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Tecnologias empregadas para eficiência energética de um escritório modelo sustentável: O caso do Escritório Verde da UTFPR, Campus Curitiba

Technologies used for energy efficiency in a Model of a Sustainable Office: The Case of the Green Office of UTFPR

Eloy Fassi Casagrande Jr. Universidade Tecnológica Federal do Paraná-UTFPR, E-mail:eloy.casagrande@gmail.com

João Almeida de Góis Universidade Tecnológica Federal do Paraná-UTFPR, E-mail: joaogois@gmail.com

Resumo Este artigo apresenta soluções de eficiência energética adotadas em um escritório modelo sustentável que está sendo construído na Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), Campus Curitiba. Trata-se do primeiro Escritório Verde (EV) de uma universidade brasileira, sendo que sua criação tem como base o modelo adotado em diversas universidades do exterior, para tornar os campi universitários mais sustentáveis. O objetivo do EV é desenvolver a política de sustentabilidade do Campus Curitiba tendo sua própria sede como exemplo físico deste comprometimento. O projeto prevê instalação de 3290W de energia solar, uma parte conectada diretamente à rede da concessionária e a outra a baterias. Uma das inovações no modelo é a instalação de um sistema de resfriamento dos módulos fotovoltaicos usando o calor para aquecimento de água. A iluminação se dará por lâmpadas LED associado ao uso de iluminação natural. O sistema de climatização é composto por painéis de energia termodinâmica (bombas de calor) para também aquecimento da água usada na calefação, integrado de forma inovadora a equipamento para controle de umidade e resfriamento do ar. O uso de telhados verdes, paredes duplas com mantas em PET e pneu reciclado e janelas de vidros duplos, compõe o conjunto para maior eficiência. Palavras chave: Eficiência Energética, Escritório Verde, Prédio Verde Abstract This article provides energy efficiency solutions adopted in a model of sustainable office being built at the Federal University of Technology of Paraná (UTFPR), Campus Curitiba. This is the first Green Office (EV) of a Brazilian university, and its creation is based on the model adopted in many universities abroad, to make Campi more sustainable. The goal of EV is to develop the sustainable policy of the Campus Curitiba with its own headquarters as a physical example of this commitment. The project includes the installation of approximately 3000W of solar energy, part of it directly connected to the utility grid (grid tie) and part in batteries. One of the innovations in the model is to install a cooling system for photovoltaic modules using heat to heat water. The lighting will be LED bulbs associated with the use of natural lighting. The HVAC system consists of panels of thermodynamic energy (heat pumps) to also heat the water used in heating, integrated in an innovative way to equipment for humidity control and air cooling. The use of green roofs, double walls with layers of recycled PET and recycled tire and double glazing, comprises the set for greater efficiency. Keywords: Energy Efficiency, Green Office, Green Building Introdução

Muitos são os impactos do setor da construção civil convencional adotado no Brasil,

baseada principalmente no uso de materiais com alta emissão de carbono na construção em

alvenaria. Sendo que também se adota pouco os princípios da arquitetura bio-climática

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durante a fase de projeto e que impacta diretamente no consumo de energia durante o uso de

uma edificação.

Soma-se a isto o aumento anual de demanda de energia elétrica no Brasil e a

necessidade de construção de mais hidrelétricas, termelétricas e usinas nucleares, que geram

também grande impacto ambiental. De acordo a Empresa de Pesquisa Energética (EPE), o

consumo brasileiro cresceu 4,8% nos três primeiros meses de 2011 em relação ao primeiro

trimestre de 2010, tendo atingido, de janeiro a março, demanda de 107.231 gigawatts-hora

(GWh), sendo que o maior crescimento percentual ficou com os consumidores comerciais e

de serviços, com expansão de 6,1% entre um trimestre e outro, acumulando demanda de

18.961 GWh. (OLIVEIRA, 2010).

O projeto do Escritório Verde (EV) da UTFPR estabeleceu parcerias com empresas

para construir sua sede dentro dos princípios de sustentabilidade, da eficiência energética e do

conforto ambiental. Assim foram aplicadas tecnologias ainda pouco utilizadas no Brasil,

como o sistema de construção a seco (wood-frame) que permite o uso de mantas para

isolamento térmico acústico, janelas de vidros duplos, telhados verdes, iluminação natural,

lâmpadas LEDs, uso de placas fotovoltaicas para fornecer energia elétrica, uso de placas

termodinâmicas (bomba de calor) para aquecimento da água e equipamentos para controlar

umidade do ar.

Um dos importantes fatores a ser considerado em uma edificação é o controle de sua

temperatura interna, sendo que medidas adotadas neste sentido também têm uma relação

direta com a eficiência energética do ambiente construído. Segundo a ASHRAE (1977),

conforto térmico é um “estado de espírito”, reflete a satisfação com o ambiente térmico que

envolve a pessoa. Em linhas gerais há conforto térmico quando o balanço de todas as trocas

de calor a que está submetido o corpo for nulo e a temperatura da pele e suor estiverem dentro

de certos limites. Retirando preferências pessoais subjetivas, as características climáticas

chaves para o conforto térmico são a temperatura do ar, o movimento do ar, a radiação e a

umidade do ar.

Sistema construtivo wood-frame

Diversos autores, entre os quais Giglio (2005) e Bogo (2003) citam o baixo

desempenho térmico das habitações em madeira mais utilizadas no sul do país, de

fechamentos verticais com apenas 2,2 cm de espessura, considerado inadequado na maioria

dos locais. No entanto, um estudo de painéis de vedação em madeira estilo wood-frame,

(conhecido como painéis de parede dupla), em Londrina - PR, concluindo que alguns tipos de

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painéis tem conforto térmico equiparável às paredes tradicionais de tijolos. (GIGLIO, 2005).

A madeira de reflorestamento utilizada é material renovável, com baixo consumo

energético e boa possibilidade de aproveitamento dos resíduos, além de contribuir

positivamente na renovação do ar (BARBOSA E INO, 2001). Para Molina e Calil Junior

(2010) o comportamento estrutural do wood frame além de permitir rapidez na montagem e

total controle dos gastos já na fase de projeto por ser industrializado, ele é superior ao da

alvenaria estrutural em resistência, conforto térmico e acústico.

A madeira apresenta um bom isolamento térmico, principalmente o pinus (SSP),

madeira porosa, de baixa densidade térmica, condutividade térmica da ordem de 0,15

W/(m.K), (UCHÔA, 1989) (NBR 15220-2 de 04/2005), enquanto que a cerâmica apresenta

valor de 0,90 W/(m.K). O pinus tem preferência também por sua elevada permeabilidade ao

tratamento em autoclave, fundamental para evitar o ataque de organismos xilófagos.

O uso de soluções wood- frame no Escritório Verde da UTFPR

O EV da UTFPR foi concebido para ser um escritório comercial modelo dentro dos

princípios da construção sustentável. Assim, a estrutura adotada foi a de wood-frame usando

painéis estruturais de OSB (Oriented Strand Board), ou painéis de fibras de orientadas, que

formam um “sanduiche”, onde internamente se pode colocar mantas de isolamento térmico-

acústico. No caso do EV, foi utilizado a manta de PET reciclado de 75mm para o isolamento

térmico e a manta de pneu reciclado de 5mm para o isolamento acústico. Como revestimento

interno foram aplicados outras camada de painéis de OSB com um lâmina de acabamento em

pinus (DecoWall) e placas cimentícias. No caso do revestimento externo se usou laminas de

PVC (Siding Vinilico) e tábuas de OSB, tendo uma resina isolante um uma das faces

(SmartSide). (LP Brasil, 2011).

Para colocar a estrutura do EV em pé foram necessários apenas cinco dias, com um

operador de guindaste e cinco pessoas (figura 1), sendo que as paredes foram executadas na

fábrica em doze dias e com resíduo praticamente zero.

Figura 1: Sistema Construtivo do Escritório verde Fonte: Escritório verde (2011)

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Telhados Verdes

O uso internacional dos telhados verdes já é bem conhecido. Segundo Araújo (2007),

países como Alemanha, Áustria e Noruega já utilizam amplamente o conceito de telhado

verde, inclusive devido ao forte interesse em reverter a degradação ambiental e a eliminação

dos espaços verdes. Telhado Verde é uma cobertura ou telhado com uma camada de solo ou

substrato com vegetação. Os modelos intensivos usam plantas com maior consumo de água,

adubo e manutenção, nos extensivos as plantas utilizadas têm alta resistência às variações

pluviais e climáticas, minimizando manutenção e estrutura (LAAR, 2001).

A alta temperatura da superfície da maioria dos telhados e coberturas quando exposto

ao sol é um dos problemas da construção convencional. No Brasil é comum as lajes

apresentarem rachaduras e infiltrações com o passar dos anos, as altas variações de

temperatura com verão, inverno, sol, chuva acabam deteriorando os materiais utilizados,

notadamente concreto armado. Onmura (2000) mostrou que uma laje exposta ao sol a uma

temperatura ambiente de 38°C durante o verão no Japão, apresenta uma diferença de 30°C a

menos quando coberta por telhado verde. Vecchia (2005) registrou que as temperaturas nas

superfícies dos telhados são muito mais amenas no telhado verde. E, quanto à temperatura

interna, registrou internamente a uma edificação com telhado verde uma amplitude térmica

média de 9,2°C, frente à externa de 21,4°C, além de um atraso térmico de cerca de 4 horas,

tempo que a mudança interna leva para acompanhar a externa.

O conforto térmico com menor amplitude de variação da temperatura interna se traduz

em economia. Mello et al (2010) calculam uma redução de 40% no consumo de energia do ar

condicionado na Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP, com a implantação de

telhados verdes. Outro fator importante, estudos apontam que telhados verdes provêm

isolamento acústico, um substrato de 12 cm de profundidade pode reduzir o som decibéis

(OLIVEIRA & RIBAS, 1995).

Figura 2 – Instalação do telhado verde do EV da UTFPR e ilustração do projeto. Fonte: sítio do Escritório Verde (2011).

No EV da UTFPR foram planejadas duas coberturas verdes, conforme ilustra a figura

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2, que apresenta fotos e ilustração tridimensional do projeto. Neste sistema usou-se o sistema

de módulos composto de resíduos de EVA (polímero usado em sola de calçados) que já vem

com substrato para a vegetação (ECOTELHADO, 2011). Estes módulos são colocados sobre

a laje impermeabilizada com um tinta conhecida como “borracha líquida” desenvolvida

através de nanotecnologia (HM RUBBER, 2011). Sobre eles, leivas de gramas foram

acomodadas, como no caso da cobertura da área do café do EV e que poderá ser acessado

pelo mezanino. Já na parte frontal da edificação, a área da coordenação também receberá o

ecotelhado com plantas que necessitam de menos água para se manterem. Está será a primeira

obra da UTFPR a empregar cobertura verde e sua avaliação será um dos importantes temas

pesquisa ligados a escritório modelo sustentável.

Iluminação natural e janelas de vidros duplos

O projeto do EV privilegiou a entrada a luz natural através de um conjunto de janelas

amplas, estrategicamente posicionadas. Estudos também demonstam a maior eficiência das

janelas se estas forem de vidros duplos, ainda de alto custo e pouco difundidas no Brasil.

Baltar (2006) mostra um estudo em hospitais onde diversos tipos de vidro são testados em

relação aos gastos com ar-condicionado, concluindo nos ensaios uma redução de 7% ao longo

de 12 meses nos gastos com energia de climatização (refrigeração e aquecimento). As janelas

do EV são em madeira Lyptus com ferragem alemã e com vidro duplo, conforme figura 3.

Figura 3 – Janelas de vidros duplos Fonte: Escritório Verde (2011)

Aquecimento de água e climatização

O sistema de aquecimento de água e climatização do Escritório Verde da UTFPR é

composto por sistema termodinâmico (bombas de calor) de aquecimento com painéis solares

que captam o calor (do sol e do ambiente) para aquecimento da água usada na calefação,

integrado de forma inovadora a equipamento desumidificador dessecante, para controle de

umidade e resfriamento do ar.

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Aquecedor termodinâmico

Sistemas termodinâmicos são baseados fundamentalmente na compressão e expansão

de algum gás, o princípio “bomba de calor” do físico francês Nicolas Carnot. Os

equipamentos básicos são um compressor, que consome energia elétrica, um condensador que

troca calor com um acumulador de água quente, uma válvula de expansão, um painel

evaporador. No caso do aquecimento de água, o compressor comprime o gás tornando-o

fluído e conseqüentemente aumentando sua temperatura no condensador, este está

mergulhado (serpentina) dentro do acumulador com a água a ser aquecida. A seguir o fluido

vai para a válvula de expansão e, sendo expandido, torna-se gasoso novamente no evaporador,

sugando calor do ambiente (o painel “solar” exposto ao ambiente externo fica frio), este gás

quente volta ao compressor e o ciclo se repete. Portanto, a expansão do gás absorve calor de

fora, resfriando a placa externa, e sua compressão entrega calor dentro do acumulador,

aquecendo a água.

O sistema termodinâmico não necessita sol, pois “bombeia”, isto é, transfere calor de

um lado para outro, o painel externo (evaporador) fica mais frio a medida que a água do

acumulador fica mais quente. Também um melhor desempenho é obtido com temperatura

externa alta, portanto a iluminação solar auxilia o sistema, é possível aproveitar o calor solar,

mas se não houver sol o calor do ambiente, mesmo a baixas temperaturas, é aproveitado.

A figura 4 mostra o painel externo de um sistema termodinâmico de aquecimento,

mostrando condensação e congelamento do ar exterior, mesmo em temperaturas frias e sem

sol o gás se aquece ao expandir, o sistema termodinâmico consegue bombear energia térmica

de fora para dentro, resfriando o painel e aquecendo o gás. A figura 4 também apresenta o

esquema e fotos de um sistema termodinâmico comercial.

Figura 5: Painel externo e ilustração de um sistema termodinâmico de aquecimento. Fonte: SOLAR FLEX (2011) e SOLARIS (2011). Outra distinção importante é que sistemas termodinâmicos de aquecimento com

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painéis solares exigem compressor que consome energia elétrica, diferentemente dos

tradicionais “aquecedores de água com painéis solares” que aquecem água diretamente a

partir da luz solar. No entanto, este consumo é menor que se a água fosse aquecida por

resistência elétrica, existe um coeficiente, denominado COP, coeficiente de performance, que

para este tipo de aquecedores está entre 3 e 4, significa que gasta 1/3 a 1/4 da potência elétrica

que seria necessária para aquecer a água diretamente com resistência elétrica, uma vez que o

gás capta energia (calor) externo. O quadro 1 compara sistemas termodinâmicos de

aquecimento com painéis solares, com os “aquecedores de água com painéis solares”

Quadro 1 - comparação entre sistemas termodinâmicos de aquecimento com painéis solares e os tradicionais “aquecedores de água com painéis solares”.

CARACTERÍSTICA sistemas termodinâmicos de aquecimento com painéis solares

aquecedores de água com painéis solares

DURABILIDADE Semelhante aos painéis de troca de calor das geladeiras, os painéis termodinâmicos apresentan durabilidade superior

Tem durabilidade menor.

PESO Mais leve, normalmente fabricado em alumínio.

Mais pesado.

GEOMETRIA ESTÉTICA INSTALAÇAO

Pode ser instalado na vertical, horizontal sem ângulos ou desníveis específicos, sem grande prejuízo de eficiência. Facilita acomodamento estético.

Exige posicionamento geográfico / geométrico em função do sol e do funcionamento do termosifão, dificultando a instalação e prejudicando estética.

LUZ SOLAR Funciona sem sol, capta calor do ambiente mesmo a baixas temperaturas

Exige luz solar.

SISTEMA DUPLO Não precisa sistema elétrico de apoio Precisa aquecedor elétrico de apoio para períodos muito longos sem sol.

MANUTENÇÃO Menor Maior

CUSTO OPERAÇÃO MANUTENÇÃO

Custo de operação menor, levando em conta falta de sol e manutenção (ver ao lado)

Custo de operação maior, levando em conta a falta de sol (acionamento do sistema elétrico) e freqüência de manutenção

CUSTO INSTALAÇÃO

Custo de instalação maior Custo de instalação menor

VIDROS

Sem vidros Vidros ou materiais transparentes exigem limpeza freqüente e se danificam mais fácilmente com granizo e outros agentes

DANO POR CONGELAMENTO

Não ocorre com o gás Pode ocorrer em locais muito frios com a água.

FLUÍDO Fluído refrigerante ecológico R 410ª. Água (aquecimento direto). Fonte: elaborado pelos autores a partir dos fornecedores pesquisados.

Climatização com Desumidificador Dessecante

Foi estabelecida parceria entre o Escritório Verde da UTFPR e a empresa Munters, que

ofereceu um sistema desumidificador dessecante, capaz de reduzir a umidade do ar a níveis mais

baixos que usando refrigeração mecânica. O equipamento da Munters, denominado DryCool™ HD

Desumidificador Dessecante (DryCool™ HD Dessiccant Dehumidifier) é apresentado da figura 5.

Usa-se aqui o mesmo princípio termodinâmico já discutido para bombear calor com compressão e

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expansão de um gás. O gás é comprimido, liquefeito e aquece o condensador (condenser coil), a seguir

expande e esfria no evaporador (evaporation coil). São aproveitados os dois lados do bombeamento de

calor do sistema termodinâmico. O DryCool™ HD usa fluido refrigerante ecológico - R 410a.

O ar do ambiente a ser tratado entra pelo evaporador (frio) e é resfriado, umidade e partículas

são retirados neste processo, tornando o ar mais limpo e frio. A seguir passa pelo desumidificador tipo

cilindro rotativo com material dessecante, que absorve a umidade, e volta ao ambiente condicionado.

O clilindro dessecante precisa ser “reativado”, pois vai saturando com a umidade absorvida,

isso é feito com uma segunda circulação de ar, do meio externo, que passa pelo condensador (quente)

e reativa o dessecador.

Figura 5 - sistema de refrigeração do DryCool™ HD. Fonte: DRYCOOL HD (2010) A empresa ASTROREI aquecedores fornecerá o sistema termodinâmico do EV da

UTFPR. Segundo a empresa, o consumo de energia mensal de um sistema termodinâmico de

aquecimento com painéis solares é inferior aos tradicionais “aquecedores de água com painéis

solares” que necessitam de um aquecedor elétrico auxiliar (ASTROREI, 2011).

Nos dias muito quentes há necessidade de refrigeração e aquecimento extra no

DryCool™, causando gasto de energia adicional, está em estudo o uso do sistema

termodinâmico da Astro Rei para fornecer calor para o sistema DryCool™. Inicialmente uma

serpentina será instalada no acumulador térmico de água para uso do fluxo de ar.

Painéis solares híbridos, Lâmpadas LEDs e aquecimento de água

O Escritório Verde pretende ser a primeira edificação autônoma solar do Paraná, com

cerca de 3290 Watts instalados e conectados uma parte a rede pública de energia (2050W) e

outra parte acumular em baterias (1240W), sendo que para redução no consumo de energia,

serão empregadas lâmpadas LEDs (Light Emitting Diodes). Elas são diferentes de lâmpadas

incandescentes comuns, pois não têm filamentos que se queimam e não ficam muito quentes.

Além disso, são iluminados somente pelo movimento de elétrons em um material

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semicondutor (o diodo é o tipo mais simples de semicondutor) e duram tanto quanto um

transistor padrão.

O termo “célula fotoelétrica” é usado por qualquer dispositivo que converta luz em

eletricidade, mais utilizado para sensores de luz, como os utilizados em máquinas

fotográficas. Para o caso de produção de energia elétrica para consumo, o termo mais

utilizado é “célula fotovoltaica”, ao conjunto de células fotovoltaicas podemos designar de

módulo, placa ou painel fotovoltaico. Como sua fonte de energia é a luz solar, designamos

painéis solares fotovoltaicos.

Os painéis solares fotovoltaicos podem ser conectados diretamente na rede elétrica

(modelo “grid tie”) ou armazenar a energia em baterias, podendo ser usada quando não há luz

solar. Equipamentos como os inversores e controladores da carga também são necessários no

sistema. O inversor é responsável por converter a energia em corrente contínua, gerada pelos

painéis e armazenada pelas baterias, em corrente alternada adequada ao consumo da rede

pública de energia elétrica de baixa tensão. Já um controlador de carga é responsável por

manter baterias carregadas corretamente.

No projeto elétrico do EV se acoplará aos painéis fotovoltaicos, estruturas com

circulação de água por serpentinas, resfriando os painéis com conseqüente aumento da vida

útil e eficiência, comprovadamente reduzidas quando trabalhando nas altas temperaturas

provocadas pela incidência solar. Como subproduto será gerado água quente que poderá ser

utilizada.

Considerações finais

O projeto do EV de conforto ambiental e eficiência energética reune grande parte das

tecnologias disponíveis hoje no mercado e reconhecidas como eficientes. A promoção do

baixo consumo de energia elétrica em uma edificação está diretamente ligado a redução nas

emissões de Gases do Efeito Estufa (GEE) e também diminui a necessidade de se construir

usinas hidrelétricas, termelétricas e nucleares.

Sendo uma espécie de “laboratório vivo”, o EV permitirá que estudos sejam

conduzidos para provar sua eficiência, pois na sua concepção, o importante foi promover o

encontro das empresas, demonstrando que o conjunto integrado de suas tecnologias e

produtos fazem mais sentido do que empregando-as isoladamente. O desafio aqui é

demonstrar que além do ganho ambiental, o custo inicial na sua implantação será compensado

como o custo benefício ao longo do uso do escritório.

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