Resumo

Entre os componentes de uma edificação passiva, a cobertura é particularmente importante para a regulação das condições térmicas internas. Dos sistemas para resfriamento passivo que atuam a partir da cobertura, cita-se o teto-reservatório (TR). Quando o TR é acoplado a painéis radiantes que utilizam água como fluido, pode alcançar alta eficiência energética, potencializando o desempenho da fonte do suprimento de frio. No momento, faltam estudos sobre a aplicação conjunta dessas tecnologias. Esta pesquisa teve como objetivo avaliar os desempenhos térmicos de diferentes configurações de TR, com e sem painéis radiantes, aplicadas a um ambiente de uma edificação-teste no verão. O experimento ocorreu no campus Sde Boqer, da Universidade Ben-Gurion de Negev, em Israel. Como parâmetro para comparação, utilizou-se a cobertura original da edificação-teste. Avaliou-se o desempenho térmico ante as normas Standard 55 e EN 15251, a estabilização das temperaturas internas e o resfriamento. O sistema apresentou bons resultados em se tratando da moderação das condições térmicas externas, especialmente quando considerada a norma europeia EN 15251.

Palavras-chave:
Teto-reservatório; Desempenho térmico; Resfriamento evaporativo; Resfriamento radiante

Abstract

Among the components of a passive building, the roof is particularly important for the regulation of internal thermal conditions. Among the passive cooling systems that act from the roof, we can mention the roof pond (RP). In turn, radiant panels that use water as fluid can achieve high energy efficiency, enhancing the performance of the cold supply source. However, studies on the joint application of these technologies are lacking. This research study aimed to evaluate the thermal performances of different RP configurations, with and without radiant panels, applied to a test building during the summer. The experiment took place at the Sde Boqer Campus, Ben-Gurion University of Negev, Israel. The test environment with a conventional local roof was used as a parameter for comparison. The thermal performance was evaluated using Standard 55 and EN 15251, stabilisation of internal temperatures, and cooling. Compared to the conventional roof, the RP presented good results in terms of the moderation of the thermal conditions of the test building, especially when considering the European standard EN 15251.

Keywords:
Roof pond; Thermal performance; Evaporative cooling; Radiant cooling

Introdução

Um dos objetivos da pesquisa na área do condicionamento térmico de edificações é o desenvolvimento de tecnologias com alto desempenho e baixo consumo energético (FOSSATI et al., 2016FOSSATI, M. et al. Building energy efficiency: an overview of the Brazilian residential labeling scheme. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 65, p. 1216-1231, 2016.). Entre as linhas de pesquisa capazes de prover soluções para essa demanda está a arquitetura passiva, que visa ao conforto térmico sem o consumo de energia elétrica. Quanto aos componentes de uma edificação passiva, são particularmente importantes para a regulação das condições ambientais internas aqueles que constituem a envoltória do edifício: a cobertura, as paredes e as aberturas. Em edificações de poucos pavimentos, destaca-se o papel da cobertura, pois é através dela que ocorre grande parte das trocas térmicas com o ambiente externo (LAMBERTS, 1988LAMBERTS, R. Heat transfer through roofs of low cost Brazilian houses. Leeds, 1988. Thesis - University of Leeds, Leeds, 1988.). Em razão disso, investe-se em sistemas passivos com foco nesse elemento da edificação, tais como o teto-reservatório (TR).

O termo “teto-reservatório” denomina sistemas que incorporam na cobertura um reservatório d'água para estocar, trocar ou dissipar calor (ERELL; YANNAS; MOLINA, 2006ERELL, E.; YANNAS, S.; MOLINA, J. L. Roof cooling techniques: a design handbook. London: Earthscan, 2006.). O TR pode estar em contato direto com o ambiente abaixo ou separado deste por um forro. Pode propiciar inércia térmica nos períodos de grande amplitude térmica diária e atuar para resfriamento nos períodos quentes e para aquecimento nos frios (HYDE, 2008HYDE, R. Bioclimatic housing innovative designs for warm climates. Abingdon: Earthscan, 2008.). Entre as estratégias da arquitetura passiva associadas ao TR destacam-se o resfriamento evaporativo indireto, o resfriamento radiante noturno e a massa térmica para redução da amplitude térmica diária.

Segundo Runsheng, Etzion e Erell (2003RUNSHENG, T.; ETZION, Y.; ERELL, E. Experimental studies on a novel roof pond configuration for the cooling of buildings. Renewable Energy, v. 28, n. 10, p. 1513-1522, 2003.), os primeiros estudos acadêmicos sobre o TR ocorreram no Texas, na década de 1920, e abordaram o fluxo de calor em coberturas. Tais experimentos apresentaram problemas devido ao peso dos reservatórios e, por isso, foram interrompidos. Desde então, segundo Overbey (2012OVERBEY, D. The invention of the roofpond system. 2012. Disponível em: Disponível em: http://www.bdmd.com/the-invention-of-the-roofpond . Acesso em: 13 nov. 2019.
http://www.bdmd.com/the-invention-of-the... ), existem dúvidas sobre a efetividade do sistema e dificuldades com sua instalação e manutenção. Citam-se a dificuldade para encaixá-lo em uma categoria, por servir tanto para aquecimento como para resfriamento, a dificuldade para isolar os reservatórios de modo a reduzir as perdas térmicas, os problemas com vazamentos e o peso do corpo d’água para os padrões construtivos dos países onde predominam construções leves. No entanto, Overbey (2012)OVERBEY, D. The invention of the roofpond system. 2012. Disponível em: Disponível em: http://www.bdmd.com/the-invention-of-the-roofpond . Acesso em: 13 nov. 2019.
http://www.bdmd.com/the-invention-of-the... argumenta que existem soluções técnicas que permitem superar esses problemas e que, diante do alto potencial do sistema, deve-se investir nas pesquisas.

As primeiras revisões bibliográficas a respeito do TR apresentaram poucos títulos e enfocaram reservatórios de concreto (TIWARI; KUMAR; SODHA, 1982TIWARI, G. N.; KUMAR, A.; SODHA, M. S. A review: cooling by water evaporation over roof. Energy Conversion and Management, v. 22, n. 2, p. 143-153, 1982.; GIVONI, 2011GIVONI, B. Indoor temperature reduction by passive cooling systems. Solar Energy, v. 85, n. 8, p. 1692-1726, 2011.). Com o aumento do interesse pelo tema, revisões posteriores apresentaram TR de diversas configurações e de diferentes materiais (SPANAKI; TSOUTSOS; KOLOKOTSA, 2011SPANAKI, A.; TSOUTSOS, T.; KOLOKOTSA, D. On the selection and design of the proper roof pond variant for passive cooling purposes. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 15, n. 8, p. 3523-3533, 2011.; SHARIFI; YAMAGATA, 2015SHARIFI, A.; YAMAGATA, Y. Roof ponds as passive heating and cooling systems: a systematic review. Applied Energy, v. 160, p. 336-357, 2015.).

Entre as novas abordagens, busca-se potencializar o resfriamento evaporativo e explorar o resfriamento radiante utilizando reservatórios metálicos (GONZÁLEZ-CRUZ, 1997GONZÁLEZ-CRUZ, E. M. Estude de materiaux et de techniques du batiment pour la conception architecturale bioclimatique en climat chaud et humide. Paris, 1997. Tese de doutorado - Ecole des Mines de Paris, Paris, 1997.; TÉPOX; GONZÁLEZ-CRUZ; MATA, 2008TÉPOX, J. E. V.; GONZÁLEZ-CRUZ, E. M.; MATA, M. F. E. Cubiertas y estanques para optimizar el sistema pasivo de techo estanque metálico en clima cálido seco extremo: estudio experimental exploratorio. PALAPA, v. 3, p. 43-54, 2008.; GONZÁLEZ-CRUZ; GONZÁLEZ-GARCIA, 2013GONZÁLEZ-CRUZ, E. M.; GONZÁLEZ-GARCIA, S. I. Estudio experimental sobre el comportamiento térmico de un nuevo tipo de techo-estanque para el enfriamiento pasivo en clima húmedo. Ambiente Construído, Porto Alegre, v. 13, n. 4, p. 149-171, out./dez. 2013.) em vez de reservatórios de concreto. A maior condutividade térmica dos reservatórios metálicos (GONZÁLEZ-CRUZ, 1997GONZÁLEZ-CRUZ, E. M. Estude de materiaux et de techniques du batiment pour la conception architecturale bioclimatique en climat chaud et humide. Paris, 1997. Tese de doutorado - Ecole des Mines de Paris, Paris, 1997.) permite reduzir a diferença entre as temperaturas da água do reservatório e do ar do ambiente abaixo, comparativamente ao uso de reservatórios de concreto (CHÁVEZ; GIVONI; MUNDET, 2007CHÁVEZ, J. R. G.; GIVONI, B.; MUNDET, S. Cooling by roof pond with floating insulation in the hot humid climate of Veracruz, Mexico. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON PASSIVE AND LOW ENERGY ARCHITECTURE, 24., Singapore, 2007 2007. Proceedings [...] Singapore.). Recentemente, utilizando equações preditivas, avaliou-se a aplicabilidade do TR metálico em 411 cidades brasileiras. Os resultados indicaram redução das médias das temperaturas internas na maioria das cidades, entre -0,8 ºC e -2,5 ºC (GONZÁLEZ-CRUZ; KRÜGER; GIORDANO, 2014GONZÁLEZ-CRUZ, E. M. et al. Estudo experimental com sistemas de resfriamento passivo em Florianópolis. In: ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 15., Maceió, 2014. Anais [...] Maceió: Antac, 2014.). TR metálicos também foram aplicados aos climas das regiões de Florianópolis e Curitiba em pesquisas com células-teste, nas quais as médias das temperaturas internas do ar também apresentaram redução de aproximadamente 2 ºC em comparação com as médias externas (GONZÁLEZ-CRUZ et al., 2014GONZÁLEZ-CRUZ, E. M. et al. Estudo experimental com sistemas de resfriamento passivo em Florianópolis. In: ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 15., Maceió, 2014. Anais [...] Maceió: Antac, 2014.; KRÜGER; FERNANDES; LANGE, 2016KRÜGER, E. et al. Comparing occupant thermal perception of air conditioning and ceiling- mounted radiant cooling panels coupled to a roof pond. In: WINDSOR CONFERENCE: RETHINKING COMFORT, Windsor, 2018. Proceedings [...] Windsor, 2018.; KRÜGER et al., 2016KRÜGER, E. et al. Avaliação do potencial de resfriamento de um sistema teto-reservatório para condições subtropicais. Ambiente Construído, Porto Alegre, v. 16, n. 3, p. 107-125, jul./set. 2016. ).

Paralelamente às pesquisas com TR, avançam os estudos com sistemas de aquecimento e resfriamento radiante (RHEE; KIM, 2015RHEE, K. N.; KIM, K. W. A 50-year review of basic and applied research in radiant heating and cooling systems for the built environment. Building and Environment, v. 91, p. 166-190, 2015.). Uma alternativa para melhorar o desempenho dos reservatórios de concreto é acoplá-los a sistemas de resfriamento radiante tendo água como fluido, reduzindo as perdas térmicas (LI et al., 2015LI, R. et al. Field evaluation of performance of radiant heating/cooling ceiling panel system. Energy and Buildings, v. 86, p. 58-65, 2015.). Nesse caso, o TR atuaria como fonte do fluido resfriado, e os painéis radiantes metálicos atuariam como trocadores de calor. Há evidências de que sistemas de resfriamento radiante podem propiciar condições de conforto iguais ou melhores que sistemas de ar-condicionado convencionais (KARMANN; SCHIAVON; BAUMAN, 2017KARMANN, C.; SCHIAVON, S.; BAUMAN, F. Thermal comfort in buildings using radiant vs. all-air systems: a critical literature review. Building and Environment, v. 111, p. 123-131, 2017.). Segundo a ASHRAE (AMERICAN..., 2012AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING, AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS. Handbook: Heating, Ventilating, and Air-Conditioning: Systems and Equipment. Atlanta, 2012. ), em sistemas de aquecimento e resfriamento radiante, a transferência de calor radiante cobre mais de 50% das trocas de calor dentro do espaço condicionado. Ainda, segundo Szokolay (2008SZOKOLAY, S. Introduction to architectural science: the basis of sustainable design. 2nd. ed.Oxford: Elsevier, 2008.), em climas quentes, onde predomina o uso de roupas leves, a temperatura radiante média é duas vezes mais influente para a sensação térmica que a temperatura do ar. Testes em uma edificação-experimental dotada de painéis de resfriamento radiante mostraram que dois terços do resfriamento de verão ocorreram por radiação, e apenas um terço por convecção (MIRIEL; SERRES; TROMBE, 2002MIRIEL, J.; SERRES, L.; TROMBE, A. Radiant ceiling panel heating-cooling systems: experimental and simulated study of the performances, thermal comfort and energy consumptions. Applied Thermal Engineering, v. 22, n. 16, p. 1861-1873, 2002.). Imanari, Omori e Bogaki (1999IMANARI, T.; OMORI, T.; BOGAKI, K. Thermal comfort and energy consumption of the radiant ceiling panel system: Comparison with the conventional all-air system. Energy and Buildings, v. 30, n. 2, p. 167-175, 1999.) compararam as percepções térmicas de usuários submetidos a dois modos de resfriamento em uma sala de reuniões: com um painel radiante suspenso no teto; e com uma unidade de ar condicionado. Embora as condições térmicas fossem equivalentes, o resfriamento radiante gerou uma porcentagem maior de votos de conforto. Meggers et al. (2017MEGGERS, F. et al. The Thermoheliodome: “air conditioning” without conditioning the air, using radiant cooling and indirect evaporation. Energy and Buildings, v. 157, p. 11-19, 2017. ) apresentaram um estudo com voluntários em um pavilhão experimental semifechado com sistema de resfriamento evaporativo indireto e painéis radiantes (PR) com serpentinas resfriadas. Em um dia de verão, embora as temperaturas internas e externas do ar fossem similares, a maior parte dos participantes estimou temperaturas internas inferiores às externas.

Entre as pesquisas listadas que abordaram resfriamento radiante, nenhuma utilizou TR ou resfriamento estrutural. Surge, então, a hipótese de que é possível potencializar o desempenho do TR de concreto se este for acoplado a painéis radiantes instalados no interior da edificação, resultando em um sistema híbrido, possivelmente equivalente ao TR metálico.

Tendo em vista as questões apresentadas, o objetivo desta pesquisa foi avaliar o desempenho térmico de diferentes configurações de TR para resfriamento (com e sem painéis radiantes) aplicadas a uma edificação-teste.

Procedimentos metodológicos

Visando ao objetivo da pesquisa, a partir da cobertura original da edificação-teste, foram propostas diferentes configurações para o sistema de resfriamento, implantadas uma após a outra, sempre sobre o mesmo ambiente. A configuração original da cobertura foi adotada como parâmetro para avaliar as demais. Para viabilizar as comparações, foi adotado um método preditivo para estimar as temperaturas horárias da configuração original nos momentos em que eram testadas as configurações alternativas.

A alternância de configurações visou avaliar os efeitos de alterações no sombreamento, no isolamento térmico, na exposição ao céu noturno (perdas radiantes), na circulação da água e na exposição desta à evaporação. Os resultados foram analisados com base nas normas EN 15251 (EUROPEAN..., 2007EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION. EN 15251: indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics. Brussels, 2007.) e Standard 55 (AMERICAN..., 2017AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING, AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS. Standard 55: thermal environmental conditions for human occupancy. Atlanta, 2017.), na carta bioclimática adaptada por Bogo et al. (1994BOGO, A. et al. Bioclimatologia aplicada ao projeto de edificações visando o conforto térmico. Florianópolis: UFSC, 1994. Relatório Interno- 02/94.) e nos índices de desempenho fator decremental (f) e coeficiente de dissemelhança (CD).

Clima local

O campus Sde Boqer está a 478 m acima do nível do mar, no sul de Israel (30,8º N, 35º L), no deserto de Negev (ISRAEL..., 2007ISRAEL METEOROLOGICAL SERVICE. Climate information. Bet-Dagan: IMS, 2007. Disponível em: Disponível em: http://www.ims.gov.il . Acesso em: 15 set. 2017.
http://www.ims.gov.il... ). A precipitação média anual local é de 93 mm (IMS, 2012). O clima apresenta grandes flutuações térmicas diárias e sazonais, ar seco e céu limpo com radiação solar intensa. No verão, a média das temperaturas diárias máximas é 32 ºC, e a das mínimas é 17 ºC. A radiação global é de 7,7 kWh/m² por dia durante junho e julho. No inverno, os dias normalmente são ensolarados. A média das temperaturas diárias máximas é de 14,9 ºC, e a das mínimas é de 3,8 ºC (BITAN; RUBIN, 1991¹ 1 BITAN, A.; RUBIN, S. Climatic Atlas of Israel for Physical Planning and Design. Israel Meteorological Service and Ministry of Energy and Infrastructure, 1991. apudKRÜGER; GONZÁLEZ-CRUZ; GIVONI, 2010KRÜGER, E.; GONZÁLEZ-CRUZ, E.; GIVONI, B. Effectiveness of indirect evaporative cooling and thermal mass in a hot arid climate. Building and Environment, v. 45, n. 6, p. 1422-1433, 2010.). Na classificação de Köppen-Geiger, a região é uma área de transição entre os climas BWh (das regiões desérticas quentes de baixa latitude e altitude), ao sul, e BSh (das estepes quentes de baixa latitude e altitude), ao norte (KOTTEK et al., 2006KOTTEK, M. et al. World map of the Köppen-Geiger climate classification updated. Meteorologische Zeitschrift, v. 15, n. 3, p. 259-263, 2006.; RUBEL et al., 2017RUBEL, F. et al. The climate of the European Alps: shift of very high resolution Köppen-Geiger climate zones 1800-2100. Meteorologische Zeitschrift, v. 26, n. 2, p. 115-125, 2017.). Os meses de junho a setembro, de interesse para este estudo, apresentam altas temperaturas e pouquíssima precipitação.

Análise dos dados climáticos locais

Na análise do clima, foram utilizados dados de base horária, registrados em estação meteorológica do campus no ano de 2006 e disponibilizados no formato Test Reference Year (TRY). A análise teve como foco produzir elementos que pudessem subsidiar a elaboração do experimento. Obtiveram-se resumos das estatísticas descritivas das variáveis temperatura do ar (T _a ), umidade relativa (UR) e amplitude térmica diária (ΔT_a ), e realizou-se a plotagem das variáveis T_a e UR sobre a carta bioclimática adaptada por Bogo et al. (1994BOGO, A. et al. Bioclimatologia aplicada ao projeto de edificações visando o conforto térmico. Florianópolis: UFSC, 1994. Relatório Interno- 02/94.).

As temperaturas do ar também possibilitaram definir as faixas de conforto para edificações condicionadas naturalmente segundo as normas EN 15251 (EUROPEAN..., 2007EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION. EN 15251: indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics. Brussels, 2007.) e Standard 55 (AMERICAN..., 2013). As faixas definidas por essas normas também foram utilizadas nas análises de desempenho térmico das configurações testadas.

A análise do clima com enfoque nas amplitudes térmicas diárias tomou como referência a amplitude térmica diária ( ∆𝑇 𝑎 𝑖𝑛 ) máxima aceitável para a faixa de aceitabilidade térmica contemplando 80% da população (7 ºC) da Standard 55 (AMERICAN..., 2017AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING, AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS. Standard 55: thermal environmental conditions for human occupancy. Atlanta, 2017.).

Edificação experimental

A edificação-teste foi construída em 1991 e projetada como uma residência unifamiliar térrea, com três quartos, uma cozinha, sala de jantar e banheiro (ERELL; KAFTAN; MOTZAFI-HALLER, 2011ERELL, E.; KAFTAN, E.; MOTZAFI-HALLER, W. Daylighting for visual comfort and energy conservation in offices in sunny locations. Midreshet Ben Gurion: Israel Ministry of National Infrastructures, 2011. (Final research report).), conforme as Figuras 1 e 2.

Nesse experimento foi utilizado o quarto na extremidade leste da edificação (Figura 2). O teto (laje de concreto com 10 cm de espessura) e as faces internas das paredes foram pintados de branco (refletância 0,75), enquanto o piso foi revestido com granitina (refletância 0,45) (ERELL et al., 1992ERELL, E. et al. A passive cooling laboratory building for hot-arid zones. In: INTERNATIONAL CONFERENCE- ENERGY AND BUILDING IN MEDITERRANEAN AREA, 3., Thessaloniki, 1992. 1992 Proceedings […] Thessaloniki.). A parede sul tem uma janela em alumínio com 1,34 m de largura por 1,76 m de altura, dotada de persiana externa de PVC branco, que permaneceu parcialmente levantada (50 cm) para propiciar iluminação natural, e de brises verticais externos. A parede norte apresenta uma pequena janela, que permaneceu com vidro e persiana externa fechados.

Configurações da cobertura

A seguir são descritas as oito configurações de cobertura monitoradas. As duas primeiras não apresentaram TR e foram inseridas para fins de comparação.

A Tabela 1 apresenta resumo das características das configurações e os períodos monitorados considerados neste artigo.

Aquisição de dados

Os dados relativos às condições externas foram obtidos da estação meteorológica do campus (800 m ao norte da edificação-teste). Foram fornecidas as variáveis temperatura de bulbo seco (T_a ), velocidade do ar (v_a ), radiação solar global (R) e umidade relativa (UR).

A instalação dos sensores na edificação-teste (Figuras 4 e 5) seguiu orientações da norma ISO 7726 (INTERNATIONAL..., 1998INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. ISO 7726: ergonomics of the thermal environment: instruments for measuring physical quantities. Geneve, 1998.). Os dados eram registrados em uma central data logger (Campbell Scientific Datalogger CR23X), à qual foi conectada uma interface (Campbell Scientific Multiplexer AM-32) para ampliar o número de entradas. Foram conectados à interface 18 sensores de temperatura (termopares do tipo T). Destes, 15 foram instalados internamente: quatro medindo T_a em diferentes alturas (0,1 m, 0,6 m, 1,1 m e 2,8 m), um medindo a temperatura de globo (T_g ) a 0,6 m de altura, e dez medindo temperaturas superficiais (T_s ) (seis no teto, piso e paredes, dois nos painéis radiantes, e dois nos vidros da janela principal). Sobre a cobertura foram instalados três sensores do tipo T: dois para monitorar a temperatura da água e um para medir a T_a . Também foi conectada à interface uma sonda de temperatura e umidade da marca Vaisala, modelo HMP60, a 0,6 m de altura, para medir T_a e UR. Para todos os sensores, eram realizadas leituras a cada 30 s e gravadas as médias a cada 10 min.

Pós-processamento dos dados

Para melhor entendimento do comportamento de cada configuração, além de utilizados dados médios, analisaram-se, comparativamente, dias específicos. Deu-se preferência para dias de céu claro e com grande ∆T_{a in} diária. Para a escolha desses dias, calculou-se um coeficiente denominado dia padrão (DP). Os dias de cada período com maior valor para esse coeficiente foram usados nas comparações. Os valores dos coeficientes DP foram calculados utilizando-se a Equação 1.

Em que:

DP é o coeficiente de referência;

T_7h a temperatura às 7 h daquele dia;

T_14h a temperatura às 14 h daquele dia; e

T_31h a temperatura às 7 h do dia seguinte.

A temperatura radiante média (T_rm ) foi obtida de forma indireta, conforme a norma ISO 7726 (INTERNATIONAL..., 1998INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION. ISO 7726: ergonomics of the thermal environment: instruments for measuring physical quantities. Geneve, 1998.), utilizando-se o fator de forma (F_i ) e as temperaturas superficiais (T_s ). Esse método leva em conta um ponto de interesse na sala (posição dos sensores) e dá mais importância para as T_s das superfícies que apresentarem os maiores ângulos sólidos em relação a esse ponto (ROMANA et al., 2013ROMANA, F. et al. On the measurement of the mean radiant temperature and its influence on the indoor thermal environment assessment. Building and Environment, v. 63, p. 79-88, 2013.). O ângulo sólido (Ω) é um conceito geométrico que informa o tamanho aparente de um objeto quando visto a partir de um ponto. Corresponde à área da projeção do objeto sobre uma esfera (de raio 1) cujo centro é o referido ponto de interesse (SOLDOVIERI; VILORIA, 2016SOLDOVIERI, T.; VILORIA, T. El Angulo Sólido y algunas de sus aplicaciones. Universidad del Zulia: Maracaibo, 2016.). Dada uma sala de planta retangular e um ponto de interesse, a soma dos ângulos sólidos das superfícies que a delimitam será igual à área de uma esfera, dada em esferorradianos (4π ou 12,566). Tomando-se uma superfície (parede, por exemplo) como a base de uma pirâmide e o ponto de interesse como seu vértice, pode-se estimar o ângulo sólido definido por essa superfície com a Equação 2 (FERNÁNDEZ-GONZÁLEZ; COSTACHE, 2012FERNÁNDEZ-GONZÁLEZ, A.; COSTACHE, F. I. Cooling performance of a wet roofpond system in Las Vegas, Nevada. In: WORLD RENEWABLE ENERGY FORUM, Denver, 2012. Proceedings [...] Denver: C. Fellows, 2012.):

Em que:

Ω_i é o ângulo sólido dado pela superfície em relação ao ponto de interesse;

a o comprimento da base da pirâmide;

b a largura da base da pirâmide; e

d a distância entre o centro da base e o topo da pirâmide.

O fator de forma (F) (Equação 3) corresponde ao ângulo sólido relativo em torno de um ponto (FERNÁNDEZ-GONZÁLEZ; COSTACHE, 2012FERNÁNDEZ-GONZÁLEZ, A.; COSTACHE, F. I. Cooling performance of a wet roofpond system in Las Vegas, Nevada. In: WORLD RENEWABLE ENERGY FORUM, Denver, 2012. Proceedings [...] Denver: C. Fellows, 2012.):

A 𝑇 𝑟𝑚 é estimada por esse método tendo em conta as 𝑇 𝑠 das superfícies internas (teto, piso, paredes, vidros e painéis radiantes) e seus respectivos fatores de forma (Equação 4) (FERNÁNDEZ-GONZÁLEZ; COSTACHE, 2012FERNÁNDEZ-GONZÁLEZ, A.; COSTACHE, F. I. Cooling performance of a wet roofpond system in Las Vegas, Nevada. In: WORLD RENEWABLE ENERGY FORUM, Denver, 2012. Proceedings [...] Denver: C. Fellows, 2012.):

Estimativa de temperaturas internas horárias

Neste trabalho, optou-se pela análise comparativa, relacionando o desempenho da CC com o das demais configurações. O método preditivo de temperaturas internas horárias permitiu trabalhar com apenas uma edificação em vez de várias edificações-teste monitoradas simultaneamente. Os procedimentos relativos ao método preditivo são apresentados em detalhe em Krüger et al. (2017KRÜGER, E. et al. Proposition of a simplified method for predicting hourly indoor temperatures in test cells. Ambiente Construído, Porto Alegre, v. 17, n. 3, p. 57-70, jul./set. 2017.). O modelo estima a variação da temperatura interna horária (∆T_in ) como função da diferença entre a temperatura interna horária em dado momento ( $T_{in}^{t-1}$ ) e a temperatura externa horária no momento seguinte ( $T_{ex}^t$). Somando-se essa estimativa de variação da temperatura, no intervalo de 1 h (de t-1 para t), com a temperatura interna da hora anterior à variação (t-1), tem-se a estimativa da temperatura interna horária para o momento t (Equação 5).

Em que:

Os valores médios de α determinam como a edificação se relaciona com a temperatura externa (Equação 6):

Quanto mais a diferença entre a temperatura externa$\left(T_{in}^{T-1}\right)$e a temperatura interna $\left(T_{in}^{t-1}\right)$ e afastar de zero, mais os valores de α tenderão a se estabilizar em torno de dois valores médios:

Resultados

Estimativa de temperaturas internas horárias para a configuração controle

A fim comparar o desempenho da configuração controle (CC) com o desempenho das demais configurações, foram estimadas as temperaturas internas horárias da CC para os períodos correspondentes a cada uma das outras configurações testadas. Para a calibração do modelo, foram utilizados os dois primeiros dias de monitoramento válidos da CC (dias 16 e 17 de junho de 2017). Os valores médios finais de α foram:

Para verificação da precisão das estimativas foram utilizados os 7 dias restantes (de 18 a 24 de junho). Relacionando temperaturas internas horárias medidas e estimadas, obteve-se R² = 0,9. A diferença máxima entre as temperaturas internas horárias medidas e as estimadas foi de 0,58 ºC, e a diferença média, de 0,25 ºC (Figura 6).

Os resultados avalizaram a aplicação do método preditivo. Com o modelo calibrado, foi possível estimar o comportamento da T_{a in} da CC nos períodos em que a sala 1 recebeu coberturas com configurações diferentes da configuração original.

Análise do clima local e do desempenho térmico estimado da CC ao longo do ano de referência

As análises apresentadas nesta subseção tiveram como objetivo subsidiar a elaboração dos experimentos.

O resumo da estatística descritiva das variáveis T_{a ex} e 𝑈𝑅 apresentou temperaturas médias confortáveis, mas grande amplitude térmica anual (41,40 ºC), com mínima de -0,50 ºC e máxima de 40,90 ºC, indicando que o clima demanda soluções tanto em relação ao calor quanto em relação ao frio.

O resumo da estatística descritiva da variável amplitude térmica diária do ano climático indicou amplitude térmica diária média de 12,22 ºC. Somente 15,62% dos dias apresentaram amplitude menor ou igual a 7 ºC. Amplitudes entre 11 ºC e 17 ºC foram comuns, e as próximas de 14 ºC as mais frequentes. Tais resultados indicam que são necessárias estratégias para estabilização das temperaturas internas.

Dados do ano todo (TRY) e do período de verão (Figura 7) foram plotados sobre a carta bioclimática adaptada por Bogo et al. (1994BOGO, A. et al. Bioclimatologia aplicada ao projeto de edificações visando o conforto térmico. Florianópolis: UFSC, 1994. Relatório Interno- 02/94.). Nos dois períodos, o número de horas na condição de desconforto predominou sobre o número de horas em conforto (Tabela 2). Quando considerado o ano todo, predominou o desconforto por frio (49,8%), e, quando considerado apenas o verão, predominou o desconforto por calor (53,8%). Isoladamente, o resfriamento evaporativo é de pouca importância, tanto no ano todo (2,9%) quanto no verão (5%). Quando é considerado em associação com a ventilação e com a alta inércia térmica, é recomendado em 9,6% do ano e em 23,1% do verão. Somando-se as porcentagens de tempo (uso isolado + uso em associação com outra estratégia), o resfriamento evaporativo é recomendado em 12,5% do ano e em 28,1% do verão, ou seja, o teto-reservatório é uma alternativa adequada para Sde Boqer. Outras estratégias fortemente indicadas para o período de verão foram ventilação e alta inércia térmica (Tabela 2).

Para uma análise focada no ambiente interno, a partir do TRY e do período monitorado com a CC, foram estimadas as temperaturas internas do ar (T_{a in} ) para a CC para todo o ano climático. A Figura 8 apresenta as temperaturas externas (T_{a ex} ) e internas plotadas juntamente com a faixa de temperaturas operativas recomendada pela EN 15251 (EUROPEAN..., 2007EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION. EN 15251: indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics. Brussels, 2007.). A Figura 9 apresenta a plotagem considerando a faixa recomendada pela Standard 55 (AMERIAN..., 2017AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING, AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS. Standard 55: thermal environmental conditions for human occupancy. Atlanta, 2017.).

Diante das duas faixas de temperaturas operativas, as temperaturas do ambiente externo indicaram necessidade de aquecimento e resfriamento no período de verão e somente aquecimento no de inverno. As temperaturas externas também oscilam excessivamente, o que sugere que ambientes projetados para Sde Boqer devem ser dotados de alta inércia térmica.

Em se tratando das temperaturas estimadas para o ambiente interno da CC, chama atenção a reduzida flutuação. A alta inércia térmica da edificação resultou em baixas amplitudes térmicas diárias, eliminando os picos de temperaturas e reduzindo a necessidade de resfriamento. No entanto, no caso do período de verão, principalmente quando considerada a norma Standard 55 (AMERICAN..., 2017AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING, AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS. Standard 55: thermal environmental conditions for human occupancy. Atlanta, 2017.), as temperaturas internas estimadas se situaram entre o limiar do desconforto por calor e a linha das temperaturas neutras. Em alguns momentos, avançaram para a situação de desconforto. Nesse contexto, estratégias para resfriamento são aplicáveis. Trata-se de um caso particularmente favorável ao TR, que, segundo pesquisas (GIVONI, 1984GIVONI, B. Options and applications of passive cooling. Energy and Buildings, v. 7, p. 297-300, 1984. ; GONZÁLEZ-CRUZ et al., 2014GONZÁLEZ-CRUZ, E. M.; KRÜGER, E. L.; GIORDANO, D. E. Estudo da aplicabilidade de um sistema de resfriamento evaporativo indireto para otimização do conforto térmico em residências no território brasileiro. In: ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 15., Maceió, 2014. Anais [...] Maceió: Antac , 2014.; KRÜGER; FERNANDES; LANGE, 2016KRÜGER, E.; FERNANDES, L.; LANGE, S. Thermal performance of different configurations of a roof pond-based system for subtropical conditions. Building and Environment, v. 107, p. 90-98, 2016.), tem potencial para reduzir as temperaturas médias internas em aproximadamente 2 ºC.

A Tabela 3 apresenta resumos quantitativos dos resultados apresentados de forma gráfica anteriormente (Figuras 8 e 9). Comparando os dados dos ambientes externo (medidos) e interno (estimados), para as duas normas, as temperaturas internas apresentaram menos horas em situação de desconforto, reflexo da inércia térmica da CC, ilustrada pelo valor médio de seu fator decremental, 0,058. A demanda por resfriamento foi reduzida, porém continuou existindo, o que justifica os experimentos com o teto-reservatório e painéis radiantes, principalmente com a norma Standard 55 (AMERICAN..., 2017AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING, AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS. Standard 55: thermal environmental conditions for human occupancy. Atlanta, 2017.).

Análise do desempenho térmico das diferentes configurações

Foram monitoradas oito diferentes configurações de cobertura, sendo seis caracterizadas como TR.

Análise dos efeitos da alternância de configurações sobre as temperaturas internas do ar

Durante o monitoramento da configuração de controle (CC), a média das temperaturas internas do ar (T_{a in méd} ) foi 2,16 ºC mais alta do que a média das temperaturas externas (T_{a ex méd} ) (Figura 10), resultando em CD igual a 0,41. Esse sobreaquecimento do ambiente interno foi resultado da excessiva exposição à radiação solar, pois a configuração original não dispunha de elementos para sombreamento.

Quando instalada a configuração 2, dotada de elemento para sombreamento, ocorreu redução de 70,66% do aquecimento ante a CC (Figura 11), reduzindo-se o CD médio para 0,12. A T_{a in méd} foi 0,88 ºC mais alta do que a T_{a ex méd} e 1,66 ºC mais baixa do que a T_{a in méd} estimada para a CC (referência). A redução das temperaturas internas comparativamente às registradas na CC mostrou que o sombreamento é fundamental para a redução do aquecimento do sistema, possibilitando que, quando instaladas as configurações dotadas de teto-reservatório, viesse a ocorrer resfriamento.

A configuração 3 apresentava sombreamento, TR exposto à evaporação e circulação forçada da água pelos painéis radiantes instalados internamente. Para além de reduzir o aquecimento, graças ao sombreamento, propiciou resfriamento efetivo (CD-0,138). A média das temperaturas internas (T_{a in méd} ) foi 1,07 ºC mais baixa do que a média das temperaturas externas (T_{a ex méd} ) e 3,42 ºC mais baixa do que a média das temperaturas internas (T_{a in méd} ) estimadas para a CC (Figura 12). No período de monitoramento dessa configuração, as T_{a ex méd} foram levemente mais altas do que as dos outros períodos (Tabela 5), e a UR foi levemente mais baixa (Tabela 4). As condições favoráveis, associadas à grande superfície de água exposta à evaporação, potencializaram a eliminação do calor absorvido nas horas mais quentes do dia.

A configuração 4 se diferenciou da configuração 3 por apresentar uma camada de isolamento flutuante sobre a lâmina d’água, reduzindo a taxa de evaporação e as trocas térmicas por convecção com o ambiente externo. A adição desse elemento, que dificultou a eliminação de calor, repercutiu negativamente no sistema (Figura 13), resultando em desempenho similar ao da configuração original (CC). Em parte, o baixo desempenho também pode ser explicado pelo fato de que, no período do monitoramento dessa configuração, ocorreu UR externa relativamente mais alta (Tabela 4).

Na configuração 5 manteve-se a camada de isolamento flutuante. Porém, sobre essa camada foi instalado um sistema de spray, que era acionado durante o período noturno com o objetivo de potencializar o resfriamento evaporativo. Os resultados mostraram que o spray noturno apresentou efeito positivo relativamente à configuração 4, mas não foi suficientemente efetivo para eliminar o calor acumulado durante o dia (Figura 14). O desempenho foi inferior ao da configuração 3 e próximo ao da configuração 2. Embora a T_{a in méd} tenha resultado 2,8 ºC menor do que a da configuração de controle (CC), continuou 0,6 ºC maior do que a T_{a ex méd} no período, implicando um saldo de aquecimento (CD = 1,32).

A configuração 6 (Figura 15), com spray acionado durante o dia todo, eliminou todo o calor acumulado, atingindo temperaturas internas médias semelhantes às médias externas. Porém, também não resultou em saldo de resfriamento.

A adição do isolamento flutuante foi prejudicial ao sistema. Se, por um lado, reduziu os ganhos de calor devidos à radiação solar e à convecção durante o período diurno, por outro, impediu a evaporação durante todo o dia e reduziu as trocas térmicas durante o período noturno (quando as temperaturas externas eram menores do que as internas).

Na configuração 7 (Figura 16) manteve-se o isolamento flutuante e o spray funcionando durante o dia todo. Porém, foi desativada a circulação forçada de água do reservatório para os painéis radiantes, para avaliar se essa circulação resultava em efeito perceptível. A desativação da circulação d’água resultou em T_{a in méd} 0,85 ºC mais alta do que a externa e em um saldo de aquecimento (CD = 0,14). Comparativamente à configuração 6 (com circulação forçada), também houve aumento de temperatura (0,8 ºC), ou seja, a circulação d’água através dos painéis radiantes desempenhou um papel positivo no resfriamento do ambiente de testes. Os painéis radiantes à base de água potencializam as trocas térmicas do sistema, comprovando a hipótese apresentada na introdução deste artigo.

A última configuração testada foi a configuração 8, sem isolamento flutuante, mas com sprays e circulação d’água entre o reservatório e os painéis radiantes continuamente. Essa configuração diferia da configuração 3 por apresentar os sprays. Ao testá-la, buscou-se verificar se os sprays aumentariam as taxas de evaporação a ponto de melhorar o desempenho do sistema. Os resultados indicaram um saldo de resfriamento (Figura 17), porém inferior ao apresentado pela configuração 3. O desempenho inferior pode ser explicado parcialmente pelas condições ambientais externas: no período, a T_{a ex méd} foi 2 ºC menor que a verificada quando testada a configuração 3, e a UR foi 25% maior, dificultando a evaporação. A v_a externa também foi levemente inferior. A contribuição do sistema de sprays foi reduzida, pois, quando a água foi borrifada diretamente sobre o reservatório, à curta distância, quase não houve acréscimo na área exposta à evaporação, diferindo do que ocorreu na configuração 6, em que a água era borrifada sobre a superfície flutuante e ali permanecia algum tempo, evaporando.

Análise do desempenho quanto ao aquecimento e ao resfriamento relativos e absolutos

Para uma análise mais geral, esta subseção apresenta um resumo dos dados apresentados na subseção anterior.

Observando o CD (aquecimento/resfriamento relativo), cinco configurações (1, 2, 4, 5 e 7) resultaram em aquecimento. A configuração 6 não resultou nem em aquecimento, nem em resfriamento (CD = 0,027). Somente duas configurações (3 e 8) resultaram em resfriamento, objetivo desta pesquisa.

Para estimar a redução média das T_{a in} propiciada por cada configuração em relação à CC, foram estimadas as temperaturas internas horárias da CC para os períodos monitorados das demais configurações, obtendo-se o aquecimento/resfriamento médio, em graus Celsius. A configuração 3 apresentou a maior redução das temperaturas internas médias em relação à CC (-3,42 ºC). Também apresentou o maior resfriamento relativo (CD = -0,14) (Figura 18).

O resultado obtido com a configuração 3 foi produto da soma de diferentes estratégias:

A Figura 19 apresenta, para cada configuração, os valores do CD e a diferença entre as temperaturas médias internas e externas. Destacam-se os resultados para as configurações CC e 3 (maiores diferenças positiva e negativa em relação às médias das temperaturas externas).

A Tabela 5 apresenta os seguintes indicadores de desempenho:

Todas as configurações de TR, mesmo as menos eficientes, geraram condições ambientais internas melhores do que as geradas pela cobertura original comparativamente às condições externas. No entanto, o simples sombreamento da cobertura (configuração 2) propiciou condições superiores às das configurações 4 e 7, ou seja, a aplicação do TR ao projeto de edificações demanda uma análise prévia criteriosa de sua configuração. No contexto da pesquisa aqui apresentada, ficaram claras as contribuições positivas do sombreamento (para minimizar o aquecimento), do resfriamento evaporativo e dos painéis radiantes (para o resfriamento). Por outro lado, a camada de isolamento flutuante se mostrou prejudicial ao sistema, pois restringiu o resfriamento evaporativo.

Análise das relações entre as temperaturas superficiais e do ar nas configurações CC e C3

As Figuras 20 e 21 apresentam as temperaturas superficiais (T_s ) e as temperaturas do ar (T_{a in} ) no interior do ambiente de testes, em diferentes alturas e superfícies, quando com a CC (dia 17 de junho) e com configuração 3 (dia 15 de julho).

A T_{a in} a 0,6 m apresenta padrões de comportamento semelhantes nas duas configurações: baixa amplitude e forma semelhante nos gráficos. No entanto, percebem-se diferenças quando observadas as demais temperaturas.

Na CC, as T_s do teto flutuaram de modo mais expressivo, com os valores máximos por volta das 20h30, o que implicou temperaturas radiantes médias (T_rm ) relativamente mais altas durante parte da noite. Por outro lado, quanto menor a altura do sensor da T_{a in} , mais baixos os valores registrados. Ainda, as T_s apresentaram valores relativamente próximos dos das T_{a in} .

Na configuração 3, as T_{a in} apresentaram diferenças menos expressivas entre si conforme a altura comparativamente à configuração de controle. Quanto às 𝑇 𝑠 do teto e dos painéis radiantes, apresentaram valores mais baixos que os das T_{a in} e menos oscilação em torno de seus valores médios. Como resultado, obteve-se um ambiente termicamente mais estável.

A inserção da variável T_{a ex} na análise facilita o entendimento do comportamento das T_s e T_{a in} das duas configurações. Fica evidente que a T_{a in} foi fortemente impactada pela T_s do teto tanto na CC quanto na configuração 3 (Figuras 22 e 23). Na CC, a T_s do teto eleva a T_{a in} para patamar acima das temperaturas médias externas. Por sua vez, a T_s do teto parece ser fortemente influenciada pela temperatura externa (e pela radiação solar, obviamente).

Na configuração 3, a T_s do teto impacta a T_{a in} , reduzindo seus valores para abaixo da média da temperatura externa. Por outro lado, devido ao efeito do resfriamento evaporativo, parece haver certa independência entre as T_s do teto e do ambiente externo. A T_s do teto não oscila da mesma forma que a temperatura externa e apresenta valores médios mais baixos. Resumindo, o TR impactou significativamente os padrões das T_s , que, por sua vez, impactaram as T_{a in} internas, resultando em maior equilíbrio térmico, em temperaturas internas médias mais baixas e em melhores condições ambientais para possíveis usuários.

Análise do desempenho quanto à estabilidade térmica

Em todas as configurações, o ambiente interno mostrou-se resistente às flutuações térmicas do ambiente externo. A média da amplitude térmica diária permaneceu sempre abaixo de 1 ºC, e a máxima foi de apenas 1,38 ºC, bem abaixo dos 7 ºC admissíveis se considerada a faixa com aceitabilidade para 80% da população proposta pela ASHRAE (Tabela 6). Tais valores contrastam com a média da amplitude térmica diária externa, que chegou a 15,08 ºC (durante o monitoramento da configuração 2), e com a máxima, que atingiu 17,57 ºC (durante o monitoramento da configuração 3).

Tomando-se 7 ºC como amplitude interna diária máxima admissível e a amplitude externa diária máxima do TRY de Sde Boqer, de 22,7 ºC, conforme discutido na seção Procedimentos Metodológicos, chegou-se ao valor de 0,31, limite admissível para o 𝑓 Trata-se de um valor baixo, mas que se torna alto quando comparado com o 𝑓 máximo observado nas configurações testadas (0,079).

A explicação para essa estabilidade térmica está nas características da edificação-teste: paredes internas pesadas, aberturas sombreadas, cores claras e envoltória pesada e isolada. Tais características fizeram com que as alterações nas configurações do TR se mostrassem pouco relevantes em relação à estabilidade da T_{a in} , impedindo o aprofundamento em relação a essa questão.

Desempenho térmico ante as normas EN 15251 e Standard 55 e a carta bioclimática adaptada por Bogo et al. (1994BOGO, A. et al. Bioclimatologia aplicada ao projeto de edificações visando o conforto térmico. Florianópolis: UFSC, 1994. Relatório Interno- 02/94.)

Nas subseções anteriores, compararam-se os resultados das diferentes configurações para determinar quais delas foram mais efetivas na obtenção de resfriamento e determinar os motivos dessa efetividade.

Nesta subseção, analisou-se o desempenho térmico das diferentes configurações diante dos parâmetros dados pelas normas EN 15251 e Standard 55 e pela carta bioclimática adaptada por Bogo et al. (1994BOGO, A. et al. Bioclimatologia aplicada ao projeto de edificações visando o conforto térmico. Florianópolis: UFSC, 1994. Relatório Interno- 02/94.). Essa análise visa produzir elementos para subsidiar a discussão sobre a aplicabilidade dos sistemas estudados em edificações convencionais.

Para essa análise, primeiramente, relacionaram-se os valores horários das T_o com as T_o . Para isso, calcularam-se as T_rm de hora em hora, do dia 30 de junho até o dia 23 de setembro (da configuração 2 até a 8), sem diferenciar as configurações. Comparando a T_rm com a T_{a in} (Figura 24), verificou-se R² = 0,992. A diferença máxima entre as duas variáveis foi de 0,39 ºC, e a diferença média foi de 0,11 ºC. Dispondo-se dos valores horários da T_rm e dos respectivos valores da T_{a in} , calcularam-se os valores para as T_o para o mesmo período. Comparando-se as T_o com as respectivas T_{a in} , verificou-se R² = 0,998 (Figura 25). A diferença máxima entre essas duas variáveis foi de 0,19 ºC, e a diferença média, de 0,06 ºC. A semelhança entre as variáveis possibilitou simplificar os procedimentos para avaliação do desempenho das configurações, substituindo a T_o pela T_{a in} , ou seja, dispensou o cálculo da T_rm e da T_o .

A Figura 26 apresenta dados de medições horárias para a T_{a ex} e a T_{a in} para o período de 10 de julho a 13 de setembro, para as configurações 3, 4, 5, 6, 7 e 8 (caracterizadas como TR). Também são apresentadas as T_{a in} estimadas para a CC e a faixa de temperaturas operativas recomendada pela norma EN 15251 (EUROPEAN..., 2007EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION. EN 15251: indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics. Brussels, 2007.). Todas as configurações de TR apresentaram desempenho térmico adequado em relação à faixa sugerida pela norma. Em geral, apresentaram temperaturas abaixo das T_{o conf} . A configuração 3 apresentou as maiores diferenças de temperatura em relação à CC. Todas as configurações dotadas de TR apresentaram T_{a in} próximas das, T_{o conf} predominando temperaturas abaixo dessa linha de referência, a despeito do contexto climático de Sde Boqer. Tais resultados indicam que, no contexto climático de Sde Boqer, tendo em vista a EN 15251, o TR é uma tecnologia aplicável em habitações.

Embora mais larga, a faixa de temperaturas operativas dada pela Standard 55 (AMERICAN..., 2017AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING, AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS. Standard 55: thermal environmental conditions for human occupancy. Atlanta, 2017.) para Sde Boqer é menos tolerante a temperaturas altas (Figura 27). Ainda assim, todas as configurações de TR tenderam a apresentar T_{a in} acima da linha central da faixa de conforto. As configurações 4 e 5 apresentaram temperaturas no limiar superior da faixa sugerida, mas se saíram melhores que a CC, que apresentou temperaturas mais altas que as do limite superior da faixa de conforto. Também em relação a esta norma, o TR apresentou desempenho adequado para utilização em edificações ocupadas.

A Figura 28 apresenta a plotagem dos dados dos períodos estáveis das diferentes configurações (incluindo as configurações CC e 2, que não se caracterizam como TR) sobre a carta bioclimática adaptada por Bogo et al. (1994BOGO, A. et al. Bioclimatologia aplicada ao projeto de edificações visando o conforto térmico. Florianópolis: UFSC, 1994. Relatório Interno- 02/94.). A maioria das configurações de TR apresentou condições internas entre confortáveis e levemente quentes. Pequenas alterações nos valores das variáveis ambientais internas poderiam fazer com que as condições passassem para desconfortáveis. A exceção foi a configuração 5, para a qual a carta indicou necessidade de aumentar a ventilação, ou seja, considerando esse instrumento de análise, os resultados foram predominantemente satisfatórios, mas com margem para melhorias.

A Tabela 7 apresenta um resumo das condições ambientais internas e externas para as diferentes configurações nos períodos de monitoramento segundo a carta bioclimática de Bogo et al. (1994BOGO, A. et al. Bioclimatologia aplicada ao projeto de edificações visando o conforto térmico. Florianópolis: UFSC, 1994. Relatório Interno- 02/94.). O monitoramento da maioria das configurações ocorreu em períodos nos quais predominaram condições externas desconfortáveis. No entanto, a maior parte das configurações apresentou 100% dos períodos com condições internas confortáveis; exceção para a configuração 5, cujo período de monitoramento apresentou condições ambientais externas e internas predominantemente desconfortáveis. Como visto, o desempenho dessa configuração ficou comprometido por ela apresentar uma camada de isolamento flutuante, que dificultou as trocas térmicas, resultando em temperaturas internas excessivamente altas.

O valor médio das temperaturas internas do ar na configuração 5 foi 2,8 ºC mais baixo que o estimado para a configuração de controle (CC). Ainda assim, foi 0,6 ºC mais alto que a média das temperaturas externas no período, o que, em combinação com umidades relativas também altas, resultou em condições internas desconfortáveis quando considerado o diagrama de Bogo et al. (1994BOGO, A. et al. Bioclimatologia aplicada ao projeto de edificações visando o conforto térmico. Florianópolis: UFSC, 1994. Relatório Interno- 02/94.).

Por fim, é interesse relacionar os resultados deste experimento com os obtidos por outros autores que utilizaram resfriamento evaporativo, sombreamento e ventilação natural. Em se tratando de reservatórios de concreto, a redução de 3,4 ºC na média das temperaturas internas obtida com a configuração 3 neste experimento foi idêntica à obtida por Kharrufa e Adil (2007KHARRUFA, S. N.; ADIL, Y. Roof pond cooling of buildings in hot arid climates. Building and Environment, v. 43, n. 1, p. 82-89, 2007.) em uma edificação na cidade de Bagdá. Porém, a diferença em relação às médias das temperaturas externas (1,1 ºC) foi inferior à obtida por Givoni (1984GIVONI, B. Options and applications of passive cooling. Energy and Buildings, v. 7, p. 297-300, 1984. ) em Israel, em células-teste (2 ºC).

Comparativamente aos reservatórios metálicos, a redução de 3,4 ºC na média das temperaturas internas da edificação-teste, obtida com a configuração 3, foi similar às reduções obtidas em experimentos com células-teste em Maracaibo (3,6 ºC), (GONZÁLEZ-CRUZ; GONZÁLEZ-GARCIA, 2013GONZÁLEZ-CRUZ, E. M.; GONZÁLEZ-GARCIA, S. I. Estudio experimental sobre el comportamiento térmico de un nuevo tipo de techo-estanque para el enfriamiento pasivo en clima húmedo. Ambiente Construído, Porto Alegre, v. 13, n. 4, p. 149-171, out./dez. 2013.), Florianópolis (3,2 ºC) (GONZÁLEZ-CRUZ et al., 2014GONZÁLEZ-CRUZ, E. M. et al. Estudo experimental com sistemas de resfriamento passivo em Florianópolis. In: ENCONTRO NACIONAL DE TECNOLOGIA DO AMBIENTE CONSTRUÍDO, 15., Maceió, 2014. Anais [...] Maceió: Antac, 2014.) e Curitiba (2,9 ºC) (FERNANDES, 2018FERNANDES, L. C. Experimentos de campo com teto-reservatório: desempenho térmico e percepção do usuário. Curitiba, 2018. Tese (Doutorado em Tecnologia e Sociedade) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018.).

Conclusões

O principal objetivo desta pesquisa foi avaliar o desempenho térmico de diferentes configurações de TR para resfriamento (com e sem painéis radiantes) aplicadas a uma edificação-teste no período de verão e em um clima com altas amplitudes térmicas diárias.

O melhor desempenho foi obtido com a configuração dotada de TR com resfriamento evaporativo, circulação forçada por painéis radiantes, sombreamento e ventilação natural do reservatório (configuração 3). A média das temperaturas internas foi 1,1 ºC menor do que a média das temperaturas externas e 3,4 ºC menor do que as temperaturas internas estimadas para a configuração original da edificação-teste.

O acionamento da circulação forçada pelos painéis radiantes reduziu a média das temperaturas do ar do ambiente de testes em 0,8 ºC em comparação à média quando não acionado, comprovando que a associação dos painéis radiantes ao teto-reservatório potencializa o efeito de resfriamento.

A redução nas temperaturas internas obtida com a configuração 3 em relação à configuração original foi semelhante às reduções obtidas em pesquisas utilizando células-teste com reservatórios metálicos (GONZÁLEZ-CRUZ; GONZÁLEZ-GARCIA, 2013GONZÁLEZ-CRUZ, E. M.; GONZÁLEZ-GARCIA, S. I. Estudio experimental sobre el comportamiento térmico de un nuevo tipo de techo-estanque para el enfriamiento pasivo en clima húmedo. Ambiente Construído, Porto Alegre, v. 13, n. 4, p. 149-171, out./dez. 2013.; GONZÁLEZ-CRUZ et al., 2014GONZÁLEZ-CRUZ, E. M. Estude de materiaux et de techniques du batiment pour la conception architecturale bioclimatique en climat chaud et humide. Paris, 1997. Tese de doutorado - Ecole des Mines de Paris, Paris, 1997.; FERNANDES, 2018FERNANDES, L. C. Experimentos de campo com teto-reservatório: desempenho térmico e percepção do usuário. Curitiba, 2018. Tese (Doutorado em Tecnologia e Sociedade) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2018.). No entanto, por serem experimentos com células-teste e realizados em diferentes contextos, para comparações precisas entre os sistemas são necessários experimentos específicos.

Os resultados desta pesquisa mostraram que o sombreamento do teto-reservatório, prevenindo o aquecimento devido à exposição à radiação solar direta, é uma medida fundamental para a efetividade do sistema. Comparativamente à configuração original (CC), a instalação do sombreamento (configuração 2) sobre a cobertura reduziu a temperatura média do ar em 1,7 ºC, aproximadamente 50% da redução obtida com o sistema de painéis radiantes acoplados ao TR (configuração 3).

A adição de uma camada de isolamento flutuante sobre a lâmina d’água para reduzir os ganhos de calor devidos à incidência de radiação solar anulou a efetividade do sistema, pois reduziu a taxa de evaporação e as trocas térmicas com o ambiente externo.

A instalação de um sistema de sprays atuando sobre o isolamento flutuante, para gerar uma película d’água exposta à evaporação, possibilitou igualar a média das temperaturas internas à média das temperaturas externas, mas não resultou em resfriamento efetivo. Por outro lado, quando o sistema de sprays foi acionado diretamente sobre o reservatório, sem a camada flutuante, não produziu efeito perceptível.

O desempenho térmico das diferentes configurações também foi avaliado ante os parâmetros dados pelas normas EN 15251 (EUROPEAN..., 2007EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION. EN 15251: indoor environmental input parameters for design and assessment of energy performance of buildings addressing indoor air quality, thermal environment, lighting and acoustics. Brussels, 2007.) e Standard 55 (AMERICAN..., 2017AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING, AND AIR-CONDITIONING ENGINEERS. Standard 55: thermal environmental conditions for human occupancy. Atlanta, 2017.) e pela carta bioclimática adaptada por Bogo et al. (1994) com o objetivo de produzir elementos para subsidiar a discussão sobre a aplicação dos sistemas estudados em edificações convencionais. A maioria das configurações apresentou desempenho térmico adequado em relação às faixas de temperaturas operativas e de temperaturas e umidade do ar exigidos.

Por fim, o teto-reservatório não foi foco deste trabalho e cabem estudos sobre a possibilidade de utilização de água da chuva, o impacto do TR na estrutura e no custo das edificações, os procedimentos para manutenção relacionando o TR à realidade econômica brasileira, os efeitos da variação da profundidade da camada d’água e a aplicação do TR a uma edificação-teste ao longo do período de 1 ano, para melhor noção sobre a aplicabilidade do sistema.

Agradecimentos

Agradecimentos: ao Swiss Institute for Dryland Environmental & Energy Research (SIDEER), Ben-Gurion University of the Negev, campus Sde Boqer, pela seção dos dados relativos ao ambiente externo; ao Bona Terra Department of Man in the Desert, Ben-Gurion University of the Negev, campus Sde Boqer, pelo empréstimo dos equipamentos e da edificação-teste; e à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes), pelo apoio a esta pesquisa.

Referências

Datas de Publicação

Histórico