Tetos frios: comportamento termoenergético de edificação unifamiliar submetida em cidades de climas quentes do nordeste brasileiro

Abstract

O uso de tetos frios como solução passiva para climatização de edificações, principalmente em regiões de climas quentes, tem o potencial de reduzir do consumo de energia, otimizar o conforto e desempenho térmico, além de contribuir na esfera ambiental, atuando na mitigação dos efeitos causadores de ilha de calor e emissões de CO2. Este trabalho apresenta um estudo de simulação computacional com o objetivo de analisar os impactos termoenergéticos gerados pelo uso de tetos frios em cobertura de edificação unifamiliar de baixa renda em quatro cidades localizadas no nordeste brasileiro: São Luís/MA, Picos/PI, Recife/PE e Porto Seguro/BA. Os modelos computacionais, desenvolvidos por meio do software EnergyPlus, abrangem cenários que envolvem o uso do teto frio (absortância solar de 0,25), teto frio degradado (absortância solar de 0,42) e teto padrão (absortância solar de 0,65). Foram contempladas variações no perfil de ocupação, padrão de uso e isolamento da envoltória. Os perfis de ocupação foram adotados conforme o padrão da NBR 15575-1 (ABNT, 2021), que define as diretrizes para avaliação de desempenho térmico de edificações residenciais, perfil de ocupação noturna e diurna. O padrão de uso variou a partir de modelos que consideram ventilação natural, operação de carga térmica em regime contínuo e híbrido. Na envoltória, selecionou-se um modelo de telha comum no Brasil e elaborou-se doze cenários variando a taxa de absortância solar (0,25, 0,42 e 0,65) e resistência térmica (de 0,49 a 6,00 m².K/W). Investigou-se o desempenho térmico da unidade habitacional, tendo sido simulados modelos com diferentes arquivos climáticos e piso adiabático, observando-se o desempenho energético para os diversos perfis de ocupação, o balanço térmico na superfície externa do telhado e o potencial mitigador nas emissões de CO2. Para todas as cidades, os resultados apontaram que os tetos frios com baixo isolamento apresentam indicadores mais eficientes quanto ao comportamento termoenergético. O uso de tetos frios resultou em aprimoramento no desempenho térmico da unidade habitacional, reduzindo a temperatura operativa máxima em até 2,1°C, incrementando o percentual de horas de ocupação dentro de uma faixa de temperatura operativa da unidade habitacional (PHFTUH) em até 19,8 pontos percentuais e reduzindo a carga térmica entre 19% e 35%. A análise do impacto do arquivo climático no desempenho térmico revelou que o arquivo climático é relevante e pode interferir na classificação de desempenho térmico da unidade habitacional. A adoção do piso adiabático na unidade habitacional resultou em valores que desfavorecem os indicadores de desempenho térmico da habitação. Independentemente do perfil de ocupação e usos, as proposições de tetos frios mostraram-se mais eficientes, registrando reduções na carga térmica entre 52,9 e 97,5kWh/m².ano. A implementação do teto frio reduziu significativamente o fluxo de calor liberado por radiação de ondas longas (39% e 52%), destacando sua capacidade em atenuar os efeitos causadores de ilha de calor urbano. O potencial de redução na emissão de CO2 variou conforme a proposição de teto frio e eficiência do equipamento, com os cenários mais eficientes apresentando reduções de 30,5% a 73,1%. Conclui-se que os tetos frios são alternativas eficazes para edificações unifamiliares situadas em regiões de climas quentes do nordeste brasileiro.

Abstract: The use of cool roofs as a passive solution for building climate control, especially in warm climate regions, has the potential to reduce energy consumption, optimize comfort and thermal performance, as well as contribute to the environment by mitigating the effects of heat islands and CO2 emissions. This work presents a computational simulation aimed at analyzing the thermoenergetic impacts generated by the use of cool roofs in low-income single-family building roofs in four cities located in northeastern Brazil: São Luís/MA, Picos/PI, Recife/PE, and Porto Seguro/BA. The computational models, developed using the EnergyPlus software, cover scenarios involving the use of cool roofs (solar absorptance of 0.25), degraded cool roofs (solar absorptance of 0.42) and standard roofs (solar absorptance of 0.65). Variations in occupancy profile, usage pattern and envelope insulation were considered. Occupancy profiles followed the standard of NBR 15575-1 (ABNT, 2021), which defines guidelines for evaluating the thermal performance of residential buildings, including night and day occupancy profiles. The usage pattern varied from models considering natural ventilation, continuous thermal load operation and hybrid operation. For the envelope, a common roof tile model in Brazil was selected and twelve scenarios were developed varying the solar absorptance rate (0.25, 0.42, and 0.65) and thermal resistance (from 0.49 to 6.00 m².K/W). The thermal performance of the housing unit was investigated, simulating models with different climatic files and adiabatic flooring, observing energy performance for various occupancy profiles, thermal balance on the roof's external surface, and the potential for CO2 emissions mitigation. For all cities, the results indicated that cool roofs with low insulation showed more efficient indicators in terms of thermo-energetic behavior. The use of cool roofs improved the thermal performance of the housing unit, reducing the maximum operative temperature by up to 2.1°C, increasing the percentage of hours of occupancy within a range of operative temperature of the housing unit (PHFTUH) by up to 19.8 percentage points and reducing the thermal load between 19% and 35%. The analysis of the impact of the climatic file on thermal performance revealed that the climatic file is relevant and can interfere with the thermal performance classification of the housing unit. The adoption of adiabatic flooring in the housing unit resulted in values that disadvantage the thermal performance indicators of the housing. Regardless of the occupancy profile and usage, cool roof proposals proved to be more efficient, recording reductions in thermal load between 52.9 and 97.5 kWh/m².year. The implementation of cool roofs significantly reduced the flow of heat released by long-wave radiation (39% to 52%), highlighting its capacity to attenuate the effects of urban heat islands. The potential for reducing CO2 emissions varied according to the cool roof proposal and equipment efficiency, with the most efficient scenarios showing reductions from 30.5% to 73.1%. It is concluded that cool roofs are effective alternatives for single-family buildings located in warm climate regions of northeastern Brazil.