Aplicação do balanço térmico para análise de desempenho térmico de edificações

Abstract

As análises de desempenho térmico são utilizadas em diversos estudos para reduzir as temperaturas internas e, consequentemente, a demanda por ar-condicionado. Contudo, definir estratégias para melhorar o desempenho térmico e energético das edificações, normalmente exige técnicas com alto custo computacional, como os métodos de otimização. Assim, métodos com baixo custo computacional são úteis para designers e pesquisadores aplicarem em seus projetos. O desempenho térmico de um edifício é resultado de todas as trocas de calor que ocorrem em todos os ambientes, sendo possível utilizar o balanço térmico como uma solução de baixo custo para análise de desempenho térmico. Assim, este estudo aplicou o balanço térmico como um método para compreender o desempenho térmico de edificações e propor um novo framework para esta análise. Este trabalho foi dividido em duas etapas: Na primeira etapa foi realizada uma análise de desempenho térmico e o balanço térmico do ar foi aplicado como estudo complementar. Posteriormente, foi realizado um segundo estudo, onde foi investigado o balanço térmico no ar e na superfície, sendo desenvolvido o novo framework para auxiliar na definição de estratégias de desempenho térmico. A cada etapa foi publicado um artigo em periódico internacional. O framework proposto foi baseado em simulações de desempenho de edifícios e a partir de seus resultados foi calculado o Heat Exchange Index (Índice de Troca de Calor), índice desenvolvido neste trabalho. O Heat Exchange Index define a importância de cada troca de calor em cada balanço térmico e auxilia na definição dos principais pontos de ganho ou perda de calor em um ambiente. Uma casa unifamiliar foi utilizada para demonstrar a aplicação do framework. Foram considerados três diferentes comportamentos de usuários: usuário com ventilação natural, ar-condicionado e híbrido. Para as condições climáticas, adotou-se um clima quente e um ameno. Em relação aos resultados do caso ilustrativo, o framework foi considerado viável para determinar estratégias de desempenho térmico, uma vez que o caso melhorado obteve melhor desempenho térmico que o caso base. Por exemplo, a Thermal Autonomy (traduzindo para o português: percentual de horas ocupadas dentro de uma faixa de temperatura operativa ? PHFT) da sala para o caso base foi de 30%, enquanto o caso melhorado foi de 84,5%. A Cooling Load (traduzindo para o português: carga térmica de refrigeração - CgTR) também diminuiu consideravelmente. O caso melhorado obteve reduções de 28,4% até 99,7%. Os resultados demonstram que é viável a adoção do framework proposto nos estudos voltados à análise de desempenho térmico de edificações.

Abstract: Thermal performance analyses are used in diverse studies to reduce internal temperatures and, consequently, the demand for air conditioners. However, defining strategies for improving the thermal and energy performance of buildings usually demands techniques with high computational costs, such as optimization methods. Thus, methods with low computational costs are helpful for designers and researchers to apply to their projects. The thermal performance of a building results from all the heat exchanges that occur in every room, so it is possible to use thermal balance as a low-cost solution for thermal performance analysis. Thus, this study applied thermal balance as a method to understand thermal performance and proposed a novel framework for this analysis. This work was divided into two steps: In the first step, a thermal performance analysis was carried out, and the air thermal balance was applied as a complementary study. Afterwards, a second study was conducted, when the air and surface thermal balance was investigated, and a novel framework for assisting thermal performance strategies definition was developed. From each step, a journal paper was published. The proposed framework was based on building performance simulations, and from its results, the Heat Exchange Index, an index developed in this work, was calculated. The Heat Exchange defines the importance of each heat exchange in every thermal balance and assists in defining the main points of heat gain or loss in a room. A single-family house was used to demonstrate the framework application. Three different user behaviors were considered: naturally ventilated user, air-conditioner and hybrid. For climate conditions, a hot and a mild climate were adopted. Regarding illustrative case results, the framework was considered feasible for determining thermal performance strategies since the improved case achieved better thermal performance than the base case. For instance, the Thermal Autonomy for the living room for the base case was 30%, while the improved case was 84.5%. The Cooling Load was also decreased considerably. The improved case achieved reductions from 28,4% to 99,7%. The results show that the application of the proposed framework on building thermal performance analysis is feasible.