Resumo

No Brasil, os edifícios de escritórios de planta livre têm se destacado pela utilização de fachadas totalmente envidraçadas, aspecto que pode impactar diretamente o consumo de energia do ar condicionado. O objetivo deste estudo é classificar e caracterizar o desempenho energético de edifícios de escritório de planta livre em três climas brasileiros. Simulações computacionais foram realizadas no programa EnergyPlus, a fim de verificar o impacto de vários parâmetros (clima, tipo de fachada, PAF, tipo de vidro, dispositivo de sombreamento e temperatura de setpoint) no consumo de energia do ar condicionado. Os resultados, classificados em faixas de desempenho energético, mostraram que alterar de uma fachada tradicional (alvenaria) para uma fachada cortina (totalmente envidraçada) elevou o consumo de energia do ar condicionado em média 25% para Curitiba e São Paulo e 15% para Manaus; que o PAF foi o parâmetro que mais impactou esse consumo, e o tipo de vidro teve mais impacto nas maiores aberturas; que utilizar um dispositivo de sombreamento sempre gerou economia e a elevação em 1 ºC do setpoint de resfriamento reduziu o consumo, em média, até 16,4%. Tais resultados geraram as melhores combinações desses parâmetros para cada clima, podendo servir de suporte aos projetistas, no sentido de se criar edifícios energeticamente mais eficientes.

Palavras-chave:
Eficiência energética; Soluções de fachada; Escritórios de planta livre; Simulação computacional

Abstract

In Brazil, open-plan office buildings are increasingly using fully glazed facades, an aspect that can directly impact air-conditioning consumption. This study aims at classifying and characterising the energy performance of open-plan office buildings in three Brazilian climates. Computational simulations were performed in the EnergyPlus program to verify the impact of various parameters (climate, type of facade, WWR, type of glass, shading device and setpoint temperature) on air-conditioning consumption. The results, classified in energy performance levels, showed that changing from traditional facades (masonry) to curtain facades (fully glazed), increased energy consumption with air-conditioning by an average of 25% in Curitiba and São Paulo and 15% in Manaus; the WWR was the parameter that most impacted this consumption, and the glass type had most impact in the larger openings; using a shading device always generated savings and a 1ºC increase in the cooling setpoint reduced consumption by an average of 16.4%. The results allowed to identify the best combinations of these parameters for each climate which can help designers to create more energy efficient buildings.

Keywords:
Energy efficiency; Facade solutions; Open-plan offices; Computer simulation

Introdução

O setor da construção civil consome mais de um terço do total de energia primária no mundo e emite similares quantidades de CO₂ (BORGSTEIN; LAMBERTS; HENSEN, 2016BORGSTEIN, E. H.; LAMBERTS, R.; HENSEN, J. L. M. Evaluating Energy Performance in Non-Domestic Buildings: a review. Energy and Buildings, v. 128, p. 734-755, 2016.; YOSHINO; HONG; NORD, 2017YOSHINO, H.; HONG, T.; NORD, N. IEA EBC Annex 53: total energy use in buildings, analysis and evaluation methods. Energy and Buildings, v. 152, p. 124-136, mar. 2017.). O investimento em políticas que promovam a eficiência energética pode ser considerado a chave para o desenvolvimento sustentável e a mitigação das alterações climáticas (PÉREZ-LOMBARD; ORTIZ; VELÁZQUEZ, 2013PÉREZ-LOMBARD, L.; ORTIZ, J.; VELÁZQUEZ, D. Revisiting Energy Efficiency Fundamentals. Energy Efficiency, v. 6, n. 2, p. 239-254, 2013.). Assim, as decisões iniciais de projeto estão diretamente relacionadas ao consumo energético da edificação, e 22% desse consumo está atrelado à qualidade do envelope e 6% à geometria (VENÂNCIO; PEDRINI, 2009VENÂNCIO, R.; PEDRINI, A. The Influence of Design Decisions on Energy Consumption and Thermal Performance: the case of UFRN Campus, Brazil. In: INTERNATIONAL IBPSA CONFERENCE, 11., Glasgow, 2009. Proceedings... Glasgow, 2009.). A fachada, considerada o maior componente construtivo, exerce significativa influência no consumo de energia das edificações (AZARI, 2014AZARI, R. Integrated Energy and Environmental Life Cycle Assessment of Office Building Envelopes. Energy and Buildings, v. 82, p. 156-162, 2014.). Desse modo, é fundamental se pensar em soluções de projeto e estratégias aplicadas a esse elemento a fim de melhorar o desempenho ambiental e energético da edificação (MARCONDES; ALUCCI; GONÇALVES, 2012MARCONDES, M.; ALUCCI, M.; GONÇALVES, J. Façades and Office Buildings in São Paulo (Brazil): aiming for thermal comfort and natural ventilation. In: WINDSOR CONFERENCE: The Changing Context of Comfort in an Unpredictable World, n. 7, p. 12-15, apr. 2012.).

No Brasil, cerca de 48,5% do consumo de energia elétrica advém do setor de edificações (CONSELHO..., 2014CONSELHO BRASILEIRO DE CONSTRUÇÃO SUSTENTÁVEL. Aspectos da Construção Sustentável no Brasil e Promoção de Políticas Públicas: subsídios para a promoção da construção civil sustentável. Ministério do Meio Ambiente. Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (PNUMA), 2014. Disponível em: <http://www.cbcs.org.br/_5dotSystem/userFiles/MMA-Pnuma/Aspectos%20da%20Construcao%20Sustentavel%20no%20Brasil%20e%20Promocao%20de%20Politicas%20Publicas.pdf>. Acesso em: 12 nov. 2014.
http://www.cbcs.org.br/_5dotSystem/userF... ). De acordo com o Balanço Energético Nacional de 2018 (ano-base 2017), os edifícios comerciais representam 14,4% do consumo total de energia elétrica (EMPRESA..., 2018EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA. Balanço Energético Nacional 2018: ano base 2017. Relatório Final. Rio de Janeiro, 2018.). Esse tipo de edificação reflete o crescimento econômico do país e essa tipologia está concentrada em cidades como São Paulo e Rio de Janeiro. Nessas cidades houve uma crescente demanda por edifícios de “alto padrão”, denominados “triple A”, ou classe “AAA”, classificados a partir do padrão construtivo e sistemas prediais da edificação (VERONEZI; LIMA JUNIOR; ALENCAR, 2005VERONEZI, A. B. P.; LIMA JUNIOR, J. da R.; ALENCAR, C. T. de. Sistema de Classificação de Edifícios de Escritórios no Brasil. In: SEMINÁRIO INTERNACIONAL DA LARES, 5., São Paulo, 2005. Anais... São Paulo, 2005.). Esses edifícios seguem padrões arquitetônicos vinculados ao Estilo Internacional¹ 1 O Estilo Internacional é proveniente da arquitetura moderna, que surgiu nas décadas de 1920 e 1930. Tal estilo tinha como referência visual uma arquitetura simples, sem adornos, com formas retilíneas, construídas em aço, concreto armado e vidro. , com fachadas totalmente envidraçadas, escritórios de planta livre, leiautes flexíveis e sistemas de iluminação artificial e ar condicionado para manter as condições ambientais internas constantes (DALZIEL, 2003DALZIEL, R. Architecture. In: The Commercial Offices Handbook. London: RIBA Enterprises, 2003.). Consequentemente, cerca de 50% do consumo energético nesses edifícios advém do sistema de ar condicionado (CONSELHO..., 2014CONSELHO BRASILEIRO DE CONSTRUÇÃO SUSTENTÁVEL. Aspectos da Construção Sustentável no Brasil e Promoção de Políticas Públicas: subsídios para a promoção da construção civil sustentável. Ministério do Meio Ambiente. Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (PNUMA), 2014. Disponível em: <http://www.cbcs.org.br/_5dotSystem/userFiles/MMA-Pnuma/Aspectos%20da%20Construcao%20Sustentavel%20no%20Brasil%20e%20Promocao%20de%20Politicas%20Publicas.pdf>. Acesso em: 12 nov. 2014.
http://www.cbcs.org.br/_5dotSystem/userF... ).

Huang e Niu (2015)HUANG, Y.; NIU, J. Optimal Building Envelope Design Based on Simulated Performance: history, current status and new potentials. Energy and Buildings, v. 117, p. 387-398, 2015., em um panorama sobre a otimização do envelope construtivo baseado em simulações, apontam que cerca de 80% dos estudos estão relacionados à redução do consumo energético da edificação. E os principais parâmetros de análise são:

A literatura (internacional e nacional) apresenta diversos estudos, a partir de simulação computacional, que demonstram como tais parâmetros da fachada influenciam o consumo de energia dos edifícios comerciais. No Quadro 1 destacam-se os estudos mais relevantes, dos quais se apresentam a geometria, os aspectos avaliados, os parâmetros variados e as principais recomendações. Um ponto importante a se destacar é o fato de se ter estudos de vários climas do mundo e do Brasil, com geometrias variadas, pois não se encontrou uma gama de estudos específicos para edifícios de planta livre, sobretudo no Brasil.

Tais estudos apresentam, de maneira geral, a importância de se conhecer a influência dos parâmetros da fachada no consumo energético dos edifícios comerciais. A partir disso, buscou-se nos estudos brasileiros os aspectos específicos mais relevantes a serem considerados para essa pesquisa, dos quais se destacam:

Conforme supracitado, os estudos apresentados (sobretudo brasileiros) não apresentam uma análise de desempenho energético específica para edifícios de escritórios de planta livre. Usar um envelope construtivo inadequado pode causar aumento no consumo de energia, principalmente devido aos ganhos de calor advindos da radiação solar (MIRRAHIMI et al., 2016MIRRAHIMI, S. et al. The Effect of Building Envelope on the Thermal Comfort and Energy Saving For High-Rise Buildings in Hot-Humid Climate. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 53, p. 1508-1519, 2016.).

Identificada essa lacuna, o objetivo deste trabalho é classificar e caracterizar o desempenho energético de edifícios de escritórios de planta livre em diferentes climas brasileiros, considerando o impacto da alteração dos parâmetros relacionados à fachada nesse consumo, tais como:

Os resultados deste estudo poderão dar suporte a decisões de projeto, no sentido de se desenvolver edifícios energeticamente mais eficientes.

Método

Para se obter o desempenho energético de edifícios de planta livre, efetuaram-se simulações computacionais paramétricas no programa EnergyPlus, versão 8.1 (DEPARTMENT..., 2013DEPARTMENT OF ENERGY EFFICIENCY AND RENEWABLE ENERGY. EnergyPlus: version 8.1. Office of Building Technologies, 2013.).

O método dessa pesquisa está dividido em cinco etapas, sendo:

Seleção dos climas

De acordo com a norma NBR 15220-3 (ABNT, 2005bASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 15220-3: desempenho térmico de edificações: parte 3: zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social. Rio de Janeiro, 2005b.), o Brasil é dividido em oito zonas bioclimáticas e, dentre essas zonas, foram selecionados três climas, a saber:

O Quadro 2 apresenta (a) a localização das cidades no Brasil, a temperatura do ar e a umidade relativa anual para (b) Curitiba, (c) São Paulo e (d) Manaus.

Na classificação de Köppen-Geiger (KÖPPEN, 1936KÖPPEN, W. Das Geographische System der Klimate. In: KÖPPEN, W.; GEIGER, R. (Eds.). Handbuch der Klimatologie. Berlin: Gebruder Borntrager, 1936.), o clima de Curitiba é considerado Cfb (clima temperado, com verão ameno), enquanto São Paulo é Cwa (clima subtropical/tropical de altitude, com verão quente e inverno seco) e Manaus é Af (clima tropical chuvoso de floresta) (ALVARES et al., 2013ALVARES, C. A. et al. Köppen's Climate Classification Map for Brazil. Meteorologische Zeitschrift, v. 22, n. 6, p. 711-728, 2013.; AYOADE, 1996AYOADE, J. O. Introdução à Climatologia Para os Trópicos. 4. ed. Rio de Janeiro: Bertrand Brasil, 1996.; ROLIM et al., 2007ROLIM, G. de S. et al. Classificação Climática de Köppen e de Thornthwaite e Sua Aplicabilidade na Determinação de Zonas. Bragantia, v. 66, n. 4, p. 711-720, 2007.). E tais características podem ser observadas na Tabela 2. O clima de Manaus possui uma amplitude térmica menor e altas temperaturas, com temperaturas médias das mínimas e máximas variando de 20,9 ºC a 36,7 ºC ao longo do ano, se comparado a Curitiba, cujas mesmas temperaturas variam de 3,8 ºC a 31,7 ºC, e São Paulo, que variam de 8,6 ºC a 33,4 ºC. Para as simulações foram utilizados arquivos climáticos (INMET, no formato epw) desenvolvidos por Roriz (2012)RORIZ, M. Arquivos Climáticos de Municípios Brasileiros. Associação Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído. Grupo de Trabalho sobre Conforto e Eficiência Energética de Edificações. Relatório interno. Disponível em: <http://www.labeee.ufsc.br/downloads/arquivos-climaticos>. Acesso em: 9 out. 2012.
http://www.labeee.ufsc.br/downloads/arqu... e Labeee (LABORATÓRIO..., 2015LABORATÓRIO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM EDIFICAÇÕES. Arquivos Climáticos INMET 2015. 2016. Disponível em: <http://www.labeee.ufsc.br/downloads/arquivos-climaticos/inmet2015>. Acesso em: 30 mai. 2016.
http://www.labeee.ufsc.br/downloads/arqu... ).

Coleta de dados

A etapa de coleta de dados teve como foco principal a busca por edificações comerciais do tipo escritório de planta livre, característica recorrente na atualidade dessa tipologia arquitetônica no mercado da construção civil brasileiro. A coleta foi realizada em três fontes: literatura (a partir de estudos brasileiros que avaliaram o desempenho energético de edifícios de escritórios), entrevistas com especialistas (consultoria de eficiência energética de edifícios de escritórios de alto padrão em São Paulo) e busca na base de dados da empresa Buildings (BUILDINGS, 2016BUILDINGS. Pesquisa Imobiliária Inteligente: primeira empresa brasileira especializada em pesquisa imobiliária corporativa. Disponível em: <http://www.buildings.com.br>. Acesso em: 2 fev. 2016.
http://www.buildings.com.br... ) (focada em regiões de maior concentração desse tipo de edifício em São Paulo, tais como as avenidas Berrini, Paulista e na região do bairro de Pinheiros, de onde se obteve uma amostra de 142 edificações). Os resultados dessa coleta de dados são apresentados na Tabela 3.

A partir da Tabela 1 foram identificadas algumas características recorrentes, tais como:

Tais características embasaram a criação de um modelo hipotético mais próximo da realidade.

Definição do edifício de estudo e de suas características construtivas

A partir das características apresentadas no Quadro 2, um edifício virtual foi criado. O pavimento tipo desse edifício é apresentado na Figura 1. Ele possui geometria retangular, área total de 800 m² (20 m x 40 m), núcleo (core) de 300 m² (10 m x 30 m) e pé-direito de 2,70 m (3,75 m no total - somando-se a área do forro e do piso elevado). O núcleo é uma área destinada a serviços, elevadores, copa, banheiros e escada e não é climatizado. A distância entre a fachada e o core é de 5 m - região de influência da radiação sobre o ambiente interno para definição de uma zona térmica (AMERICAN..., 2013AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIRCONDITIONING ENGINEERS. Standard 90.1-2013: energy standard for buildings except low-rise residential buildings. Atlanta, 2013.). Apenas a área pertencente aos escritórios é condicionada termicamente e todo o perímetro da fachada é revestida - ao menos parcialmente -, por envidraçados. Além disso, o edifício possui as maiores fachadas orientadas a norte e sul. Tal escolha se deu em função de se optar pela situação que gerasse menores ganhos solares para o volume como um todo.

Para a avaliação do consumo energético da edificação, foi simulado apenas um pavimento, situado em um andar intermediário. Esse andar simulado (com piso e teto adiabáticos) funciona como um módulo do edifício, que representa o comportamento térmico dos demais pavimentos intermediários. Esse modelo (Figura 1) foi dividido em cinco zonas térmicas (quatro para os escritórios e uma para o core), conforme procedimento indicado pela norma ASHRAE 90.1 (AMERICAN..., 2013AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIRCONDITIONING ENGINEERS. Standard 90.1-2013: energy standard for buildings except low-rise residential buildings. Atlanta, 2013.). A divisão entre as áreas dos escritórios foi realizada por paredes virtuais (superfícies fictícias de espaços de ar), configuradas utilizando-se apenas a resistência do ar.

O PAF representa o percentual de área envidraçada na fachada. Ele considera a área útil da fachada, disponível para a colocação de janelas (sendo o pé-direito interno do ambiente de 2,70 m). Assim, considerando o mesmo PAF para fachadas diferentes, foram definidos para este estudo três valores (30%, 55% e 80%) que representam janelas pequenas (30%), menos comuns, médias e grandes (55% e 80%).

Foram selecionados dois tipos de fachada, denominados fachada tradicional (FT) e fachada cortina (FC). A fachada tradicional (FT) tem a parte opaca composta por parede de alvenaria e a área envidraçada por esquadrias entre vãos. A outra opção, fachada cortina (FC), é revestida inteiramente por vidro. No atual mercado da construção de edifícios de escritórios, as fachadas cortina têm substituído as tradicionais, de acordo com o levantamento de campo presente no Quadro 2.

Para a área transparente da fachada, foram selecionados quatro tipos de vidro, com características diferentes, sendo eles:

Na fachada cortina, a parte opaca da estrutura interna (peitoril em alvenaria e viga de concreto) é revestida por um vidro com película PVB (polivinil butiral) branca, que o deixa com aspecto translúcido. As principais propriedades térmicas desses vidros são apresentadas na Tabela 2.

Foi utilizado um dispositivo de sombreamento horizontal (1,26 m de largura) que abrangeu igualmente toda a extensão das fachadas. Esse dispositivo foi modelado no EnergyPlus e sua dimensão foi selecionada por corresponder à máscara de sombra do maior PAF (80%), garantindo que, para os demais PAFs, também haja o sombreamento efetivo (total) no período indicado. A intenção aqui era avaliar apenas o impacto de se ter ou não os ganhos de calor reduzidos devido a uma proteção solar. Assim, foi calculado um dispositivo de sombreamento único cuja máscara de sombra atingisse esse objetivo: a redução dos ganhos solares, em todos as combinações de PAF, orientação e latitude.

O piso é elevado com carpete, o forro é de gesso, com um espaço de ar entre a laje e o forro (espaço para instalações), as paredes internas pertencentes ao núcleo central são de drywall e as paredes externas são de alvenaria de bloco de concreto (para a fachada tradicional e para a fachada cortina essa parte se constitui como o peitoril). A Tabela 3 apresenta os detalhes construtivos referentes às fachadas e aos materiais.

Definição das características de uso e do sistema de ar condicionado

A densidade de carga térmica abrange os ganhos de calor advindos das pessoas, equipamentos e iluminação artificial. O modelo de edificação possui uma área climatizada, referente aos escritórios e uma área não climatizada, pertencente às áreas de serviços, escadas, elevadores, etc. Tais cargas são consideradas apenas para a área dos escritórios, sendo dados fixos da simulação, pois sofrem influência direta do uso da edificação. O padrão horário de ocupação é de segunda à sexta-feira, das 8h às 19h, conforme apresentado no Quadro 3.

O sistema de ar condicionado selecionado para o estudo é do tipo variable refrigerant flow (VRF). Esse sistema é do tipo central de expansão direta com múltiplas unidades evaporadoras. A capacidade foi calculada pelo EnergyPlus, de acordo com a especificação de cada clima, para a obtenção do coeficiente de performance (COP) do sistema, de acordo com as normas RTQ-C (INMETRO, 2013INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, NORMALIZAÇÃO E QUALIDADE INDUSTRIAL. RTQ-C: regulamento técnico da qualidade para o nível de eficiência energética de edificações comerciais, de serviços e públicas. Rio de Janeiro, 2013.) e ASHRAE 90.1 (AMERICAN..., 2013AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIRCONDITIONING ENGINEERS. Standard 90.1-2013: energy standard for buildings except low-rise residential buildings. Atlanta, 2013.). A partir do cálculo da capacidade do aparelho, foi selecionado um COP para obtenção da maior classificação energética (nível A) (Quadro 4). O sistema de ar condicionado foi simulado para aquecimento e resfriamento, com temperaturas de setpoint de 18 ºC e 24 ºC, respectivamente, de acordo com os dados utilizados na literatura (BESEN; WESTPHAL, 2012BESEN, P.; WESTPHAL, F. S. Uso de Vidro Duplo e Vidro Laminado no Brasil: avaliação do desempenho energético e conforto térmico por meio de simulação computacional. In: ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 14.., Juiz de Fora, 2012. Anais... Juiz de Fora, 2012., 2014BESEN, P.; WESTPHAL, F. S. Fachadas de Vidro no Brasil: um estudo comparativo de viabilidade econômica. In: ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 16., Maceió, 2014. Anais... Maceió, 2014.; CARLO, 2008CARLO, J. C. Desenvolvimento de Metodologia de Avaliação da Eficiência Energética do Envoltório de Edificações Não-residenciais. Florianópolis, 2008. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) - Escola de Engenharia, Universidade de Santa Catarina, Florianópolis, 2008.; DIDONÉ; WAGNER; PEREIRA, 2014DIDONÉ, E. L.; WAGNER, A.; PEREIRA, F. O. R. Estratégias Para Edifícios de Escritórios Energia Zero no Brasil Com Ênfase em BIPV. Ambiente Construído, Porto Alegre, v. 14, n. 3, p. 27-42, jul./set. 2014.; MELO et al., 2015MELO, A. P. et al. Is thermal Insulation Always Beneficial in Hot Climate? In: CONFERENCE OF INTERNATIONAL BUILDING PERFORMANCE SIMULATION ASSOCIATION, 14., Hyderabad, 2015. Proceedings... Hyderabad, 2015.; MELO; LAMBERTS, 2008MELO, A. P.; LAMBERTS, R. Opaque Envelope Parameters Versus Energy Consumption in Commercial Buildings in Brazil. Journal of Building Performance Simulation, v. 1, n. 4, p. 237-244, 2008.; SANTANA, 2006SANTANA, M. V. Influência de Parâmetros Construtivos no Consumo de Energia de Edifícios de Escritório Localizados em Florianópolis-SC. Florianópoli, 2006. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Escola de Engenharia, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2006.; WESTPHAL, 2007WESTPHAL, F. S. Análise de Incertezas e de Sensibilidade Aplicadas à Simulação de Desempenho Energético de Edificações Comerciais. Florianópolis, 2007. Tese (Doutorado em Engenharia Civil) - Escola de Engenharia, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2007.; WESTPHAL; LAMBERTS, 2007WESTPHAL, F. S.; LAMBERTS, R. Análise do Impacto de Variáveis Arquitetônicas e Cargas Internas no Consumo de Energia em Condicionamento de Ar de Edificações Comerciais. In: ENCONTRO NACIONAL, 9.; LATINO AMERICANO DE CONFORTO NO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 5., Ouro Preto, 2007. Anais... Ouro Preto, 2007.). Para resfriamento foi testado um setpoint de 25 ºC, para verificar sua influência no consumo de energia da edificação.

Forma de análise dos resultados

Os resultados das simulações são apresentados da seguinte forma:

A partir de tal classificação, é realizada a apresentação da influência dos parâmetros avaliados neste estudo: clima, PAF, tipo de vidro, presença ou não do dispositivo de sombreamento e a temperatura de controle do ar condicionado) no consumo de energia do ar condicionado.

Resultados e discussão

Consumo de energia por uso final

O consumo de energia total anual do escritório de planta livre é composto da soma dos consumos de iluminação (IL), equipamentos (EQ) e ar condicionado (AC), conforme apresentado na Figura 2, que se refere aos 288 cenários simulados. Os valores de EQ e LG foram sempre os mesmos, pois a densidade de carga de equipamentos e de iluminação foi considerada fixa, conforme descrito em Método. Já os valores de AC foram variáveis, representando de 17% a 52% do consumo total, dependendo da combinação de parâmetros referente ao cenário em questão (tipo de fachada, vidro, entre outros). Dessa forma, nos resultados das seções seguintes, é apresentado apenas o consumo de energia do ar condicionado.

O consumo de energia do ar condicionado se refere apenas ao seu uso no modo de refrigeração. Devido ao clima das localizações estudadas e à ocupação do edifício ser somente durante o dia, não houve consumo significativo para aquecimento em nenhum dos cenários avaliados.

Classificação em faixas de consumo energético

A Tabela 5 apresenta o consumo de energia anual do ar condicionado para todas as combinações de parâmetros simuladas. Para cada clima, esses consumos foram agrupados nas faixas de consumo energético definidas em Método, e a faixa verde escura corresponde aos menores valores e a faixa vermelha, aos maiores valores. As seções seguintes utilizam-se dessa tabela para apresentarem a influência dos parâmetros estudados (tipo de fachada, clima, parâmetros relacionados à janela e temperatura de setpoint) no consumo de energia do ar condicionado e como se comportam quanto à classificação em cores.

Influência do tipo de fachada

Foram consideradas duas alternativas de fachada: fachada tradicional e fachada cortina. Na Tabela 6 nota-se a diferença entre esses dois tipos de fachada pelas cores das faixas de consumo energético. A fachada tradicional (FT) possui a maioria dos cenários nas faixas verde escura ou clara. Isso demonstra o seu menor consumo energético em relação à fachada cortina (FC), que possui cenários em todas as cores, conforme pode ser mais bem observado na Figura 3. Pode-se notar que sempre houve aumento do consumo de energia do ar condicionado quando se alterou de uma fachada tradicional para uma fachada cortina. Esse aumento foi, em média, 25% para as cidades de Curitiba e São Paulo e 15% para Manaus. Destaca-se ainda a diferença entre os cenários com distintos PAFs. Conforme maior a área opaca da fachada, ou seja, quanto menor o PAF, maior é o impacto devido a alterações no seu sistema construtivo. Com isso, nas menores aberturas (PAF de 30%), alcança-se aumentos de 50% em Curitiba, 40% em São Paulo e 30% em Manaus.

Influência do clima

A partir da Tabela 5, é possível se notar a diferença entre os climas, já que, quanto mais quente o local, maiores foram os consumos de energia. Como as faixas de consumo são calculadas considerando os menores e maiores valores obtidos para cada clima, isso permite notar que Curitiba e São Paulo (por mostrarem valores mais próximos entre si), apresentam mais possibilidades de se ter um desempenho melhor (maior quantidade de cenários nas cores verde escura/clara), diferenciando-se de Manaus, o clima mais quente (com mais cenários nas cores amarela, laranja e vermelha). Os valores máximos de consumo de energia do ar condicionado (em kWh/m². ano), para cada clima, apresentam-se da seguinte forma: Curitiba (FT: 32,5 / FC: 36,5), São Paulo (FT: 38,3 / FC: 42,6) e Manaus (FT: 76,1 / FC: 81,8). O clima de Manaus, quente e úmido, diferencia-se dos demais, por ter amplitudes muito inferiores e temperaturas mais altas ao longo de todo o ano (Quadro 1, em Método).

Influência dos parâmetros relacionados às janelas

Foram considerados nas simulações os seguintes parâmetros, relacionados às janelas localizadas nas quatro fachadas do edifício:

Quanto ao PAF, nota-se na Tabela 5 que, com o seu aumento, houve sempre elevação no consumo de energia. Isso chegou a causar mudanças na classificação de desempenho energético (alteração das cores) da edificação em várias situações, principalmente para a fachada cortina e/ou o clima predominantemente quente e úmido (Manaus), que a alteração do PAF mudou as cores dos cenários, que passaram às classificações de cores amarela, laranja e vermelha, demonstrando assim os maiores consumos de energia.

Na fachada tradicional, ao se alterar o PAF de 30% para 55%, o consumo de energia do ar condicionado aumentou em média 23%; com o PAF de 55% para 80% esse valor médio foi para 34%, e para o PAF de 30% para 80% obteve-se aumento médio de 65% (Tabela 6). Na fachada cortina, essas variações médias foram de 12% (PAF de 30% para 55%), 24% (PAF de 55% para 80%) e 40% (PAF de 30% para 80%). Observa-se que o aumento do consumo do ar condicionado não foi proporcional ao aumento do PAF, fato também observado nos estudos de Westphal e Andreis (2016)WESTPHAL, F. S.; ANDREIS, C. Influence of Glazed Façades on Energy Consumption For Air Conditioning of Office Buildings in Brazilian Climates. Journal of Engineering Research and Application, v. 6, n. 11, p. 54-60, 2016.. Os resultados da Tabela 10 referem-se aos cenários sem dispositivo de sombreamento e com setpoint de 24 ºC. O impacto desse parâmetro nos demais cenários (com dispositivo de sombreamento e/ou setpoint de 25 ºC) apresentou padrões de resultados similares.

Com relação ao tipo de vidro, o vidro incolor foi o que apresentou o maior consumo de energia para todos os cenários. Na Tabela 5 nota-se que em alguns casos essas diferenças entre os vidros são suficientes para que haja alteração da faixa de desempenho - alterando as cores -, em outros, vidros distintos permanecem com a mesma classificação. Na Tabela 7 tem-se a redução desse consumo, com a adoção das alternativas estudadas. São apresentados os cenários da fachada cortina, com setpoint de 24 ºC e sem dispositivo de sombreamento (SDS). O impacto desse parâmetro nos demais cenários (fachada tradicional, com dispositivo de sombreamento, setpoint de 25 ºC) apresentou-se de forma semelhante. Nos climas de Curitiba e São Paulo, a maior economia foi obtida com o vidro refletivo, seguido do low-e e do duplo, e as maiores reduções se deram na maior PAF (80%). Nesse caso, a economia, com o uso do vidro refletivo, foi de 23,4% (Curitiba) e 21,4% (São Paulo). Já em Manaus o vidro de menor consumo foi o duplo, seguido do refletivo e do low-e, e o maior impacto foi observado na janela menor, com PAF de 30% (economia de 10,8% para o vidro duplo).

Finalmente, quanto ao dispositivo de sombreamento, a sua adoção sempre gerou economia de energia (Tabela 5), alterando a classificação por cores dos cenários, que passaram a ocupar classificações mais altas, em comparação com os cenários sem dispositivo de sombreamento. Tal resultado está em concordância com outros estudos em edifícios de planta livre no Brasil (CARVALHO; LA ROVERE; GONÇALVES, 2010CARVALHO, M. M. Q.; LA ROVERE, E. L.; GONÇALVES, A. C. M. Analysis of Variables That Influence Electric Energy Consumption in Commercial Buildings in Brazil. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 14, n. 9, p. 3199-3205, 2010.; PASQUALI et al., 2011PASQUALI, F. E. et al. Potential for Energy Savings in Retrofiting of an Office Building in São Paulo. In: CONFERENCE OF INTERNATIONAL BUILDING PERFORMANCE SIMULATION ASSOCIATION, 12., Sydney, 2011. Proceedings... Sydney, 2011.; NEVES; MARQUES, 2017NEVES, L. de O.; MARQUES, T. H. T. Building Envelope Energy Performance of High-Rise Office Buildings in Sao Paulo City, Brazil. Procedia Environmental Sciences, v. 38, p. 821-829, 2017.). Conforme supracitado, foi calculado um dispositivo de sombreamento único cuja máscara de sombra atingisse esse objetivo: a redução dos ganhos solares, em todas as combinações de PAF, orientação e latitude, e isso pode ser verificado na Tabela 8, a qual demonstra que ter o dispositivo de sombreamento sempre reduz o consumo energético nas situações aqui apresentadas. Como a eficiência do dispositivo de sombreamento é diferente em cada clima e PAF, tais resultados não podem ser comparados entre si, apenas refletem no consumo energético do ar condicionado o fato de se ter ou não o dispositivo de sombreamento.

Influência do setpoint de resfriamento

A temperatura de controle (setpoint) de resfriamento do ar condicionado pode ser considerada um elemento possível de ser alterado em uma edificação em uso, e isso pode ser visto na Tabela 5, principalmente nos cenários com fachada cortina, para os climas avaliados, em que o aumento da temperatura de setpoint de resfriamento em 1 ºC reduziu o consumo energético de modo a alterar a faixa de desempenho, para classificações mais altas. E essa redução também pode ser vista na Tabela 9, que apresenta o consumo de energia do ar condicionado para todos os cenários com fachada cortina (FC), com setpoint de 25 ºC em relação aos cenários com setpoint de 24 ºC. O impacto desse parâmetro nos demais cenários (fachada tradicional) apresentou-se de forma semelhante.

Nota-se na Tabela 8 que alterar o setpoint em 1 ºC reduziu em até 16% o consumo de energia do ar condicionado. Essa alteração causou maiores economias em Curitiba (8%-15%) e São Paulo (12%-16%) do que em Manaus (5%-9%). Friess, Rakhshan e Davis (2017)FRIESS, W. A.; RAKHSHAN, K.; DAVIS, M. P. A Global Survey of Adverse Energetic Effects of Increased Wall Insulation in Office Buildings: degree day and climate zone indicators. Energy Efficiency, v. 10, n. 1, p. 97-116, 2017. afirmam que a utilização de um setpoint de resfriamento mais alto (27 ºC) em locais de climas quentes só é possível quando se tem uma edificação com menos isolamento, o que permite maiores trocas de calor com o ambiente exterior.

Conclusões

Com o objetivo de classificar e caracterizar o desempenho energético de edifícios de planta livre em climas brasileiros, a influência dos parâmetros relacionados à fachada foi analisada, a partir de simulações computacionais no programa EnergyPlus.

Para esse tipo de edificação, foi verificada a influência dos seguintes parâmetros:

A partir da análise paramétrica realizada nessa pesquisa e da classificação dos resultados apresentados no Quadro 5, foi possível avaliar a influência de cada parâmetro no consumo de energia do ar condicionado. Com isso, pode-se gerar recomendações de projeto específicas para edifícios de escritórios de planta livre localizados em climas brasileiros. Assim, as características arquitetônicas presentes nas melhores classificações (verdes), são apresentadas no Quadro 6.

Têm-se as seguintes limitações desse estudo:

Como indicações de trabalhos futuros têm-se:

Com isso, esta etapa da pesquisa estudou uma gama de combinações de diversos parâmetros relacionados à fachada e demonstrou a sua influência. Tais resultados podem servir de suporte à tomada de decisões por parte dos projetistas, no sentido de se criar edifícios energeticamente mais eficientes. É importante destacar que tais resultados estão diretamente relacionados ao modelo e climas selecionados para este estudo, não podendo, portanto, ser considerados para situações diferentes das avaliadas neste estudo.

Agradecimentos

Os autores agradecem à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes) pelo apoio e fomento a este trabalho de pesquisa.

Referências

Datas de Publicação

Histórico