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Ambiente Construído

On-line version ISSN 1678-8621

Ambient. constr. vol.19 no.3 Porto Alegre July/Sept. 2019  Epub June 10, 2019

http://dx.doi.org/10.1590/s1678-86212019000300339 

Artigos

Escritórios de planta livre: o impacto de diferentes soluções de fachada na eficiência energética

Open-plan offices: the impact of different facade solutions on energy efficiency

Rosilene Regolão Brugnera1 

Ricardo Mateus2 

João Adriano Rossignolo3 

Karin Maria Soares Chvatal4 

1Universidade de São Paulo, São Carlos - c - Brasil

2Universidade do Minho, Guimarães - Portugal

3Universidade de São Paulo, Pirassununga - SP - Brasil

4Universidade de São Paulo, São Carlos - SP - Brasil

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, 2016; YOSHINO; HONG; NORD, 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, 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, 2009). A fachada, considerada o maior componente construtivo, exerce significativa influência no consumo de energia das edificações (AZARI, 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, 2012).

No Brasil, cerca de 48,5% do consumo de energia elétrica advém do setor de edificações (CONSELHO..., 2014). 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..., 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, 2005). Esses edifícios seguem padrões arquitetônicos vinculados ao Estilo Internacional1, 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, 2003). Consequentemente, cerca de 50% do consumo energético nesses edifícios advém do sistema de ar condicionado (CONSELHO..., 2014).

Huang e Niu (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:

  1. transmitância térmica (valor de U);

  2. absortância;

  3. percentual de abertura na fachada (PAF);

  4. tipo de vidro;

  5. espessura do material de isolamento;

  6. formato do envelope construtivo; e

  7. presença e/ou dimensão de dispositivos de proteção solar.

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.

Quadro 1 Panorama dos trabalhos sobre avaliação de desempenho energético apresentados na literatura 

Referência/geometria Parâmetros analisados Principais conclusões/ recomendações
Carvalho, La Rovere e Gonçalves (2010)
•Consumo energético (total/ar condicionado)
•Variações: vidros: simples e duplo; inserção de brises; alteração material da fachada (substituição da pele de vidro por alvenaria); Clima: Rio de Janeiro (Brasil)
•Protetores solares (em todas as fachadas): redução de 6% do AC (4% do total de energia);
•Uso do vidro incolor: aumento de até 19% do AC (12% do total de energia);
•Melhores soluções: vidros eficientes (duplo), paredes externas com cores claras, materiais com baixa transmitância térmica.
Tsikaloudaki et al. (2012)
•Consumo energético (ar condicionado)
•Variações: PAF; valor U das janelas; orientação solar; dispositivos de sombreamento móveis; climas: Atenas (Grécia), Lárnaca (Chipre), Lisboa (Portugal), Málaga (Espanha) e Roma (Itália)
•Desempenho das janelas em climas quentes depende de suas propriedades termofísicas;
•Janela com vidro claro, melhor utilizar valor de U moderado (entre 2,00 e 3,20W/ (m2. K));
•Presença de sombreamento - redução da carga para resfriamento de 7% em média.
Besen e Westphal (2012)
•Desempenho energético
•Conforto térmico
•Variações: PAF; tipo de vidro; climas: São Paulo, Rio de Janeiro, Fortaleza e Curitiba (Brasil)
•Desempenho energético: quanto maior o PAF e o fator solar do vidro, maior o consumo de energia final;
•Vidro incolor - grande consumo de energia;
•Em climas amenos não há grande diferença entre o vidro laminado e o duplo;
•Em climas quentes, o vidro duplo promove economia de energia maior.
Boyano, Hernandez e Wolf (2013)
•Desempenho energético (redução da demanda de energia final para aquecimento, resfriamento e iluminação)
•Variações: PAF; tipo de vidro; controle de iluminação artificial (dimerizável); valor de U (paredes externas e janelas); orientação solar; climas: Tallinn (frio), Londres (intermediário) e Madri (quente).
•Nas melhores combinações de parâmetros (controle da iluminação, vidros triplos, aumento do isolamento das paredes externas e orientação solar), foram obtidas economias na ordem de até 36% (com o controle total de iluminação), 16% (substituição do vidro duplo pelo triplo), 8% (pelo aumento do isolamento das paredes externas) e até 14% (pela mudança na orientação de leste/oeste para norte/sul).
Ihara, Gustavsen e Jelle (2015)
•Desempenho energético (redução da demanda de energia para aquecimento e resfriamento)
•Variações: formato da edificação; nº de andares; PAF; índice SHGC das janelas; refletância solar; valor de U (paredes externas e da janela); clima: Tóquio (Japão).
•Formas de reduzir a demanda de energia: 1º) redução do valor de SHGC; 2º) redução do valor de U da janela; 3º) aumento da refletância solar;
•Observou-se que a redução do valor U das partes opacas da fachada aumentou a demanda de energia nos edifícios altos, enquanto nos edifícios baixos ocorreu o contrário - destaque para a utilização adequada do valor U para o modelo de edificação.
Raji, Tenpierik e Van Den Dobbelsteen (2015)
•Desempenho energético (redução da demanda de energia final para aquecimento, resfriamento e iluminação);
•Variações: tipo de vidro; PAF; dispositivos de sombreamento; tipo de cobertura; clima: Delft (Holanda).
•Formas de reduzir a demanda de energia: 1) Fachadas duplas com uso do vidro duplo incolor; 2) Envelope construtivo de alto desempenho (baixo valor de U) - a economia é maior quando se tem PAF=50%; 3) Climas frios - sombreamentos ajustáveis; 4) Fachadas duplas - persianas localizadas para fora do vidro duplo; 5) Telhado verde de 10 cm sobre cobertura não isolada; 6) Neste estudo, a integração das melhores soluções de projeto gerou uma economia de energia total, para aquecimento e iluminação de 42%, 64% e 34%, respectivamente.
Westphal e Andreis (2016)
•Desempenho energético (consumo de energia com ar condicionado);
•Variações: tipos de fachada; PAF; tipo de vidro; climas: Curitiba, São Paulo, Porto Alegre, Brasília, Rio de Janeiro, Salvador e Recife (Brasil).
•Fachada de pele de vidro consome mais energia que a fachada de alvenaria tradicional;
•Vidros de controle solar são os que promovem melhor desempenho energético em climas mais amenos;
•Vidros duplos promovem melhor desempenho em climas mais quentes;
•A adoção de vidros de controle solar permite um desempenho melhor em PAF maiores.
Krstić-Furundžić e Kosić (2016)
•Desempenho energético (influência de parâmetros do envelope construtivo);
•Variações: tipos de vidro; tipos de fachada; dispositivos de sombreamento; clima: Belgrado (Sérvia).
•Fachada envidraçada fornece mais que o dobro dos ganhos solares, em relação à fachada tradicional;
•Menor demanda de energia para resfriamento: 1) Fachada tradicional; 2) Fachada com vidro triplo e proteção solar; e 3) Fachada com vidro duplo e persianas.
Neves e Marques (2017)
•Desempenho energético (influência de parâmetros do envelope construtivo);
•Conforto térmico;
•Variações: transmitância térmica (U) das paredes externas; dispositivos de sombreamento; PAF; SHGC das janelas; Clima: São Paulo (SP).
•Os dispositivos de sombreamento tiveram efeito positivo na redução da demanda por resfriamento;
•As fachadas com pouco isolamento funcionaram melhor para o clima de São Paulo;
•Valores desejáveis de PAF e SHGC, sob a perspectiva de minimizar a demanda de energia para refrigeração, indica-se até 40% e até 32%, respectivamente.
Friess, Rakhshan e Davis (2017)
•Desempenho energético (demanda de energia para resfriamento e aquecimento em função das propriedades do envelope construtivo).
•Variações: PAF; espessura do material de isolamento; setpoint do ar condicionado; Climas: Dubai (Emirados Árabes Unidos), Málaga (Espanha) e El Dorado - Arkansas (USA).
•Ao usar um setpoint mais alto (27ºC), é necessário que a edificação tenha menos isolamento, para que permita mais facilmente as trocas de calor com o ambiente exterior;
•Quando o clima é predominantemente quente, para todos os setpoints e PAF, adicionar isolamento térmico da fachada não é tão eficaz, pois faz o consumo de energia aumentar.

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:

  1. a densidade de carga interna (pessoas, equipamentos e iluminação) geralmente são dados fixos da simulação (CARVALHO; LA ROVERE; GONÇALVES, 2010; PASQUALI et al., 2011; VENÂNCIO; PEDRINI, 2009; WESTPHAL; ANDREIS, 2016), embora quanto maior a densidade, maior será o consumo de energia (sobretudo se estiver associada a um elevado isolamento térmico) (RUZICKI et al., 2016);

  2. os dados da envolvente opaca (valor de U e absortância) possuem maior impacto nas fachadas com percentual de abertura na fachada (PAF) menores (MELO; LAMBERTS, 2008; NEVES; MARQUES, 2017), e fachadas com maior isolamento quase sempre geram sobreaquecimento (MELO et al., 2015; NEVES; MARQUES, 2017; WESTPHAL; ANDREIS, 2016);

  3. a orientação solar e o formato da edificação, especialmente em termos de exposição das áreas envidraçadas, têm grande influência no consumo de energia das edificações. O formato está diretamente relacionado aos parâmetros do envelope construtivo, que podem aumentar os ganhos de calor por radiação solar (MELO; LAMBERTS, 2008; VENÂNCIO; PEDRINI, 2009);

  4. o PAF é um dos parâmetros que mais impacta os ganhos de calor nas edificações e, portanto, influencia no seu consumo de energia (MELO; LAMBERTS, 2008; NEVES; MARQUES, 2017; VENÂNCIO; PEDRINI, 2009; WESTPHAL; ANDREIS, 2016);

  5. a utilização de um dispositivo de proteção solar causou redução de 5,8% no consumo de energia total para um edifício institucional na cidade de Natal (VENÂNCIO; PEDRINI, 2009); redução de 6,35% no consumo de energia com ar condicionado para uma edificação comercial localizada no Rio de Janeiro (CARVALHO; LA ROVERE; GONÇALVES, 2010) e redução de 9% a 12,5% para uma edificação comercial localizada em São Paulo (NEVES; MARQUES, 2017); e

  6. a alteração dos parâmetros construtivos da fachada (PAF, tipo de vidro) em edifícios localizados em climas quentes, como o de São Luís (MELO; LAMBERTS, 2008), Rio de Janeiro e Salvador (CARVALHO; LA ROVERE; GONÇALVES, 2010; WESTPHAL; ANDREIS, 2016), não causaria um grande aumento do consumo de energia com ar condicionado, pois ele já é elevado.

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., 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:

  1. tipo de fachada (definido pela sua composição construtiva);

  2. percentual de abertura na fachada (PAF);

  3. tipo de vidro;

  4. presença ou não de dispositivo de sombreamento; e

  5. setpoint do ar condicionado.

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..., 2013).

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

  1. seleção dos climas;

  2. coleta de dados;

  3. definição do edifício de estudo e de suas características construtivas;

  4. definição das características de uso e do sistema de ar condicionado; e

  5. definição da metodologia utilizada na análise dos resultados.

Seleção dos climas

De acordo com a norma NBR 15220-3 (ABNT, 2005b), o Brasil é dividido em oito zonas bioclimáticas e, dentre essas zonas, foram selecionados três climas, a saber:

  1. Zona bioclimática mais fria (Curitiba/PR - zona 1) - Região Sul;

  2. Zona bioclimática intermediária (São Paulo/SP - zona 3) - Região Sudeste; e

  3. Zona bioclimática mais quente (Manaus/AM - zona 8) - Região Norte.

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.

Quadro 2 Descrição dos dados climáticos: (a) localização; (b) (c) e (d) temperatura e umidade relativa para Curitiba, São Paulo e Manaus, respectivamente 

(a) Localização (b) Curitiba (Latitude: - 25,43º)
(c) São Paulo (Latitude: - 23,85º) (d) Manaus (Latitude: - 3,1º)

Na classificação de Köppen-Geiger (KÖPPEN, 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., 2013; AYOADE, 1996; ROLIM et al., 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) e Labeee (LABORATÓRIO..., 2015).

Tabela 2 Propriedades termofísicas dos vidros utilizados no modelo 

Incolor (In) Low-e (Lw) Refletivo (Rf) Duplo (Dp) Translúcido
Espessura (mm) 6 6 8 24 8
Transmitância à radiação solar no espectro visível (incidência normal) (%) 0,88 0,32 0,72 0,39 0,65
Transmitância térmica (W/m2) 5,70 5,79 5,67 2,79 5,50
Fator solar (%) 82 54 44 28 62

Fonte: Cebrace (2016), CB3E & Abividro (2015), Guardian (2010) e Glassec-Viracon (2016).

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, 2016) (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.

Tabela 3 Tipos de fachadas e detalhamento de seu sistema construtivo 

Corte esquemático das fachadas tradicional e cortina
Componentes construtivos Materiais Espessura (m) U(W/m2.K)* C. T. (KJ/m2.K)* α **
Piso Laje de concreto 0,15 1,19 330 -
Espaço de ar 0,10
Carpete 0,05
Teto Laje de concreto 0,15 1,05 341 -
Espaço de ar 0,75
Forro de gesso 0,015
Paredes internas (core) Placa de gesso acartonado 0,015 1,60 22 -
Espaço de ar 0,05
Placa de gesso acartonado 0,015
Paredes externas (FT) Argamassa reboco 0,025 2,88 221 0,30
Bloco de concreto 0,14
Argamassa gesso 0,005
(FC) Vidro translúcido 0,008 1,90 237 0,16
Argamassa reboco 0,025 2,88 221 0,30
Bloco de concreto 0,14
Argamassa gesso 0,005

Nota:

*a transmitância térmica (U) e a capacidade térmica (C.T.) foram calculadas com base na norma NBR 15220: desempenho térmico de edificações: parte 2: métodos de cálculo da transmitância térmica, da capacidade térmica, do atraso térmico e do fator solar de elementos e componentes de edificações (ABNT, 2005a); e

**α = Absortância solar.

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

Tabela 1 Características obtidas na etapa de coleta de dados 

Características da edificação Referências (valores médios)
Literatura Entrevistas Banco de dados buildings
Formato do pavimento tipo Quadrado (30 m x 30 m; 35 m x 35 m);
Retangular (26 m x 15 m; 40 m x 60 m).
Ambos com núcleo (core)1
Variável Variável
Área do pavimento tipo (m2) 950 m2 (variou de 900 m2 a 2.500 m2) Área condicionada entre 3.000 m2 e 50.000 m2 (edifício como um todo) 924 m2
Pé-direito (m) 2,90 m 2,50 m a 3 m (útil); 3,70 m a 4,20 m (total - galerias técnicas entre 0,80 m e 1,00 m) 2,80m
Nº de andares 10 Dado não informado 17
PAF (%) 2 30 - 100 50 - 80 Dado não informado
Tipo de fachada Combinação alvenaria (ou drywall) + vidro;pele de vidro Pele de vidro Variável
Tipo de vidro Incolor, refletivo, duplo Vidro com baixo fator solar Dado não informado
Cargas internas Iluminação: 12 W/m2Pessoas: 8m2/pessoa; 117 W
Equipamentos: 16,2 W/m2
Dado não informado Dado não informado
Ar condicionado Tipo: split; central; Temperatura de controle: 25 ºC (resfr.); 18 ºC (aquec.) Tipo: VRF (sistema unitário); temperatura de controle de 20 ºC a 24 ºC Tipo: central
Tipo de piso Piso elevado com carpete Dado não informado Piso elevado com estrutura metálica
Tipo de forro Forro de gesso Dado não informado Forro modular
Nº de zonas térmicas 5 (4 + core) Não se aplica Não se aplica

Nota:

1Core - zona localizada no centro da edificação, um núcleo, geralmente utilizado em edifício de escritórios, onde se localizam as caixas de escada, elevadores, banheiros e copa; e

2PAF - Percentual de abertura na fachada.

  1. área condicionada em torno de 1.000 m²;

  2. pé-direito livre em torno de 2,70 m;

  3. PAF entre 50% e 80%;

  4. fachada pele de vidro;

  5. ar condicionado do tipo variable refrigerant flow (VRF), f) piso elevado; e

  6. forro de gesso.

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..., 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.

Figura 1 Pavimento tipo do edifício 

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..., 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:

  1. incolor;

  2. low-e;

  3. refletivo claro; e

  4. duplo com baixo fator solar.

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.

Quadro 3 Características das cargas internas 

Tipo Características Referências
Pessoas 8 m2/pessoa; 117 W/pessoa NBR 16401 (ABNT, 2008); ASHRAE Fundamentals (AMERICAN..., 2009)
Equipamentos* 16,2 W/m2 (média/alta) NBR 16401-1(ABNT, 2008)
Iluminação artificial Tipo: on-off**; 9,7 W/m2 RTQ-C (INSTITUTO..., 2013)

Nota:

*a densidade de carga dos equipamentos refere-se à um computador e monitor, além de impressora e fax, para cada posto de trabalho (1 posto de trabalho/pessoa); e

**sistema de iluminação on-off, acionado durante o período ocupado sem considerar o aproveitamento da iluminação natural (não é dimerizável, eficiente).

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, 2013) e ASHRAE 90.1 (AMERICAN..., 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, 2012, 2014; CARLO, 2008; DIDONÉ; WAGNER; PEREIRA, 2014; MELO et al., 2015; MELO; LAMBERTS, 2008; SANTANA, 2006; WESTPHAL, 2007; WESTPHAL; LAMBERTS, 2007). Para resfriamento foi testado um setpoint de 25 ºC, para verificar sua influência no consumo de energia da edificação.

Quadro 4 Características do sistema de ar condicionado 

Características
Tipo de equipamento VRF com condensação a ar
Capacidade ≥ 40 kW e < 70 kW
Classificação Multi-split VRF
COP (nível A): Curitiba e São Paulo 3,11
COP (nível A): Manaus 2,78
Temperatura de controle (resfriamento) 24 ºC / 25 ºC
Temperatura de controle (aquecimento) 18 ºC

Fonte: RTQ-C (INSTITUTO..., 2013) e ASHRAE 90.1 (AMERICAN..., 2013).

Forma de análise dos resultados

Os resultados das simulações são apresentados da seguinte forma:

  1. considerações sobre os consumos de energia total (Ec) (equipamentos, iluminação e ar condicionado), separados por uso final; e

  2. classificação dos consumos de energia dos 288 cenários avaliados, em cinco níveis de desempenho energético, conforme apresentado na Tabela 4. A partir dos valores de consumo máximos e mínimos referentes a cada clima, os resultados foram divididos em cinco níveis iguais, classificados em uma escala de cores, em que os menores consumos se concentram na faixa verde escura e os maiores, na faixa do vermelho.

    Tabela 4 Classificação dos resultados em faixas de consumo energético 

    Faixas de consumo energético
    > Valor máximo de consumo energético assumido para cada clima
    Ec ≥Min+4*(Max-Min)/5
    Min+3*(Max-Min)/5≤ Ec <Mín+4*(Max-Min)/5
    Min+2*(Max-Min)/5≤ Ec <Min+3*(Max-Min)/5
    Min+1*(Max-Min)/5≤ Ec <Mín+2*(Max-Min)/5
    Ec <Min+1*(Max-Min)/5
    < Valor mínimo de consumo energético assumido para cada clima

    Nota: Legenda:Ec = Energia consumida;Mín = Valor mínimo de consumo energético obtido;Máx = Valor máximo de consumo energético obtido; eValores de consumo em kWh/m2.ano.

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.

Figura 2 Composição do consumo de energia total 

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.

Tabela 5 Classificação dos resultados em faixas de consumo energético 

Tipo de vidro (dispositivo de sombreamento) Consumo de energia do ar condicionado (kWh/m2.ano)
Curitiba São Paulo Manaus
PAF PAF PAF
30% 55% 80% 30% 55% 80% 30% 55% 80%
FACHADA TRADICIONAL (FT) Setpoint AC= 24ºC In (SDS) 16,5 22,5 32,5 19,7 26,7 38,3 56,9 63,0 76,1
In (CDS) 14,3 15,6 22,6 16,2 18,6 27,7 54,0 60,3 71,8
Lw (SDS) 15,1 19,1 27,0 18,5 22,8 32,2 52,6 60,8 71,8
Lw (CDS) 13,4 14,6 19,9 16,2 17,2 24,0 50,0 55,8 69,8
Rf (SDS) 14,4 17,7 24,5 18,0 21,1 29,3 50,2 59,7 70,2
Rf (CDS) 12,9 14,0 18,7 16,4 16,9 22,2 47,6 53,4 68,8
Dp (SDS) 15,8 19,9 28,2 18,5 23,0 33,1 47,7 58,1 68,8
Dp (CDS) 14,3 15,7 20,1 16,3 17,1 24,1 44,8 51,2 65,8
Setpoint AC= 25ºC In (SDS) 13,8 19,2 28,3 17,3 22,9 33,4 51,0 58,6 71,1
In (CDS) 11,6 13,0 19,4 14,9 15,7 23,4 47,7 55,4 66,8
Lw (SDS) 12,3 16,2 23,2 16,1 19,7 27,7 46,3 56,2 66,9
Lw (CDS) 10,6 11,8 16,9 14,8 15,3 19,9 43,5 51,3 64,6
Rf (SDS) 11,6 15,0 20,9 15,9 18,5 25,0 43,8 54,8 65,2
Rf (CDS) 10,1 11,2 15,7 14,9 15,2 18,4 41,3 48,4 63,3
Dp (SDS) 13,2 17,4 25,1 16,5 19,9 29,1 41,9 53,0 64,7
Dp (CDS) 11,4 13,3 18,2 15,2 15,4 20,7 39,2 45,3 61,3
FACHADA CORTINA (FC) Setpoint AC= 24ºC In (SDS) 22,4 26,9 36,5 27,2 32,3 42,6 67,3 70,7 81,8
In (CDS) 17,8 18,8 25,3 21,6 23,2 31,4 61,5 66,5 76,7
Lw (SDS) 20,8 23,6 30,4 25,3 28,6 36,4 63,3 68,5 77,6
Lw (CDS) 17,2 17,8 22,2 20,5 21,6 27,7 57,4 61,9 74,7
Rf (SDS) 20,1 22,2 27,9 24,5 26,8 33,5 61,1 67,3 75,9
Rf (CDS) 17,0 17,5 21,1 20,1 20,9 26,0 55,3 59,4 73,6
Dp (SDS) 21,5 24,6 33,0 25,9 29,5 38,3 60,0 66,6 75,8
Dp (CDS) 17,5 18,0 23,4 20,6 22,0 28,6 54,1 57,7 71,6
Setpoint AC= 25ºC In (SDS) 19,5 23,7 31,8 23,5 28,4 37,6 62,2 66,4 76,9
In (CDS) 15,6 16,3 21,8 18,2 19,5 27,0 56,7 61,4 71,8
Lw (SDS) 18,1 20,6 26,6 21,8 24,8 31,8 58,6 63,9 72,7
Lw (CDS) 15,1 15,5 19,3 17,3 18,0 23,5 53,2 57,3 69,6
Rf (SDS) 17,4 19,2 24,3 21,0 23,1 29,1 56,7 62,4 71,0
Rf (CDS) 14,8 15,1 18,2 17,0 17,5 21,9 51,1 55,1 68,2
Dp (SDS) 19,1 21,9 29,2 22,7 26,1 34,2 55,5 62,4 71,7
Dp (CDS) 16,0 16,6 19,9 17,8 18,9 24,8 49,3 53,9 67,1

Nota: Legenda:PAF = percentual de abertura na fachada;FT = fachada tradicional;FC = fachada cortina;Vidros: In = incolor; Lw = low-e; Rf = refletivo; e Dp = duplo;SDS = sem dispositivo de sombreamento; eCDS = com dispositivo de sombreamento.

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.

Figura 3 Aumento do consumo de energia do ar condicionado em função da alteração do tipo de fachada (de FT para FC) para (a) Curitiba, (b) São Paulo e (c) Manaus 

Tabela 6 Variação do consumo de energia do ar condicionado em função do PAF 

Clima Tipo de vidro(D. sombreamento) Consumo de energia do ar condicionado
30% - 55% 55% - 80% 30% - 80%
FACHADA TRADICIONAL Curitiba In (SDS) +35,8% +44,6% +96,3%
Lw (SDS) +26,4% +41,0% +78,1%
Rf (SDS) +22,3% +38,9% +69,8%
Dp (SDS) +26,0% +41,8% +78,6%
São paulo In (SDS) +35,1% +43,4% +93,8%
Lw (SDS) +23,3% +40,8% +73,5%
Rf (SDS) +16,9% +38,9% +62,4%
Dp (SDS) +23,8% +44,1% +78,4%
Manaus In (SDS) +10,8% +20,7% +33,7%
Lw (SDS) +15,6% +18,1% +36,5%
Rf (SDS) +18,9% +17,6% +39,8%
Dp (SDS) +21,8% +18,6% +44,4%
FACHADA CORTINA Curitiba In (SDS) +20,2% +35,6% +63,0%
Lw (SDS) +13,3% +28,9% +46,0%
Rf (SDS) +10,1% +26,1% +38,8%
Dp (SDS) +14,5% +34,3% +53,8%
São paulo In (SDS) +19,0% +31,8% +56,8%
Lw (SDS) +12,8% +27,5% +43,9%
Rf (SDS) +9,6% +24,9% +36,8%
Dp (SDS) +13,9% +29,5% +47,6%
Manaus In (SDS) +21,6% +15,7% +21,6%
Lw (SDS) +22,5% +13,3% +22,5%
Rf (SDS) +24,1% +12,8% +24,1%
Dp (SDS) +26,2% +13,7% +26,2%

Nota: *em negrito encontram-se os maiores valores.

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:

  1. percentual de abertura na fachada (PAF) (30%, 55% e 80%);

  2. presença (CDS) ou não (SDS) de dispositivo de sombreamento; e

  3. tipo de vidro (incolor, low-e, refletivo e duplo).

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). 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).

Tabela 7 Variação do consumo de energia do ar condicionado em função do tipo de vidro (referência: vidro incolor 6 mm) 

Variação do consumo de energia do ar condicionado
Curitiba São Paulo Manaus
Tipo de vidro PAF
(D. Sombr.) 30% 55% 80% 30% 55% 80% 30% 55% 80%
FC Lw (SDS) -7,0% -12,3% -16,7% -6,9% -11,7% -14,6% -5,9% -3,2% -5,2%
Rf (SDS) -10,1% -17,6% -23,4% -9,9% -17,0% -21,4% -9,1% -4,9% -7,2%
Dp (SDS) -4,1% -8,6% -9,4% -4,6% -8,6% -10,2% -10,8% -5,8% -7,3%

Nota: *em negrito encontram-se os maiores valores.

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, 2010; PASQUALI et al., 2011; NEVES; MARQUES, 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.

Tabela 8 Variação do consumo de energia do ar condicionado nos cenários com dispositivo de sombreamento (CDS) (referência: cenários sem dispositivo de sombreamento (SDS)) 

Clima Tipo de vidro (Disp. sombreamento) Variação do consumo de energia do ar condicionado
PAF=30% PAF=55% PAF=80%
Fachada cortina Curitiba In (CDS) -20,4% -30,3% -30,6%
Lw (CDS) -17,4% -24,4% -27,0%
Rf (CDS) -15,6% -21,2% -24,5%
Dp (CDS) -18,6% -26,9% -29,1%
São Paulo In (CDS) -20,4% -28,3% -26,3%
Lw (CDS) -19,1% -24,4% -24,0%
Rf (CDS) -18,0% -22,0% -22,5%
Dp (CDS) -20,5% -25,4% -25,3%
Manaus In (CDS) -8,7% -5,9% -6,2%
Lw (CDS) -9,3% -9,6% -3,7%
Rf (CDS) -9,5% -11,7% -3,0%
Dp (CDS) -9,8% -13,5% -5,5%

Nota: *em negrito encontram-se os maiores valores.

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.

Tabela 9 Variação do consumo de energia do ar condicionado em função da alteração na temperatura de controle (setpoint) de 24 ºC para 25 ºC 

Tipo de vidro
(D. Sombr.)
Variação do consumo de energia do ar condicionado
Curitiba São paulo Manaus
PAF
30% 55% 80% 30% 55% 80% 30% 55% 80%
FC In (SDS) -12,7% -12,0% -12,8% -13,6% -12,3% -11,7% -7,5% -6,0% -6,0%
In (CDS) -12,2% -12,9% -14,0% -16,1% -15,9% -14,1% -7,7% -7,7% -6,5%
Lw (SDS) -13,1% -12,8% -12,4% -13,9% -13,2% -12,6% -7,5% -6,6% -6,2%
Lw (CDS) -12,2% -13,2% -12,7% -15,7% -16,4% -15,1% -7,3% -7,4% -6,9%
Rf (SDS) -13,6% -13,3% -13,0% -14,1% -13,8% -13,1% -7,3% -7,2% -6,4%
Rf (CDS) -12,7% -13,6% -13,6% -15,6% -16,3% -15,8% -7,6% -7,3% -7,4%
Dp (SDS) -11,0% -10,8% -11,7% -12,5% -11,8% -10,6% -7,5% -6,4% -5,3%
Dp (CDS) -8,3% -7,8% -14,9% -13,4% -14,1% -13,1% -9,0% -6,6% -6,3%

Nota: *em negrito encontram-se os maiores valores.

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) 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:

  1. tipo de fachada;

  2. clima;

  3. parâmetros relacionados às aberturas (PAF, tipo de vidro e dispositivo de sombreamento); e

  4. temperatura de setpoint de resfriamento do ar condicionado, cujos resultados são apresentados na Tabela 5.

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.

Quadro 5 Principais resultados obtidos nessa pesquisa 

COMBINAÇÃO DOS PARÂMETROS AVALIADOS
Parâmetros Principais resultados
Utilizar fachada tradicional (FT) • Possui os menores consumos energéticos com ar condicionado (em relação à fachada cortina - FC);
Alterar de FT para FC • Em média, um aumento de 25% para Curitiba e São Paulo e 15% para Manaus;
Climas • Curitiba e São Paulo apresentam resultados semelhantes quanto à faixa de desempenho energético, diferenciando-se nesse aspecto o clima de Manaus, devido às altas temperaturas mantidas ao longo do ano todo;
Parâmetros relacionados às aberturas (PAF, tipo de vidro, dispositivo de sombreamento) • O PAF foi o que mais impactou o consumo energético. O tipo de vidro teve impacto nas maiores aberturas (PAFs de 55% e 80%), enquanto a utilização do dispositivo de sombreamento sempre reduziu o consumo energético nas diversas situações avaliadas neste estudo;
Alteração do setpoint de resfriamento do ar condicionado • Mudar a temperatura de 24 ºC para 25 ºC melhorou o desempenho em todos os cenários, reduzindo o consumo de energia em até 16,4%, em média.

Quadro 6 Principais recomendações de projeto para os melhores desempenhos 

Características Recomendações
Fachada tradicional (FT) • Utilizar, em todos os climas, a fachada tradicional, exceto para os cenários com aberturas grandes (PAF de 80%) e setpoint de 24 ºC em Manaus.
Fachada cortina(FC) • Em Curitiba e São Paulo deve-se priorizar janelas pequenas (PAF de 30%) e médias (PAF de 55%) com dispositivo de sombreamento para poder utilizar todos os tipos de vidros (nos dois setpoints). É possível se utilizar janelas grandes (PAF de 80%) em Curitiba, desde que se mantenha o setpoint em 25 ºC para todos os tipos de vidros (exceto o incolor) e, em São Paulo, é possível utilizar o vidro refletivo no setpoint de 24 ºC e os vidros low-e, refletivo ou duplo no setpoint de 25 ºC. Em climas muito quentes, como Manaus, o uso de janelas pequenas (PAF de 30%) é mais adequado e, com a possibilidade de se utilizar um dispositivo de sombreamento, pode-se utilizar os vidros refletivo ou duplo e, no setpoint de 25 ºC, todos os tipos de vidro podem ser usados (exceto o incolor). É possível se utilizar janelas médias (PAF de 55%), desde que se tenha dispositivo de sombreamento para os vidros refletivo ou duplo, no setpoint de 25 ºC.

Têm-se as seguintes limitações desse estudo:

  1. não foi considerado o aproveitamento da iluminação natural, através da utilização de sistemas eficientes (dimerizáveis), que poderiam reduzir o consumo energético total do edifício. Entretanto, a consideração desse aspecto acarretaria outras análises no que tange à disponibilidade e qualidade da luz natural, otimizando questões de aproveitamento da iluminação proveniente das aberturas, evitando, por exemplo, o ofuscamento e/ou o superaquecimento próximo às aberturas;

  2. foi utilizado um tamanho de dispositivo de sombreamento que proporcionasse a maior máscara de sombra e, assim, fosse suficiente para prover o sombreamento efetivo para as demais situações, ainda que esse sombreamento fosse maior que o necessário;

  3. foi mantida a mesma orientação solar para todos os cenários avaliados, com as maiores fachadas voltadas à norte-sul, em função de se optar pela situação que gerasse menores ganhos solares para o volume como um todo;

  4. além disso, foi avaliada a mesma geometria (retangular), com uma grande área central destinada ao core, como foi identificado na coleta de dados a respeito desse tipo de edificação utilizada no Brasil; e

  5. as densidades de pessoas e equipamentos foram dados fixos da simulação, pois estão diretamente relacionadas ao uso de tais espaços, não podendo, portanto, serem previstos com exatidão no desenvolvimento do projeto arquitetônico.

Como indicações de trabalhos futuros têm-se:

  1. trabalhar com outras geometrias, a fim de identificar como as alterações dos parâmetros da fachada influenciam no desempenho energético dessas edificações;

  2. avaliar outros tipos de fachadas, como as duplas ventiladas, revestidas com vegetação e outros materiais (como a utilização de painéis fotovoltaicos e os materiais de mudança de fase - PCMs, por exemplo);

  3. incluir nas análises o aproveitamento da iluminação natural (através da integração com a iluminação artificial, por meio de um sistema dimerizável), a fim de se compreender o quanto essa parcela influencia no consumo de energia total desse tipo de edificação. Além disso, pode-se avaliar a qualidade da iluminação interior, detectando casos com ofuscamento, por exemplo, para gerar espaços com melhor conforto visual aos usuários;

  4. utilizar estratégias passivas, como a ventilação natural - que pode ser realizada por meio de sistemas híbridos de ventilação (combinação de ventilação natural e uso de sistemas de condicionamento térmico artificial), pode auxiliar tanto na redução do consumo energético quanto na melhoria do conforto térmico no interior desse tipo de edificação; e

  5. considerar o conforto térmico nas análises, a fim de verificar a relação conforto versus desempenho energético.

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.

1O 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.

Agradecimentos

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

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Recebido: 08 de Novembro de 2018; Aceito: 30 de Janeiro de 2019

Rosilene Regolão Brugnera, Instituto de Arquitetura e Urbanismo | Universidade de São Paulo | Av. Trabalhador Sancarlense, 400, Parque Arnold Schimidt | São Carlos - SP - Brasil | CEP 13566-590 | E-mail: rosileneregolao@gmail.com

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