O artigo apresenta uma análise abrangente das edificações de balanço energético nulo (ZEB) já consolidadas, considerando diversas regiões climáticas, bem como as principais estratégias adotadas para climatização nessas construções.

Introdução

Desde a Primeira Revolução Industrial no século XVIII, a humanidade testemunhou uma ascensão sem precedentes, impulsionada pelos grandes avanços tecnológicos. Entretanto, esse progresso veio acompanhado de impactos ambientais significativos, como o aumento exponencial da demanda energética e a emissão desenfreada de gases de efeito estufa. Para lidar com esses desafios, foram estabelecidos acordos internacionais, como o Protocolo de Montreal e o Protocolo de Kyoto, com o objetivo de reduzir as emissões e melhorar a eficiência energética (Protocolo de Montreal, 1989; Protocolo de Kyoto, 1997). Em resposta a essas preocupações, a Organização das Nações Unidas (ONU) lançou os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS) em 2015, delineando metas ambiciosas, incluindo a construção de infraestruturas resilientes e a promoção da eficiência energética (ONU, 2015).

Nesse sentido, as edificações de balanço energético zero (ZEB) emergem como uma alternativa promissora. Os edifícios concebidos dentro do conceito ZEB são projetados para terem alta eficiência energética, com o objetivo de equilibrar o consumo de energia com a geração de energia renovável. Essas construções são fundamentais para reduzir as emissões de gases de efeito estufa e promover a sustentabilidade no setor da construção civil (JAYSAWAL et al., 2022).

No contexto brasileiro, emergem diversos programas de incentivo à construção de ZEBs, como o programa de etiquetagem PBE Edifica, incentivos fiscais, linhas de financiamento promovidos pela Caixa Econômica Federal e o Programa Nacional de Conservação da Energia Elétrica (Procel). O Procel, instituído em 1985 pelo Governo Federal, visa promover a eficiência energética e reduzir os impactos ambientais por meio de ações em diversas áreas (Procel, 2013). Considerando que as edificações representam cerca de metade do consumo total de energia elétrica no Brasil (EPE, 2020), a busca por soluções inovadoras e sustentáveis na construção civil é essencial para alcançar as metas de eficiência energética.

A Eletrobras, por meio do Procel, visa impulsionar a construção de edifícios Near Zero Energy Buildings (NZEB) no Brasil, promovendo uma matriz mais sustentável no setor de edificações. Em 2020, foi lançado um edital que premiava quatro projetos de edificações energeticamente eficientes com um milhão de reais cada para sua construção. Dentre vários projetos inscritos, foram selecionados quatro vencedores, incluindo um projeto da Universidade de Brasília. Este edifício é um modelo de coworking que se destaca pelo uso de conceitos de arquitetura bioclimática e engenharia, refletindo a preocupação com critérios de sustentabilidade e eficiência energética. A expectativa é que esses projetos sirvam de referência para o setor de construção civil, encorajando a adoção de construções sustentáveis em diferentes regiões e condições climáticas do país (Procel Edifica, 2019). No contexto atual brasileiro há uma defasagem em relação a outras nações no que tange à construção de edifícios ZEB, pois a sua implementação está em fase inicial, o que evidencia um vasto potencial para expansão futura, desenvolvimento de pesquisa e avanços tecnológicos.

Tendo em vista que um dos maiores consumidores de energia em edificações são os sistemas de AVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar-Condicionado), ao adotar tecnologias avançadas para climatização e ventilação, os ZEBs podem maximizar a eficiência energética e reduzir significativamente as demandas de energia (FENG et al., 2019). Essas soluções não apenas contribuem para a redução dos custos operacionais, mas também para a consecução dos objetivos de sustentabilidade e eficiência energética das edificações ZEB. Portanto, a busca por soluções de AVAC de alta eficiência é fundamental para promover edificações mais sustentáveis e eficientes energeticamente, alinhadas com os objetivos de conservação de energia e redução das emissões de carbono (ASHRAE, 2021).

2. Aspectos gerais relacionados ao conceito ZEB

2.1.       Tipologia

A busca por práticas construtivas mais sustentáveis tem gerado um aumento significativo no interesse pela eficiência energética em edifícios. Diferentes categorias, como Edifícios de Energia Zero (ZEB), Edifícios de Quase Energia Zero (NZEB) e Edifícios de Energia Positiva (PEB), foram desenvolvidas para quantificar e orientar os esforços em direção a edificações mais autossuficientes do ponto de vista energético.

Os ZEBs representam um marco ambicioso nessa busca, produzindo a mesma quantidade de energia que consomem ao longo de um ano, exigindo uma cuidadosa integração de tecnologias renováveis para compensar o consumo de energia do edifício (EUROPEAN PARLIAMENT AND DIRECTORATE GENERAL, 2021). Já os NZEBs visam a significativa redução do consumo de energia, envolvendo práticas eficientes e a incorporação de fontes renováveis para atender à maior parte das necessidades energéticas, conforme estabelecido pela Diretiva Europeia 2010/31/ISSO (EUROPEAN PARLIAMENT AND DIRECTORATE-GENERAL, 2021). Por fim, os PEBs representam uma evolução adicional, gerando um excedente líquido de energia e contribuindo para a rede elétrica, conforme definido pela Norma Internacional ISSO 52000-1 (ISSO 52000-1).

2.2          Certificações e Normas

Devido à crescente busca por sustentabilidade na construção civil, há uma adesão cada vez maior a certificações ambientais que desempenham um papel crucial na promoção da sustentabilidade em edificações. Estas certificações, como a LEED e a BREEAM, estabelecem critérios rigorosos que abrangem eficiência energética, gestão de resíduos, qualidade do ar interno e seleção de materiais sustentáveis, resultando em benefícios como redução nos custos operacionais e valorização do imóvel (Figueiredo et al., 2019; USGBC, 2020; BRE, 2020).

Paralelamente, normas como a EPBD Recast na União Europeia e a ASHRAE/ANSI/USGBC 189.1 nos Estados Unidos estabelecem diretrizes específicas para edifícios de quase zero energia (NZEB) e promovem a eficiência energética em diferentes áreas, visando a construção de ambientes mais conscientes e resilientes (EUROPEAN PARLIAMENT AND DIRECTORATE-GENERAL, 2021; BRE, 2020).

No Brasil, iniciativas como o programa de etiquetagem PBE Edifica e a Normativa IN02/2014 também desempenham um papel fundamental na promoção da eficiência energética em edifícios públicos federais, contribuindo para a redução dos custos operacionais e para a adoção de práticas sustentáveis no setor público.

3. Levantamento de edificaçõesZEB

Considerando os inúmeros estudos realizados acerca de construções com diversas tecnologias voltadas para uma alta eficiência energética e baixo impacto ambiental, realizou-se um levantamento com 41 edificações já consolidadas como ZEBs com o intuito de averiguar as suas semelhanças e diferenças e quais são as soluções de sistemasAVAC mais adotadas ao redor do mundo. Para a melhor organização dessa análise foram definidos alguns critérios de classificação: zonas climáticas, geração de energia renovável e ano de inauguração. Além disso, foi feita uma investigação para detalhar as diferentes soluções de climatização, como mostra a Tab. 1.

Foram especificadas cada uma das zonas climáticas em que as edificações foram construídas, baseando-se na classificação alfanumérica do adendo da ANSI/ASHRAE Standard 169-2020: Climatic Data for Building Design Standards. As zonas são definidas através de uma identificação da zona térmica de cada local utilizando os conceitos de heating (HDD) e cooling (CDD) degree-days, os quais são definidos de acordo com a necessidade de aquecimento ou resfriamento da edificação em relação a uma temperatura média local. O outro fator divide os territórios segundo as temperaturas médias e os dados anuais de umidade. Outro critério importante foi a forma de geração de energia renovável de cada um dos prédios, podendo ser hídrica, solar, eólica, geotérmica ou por biomassa. Com essa pesquisa foi possível obter também dados anuais dos valores de energia gerada e consumida da maioria das edificações escolhidas. As construções foram classificadas também de acordo com o ano de inauguração ou reforma.

 

Tabela 1. Levantamento das edificações de balanço de energia nulo.

Em relação as zonas climáticas, foi possível observar na Fig. 1 que existem edificações construídas em diferentes climas ao redor do mundo, porém, dentre os projetos escolhidos, a maioria está localizado em zonas de clima temperado ou quente. As zonas climáticas com o maior número de edificações são a zona de clima temperado úmido, com 10 edifícios, seguida pelas zonas quentes e úmidas e zona fria e úmida, ambas com 6 edifícios. Ressalta-se que, embora as características climáticas exerçam influência nas tecnologias adotadas em cada um dos projetos, postula-se que tais aspectos não mantêm uma correlação direta com a quantidade de ZEBs em determinada região. O número de projetos de edificações com balanço de energia nulo está intimamente relacionado ao contexto socioeconômico do país, assim como aos investimentos e incentivos direcionados a pesquisas nesse domínio. No cenário brasileiro, apesar da existência de diversas iniciativas visando a redução do impacto ambiental, identifica-se uma escassez de edificações ZEBs. A maioria dos projetos encontra-se em estágios de desenvolvimento preliminares ou ainda não apresentam validação como edificações efetivamente dotadas de balanço de energia nulo.

 Figura 1. Gráfico do número de edificações por zona climática.

Quanto à geração de energia, fica evidente na Fig. 2 a preferência pela energia solar sobretudo pela utilização de painéis fotovoltaicos como fonte principal (mais de 80% das edificações). Apesar de algumas edificações também utilizarem outros tipos de geração como geotérmica, biocombustível, eólica e célula a combustível, poucas empregam estas como fontes principais e nenhuma das edificações estudadas faz o uso de energia hídrica.

Figura 2 – Gráfico das principais gerações de energia

 

Partindo para uma análise mais quantitativa, com os dados energéticos, juntamente com a área ocupada das construções, foi possível construir o gráfico da Fig. 3 com os valores de geração de energia e consumo anuais por metro quadrado para a maioria das edificações.

Figura 3. Gráfico de geração de energia x demanda energética.

Referente ao ano de inauguração, apesar do conceito de balanço de energia nulo ser teorizado a partir das décadas de 1970 e 1980 e já existirem pesquisas que circundam a temática desde a virada do século XX, verificou-se entre os dados pré-selecionados que os projetos de ZEBs começaram a ser implementados com mais notoriedade a partir da década de 2010.

4. Soluçõesde AVAC adequadas para edifícios ZEB

Para a construção de um ZEB existem diversas tecnologias e soluções de climatização disponíveis no mercado que visam reduzir ao máximo o seu consumo energético, sem diminuir o conforto dos ocupantes. Dentre as edificações selecionadas para o levantamento, a maioria apresenta projetos que se utilizam de elementos arquitetônicos para controlar as temperaturas e a qualidade do ar, minimizando assim o uso de soluções de climatização ativa.É comum a aplicação de isolantes térmicos nas paredes e teto dos prédios; instalação de janelas e persianas para ter um maior aproveitamento da ventilação natural cruzada e do efeito chaminé (Stack effect); espaços de área verde (telhados verdes); e chaminés solares.

Ademais, os estudos de caso evidenciaram que os edifícios ZEBs são quase sempre equipados com um sistema AVAC avançado e estratégias de ventilação mecânica energeticamente eficientes. Através da análise do levantamento realizado, observou-se que as soluções convencionais prevalentes foram o sistema VRF (Variable Refrigerant Flow) e CAG (Central de Água Gelada), além disso, foram implementadas diversas tecnologias complementares para otimizar a eficiência energética, tais como ERV (Energy Recovery Ventilator), resfriamento radiante, DOAS (Dedicated Outdoor Air System), ventiladores e trocadores de calor geotérmicos. A distribuição quantitativa dessas tecnologias entre os edifícios pesquisados está detalhada na Tab. 2.

Tabela 2. Distribuição quantitativa das tecnologias de AVAC mais utilizadas.

4.1. Fluxo de refrigerante variável (VRF)

A utilização de sistemas VRF fornece excelente desempenho e controle de temperatura por zonas, resultando em conforto térmico para os ocupantes (Roth et al., 2002). Segundo o estudo realizado por Interact (2002, apud Roth et al., 2002), a economia de energia alcançada e elevada do VRF são altas em zonas climáticas moderadas presentes no Brasil, variando de cerca de 30% no verão a mais de 60% no inverno, se comparado com um sistema convencional VAV. Essas economias parecem excepcionalmente altas e são atribuídas à alta eficiência em carga parcial do sistema VRF operando em um clima moderado.

Entretanto, a sua eficiência depende de maneira significativa da aplicação específica, dessa forma é difícil fazer afirmações definitivas e gerais sobre o tema. No levantamento foram encontrados diversos casos em que este sistema foi aplicado combinado com recuperadores de calor e com bombas de calor geotérmicas.

4.2 Central de Água Gelada (CAG)

As centrais de água gelada também são implementadas em algumas edificações do levantamento, sendo que os projetos variam entre chillersde condensação a ar, chillers de condensação a água e, em um dos casos, um chillerbrine-to-water. Esses sistemas são eficientes, capazes de suprir a necessidade de climatização de espaços amplos com temperaturas uniformes e com uma redução de energia considerável ao serem comparados com sistemas Multi Split. Esses são muito utilizados em grandes edifícios comerciais, data centers e instalações industriais. Quando comparados com os sistemas VRF, apresentam um custo inicial de equipamentos mais barato, possuem um maior COP e funcionam melhor em edificações que precisam manter a temperatura interna constante. Entretanto, os sistemas VRF são mais flexíveis e podem ser facilmente integrados aos sistemas de gerenciamento dos edifícios. A escolha entre os sistemas depende dos objetivos do projeto e de suas limitações. (ENTERPRISE, 2020)

Nos projetos de edificações ZEB, as CAG são combinadas com outras soluções para maior eficiência e redução do gasto energético. O Pearl River Tower (TOMLINSON et al., 2014). apresenta um projeto com um chillerde condensação aágua juntamente com um sistema de resfriamento radiante, insuflamento pelo piso, DOAS e ERV. Todas essas tecnologias são voltadas para reduzir ao máximo o consumo energético, sem prejudicar o conforto térmico e ainda garantir a qualidade do ar interior. Outro exemplo da aplicação de uma CAG é o Meridian Building quetambém apresenta um sistema de resfriamento radiante e ERV, porém, nesse caso, o chilleré de condensação a ar.

4.3. Sistemas de ar exterior dedicados

Os sistemas de ar exterior dedicados ou dedicated outdoor air system (DOAS) para o tratamento do ar estão presentes em diversas edificações do levantamento realizado e são comumente combinados com rodas de recuperação de energia, com resfriamento radiante ou ambos. De acordo com estudo realizado por Roth et al. (2002), esta abordagem para gerenciar o ar de reposição da ventilação tem sido objeto de significativa atenção nos últimos anos. O ímpeto por essa atenção tem sido o crescente reconhecimento das penalidades e desafios associados ao cumprimento dos requisitos da Norma ASHRAE 62 (Ventilação para Qualidade do Ar Interno Aceitável) em todo o espaço condicionado de edifícios comerciais, com ênfase no controle efetivo da umidade, especialmente no contexto de abordagens energeticamente eficientes, como o volume de ar variável.

Análises da TIAX usando dados de edifícios de escritórios com sistemas VAV mostram que, tipicamente, 50 a 60% da carga de aquecimento do espaço é devido ao aquecimento do ar externo. O DOAS permite que o ar externo seja reduzido em aproximadamente 20%, resultando em economias de energia de aquecimento do espaço na ordem de 10% Roth et al. (2002).

A integração de Sistemas de Ar Exterior Dedicados (DOAS) e sistemas de resfriamento radiante fornece eficiência energética significativa tanto para o aquecimento quanto para o resfriamento dos espaços. Para o aquecimento, a economia de energia varia entre 8-12%, já para o resfriamento do espaço, as economias de energia estão na faixa de 15-20%, isso ocorre pois o ar externo corresponde a cerca de 25% da carga de resfriamento do ambiente e a redução de 20% dessa carga ocasiona o aumento de aproximadamente 20% no coeficiente de desempenho (COP), isso ocorre por causa da elevação de 6.11ºC na temperatura do evaporador, são fatores críticos para essas economias ( Mumma S.A., 2001 apud Roth et al., 2002).

4.4 Trocador de calor geotérmico

Os casos estudados evidenciam a ampla adoção de bombas de calor geotérmicas (GSHP) como uma solução de AVAC de alta eficiência, sendo utilizadas em 19 dos edifícios analisados. Os trocadores de calor foram encontrados em diversas configurações e frequentemente combinados com outras soluções de alta eficiência como ERV e resfriamento ou aquecimento radiante. No edifício Zero Energy House, a bomba de calor água-ar foi projetada para se conectar ao sistema de aquecimento por piso radiante (radiantfloorheating) (Esbensen, 1977). Outro caso interessante é o Hawaii Gateway Energy Center, que utiliza GSHP para produzir água gelada e emprega água do mar fria a 7°C para resfriar o ar externo a 22°C (Feng et al., 2016), trata-se de uma tecnologia de climatização de grande potencial, principalmente em regiões costeiras de clima quente, além de proporcionar significativa economia de energia em comparação com sistemas convencionais e menores emissões de gases de efeito estufa (Elsafty,2010).

As bombas de calor geotérmicas (GSHP) são amplamente utilizadas em regiões frias para o aquecimento de edifícios. Análises climáticas realizadas para residências em Atlanta e Chicago destacaram os significativos benefícios proporcionados pela GSHP. Em particular, uma GSHP com um COP aproximadamente igual a 4,4 foi capaz de reduzir o consumo de energia primária em 55% e 39% em Atlanta e Chicago, respectivamente (Kavanaugh, 1995). Entretanto, estudos como o de Kavanaugh (1995) destacam a importância das condições locais do solo na determinação da eficiência e custo do sistema. Essas informações são essenciais para avaliar o potencial das GSHP em diferentes contextos climáticos e geográficos.

Bombas de calor de fonte dupla (DSHP) possuem grande potencial de economia de energia em locais de clima moderado. Simulações demonstraram que um sistema DSHP de 3 toneladas, com um COP de 4,98 aplicado na Geórgia possui eficiência energética significativa. Durante a temporada de aquecimento, a economia foi estimada em cerca de 15%, enquanto na temporada de resfriamento, a economia alcançando foi de aproximadamente 31% (Femp, 2000)

4.5 Resfriamento radiante

Algumas edificações adotam a estratégia de resfriamento radiante em conjunto com as CAGs, utilizam pisos radiantes e, mais frequentemente, vigas frias como componentes do seu sistema de climatização. Segundo Roth et al. (2002), as vigas frias (chilledbeams) apresentam considerável potencial de economia de energia. Por operarem em temperaturas elevadas, para evitar a condensação e acúmulo de umidade na superfície do teto, possibilitam um aumento na temperatura de evaporação, resultando em uma melhoria no COP do sistema. Além disso, elas contribuem significativamente para a redução do consumo energético destinado à ventilação, uma vez que constituem o principal meio de resfriamento do ambiente, tornando-se necessário apenas o controle da renovação do ar. As vigas frias também oferecem benefícios não energéticos, melhorando o conforto térmico dos ocupantes, operando com baixo nível de ruído e exigindo pouca manutenção.

Em contrapartida, sua aplicação é limitada, uma vez que as vigas frias, pelas suas dimensões, demandam algum espaço para instalação, nem sempre disponível, e ainda requerem a instalação de um circuito hidrônico de água gelada. Outro desafio pode ser o excesso de umidade em edificações localizadas em climas mais úmidos, não sendo recomendado para edifícios com elevada carga latente, como academias, por exemplo. No entanto, conforme destacado por Mumma (2001 apud Roth et al.,2002), essas questões podem ser resolvidas com a utilização de um DOAS. Ao combinar vigas frias com esses sistemas, é possível reduzir o consumo energético de climatização entre 25-30%, aproximadamente, em comparação com os sistemas VAV convencionais.

Em casos como a edificação CasaZeroEnergy em Udine (Itália), o piso radiante é integrado ao sistema do trocador de calor geotérmico horizontal e é capaz de resfriar ou aquecer o ambiente dependendo das condições climáticas locais. No inverno, a água que circula pelo piso chega a uma temperatura de 33ºC – 36ºC, o que permite níveis de temperatura confortáveis para os ocupantes do ambiente. E no verão, a temperatura do piso chega a aproximadamente 20ºC o que resulta na redução da temperatura do ambiente dentro dos parâmetros de conforto térmico (FRATTARI, 2013). Já os edifícios Indira ParyavaranBhawan, Meridian Building e Pearl River Tower, por serem localizados em regiões de climas mais quentes, utilizam dessa estratégia de resfriamento radiante apenas para resfriar os ambientes através de vigas frias integradas a um sistema com CAG juntamente com DOAS e/ou ERVs.

4.6. Recuperadores de calor

Os recuperadores de calor foram identificados como uma solução frequentemente utilizada no levantamento realizado, sendo encontrados em 17 edifícios analisados. Eles podem reduzir as cargas máximas de aquecimento e resfriamento em até um terço, porém, esses valores dependem muito do clima local e dos requisitos de ar externo. Uma análise bin para um edifício de escritórios na cidade de Nova York mostrou que uma unidade de ar-condicionado de telhado equipada com uma roda de entálpica reduziu o consumo anual de energia de aquecimento e resfriamento da edificação em 35% (ADL, 2000 apud Roth et al., 2002).

Um estudo da TIAX acerca de um escritório nos Estados Unidos, com sistema VA e uma roda de entalpia, evidenciou que as economias anuais de energia devido ao sistema de condicionamento de ar equivalem a 35%, levando em consideração as perdas de carga. Um sistema de recuperação de calor em uma mesma aplicação (pequeno escritório em Nova Yorque), porém com diferentes implementações, alcançou economia anual de energia variando de 35 a 49%.

4.7 Ventiladores de alta performance

Ventiladores de teto de alta performance também fazem parte das alternativas incorporadas nos sistemas de climatização. Edificações como DPR Construction Phoenix Reginal Office, ENERPOS, Lakeline Learning Center e Zero Carbon Building contam com ventiladores de alto volume e baixa velocidade (HVLS) responsáveis por aumentar o fluxo de ar e minimizar o uso do ar-condicionado. O projeto do Zero Carbon Building conta com a aplicação dos HVLS em conjunto com outros sistemas de alta eficiência energética como o sistema de resfriamento de altas temperaturas, para reduzir em 25% a sua demanda energética. (RONALD, 2012)

5. CONCLUSÃO

 Para garantir a máxima eficiência energética em edifícios ZEB, a escolha das tecnologias de climatização depende do clima específico de cada região. Entre as edificações pesquisadas, foi possível observar que em climas moderados (zonas climáticas 2A 2B, 3A 3B, 4A e 4B) os sistemas VRF se destacam por proporcionar controle de temperatura por zonas e economias de energia significativas, especialmente quando combinados com recuperadores de calor e bombas de calor geotérmicas. Em regiões quentes (zonas climáticas 0A, 0B,1A e 1B) foi evidenciado que a combinação de sistemas de resfriamento radiante, CAG, DOAS e ventiladores de alta performance ocasiona uma redução substancial no consumo de energia sem prejuízo algum em relação ao conforto térmico dos ocupantes. Já em climas frios, como nas zonas climáticas 5A, 5B, 6A e 6B as bombas de calor geotérmicas são muito utilizadas, oferecendo uma solução de alta eficiência energética e reduzindo consideravelmente o consumo de energia para aquecimento.

A seleção correta das tecnologias de climatização ativas é importante para atingir a meta de balanço energético nulo, ou até mesmo ultrapassá-la. Além disso, alcançar edifícios ZEB depende significativamente da expertise do engenheiro mecânico responsável pelo projeto, pois cada componente do sistema de AVAC precisa ser selecionado e dimensionado de acordo com as condições climáticas locais e as especificidades do edifício, garantindo que a interação entre as diversas tecnologias resulte em um desempenho energético otimizado. Portanto, o sucesso na implementação de tecnologias de AVAC em edifícios ZEB está diretamente ligado à qualidade do projeto de engenharia e à consideração da zona climática onde o edifício está localizado.

5.REFERÊNCIAS

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