Avaliação preditiva de conforto térmico em ambientes de escritórios climatizados próximos a fachadas com alto percentual de vidro

Abstract

As janelas, em especial os vidros, são o componente da envoltória que mais contribui para o ganho de calor e impacta significativamente nas condições térmicas de ambientes internos devido à sua transparência à radiação solar e alta transmissão térmica. Ainda assim, estações de trabalho frequentemente são posicionadas próximas às janelas, parcela do espaço interno que sofre maior influência do clima externo e onde a ocorrência de desconforto térmico é mais provável. As condições de conforto devem ser consideradas desde as fases iniciais do projeto e devem ser igualmente importantes na tomada de decisão, assim como o desempenho energético. Mesmo que o sistema de condicionamento esteja dimensionado corretamente, ainda há risco de ocorrência de desconforto térmico, especialmente relacionado às trocas radiantes. Nesse sentido, as ferramentas de simulação de desempenho de edifícios podem auxiliar no processo de concepção do projeto. No entanto, essas ferramentas possuem algumas limitações, ainda pouco exploradas na estimativa de conforto. Além disso, os modelos tradicionais de conforto térmico não são adequados para avaliar esse contexto de ambientes, visto que não consideram o impacto na radiação solar sobre o ocupante. Esta pesquisa teve, portanto, o objetivo de propor um quadro para a avaliação preditiva de conforto térmico em edifícios de escritórios climatizados artificialmente com grande área envidraçada da fachada. Pretende-se demonstrar como os modelos podem ser ajustados para uma avaliação mais detalhada dessa tipologia de edificação, por meio de um conjunto de métodos de ajuste de índices de conforto térmico, medições espaciais e temporais, e definições de modelagem. Na etapa de desenvolvimento abordamos questões relacionadas às fases principais da avaliação do conforto térmico antes da análise dos resultados. Primeiro, estabelece-se um modelo de pavimento e salas típicas de edifício de escritório, adequados para estudos paramétricos sobre conforto térmico e que possam ser representativos do contexto brasileiro, com base em dados da literatura. A seguir, está previsto um conjunto de modelos e especificações adequados para a avaliação preditiva do conforto térmico para ambientes com estas características. E então, aborda-se o impacto de simplificações e definições de modelagem computacional pouco ainda exploradas no contexto da avaliação de conforto térmico por meio do software EnergyPlus. Um framework foi então proposto com descrição de procedimentos para definição do ambiente, modelagem e simulação termodinâmica computacional e avaliação do conforto térmico. Por fim, o framework proposto é aplicado a um estudo de caso para demonstrar sua utilização e potencialidades. Dentre as informações obtidas, destacam-se: a importância de considerar considerações espaciais e temporais ao avaliar o conforto térmico, bem como o impacto da radiação solar nos ocupantes; e que a modelagem computacional para a avaliação de conforto térmico não será necessariamente a mesma utilizada para a avaliação de desempenho termoenergético, pois simplificações comumente utilizadas na modelagem energética podem influenciar na estimativa de conforto térmico. As investigações realizadas permitiram estabelecer diretrizes para cada etapa do processo de avaliação preditiva de conforto térmico mais adequada para essa tipologia de ambiente, as quais foram apresentadas em um framework.

Abstract: Windows, especially glass, are the building envelope component that contributes most to heat gain and significantly impacts the thermal conditions of indoor environments due to their transparency to solar radiation and high thermal transmittance. Even so, workstations are often located near windows, part of the internal space more affected by the external climate and more likely to thermal discomfort. Comfort conditions should be considered from the project's early stages and equally important in the decision-making process, as much as energy performance. The risk of thermal discomfort is still likely even in spaces with a correctly sized air conditioning system, specifically regarding radiant exchange. For that matter, building performance simulation tools can assist in the project design process. However, these tools present limitations that are still little explored in thermal comfort assessment. In addition, traditional thermal comfort models are not satisfactory for highly glazed buildings assessment since they do not consider the impact of solar radiation on the occupant. This research, therefore, aimed to propose a framework for the predictive evaluation of thermal comfort in mechanically conditioned office buildings with large glazed areas in the façade. It intends to demonstrate how models may be adjusted for a more appropriate evaluation of this building typology through a set of methods for thermal comfort indices correction, spatial and temporal metrics, and modeling definitions. The development stage addresses issues related to the main steps of thermal comfort assessment that come before the analyses of the results. First, typical office building floor and room models are established. This model is suitable for parametric studies on thermal comfort and is representative of the Brazilian context based on data from the current literature. A set of models and metrics suitable for thermal comfort predictive assessment in environments with these characteristics is specified. The impact of simplifications and computational modeling definitions that are still little explored in the thermal comfort evaluation context using EnergyPlus software is addressed. Therefore, a framework was proposed, describing procedures for defining the conditions, thermodynamic modeling and simulation, and thermal comfort assessment. Finally, the proposed framework is applied to a case study demonstrating its use and potential. Among the conclusions obtained, we highlight the importance of considering spatial and temporal metrics when assessing thermal comfort as well as the impact of solar radiation on occupants. Besides that, the computational modeling for thermal comfort assessment will not necessarily be the same as used for thermoenergetic performance assessment since simplifications commonly employed in energy modeling can influence the estimation of thermal comfort. The investigations made it possible to establish guidelines for each step of the predictive evaluation process of thermal comfort that is most appropriate for this type of indoor environment, which were presented in a framework.