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A envoltória e os ganhos de eficiência

Orientação das fachadas, sombreamento, isolamento térmico, ventilação natural e redirecionamento da luz natural são estratégias

O consumo de energia em edificações está relacionado aos ganhos ou perdas de calor associados à carga interna gerada pela insolação, ocupação, uso de equipamentos e iluminação artificial. 

Dentre as várias soluções que proporcionam eficiência a um edifício algumas são relevantes, como os estudos climáticos do local, que definirão a correta orientação das faces do edifício para aproveitar as correntes de vento e proteger as faces leste, norte e oeste da incidência direta dos raios solares, o uso correto da iluminação e ventilação natural, com ganhos significativos tanto energéticos como financeiros.

A avaliação da quantidade e localização dos raios solares recebidos por cada fachada define, por exemplo, o tamanho e a localização das janelas na edificação e como se deve protegê-las dessa carga solar em função da economia nos sistemas de iluminação e condicionamento de ar.

“Edificações eficientes devem ser planejadas e estudadas para alcançarem o seu melhor desempenho de acordo com as necessidades de cada ambiente, sendo que a principal ação para um projeto correto é o estudo climático do local que definirá os passos seguintes, como a escolha dos materiais e tecnologias mais adequados”, diz Francisco Dantas, diretor da Interplan – Planejamento Térmico Integrado.

Uma vez consideradas as condições do entorno através de um estudo bioclimático, é possível traçar diretrizes em projeto que apontem resultados satisfatórios de conforto ambiental, torna-se imprescindível a previsão de elementos para proteger as fachadas mais expostas à incidência solar utilizando-se de sombreamento, isolamento térmico e redirecionamento da luz através de brises ou grandes panos de vidro, permitindo a entrada seletiva da luz refletida pelo entorno, sem prejuízo do conforto.

Dantas acrescenta que essas decisões de projeto devem ser criteriosamente definidas já nas fases iniciais e detalhadas ao longo do processo.

“Em linhas gerais, aproximadamente 20% da carga térmica de um sistema de ar condicionado representa a transmissão através da envoltória. Isso considerando superfícies opacas e superfícies transparentes. A transmissão de calor pelas superfícies opacas não traz nenhum benefício, pois ela não vem acompanhada, por exemplo, da iluminação, o que ocorre nas superfícies transparentes. Então a aplicação do isolamento térmico nas paredes externas é algo indiscutivelmente vantajoso, e possui um custo benefício extremo, com aproximadamente seis meses para recuperar o investimento do isolamento com a economia de energia”, revela Dantas.

Desempenho das fachadas

Edison Tito Guimarães, diretor da Datum Consultoria, cita o estudo realizado para o Edifício Cidade Nova I, localizado no Rio de Janeiro (RJ), onde um dos pontos de maior importância do projeto foi o desempenho das fachadas, tanto do ponto de vista da redução do consumo de energia no ar condicionado quanto pela luz natural e conforto visual dos ocupantes.

“Conciliar os três parâmetros acima foi um grande desafio da equipe, que foi alcançado por meio da dupla fachada ventilada. Nesta solução, todas as fachadas são dotadas de vidros duplos, com um espaço de ar de 60 cm entre eles (aberto nas partes inferior e superior), com ventilação por convecção natural em função do aquecimento dos próprios vidros pela radiação solar. Desta forma, a energia radiante solar ao ser absorvida pelos vidros externos de alto coeficiente de absorção, aumenta consideravelmente sua temperatura, provocando correntes naturais de ar entre as duas placas de vidro. Este fluxo natural de ar ascendente é possível, pois o espaço entre os vidros externos e internos é aberto em cima e em baixo, permitindo livre circulação de ar entre eles como o exemplo da Figura 1”, explica Guimarães.

Ele diz que coeficiente de sombreamento das fachadas foi de 0,18, valor extremamente baixo (isto significa que em comparação a um vidro comum somente 18% da radiação solar incidente se transforma em carga térmica nos ambientes condicionados).

Além de reduzir a carga radiante sobre os vidros, também o fluxo de calor para as paredes externas é reduzido, pois o vidro externo protege a superfície das paredes contra a radiação solar direta, diminuindo o diferencial equivalente de temperatura (importante elemento do cálculo do ganho de calor nas paredes externas).

“Um artigo publicado na revista da Ashrae, “Ventilating Facades”, estudou detalhadamente diferentes combinações de vidros e sistemas de circulação de ar em fachadas ventiladas, como mostra a Figura 2, exatamente o executado no Edifício Cidade Nova I. Os resultados apresentados são tão interessantes quanto os que obtivemos no projeto Cidade Nova I, mostrando que este tipo de solução tem elevada atratividade, tanto para o conforto dos ocupantes quanto para a eficiência energética”, diz Guimarães.

Além da área envidraçada das fachadas o edifício conta com uma claraboia de cerca de 900 m2 que cobre todo o átrio central. Esta área de vidro (também com vidros de baixo SC) tem persianas automáticas que se fecham nos horários em que é detectada a insolação direta nos vidros.

Um colchão de ar naturalmente estratificado permanece imóvel sob os vidros da claraboia e age como isolante térmico, sendo um eficiente redutor da carga térmica por diferença de temperatura (transmissão de calor). A área do átrio é condicionada somente no nível de ocupação (no térreo), e o restante do volume não é termicamente tratado, com as passarelas de circulação nos pavimentos totalmente fechadas por vidros.

Guimarães acrescenta que todos estes fatores foram levados em consideração na preparação da documentação do envelope (envoltória) da edificação, item de vital importância na análise de desempenho para a certificação LEED.

Um estudo em projeto também foi realizado no Edifício Cidade Nova II, publicado nesta edição, em Relato de Caso, onde optou-se por fachadas com dupla pele de vidro e vidros de baixa emissividade ( Low-e). Sua volumetria é composta por seis fachadas externas com panos de vidro, e quatro internas, voltadas para um átrio protegido por uma claraboia de vidro; quando há necessidade de sombreamento, uma persiana é acionada por sistema automatizado. A claraboia funciona como uma imensa bolha de ar quente, forçando o ar frio a descer e refrescar o ambiente. Durante a noite, quando o ar condicionado é desligado, o ar frio que vem de fora também ajuda a reduzir a temperatura interna.

Amplitude térmica da edificação

De acordo com Dantas outras estratégias que beneficiam a redução da carga térmica no ambiente podem ser consideradas, dependendo do clima e região. Em regiões com amplitude térmica muito grande, é possível modular as taxas de ventilação natural no período noturno.

Em tal situação a edificação deverá ter uma grande massa construtiva. Já nas regiões onde isso não acontece é mais importante o isolamento térmico, não o de massa, mas o isolamento propriamente dito, para evitar a penetração do calor durante o dia, já que não existirá a contrapartida da temperatura noturna baixa, para o arrefecimento da massa da edificação; neste caso seria uma construção leve e com materiais com grande resistência térmica.

“Em regiões com amplitude térmica, é salutar uma ventilação que favoreça o esfriamento da massa da edificação no período noturno e, no dia seguinte quando começar a operação, com essa massa resfriada é possível utilizar o sistema de climatização entre 4°C ou 5°C abaixo da temperatura normal durante o dia. Essas edificações realmente são especiais, em função do clima, mas acho que deve ter uma boa massa construtiva, que pudesse fazer uso do volante térmico armazenado, recebendo a ventilação noturna de baixa temperatura, armazenando frio, e cedendo esse frio no dia seguinte para a operação do sistema de climatização. Seria um ciclo economizador, ou até um processo de termoacumulação sazonal, onde a própria massa da edificação é utilizada para fazer o armazenamento. Um pouco diferente da termoacumulação tradicional que usa gelo ou água. É algo que deve ser estimulado, inclusive maximizar essa estratégia utilizando o processo de frio radiante, que são tubulações de pequeno diâmetro embutidas nos pisos e nas paredes, que durante o período noturno possa ser resfriada por um sistema de água, fazendo um resfriamento mais profundo da massa da edificação, e no outro dia usar o processo de refrigeração mecânica, com a água na temperatura entre 15°C a 16°C. Se for um clima seco, existirá a possibilidade até de, durante o dia, numa temperatura de 30°C e umidade absoluta de 5 g/kg, através de um processo de resfriamento evaporativo, obter em torno de 12°C a 13°C”, explica Dantas.

Resfriamento passivo

O resfriamento passivo em paredes, piso e teto através de sistemas geotérmicos é comentado pelo Prof Dr Alberto Hernandez Neto, da POLI-USP para aplicação em residências.

“A geotermia em circuito semiaberto consiste em tubulações de água enroladas no solo a aproximadamente 3 ou 4 metros de profundidade, ou seja um circuito de resfriamento onde a água passa por um trocador que resfria o ar. Com esse sistema essa água pode resfriar, por exemplo, o piso, ou as paredes, ou mesmo o teto. Tendo esse fornecimento de água a uma determinada temperatura, posso usá-la da maneira que eu quiser. Dependendo da temperatura e da vazão, a parede vai receber uma radiação um pouco mais intensa, e retirar o calor jogando para o forro, reduzindo a temperatura no forro para diminuir a insolação que chega pelo teto. Nossa ideia é testar em laboratório diferentes alternativas, por exemplo, o que acontecesse se eu jogar isso diretamente para o ambiente da sala, ou dos quartos, se eu quiser agora resfriar o piso, o teto, enfim, testar algumas alternativas e, em função do resultado de temperatura e vazão da água que eu consigo resfriar, você pode trabalhar com um aumento no consumo de energia muito pequeno, nós estamos falando, em uma residência, de um aumento de 5%, no máximo, 8% no consumo”, explica Hernandez.

Ele acrescenta que em relação a envoltória, é preciso ter uma inércia maior das paredes, para diminuir a entrada de calor, no teto também.

“Mas se você trabalhar corretamente, por exemplo, o teto da casa, fazendo um bom isolamento e garantindo uma boa ventilação natural, que também ajuda no processo, essa geotermia complementa e permite uma melhoria de conforto, abrindo mão do ar condicionado. Claro que em alguns momentos do dia você terá um desconforto, conseguimos 80% de conforto, das horas ocupadas. É um equilíbrio entre gastar menos (os 30% a mais do ar condicionado) e o conforto. Deve ser feita também uma análise econômica, se você colocar um split você terá conforto, mas sua casa terá um consumo de energia maior. Voltando para o assunto da envoltória, é isso: começar a poder trabalhar melhor os materiais do prédio, ou da residência; aproveitar a envoltória, junto com o clima, em prol da melhoria do conforto e do desempenho da edificação. O pessoal ainda está muito tímido nesses aspectos, algumas coisas estão sendo feitas, mas ainda é pouco”, conclui Hernandez.

Simulação energética

Um importante item é a simulação do desempenho energético. Esta, entretanto, não é uma tarefa simples de ser desempenhada, de forma a explorar toda a potencialidade do projeto. O desempenho energético é a área com maior capacidade de obtenção dos importantes pontos de classificação, porém requer elevado conhecimento das características e detalhes de toda a edificação.

É, portanto, de vital importância a simulação energética adequada e precisa, tomando partido dos importantes pontos de diferenciação do projeto. Trata-se de um modelo computacional no qual todos os processos térmicos e energéticos são contabilizados e integrados entre si. Por exemplo, sistema de condicionamento de ar, cargas internas (pessoas, equipamentos e iluminação), fechamentos opacos e transparentes, painéis fotovoltaicos, iluminação natural, entre outros. Basicamente, o procedimento de simulação computacional permite modelar uma edificação antes de a mesma ser construída ou reformada, permitindo que diferentes alternativas e estratégias sejam investigadas e comparadas entre si, podendo conduzir à otimização do projeto ou de determinados processos.

Isolamento térmico

De acordo com Hildebrando Mota Carneiro Filho, gerente de vendas – Divisão Construção Civil Industrial da Dânica, a disposição dos elementos utilizados na envoltória, aliada à natureza das matérias-primas e seus respectivos coeficientes de isolamento térmico é, com certeza, o elemento mais decisivo para o desempenho térmico de uma edificação.

“Número de aberturas, incidência de sol e sombra, e outras ferramentas da chamada arquitetura passiva, e, principalmente, os níveis de absortância de paredes e coberturas, influenciam diretamente os resultados de eficiência energética das edificações, levando-se em conta também características climáticas de cada região. Foi justamente devido a essa importância que o Inmetro, por meio do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (Procel) lançou a Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE), uma ferramenta confiável para medição do potencial alcançável por meio de melhoramentos na envoltória direcionados por metas de ganho energético”, informa Carneiro Filho.

Ele acrescenta que os materiais produzidos pela empresa têm relação direta com esse processo, na medida em que isolantes térmicos como o poliuretano (PUR) ou poliisocianurato (PIR) proporcionam aos materiais da envoltória (cobertura e fachada, principalmente) níveis de isolamento muito superiores aos de materiais de construção convencionais, auxiliando no controle da carga térmica da edificação por meio dos níveis de transmitância térmica. O uso de produtos com essas características, que dizem respeito às envoltórias de verão e inverno e às aberturas, aliado à valorização de sistemas de aquecimento de água baseados em energia solar ou bomba de calor, colaboram de maneira determinante para o alcance de resultados significativos em eficiência energética.

Júlio César, do marketing da Isoeste, diz que a região onde mais há troca de calor devido a incidência direta do sol é na cobertura da edificação e com a instalação da telha térmica, essa troca de calor se reduz muito em relação a coberturas convencionais.

“Dependendo do tipo de fechamento haverá maior ou menor consumo de energia, portanto deve se levar em conta o que utilizar na envoltória a fim de conseguir a eficiência energética necessária, utilizando produtos que diminuam a entrada de calor no ambiente, e que além da função prática de fechamento, possua outras funções como acabamento pronto. Cito a aplicação de painel constituído de duas camadas de aço com núcleo de poliuretano que impede a entrada de calor no ambiente, com isso a carga térmica a ser retirada do ambiente é menor, demandando assim uma quantidade menor de aparelhos para climatização, e consequentemente o consumo de energia. Seu grande impacto se dá pela redução de consumo de energia (ar condicionado), rapidez nas montagens, estética, estruturas mais leves e acabamento perfeito”, comenta César.

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