ANÁLISE DO DESEMPENHO TÉRMICO DE UMA EDIFICAÇÃO …

ANÁLISE DO DESEMPENHO TÉRMICO DE UMA EDIFICAÇÃOCOMERCIAL

ANALYSIS OF THE THERMAL PERFORMANCE OF A COMMERCIALBUILDING

Leandro Mesquita1

Michele Soares Netto 2

Ruth da Silva Brum 3

Joseane da Silva Porto 4

Resumo: O principal fator na redução do consumo de energia é preservar o conforto térmiconas edificações, sendo a ventilação natural uma estratégia importante para atingir este conforto.Sendo assim, o objetivo deste trabalho é analisar o desempenho térmico de uma edificaçãocomercial, através de simulações computacionais, considerando duas cidades de climas diferentes. Asimulação computacional foi realizada utilizando o software SketchUp para a construção do domíniocomputacional, e o software EnergyPlus no processamento e pós processamento da modelagem. Oano escolhido para estudo foi 2018, conforme a natureza da edificação, o horário de funcionamentodo estabelecimento se restringe à programação de ocupação por pessoas, definido entre 8:00 e 19:00hnos dias úteis durante a semana, totalizando 2.772 horas. Como resultado mostra-se graficamentea temperatura média de cada região, que é o desempenho ao longo das 8.640 horas analisando aeficiência da edificação. As cidades escolhidas para analisar o conforto térmico foram Porto Alegree Manaus. Os resultados mostraram um conforto de 74,61% na cidade de Manaus e 33,62% emPorto Alegre, compatível com a caracterização de cada região analisada, o frio 66,38%, mostrandobons resultados com as investigações de conforto térmico adaptativo em regiões climáticas distintasusando o software EnergyPlus.

Palavras-chave: Desempenho térmico. EnergyPlus. Simulação computacional.

1Mestrando em Modelagem Matemática, Universidade Federal de Pelotas, [email protected] em Modelagem Matemática, Universidade Federal de Pelotas, [email protected] em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Pelotas, [email protected] em Ciências e Engenharia de Materiais, Universidade Federal de Pelotas, [email protected].

Revista Mundi, Engenharia e Gestão, Paranaguá, PR, v. 6, n. 3, p. 368-01, 368-12, 2021.DOI: 10.21575/25254782rmetg2021vol6n31683

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https://orcid.org/0000-0002-6282-6911

https://orcid.org/0000-0001-5891-2078

https://orcid.org/0000-0003-4657-1354

https://orcid.org/0000-0002-1717-8572

Abstract: The main factor in reducing energy consumption is to preserve thermal comfort inbuildings, with natural ventilation being an important strategy to achieve this comfort. Therefore,the objective of this work is to analyze the thermal performance of a commercial building, throughcomputer simulations, considering two cities with different climates. The computational simulationwas performed using SketchUp software to build the computational domain, and EnergyPlussoftware in the processing and post-processing of the modeling. The year chosen for study is 2018,depending on the nature of the building, the opening hours of the establishment are restricted to theoccupation schedule for people, defined between 8:00 and 19:00 on working days during the week,totaling 2,772 hours. As a result, the average temperature of each region is graphically shown, whichis the performance over the 8,640 hours analyzing the efficiency of the building. The cities chosento analyze thermal comfort were Porto Alegre and Manaus. The results showed a comfort of 74.61% in the city of Manaus and 33.62 % in Porto Alegre, compatible with the characterization of eachanalyzed region, the cold 66.38 %, showing good results with the comfort investigations adaptivethermal in different climatic regions using EnergyPlus software .

Keywords: Thermal performance. EnergyPlus. Computational simulations.


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1 INTRODUÇÃO

Na busca da redução de consumo energético, profissionais da área da construção tembuscado um melhor desempenho térmico nas suas edificações. O fator principal na reduçãodo consumo de energia é preservar o conforto térmico nas edificações. Para Sorgato (2009) ouso da ventilação natural pode proporcionar conforto térmico aos seus usuários por amenizar asaltas temperaturas internas e possibilitar o resfriamento fisiológico dos usuários.

A ASHRAE Standard 55 (2010) conceitua o conforto térmico como uma condição, deestar satisfeito em relação ao ambiente em que a pessoa se encontra. O conforto térmicopode ser avaliado, após a conclusão da construção da edificação, no local ou usando modelosmatemáticos capazes de estimar as respostas dos usuários.

Nesse sentido, tem-se utilizado modelagem computacional para analisar o confortotérmico nas edificações. Essas simulações, geralmente, são baseadas em métodos complexosde cálculo. Segundo Porto (2019) para realizar uma simulação térmica é importante terconhecimentos de volumes de controle, conservação de massa e energia e transferência de calor.

Neste trabalho pretende-se analisar o desempenho térmico de uma edificação comatividade comercial característica de escritório. Através de simulações computacionais,utilizando o software EnergyPlus, arquivos climáticos de duas cidades com climas diferentes,do ano de 2018, afim de analisar os resultados encontrados.

2 DESENVOLVIMENTO

O domínio computacional foi construído com os dados da casa Ventura descrita notrabalho de Vaz et al. (2011), e para efeitos e análise definiu-se essa edificação como comercial,um escritório, com área construída de 40,70 m², com um pé direito de 3,05 m, com quatroambientes. As paredes externas da edificação foram erguidas com pedra de grês, com 20 cmde espessura, rebocadas com 3 cm de argamassa. As paredes internas foram construídas comtijolos furados, com 10 cm de espessura, rebocadas dos dois lados com argamassa, com 3 cmde espessura cada lado. As portas são de madeira de compensado de 4 cm, com a parte superiorenvidraçada com vidro simples; e as janelas fixas de vidro simples de 5 mm. A cobertura éconstituída de solo argiloso, 5 cm, com as estruturas de madeira de 20 cm de diâmetro. Ocontrapiso é de concreto, com espessura de 5 cm.

O domínio computacional, mostrado na Figura 1, foi feito no software SketchUp, já como plugin da OpenStudio instalado.


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Figura 1: Modelagem da edificação comercial.

Fonte: Autores (2020)

Foi utilizado o Regulamento Técnico da Qualidade para o Nível de Eficiência Energéticade Edificações Comerciais (RTQ-C), que é a normativa de eficiência energética para edifícioscomerciais, públicos e de serviços, para configurar o uso e iluminação, específicos de umescritório.

2.1 Configuração do modelo e resolução do problema

Após desenvolver o modelo no SketchUp, foi feita a configuração adequada com os dadosreais da casa, para realizar a simulação computacional através do software EnergyPlus.

Este software requer um arquivo climático, do tipo TRY, utilizado para o estudo docomportamento de uma edificação ao longo de um ano e apresenta boa precisão no cálculoda demanda média de energia (OLIVEIRA, 2006). Os arquivos climáticos empregados foramos de Porto Alegre/RS e Manaus/AM, do ano de 2018, conforme já mencionado.

O EnergyPlus utiliza o método de cálculo do balanço térmico e suas simulaçõestermoenergéticas utilizam o modelo de rede para o cálculo do fluxo de ar, denominadoAirflowNetwork.

Na documentação do EnergyPlus, no manual Engineering Reference, encontramos todasas equações utilizadas pelo software, de acordo com os dados de entrada e saída utilizados nasimulação.

O cálculo utilizado nas zonas térmicas pelo EnergyPlus é o método do balanço de calor,onde cada elemento da edificação envolve os processos de condução, convecção, radiação e


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transferência de massa, tanto nas superfícies internas quanto externas. O ar da zona térmicano EnergyPlus é modelado com temperatura constante, segundo Crawley et al. (2001), e sãoassumidas as seguintes hipóteses para o balanço de calor nas superfícies (paredes, janelas, tetose pisos): temperaturas das superfícies uniformes; radiação de onda longa e curta uniformes;troca de radiação entre superfícies; e condução de calor unidimensional.

O balanço de calor na zona térmica é calculado pela Equação (1), conforme o manualEngineering Reference, que considera a capacitância e a variação da energia armazenada peloar da zona:

CzdTzdt

=Nsl∑i=1

Qi +Nsurfaces∑

i=1

hiAi(Tsi − Tz) +Nzones∑i=1

miCp(Tzi − Tz) +

minfCp(T∞ − Tz) + Qsys, (1)

em que Cz dTzdt é a taxa de energia armazenada no ar da zona térmica (W);∑Nsli=1 Qi é o somatório

das cargas internas convectivas (W);∑Nsurfaces

i=1 hiAi(Tsi − Tz) é a transferência de calor porconvecção proveniente das superfícies da zona (W);

∑Nzonesi=1 miCp(Tzi−Tz) é a transferência de

calor devido à mistura de ar entre as zonas térmicas (W); minfCp(T∞−Tz) é a transferência decalor devido à infiltração de ar externo (W); Qsys é a taxa de calor com o sistema de climatização(W).

Caso a capacitância do ar (Cz) for desprezada, o balanço de calor na zona térmica serácalculado pela Equação (2):

−Qsys =Nsl∑i=1

Qi +Nsurfaces∑

i=1

hiAi(Tsi − Tz) +Nzones∑i=1

miCp(Tzi − Tz) +

minfCp(T∞ − Tz). (2)

Para o cálculo do balanço térmico nas superfícies externas, paredes externas, devem serlevadas em conta as trocas por convecção, condução e radiação, utilizando a Equação (3):

q′′αsol + q′′LWR + q′′conv − q′′ko = 0, (3)

onde q′′αsol é o fluxo de calor da radiação solar difusa e direta absorvida (W/m2); q′′LWR é ofluxo de radiação de ondas de alto comprimento trocado com o ar e o entorno (W/m2); q′′conv é


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o fluxo de calor por convecção trocado com o ar externo (W/m2); e q′′ko é o fluxo de calor porcondução na parede (W/m2).

O balanço térmico para as paredes internas pode ser escrito pela Equação (4):

q′′LWX + q′′SW + q′′LWS + q′′ki + q′′sol + q′′conv = 0, (4)

onde: q′′LWX é o fluxo de calor radioativo de longo comprimento de onda trocado entresuperfícies das zonas térmicas (W/m2); q′′SW é o fluxo de calor radioativo de curto comprimentode onda para a iluminação das superfícies das zonas (W/m2); q′′LWS é o fluxo de calor radioativode comprimento de onda longa dos equipamentos da zona (W/m2);q′′ki é o fluxo de conduçãoatravés da parede (W/m2); q′′sol é o fluxo de radiação solar absorvido pela superfície (W/m2);e q′′conv é o fluxo de calor convectivo para o ar da zona (W/m2).

A ventilação natural no EnergyPlus pode ser simulada de forma simplificada, definindo-se uma vazão nominal de ar e um schedule (padrão de uso e operação da edificação), oupelo módulo de rede AirflowNetwork, a que foi usada neste trabalho. O EnergyPlus realizaa simulação da ventilação natural junto com a simulação térmica da edificação. A ventilação nomódulo AirflowNetwork simula o desempenho de um sistema de distribuição de ar e calcula ofluxo de ar entre zonas térmicas devido à ação do vento.

O ganho solar total em qualquer superfície exterior é uma combinação da absorção diretae radiação solar difusa fornecida pela Equação (5):

Qso = α ·(Ib · cos θ · Ss

S+ Is · Sss + Ig · Ssg

), (5)

em que Qso é a absorção solar da superfície; α é o ângulo de incidência dos raios solares; Sé a área da superfície; Ss é a área iluminada pelo sol; Ib é a intensidade da radiação do feixe(direto); Is é a intensidade da radiação difusa do céu; Ig é a intensidade da radiação difusarefletida no solo; Sss é o fator de ângulo entre a superfície e o céu; e Ssg é o fator de ânguloentre a superfície e o solo.

3 RESULTADOS E DISCUSSÕES

Para as cidades de Porto Alegre/RS e Manaus/AM, foram selecionadas 8.760 horas, aolongo do ano deste estudo para análise, observando-se o comportamento do modelo nas duascidades nos horários onde ocorre geração de calor, conforme a natureza da edificação. O horáriode funcionamento do escritório está restrito à programação de ocupação, definido entre 8:00 e


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19:00h nos dias úteis da semana, de 252 dias úteis no ano de 2018, efetuando um total de 2.772horas.

Em relação as condições de temperatura média de cada cidade, as Figuras 2 e 3, mostramo desempenho ao longo das 8.640 horas com a análise de eficiência da edificação. Na Figura 2a temperatura do ar ambiente de Manaus variou entre 19◦ e 37◦, e a da casa ficou entre 20◦ e27◦. Já em Porto Alegre, Figura 3, a temperatura do ar ambiente variou entre 2◦ e 37◦, e a dacasa ficou entre 12◦ e 26◦.

Figura 2: Gráfico de temperatura média térmica anual - Manaus/AM.



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Figura 3: Gráfico de temperatura média térmica anual - Porto Alegre/RS.


O fator importante é a diferença de região, com suas peculiaridades climáticas eenergéticas, o desempenho de conforto térmico é expressivo por características únicas de cadaregião.

Manaus tem o clima equatorial; proximidade do equador, ou seja, a latitude, característicado clima equatorial. Porto Alegre tem o clima subtropical; distância do equador, ou seja, alatitude, característica do clima subtropical.

Os resultados obtidos através da simulação comprovaram, graficamente (Figura 4), ospercentuais de horas em desconforto por frio, desconforto por calor e horas em conforto. Acidade de Manaus apresenta um melhor desempenho térmico na análise em relação a PortoAlegre. Manaus tem 74,61% de horas no ano de conforto e apenas 25,39% horas de desconfortopor frio, enquanto que em Porto Alegre tem pouco mais de 1/3 do ano de conforto, e 66,38% dedesconforto por frio.


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Figura 4: Gráfico de conforto térmico anual (a) Manaus/AM e (b) Porto Alegre/RS.

Fonte: Autor (2020)

O fator do comportamento da temperatura nos dias tipicos apresentados é apresentado naFigura 5, onde é nitida a variação de temperatura entre ambas cidades. Nesta análise não foirealizada a diferença de fuso horário entre as duas cidades, Porto Alegre e Manaus.

De modo geral as referências e os dados climáticos da edificação nas duas regiões, PortoAlegre e Manaus, são fatores decisivos para os parâmetros analisados no software EnergyPlus

para o desempenho térmico da edificação.

A variabilidade dos valores médios mensais do índice de temperatura efetiva é elevada,ocorrendo, assim, em qualquer época do ano, desvios importantes em relação aos valoresmédios e, em função da elevada amplitude térmica diária, num mesmo dia, podem ocorrermomentos com condições térmicas de conforto, passando a condições de desconforto e,novamente, a condições de conforto ou vice-versa entre as duas cidades (Figura 5).


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Figura 5: Diferença térmica de temperatura anual entre as duas cidades.

Fonte: Autor (2020)

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

O artigo apresentou um método de modelagem e comparação de resultados da simulaçãoedificação nas cidades de Porto Alegre/RS e Manaus/AM, usando o software de simulaçãocomputacional EnergyPlus. Avaliou-se o desempenho térmico total da edificação em relaçãoaos ganhos térmicos relativos à transmissão da radiação solar e ventilação natural. A vantagemno uso desse procedimento refere-se à obtenção de resultados considerando as mudanças nasdistribuições de temperatura nas edificação nas duas cidades ao longo do ano.

Os principais resultados são baseados no conforto término de 74,61% na cidade deManaus/AM, pela localização geográfica e fatores da construção da edificação que favoreceramtais condições para o conforto adaptativo onde a temperatura interna da edificação se tornafavorável a habitabilidade. Podemos observar 25,39% de desconforto por frio na edificação,esse fator se dá tanto pelas premissas analisadas quanto pelo sistema bioclimático. Emcontraponto Porto Alegre/RS é compatível com a caracterização da região analisada, o frio66,38% se obtém pela temperatura analisada da região, porém atinge o conforto de 33,62%através das premissas pré definidas pelo software, fato relevante e primordial para taisresultados.

Os resultados obtidos por meio do modelo de conforto adaptativo e método prescritivodo RTQ-C mostraram-se coerentes no reconhecimento das estratégias bioclimáticas aplicadas a


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cada simulação em suas respectivas cidades, com os mesmos sistemas construtivos e arquitetura,em cumprimento aos requisitos de desempenho térmico recomendados pelo RTQ-C.

O trabalho contribui com as investigações o conforto térmico adaptativo em regiõesclimáticas distintas usando a ferramenta EnergyPlus. Esse método pode contribuir para umaescolha mais adequada da tipologia, comparando casos por meio da simulação de diferentesmateriais através das temperaturas obtidas, dimensionamentos e análises energéticas. Cabeainda fazer a mesma avaliação para outras premissas específicas a serem analisadas, atravésdos dados extraídos pelo software EnergyPlus foi possível analisar com clareza o desempenhotérmico buscado inicialmente neste trabalho.

Referências

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Edição especial - X ERMAC RS (Encontro Regional de Matemática Aplicada eComputacional do Rio Grande do Sul)

Enviado em : 20 julho 2021

Aceito em : 09 outubro 2021

Editores - Dr. Carlos Hoppen, Dra. Daniela Buske, Dra. Eliete Biasotto Hauser


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