Different strategies for improving summer thermal comfort in heavyweight traditional buildings

In order to exploit the passive energy potential of the building envelope, it is important to provide a right combination of insulation thickness, heat capacity and night-time ventilation. In this paper, this issue will be tackled with reference to an historic building in Catania (Southern Italy). The building was built at the end of the XIX century, and its opaque envelope is entirely made with lava stones, which is typical of traditional architecture in this area. Starting from the current configuration of the building, many hypotheses for refurbishment are considered, combined with different strategies for passive cooling, such as night-time ventilation, use of shading devices and adoption of highly-reflective coatings. The effectiveness of each solution in terms of summer thermal comfort is evaluated through dynamic thermal simulations carried out with EnergyPlus. The results show the synergic effect of these strategies, as well as their individual impact, and allow to draw some general conclusions about the behaviour of heavyweight buildings under moderately hot weather conditions.

Comparação entre resultados experimentais e computacionais do comportamento térmico de um ambiente

O presente trabalho apresenta uma comparação entre resultados computacionais, obtidos através do "software" EnergyPlus e experimentais do comportamento térmico de um ambiente condicionado e não condicionado. Para tanto, monitoraram-se os dados climáticos de radiação, velocidade do vento e temperatura, no período de 11 a 20 de janeiro de 2002 e produziu-se um arquivo climático. Simultaneamente, fez-se a aquisição das temperaturas de uma sala-teste, localizada no terceiro pavimento de um prédio na cidade de Porto Alegre, bem como das salas adjacentes. As temperaturas do ar de insuflamento e de retorno dos condicionadores de ar, localizados na sala-teste, foram medidas durante o dia, em seis dias do período de monitoramento. Mediu-se também a velocidade do ar de retorno e determinou-se a potência sensível de refrigeração. Os ganhos de calor interno da sala também foram medidos e utilizaramse as formulações apresentadas pela ASHRAE, 2001, para determiná-los em relação às pessoas e à infiltração. Tais dados foram declarados ao programa como variáveis de entrada. As simulações do comportamento térmico da sala-teste foram implementadas informando-se ao programa a temperatura das salas ou os coeficientes de uma equação representativa das mesmas. Por considerar que a primeira representava melhor as condições térmicas das salas contíguas, utilizou-se esta modalidade para análise As simulações foram conduzidas, alterando-se opções fornecidas pelo programa: modelo de céu isotrópico e anisotrópico, coeficiente de convecção simples e detalhado. Os resultados da carga térmica e temperatura ambiente da sala-teste obtidos nas simulações foram comparados com os dados experimentais do período de monitoramento. A melhor concordância foi obtida para o modelo anisotrópico, coeficiente de convecção detalhado. Constatou-se uma grande discrepância entre as cargas térmicas, para o modelo de convecção simples. Assim, conclui-se que o "software" EnergyPlus representa bem o comportamento térmico de uma edificação "termicamente pesada" para coeficiente de convecção detalhado, necessitando pesquisa para as demais edificações.

Determinação computacional da influência de parâmetros físicos no comportamento termoenergético de uma edificação

Este trabalho apresenta um estudo sobre a influência que alguns parâmetros físicos têm no desempenho termoenergético de uma edificação com um sistema de condicionamento de ar do tipo expansão direta, e visa auxiliar na busca por soluções que aumentem a eficiência energética das construções brasileiras. Para tal foi utilizado o programa simulador EnergyPlus, onde são estudados casos em que se alteram os seguintes parâmetros físicos: localização geográfica, tipo de vidro utilizado nas fachadas, área envidraçada das fachadas, e a orientação da edificação em relação ao eixo norte verdadeiro. São usados dados de dias de projeto de verão e inverno segundo a ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) para obter cargas térmicas de refrigeração e aquecimento, e arquivos climáticos para obter os seguintes consumos elétricos anuais: do sistema de condicionamento de ar, das lâmpadas e total. Visando reduzir o consumo elétrico das lâmpadas da edificação e assim promover um uso racional da energia elétrica, é modelado um sistema de controle automático da potência das lâmpadas, o qual é comparado com o tradicional sistema liga/desliga das lâmpadas. Também é feita uma análise econômica comparativa entre estes dois tipos de controle de potência das lâmpadas, onde se verifica se há vantagem econômica em aliar a utilização de películas nos vidros das fachadas da edificação O estresse térmico em vidros, caracterizado pelo surgimento de trincas ou até mesmo ruptura devido ao aparecimento de consideráveis diferenças de temperatura em seu interior, é avaliado observando a evolução da temperatura média das faces externa e interna dos vidros ao longo de um dia de projeto de verão. Os resultados mostram que as orientações e os tipos de vidro alteram sensivelmente tanto a potência requerida pelo sistema de condicionamento de ar quanto os consumos elétricos anuais do sistema de condicionamento de ar, das lâmpadas e total; o sistema de controle automático da potência das lâmpadas revela um grande potencial de redução do consumo elétrico anual das lâmpadas e um pequeno potencial de redução da potência requerida pelo sistema de condicionamento de ar; a análise econômica mostra que a utilização de película nos vidros é economicamente viável em boa parte dos casos avaliados; e a comparação da temperatura da face interna dos vidros estudados mostra diferenças significativas.

Conforto térmico em habitações de interesse social: um estudo de caso

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Avaliação através do desempenho térmico de edificação verticalizada em Belém-PA

A presente dissertação de mestrado estuda o desempenho térmico de materiais de fachada em uma edificação verticalizada na cidade de Belém – PA, Brasil. Este trabalho tem por objetivo contribuir com estudo do desempenho térmico e eficiência de materiais utilizados na envoltória das edificações residenciais verticalizadas, entre os elementos opacos, foram selecionados dois tipos de materiais, bastante utilizados atualmente na construção civil, a pintura e revestimento cerâmico. Também estuda-se a influência da altura da edificação sobre seu desempenho térmico e eficiência energética. O estudo foi desenvolvido com o uso de modelagem em código computacional no programa EnergyPlus que permite avaliar o desempenho térmico da edificação, a influência da altura na eficiência energética da mesma. Compara-se o desempenho térmico dos dois materiais selecionados, verificou-se que o prédio com revestimento cerâmico apresentou a temperatura interna média anual de 0,42 º C acima da temperatura referente ao prédio pintado, portanto com menor desempenho térmico. A influência da altura do pavimento não produziu uma variação significativa na temperatura interna, pois com seu acréscimo, ocorreu pequena diminuição da temperatura interna, com gradiente térmico da ordem de -0,07ºC /m em decorrência da velocidade do vento que é maior quando mais alto é o pavimento. Considera-se também para este estudo a ventilação natural como estratégia passiva para a edificação em estudo, que segundo a análise da Carta Bioclimática de Givoni contribuiria positivamente para a condição de temperatura interna e umidade do ar, e consequentemente do usuário.

Desempenho termoenergético de habitação de interesse social

Pós-graduação em Engenharia Elétrica - FEIS

A Review of the Brazilian NBR 15575 Standard: Applying the Simulation and Simplified Methods for Evaluating a Social House Thermal Performance

The new Brazilian ABNT NBR 15575 Standard (the ―Standard‖) recommends two methods for analyzing housing thermal performance: a simplified and a computational simulation method. The aim of this paper is to evaluate both methods and the coherence between each. For this, the thermal performance of a low-cost single-family house was evaluated through the application of the procedures prescribed by the Standard. To accomplish this study, the EnergyPlus software was selected. Comparative analyses of the house with varying envelope U-values and solar absorptance of external walls were performed in order to evaluate the influence of these parameters on the results. The results have shown limitations in the current Standard computational simulation method, due to different aspects: weather files, lack of consideration of passive strategies, and inconsistency with the simplified method. Therefore, this research indicates that there are some aspects to be improved in this Standard, so it could better represent the real thermal performance of social housing in Brazil.

Absortâncias e emitâncias efetivas de superfícies: um método para estimá-las, um modelo experimental e exemplos de suas importâncias

Imperfeições, saliências e reentrâncias existentes nas superfícies típicas das edificações constituem obstáculos que podem alterar significativamente o comportamento delas em relação aos fluxos por radiação. Além de ampliar a área efetiva de troca de calor, criam sombras e reflexões, que não ocorreriam em. Assim, os procedimentos de cálculo, ao invés de considerar as superfícies perfeitamente lisas e planas, deveriam aplicar correções nas propriedades radiativas das superfícies. Denominam-se efetivas as absortâncias e emitâncias que resultam dessas correções. O presente artigo apresenta um método simples desenvolvido para avaliar essas influências e exemplifica a importância das correções acima mencionadas, apresentando resultados de simulações elaboradas no programa EnergyPlus para uma edificação de geometria simples, submetida ao longo de 1 ano ao clima da cidade de Brasília. Adotando-se absortâncias e emitâncias efetivas, os resultados das simulações revelam diferenças de até 2,8 ºC nas temperaturas internas do ar em relação às obtidas desprezando-se as influências que as ondulações das telhas exercem sobre os fluxos radiantes. Considerando o uso de condicionadores de ar, essa diferença pode representar uma variação de cerca de 30% nas estimativas de consumo de energia.

Impact of thermal bridging on the performance of buildings using Light Steel Framing in Brazil

The Light Steel Framing building technology was introduced in Brazil in the late 1990s for the construction of residential houses. Because the design system was imported from the United States and is optimised to work well in that temperate climate, some modi fi cations must be made to adapt it for the Brazilian climate. The objective of this paper was to assess the impact of thermal bridging across enclosure elements on the thermal performance of buildings designed with Light Steel Framing in Brazil. The numerical simulation program EnergyPlus and a speci fi c method that considered the effects of metallic structures in the hourly simulations were used for the analysis. Two air-conditioned commercial buildings were used as case studies. The peak thermal load increased approximately 10% when an interior metal frame was included in the numerical simulations compared to non-metallic structures. Even when a metal frame panel was used only for vertical elements in the facade of a building with a conventional concrete structure, the simulations showed a 5% increase in annual energy use.

Miglioramento delle performance termiche e energetiche degli edifici rurali: valutazione del retrofit di locali per la conservazione del vino su casi studio

Il presente studio si colloca all’interno di una ricerca più ampia volta alla definizione di criteri progettuali finalizzati all’ottimizzazione delle prestazioni energetiche delle cantine di aziende vitivinicole, di dimensioni produttive medio - piccole. Nello specifico la ricerca riguarda la riqualificazione di fabbricati rurali esistenti di modeste dimensioni, da convertire a magazzini per la conservazione del vino in bottiglia. Lo studio si pone come obiettivo la definizione di criteri di analisi per la valutazione di interventi di retrofit di tali fabbricati, volto sia al miglioramento delle prestazioni energetiche dell’involucro edilizio, sia alla riduzione del fabbisogno energetico legato al funzionamento di eventuali impianti di controllo termico. La ricerca è stata condotta mediante l’utilizzo del software di simulazione termica Energy Plus, per ottenere i valori simulati di temperatura interna relativi ai diversi scenari migliorativi ipotizzati, e mediante la successiva definizione di indicatori che esplicitino l’influenza delle principali variabili progettuali sull’andamento delle temperature interne dei locali di conservazione e sul fabbisogno energetico del fabbricato necessario a garantire l’intervallo di temperatura di comfort del vino. Tra tutti gli interventi possibili per il miglioramento della prestazione energetica degli edifici, quelli analizzati in questo studio prevedono l’aggiunta di un isolamento a cappotto delle pareti esterne, l’isolamento della copertura e l’aggiunta di una struttura ombreggiante vegetale esterna. I risultati ottenuti danno una prima indicazione sugli interventi più efficaci in termini di miglioramento energetico e mettono in luce l’utilità del criterio proposto nell’evidenziare le criticità degli interventi migliorativi ipotizzati. Il metodo definito nella presente ricerca risulta quindi un valido strumento di valutazione a supporto della progettazione degli interventi di retrofit dei fabbricati rurali da convertire a magazzini per la conservazione del vino.

Edilizia sociale e prestazioni energetiche in un caso di studio a queimados all'interno del programa minha casa, minha vida: Analisi e proposte di miglioramento

Social Housing and energy performance in a study case in Queimados within the Programa Minha Casa Minha Vida: analysis and proposals for improvement. The thesis in based on a personal experience lived in Brazil, working with a firm that deals with the construction of housing, for the population with incomes between 1.600 R$ and 3.100 R$ per month, in the Programa Minha Casa Minha Vida. Thanks to the construction site and contact with the local people, it was possible to attend to the construction phases and to understand the pros and cons of this Program. Working with the company made also possible to know the costs of the construction and to see that they reached the limit budget imposed by the Program (160.000 R$). Between the critical aspects of the program there is the fact that it doesn’t deal with the energy consumptions of buildings. For that reason it was interesting to calculate the energy requirements for cooling- using the software EnergyPlus and Legacy Opens Studio plug-in for Google Sketchup- and, later, to try to propose ideas for improving performances and reduce energy consumption introducing: increase in the wall mass, frame windows and patio doors, exterior blinds, wall shading on the west side. From the analysis of these simulations, considering the decrease of energy requirements for cooling, the decrease of operative and mean radiant temperatures and costs, the most convenient proposal was the exterior curtain. As all these assumptions were too expensive for the program it was analyzed how the behavior of the inhabitants influence energy consumption. Thinking of an intelligent ventilation –opening windows while the outside temperature is lower than the inside one- the reduction of energy requirements is about 27%. These result is really important, if you consider that it is obtained without spending more money.

Outdoor e indoor: Abitare il comfort. Strategie di riqualificazione del quartiere Pilastro a Bologna

Il caso studio affrontato nella tesi è il complesso residenziale Pilastro, costruito tra gli anni 1962 e 1985 a Bologna. Collocato nella parte nord-est della città, all’interno del quartiere San Donato, il quartiere si presenta come una delle periferie più adatte ad ospitare i nuovi progetti di sviluppo urbano, in virtù della sua posizione strategica rispetto ai diversi poli e alla rete infrastrutturale principale. Questo studio consiste in una serie di analisi, effettuate al fine di giungere a trattare gli aspetti progettuali, che rispondono a una serie di problematiche riscontrate nella parte conosciuta come “Primo Impianto”. Le criticità affrontate sono: - Fenomeno di Canyon Urbano dovuto al rapporto tra la morfologia urbana e il microclima; - Limiti nella fruibilità degli spazi esterni (outdoor), a causa della presenza di spazi non caratterizzati, dotati di uno scarso livello di comfort termico durante il periodo estivo; - Problemi riguardo l’aspetto viabilistico e le sezioni stradali; - Bassa prestazione energetica correlata alla vetustà degli edifici; - Basso livello di comfort interno (indoor) degli edifici. La Tesi ha come obiettivo la definizione di diverse strategie progettuali che tengano conto delle condizioni climatiche relative al benessere termico come criterio per la riqualificazione degli spazi esterni e degli edifici esistenti. Quest’ultima terrà altresì conto della prestazione energetica dei fabbricati. Un aspetto complementare è quello del ragionamento sull’incidenza della progettazione degli spazi esterni (outdoor) sugli aspetti relativi al benessere negli spazi interni (indoor). Metodo L’approccio seguito nel trattare le problematiche ha come punto di partenza lo studio degli spazi esterni, che continua anche al livello del costruito. Attraverso diverse analisi a livello urbanistico, sono stati indagati una serie di aspetti come la morfologia urbana, i servizi, gli spazi aperti, la popolazione e la mobilità, etc. Il comparto studio, collocato nella parte nord-est del Primo Impianto in Via Lodovico Frati, è composto da edifici residenziali in linea e lo spazio “in between” che si affaccia alla strada. Al fine di considerare le condizioni climatiche e la loro incidenza nel comfort urbano, sono stati studiati diversi parametri fisici incidenti, valutati con l’ausilio del software di simulazione Envi-met, con l’output di cui, è stato possibile ottenere mappe di valori del comfort outdoor, sia della condizione esistente che in quella dopo l’intervento progettuale. Per quanto riguarda gli edifici, per valutare il livello di comfort negli ambienti interni è stato usato il software di simulazione EnergyPlus, mentre per valutare la prestazione energetica è stato usato il software Termolog Epix 5. L’output dei risultati ottenuti dai software di simulazione è uno strumento importante di verifica per le diverse scelte progettuali.