Simulação Computacional vs Método Prescritivo no Cálculo de Carga Térmica em Edificações

Futuro da Tecnologia do Ambiente Construído e os Desafios Globais Porto Alegre 4 a 6 de novembro de 2020 COMPARATIVO NO USO DA SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL COM MÉTODO PRESCRITIVO NO CÁLCULO DA CARGA TÉRMICA1 MEDEIROS H G 1 RODRIGUES G M 2 QUEIRÓZ G 3 SANTOS L A O 4 SOUZA R V G 5 VELOSO A C O 6 1 PACPS Universidade Federal de Minas Gerais heldergattonigmailcom 2 PACPS Universidade Federal de Minas Gerais gessicamryahoocombr 3 Universidade Federal de Minas Gerais gqueiroz3gmailcom 4 PACPS Universidade Federal de Minas Gerais englarissaoliveiragmailcom 5 Depto TAU Universidade Federal de Minas Gerais robertavgs2gmailcom 6 PACPS Universidade Federal de Minas Gerais acovelosogmailcom RESUMO O presente artigo surgiu da problemática de utilização da simulação computacional para o cálculo da carga térmica em edificações A pesquisa visou comparar o desempenho do método simplificado da extinta norma ABNT NBR 58581983 com método de simulação proposto pela ABNT NBR 164012008 em projetos de ar condicionado Usando como objeto de estudo o prédio da Faculdade de Farmácia da UFMG Foi verificado pelo método simulação uma carga térmica 2 menor do que pelo método simplificado Concluiuse que a simulação computacional pode ajudar o projetista de ar condicionado e também contribui para a economia de recursos energéticos no uso do condicionamento térmico de edificações Porém a metodologia simplificada apresenta resultado confiável para sistemas simples que utilizam aparelhos unitários com objetivo de fornecer conforto térmico aos espaços Palavraschave Carga térmica Simulação computacional EnergyPlus ABSTRACT Problems related to the use of computer simulation to calculate the thermal load in buildings generated the present paper The research aimed to compare the performance of the simplified method of the extinct ABNT NBR 5858 1983 standard with the simulation method proposed by ABNT NBR 16401 2008 in air conditioning project using as a study case de Pharmacy Faculty of UFMG building The simulation method presented a thermal load 2 lower than the simulation obtained by the simplified method It was concluded that computer simulation can help the air conditioning designer contributing to the economy of energy resources for buildings with mechanical air condition However the simplified methodology presents a reliable result for simple systems that use unitary devices with the sole purpose of providing thermal comfort to spaces Keywords Thermal load Computational simulation EnergyPlus 1MEDEIROS H G RODRIGUES G M QUÉIROZ G SANTOS L A O SOUZA R V G VELOSO A C O Comparativo no uso da simulação computacional com método prescritivo no cálculo da carga térmica In ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO 18 2020 Porto Alegre Anais Porto Alegre ANTAC 2020 ENTAC2020 Porto Alegre Brasil 4 a 6 de novembro de 2020 1 INTRODUÇÃO O principal fator em um projeto de climatização é a determinação da carga térmica necessária para manter o ambiente na temperatura desejada Até 2010 estava vigente a ABNT NBR 58581983 que fornecia metodologia simplificada para determinação da carga térmica com foco em conforto para ambientes de baixa complexidade Entretanto após seu cancelamento apenas a ABNT NBR 1640112008 foi considerada válida que trata sobre dimensionamento de carga mas não possui metodologia simplificada e indica que devido à complexidade do cálculo é recomendável a utilização de softwares para este fim sendo incluída apenas em 2019 uma metodologia simplificada para sistemas domésticos através da ABNT NBR 1665532019 Para obtenção de classificação A ou B da edificação pelo RTQC um dos prérequisitos é de que a estimativa de carga térmica do sistema de climatização tenha sido elaborada conforme ABNT NBR 164012008 o que acaba por obrigar que este dimensionamento seja feito através da simulação excluindo a possibilidade da utilização de uma metodologia simplificada O cálculo correto da carga térmica em sistema de climatização é muito importante pois segundo IEA 2013 o consumo energético nas edificações é responsável pelo consumo de 30 da energia global e praticamente 40 de toda emissão de CO² No setor de edificações comerciais d serviços e públicas os principais consumidores de energia são o ar condicionado a iluminação e outros equipamentos instalados Veloso e Souza 2018 analisaram o consumo energético de 101 edificações comerciais em Belo HorizonteMG e observaram que há grande variação no consumo de acordo com o tipo de solução de ar condicionado sendo observado que os maiores consumidores são aqueles que utilizam sistemas centrais para climatização de todos os ambientes da edificação A simulação computacional é a forma mais flexível e completa de observar aspectos relacionados à eficiência de edificações mesmo que não represente sua realidade absoluta CARLO LAMBERTS 2010 Dentre os motivos para se desenvolver estudos de simulação computacional estão a possibilidade de predizer resultados levar em consideração as variâncias do sistema gerar uma solução total e poderse avaliar o retorno financeiro das soluções adotadas pois todos estes não são necessárias mudanças reais no sistema estudado antes de testar sua eficácia HARRELL GHOSH BOWDEN 2012 Entretanto Hensen e Lamberts 2011 e Zhang 2013 indicam a necessidade de mão deobra altamente qualificada e experiente no domínio de programas computacionais de alta complexidade para que haja confiabilidade nos resultados obtidos através da simulação além do maior investimento financeiro e de tempo se comparada com métodos prescritivos Neste sentido Alfredo 2011 sugeriu que fosse incluído na norma ABNT NBR 164012008 uma tabela de cálculo simplificado de carga térmica para sistemas compostos de mini splits e ar condicionado de janela como era o caso da ABNT NBR 58581983 Inácio e Erthal 2017 realizaram um estudo em que dimensionaram a carga térmica de 12 salas de aula através de simulação com o software EnergyPlus e utilizando o método da ABNT NBR 58581983 Neste estudo observaram que na média a carga térmica obtida com simulação foi 269 maior do que a obtida pela ABNT NBR 58581983 sendo que a sala com maior diferença foi de 1539 O estudo corrobora a sugestão de Alfredo 2011 de inclusão de método simplificado na norma ABNT NBR 164012008 Neste sentido a Associação Brasileira de Normas técnicas ABNT publicou em 2018 a norma ABNT NBR 1665532018 posteriormente substituída pela ENTAC2020 Porto Alegre Brasil 4 a 6 de novembro de 2020 versão em vigor ABNT NBR 1665532019 que possui um método simplificado para dimensionamento de carga térmica Este método utiliza três processos carga de resfriamento pela diferença de temperatura CLTD fatores de carga de resfriamento solar SCL e fatores de carga térmica Interna O objetivo deste artigo é apresentar um comparativo da estimativa de carga térmica obtido por dois métodos sendo eles o de simulação sugerido pela norma ABNT NBR 164012008 e o método simplificado sugerido pela norma ABNT NBR 58581983 aplicandoos na Biblioteca da Faculdade de Farmácia da Universidade Federal de Minas Gerais 11 Evolução das normas de climatização No que tange às normas brasileiras sobre climatização o Brasil se absteve de atualizá las por cerca de 30 anos enquanto as tecnologias nesta área vinham evoluindo e se modificando tanto para sistemas domésticos quanto para sistemas de grande porte Podemos citar a gradual substituição dos compressores alternativos por compressores do tipo scroll parafuso e rotativo introdução de eletrônica nos equipamentos e ainda sistemas com inversores chamados de inverter ALFREDO 2011 Deste modo houve grande interesse na atualização das normas de modo a incorporar as novas tecnologias excluindo gradualmente equipamentos que utilizam gases prejudiciais ao meio ambiente equipamentos de baixa eficiência ou que por algum motivo não atendam as novas normativas Atualmente a principal norma sobre climatização em vigor é a NBR 164011 2 e 3 ABNT2008 Antes dela a ABNT NBR 64011980 vigorou por 28 anos como a única norma que tratava de sistemas centrais de ar condicionado e a ABNT NBR 58581983 que tratava de equipamentos domésticos de climatização cancelada em 2010 Entre 1980 e 2008 diversas tecnologias foram criadas e houve avanços nas áreas trabalhistas de saúde de qualidade do ar e de meio ambiente Entretanto as normas então vigentes não abordavam com a profundidade necessária estes assuntos Neste sentido em 1998 a Portaria 3523 do Ministério da Saúde contribuiu para introduzir exigências em relação à qualidade do ar interior ALFREDO 2011 Em relação ao meio ambiente tivemos nesse período o protocolo de Montreal e de Kyoto que trouxeram nova visão sobre os fluidos refrigerantes utilizados nos sistemas de refrigeração A partir de então criouse a necessidade da existência de normas mais modernas que fossem capazes de abordar os novos paradigmas propostos Assim a ABNT elaborou a NBR 164012008 com título de Instalações de ar condicionado Sistemas centrais e unitários que é dividia em três partes 1 Projetos das Instalações 2 Parâmetros de conforto térmico e 3 Qualidade do ar interior De 2008 a 2010 ficaram vigentes em concomitância a ABNT NBR 58581983 e a ABNT NBR 164012008 com a primeira possuindo um método simplificado para sistemas domésticos e a segunda apresentando a simulação computacional como método indicado Entretanto em 2010 a ABNT NBR 58581983 foi cancelada e não foi substituída deixando uma lacuna para dimensionamento de sistemas simples em que o conforto é o foco Porém recentemente foi lançada a ABNT NBR 166552018 que trata de sistemas residenciais de ar condicionado e possui três partes sendo que a parte 3 que apresenta método de cálculo simplificado foi revisada em 2019 ENTAC2020 Porto Alegre Brasil 4 a 6 de novembro de 2020 2 ESTUDO DE CASO Para o estudo foi adotado o ambiente da Biblioteca do prédio da Faculdade de Farmácia da Universidade Federal de Minas Gerais UFMG localizado em Belo Horizonte MG Esta biblioteca conta com dois pavimentos localizados em blocos alternados o bloco 2 do segundo pavimento está à direita do bloco 1 do primeiro pavimento Sua área total é de 58994m² sendo distribuída em área de exposição do acervo área de leitura salas de estudo salas de arquivo e salas administrativas como mostrado na Figura 1 Figura 1 Planta baixa da biblioteca do Prédio de Farmácia da UFMG Fonte Os autores A pintura externa é feita na cor amarela terra absortância 07 as paredes externas são de tijolo cerâmico de 14x19x29 com 2cm de argamassa na superfície interna e externa as paredes internas de tijolo cerâmico de 9x19x29 com 2cm de argamassa nas duas faces Os vidros das janelas são simples de 6mm 3 CARGA TÉRMICA PELA SIMULAÇÃO Para realizar a simulação foi necessária a elaboração de um modelo digital da edificação elaborado no programa computacional SketchUp versão 2018 a partir do plugin Euclid versão 093 e para a simulação foi usado o software EnergyPlus versão 880 Para a modelagem foi considerada a área total da biblioteca e o hall adjunto a esta já que este apresenta trocas térmicas com a biblioteca Este hall não é climatizado artificialmente Sobre o bloco 1 encontramse salas administrativas de outro setor da Faculdade de Farmácia e como estas não são foco deste estudo não foram modeladas Como as salas administrativas são climatizadas a laje do primeiro pavimento sobre o bloco 1 foi considerada adiabática como pode ser observado na Figura 2 Figura 2 Vista frontal da Biblioteca do Prédio de Farmácia da UFMG Fonte Os autores ENTAC2020 Porto Alegre Brasil 4 a 6 de novembro de 2020 As zonas térmicas foram estabelecidas de acordo com seu uso e ocupação tendo sido a orientação dos ambientes uma premissa para separação das zonas Dessa forma cada ambiente constituiu uma zona térmica com exceção da sala de arquivo e banheiros que constituíram uma única zona térmica por apresentarem características semelhantes e por não serem áreas condicionadas artificialmente Entre os dados de entrada usados para a simulação podese citar características físicas dos materiais arquivo climático schedules de iluminação ocupação e equipamentos orientação da edificação e temperatura do solo As informações relativas aos materiais construtivos da biblioteca foram obtidas do Memorial Descritivo Arquitetônico fornecido pelo Departamento de Planejamento e Projetos da UFMG Para a elaboração das schedules de iluminação ocupação e equipamentos foi feita uma entrevista com funcionários da Biblioteca Utilizouse ainda o arquivo climático SWERA da região da Pampulha para a cidade de Belo Horizonte já que o Campus da UFMG onde localizase o projeto se situa nesta região A simulação foi realizada para o ano todo não considerando dias típicos Para simulações de análise foi selecionado a opção HVACTemplate Zone IdealLoadsAirSystem que possibilita realizar cálculos de carga térmica para cada uma das 8760 horas do ano O Ideal Load Air System é utilizado para calcular as cargas de aquecimento e refrigeração em cada zona sem modelagem de um sistema completo de climatização É uma maneira rápida e fácil para avaliar impactos de estratégias de eficiência energética VERSAGE LAMBERTS 2010 Para a determinação das cargas térmicas de resfriamento o dado de saída escolhido foi o Zone Ideal Loads Zone Total Cooling Rate em Watts para dados horários para o ano inteiro uma vez que o sistema de condicionamento artificial implantado na biblioteca é exclusivo para resfriamento dos ambientes Para determinar qual seria a carga térmica considerada para seleção do equipamento foi escolhido a carga que atenderia a 99 das horas para cada ambiente A Tabela 1 apresenta os dados obtidos por ambiente Tabela 1 Carga Térmica por ambiente obtida por simulação com EnergyPlus Ambiente Carga Térmica W Carga Térmica BTUh ANDAR 1 18735 63926 ANDAR 2 20590 70256 PESQUISA BIBLIOGRÁFICA 2082 7104 PROCEDIMENTOS TÉCNICOS 2130 7268 CHEFIA 1551 5292 ESTUDO 1 2880 9827 ESTUDO 2 2421 8261 ESTUDO 3 5110 17436 Fonte Os autores 4 CARGA TÉRMICA PELO MÉTODO DA ABNT NBR 58581983 Para obtenção da carga térmica pelo método simplificado da ABNT NBR 58581893 foi utilizada planilha disponibilizada pelo Laboratório de Conforto e Eficiência Energética da Universidade Federal de Pelotas LABCEEUFPEL 2018 que corresponde ao formulário do anexo A da norma O método de cálculo simplificado presente na ABNT NBR 58581893 se aplica a aparelhos condicionadores ENTAC2020 Porto Alegre Brasil 4 a 6 de novembro de 2020 para fins residenciais comerciais ou industriais tendo conforto como finalidade VESCOVI MENEGAZ 2014 O método consiste na inserção de parâmetros que são multiplicados por fatores pré estabelecidos Dentre os parâmetros inseridos citase a área de janela com insolação área de paredes internas e externas orientação das janelas tipo de parede pesada ou leve quantidade de pessoas atividade dos ocupantes carga de equipamentos carga de iluminação área de piso tipo de cobertura e áreas constantemente abertas Ao final o valor obtido deve ser multiplicado por um fator a depender da região onde está a construção podendo variar de 105 a 085 A Tabela 2 apresenta os valores de carga térmica obtidos com este método Tabela 2 Carga Térmica por ambiente obtida pelo método da ABNT NBR 58581983 Ambiente Carga Térmica W Carga Térmica BTUh ANDAR 1 20970 71553 ANDAR 2 20562 70160 PESQUISA BIBLIOGRÁFICA 2015 6875 PROCEDIMENTOS TÉCNICOS 2023 6903 CHEFIA 1573 5367 ESTUDO 1 2720 9281 ESTUDO 2 2142 7309 ESTUDO 3 4471 15256 Fonte Os autores 5 ANÁLISE DOS RESULTADOS Com os resultados obtidos para os dois métodos temse a Tabela 3 para comparação Tabela 3 Comparação do resultado obtido pelo método de simulação com método da ABNT NBR 58581983 Ambiente Carga Térmica BTUh Simulação Carga Térm BTUh ABNT NBR 5858 Simul ABNT NBR 5858 Variação BTUh ANDAR 1 63926 71553 089 7627 ANDAR 2 70256 70160 100 96 PESQUISA BIBLIOG 7104 6875 103 229 PROCEDIMENTOS TÉCNICOS 7268 6903 105 365 CHEFIA 5292 5367 099 75 ESTUDO 1 9827 9281 106 546 ESTUDO 2 8261 7309 113 952 ESTUDO 3 17436 15256 114 2180 TOTAL 189370 192704 098 3334 Fonte Os autores Podese observar que a variação no resultado foi de 11 a 14 sendo que considerando a carga térmica total de todos os ambientes da biblioteca o resultado ENTAC2020 Porto Alegre Brasil 4 a 6 de novembro de 2020 com simulação foi 2 menor quando comparado com o método simplificado coincidindo com os resultados de Inácio e Erthal 2017 corroborando a sugestão de Alfredo 2011 para inclusão de tabela de cálculo simplificada na ABNT NBR 164012008 e com a afirmação de Vescovi e Menegaz 2014 de que o método simplificado presente na ABNT NBR 58581893 se aplica para ambientes sem complexidade com finalidade somente de conforto O Ambiente Andar 1 foi o único que apresentou alteração suficiente para justificar a escolha de um modelo de ar condicionado com capacidade térmica diferente para cada método de cálculo da carga térmica Para os demais a diferença não seria suficiente para justificar alteração nos modelos visto que os fabricantes possuem equipamentos splits de capacidade 7500 9000 12000 18000 24000 30000 36000 48000 60000 e 80000 BTUh Elgin 2019 6 CONCLUSÕES O programa computacional EnergyPlus é uma complexa ferramenta que exige uma quantidade considerável de dados de entrada e configurações para alcançar um resultado de acordo com a realidade Portanto a simulação computacional para a elaboração de projetos de dimensionamento de sistemas de ar condicionado é um processo que exige tempo e profissional qualificado para a função Por meio deste trabalho iniciouse a discussão da necessidade de se entender os limites para o cálculo de carga térmica como o nível de fidelidade com que deve ser informada a geometria do modelo digital do projeto e o quão detalhada deve ser a simulação com relação aos dados de entrada Apesar da maior complexidade da simulação e comparada à simplicidade do método da ABNT NBR 58581983 os resultados obtidos foram bastante próximos e a escolha de equipamentos de ar condicionado seria a mesma se utilizado modelos split exceto para a o ambiente Andar 1 Considerase no entanto a simulação uma ferramenta flexível onde podem ser definidas diferentes temperaturas internas e vazões de renovação para o cálculo da carga térmica enquanto o método simplificado não apresenta esta possibilidade Vale ressaltar que a ABNT NBR 1665532019 publicada recentemente apresenta metodologia simplificada mais abrangente e detalhada sugerindo assim para trabalhos futuros a comparação entre os três métodos Considerando os fatores e limitações mesmo com o resultado mais preciso indicado pela simulação por meio do programa EnergyPlus caso o sistema seja simples com função apenas de conforto como no caso deste trabalho o método simplificado apresenta um resultado confiável AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a Capes pelos recursos financeiros aplicados no Programa de PósGraduação em Ambiente Construído e Patrimônio Sustentável da Universidade Federal de Minas Gerais REFERÊNCIAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR 16401 Instalações de arcondicionado Sistemas centrais e unitários Parte 1 Projetos das instalações Rio de Janeiro ABNT 2008 NBR 16401 Instalações de arcondicionado Sistemas centrais e unitários Parte 2 ENTAC2020 Porto Alegre Brasil 4 a 6 de novembro de 2020 Parâmetros de conforto térmico Rio de Janeiro ABNT 2008 NBR 16401 Instalações de arcondicionado Sistemas centrais e unitários Parte 3 Qualidade do ar interior Rio de Janeiro ABNT 2008 NBR 16655 Instalação de sistemas residenciais de arcondicionado Split e compacto Parte 1 Projeto e Instalação Rio de Janeiro ABNT 2008 NBR 16655 Instalação de sistemas residenciais de arcondicionado Split e compacto Parte 2 Procedimento para ensaio de estanqueidade desidratação e carga de fluido frigorífico Rio de Janeiro ABNT 2008 NBR 16655 Instalação de sistemas residenciais de arcondicionado Split e compacto Parte 3 Método de cálculo da carga térmica residencial Rio de Janeiro ABNT 2008 NBR 5858 Condicionador de ar doméstico Rio de Janeiro ABNT 1983 ALFREDO J A Análise crítica da norma brasileira ABNT NBR 164011 Instalações de ar condicionado Sistemas centrais e unitários parte 1 projeto das instalações 164012 Parâmetros de conforto térmico e 164013 Qualidade do ar interior Dissertação Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais Belo Horizonte 2011 CARLO J C LAMBERTS R Parâmetros e métodos adotados no regulamento de etiquetagem da eficiência energética de edifícios parte 2 método de simulação Ambiente construído Porto Alegre v 10 n 2 p 2740 abrjun 2010 ELGIN Catálogo de Climatização 20192020 Disponível em httpsportaldeapoioelgincombrcatalogos11555940618pdf Acessado em 01 de novembro de 2019 HARRELL C GHOSH B K BOWDEN R O Simulation using ProModel 3 ed New York McGraw Hill 2012 HENSEN J L M LAMBERTS R Ed Building performance simulation for design and operation Londres 2011 INÁCIO W D S ERTHAL M Dimensionamento da carga térmica de resfriamento de ambientes como estratégia para melhoria da eficiência energética em instituições de ensino VÉRTICES Campos dos GoytacazesRJ v19 n3 p 211236 setdez 2017 INTERNATIONAL ENERGY AGENCY Total energy use in buildings Analysis and evaluation methods 2013 UNIVERSIDADE FEDERAL DE PELOTAS UFPEL Laboratório de Conforto e Eficiência Energética LABCEE Programa do Bom Uso Energético PROBEN Planilha de carga térmica Disponível em httpswpufpeledubrprobenplanilhadecargatermica Acesso em 12062018 VELOSO A C O SOUZA R V G Benchmarking the energy efficiency of office buildings in Belo Horizonte Brazil 7th International Conference Physics Building IBPC2018 Syracuse NY USA 2018 VERSAGE R LAMBERTS R Tutorial OpenStúdio 10 plugin do EnergyPlus para Sketchup Florianópolis LabEEE 2010 20 p Disponível em httpwwwlabeeeufscbrsitesdefaultfilesdisciplinasECV4202ApostilaOpenStudiopdf Acesso em 21062018 VESCOVI P V S MENEGÁZ P J M Análise técnicoeconômica de implementação de um sistema de geração Elétrica fotovoltaica aplicada para cargas de refrigeração Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte MG 2014 ZHANG I Impact of model simplification on energy and comfort analysis for dwellings In 13th Conference of International Building Performance Simulation Association 2013 França Anais Chambéry IBPSA 2628 ago P 11841192