Método multicritério integrado ao ciclo de vida com foco no desempenho termoenergético para avaliação ambiental, econômica e social de coberturas verdes, frias e convencionais

Abstract

Coberturas verdes e frias podem mitigar os impactos ambientais das edificações. No entanto, uma comparação robusta entre essas coberturas requer uma análise multidisciplinar, considerando os três pilares da sustentabilidade. O objetivo desta tese é propor um método de avaliação de coberturas integrada ao ciclo de vida, considerando parâmetros ambientais, econômicos e sociais, com foco no desempenho termoenergético. O método proposto baseou-se na avaliação das coberturas convencional, fria e verde, com e sem isolamento térmico, por meio de quatro parâmetros: energia consumida no ciclo de vida (ACVE), temperatura de pico da superfície externa, custo do ciclo de vida (ACCV) e horas de conforto térmico dos usuários. As coberturas foram avaliadas em uma edificação residencial multifamiliar representativa de habitações sociais brasileiras. Foram considerados os contextos climáticos de Florianópolis, Curitiba e Brasília. Além disso, a influência da configuração da ventilação natural no conforto térmico foi avaliada em Florianópolis. A energia operacional, a temperatura da superfície externa e as horas de conforto térmico foram determinadas por meio de simulações computacionais realizadas no programa EnergyPlus. O consumo de energia nas demais fases do ciclo de vida foi calculado a partir de bases de dados nacionais e internacionais, e o custo do ciclo de vida, com base em tabelas de composições de preços e mercado. Para a escolha da tipologia ideal de cobertura para cada clima, foi utilizado o processo de tomada de decisão com múltiplos critérios. Um questionário foi aplicado a um painel de especialistas a fim de definir a importância relativa dos parâmetros. A ponderação dos parâmetros foi realizada por meio do método AHP (Analytic Hierarchy Process). Para selecionar a cobertura mais adequada com base no desempenho das tipologias em cada parâmetro e no peso de cada parâmetro, foi utilizado o método TOPSIS (Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution). Adicionalmente, durante o doutorado-sanduíche, foi conduzida uma pesquisa sobre a evapotranspiração em coberturas verdes e sua relação com a redução da temperatura superficial nos climas de Florianópolis e Lisboa. Os resultados deste estudo foram publicados em artigo científico. A ACVE mostrou que a cobertura fria sem isolamento foi a mais eficiente em Florianópolis e Brasília, reduzindo o consumo energético em 14,0% e 21,3%, respectivamente, em comparação à cobertura convencional. A cobertura verde sem isolamento foi a mais adequada em Curitiba, com redução de 22,1%. A cobertura convencional registrou as maiores temperaturas de pico na superfície externa (61,9°C a 65,5°C), enquanto a cobertura verde apresentou os menores valores (39,1°C a 41,4°C). O isolamento térmico elevou as temperaturas nas coberturas convencional e fria. Com relação ao custo do ciclo de vida, a cobertura fria sem isolamento foi a que apresentou melhor desempenho, com reduções no custo total do ciclo de vida entre 7,4% e 15,9% em comparação com a cobertura convencional e entre 27,5% e 32,8% em comparação com a verde. Quanto ao número de horas de conforto térmico, a cobertura verde apesentou o melhor desempenho em todos os climas e configurações de ventilação. Os resultados isolados em cada parâmetro não permitiram definir a cobertura mais adequada, sendo necessário um método multicritério para ponderar os parâmetros e identificar a alternativa mais sustentável. A cobertura fria sem isolamento foi considerada a mais sustentável em Florianópolis e Brasília, e a cobertura verde sem isolamento, em Curitiba. O método proposto viabilizou uma análise abrangente das tipologias de cobertura em contextos brasileiros, orientando sua escolha. Além disso, permite adaptações a outros contextos climáticos e edificações, com modelos de cobertura e pesos dos parâmetros ajustáveis às condições locais.

Abstract: Green and cool roofs can mitigate the environmental impacts of buildings. However, a robust comparison between these roofs requires a multidisciplinary analysis, considering the three pillars of sustainability. This thesis aims to propose an integrated life cycle assessment method for roofs, considering environmental, economic and social parameters, focusing on thermal and energy performance. The method proposed was based on the evaluation of conventional, cool and green roofs, with and without thermal insulation, using four parameters: energy consumed in the life cycle (LCEA), peak outside surface temperature, life cycle cost (LCC) and thermal comfort hours. The roofs were evaluated in a multi-family residential building representative of Brazilian social housing. The climatic contexts of Florianópolis, Curitiba and Brasília were considered. Furthermore, the influence of the natural ventilation configuration on thermal comfort was assessed in Florianópolis. Operative energy, outside surface temperature and thermal comfort hours were determined using computer simulations in the EnergyPlus programme. Energy consumption in the other life cycle phases was calculated using national and international databases, and the life cycle cost was based on tables of price compositions and market. A multi-criteria decision-making process was used to select the ideal roof typology for each climate. A questionnaire was applied to a panel of experts to define the relative importance of the parameters. The parameters were weighted using the AHP (Analytic Hierarchy Process) method. The TOPSIS method (Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution) was used to select the most suitable roof based on the performance of the typologies in each parameter and the weight of each parameter. Furthermore, during the doctoral sandwich programme, research was conducted into evapotranspiration in green roofs and its relationship with the reduction in surface temperature in the climates of Florianópolis and Lisbon. The results of this study were published in a scientific article. LCEA showed that the cool roof without insulation was the most efficient in Florianópolis and Brasília, reducing energy consumption by 14.0% and 21.3%, respectively, compared to the conventional roof. The green roof without insulation was the most suitable in Curitiba, with a reduction of 22.1%. The conventional roof recorded the highest peak outside-surface temperatures (61.9°C to 65.5°C), while the green roof showed the lowest temperatures (39.1°C to 41.4°C). Thermal insulation raised temperatures on both conventional and cool roofs. Concerning life cycle costs, the cool roof without insulation showed the best performance, with reductions in total life cycle costs between 7.4% and 15.9% compared to the conventional roof and between 27.5% and 32.8% compared to the green roof. Regarding the number of hours of thermal comfort, the green roof demonstrated superior performance across all climates and natural ventilation configurations. However, the individual parameters alone were insufficient to determine the most suitable roof typology. A multi-criteria approach was required to weight the parameters and identify the most sustainable alternative. The cool roof without insulation was considered the most sustainable in Florianópolis and Brasília, and the green roof without insulation, in Curitiba. It should be emphasised that these results are influenced by the weights assigned to the parameters, which were defined based on the opinion of a limited group of experts. The method proposed enabled a comprehensive analysis of roof typologies in Brazilian contexts, and can be used to select more appropriate roofs. In addition, it can be adapted to other climatic contexts and buildings, with roof models and parameter weights adjustable to local conditions.