comercial. Este pavimento tem sua conformação distribuída em duas alas, com núcleo de distribuição ao centro, circulações centrais (longitudinais) e ocupação de uso distribuída de forma perimetral ao longo do polígono regular e simétrico.

1.1. Características das Zonas Térmicas

A geometria básica do pavimento é formada por seis zonas térmicas em compartimentos principais – áreas de permanência prolongada (com faces voltadas para todas as orientações e aberturas apenas para Norte e Sul), e outras quatro zonas em compartimentos secundários2 – áreas transitórias, apresentada na Fig 2, em fase de concepção.

Figura 2. Imagem geral do objeto de estudo, desde a orientação N-NO


As esquadrias definidas fazem uso de vidro simples na face Sul, e vidros duplos na face Norte, ambos os tipos utilizando caixilho de alumínio com “superfície metálica de cor clara”. Todas as esquadrias voltadas para a orientação Norte apresentam brise horizontal superior fixo (alinhado à aresta do vão), comprimento igual à dimensão maior das janelas, acrescido de 25cm em cada lado (transpasse horizontal), e com profundidade de um metro.

2 Combinação da nomenclatura apresentada na Parte III, Título I, Capítulo III, Art. 93, § 1º e § 2º da Lei Complementar Municipal 70/2009 (Código de Obras de Santa Maria), com aquela definida aos usuários do programa Domus.

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Considerando-se que o perfil de variação da temperatura do ar interior representa a resposta térmica da edificação exposta ao comportamento apresentado pelo perfil de variação da temperatura do ar exterior (AKUTSU, 2012), pode-se inferir que a inércia característica do conjunto dos ambientes será aquela obtida pelo amortecimento da amplitude da temperatura externa em relação ao ar interno, de forma que quanto maior for esta diferença, melhor serão as propriedades do envelope que veda estes ambientes. Preservando o pavimento em estudo de maiores influências da incidência solar direta na cobertura e das trocas naturais com o solo, foram consideradas duas lajes extras: uma 1,80m acima da laje impermeabilizada da cobertura (linha pontilhada sobre o objeto na Fig. 2); outra sob a laje junto ao solo, também distante 1,80m (polígono cinza na parte inferior do objeto na Fig. 2).

2. Configurações da Situação Base e da Situação Proposta

2.1. Vedação Externa

A Tab. 1 mostra os elementos, suas propriedades e espessuras (reais e aplicadas), aplicadas desde o meio externo para o interno. Entre os elementos utilizados, a ‘Cerâmica Extrudada’ foi acrescida à biblioteca de materiais do programa Domus, pela inserção dos respectivos valores de condutividade térmica (𝜆, em W/m.K), densidade (𝜌, em kg/m3) e calor específico (Ce, em J/kg.K), em janela própria. Tabela 1: Materiais e Propriedades

A transmitância3 parcial desta parede proposta (Uparcial) resulta da combinação dos materiais, mais os outros existentes – dispostos em camadas estanques, calculada pela fórmula:

𝑈!"#$%"& =1

𝑅!"#$%"&=

1𝑅!"# + 𝑅! + 𝑅! + 𝑅! + 𝑅! + 𝑅!"#

3 Os valores da Transmitância Térmica de 1,13W/m2K (câmara de ar ventilada) e 0,96W/m2K (câmara de ar estanque), calculados para a parede real dentro do sistema de fachada ventilada, necessitam do ajuste das espessuras de suas respectivas camadas, dentro do programa Domus, para a obtenção do mesmo valor na chamada "parede equivalente".

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Tabela 2: Resistências

Assim, por período:

𝑈!"#$%"& !"#/!"# =1

0,04 + 0,09 + 0,11 + 0,45 + 0,19 + 0,13 =11,01

𝑈!"#$%"& !"#/!"# = 0,99W/m2.K

e

𝑈!"#$%"& !"#/!"# =1

0,04 + 0,29 + 0,11+ 0,45 + 0,19 + 0,13 =11,21

𝑈!"#$%"& !"#/!"# = 0,83W/m2.K

A estas transmitâncias parciais acrescentam-se as perdas lineares (𝜓) referentes às pontes térmicas, representadas pelos perfis da subestrutura de sustentação da fachada ventilada, e as perdas pontuais (𝜒), representadas pelas peças de fixação deste sistema na alvenaria. Com isto, considerando um perfil "Y" a cada 80cm (densidade de 1/0,80m = 1,25m/m2) como subestrutura, fixado por quatro cantoneiras metálicas (L = 80mm) em cada perfil e a cada altura de pavimento (densidade de 1 / (0,80m x 0,75m = 1,667/m2), obtém-se:

𝑈!" !"#/!"# = 𝑈!"#/!"# + (𝜓 𝑥 𝐿)+ (𝜒 𝑥 𝑛) = 0,99+ 0,003 x 1,25 + 0,080 x 1,667

𝑈!" !"#/!"# = 1,13W/m2.K

e

𝑈!" !"#/!"# = 𝑈!"#/!"# + (𝜓 𝑥 𝐿)+ (𝜒 𝑥 𝑛) = 0,83+ 0,003 x 1,25 + 0,080 x 1,667

𝑈!" !"#/!"# = 0,96 W/m2.K

O cálculo de valores de transmitâncias totais diferentes para o sistema de fachada ventilada considerando-se dois períodos ao longo do ano – câmara de ar ventilada e estanque, busca a adequação desta tecnologia com as diretrizes construtivas apresentadas para a cidade de Santa Maria na NBR 15.220:2005, conforme Tab. 3:

Tabela 3: Esquadrias utilizadas e dados definidos no projeto

Além dos materiais específicos que representam as envoltórias tradicional e proposta, outros complementam o objeto de estudo e foram introduzidos à biblioteca original do programa. São eles as lajes usadas e as proteções solares, inseridos como 'Laje Protendida Alveolar 15cm' (𝜌 de 1900kg/m3, Ce de 900J/kg.K e 𝜆 de 1950W/m.K), enquanto o revestimento dos brises é 'Alumínio' (𝜌 de 2700kg/m3, Ce de 920J/kg.K e 𝜆 de 202W/m.K).

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2.2. Esquadrias

Utilização de esquadrias metálicas em alumínio pintadas com cor clara, dispostas nas faces Norte e Sul, padrão de medidas em 3000x1500mm, exceto aquela localizada junto ao Hall de distribuição, com 6000x1800mm. A área de caixilhos em relação ao vão de cada janela é de 15%, com emprego de vidros simples nas esquadrias da face Sul, e vidros duplos nas esquadrias da face Norte, conforme Tab. 4: Tabela 4: Esquadrias utilizadas e dados definidos no projeto

2.3. Ganhos Internos

Os ganhos internos no aplicativo Domus são definidos por pessoas, iluminação e equipamentos, e estão resumidos na Tab. 5. Os ocupantes somam 74 pessoas distribuídas nas zonas de permanência prolongada e três no Hall, considerando-as na atividade de trabalho em Escritório. Quanto à iluminação, através de arquivo tipo planilha para montagem de projeto luminotécnico, indicou-se, a partir de catálogo Philips, 'Luminária TBS910 228/C5' e 'Lâmpada Fluorescente TL5 28/85' para as quatro Salas com 127,30m2, as duas Circulações, o Núcleo de Circulação Vertical e o Hall; 'Luminária TBS910 414/C5' e 'Lâmpada Fluorescente TL5 28/85' para as duas Salas com 60,40m2; 'Luminária FBS672 Torino' e 'Lâmpada Fluorescente 2xPL-C 8404P 18W' para o conjunto de 24 Sanitários4 das salas anteriores. A listagem dos equipamentos considera computadores com monitores 19-20", impressoras tipo laser, máquinas de café, televisores 40" tipo LED e roteadores wireless. Para o condicionamento de ar, inseriu-se na biblioteca do programa modelos da Gree com nível de eficiência A no programa de etiquetagem para eletrodomésticos do PROCEL, sendo cinco equipamentos de 24.000Btu's, modelo GWH24MD-D1NNA3Ci para cada uma das quatro Salas de 127,30m2 (com orientações Norte e Sul), e três equipamentos de 18.000Btu's, modelo GWH18MC-D1NNA3Ci para cada uma das duas Salas de 60,400m2 (com orientações Leste e Oeste).

Tabela 5: Ganhos internos

3. Simulação das Diferentes Configurações

3.1. Programas e Plugins

Utilizou-se o programa Domus – Procel Edifica (DOMUS-PUCPR, 2013), que determina o comportamento térmico de edificações sob condições dinâmicas de exposição ao clima, para execução deste estudo. Como o programa Domus simula a iluminação artificial considerando-a sempre ligada – dentro dos horários programados para uso, ou desligada – fora destes horários, os valores de 4 Embora o programa Domus trabalhe apenas com a ideia de zona térmica, com uma geometria regular e simples, para efeitos do somatório da densidade de potência de iluminação foi considerada a divisão interna das salas com área de trabalho, copa e sanitários.

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demanda e consumo de energia desta apresentariam um percentual relativo muito discrepante da realidade, na ordem de 60% do total quando considerados iluminação, equipamentos elétricos e ar-condicionado. Considerando-se esta questão, optou-se por encontrar uma alternativa mais próxima da realidade, buscando-se a geração de um arquivo auxiliar que considerasse as possibilidades da radiance5. Na tentativa de diminuir esta distorção, optou-se pela utilização de dados de densidade do programa Daysim. Este programa é uma interface gráfica para uma série de rotinas e subprogramas escritos na plataforma UNIX. São gerados valores considerando a geometria básica sob interferência do clima local, iluminação natural, presença de cortinas ou bloqueadores, programação por horário, posição de sensores lumínicos associados a linhas de luminárias próximas das esquadrias externas, emprego de dimerizadores nas luminárias e programação de uso distinta da programação de atividade do ambiente. Para este arquivo auxiliar, o pavimento típico foi redesenhado em outro programa tipo CAD (Trimble SketchUp v8), por meio do plugin Legacy OpenStudio. Neste volume foi criado, em camada distinta, um plano horizontal cortante ao conjunto de ambientes, no qual foi estabelecida uma malha de sensores (distantes 1 x 1m uns dos outros) a uma altura de 80cm, equivalente ao plano de trabalho no ambiente de escritórios. A partir daí, os materiais empregados neste arquivo são estabelecidos de acordo com biblioteca de materiais pré-instalada pelo plugin sd2rd – igual àquela do programa Daysim e a este referendada. Salienta-se que a especificação é estabelecida de forma simplificada, dizendo respeito estritamente a sua cor/tipo. Estabelece-se a localização do arquivo trabalhado com o ajuste de dados referentes a latitude, longitude, fuso horário e altitude. Para exportar o arquivo de trabalho desde o SketchUp para o Daysim, através do plugin sd2rd, desliga-se a camada de pontos descrita anteriormente, e ajusta-se na janela de exportação os dados referentes ao diretório onde a pasta final será salva, o nome do "projeto" e indica-se o arquivo climático (a partir do arquivo climático EPW6 originalmente escolhido) a ser utilizado. A exportação do arquivo gera uma pasta com cinco arquivos, os quais serão abertos seguindo um encadeamento orientado pelo programa Daysim. Obtém-se assim a produção de resultados numéricos que descrevem o desempenho da iluminação natural combinada com a artificial, em formato CSV7, onde a Densidade de Potência de Iluminação (DPIL) está bem mais próxima da situação real para efeitos da simulação.

3.2. Simulação do pavimento ventilado naturalmente

3.2.1. Graus-hora e temperaturas internas

Inicialmente, nas situações base e proposta, observaram-se as temperaturas internas apuradas ao longo de um ano, zona a zona, hora a hora, em todos os dias. Buscou-se o estabelecimento de uma linha referencial do nível de conforto que a tecnologia de fachada ventilada pudesse oferecer como recurso de envelope. O segundo parâmetro utilizado na análise destas simulações com uso de ventilação natural é o de "temperaturas internas", compilando-se um valor hora a hora, 24 horas por dia, zona a zona

5 Radiance é um sofisticado sistema de visualização da luz, empregando poderosos algoritmos na análise de um determinado cenário por meio de rotinas na linguagem UNIX. Originária de uma linha de pesquisa em Lawrence Berkeley Laboratories, ela evoluiu de forma independente para transformar-se em uma poderosa série de rotinas (scripts) para programas do tipo OpenSource, a serem trabalhados de forma paralela em outros programas de modelagem tridimensional, combinando grande quantidade de cálculos repetitivos com uma rápida compilação de resultados. 6 Segundo o U.S. Departament of Energy, EPW – Energy Plus Weather (arquivo climático do programa EnergyPlus, em inglês) é um formato utilizado por inúmeros programas de simulação de uso de energia. 7 Segundo a International Engineering Task Force, o formato CSV – Comma Separated Value (valor separado por vírgulas, em inglês) é um padrão adotado para intercambiar dados entre programas de planilhas.

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para todos os dias do ano. Considerando-se a mesma faixa de conforto anterior, os dados de temperatura de cada zona foram pareados e determinaram-se valores máximos e mínimos, quartis inferiores e superiores e a mediana de cada zona para um período anual, facilitando a visualização, conforme a Fig. 8. Na inserção dos dados referentes ao sistema proposto, deparou-se com o problema do programa Domus não apresentar alguma opção quanto à operabilidade da ventilação na fachada. Contornando a questão, efetivaram-se duas simulações. Uma na condição do sistema aberto – com a camada de ar em fluxo ascendente, no período mais quente do ano; outra no sistema fechado – com a camada de ar estanque, no período mais frio do ano. A divisão da situação proposta em duas partes auxilia na aproximação do uso em condições verdadeiras. Resultados demonstram que é possível obter um significativo efeito de resfriamento quando a cavidade de ar interna tiver uma largura maior que 7cm (BALOCCO, 2001). Se simulássemos uma edificação completa, o fluxo convectivo do ar no período mais quente do ano beneficiar-se-ia também do incremento da altura, pelo efeito do empilhamento de pavimentos. Nesta condição, a diminuição da razão entre a largura e a altura do canal incrementa os efeitos de convecção natural do ar, ampliando o benefício do retardo da transmissão do calor desde o ambiente externo nos meses mais quentes, conforme apresentado nas figuras a seguir. Figuras 5a e 5b. Operabilidade da câmara de ar: sistema aberto

Fonte: próprios autores (2013)

Figuras 6a e 6b. Operabilidade da câmara de ar: sistema fechado

Fonte: próprios autores (2013)

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3.3. Simulação do Pavimento Climatizado

3.3.1. Graus-hora e Consumo de Energia

Novamente, o primeiro parâmetro empregado na análise das simulações com climatização artificial foi o de "graus-hora", considerando-se todas as horas ao longo de um ano. Apesar de não fazer sentido falarmos em graus-hora quando desenvolvem-se atividades em ambientes artificialmente climatizados (onde pressupõe-se que haja uma faixa de conforto sendo constantemente mantida), é importante salientar que o cômputo de dados afere todas as horas do dia, todos os dias do ano. O emprego da climatização, combinado com o tipo de envoltória, poderia incrementar ou diminuir as temperaturas internas fora do horário das atividades. Em paralelo a estas observações, são registrados o consumo e demanda de energia a partir dos relatórios diretos das simulações fornecidos pelo programa Domus. Como os valores não são agrupados para todo o pavimento típico estudado, realiza-se a compilação destes mês a mês, zona a zona.

4. Análise de Eficiência Termoenergética

4.1. Compilação dos relatórios fornecidos pelo aplicativo

As simulações foram divididas em: – Sem ar-condicionado, janelas abertas em 50% do vão e envoltória tradicional; – Sem ar-condicionado, janelas abertas em 50% do vão e fachada ventilada; – Com ar-condicionado e janelas fechadas, envoltória tradicional; – Com ar-condicionado e janelas fechadas, fachada ventilada. Para que eventuais discrepâncias não interferissem nos resultados apurados através do programa Domus, buscou-se a equivalência dos objetos tipificados em estudo. Assim, equalizou-se da mesma maneira a programação de ocupação, as atividades, os equipamentos, o uso da iluminação, a quantidade de pessoas e os materiais que definem o piso e a cobertura, além da busca pelo isolamento quanto às interações com o albedo do solo e a incidência solar na cobertura. Os dados referentes às simulações pareadas observando graus-hora e temperaturas internas para as situações de ventilação natural estão apresentadas nas Fig. 7 e 8. Figura 7. Gráficos demonstrando a quantidade de horas anuais em que se necessita de resfriamento (esquerda) ou aquecimento (direita) no pavimento típico, comparando-se a situação padrão com a fachada ventilada (em barras verdes), na situação sem ar-condicionado e com ventilação natural.


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Figura 8. Gráfico demonstrando as temperaturas internas nas dez zonas térmicas, ao longo de todas as horas do ano, comparando-se a situação padrão (cor branco) com a fachada ventilada (cor verde), na situação sem ar-condicionado e com ventilação natural. Estão representados os valores máximos e mínimos, os primeiros e terceiros quartis e as medianas.


Os dados referentes às simulações pareadas observando graus-hora e demanda e consumo para as situações de climatização artificial estão apresentadas nas Fig. 9 e Tab. 6. Figura 9. Gráficos demonstrando a quantidade de horas anuais em que se necessita de resfriamento (esquerda) ou aquecimento (direita) no pavimento típico, comparando-se a situação padrão com a fachada ventilada (em barras verde), na situação com ar-condicionado, sem ventilação natural e com seis renovações de ar por hora.


Tabela 6 – Consumo de energia

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4.2. Interpolação dos dados levantados

4.2.1. Análise Gráfica

Analisando-se inicialmente a questão de graus-hora na situação de emprego apenas da ventilação natural para o somatório de todos os ambientes (Fig. 7), com a abertura máxima de 50% permitida para as esquadrias empregadas – tipo maxim-ar, observa-se uma vantagem pouco significativa no emprego do sistema de fachada ventilada. Para o resfriamento são contabilizados 792,4 graus-hora/ano a menos na envoltória proposta quando comparada ao uso da envoltória tradicional (-0,44%). Para o aquecimento esta margem amplia-se um pouco, contabilizando-se 2.858,2 graus-hora/ano a menos na envoltória proposta quando comparada ao uso da envoltória convencional (-2,24%). Estes valores tão próximos estão comprovados pelo que sugere a Fig. 8, onde estão representadas as temperaturas internas de cada um dos ambientes (zonas térmicas), agrupadas aos pares entre situações base e proposta. Praticamente todas as médias compiladas para os valores máximos e mínimos, quartis inferiores e superiores, bem como as medianas, apresentam diferenças centesimais (pró sistema de fachada ventilada). Exceto para a 'Sala NORTE (dir)', a caixa entre quartis situa-se dentro da faixa estipulada de conforto (20 a 24ºC). Voltando-se para a análise dos graus-hora, agora considerando-se o emprego de climatização natural, observa-se o aumento na vantagem do emprego da fachada ventilada em relação à envoltória tradicional. Conforme a Fig. 9, para o resfriamento são contabilizados 14.115 graus-hora/ano a menos na envoltória proposta quando comparada ao uso da envoltória tradicional (-13,72%). Para o aquecimento, contabilizam-se 13.374,50 graus-hora/ano a menos na envoltória proposta quando comparada ao uso da envoltória convencional (-11,95%). Isto aparece de forma sintética na visualização da Tab. 6, onde o somatório dos kilowatts-hora ao longo do ano é aproximadamente 12% menor na situação proposta em relação à situação base. Na montagem da simulação, optou-se pelo uso de equipamentos com resfriamento apenas. Ou seja, se a climatização artificial também previsse o desconforto para o período mais frio, o aumento do consumo de energia total elevaria a diferença percentual referente a climatização entre os dois sistemas analisados. Interpretando-se os dados, depreende-se que o programa Domus, apesar de não permitir um controle maior sobre o fluxo de ar dentro da câmara internalizada da fachada ventilada, possibilita uma análise preliminar sobre o desempenho global do sistema proposto. A questão de ventilar ou selar a câmara de ar é contornada com simulações independentes, considerando-se meio ano para cada uma delas. Para a condição de janelas abertas ou fechadas, este contorno não é possível: a operabilidade delas é assinalada no programa apenas com "aberto" ou "fechado", definindo-se isto pela programação de atividades dos ambientes. Ou seja, apesar das esquadrias não estarem fechadas nos dias mais frios (durante o horário de trabalho) do ano, ainda assim a quantidade de horas de desconforto é significativamente inferior que aquelas apuradas nos mesmos ambientes quando considera-se o envelope tradicional. Faz-se supor que o condicionamento combinado da ventilação natural com climatização suplementar, tornaria bastante eficiente o sistema proposto. Isto vai de encontro com o que atualmente é entendido como qualidade do ambiente interno, onde "o entendimento das necessidades dos usuários permite que dados do Gerenciamento de Facilidades possam ser utilizados para completar e melhorar o programa de necessidades de projetos novos ou de reformas de edifício de escritórios" (LIU, 2010). A demanda total de energia apresenta uma estimativa de decréscimo anual de 9% ao trocar-se a envoltória tradicional (padrão) pelo sistema proposto (fachada ventilada), ainda que não

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tenha sido possível o emprego direto de mecanismos de controle sobre a câmara de ar. Outra possibilidade de incremento da economia na opção pelo uso da envoltória proposta verifica-se com a relação entre cheios e vazios, ou envoltória opaca versus envoltória translúcida. Mesmo que no objeto de estudo as condições de tipos de vidro empregado tenham sido iguais para as duas situações, a relação de maior oferta de iluminação natural do que aquele solicitado pelo Código de Obras de Santa Maria 8 , implicou em um incremento da área com maior transmitância (esquadrias) – e maior valor construtivo, do que se fosse utilizada a vedação opaca apenas nas proporções legais (tanto a tradicional quanto a proposta).

4.2.2. Valoração

Para estabelecer um valor ao sistema proposto, consideram-se os seguintes itens tabelados: Tabela 7 – Consumo de energia

Se valor do metro quadrado da envoltória proposta (Vfv) é o resultado da combinação:

Vfv = [ (d) + (e) ] - (f) = ( 715,23 + 297,66 ) - 502,26

Vfv = R$510,63/m2

Então, não contabilizando-se a capitalização do valor imobilizado ou os custos advindos da operação e manutenção de um ou outro sistema, e considerando-se apenas a metragem apresentada em (h) e o Vfv, a perspectiva de tempo de retorno para o investimento está estimada em aproximadamente 190 anos (!). Na intenção de reduzir a perspectiva de retorno do investimento para um horizonte razoável de dez anos, o valor do custo do metro quadrado construído (bplus) seria impactado da seguinte forma:

𝑏!"#$ =[ ( 𝑉𝑓𝑣 𝑥 𝐻 ) − (10 𝑥 𝐼) ]

𝐺

𝑏!"#$ =[ ( 510,63 𝑥 265,55 ) − 7.151,70 ]

780,04

𝑏!"#$ = R$164,67/m2

Com a inserção de bplus no custo do metro quadrado construído original (B), o valor aumenta 11,74%, demonstrando, de forma simplista e direta, que a implementação desta tecnologia necessita de melhores pesquisas, testes, demonstrações e monitoramento de performance das

8 O Art. 104 da LC 70/2009 do município de Santa Maria apresenta os valores mínimos para iluminação e ventilação naturais, respectivamente 1/6 e 1/12 da área de piso nos compartimentos principais. No objeto de estudo esta relação apresenta 108,00m2 de esquadrias para 540,60m2 de área de piso nos compartimentos principais (praticamente 1/5 de proporção), com abertura para ventilação de 50% nas esquadrias tipo maxim-ar.

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edificações onde já foi instalada de forma que este percentual possa ser reduzido e viabilizar seu uso.

Considerações Finais

As observações apuradas neste experimento indicam um potencial futuro para investigações mais aprofundadas sobre as possibilidades de emprego desta tecnologia de fachada ventilada. Entretanto, as análises aqui apresentadas enfrentaram as dificuldades naturais de querer comparar-se uma tecnologia ainda fora da realidade local por meio de dados de saída obtidos com um programa ainda em fase de desenvolvimento. Entende-se que a inserção de materiais construtivos proporcionada pelo programa principal utilizado contempla apenas elementos estanques, ficando a dever quando há a busca por produtos que possam apresentar comportamento dinâmico. Segundo Pérez et al (2011), o desenvolvimento de um modelo matemático é capaz de contribuir para isto:

"Dinâmica de fluidos computacional (CFD – sigla em inglês para Computacional Fluid Dynamics) tem sido amplamente utilizada desde a década de 70 para a simulação do movimento do ar tanto no interior dos prédios, como na relação do ar interior com o exterior do envelope. No entanto, esta técnica não foi utilizada para a modelagem de fachada ventilada. A presente contribuição se apresenta como uma poderosa ferramenta para quantificar a capacidade que o fluxo convectivo criado na câmara de ar tem para promover a economia de energia no condicionamento de edifícios. [ ... ] O código numérico que tem sido usado para resolver as equações da mecânica dos fluidos no cerne da lâmina de ar é o de volumes finitos (por sua sigla em inglês FVM), base teórica de todos os programas CFD que existem no mercado, sejam eles comerciais ou de distribuição gratuita."

Assim, como um possível desdobramento deste trabalho, seria interessante propor uma repetição destas simulações com a inserção da variável dimensão vertical. Acredita-se, inclusive, que o efeito "pilha" da sobreposição de pavimentos, ao incrementar a altura do conjunto, possa interferir na velocidade deste fluxo ascendente e, consequentemente, ampliar seus efeitos positivos nos períodos mais quentes do ano. Efetivamente, a mecanização de paredes são uma tendência tecnológica inovadora, confirmada pelo mercado internacional (GUARDIGLI, 2005) que apresenta-se com um potencial de uso muito grande no país. A abundância de matéria-prima para as peças cerâmicas, a possibilidade de oferta de um novo produto (com emprego de tecnologia nacional), e a necessidade de associar-se um maior conforto higrotérmico nos ambientes internos com a diminuição dos custos operacionais, favoreceriam a disseminação desta tecnologia. E com esta disseminação, novas oportunidades de estudo, incremento qualitativos, avaliações e melhorias no produto, e, principalmente, diminuição nos custos de implementação em relação a atual matriz de uso, viabilizarão adaptações do emprego para as demais zonas bioclimáticas brasileiras.

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Comparação do desempenho termoenergético de fachada de