Automação
Extensão GBXML e desempenho energético de edificações
Tal cenário trouxe a necessidade de mais rapidez nas tomadas de decisão
postado em: 18/06/2014 11:20 h atualizado em: 18/06/2014 11:54 h
Catedral de Brasília
(crédito: © Aguina | Dreamstime.com)

 

A maior complexidade dos projetos de edificações de médio e grande porte, proporcionada pelo desenvolvimento tecnológico, passou a exigir o uso de novas ferramentas de trabalho visando às soluções dos novos problemas impostos ao processo de projeto. Tal cenário trouxe a necessidade de mais rapidez nas tomadas de decisão, uma vez que muitas equipes diferentes estão tipicamente envolvidas no mesmo processo e a quantidade de informação nem sempre consegue chegar a tempo do início de determinada etapa de trabalho. A consequente necessidade de maior interação entre diferentes ferramentas e processos, visando ao melhor aproveitamento dos recursos materiais e humanos disponíveis, torna-se imperativa. No que tange a análises de desempenho de edificações, o ganho de produtividade pode significar a diminuição do tempo de resposta às outras equipes envolvidas em até um quarto devido à redução de retrabalho proporcionado pelo aproveitamento de modelos tridimensionais de outras equipes. Em termos absolutos, tal redução poderia ser traduzida em um ganho de alguns dias de trabalho, dependendo do tamanho e complexidade do projeto analisado.

A maior interoperabilidade entre ferramentas de projeto visando à análise de desempenho é sensivelmente importante no caso de edificações comerciais, em que a arquitetura tem grande interação com os sistemas prediais de iluminação e condicionamento artificiais. De acordo com o Balanço Energético Nacional (BEN) de 2011, o setor comercial respondia por 15% do consumo de eletricidade em 2010. Juntamente com o setor público, a participação representava pouco mais de 23%. Ainda dominado pelos setores industrial e residencial, o cenário de consumo energético brasileiro tende a sofrer alguma alteração com o aumento da participação do setor comercial/público [1] nos próximos anos. Caracterizados principalmente pela grande participação de sistemas de iluminação (33%) e de condicionamento (42%) artificiais, os edifícios comerciais podem se privilegiar do clima e das decisões de projeto arquitetônico a fim de alcançarem altos níveis de eficiência quanto à operação de suas atividades.

Essa maior integração não tem sido fácil devido aos diferentes pacotes de softwares disponíveis no mercado de construção civil e que, naturalmente, não possuem qualquer tipo de conversa uns com os outros. Salvo as soluções para projeto de diferentes disciplinas (arquitetura, estrutura, sistemas mecânicos, etc) desenvolvidas por uma mesma empresa, a interoperabilidade discutida neste artigo nem sempre funciona de maneira direta. No entanto, algumas empresas de desenvolvimento de software têm firmado parcerias com o intuito de atualizar suas plataformas e reduzir os problemas das equipes que trabalham com tipos de análises distintas, tipicamente exigindo arquivos com extensões incompatíveis entre si. Neste contexto, uma extensão que tem sido chave para essa "conversa" entre softwares é a gbXML (green building XML). Essa extensão consegue traduzir as informações geométricas de um modelo tridimensional típico de apresentação em um modelo de análise térmica, que possui menos rigor quanto aos detalhes arquitetônicos enquanto mantém as características termodinâmicas da edificação. Este artigo expõe um procedimento de análise de desempenho energético visando à avaliação do impacto de intervenções arquitetônicas e o desempenho energético de edificações ao longo da vida útil.

Interoperabilidade e análise de desempenho

O estudo considera o desenvolvimento de um projeto comercial em Brasília, capital nacional, como exemplo de análise de potencial de desempenho energético ao longo das próximas décadas. Considerando que uma edificação nova deve ser construída para ter uma vida útil de 50 anos, é importante avaliar como ela irá responder às alterações de operabilidade e inserção climática ao longo dos anos.

Embora com perfil de temperatura, umidade e ventos em condições às vezes adversas, Brasília não possui condições extremas que inviabilizem o uso de estratégias passivas de condicionamento ambiental para ambientes de trabalho. Há possibilidade do uso de ventilação natural, eventualmente associada a estratégias complementares de sombreamento e massa térmica. Tais estratégias, fundamentais no desenvolvimento do projeto de arquitetura, podem ser mais rapidamente modeladas e simuladas se o projeto estiver inserido em ambiente colaborativo de trabalho, no qual as equipes envolvidas compartilham da mesma plataforma gráfica e retiram dali as informações necessárias para o detalhamento das soluções relativas a cada disciplina.

Figura 1

No que tange ao cenário de mudança climática global [2], existe a tendência de aumento da amplitude térmica (maior distância entre temperaturas mínimas e máximas ao longo de determinado período), com destaque para as temperaturas mais altas, que tendem a aumentar mais rápido do que as mais baixas diminuem. Neste contexto, o estudo de estratégias passivas de conforto ambiental em cidades de clima quente no Brasil atualmente pode ser uma alternativa à melhor compreensão das soluções possíveis de serem adotadas em Brasília dentro de 20 ou 40 anos, partindo do princípio que as estimativas do cenário AR4 do IPCC sejam confirmadas. Na impossibilidade de suprir os níveis mínimos de conforto térmico por meio exclusivamente passivo, estratégias ativas (condicionamento artificial) podem ser adotadas de maneira complementar. De maneira suplementar, podem ser adotadas estratégias pró-ativas (geração de energia renovável in locu) visando à diminuição da demanda da rede elétrica. Soluções pró-ativas, contudo, não são objeto de discussão do presente artigo.

Os gráficos a seguir foram produzidos a partir de dados climáticos obtidos pelo Meteonorm, programa que possui registros meteorológicos de diversos sítios mundiais e utilizam os parâmetros do IPCC (AR4) para estimar o comportamento horário dos climas nas próximas décadas. Esses dados mostram que as temperaturas médias para Brasília subirão por volta de 1°C em 2030, e mais um grau em 2050. A radiação total incidente não apresentará variação relevante. É válido destacar que a inclusão de diferentes cenários climáticos (atual, em 20 anos e em 40 anos) no contexto desse estudo está relacionada ao interesse quanto ao entendimento sobre o impacto da alteração das condições de umidade, temperatura e radiação gradualmente mais acentuadas, ao longo do tempo, na eficiência das estratégias simuladas.

Gráfico 1

Gráfico 2

 

Metodologia

O estudo teve início com a exportação gbXML do modelo de referência do software paramétrico utilizado para a modelagem tridimensional da edificação. Há uma quantidade considerável de softwares de modelagem arquitetônica disponíveis no mercado que possuem a capacidade de conversão para a referida extensão. No entanto, cada um possui especificidades e podem exigir treinamento prévio para a geração de arquivos do tipo gbXML. É importante que as diretrizes necessárias à boa construção do modelo computacional inicial sejam dispostas de maneira clara, pois sempre existe a possibilidade de determinadas famílias de objetos não serem interpretadas corretamente na exportação, o que dificulta ou impossibilita a utilização do modelo gbXML dentro do software de análise de desempenho.

A obtenção de dados climáticos detalhados (horários) a partir da análise do arquivo climático horário para Brasília é fundamental para que a análise de desempenho possa ser conduzida. A base de dados climáticos disponibiliza dados climáticos em extensão EPW de várias localidades do globo a partir de 1960, com extrapolação para os cenários futuros contidos no relatório AR4 do IPCC de 2007. Os arquivos de extensão EPW possuem dados de temperatura, umidade, radiação, iluminância, ventos e precipitação para as 8760 horas de um ano completo. O arquivo de referência utilizado neste artigo reproduz as características de um ano "típico", derivado dos dados anuais entre 2000 e 2009. Por essa metodologia, fenômenos climáticos discrepantes são desconsiderados e os dados restantes são consolidados por médias. Dessa maneira, o que se convencionou chamar aqui de "arquivo do clima atual" é, na verdade, uma média derivada de um período de 10 anos.

O diagnóstico de estratégias bioclimáticas foi elaborado de acordo com os modelos de conforto térmico adaptativo e Fanger PMV (Predicted Mean Vote) contidos na norma americana ASHRAE 55-2004 [3]. Esta norma foi escolhida como referência para o estabelecimento dos padrões de conforto térmico por ser amplamente utilizada nos mercados brasileiro e internacional, sobretudo em processos de certificação ambiental e de etiquetagem energética (LEED, AQUA, PROCEL Edifica). A metodologia adaptativa parte do princípio que o conforto térmico no interior dos espaços é dinâmico e pode ser definido em função da variação da temperatura do ar externo, respeitando limites inferiores e superiores, para 90% de usuários satisfeitos. Para combater altas temperaturas, por exemplo, a pessoa pode interagir com o ambiente que ocupa abrindo janelas, ligando ventiladores, vestindo roupas mais leves (diminuindo o isolamento térmico de seu corpo). Tal metodologia é geralmente utilizada em espaços naturalmente ventilados ou que possuam sistema de condicionamento artificial do ar funcionando conjuntamente com estratégias naturais. Contrariamente, o índice de conforto do voto médio predito (PMV) é estático e não acompanha as variações de temperatura do ar externo. No presente estudo, os dois índices foram utilizados para a determinação do potencial bioclimático de Brasília.

Os estudos analíticos no cenário climático atual e no cenário de mudança climática foram desenvolvidos com o auxílio do software DesignBuilder, que possibilita a simulação termodinâmica da edificação e provê resultados horários ao longo de um ano completo. A edificação de tipologia comercial estudada considerava uma situação de gabarito alto e por isso a modelagem foi feita considerando apenas um pavimento intermediário, com piso e teto adiabáticos. Superfícies adiabáticas não permitem trocas de calor entre os pavimentos imediatamente superior e inferior. O pavimento tem planta quadrada, com envidraçamento de 50% nas quatro fachadas e orientação de 45° com relação ao norte, conforme figura 2. Os demais dados de entrada (ocupação, iluminação, cargas internas) estão descritos na tabela 1. É importante ressaltar que o modelo de referência não é um "modelo padrão de pavimento tipo" desenvolvido pelo mercado imobiliário local, uma vez que para se estabelecer tal padrão é necessário um maior aprofundamento no tema das tipologias comerciais típicas da cidade - discussão que está fora do escopo desse artigo.

Figura 2

 

A determinação do termostato de funcionamento do sistema de condicionamento de ar dos espaços ocupados foi feita a partir do modelo de conforto adaptativo, já que medidas de conservação seriam analisadas por meio de estratégias passivas (não consumidoras de energia). A análise do perfil de temperatura exterior para Brasília indicou que o limite de 28°C como temperatura interna de operação poderia ser utilizado para separar a zona de conforto da zona de desconforto superior. Essa temperatura é superior à recomendada pela norma NBR-16401/2, utilizada pelos profissionais de ar-condicionado, que estabelece o limite superior de 25,5°C (com umidade relativa de 65%) para conforto térmico de verão. Tal limite, contudo, considera a metodologia estática do PMV, ignorando as possíveis interações do usuário na adaptação do processo. Para fins de simplificação metodológica, as temperaturas do ar e de operação foram consideradas como sendo equivalentes - embora nem sempre isso aconteça -, deixando espaço para as discussões acerca da interação entre a edificação e as mudanças climáticas. A tabela 1 descreve os cenários que foram simulados.

Tabela 1

 

Para a modelagem dos parâmetros do modelo de maior desempenho foram utilizados dados de entrada contidos na norma brasileira NBR-15220, principal referência no processo de etiquetagem brasileira PROCEL Edifica [4], iniciativa do governo federal e coordenada pelo INMETRO. Tal referência foi escolhida como cenário de melhor desempenho devido à melhor compreensão do mercado de construção civil brasileiro pela normativa no que tange às características de materiais para envoltória e tecnologias disponíveis para especificação de sistemas prediais.

Para o cenário de mudança climática, as simulações foram conduzidas com os mesmos modelos computacionais (de referência e de maior desempenho) do pavimento tipo utilizadas nas análises de cenário de perfil climático atual, mas utilizando o arquivo climático elaborado a partir das previsões contidas no relatório do IPCC de 2007 (cenário A2). É importante destacar que o motivo pelo qual os dados contidos no relatório AR5 do IPCC, liberados no final de 2013, não foram utilizados nesse estudo foi o curto intervalo de tempo que o relatório teve para ser minuciosamente analisado pela comunidade científica mundial. No que tange especificamente à metodologia do presente artigo, dados climáticos detalhados (horários) ainda não foram disponibilizados.

Potencial bioclimático local

Os dados referentes à análise bioclimática de Brasília, que divide as estratégias em porcentagens do total de horas analisadas, estão dispostos no gráfico 3. O total de horas considera, para o presente estudo, apenas as informações climáticas das 8h às 18h, horário em que os modelos foram simulados. As estratégias dispostas no referido gráfico se sobrepõem e, como consequência, a soma de todas elas excede 100% das horas totais do ano. Muitas estratégias não tem impacto relevante para o clima de Brasília, uma vez que tem participação próxima de 10%. Três soluções de projeto (ventilação natural, sombreamento de janelas e condicionamento artificial de ar – AVAC) dominam o perfil bioclimático analisado, com representatividade acima de 30%.

É importante destacar o peso cada vez menor, ao longo das décadas, da zona "natural" de conforto térmico. Essa zona é a porção de tempo em que a interação entre temperaturas, umidades e ventos proporciona conforto ao usuário sem a utilização de nenhuma das outras estratégias colocadas no gráfico (sejam elas ativas ou passivas). Deve-se destacar que ventilação natural e sombreamento de janelas não sofrem alterações sensíveis de participação em 2030 e em 2050, contrariamente ao AVAC, que se torna mais importante com os cenários de mudança climática. 

Gráfico 3

Análise de resultados

A opção por utilizar um modelo importado gbXML no Designbuilder reduziu em aproximadamente 25% o tempo de análise de desempenho para a situação proposta. É importante observar que o modelo utilizado não teve problemas quanto à exportação do arquivo para o software de análise dinâmica por ser uma geometria simples e por isso não foi necessário tomar cuidados específicos durante a construção virtual do modelo original. Uma vez importado o arquivo, o processo de inserção de dados, condução de simulações e compilação de dados aconteceram conforme um procedimento padrão de análise.

Os dados gerados a partir das simulações computacionais dos modelos, conforme gráfico 4, foram analisados de maneira comparativa a partir do perfil de carga térmica e do consumo energético anual. Os modelos simulados foram agrupados por classes (A, B e C), em função dos arquivos climáticos utilizados (atual, 2030 e 2050). Os modelos do tipo 1 são sempre os de referência e os do tipo 2 são os de melhor desempenho (que preveem o uso de proteções solares e de ventilação natural juntamente com o AVAC, por automação). O consumo de energia, em todos os modelos, para os usos de equipamentos e de iluminação artificial permanecem inalterados, uma vez que o objetivo do estudo era analisar o impacto de estratégias para envoltória de edificações comerciais no contexto de mudanças climáticas. Reduções adicionais de consumo de energia devido a tais usos podem ser alcançadas por meio de adoção de equipamentos de escritório mais eficientes e de sistemas mais eficientes de iluminação, com eventual uso de automação com iluminação natural - reduzindo a quantidade de horas em que as luminárias permanecem ligadas.

Gráfico 4

O uso de ar-condicionado ao longo das décadas, devido ao aumento das temperaturas do ar no clima de Brasília, será cada vez mais importante para assegurar o conforto térmico dos usuários, com o consequente aumento do consumo de energia devido a este uso final. Comparando os modelos do tipo 1, é possível observar que o aumento do consumo energético devido ao uso do AVAC será de 22% em 2030 e de mais 16% em 2050. Na comparação do consumo em 2050, com relação ao arquivo climático de referência (representando as condições climáticas atuais), o aumento é de 41%. A comparação do consumo energético por AVAC entre os modelos do tipo 1 e os do tipo 2 mostra que o efeito benéfico das estratégias passivas de envoltória (sombreamento de fachadas e ventilação natural) vai diminuindo ao longo das décadas. Tais estratégias ajudam a reduzir o consumo de energia por condicionamento de ar em 26% no clima de referência, 18% em 2030 e apenas 13% em 2050. Os demais usos (equipamentos e iluminação) não têm variação de conforto em função do clima e, por isso, não são objeto de discussão desse estudo.

Os resultados mostram que, para o clima de Brasília, as estratégias passivas (não consumidoras de energia) aplicáveis à envoltória de edificações comerciais de gabarito médio e alto vão sendo menos eficientes, ao mesmo tempo em que sistemas artificiais vão sendo cada vez mais necessários para garantir o conforto térmico dos usuários. Tais resultados confirmam a análise preliminar do clima, que antecederam as simulações dinâmicas, destacadas no gráfico 3. Como consequência do aquecimento do clima, e maior demanda de energia para condicionar as edificações, sistemas prediais ainda mais eficientes associados a políticas de flexibilização do ambiente de trabalho (por exemplo: trajes mais leves e confortáveis e consolidação do modelo de home office) serão, cada vez mais, pauta de discussões sobre o papel de inovações tecnológicas e do direcionamento de políticas.

Johnny Klemke Costa Pinho

Mestrando em Tecnologia da Arquitetura na FAUUSP e consultor em desempenho de edificações na OTEC

Referências

[1] Plano Nacional de Energia (PNE) 2030. Disponível em http://www.mme.gov.br/mme/galerias/arquivos/publicacoes/pne_2030/PlanoNacionalDeEnergia2030.pdf

[2] De acordo com o IPCC Fourth Assessment Report (AR4), obtido em http://www.ipcc.ch/publications_and_data/publications_ipcc_fourth_assessment_report_synthesis_report.htm.

[3] ASHRAE. ASHRAE 55-2004 Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy.

[4] Portaria 372/2010 – Requisito Técnico da Qualidade – Comercial (RTQ-C). Procel Edifica

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