A ventilação natural pode representar importante fator de conforto e melhoria das condições ambientais no interior dos edifícios. Trata-se de recurso aplicado desde o início da história da arquitetura, para amenizar altas temperaturas internas, em localidades de clima quente, sendo até hoje amplamente empregado em residências e prédios de apartamentos, entre outras tipologias arquitetônicas.

O uso da ventilação natural em edifícios pode proporcionar conforto térmico em climas quentes, por diminuir as altas temperaturas. Também reduz o consumo de energia, por evitar ou minimizar o emprego de sistemas de condicionamento de ar. E mantém a qualidade interna do ar pela renovação, entre outras funções.

Porém, na arquitetura dos edifícios de escritórios, o condicionamento artificial do ar é praticamente uma imposição. Em grande parte, isso se deve às grandes alterações no projeto desses edifícios, ocorridas a partir do início do século 20, com o uso indiscriminado do vidro, aliado ao significativo aumento nas cargas térmicas internas. A outra razão seria a maneira como tem sido feita a avaliação da percepção de conforto dos usuários desses ambientes.

Efeitos do ar

Recentemente, pesquisas realizadas em países como Estados Unidos, Japão e algumas nações da Europa procuram investigar os efeitos do movimento do ar no conforto térmico, em ambientes com atividades sedentárias, como as que ocorrem nos edifícios de escritórios. O objetivo é buscar formas de reduzir, quando possível, os gastos com ar-condicionado, hoje um dos maiores consumidores de energia nessas edificações.

O setor comercial é responsável por 14,3% do consumo desagregado de energia no país, de acordo com o Balanço Energético Nacional (BEN, 2006). Dessa forma, o uso da ventilação natural em substituição ao ar-condicionado, ainda que não seja durante o ano todo, mas em alguns períodos, poderá representar importante medida para redução do consumo de energia nesses edifícios. Mas as áreas urbanas, que abrigam essas edificações, são desafiadoras para o uso da ventilação natural. Nelas, as potenciais barreiras, como a questão acústica e a qualidade externa do ar, estão agravadas.

Fachadas duplas ventiladas

Nesse contexto, é importante notar que a ventilação natural pode acontecer de maneiras diversas das aberturas simples, conhecidas nos edifícios de escritórios brasileiros. Existem soluções arquitetônicas para a fachada que podem garantir condições de conforto acústico em ambientes externos com altos níveis de ruído. Como exemplo, podem-se citar as fachadas duplas ventiladas.

Estudos da Environmental Protection Agency (EPA) sobre a exposição do homem aos poluentes do ar mostram que os níveis internos de muitos poluentes podem ser de duas a cinco vezes maiores que os exteriores, chegando a cem vezes em alguns casos. Nas últimas décadas, a exposição humana aos poluentes do ar interno aumentou, devido a vários fatores, incluindo a construção de edifícios totalmente selados, a redução nas taxas de ventilação, para economizar energia nos equipamentos de ar condicionado, e o uso de materiais sintéticos para construção e mobiliário, entre outros. Um estudo feito pela EPA e sua divisão Science Advisory Board (SAB) citou a qualidade interna do ar como um dos cinco principais riscos para a saúde pública.

O exemplo europeu

Em grande parte dos países europeus, a ventilação natural está sendo cada dia mais desejada por clientes e usuários de edifícios de escritórios, como estratégia para o conforto térmico e o desenvolvimento sustentável da indústria da construção. Pode-se dar esse crédito, principalmente, às forças de mercado e aos regulamentos energéticos, muito avançados por lá. Os edifícios usam de 40% a 50% da energia primária na Inglaterra e em outros países europeus, sendo que as novas construções, energeticamente eficientes, consomem o equivalente a 50% das já existentes.

Porém, enquanto em países da Europa avança o interesse pelo uso da ventilação natural, em outros, como o Brasil, muito trabalho ainda é necessário para que esse potencial seja utilizado. Os desafios propostos são considerados, muitas vezes, limites intransponíveis.

Ventilação e normas

No âmbito internacional, até há pouco tempo, engenheiros e arquitetos estavam limitados quanto à possibilidade de usar a ventilação natural em suas obras, devido a parâmetros de normas como a Ashrae 55 e a ISO 7.730. Consideradas rigorosas, elas não distinguiam o que é termicamente aceitável em ambientes climatizados e em ambientes ventilados naturalmente.

Recentemente, a Ashrae Standard 55: Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy foi revista. Na última versão, de 2004, pela primeira vez se estabelece que os usuários vão tolerar maiores flutuações nas condições ambientais se tiverem maior controle sobre elas. Ou seja, se puderem operar as janelas de acordo com sua vontade e também alterar a sua vestimenta.

A norma baseia-se na possibilidade de prover controle desse ambiente aos usuários e estabelece que, dessa forma, eles irão tolerar maiores flutuações nas condições ambientais. Assim, os projetistas têm maiores meios de estabelecer quando o condicionamento artificial é requerido num edifício e quando é possível incorporar a ventilação natural, para proporcionar o conforto térmico.

Os dados de entrada do índice proposto pela Ashrae 55/2004 são:
• a média mensal das temperaturas externas (média aritmética da média mensal das máximas e da média mensal das mínimas);
• a temperatura operativa (média aritmética entre a temperatura interna do ar e a temperatura radiante).

O gráfico abaixo, presente no item 5.3 da norma, sintetiza o índice e apresenta as zonas de conforto, onde 80% ou 90% dos usuários estariam satisfeitos.

Pesquisa em São Paulo

Considerando os benefícios de oferecer como estratégia de conforto térmico a ventilação natural, e diante das novas determinações da norma americana, foi feita uma pesquisa na cidade de São Paulo. Os objetivos foram avaliar possibilidades e limitações do uso da ventilação natural como recurso passivo de resfriamento dos ambientes de escritórios e responder a seguinte questão: é possível utilizar a ventilação natural para obtenção de conforto térmico em edifícios de escritórios na cidade de São Paulo?

A pesquisa foi realizada com simulações computacionais de um modelo representativo e visou mapear os períodos de conforto térmico durante o ano, em um edifício de escritórios típico, com ventilação natural.

EnergyPlus

Existem diversos softwares para simulações termoenergéticas em edifícios. O EnergyPlus, internacionalmente conhecido, possibilita simulações confiáveis de diversas tipologias arquitetônicas, sistemas construtivos e condicionamento de ar. Trata-se de um software de simulação de carga térmica e análise energética, desenvolvido pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, a partir de dois outros softwares, o Blast e o DOE-2. É distribuído gratuitamente no site www.energyplus.gov.

Para proceder às simulações, foi elaborado um modelo de edifício de escritórios com características arquitetônicas e de ocupação semelhantes às existentes atualmente em São Paulo. Na modelagem, considerou-se que todas as janelas do pavimento em análise permaneceriam abertas durante todo o período de ocupação, das 8 às 16 h. Abaixo, as principais características do modelo:
• planta quadrada: 26,5 x 26,5 metros;
• altura: 75 metros (20 andares);
• modulação: 1,25 metro;
• core central: 12,5 x 12,5 metros (área suficiente para seis elevadores, escada, instalações sanitárias, copa, área técnica de informática e circulação);
• pé-direito: 2,7 metros;
• esquadria: 1,25 x 1,60 metro (alternando-se um quadro móvel maxim-ar e um fixo);
• vidro de oito milímetros refletivo;
• área opaca da fachada revestida externamente por granito de cor clara com 30 milímetros, seguida de câmara de ar de 70 milímetros, alvenaria de blocos leves de cem milímetros e acabamento em gesso com três milímetros.

Com relação à ocupação, foram estabelecidos os seguintes parâmetros:
• densidade: 1 pessoa/7,3 m - com nível de atividade = 1,3 Met ou 130 W por pessoa;
• carga interna devido aos equipamentos: 45 W/m;
• carga interna devido à iluminação artificial: 12 W/m.

Para fazer as simulações, utilizouse uma área típica do modelo. Ela foi simulada nas oito orientações solares (norte, nordeste, leste, sudeste, sul, sudoeste, oeste e noroeste), para verificar se as temperaturas internas estariam confortáveis.

Na modelagem da simulação foi inserida a taxa de ventilação correspondente ao valor de renovação de 10,7 V/h ou aproximadamente 0,7 m/s. O banco climático usado foi o International Weather for Energy Calculations (Iwec).

Resultados

A síntese dos resultados obtidos com as simulações de forma a facilitar a análise pode ser observada na figura que está na página seguinte. Foi feito um mapeamento dos horários do dia para cada mês do ano, com a avaliação da sua condição de conforto de acordo com o índice proposto pela norma Ashrae 55/2004.

A análise do mapeamento de conforto de todas as orientações apresenta um perfil geral parecido com um grande período na condição de conforto, se considerarmos 80% ou mesmo 90% de usuários satisfeitos. Isso demonstra que é real o potencial de uso da ventilação natural para obtenção de conforto térmico nos edifícios de escritórios em São Paulo.

Analisando o período de ocupação do edifício e considerando 90% de usuários satisfeitos, percebe-se que grande parte do período em desconforto se deve ao frio. As orientações que mais sofrem com esse desconforto são sudeste, sul e sudoeste.

É interessante notar que essa avaliação foi feita considerando as janelas totalmente abertas. Portanto, a condição de conforto, no período de incômodo por frio, poderia ser obtida se os usuários controlassem a abertura, evitando a entrada de ar frio, de acordo com a sua vontade. Outra forma de adaptação seria a alteração da vestimenta. Assim, o período em conforto aumentaria consideravelmente.

Com relação ao calor, as orientações sudoeste, oeste e noroeste são as que apresentam os maiores períodos de desconforto, enquanto sudeste e sul são as que apresentam os menores períodos. Os horários em desconforto devido ao calor ocorrem, em sua maior parte, no período da tarde.

Concluindo, considerando-se 90% de usuários satisfeitos, o período de conforto se estende de maio a outubro, ou seja, por seis meses do ano para todas as orientações, se for descartado o período em desconforto devido ao frio. Nesses meses, o edifício poderia operar durante todo o tempo de ocupação sem um sistema de ar condicionado em funcionamento.

Quando se baixa a exigência de conforto de 90% de usuários satisfeitos para 80%, aumenta-se, consideravelmente, o período de conforto. Nesse caso, ele se estende de março a dezembro, ou seja, dez meses do ano.

Os resultados apontam que as melhores orientações para evitar o uso de ar-condicionado são sudeste e sul; e as piores, sudoeste, oeste e noroeste.

Combinação dos sistemas

Os resultados das simulações com Energy Plus, comparados com o índice proposto pela Ashrae 55/2004, demonstraram grandes possibilidades de utilização da ventilação natural para redução das temperaturas internas em edifícios de escritórios na cidade de São Paulo, em todas as orientações.

Foram encontradas temperaturas relativamente altas, mas, analisadas sob o enfoque de um índice adaptativo, apontadas como confortáveis.

Uma boa estratégia seria a combinação de ventilação natural com o uso de sistemas mecânicos ou mesmo do arcondicionado, formato conhecido por ventilação híbrida ou modo misto. Dessa forma, seria possível aproveitar ao máximo o potencial existente de emprego de uma tecnologia passiva, dentro das suas limitações, e ainda manter o conforto térmico nos períodos em que ela não for suficiente.

Os resultados dessa pesquisa permitiram uma avaliação quantitativa da possibilidade de uso da ventilação natural nos edifícios de escritórios. Deve-se atentar que, para conforto térmico dos usuários, as características arquitetônicas influenciam fortemente, com destaque para as dimensões do pavimento e a tipologia de esquadrias adotada. Ressalta-se que as características do fluxo de ar gerado pela ventilação natural, como as temperaturas e as velocidades, entre outras, são de fundamental importância, pois alteram a percepção de conforto térmico dos usuários.

Referências

A arquiteta Cíntia Mara de Figueiredo é especialista em conforto ambiental, mestre em tecnologia da arquitetura pela FAU/USP e coordenadora de pesquisa e desenvolvimento da Hydro Alumínio Acro. O trabalho que deu origem a este artigo foi desenvolvido para dissertação de mestrado, em 2007, sob orientação da arquiteta Anésia Barros Frota, especialista em conforto ambiental, mestre e doutora em tecnologia da arquitetura pela FAU/USP e professora do Departamento de Tecnologia desta instituição. Teve como base a seguinte referência bibliográfica: Ashrae 55, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy (Ashrae, 2004); BEN 2006, “Composição setorial do consumo de eletricidade”, Ministério de Minas e Energia, Balanço Energético Nacional, 2005; CIBSE Briefing 8 (2003), Reducing emissions thought energy efficiency - Key issues to address in designing and operating buildings, Londres, The Chartered Institution of Building Services Engineering; Steven J. Emmerich, W. Stuart Dosl e James W. Axley, Natural ventilation review and plan for design and analysis tools, National Institute of Standards and Technology, Technology Administration, U.S. Department of Commerce, 2001; Anésia Barros Frota e Sueli Ramos Schiffer, Manual de conforto térmico, 4ª ed., São Paulo, Nobel, 2000.

Publicada originalmente em FINESTRA
Edição 51 Novembro de 2007