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How to cite this paperAn. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002
EDEN: programa para auxílio a projetos de edificações energeticamente autônomas e eficientes
Brito A. U.; Pinho J. T.
Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas, DEEC/CT/UFPA. Caixa postal 8605 - Ag. Núcleo Universitário, CEP 66.075 - 900, Belém, PA Fone/Fax: (91) 2111299, e-mail: ubaiara@yahoo.com.br; jtpinho@ufpa.br
RESUMO
Este trabalho apresenta um ambiente computacional desenvolvido para auxílio a projetos de edificações energeticamente autônomas e eficientes (EDEN). Com o objetivo de verificar a utilidade do programa desenvolvido, apresenta-se o projeto de uma casa de teste, elaborado com auxílio do mesmo. Essa casa, que é um projeto piloto na Região Norte, deverá ser construída no campus da Universidade Federal do Pará e servirá como laboratório de testes para o Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas (GEDAE).
Palavras chaves: Edificações, Eficiência Energética, Autonomia Energética, Análise Bioclimática.
ABSTRACT
This work presents a program developed to aid the project of buildings with energetic autonomy and efficiency (EDEN). With the objective of verifying the usefulness of the developed program, the project of a test house is presented, elaborated with the aid of the software. This house, that is a pilot project in the Northern Region, shall be built in the campus of the Universidade Federal do Pará and will serve as a test laboratory for the Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas (GEDAE).
1. INTRODUÇÃO
Grande parte de toda a energia consumida no Brasil deve-se às edificações. Atualmente, com o problema da crise energética, tem-se dado uma maior atenção a este fato, fazendo com que arquitetos, engenheiros e construtores assumam, assim, o importante papel de buscar soluções para reduzir a demanda energética das edificações, sem reduzir o nível de qualidade, conforto e funcionalidade de suas instalações.
Dentro desse panorama, surge a idéia de edificações energeticamente autônomas e eficientes, que, embora conectadas à rede elétrica da concessionária, possam suprir total ou parcialmente sua demanda energética. Para isto, é necessário adequar a edificação ao clima de cada localidade, prevendo uma integração entre os recursos naturais e os artificiais, para que se reduzam as necessidades energéticas, como a climatização e a iluminação. Devem ser adotadas também estratégias para minimizar os gastos com energia, e considerar possibilidades de geração autônoma, através de fontes renováveis não convencionais.
No entanto, devido ao grande número de variáveis envolvidas e à necessidade do conhecimento de diferentes áreas (engenharia, arquitetura, etc.) relacionadas com a elaboração do projeto de uma edificação voltada para essa realidade, torna-se necessário o desenvolvimento de ferramentas que auxiliem o usuário na fase de elaboração do projeto.
Com essa finalidade, foi desenvolvido um ambiente computacional para auxilio a projetos de edificações com essas características. O programa foi desenvolvido em linguagem de programação Visual Basic 6.0®, sendo constituído por cinco módulos, que auxiliam o usuário no desenvolvimento de sua tarefa, a saber: "Análise Bioclimática", "Rosa dos Ventos", "Sombreamento", "Iluminação Natural" e "Geração Fotovoltaica". Com auxílio desses módulos, o usuário pode fazer uma série de análises qualitativas e quantitativas. Essas análises referem-se tanto à edificação quanto à localidade escolhida para a construção da mesma.
Com o objetivo de verificar a utilidade do programa desenvolvido, é apresento o projeto de uma casa de teste, elaborado com auxílio do mesmo. As decisões referentes à orientação da casa, distribuição dos ambientes internos, etc., foram todas tomadas a partir de simulações realizadas com o programa.
2. AMBIENTE COMPUTACIONAL DESENVOLVIDO
MENU INICIAL
O menu inicial é a parte principal do programa, pois todos os módulos mencionados dependem dele e ficam desativados até que ele seja executado (figura 1).
Na execução deste módulo, o usuário deve primeiramente abrir um arquivo com dados climatológicos (mês, dia do mês, dia do ano, hora, velocidade do vento, pressão atmosférica, temperatura ambiente, radiação global no plano horizontal, radiação difusa no plano horizontal, umidade relativa, direção do vento) para uma referida localidade; esses dados são gerados através de um programa comercialmente disponível (METEONORM. Versão 4.0) [1].
Na fase inicial do programa são realizados também todos os cálculos referentes às relações geométricas entre os raios do Sol e a Terra, para uma determinada hora e dia do ano, que são utilizados na execução dos módulos seguintes. As equações utilizadas foram retiradas da referência [2].
MÓDULO "ANÁLISE BIOCLIMÁTICA"
Este módulo tem como objetivo auxiliar o usuário na escolha da melhor estratégia bioclimática a ser empregada em uma edificação, de tal maneira que as variáveis climatológicas do ambiente interno das edificações cheguem o mais próximo possível das condições de conforto (bem estar humano).
Para isso, utilizou-se a carta psicrométrica, que é um diagrama que relaciona dados de temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo úmido, umidade relativa, razão de umidade, pressão de vapor e entalpia. Nessa carta, os dados de temperatura e umidade relativa referentes a todas as horas do ano, para a localidade escolhida, são marcados diretamente, podendo ser identificadas várias zonas de desempenho, conforme pode ser observado na figura 2.
1. Zona de Conforto;
2. Zona de Ventilação;
3. Zona de Resfriamento Evaporativo;
4. Zona de Massa Térmica para Resfriamento;
5. Zona de Ar Condicionado;
6. Zona de Umidificação;
7. Zona de Massa Térmica para Aquecimento;
8. Zona de Aquecimento Solar Passivo;
9. Zona de Aquecimento Artificial [3].
A partir da divisão das referidas zonas sobre a carta, é possível determinar o percentual de horas do ano em que ocorre conforto ou desconforto, possibilitando a escolha da melhor estratégia a ser empregada no projeto, para a localidade escolhida. Todo o equacionamento para implementação da carta psicrométrica foi retirado do manual da ASHRAE [4].
MÓDULOS "ROSA DOS VENTOS" E "SOMBREAMENTO"
Esses módulos têm como objetivos auxiliar o usuário na distribuição dos compartimentos internos e das aberturas laterais da edificação, de maneira a favorecer ao ambiente interno a iluminação e a ventilação naturais.
No módulo "Sombreamento", o usuário pode visualizar, para qualquer dia do ano, como se comporta a trajetória da sombra ao redor da edificação em um intervalo que tem inicio uma hora após o nascer do Sol e terminando uma hora antes do pôr do Sol. Com o objetivo de diminuir o tempo de processamento do programa, as superfícies são aproximadas por formatos quadrangulares como ilustrado na figura 3.
Já o módulo "Rosa dos Ventos" fornece a percentagem de ocorrência dos ventos em uma determinada direção, tanto mensal quanto anual. Assim sendo, é possível traçar a rosa dos ventos para a localidade selecionada, utilizando os dados horários de direção do vento gerados pelo METEONORM 4.0 (figura 4).
MÓDULO "ILUMINAÇÃO NATURAL"
Este módulo realiza o cálculo da disponibilidade de luz natural do interior de uma edificação para três condições de céu: céu claro, céu intermediário e céu nublado. O método utilizado é o da iluminância média [5]. Esse método é bastante adequado, pois considera-se em seu cálculo a contribuição do nível de iluminância direta nas janelas devido à luz do Sol e luz do céu, à luz refletida no solo, e também à iluminância por inter-reflexão entre fachadas, muito comum nos centros urbanos. O método fornece os níveis de iluminação média, tanto para o plano de trabalho quanto para outras superfícies (teto, parede, fachada, etc.), como apresentado na figura 5.
MÓDULO "GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA"
Este módulo tem como objetivo o dimensionamento do sistema fotovoltaico necessário para o suprimento de energia elétrica da edificação, podendo o usuário optar por dimensionar o sistema fotovoltaico tanto para situações isoladas, quanto para casos interligados à rede elétrica da concessionária, tendo em vista que os módulos fotovoltaicos podem estar fixos na própria estrutura da edificação (telhados ou paredes) ou a uma estrutura independente (figura 6).
Para sistemas fotovoltaicos isolados, o método utilizado para o dimensionamento, está baseado na metodologia do manual fotovoltaico editado pelo Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito (CRESESB) [6], onde se dimensiona o subsistema de geração e acumulação para o mês que apresenta o pior nível médio de irradiação solar diária durante o ano, considera-se que a energia coletada pelo gerador nesse mês seja igual à energia consumida no mesmo período, sendo a capacidade de acumulação dimensionada de modo a assegurar um certo número de dias de autonomia de fornecimento energético sem geração.
No caso de sistemas fotovoltaicos interligados à rede, o subsistema de geração é projetado visando coletar o máximo de energia durante o ano, tomando como base para realização do dimensionamento o valor da média anual do nível de irradiação solar. Assim sendo, a energia coletada pelos módulos ao longo de um ano é igualada à energia consumida pela carga da edificação no mesmo período.
Tanto no projeto de sistemas isolados, quanto no de sistemas interligados à rede, faz-se necessário o uso de modelos para estimação do nível de irradiação solar sobre uma superfície orientada arbitrariamente (caso de uma edificação). Para isto, o modelo utilizado foi o de Hay e Davies [7]. Esse modelo aborda o problema específico de como calcular as diferentes componentes da irradiação horária sobre uma superfície inclinada, tendo como dados as componentes direta e difusa da irradiação horária sobre uma superfície horizontal [7].
A seguir é apresentado o projeto de uma casa de teste realizado com auxílio do programa desenvolvido, tendo como principal objetivo testar e avaliar sua utilidade.
3. EXEMPLO DE APLICAÇÃO DO PROGRAMA
Com o objetivo de verificar a utilidade do programa desenvolvido, é apresentado o projeto de uma casa de teste, elaborado com auxílio do mesmo. Por ser uma casa de dimensões pequenas (5x5 m2 e 3,5 m de pé direito), o seu formato foi definido como sendo retangular e ela está dividida em três compartimentos: sala de baterias, sala de instrumentação e banheiro (figura 7).
As decisões referentes à orientação da casa, distribuição dos ambientes internos, etc., foram todas tomadas a partir de simulações realizadas com o programa.
Essa casa, que é um projeto piloto na Região Norte, deverá ser construída no campus da Universidade Federal do Pará, cidade de Belém, dentro de uma área às margens do Rio Guamá. A edificação servirá como laboratório de testes do Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas (GEDAE).
Belém está situada próximo à linha do equador (latitude = -1,28°, longitude = 48,27°); o clima é o equatorial, que compreende toda a Amazônia, e possui temperaturas médias entre 27 e 29 °C. Com isso, apresenta um grande potencial para o uso da energia solar.
Tendo em vista que a máxima radiação solar que chega na superfície da Terra é em torno de 1.000 W/m2, pode-se concluir que, na cidade de Belém, tem-se no mês de fevereiro (mês crítico), pelo menos quatro horas diárias com insolação máxima, como mostra a tabela 1, obtida a partir do METEONORM 4.0 [1].
PROJETO DA CASA DE TESTE
Como ponto de partida para elaboração do projeto foi realizada, com o auxílio do EDEN, a análise bioclimática do local (figura 2), e constatou-se que a região referente à zona de ventilação é a que possui maior concentração de pontos referentes às horas do ano. Vê-se, então, a grande necessidade do uso dessa estratégia para a cidade. Observa-se também que o nível de umidade relativa é bastante elevado, normalmente acima de 70%, e as temperaturas raramente estão abaixo dos 23°C, ficando, em média, em torno de 28 °C.
Além da ventilação, a refrigeração também pode ser empregada como estratégia para alcançar a condição de conforto. Na tabela 2, gerada a partir do EDEN, encontram-se listadas as percentagens das estratégias bioclimáticas para a cidade de Belém.
Observa-se a ausência de conforto na cidade de Belém, durante 93,94 % do ano. De acordo com a estratégia bioclimática mais indicada (ventilação), e tomando como referência a rosa dos ventos para a cidade Belém (figura 4), pode-se definir a disposição das aberturas e a orientação da casa em relação ao Norte, como indicado na figura 7. As aberturas foram dimensionadas de forma a captar o vento e permitir a ventilação cruzada dos espaços internos.
Para retirada do ar quente acumulado na parte mais elevada da casa serão utilizados um exaustor eólico e lanternim (figura 8), criando assim, um fluxo de ar ascendente que retira o excesso de calor do ambiente.
Feita a escolha da orientação da casa e disposição das aberturas, foi necessário simular o sombreamento da casa para três dias críticos: solstício de inverno (22/ junho), solstício de verão (22/dezembro) e equinócios de primavera e outono (22/março e 22/setembro), que são as situações onde o Sol se encontra, respectivamente, com menor altitude (maior comprimento de sombra) e maior altitude (menor comprimento da sombra), tal como é apresentado nas figuras 9, 10 e 11.
De acordo com as simulações realizadas, observa-se que na parede oeste (entrada) os raios solares da tarde incidem diretamente no interior da casa durante todo o ano, aumentando signi-ficativamente o ganho de calor no ambiente nesse horário. Para evitar isto, dimensionou-se uma proteção solar com objetivo de permitir que os raios solares só incidam no ambiente a partir das 16:30 h (figura 7).
Com relação às aberturas da parede norte, os raios solares só incidem diretamente por um período equivalente a seis meses, necessitando apenas o uso de dispositivos de controle à incidência dos mesmos, como por exemplo persianas, cortinas, vidros especiais, etc., favorecendo assim um melhor aproveitamento da iluminação natural no interior do ambiente.
A disponibilidade de luz no ambiente foi simulada com auxílio do EDEN para todos os compartimentos, levando-se em consideração os três tipos de céu (claro, nublado e intermediário). Os dias do ano selecionados para a simulação, 22/ junho, 22/dezembro e 22/setembro, foram selecionados obedecendo ao mesmo critério da simulação referente ao sombreamento e constatou-se que durante a maior parte do dia o nível de iluminação natural é o suficiente para as tarefas a serem realizadas no ambiente, com exceção para a condição de céu nublado, conforme mostrado nas tabelas 3, 4 e 5.
Para solucionar o problema de iluminação natural insuficiente para realização de tarefas quando o céu se encontrar nublado será incorporado um sistema de controle fotoelétrico. Nos compartimentos onde a permanência de pessoas não é constante (sala de baterias e banheiro), serão instalados sensores de presença com o objetivo de evitar o desperdício de energia por motivo de esquecimento do usuário em desligar a luz.
Finalizando o projeto da casa, foi realizado o dimensionamento do sistema de geração solar fotovoltaico para o atendimento do total de carga instalada (300 W), correspondendo a um consumo diário de 2,75 kWh/dia (tabela 6).
O dimensionamento do sistema de geração solar fotovoltaico foi realizado considerando o caso de um sistema isolado com módulos agregados à cobertura da casa, tal como é apresentado na tabela 7, prevendo, porém, uma futura interligação à rede elétrica da concessionária.
Com o objetivo de evitar o ganho de calor por condução, as paredes da casa serão pintadas de branco, pois, de toda energia incidente sobre a parede, a percentagem absorvida estará em torno de 20% a 50% [3]. O material utilizado para a construção será tijolo rebocado, conseguindo-se com isto, obter um baixo valor de transmitância térmica (2,49 W/m2K) sem encarecer o custo da obra. O material utilizado mostra-se adequado, haja visto que as médias mensais de velocidade de vento encontram-se em torno de 3,2 m/s, contribuindo bastante para as perdes de calor por convecção entre a parede e o ambiente externo, o que resulta em um menor ganho de calor por condução.
CONCLUSÃO
O programa apresentado possui uma interface gráfica toda em ambiente Windows, importante fator para garantia da competitividade, atratividade e fácil manuseio do produto. Seus comandos são intuitivos e simples, proporcionando um aprendizado rápido e fácil, além de ser compatível com as ferramentas disponíveis comercialmente, tais como: Microsoft Word e Access.
O programa dispõe de cinco módulos de simulações, onde o usuário pode fazer uma série de análises qualitativas e quantitativas. Essas análises referem-se tanto à edificação quanto à localidade escolhida para a construção da mesma. Através desses módulos o usuário pode realizar a análise bioclimática do local, verificar a disponibilidade de vento em uma determinada direção, calcular o sombreamento ao redor da edificação, analisar a disponibilidade de iluminação natural dentro do ambiente e realizar projetos de sistemas solares fotovoltaicos.
Além da sua grande utilização como ferramenta de projeto, o programa mostra-se bastante atrativo ao meio acadêmico, pois possibilita visualizar, de maneira rápida e ilustrativa, uma série de grandezas estudadas em disciplinas dos cursos de engenharia e arquitetura.
A casa projetada com o auxílio do programa, deverá ser construída no campus da Universidade Federal do Pará e servirá como laboratório de testes para o Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas (GEDAE).
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. João Tavares Pinho, pela orientação no trabalho.
À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pelo financiamento.
REFERÊNCIA
[1] J. Remund, R. Lang, S. Kunz, METEONORM Versão 4.0, Suiss Federal Office of Energy, www.meteotest.ch, novembro de 1999.
[2] M. Iqbal, An Introduction to Solar radiation, Academic Press, Toronto, 1983.
[3] R. Lamberts, L. Dutra e F. O. R. Pereira, Eficiência Energética na Arquitetura, Editora PW Gráfico e Autores Associados, 1ª edição, São Paulo, 1997.
[4] ASHRAE, Handbook of Fundamentals, American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Engineers, New York, I-P edition,USA, 1993.
[5] P. R. Tregenza, Mean Daylight Illuminance in Rooms Facing Sunlit Streets, Schoof of Architectural Studies, University of Sheffield, , Vol. 30, Nº 01, pp. 83-89, 1995.
[6] Grupo de Trabalho de Energia Solar Fotovoltaica - GTEF, Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, 2ª edição, 1999.
[7] E. Lorenzo, Eletricidad Solar - Ingenieria de los Sistemas Fotovoltaicos, Instituto de Energía Solar/Universidad Politécnica de Madrid, 1ª edição, 1994.
[8] Associação Brasileira de Normas técnicas, Norma ABNT - 5413.