ANÁLISE COMPARATIVA DO DESEMPENHO TÉRMICO

DE EDIFICAÇÃO HISTÓRICA COM BASE EM

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL: Casarão 02, Pelotas, RSStífany Knop¹, Eduardo Grala da Cunha²

¹ arquitetaknop@yahoo.com.br

² eduardogralacunha@yahoo.com.br

Faculdade de Arquitetura e Urbanismo – Universidade Federal de Pelotas,

Rua Benjamin Constant, 1359 Pelotas/ RS - Cep: 96010-020, Tel.: (53) 3721-5501

RESUMOPelotas está localizada no sul do Rio Grande do Sul, possui clima subtropical

úmido e está situada na Zona Bioclimática 2 (NBR 15.220 – 3). É uma cidade

com várias edificações tombadas e uma legislação municipal que protege cerca

de 1000 edificações com interesse patrimonial. A edificação em estudo, é o

Casarão 2, na Praça Coronel Pedro Osório, no centro da cidade e foi tombado

em nível federal em 1977.Esse artigo tem o objetivo de analisar o desempenho

térmico de uma edificação histórica considerando duas diferentes

configurações da envoltória da residência. Na primeira, com as paredes

originais – alvenaria portante de tijolos maciços. Na segunda configuração, com

paredes leves – em consonância com as recomendações da NBR 15.220 – 3,

para a zona bioclimática 2 e com a NBR 15.575. A partir dessas duas

configurações, comparar o desempenho entre os dois tipos de fechamentos

verticais. O método utilizado para essa avaliação é por simulação

computacional e utiliza o software Design Builder (versão 3.0.0.064) como

ferramenta de simulação.

Os níveis de conforto térmico são avaliados a partir do modelo adaptativo de

De Dear e Brager para a ASHRAE Standard – 55 (2004), que considera

ambientes naturalmente ventilados. Para ambas as análises, parede original e

parede leve da NBR 15.220, os resultados são analisados considerando todas

as horas do ano e apenas os horários ocupados, das 08:00 às 17:00 horas. A

configuração com melhor desempenho foi a construção original, que apresenta

50,50% das horas dentro dos limites aceitáveis de conforto térmico

considerando o índice de De Dear e Brager (2004). Já na configuração com as

paredes leves o período de conforto térmico foi de 48,74%, considerando 90%

das pessoas satisfeitas, nos horários ocupados. As demais análises, que

consideram 80 e 90% das pessoas satisfeitas, para todas as horas do ano e

para os horários de funcionamento, foram superiores em aproximadamente 2%

do tempo, para a construção original.

Palavras chaves: simulação computacional, conforto adaptativo, edificação

histórica, desempenho térmico.

1. INTRODUÇÃOA cidade de Pelotas é considerada patrimônio do estado do Rio Grande do Sul,

com seu grande acervo de edifícios em estilo eclético que remetem aos tempos

de riqueza proveniente da produção de charque. Muitas dessas edificações,

construídas para usos residenciais, ainda continuam em uso e mantêm suas

características arquitetônicas mesmo com o passar do tempo. Seu patrimônio

arquitetônico conta com cerca de 1000 edificações, de interesse histórico,

protegidas pela Lei Municipal 4.568/2000. As construções no entorno da Praça

Coronel Pedro Osório, no centro histórico da cidade, são as mais significativas

de Pelotas, conforme figura 1.

Figura 1 - entorno da Praça Coronel Pedro Osório

Devido a identidade histórica do município torna-se relevante avaliar o

desempenho térmico de uma construção do século XIX com novo uso.

A edificação em estudo é a antiga Residência do Charqueador José Vieira

Vianna, também conhecida como Casarão 2. Situada à Praça Coronel Pedro

Osório, número 2, é hoje o endereço da Secretária Municipal de Cultura.

O casarão tem data de construção anterior a 1830 e sofreu uma grande

intervenção em 1880, quando passou de residência em estilo luso-brasileiro

para edificação em estilo eclético. Foi tombada em 15/12/19771 e teve sua

última restauração concluída em 2005 pelo programa MONUMENTA2.

Mais de 140 anos se passaram desde a construção original até o tombamento

do edifício. Nesse meio tempo ele foi ocupado por diversos usos e passou

pelas mãos de vários proprietários. Essa inconstância de usos e proprietários,

assim como a manutenção inapropriada ou apenas emergencial, modificou e,

por vezes, danificou características arquitetônicas da edificação. Existem

muitas informações sem registros do início da construção, como a distribuição

dos tijolos nas paredes portantes. Essa informação, por ser relevante para a

simulação computacional, foi deduzida a partir de bibliografias específicas que

datam a época da construção. Construída originalmente como residência,

atualmente ela possui uso público.

Figura 2 - Casarão 02 - Secretaria Municipal de Cultura

O Casarão 2 está sendo avaliado quanto ao seu desempenho térmico e para

tanto, foram feitas análises dos levantamentos e projetos de restauro da

edificação para posterior modelagem e simulação no software DesignBuilder.

Os levantamentos da edificação e os projetos de restauro foram obtidos junto a

SeCult (Secretaria Municipal de Cultura de Pelotas) e foram esses os arquivos,

1 Tombamento é um ato administrativo realizado pelo Poder Público, com o objetivo de preservar bens de valor histórico, cultural, arquitetônico, ambiental e também de valor afetivo para a população, impedindo a destruição e/ou descaracterização de tais bens. (Fonte: IPHAN)2 O MONUMENTA é um programa estratégico do Ministério da Cultura. Ele atua em cidades históricas protegidas pelo Instituto do Patrimônio Histórico e Artístico Nacional (Iphan). Sua proposta é de agir de forma integrada em cada um desses locais, promovendo obras de restauração e recuperação dos bens tombados e edificações localizadas nas áreas de projeto. (Fonte: Ministério da Cultura)

junto com algumas informações obtidas no local, os utilizados para a

modelagem.

2. OBJETIVO GERALO objetivo geral desse artigo é fazer uma análise comparativa entre duas

diferentes técnicas construtivas de paredes – parede original e parede leve –

pelo método de simulação computacional com o software Design Builder

(versão 3.0.0.064) e avaliação de desempenho térmico pelo modelo adaptativo

de De Dear e Brager para a ASHRAE Standard 55 (2004).

Os parâmetros de escolha da parede leve contemplam as recomendações das

NBR 15.220 e NBR 15.575 – composição pela NBR 15.220 para a Zona

Bioclimática 2 e dentro do limite de transmitância estipulado pela NBR 15.575 –

4 - de técnicas construtivas atuais para edificações habitacionais, considerando

que a construção foi originalmente concebida como residência e atualmente

possui uso público.

Para tanto, o trabalho foi dividido em três etapas: configuração do modelo e

simulação; avaliação de desempenho térmico; e análise comparativa das duas

técnicas construtivas.

3. CONFIGURAÇÃO DO MODELO E SIMULAÇÃOPara tanto, o software DesignBuilder versão 3.0.0.064 foi utilizado para

simulação computacional. Tal software permite avaliação de desempenho

térmico e simula ambientes condicionados naturalmente. No estudo o arquivo

climatico utilizado foi o da cidade que está situada na mesma zona bioclimática

que Pelotas, Santa Maria (BRA_Santa.Maria.839360_SWERA.epw), e,

portanto, de acordo com a norma brasileira (NBR 15.220 – 3), que estipula o

zoneamento bioclimático brasileiro, é possível utilizá-lo, uma vez que Pelotas

não possui um arquivo próprio.

Todas as horas do ano foram simuladas, possibilitando diferentes análises. A

primeira considerando todas as horas do ano, com 8760 horas, e uma segunda

apenas com o horário de funcionamento da SeCult, o que resultou em 2.610

horas de dados.

Figura 3 - Modelo 3D no Design Builder

3.1. SIMPLIFICAÇÕES E CONVENÇÕES

O objetivo da simulação é simplificar o objeto de estudo para obter resultados

para análise. Por se tratar do estudo de uma edificação histórica, com

características peculiares, algumas simplificações das características

construtivas tiveram que ser feitas para modelar o edifício, como, por exemplo,

a padronização das espessuras das paredes. A edificação possui uma grande

variação na espessura das paredes internas e externas. (figura 4)

Figura 4 – Planta Baixa térreo - projeto de restauração

Figura 5 - Planta baixa térreo simplificado

Optou-se, então, por modelar as paredes externas do térreo com 60 cm e do

segundo pavimento de 40 cm de espessura e as internas com do térreo com 20

cm e do segundo pavimento com 15 cm e caracterizar as camadas com suas

espessuras reais na configuração de materiais do programa. (figura 5)

Para as camadas de tijolos foi feita o cálculo de equivalência, onde a camada

heterogênea de tijolo e argamassa foi substituída por uma camada homogênea

de um material com características equivalentes à camada original.

Outras convenções foram adotadas, pois, além das várias características do

edifício, o programa limita a modelagem

3.2. TELHADO

O telhado da edificação é de telha de barro tipo capa-canal, com estrutura de

madeira.

A cobertura do casarão foi modelada como bloco, onde a espessura utilizada

da telha foi a obtida pelo projeto de restauração e a estrutura do telhado, ripas,

caibros, tesouras, foi desconsiderada, pois ocupa a área da câmara de ar e

possui pouco contato com telhas e forro.

3.3. PISOS

A edificação possui dois tipos de pisos, assoalho e ladrilho hidráulico. O ladrilho

hidráulico é utilizado no térreo e nos terraços. O assoalho é usado em parte do

térreo e todo o segundo pavimento.

O ladrilho hidráulico foi simplificado com uma camada de ladrilho de 1 cm e

uma camada de concreto leve de 7 cm.

No térreo, o assoalho foi considerado com camada de madeira, camada de ar e

terra. (figura 6)

Figura 6 - piso do térreo

No 2º pavimento, o assoalho foi considerado em conjunto com o forro do

térreo. Pelo levantamento arquitetônico feito para a restauração, as espessuras

entre piso e forro variam de um ambiente para outro. Para a simulação, essas

espessuras foram simplificadas.

Ainda no 2º pavimento existem duas áreas externas com terraço. Nessas

áreas, durante uma das intervenções de restauração foram feitas lajes pré-

moldadas com assentamento de ladrilho hidráulico. Na laje pré-fabricada, foi

aplicada a mesma metodologia de espessura equivalente. (figura 7)

Figura 7 – Terraço e terraço equivalente

3.4. JANELAS

As janelas da edificação são de madeira com vidros para o exterior e postigo

de madeira na parte interna. Possuem duas folhas de abrir, o que possibilita

uma abertura de 100% para a ventilação. As aberturas foram modeladas com

suas dimensões e porcentagem de vidro conforme o levantamento da

restauração. O postigo de madeira foi configurado como protetor solar interno.

(figura 8)

Figura 8 - Janela do Casarão

3.5. HORÁRIO DE FUCIONAMENTO

O horário de funcionamento, ou Schedule, foi configurado de acordo com os

horários da SeCult, das 8:00 às 17:00 horas de segunda à sexta-feira, durante

o ano todo.

Como opção para o controle do sombreamento de aberturas, nos horários de

maior incidência de radiação solar direta, Schedules foram criadas para o

funcionamento específico das esquadrias de cada uma das orientações da

fachada. No período de verão, de outubro a março, foram estabelecidas quatro

operações. Na fachada oeste, elas são mantidas fechadas a partir das 14:00

horas. Na fachada sul, os postigos são fechados a partir das 16:00 horas. As

janelas com orientação solar para leste tiveram sua Schedule para manter os

postigos fechados das 08:00 às 10:00 horas. Já na orientação norte os

postigos foram mantidos abertos durante todo o período.

No inverno, uma Schedule foi criada para o fechamento dos vidros das

esquadrias, mantendo os postigos de madeira abertos favorecendo o

aquecimento solar passivo e evitando grandes perdas de calor para o exterior.

3.6. GANHOS TÉRMICOS

Para cálculo dos ganhos térmicos foi feito um levantamento no local do número

e tipo de lâmpadas e quantidade de computadores e demais equipamentos.

Alguns compartimentos do edifício são pouco usados e alguns não são

utilizados, tendo inclusive seu acesso bloqueado por painéis do compartimento

anterior. Mesmo assim, foram consideradas as lâmpadas e suas potências

para efeito de cálculo do ganho térmico com iluminação.

A potência com iluminação, considerada pela fração radiante do tipo específico

de lâmpada, e os ganhos com os equipamentos, foram definidos para cada

ambiente a partir dos levantamentos.

3.7. OCUPAÇÃO

A ocupação foi calculada de maneira semelhante aos ganhos térmicos.

Primeiramente foi feito um levantamento do número de pessoas que ocupam o

Casarão durante o horário de expediente. Duas áreas são galerias de arte e

tiveram seu cálculo de ocupação baseado na NBR 9077. O número de

ocupantes foi definido para cada ambiente individualmente.

O tipo de atividade desempenhada pelos ocupantes também é essencial para a

configuração da ocupação e foi considerada como serviço de escritório leve.

3.8. SETPOINT DE TEMPERATURA

O setpoint de temperatura de ventilação de 25°C foi baseado no trabalho de

Martins (2009). O sistema de ventilação natural promove a abertura das janelas

quando a temperatura exterior é inferior a temperatura interior das salas e

inferior a 25°C.

3.9. PAREDES ORIGINAIS

As paredes são portantes de tijolo cerâmico maciço, com argamassa de

assentamento e reboco de cal.

Com amostras do tijolo e da argamassa da edificação como referências, foram

feitos ensaios para cálculo de densidade aparente dos materiais. Primeiro por

imersão, foram obtidos os volumes das amostras. Com a balança de precisão,

foram obtidos os pesos. E pela equação

ρ = M /V (1)

foram obtidas as densidades dos materiais, tijolo – ρ =1.800Kg/m³ e argamassa

– ρ = 1.990Kg/m³.

As paredes foram configuradas pela sua espessura e pelas dimensões do tijolo

de referência, deduzindo a sua disposição baseado em Breymann (1885). O

tijolo de referência possui 6 x 14 x 28 cm. (figura 9)

Figura 9 - Composição das diferentes espessuras das paredes

Para efeitos de configuração no software DesignBuilder, foram adotados os

valores obtidos nos cálculos de espessura. (figura 9) Foram configuradas as

espessuras de paredes de 15, 22, 35, 36, 42, 50, 63, 68, 72, 78, 82 e 87cm.

Estas dimensões foram escolhidas por serem as mais frequentes e

representarem por aproximação todas as demais.Figura 10 - parede original e parede equivalente – medidas em centímetros

A absortância utilizada para as faces externas das paredes foi de 0,4, relativo a

uma pintura externa de cor claraTabela 1 – características das paredes

Espessura parede

Transmitância Térmica

Atraso Térmico Fator Solar Capacidade

Térmica(W/m²K) horas % (KJ/m²K)

22 cm 2,47 5,54 4,29 390,7536 cm 1,99 9,24 3,18 624,9844 cm 1,76 11,18 2,82 767,8550 cm 1,59 13 2,55 894,0354 cm 1,50 14,05 2,40 960,3463 cm 1,32 16,34 2,12 1094,7668 cm 1,25 17,66 1,99 1182,6272 cm 1,22 18,29 1,95 1233,3578 cm 1,12 18,51 1,79 1133,9382 cm 1,07 19,51 1,72 1199,1187 cm 1,05 28,80 1,68 1409,57

3.10. PAREDES EXTERNAS LEVES

Segundo a NBR 15.220 - 2, a recomendação para os fechamentos verticais na

zona bioclimática 2 é parede leve, ou seja, que possua transmitância U £ 3,00

W/m²K, atraso térmico j £ 4,3 horas e fator solar FSo £ 5,0%. A NBR 15.575

– 4 recomenda que para a zona bioclimática 2, a transmitância das paredes

seja inferior a 2,5W/m²K e capacidade térmica maior ou igual a 130KJ/m²K.

Para tanto, utilizando as indicações, foi escolhida uma parede de tijolo 6 furos,

rebocado nos dois lados, com espessura final total de 15 cm. Os valores de

densidade de massa aparente, condutividade térmica e calor específico

necessários para o cálculo de transmitância são encontrados na parte 2 da

NBR 15.220. Assim como as paredes originais, para a simulação foi necessário

fazer o cálculo de espessura equivalente para a parede leve. (figura 11)

Figura 11 - configuração parede leve e equivalente

Os valores de transmitância, atraso térmico, fator solar e capacidade térmica

calculados para a parede estão na tabela a seguir.Tabela 2 - característica da parede leve

Transmitância Térmica

Atraso Térmico

Fator Solar

Capacidade Térmica

W/m²K horas % (KJ/m²K)Parede leve 15 cm 2,47 3,6 3,95 176,62

4. AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO E ANÁLISE COMPARATIVAOs dados obtidos foram analisados a partir do modelo adaptativo de De Dear e

Brager, para a ASHRAE Standard 55. Tal modelo considera a temperatura

externa como referência para ambientes naturalmente ventilados. Os

ocupantes devem ter livre acesso às janelas que devem ter abertura para o

exterior da edificação e possibilidade de adaptar livremente sua vestimenta.

Para tanto, a temperatura média do ar e a temperatura radiante são utilizadas

para calcular e estipular os níveis aceitáveis de conforto para 80 e 90% das

pessoas satisfeitas, considerando a temperatura externa. A temperatura média

externa deve estar entre 10 e 30°C. Para estipular a temperatura operativa de

conforto é utilizada a seguinte equação:

Toc = 18,9 + 0,255Text (2)

Para determinar 90% das pessoas satisfeitas, a temperatura operativa de

conforto é o intervalo de Toc -2,2°C e Toc +2,5°C e para 80% das pessoas

satisfeitas, é de Toc -3,2°C e Toc +3,5°C.

4.1. PAREDES ORIGINAIS

Para primeira análise os resultados foram de todas as horas do ano, para 90%

das pessoas satisfeitas. O que resultou em 48,70% das horas dentro dos

limites aceitáveis de conforto, com 13% de desconforto pelo frio e 38,30% de

desconforto pelo calor. Considerando os limites de temperatura estipulados

para o interior da edificação, a temperatura externa durante o ano esteve

dentro dos limites em 20,25% do tempo. (figura 12).

Considerando apenas as horas em que o edifício é ocupado e 90% das

pessoas satisfeitas os resultados foram de 50,50% das horas em conforto,

10,69% de desconforto pelo frio e 38,81% de desconforto pelo calor. A

temperatura externa esteve dentro dos limites aceitáveis em 18,24% das horas

ocupadas. (figura 13).

90% de satisfação0%

20%

40%

60%

80%

100%

13%

38%49%

20.25%

frio

calor

conforto

conforto externo

90% de satisfação -...0%

20%

40%

60%

80%

100%

11%

39%50%

18.24%

frio

calor

conforto

conforto externo

Figura 12 - horas de conforto para 90% das pessoas satisfeitas

Figura 13 - horas de ocupação em conforto para 90% das pessoas satisfeitas

As análises considerando 80% das pessoas satisfeitas para todas as horas do

ano resultaram em 66,3% das horas dentro dos limites aceitáveis de conforto,

7,2% em desconforto pelo frio e 26,6% de desconforto pelo calor. Em 28,21%

das horas, a temperatura externa manteve-se dentro dos limites aceitáveis.

(figura 14)

Para 80% das pessoas satisfeitas dentro dos horários de funcionamento, os

resultados não tiveram uma diferença significativa. Em 66,86% das horas, a

edificação manteve-se em conforto, em 5,79% em desconforto pelo frio e em

27,36% em desconforto pelo calor e a temperatura externa teve 26,32% do

tempo dentro dos limites. (figura 15)

80% de satisfação0%

20%

40%

60%

80%

100%

7%

27%

66%

28.21%

frio

calor

conforto

conforto externo

80% de satisfação - h...0%

20%

40%

60%

80%

100%

6%

27%

67%

26.32%

frio

calor

conforto

conforto externo

Figura 14 - horas de conforto para 80% das pessoas satisfeitas

Figura 15 - horas de ocupação em conforto para 80% das pessoas satisfeitas

Os resultados mostram que em todas as situações os limites aceitáveis de

conforto ocorrem na maior parte do tempo. A comparação com as temperaturas

externas apresenta uma significativa diferença entre o exterior e interior da

edificação, onde o interior favorece temperaturas mais amenas.

4.2. PAREDES EXTERNAS LEVES

Os dados obtidos com a simulação do casarão com as paredes externas de

tijolo de 6 furos, com espessura de 15 cm, foram analisados da mesma forma

que os dados obtidos na primeira simulação.

A primeira análise foi feita para 90% das pessoas satisfeitas no período total de

um ano, resultando em 46,20% das horas dentro dos limites de conforto, 18,2%

de desconforto pelo frio e 35,6% de desconforto pelo calor. (figura 16)

Considerando apenas os horários de funcionamento, para 90% das pessoas

satisfeitas, o nível de conforto foi alcançado em 48,74% das horas, o

desconforto pelo frio em 15,86% e pelo calor em 35,40%. (figura 17)

90% de satisfação0%

20%

40%

60%

80%

100%

18%36%

46%

20.25%

frio

calor

conforto

conforto externo

90% de satisfação - ...0%

20%

40%

60%

80%

100%

16%

35%49%

18.24%

frio

calor

conforto

conforto externo

Figura 16 - horas de conforto para 90% das pessoas satisfeitas

Figura 17 - horas de conforto para 80% das pessoas satisfeitas nos horários ocupados

A segunda análise considera 80% das pessoas satisfeitas e resultou em 63,9%

das horas dentro dos limites aceitáveis de conforto, 11,9% de desconforto pelo

frio e 24,3% de desconforto pelo calor. (figura 18)

80% de satisfação0%

20%

40%

60%

80%

100%

12%24%

64%

28.21%

frio

calor

conforto

conforto externo

80% de satisfação - ...0%

20%

40%

60%

80%

100%

10%24%

66%

26.32%

frio

calor

conforto

conforto externo

Figura 18 - horas de conforto para 80% das pessoas satisfeitas

Figura 19 - horas de conforto para 80% das pessoas satisfeitas nos horários ocupados

Quando avaliado apenas os horários ocupados, o conforto aconteceu em

65,59% das horas, o desconforto pelo frio em 10,23% e pelo calor em 24,18%.

(figura 19)

5. CONCLUSÃOAs paredes portantes possuem transmitância e fator solar inferiores à

recomendada pela norma, mas os valores de atraso térmico acima dos limites

estipulados. Por essas características apenas, esse tipo de fechamento seria

considerado inapropriado para construções de interesse social na Zona

Bioclimática 2 considerando a NBR 15220. Já para a NBR 15575 as paredes

utilizadas estariam acordando com a transmitância e capacidade térmica

mínima, de acordo com o método simplificado para avaliação de desempenho

(2,5 W/m2.k e 130 kJ/m2°C). Apesar disso, os resultados obtidos pelas

simulações apresentaram níveis de conforto mais favoráveis para as paredes

originais da construção. Para 90% das pessoas satisfeitas, os resultados foram

de 48,70% das horas dentro dos limites aceitáveis, para a construção original e

46,20% das horas para a construção com paredes leves. Ao ampliar os

parâmetros para 80% das pessoas satisfeitas, nos horários ocupados, as

paredes originais resultaram em 66,86% de horas em conforto e as paredes

leves em 63,90%. Mesmo sendo pequena a diferença de desempenho entre as

técnicas construtivas, a simulação permite avaliar essas variações e justificar a

escolha de materiais. As simulações com os dois tipos de fechamentos

verticais mantiveram a forma, uso e demais características originais da

construção. A ventilação cruzada favorecida pelo número, tipo e posição das

esquadrias, o pé-direito favorecido de 3,50m de altura, as dimensões

generosas dos ambientes e a cobertura de telha de barro com forro de

madeira, são outras particularidades que beneficiam o desempenho térmico da

construção e que devem ser consideradas. Entretanto, os resultados mostram

uma edificação com altos níveis de conforto se comparados com o ambiente

exterior, considerando o uso atual.

6. AGRADECIMENTOSOs autores gostariam de agradecer à Capes pelo apoio à realização do trabalho.

7. BIBLIOGRAFIA

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____. NBR 15.220. Norma Brasileira de Desempenho Térmico para Edificações de Interesse Social, Parte 3: Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social. Rio de Janeiro: ABNT, 2005.

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Rio de Janeiro: ABNT, 2001.

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