Arthur Santos Silva DESENVOLVIMENTO DE UM MÉTODO PARA AVALIAÇÃO DO

459 Pages·2016·11.77 MB·English

by  Arthur Santos Silva

Arthur Santos Silva

DESENVOLVIMENTO DE UM MÉTODO PARA AVALIAÇÃO DO
DESEMPENHO TÉRMICO E ENERGÉTICO DE EDIFICAÇÕES
APLICANDO ANÁLISE DE INCERTEZAS E SENSIBILIDADE

Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação
em Engenharia Civil da Universidade Federal
de Santa Catarina para obtenção do Grau de
DOUTOR em Engenharia Civil.

Grande área: Construção Civil.
Orientador: Enedir Ghisi, PhD.

Florianópolis
2016
Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor,
através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.
Silva, Arthur Santos
Desenvolvimento de um método para avaliação do
desempenho térmico e energético de edificações aplicando
análise de incertezas e sensibilidade / Arthur Santos
Silva ; orientador, Enedir Ghisi - Florianópolis, SC, 2016.
459 p.
Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa
Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Civil.
Inclui referências
1. Engenharia Civil. 2. simulação computacional. 3.
edificações. 4. consumo de energia. 5. desempenho térmico.
I. Ghisi, Enedir. II. Universidade Federal de Santa
Catarina. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil.
III. Título.
Arthur Santos Silva

DESENVOLVIMENTO DE UM MÉTODO PARA AVALIAÇÃO DO
DESEMPENHO TÉRMICO E ENERGÉTICO DE EDIFICAÇÕES
APLICANDO ANÁLISE DE INCERTEZAS E SENSIBILIDADE

Esta Tese foi julgada adequada para obtenção do Título de
DOUTOR em Engenharia Civil e aprovada em sua forma final pelo Programa
de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa
Catarina.

Florianópolis, 14 de outubro de 2016

__________________________________
Prof. Glicério Trichês, Dr.
Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil

___________________________________
Orientador
Prof. Enedir Ghisi, PhD
Universidade Federal de Santa Catarina

____________________________ __________________________
Prof. Aldomar Pedrini, PhD Prof. Nathan Mendes, Dr.
(videoconferência) (videoconferência)
Universidade Federal do Rio Grande Pontifícia Universidade Católica do
do Norte Paraná

____________________________ _________________________
Prof. Roberto Lamberts, PhD Prof. Fernando Simon Westphal,
Universidade Federal de Santa Dr.
Catarina Universidade Federal de Santa
Catarina

_____________________________
Prof. Martin Ordenes Mizgier, Dr.
Universidade Federal de Santa
Catarina
Dedico este trabalho aos meus
pais, Ari e Nadir, e à minha
querida esposa, Laiane.
AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus pelo dom da vida, pelo seu infinito amor e por sempre
conduzir os meus caminhos. Agradeço e louvo a Ele, fonte de toda a
sabedoria, por me permitir passar por tantas situações e me mostrar que é
possível crescer em fé e em conhecimento, seja qual for o momento, o desafio
ou a provação que tenha que passar.
Agradeço à minha esposa, Laiane, e ao meu filho, João Paulo (que
está sendo gerado na barriga da mãe), por todos os momentos partilhados
durante essa fase de estudo, e também por todo carinho e companheirismo.
Foi imprescindível para que mantivesse a perseverança, a paciência e
principalmente a alegria durante esse período.
Agradeço aos meus pais, Ari e Nadir, e ao meu irmão, Ary, por me
darem suporte nesse momento da minha vida, por sempre me incentivarem a
prosseguir nos estudos, e por terem me dado uma educação de valores e
virtudes que permitiu que eu seguisse e acreditasse no caminho de pesquisa
e docência, sempre buscando ser ético, verdadeiro e prestativo, ajudando
quem precisa ser instruído e aconselhado sem esperar nada em troca.
Agradeço ao meu orientador, professor Enedir Ghisi, por todo o seu
trabalho, dedicação e paciência ao longo da fase de doutorado. Todas as
conversas, as reuniões sobre os projetos de pesquisa, as publicações em
coautoria, as correções e encaminhamentos dos artigos e da tese ajudaram e
permitiram a conclusão deste trabalho. Agradeço à banca de avaliação desta
tese, composta pelos professores Aldomar Pedrini, Nathan Mendes, Roberto
Lamberts, Fernando S. Westphal e Martin O. Mizgier, pelas valiosas
contribuições.
Agradeço ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da
UFSC (da gestão de 2012 a 2016) pela organização e gestão exemplares, e
por estarem prontamente disponíveis para resolver questões de bolsa de
estudos, matrícula, disciplinas e demais burocracias. Também agradeço ao
CNPq e à CAPES pela bolsa de estudos que permitiu a realização e conclusão
do doutorado.
Agradeço aos colegas de pesquisa que participaram do Projeto
FINEP, por todo o esforço nas mais diversas etapas do projeto até a sua
conclusão. Também agradeço aos colegas do Laboratório de Eficiência
Energética em Edificações (LabEEE) da UFSC, do qual fiz parte durante o
período do doutorado. Cada um possui uma pesquisa única e todos sempre
trabalharam com dedicação para contribuir com a literatura científica em suas
áreas de atuação. Isso foi motivador e sempre renovou a minha vontade de
pesquisar e contribuir com a ciência da mesma forma.
Por fim, agradeço a todos os colegas do Grupo de Oração
Universitário (GOU) e também da Pastoral Universitária da UFSC, pela
amizade, companheirismo e por propiciarem uma vivência em comunidade e
em família, mesmo estando todos longe de suas cidades natais. Cada um
também estuda ou pesquisa em uma área do conhecimento diferente, e todos
me fizeram reafirmar que “a fé e a razão constituem como que as duas asas
pelas quais o espírito humano se eleva para a contemplação da verdade
[...]1”.

1 Carta encíclica Fides et ratio. Papa São João Paulo II, 14 de setembro de 1998.
“Conhecer não é um ato apenas material, porque o
conhecido esconde sempre algo que está para além
do dado empírico. Todo o nosso conhecimento,
mesmo o mais simples, é sempre um pequeno
prodígio, porque nunca se explica completamente
com os instrumentos materiais que utilizamos. Em
cada verdade, há sempre mais do que nós mesmos
teríamos esperado [...]”
(Papa Bento XVI, Caritas in
Veritate)

RESUMO

A literatura mostra que a melhoria do desempenho térmico e energético das
edificações é um tema de pesquisa recorrente e que está alinhado com as mais
importantes problemáticas globais de redução da taxa de crescimento do
consumo de energia e de emissão de poluentes atmosféricos. Na área do
ambiente construído, a simulação computacional de edificações é uma
ferramenta importante e necessária para a realização de estudos de avaliação,
entendimento e aperfeiçoamento do desempenho térmico e energético de
edificações em projeto ou existentes. Nesse sentido, percebe-se que o
desempenho das edificações é dependente de múltiplos critérios, muitas
vezes conflitantes (e.g. consumo de energia, custos, impactos ambientais,
conforto térmico, acústico e visual, etc.), e o ato de se estimar cada um desses
critérios por meio de formulações matemáticas implica na consideração de
incertezas em diferentes fontes. Por isso, o objetivo deste trabalho foi
desenvolver um método de avaliação do desempenho térmico e energético de
edificações aplicando análise de incertezas e sensibilidade, considerando
múltiplos critérios e diferentes fontes de incertezas. O método contemplou
procedimentos de experimentos computacionais, como a amostragem
aleatória, funções de densidade de probabilidade, aderência e convergência,
análise de sensibilidade local e global, análise de incertezas e tomada de
decisão multicritério. A maior parte dos procedimentos foi elaborada em
linguagem de programação R. O método foi aplicado em um estudo de caso
de simulação computacional de uma edificação residencial no programa
EnergyPlus™ v8.5 considerando o clima de Florianópolis, para três
finalidades: determinar alternativas de desempenho, analisar diferentes
fontes de incertezas e aperfeiçoar o desempenho do modelo. Foram
considerados critérios de consumo de energia e desconforto térmico (ambos
para aquecimento ou resfriamento). A determinação de alternativas de
desempenho considerou a análise de sensibilidade local e global de variáveis
de projeto com o método dos efeitos elementares de Morris, além de análise
de incertezas com o método de Monte Carlo, amostragem com Hipercubo
Latino, e criação de modelos com base nas probabilidades de ocorrência
acumuladas. Seis modelos de alternativas de desempenho foram gerados e
analisados nas fontes de incerteza de algoritmos, de modelagem, físicas e
operacionais, por meio de métodos locais e globais (baseados na variância,
como o projeto de experimento fatorial e o método de Sobol’). Por fim, o
aperfeiçoamento de desempenho foi realizado considerando uma abordagem
probabilística na qual estiveram envolvidos os diferentes critérios e modelos
de desempenho, as amplitudes de incertezas nas fontes analisadas, e
diferentes cenários de preferência de tomada de decisão com o Processo
Analítico Hierárquico (AHP). Utilizou-se a Técnica para Ordem de
Preferência por Similaridade para a Solução Ideal (TOPSIS) para encontrar
o melhor modelo de desempenho global. Os resultados confirmaram a
eficácia do método em alcançar as finalidades descritas. O estudo de caso
permitiu descobrir variáveis de projeto influentes no modelo, como as
transmitâncias térmicas das paredes e cobertura, as taxas de infiltração de ar
nas janelas e absortâncias solares. Da mesma forma, verificou-se que em cada
fonte de incerteza há poucas variáveis realmente influentes, como os
algoritmos de convecção externa (na fonte de algoritmos), o modelo de
cálculo da temperatura do solo (na fonte de modelagem) e as temperaturas de
set point do ar-condicionado (na fonte operacional). No caso das incertezas
físicas, diferentes variáveis foram importantes, como as taxas de infiltração
de ar, fração de ventilação das aberturas e absortâncias solares. O modelo de
altas capacidades térmicas (384kJ/m²K nas paredes e 218kJ/m²K na
cobertura), baixas transmitâncias térmicas (1,42W/m²K nas paredes e
1,07W/m²K na cobertura), baixas absortâncias solares (0,29 nas paredes e
0,20 na cobertura) e baixas taxas de infiltração de ar nas janelas
(0,006kg/s.m) teve maior probabilidade de ser escolhido como o melhor, com
base no método proposto. O método de análise de incertezas e sensibilidade
se provou eficaz para o entendimento do modelo de simulação, das suas
fontes de incertezas e de suas variáveis mais importantes, além de possibilitar
a tomada de decisão para a melhoria do seu desempenho global,
representando uma contribuição necessária na área de simulação
computacional de edificações.
Palavras-chave: simulação computacional, edificações, consumo de
energia, desempenho térmico, análise de sensibilidade, análise de incertezas,
tomada de decisão.