Resumo              

Diversas decisões tomadas no desenvolvimento do projeto arquitetônico têm impacto no dimensionamento do sistema de condicionamento de ar a ser instalado, uma vez que influenciam diretamente na carga térmica a ser combatida. Entretanto, o impacto das decisões arquitetônicas no desempenho térmico da edificação e consequentemente no dimensionamento do sistema de condicionamento de ar, muitas vezes não é avaliada de forma conjunta e integrada durante a elaboração do projeto.  O presente estudo teve como objetivo apresentar a avaliação dos resultados dos cálculos da  carga térmica para uma edificação específica, a saber, o Palácio Gustavo Capanema, localizado no Rio de Janeiro, tendo como base a utilização das medidas de proteção passiva adotadas no projeto original, bem como a possibilidade de redução da carga térmica, em função da variação do coeficiente de sombreamento do vidro. Além da avaliação da variação da carga térmica, foi estudado o impacto desta variação no dimensionamento da capacidade, na potência elétrica instalada e no consumo de energia do sistema de condicionamento de ar. O estudo apresenta parte dos resultados finais de dissertação de mestrado. O método adotado foi o estudo de caso de caráter exploratório. Com base nas simulações, realizadas adotando-se o software TRACE 700, foram elaboradas análises comparativas dos resultados da carga térmica, do investimento inicial, do consumo e do custo operacional da energia do sistema de condicionamento de ar. Analisando os resultados obtidos, foi possível confirmar que as decisões arquitetônicas impactam de forma direta na carga térmica da edificação. Verificou-se também, através da análise dos resultados, que as variações da carga térmica obtidas apresentaram percentuais diferentes da variação do investimento inicial, da potência elétrica e do consumo, em função da modulação da capacidade dos equipamentos existentes. Com o presente estudo fica evidenciada a importância do desenvolvimento do projeto de forma integrada, uma vez que se verifica que as decisões de cada disciplina, principalmente as arquitetônicas, impactam diretamente nas demais disciplinas e consequentemente no consumo de energia da edificação.

Introdução

A indústria da construção consome 50% dos recursos mundiais, o que faz dela uma das atividades menos sustentáveis do planeta. Não obstante, nossa vida cotidiana gira ao redor de uma grande quantidade de construções: vivemos em casas, utilizamos carros, trabalhamos em edifícios e utilizamos estabelecimentos comerciais. A civilização contemporânea depende das edificações para seu abrigo e existência e nosso planeta não suporta mais o aumento do consumo dos recursos naturais. Portanto, é evidente que algo tem que mudar e a arquitetura tem um papel importante a desempenhar nesta mudança (EDWARDS, 2008).

O ato de construir é por si só, um ato de natureza complexa. Centenas de processos precisam ser desenvolvidos antes que as fundações da edificação possam ser feitas, que as paredes possam ser erguidas, que o interior seja finalizado e que as pessoas possam ocupar o espaço projetado. Fica também muito claro que precisamos construir de forma mais sustentável: construir gastando menos energia, menos água, usando o mínimo possível os recursos finitos da natureza e ao máximo os produtos reciclados (BOECKER, 2009).

Avaliar o desempenho energético de edificações é uma tarefa complexa que envolve grande quantidade de variáveis interdependentes e conceitos multidisciplinares. Através dos programas de simulação, pode-se avaliar o desempenho térmico e energético de edificações para diferentes alternativas de projeto, sejam elas opções do desenho arquitetônico, dos componentes construtivos, dos sistemas de iluminação ou dos sistemas de condicionamento de ar. (MENDES, 2005).

Objetivo

O presente trabalho, por meio do estudo de caso do Palácio Gustavo Capanema, visa analisar a inter-relação entre as decisões arquitetônicas, o dimensionamento do sistema de AVAC e do sistema elétrico, bem como do consumo de energia e consequentemente do custo operacional de uma edificação.

Metodologia

Descrição do estudo de caso – Palácio Gustavo Capanema

O prédio escolhido como estudo de caso foi o hoje denominado Palácio Gustavo Capanema (PGC), localizado na Rua da Imprensa, sem nº, no Rio de Janeiro. Como parte do projeto de restauro do Palácio Gustavo Capanema foi feita pela UNESCO, a contratação de uma das autoras do presente artigo, para prestar consultoria técnica com o objetivo de estabelecer as diretrizes básicas e conceituais para a contratação de projetos e obras de melhoria do conforto ambiental e climatização no edifício, por meio da elaboração de um termo de referência, obedecendo às premissas de preservação estabelecidas no tombamento da edificação e normas de proteção e conservação do IPHAN.

Em função do interesse e da peculiaridade do Palácio Gustavo Capanema no contexto histórico da arquitetura moderna no Brasil e no mundo, o presente trabalho propôs ampliar o processo de consultoria no sentido de fazer análises aprofundadas das possíveis decisões de projeto. O Palácio Gustavo Capanema é o símbolo mais impactante da arquitetura moderna no Brasil e a primeira aplicação em escala monumental das ideias de Le Coubusier, que aqui esteve em 1937. Ele  mostra claramente  a  força  com  que  um prédio  pode  modelar  o  espaço  em  torno de si (MINDLIN, 2000).

Na elaboração do projeto para construção do PGC nas décadas de 1930 e 1940, foram utilizadas noções de conforto ambiental, ventilação natural e cruzada, com utilização de diversos elementos arquitetônicos, específicos para o controle da incidência solar e da temperatura interna, o que caracteriza esta edificação como um modelo, adaptado a seu tempo, de construção sustentável (IPHAN, 2012).

Forma e orientação solar

A forma da edificação e a orientação solar das fachadas são aspectos arquitetônicos importantes em um projeto, pois irão impactar diretamente na quantidade de calor que entra no ambiente. No PGC, o prédio principal apresenta uma geometria retangular e possui 04 (quatro) fachadas. As fachadas Nordeste (60º) e Sudoeste (240º) são fachadas cegas. Já as fachadas Noroeste (330º) e Sudeste (150º) possuem vidro no seu fechamento, sendo que no projeto original foram previstas proteções solares para estas fachadas, a saber, brise soleil,  na fachada Noroeste e persianas internas, na fachada Sudeste.

Recorte do Estudo de Caso

O prédio é composto por dois blocos retangulares que se cruzam perpendicularmente.  O bloco principal é um edifício vertical com 15 níveis (2º ao 16º pavimento), suspenso do solo por pilotis de 10 m de altura. Já o bloco anexo possui 2 níveis (Térreo e 1º pavimento), é horizontal, passando por baixo do outro bloco, e abriga em seu teto um jardim concebido por Burle Marx. O presente estudo se ateve à avaliação do comportamento de parte do bloco principal da edificação, a saber, do 3º ao 15º pavimentos, de forma que a transmissão de calor do piso do 3°pavimento e a do teto do 15° pavimento foram desconsideradas. As simulações foram feitas para um andar tipo, que foi subdividido em 03 (três) zonas térmicas, levando-se em conta a consideração, conforme definição do IPHAN, o fato de que o hall de elevadores não será climatizado, conforme apresentado na Figura 3.

Seleção do programa de simulação

Para o desenvolvimento das simulações propostas nesta pesquisa foi utilizado o programa de simulação TRACE 700 (Trane Air Conditioning Economics), que é um programa de cálculo de carga térmica e de análise econômico-energética, desenvolvido pelo grupo C.D.S. (Customer Direct Service Network), da empresa Trane Company, programa acreditado no âmbito da ASHRAE 140-240, para simulação de desempenho térmico e energético de edificações (TRANE 2010).

Determinação das simulações

Com o objetivo de avaliar o comportamento térmico da edificação, tendo em vista as alterações arquitetônicas propostas, foram realizadas 09 (nove) simulações, assim discriminadas:

A simulação T5_IPHAN_BR45_PE45 foi utilizada como a referência base para as comparações apresentadas a seguir, uma vez que esta opção representa o prédio nas condições originais de projeto, a saber, simulação com brise soleil, na fachada Noroeste e persianas internas na fachada Sudeste. As simulações T1 à T4 foram realizadas com o objetivo de avaliar o comportamento da edificação caso as medidas passivas adotadas no projeto original não tivessem sido realizadas, e as simulações T6 à T9 foram realizadas com o objetivo de avaliar a possível redução da carga térmica, em função da melhora no coeficiente de sombreamento dos vidros. As simulações foram realizadas adotando o critério da operação convencional do sistema de AVAC, a saber, funcionamento diurno de forma contínua, modulando sua capacidade de modo a manter a temperatura interna prevista, ao longo do ano, que é de 24ºC de TBS.

Parâmetros de cálculo

Em uma simulação, o modelo precisa apresentar características que definam cada uma das trocas de calor que compõem a carga térmica, de modo que, para que o modelo fosse simulado, foi necessária a definição dos parâmetros a serem adotados nas simulações, conforme descrito a seguir:

Características dos elementos translúcidos                                                                                                                    

Foram adotadas as seguintes características térmicas básicas para os fechamentos translúcidos:

 

Os coeficientes de sombreamento (CS) apresentados contemplam não só o material de vedação translúcido, mas todo o conjunto, a saber: vidro simples, vidro + persiana e vidro + película + persiana.  Para o vidro aramado, existente na fachada Sudeste, foram adotadas as seguintes características térmicas: U = 5.91 W / m2 .K  e  CS = 0,56.

Características construtivas das paredes :

Paredes externas: U =  2,28 W / m2 .K (*)
Paredes  internas : U =  2,29 W / m2 .K (*)

Cargas internas:

Ocupação dos espaços: 7 m2/pessoa (99 pessoas/pavto)
Dissipação de calor / pessoas: Calor sensível => 73,25 kW / pessoa
Calor latente     =>  58,6 kW / pessoa
Dissipação  iluminação / equipamentos: 10 W/m2  e  16 W/m2
Taxa de renovação de ar: 27 m3 /h , conforme NBR 16401.

Condições térmicas internas:

Temperatura de Bulbo Seco (TBS): 24 ºC
Umidade relativa (UR): 50%

Schedule de operação:

Uma vez que a ocupação dos espaços não se faz de forma imediata, para as simulações foi previsto o seguinte programa (Schedule) de operação:

Obs.: Foram apresentadas neste artigo apenas algumas das características térmicas adotadas na simulação, entretanto, é importante ressaltar que o software utiliza como metodologia para o cálculo da carga térmica o método CLTD/CLF (Cooling Load Temperature Difference / Cooling Load Temperature), com a utilização do método TFM (Transfer Function Method) para gerar os dados utilizados na metodologia, de modo que é possível exercer controle sobre aspectos de transmitância térmica, armazenamento e/ou resposta térmica das massas que compõem a edificação (TRANE, 2010).

Resultados

Com o objetivo de avaliar o impacto das decisões arquitetônicas no consumo de energia, em função do dimensionamento do sistema de condicionamento de ar, os resultados obtidos foram tratados de forma estatística, sendo elaboradas planilhas e gráficos com os resultados, de modo a possibilitar a análise comparativa dos valores obtidos.

Comparativo carga térmica

A Tabela 4 apresenta a variação da carga térmica de pico simultânea, calculada para o pavimento tipo da edificação em estudo, para cada simulação (T1 à T9).

Comparando-se os resultados obtidos nas simulações T1 (sem brise e sem persianas), T2 (com brise horizontal e sem persianas), T3 (com brise angulado a 45º e sem persianas), T4 (com brise angulado a 45º e com persianas na horizontal) e T5 (com brise e persianas anguladas a 45º), foi possível avaliar o impacto na carga térmica das medidas passivas adotadas no projeto original, a saber, a instalação do brise, na fachada Noroeste, e das persianas, na fachada Sudeste.  Comparando os valores obtidos nas simulações T5 e T1, verificou-se que, caso o brise não houvesse sido instalado, a carga térmica total apresentaria um aumento de 12,5%. Comparando os resultados obtidos na simulação T5 (com brise e persianas anguladas a 45º) com os resultados das simulações que propuseram a melhoria na eficiência térmica do vidro, a saber, a aplicação de película no vidro (simulações T6 e T7) e a troca do vidro existente por um vidro mais eficiente (simulações T7 e T8), foi possível avaliar que, no caso da aplicação da película no vidro, a redução da carga térmica global variou entre -5,7% e -9,9% (simulações T6 e T7), e no caso do vidro, tendo como base os vidros propostos, a variação ficou entre -5,8% e -9,3% (simulações T8 e T9).

Arquitetura do sistema de condicionamento de ar

Com base na carga térmica calculada, bem como no tipo de sistema de condicionamento de ar definido a ser utilizado para a edificação, a saber, o sistema do tipo Multi Split VRF que está sendo previsto pelos estudos desenvolvidos junto ao IPHAN para o condicionamento da edificação. Foi definida, para cada simulação, a quantidade de unidades evaporadoras e o modelo da respectiva unidade condensadora a serem instaladas no pavimento, adotando como referência os equipamentos da linha Multi V- III, da marca LG, conforme apresentado na Tabela 5.

Os valores apresentados na Tabela 5 se referem exclusivamente ao custo dos equipamentos do sistema de AAVC e de sua instalação, conforme estimativa de mercado. Não foram incluídos no presente estudo os custos que serão iguais para todas as opções, como o sistema de pressurização do ar externo e o sistema de automação, sendo que os valores apresentados se referem ao custo de apenas um pavimento.

Analisando os valores apresentados, verifica-se que a variação da carga térmica implica na mudança do modelo de condicionador adotado, o que tem como consequência a variação da potência elétrica, bem como do investimento inicial do sistema de AVAC.

Comparativo do custo operacional 

A tarifa de energia para a edificação, conforme dados obtidos por meio das contas de energia, é um tipo de tarifa convencional que cobra por kWh consumido e um valor fixo pela demanda contratada, independente do valor consumido.  Conforme conta de energia atual do prédio (junho / 2013), os valores cobrados pela Ligth para o PGC, com impostos incluso, e adotados nas simulações foram os seguintes: R$ 0,1995781 / kWh e R$ 95,64 R$/kW instalado .

Com base no perfil operacional e nos equipamentos propostos, foram obtidos os resultados mensais para o consumo elétrico dos equipamentos do sistema de AVAC por pavimento indicados na Figura 4.

 

A Figura 5 apresenta graficamente o comparativo anual do consumo de energia, dos equipamentos do sistema de AVAC por pavimento para as simulações T1 a T9.

Demanda elétrica

A demanda a ser contratada depende da potência elétrica máxima a ser instalada, que por sua vez é função da capacidade de refrigeração do sistema. O valor da alteração da demanda, apresentado na Tabela 6, se refere apenas ao acréscimo da potência elétrica em função do sistema de AVAC.

Custo da energia 

Com base nos custos de energia, apresentados no item 4.3, bem como nos valores de consumo e da demanda obtidos através das simulações, foram obtidos os seguintes resultados para os custos da energia consumida pelo sistema de AVAC.

Apesar de o consumo ter apresentado uma variação de 31% para a simulação T1 e – 23% para a simulação T9, tendo como referência a simulação T5, o custo global da energia apresentou uma variação menor, a saber, 21,3% e -8,3%, respectivamente para as simulações T1 e T9, conforme apresentado na Tabela 6.  A variação do custo da demanda ficou entre 19,2%, para a simulação T1 e -5,1%, para a simulação T9, enquanto que a variação no consumo, conforme citado anteriormente ficou entre -21,3% e – 8,3%, respectivamente para as simulações T1 e T9.

A variação diferenciada, em termos percentuais, entre o consumo (kWh) e o custo da energia (R$) se deve ao fato de que o custo total da energia é composto por 02 (duas) parcelas distintas, a saber, pelo valor do consumo acrescido do valor da demanda. Com o tipo de contrato de fornecimento de energia existente, independente da redução no consumo, a parcela da demanda é cobrada de forma integral.

Conclusões 

Foram realizadas 09 (nove) simulações paramétricas da edificação, sendo que em cada uma delas foram simuladas 8760 h. Nos modelos propostos foram variados os parâmetros referentes aos fechamentos translúcidos da edificação, sendo analisados os seguintes itens: (a) instalação e angulação do brise soleil, (b) instalação e angulação das persianas , (c) aplicação de película no vidro existente e (d) troca do vidro existente por um vidro termicamente mais eficiente.

Os resultados dessas simulações permitiram a análise do impacto conjunto das medidas propostas, bem como avaliar o impacto isolado da alteração destes parâmetros, além de   mostrarem a importância da utilização de elementos de proteção solar e de vidros de alta eficiência térmica, objetivando a redução da carga térmica e consequentemente melhorando o desempenho energético da edificação. O desempenho energético das simulações mostrou a forte dependência dos resultados em relação à solução arquitetônica utilizada para fechamento da envoltória, de modo que é fundamental que a definição das vedações, principalmente as translúcidas e de sua proteção em relação à radiação solar, seja criteriosamente estudada pelo arquiteto. O presente estudo mostra que as estratégias adotadas no projeto do Palácio Gustavo Capanema, concebido entre as décadas de 1930 e 1940, quando ainda não existia uma tecnologia de vidros e películas de alta eficiência, resultaram em um projeto de alta eficiência.

As avaliações da potência elétrica, do investimento inicial, do consumo elétrico e do custo da energia mostraram que os ganhos obtidos na carga térmica da edificação necessariamente não são replicados nas mesmas proporções para os itens citados. A variação destes itens apresentou forte correlação com a capacidade do equipamento de AVAC instalado, em função das modulações comerciais destes equipamentos. O custo da energia apresentou uma variação de + 21,3% para a simulação T1 (sem brise e persianas) e -8,3% para a simulação T9 (com brise, persianas e vidro de alta eficiência), em relação à simulação T5(com brise, persiana e vidro simples). Esta variação foi menor do que a variação do consumo, que foi de +31% para a simulação T1 (sem brise e persianas) e de -23% para a simulação T9 (com brise, persianas e vidro de alta eficiência). Com o presente estudo fica evidenciada a importância do desenvolvimento do projeto de forma integrada, uma vez que se verifica que as decisões de cada disciplina, principalmente as arquitetônicas, impactam diretamente nas demais disciplinas e consequentemente no consumo de energia da edificação.

Sandra Botrel -Engenheira Mecânico, Mestre em Ambiente Construído e Patrimônio Sustentável – EA / UFMG, é diretora da Protherm e ocupou o cargo de presidente do DNPC da Abrava
sandra@protherm.com.br

 

Roberta Souza – Dra, Professora da Escola de Arquitetura / UFMG
robertavgs2@gmail.com

Referências

ASHRAE STANDARD .  Standard Method of Test for the Evaluation of building Energy Analysis Computer Programs . ASHRAE 140-2011

BOECKER  J., HORST S. , KEITER T. , LAU A. e  SHEFFER  M. , TOEVS B.  and  REED B.  The Integrative Design Guide to Green Building – Redefining the practice of Sustainability.    New Jersey: John Wiley and Sons, Inc..  2009

EDWARDS, B. Guía básica de la sostenibilidad, 2° edição revisada e ampliada. Barcelona: Gustavo Gili, SL, 2008

IPHAN – Termo de Referência para prestação de serviços de Elaboração Estudos para a Sustentabilidade e Certificação de Edifícios Verdes do Palácio Gustavo Capanema (PGC) – R.J., 2012.

MENDES, N.; WESTPHAL, F.S.; LAMBERTS R.e NETO, J.A.B.C. Uso de instrumentos Computacionais para análise do desempenho térmico e energético de edificações no Brasil. Ambiente Construído, Porto Alegre, out./dez. 2005

MINDLIN, H.E. – Arquitetura moderna no Brasil – 2ª edição. Rio de Janeiro, Aeroplano Editora: IPHAN, 2000

SILVA, S.R.B. Decisões Arquitetônicas x Potência Instalada para o Sistema de Condicionamento de Ar: Estudo de Caso Palácio Gustavo Capanema – Dissertação de mestrado em Ambiente Construído e Patrimônio Sustentável – Escola de Arquitetura da UFMG, Belo Horizonte, 2014

TRACE  700 Comprehensive Building Analysis – Getting Started and Building Energy and Economics Analysis – User’s Manual Version 6.2- 2010

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