Simulação termoenergética e análise econômica do uso de telhados de alta refletância solar em uma residência unifamiliar

Abstract

O uso de telhados frios (com alta refletância solar e alta emitância térmica) é uma estratégia passiva para reduzir a carga de resfriamento das edificações, em razão de serem de fácil aplicação e energeticamente eficientes. Além disso, a utilização dos telhados frios tem potencial de mitigar o fenômeno Ilha de Calor. O presente estudo objetiva analisar o desempenho termoenergético e a viabilidade econômica da aplicação de um telhado frio em uma edificação unifamiliar, localizada na cidade do Rio de Janeiro - RJ. Para isto, foram selecionados os dois tipos de telhas mais utilizadas nas residências do país, telha de fibrocimento e telha de cerâmica. Foi realizada a medição da refletância solar e da emitância térmica para duas cores nos dois tipos de telhas selecionados, cor natural e cor branca. A análise termoenergética foi realizada por meio do software EnergyPlus. Foi avaliado o desempenho térmico dos telhados, convencional e frio, através da temperatura interna do ar, da temperatura da cobertura, da taxa de transferência de calor por radiação térmica, por radiação solar, por convecção natural e por condução. A análise energética consistiu em verificar a influência do desempenho térmico dos telhados no consumo de energia elétrica. A análise da viabilidade econômica foi realizada através dos indicadores financeiros: Valor Presente Líquido, Taxa Interna de Retorno e payback. Foram feitas duas considerações para o fluxo de caixa da análise econômica. Na primeira consideração foi avaliado o custo de manutenção somente nos telhados frios e na segunda consideração foi avaliado o custo de manutenção nos telhados frios e convencionais. Na análise econômica, foi investigado quanto custaria de energia elétrica para uma edificação com telhado convencional (em três diferentes cenários) obter as mesmas condições de temperatura interna de uma edificação com telhado frio. Os cenários foram divididos em edificação sem ar-condicionado (Cenário 1), edificação com ar-condicionado na sala e dormitórios (Cenário 2) e edificação com ar-condicionado somente nos dormitórios (Cenário 3). O telhado frio apresentou maiores valores de refletância solar e valores semelhantes de emitância, quando comparado com o telhado convencional. Em relação à análise térmica, o desempenho térmico das telhas cerâmicas foi superior ao das telhas de fibrocimento, e as telhas de alta refletância solar apresentaram desempenho térmico superior às respectivas telhas convencionais para todos os parâmetros analisados. O telhado frio diminui em 59% e 55% o ganho de calor que penetra na edificação, para o telhado de fibrocimento e de cerâmica, respectivamente, quando comparado com o telhado convencional de ambas as telhas. A análise energética apresentou a influência do desempenho térmico no consumo de energia elétrica e através da análise econômica mostrou em quais cenários o investimento foi viável. Na primeira consideração, os cenários 1 e 3 foram viáveis para as telhas de fibrocimento e somente para o cenário 1 para as telhas de cerâmica. O menor tempo de retorno foi para o cenário 1 com telhas de fibrocimento brancas, resultando em um payback de 4 anos e 3 meses. Na segunda consideração, todos os cenários foram viáveis. Conclui-se que o investimento é melhor para as edificações que não possuem ar-condicionado em nenhum ambiente, para os casos estudados.

Abstract: The use of cool roofs (with high solar reflectance and high thermal emission) is a passive strategy to reduce the buildings' cooling load, as they are easy to apply and energy efficient. Moreover, cool roofs have the potential to mitigate urban heat islands effects. The main objective of the present study was to analyze both the thermoenergetic performance and the economic viability of a cool roof applied in a house located at Rio de Janeiro city, Brazil. For this, two between the most common tiles types applied in the Brazilian's residences were selected: fiber-cement tiles and ceramic tiles. Solar reflectance and thermal emission were measured for two colors, natural and white, in the selected tiles. Thermoenergetic analysis was performed through EnergyPlus software. The thermal performance of both conventional and cool roofs was evaluated through the indoor build temperature, the roof temperature, and the heat transference rates by thermal radiation, solar radiation, natural convection or conduction. The energetic analysis verified the influence of thermal performance of the roofs over the electric energy consumption. The economic viability analysis was performed through of the financial indicators: Net Present Value, Internal Rate of Return and payback. Two considerations were made for the cash flow of the economic analysis. The first consideration was the maintenance cost on cool roofs only and the second consideration was the maintenance cost on cool and conventional roofs. In the economic analysis, it was investigated how much electricity would cost for a conventional roofed building (in three different scenarios) achieve the same internal temperature conditions as a cool roofed building. The scenarios were divided as without air conditioning (Scenario 1), with air conditioning in both the living room and bedrooms (Scenario 2), and a building with air conditioning only in the bedrooms (Scenario 3). The cool roof presented higher solar reflectance values and similar emittance values when compared to the conventional roof. Regarding the thermal analysis, the thermic performance of ceramic tiles was higher to the fiber cement, and the high solar reflectance tiles presented higher thermal performance than their respective conventional forms, for all analyzed parameters. The cool roof decreases the heat gain that penetrates the building by 59% and 55% for the fiber cement and ceramic roofs, respectively, when compared to the conventional roof of both tiles. The energy analysis showed the influence of thermal performance on electricity consumption and through the economic analysis showed in which scenarios the investment was viable. In the first consideration, scenarios 1 and 3 were feasible for fiber cement tiles and only for scenario 1 for ceramic tiles. The shortest payback was for scenario 1 with white fiber cement shingles, resulting in a payback of 4 years and 3 months. In the second consideration, all scenarios were viable. It is concluded that the investment is better for buildings that do not have air conditioning in any environment, for the studied cases.