Deficiências nos critérios de desempenho térmico da NBR 15575 permitem a proliferação de “edifícios estufa”

Marcelo Nudel
Sócio-diretor da Ca2 Consultores Ambientais Associados; professor de pós-graduação lato sensu da Universidade Presbiteriana Mackenzie; pós-graduado ”Master of Design Science: Sustainable Design”, University of Sydney, Austrália; pós-graduado ”Especialização em Gerenciamento de Empreendimentos na Construção Civil”, Universidade Presbiteriana Mackenzie; arquiteto e urbanista, Universidade Presbiteriana Mackenzie


A Norma de Desempenho em Edificações Habitacionais – ABNT NBR 15575: 2013, atualmente em vigor, finalmente busca consolidar requisitos mínimos de qualidade, durabilidade, segurança e desempenho para as construções habitacionais brasileiras.

Sua primeira versão foi publicada em 2008, tendo sido totalmente reformulada entre 2010 e 2013, quando finalmente entrou em vigor em seu formato atual. A norma vigente incorpora critérios que passaram a ser cada vez mais valorizados pelos consumidores, como as questões relacionadas ao conforto acústico, térmico e iluminação natural.

A existência de uma norma nacional que pela primeira vez exige parâmetros de desempenho térmico para as edificações residenciais deveria supostamente representar a produção de uma nova geração de edifícios com ampliada capacidade de controle de cargas térmicas, com melhores níveis de conforto e menor consumo de energia. Existem, no entanto, deficiências superlativas na estrutura da norma e em seus critérios de análise, permitindo que edifícios termicamente ineficientes sejam projetados e construídos dentro dos parâmetros da mesma norma.

Para sustentar essa tese, elaboramos um exercício de cálculo computacional com base em situações análogas à de um edifício residencial recentemente construído na cidade de São Paulo, o edifício Vitra (Figura 1), de autoria do renomado arquiteto polonês-americano Daniel Libeskind. Trata-se de um edifício residencial de alto padrão com fachadas compostas de grandes panos de vidro laminados de controle solar que ocupam a maior parte de suas superfícies de fachada. Não foram previstos elementos sombreadores externos, fundamentais na adequação climática de edifícios inseridos no clima brasileiro. Como veremos a seguir, projetos com essas características são altamente ineficientes do ponto de vista de desempenho térmico, apesar de em alguns casos (como o edifício Vitra) se apresentarem como ícone de sustentabilidade e desempenho em razão da obtenção de uma certificação ambiental.

O exemplar brasileiro de Libeskind, que ignora as condições climáticas locais ao propor vastas fachadas compostas quase inteiramente de vidro, é um clássico exemplo do que Lamberts et al chama de “edifício estufa”: “O consequente ”edifício estufa” foi então exportado como símbolo de poder, assim como sistemas sofisticados de ar-condicionado (…), sem sofrer readaptações às características culturais e climáticas do local de destino” (Eficiência Energética na Arquitetura. Lamberts, R., et al. 3a edição. Editora Eletrobras/Procel. Rio de Janeiro, 2014).

Para que se compreenda satisfatoriamente a tese aqui defendida, faz-se necessária uma breve apresentação dos dois mecanismos de análise de desempenho térmico previstos na norma.

O Método Simplificado

Edifício Vitra: clássico exemplo de “edifício estufa”, apesar do emprego de vidros low-e e da obtenção de certificação Aqua

A NBR 15575 prevê dois métodos possíveis para o atendimento aos requisitos de desempenho térmico: (1) Método Simplificado e (2) Método da Simulação. O Método Simplificado exige que projetos cumpram de forma literal uma série de requisitos prescritivos no que tange ao desempenho térmico de elementos opacos de vedações verticais e coberturas, não fornecendo qualquer requisito prescritivo para área máxima ou desempenho de vidros, o que configura uma de suas principais deficiências técnicas.

Para cada zona bioclimática brasileira são exigidos requisitos máximos de transmitância térmica (U-value) e valores mínimos de capacidade térmica (CT). Basta respeitar esses níveis que a norma será atendida.

Para as zonas bioclimáticas 3 a 8, que equivalem conjuntamente a mais de 90% do território nacional, determina-se que sistemas de vedação externa de cor clara (absortância menor ou igual a 0,6) devem possuir transmitância térmica (U-value) máxima de 3,7 W/m2.K e capacidade térmica (CT) mínima de 130 kJ/m2.K.

A vasta maioria das vedações externas típicas de construções no Brasil cumpre com esses requisitos, conforme os três exemplos listado a seguir (Fonte: Adaptado de Catálogo de Propriedades Térmicas de paredes, coberturas e vidros: Anexo da Portaria Inmetro n. 50/2013. Morishita, B, et al – Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico do Departamento de Engenharia Civil. Florianópolis, 2013).

Propriedades térmicas de vedação em bloco de concreto

Propriedades térmicas de vedação em bloco cerâmicoÉ fato que existem sistemas de vedação que não cumprem com os requisitos prescritivos de transmitância e capacidade térmica para algumas zonas bioclimáticas. Da mesma forma, alguns dos sistemas anteriormente citados não cumprem com os requisitos das zonas bioclimáticas 1 e 2.

Percebemos, no entanto, que para a vasta maioria do território nacional os sistemas de vedação tipicamente utilizados em nossas construções atendem aos requisitos mínimos de desempenho térmico exigidos pela norma através de seu método Simplificado. Atender ao método Simplificado é possível dentro dos padrões da normalidade de mercado e sem que se faça qualquer menção à área ou desempenho de vidros, assim como a elementos sombreadores.

A ausência de exigências prescritivas para vidros e elementos sombreadores no Método Simplificado é o primeiro grande indicador de deficiência na norma de desempenho. O Método Simplificado pressupõe implicitamente o contexto de edificações habitacionais usuais nas quais são empregadas janelas com dimensões pré-fabricadas industrialmente e com dimensões relativamente pequenas em relação à área de parede. Na prática isso nem sempre ocorre, e projetos surgem com diversas tipologias de janelas e variadas áreas envidraçadas.

Propriedades térmicas de vedação tijolo maciço

O projetista, o incorporador ou o construtor que optar por cumprir com os requisitos prescritivos para vedações opacas pelo método Simplificado não encontrará, portanto, absolutamente nenhum obstáculo para criar edifícios com vastos panos de vidro desprotegidos, o que, para o clima brasileiro, é um enorme contrassenso.

O Método da Simulação

Caso um projeto não se proponha a atender aos índices prescritivos para transmitância térmica e capacidade térmica de sua envoltória previstos pelo Método Simplificado, ele pode ser submetido a uma simulação computacional de desempenho. Em linhas gerais, elabora-se um modelo computacional do edifício, com sua orientação solar, volumetria e materiais de envoltória. Quando submetido a uma simulação com base em um Design Day de verão (dia crítico de verão), a norma estabelece que a máxima temperatura interna resultante não pode ser superior à máxima externa. Cabe aqui ressaltar que a norma menciona “dia típico” de verão. Porém, quando observamos as condições de temperatura exigidas para a simulação, percebemos que, na verdade, trata-se de um dia crítico. Cabe na norma também uma correção nesse sentido.

A simulação deve ser feita sem cargas térmicas internas, considerando apenas o efeito térmico da envoltória. O Método da Simulação permite ao projetista compor sua envoltória com materiais opacos, vidros e áreas de exposição solar da forma que lhe convir, desde que a simulação demonstre que a temperatura interna não ultrapasse a máxima externa em um dia crítico de verão.

Percebe-se que o Método da Simulação, ao contrário do Método Simplificado, avalia o conjunto completo da envoltória ao exigir que o projetista encontre um equilíbrio adequado entre a área e material de paredes opacas em combinação com a área e desempenho de vidros, além de considerar elementos sombreadores, se existirem. Isso significa que, para atender aos requisitos da norma pelo Método da Simulação, projetos devem se preocupar com a exposição solar em grandes panos de vidro. Projetos com extensas áreas de vidro, mesmo aqueles considerados de alto controle solar, correm o risco de falhar no Método da Simulação.

Sendo assim, edifícios que teriam dificuldade de cumprir com as metas do Método da Simulação podem simplesmente optar por cumprir com os requisitos prescritivos do Método Simplificado, desde que suas paredes atendam aos índices prescritivos para transmitância e capacidade térmica. Ao ignorar área e desempenho de vidros, o Método Simplificado torna legal a concepção dos “edifícios estufa”, com vastos panos de envidraçados, expondo os espaços internos a altas cargas térmicas de radiação.

Um breve exercício de aplicação prática do Método da Simulação

O edifício Vitra, em São Paulo, é um exemplo clássico de edifício residencial “estufa”: contém vastas áreas envidraçadas sem proteção contra radiação solar direta. Os ambientes possuem peitoril opaco baixo, fazendo com que o vidro ocupe a maior parte da extensão do pé-direito. Suas fachadas são dotadas de vidros laminados low-e com Fator Solar (Solar Heat Gain Coefficient) da ordem de 0,3 – considerado alto desempenho de controle solar, similar ao vidro utilizado por algumas das mais modernas torres de escritório do país.

Elaboramos um exercício computacional com base em um ambiente análogo a um dormitório do edifício Vitra. Simplificações nos modelos foram feitas, porém, não a ponto de invalidá-lo como exercício paramétrico. O exercício visa demonstrar que edifícios com características análogas a esse edifício, apesar de serem passíveis de cumprimento da norma pelo Método Simplificado, representam a manutenção do status quo do mercado através da proliferação de edifícios altamente ineficientes do ponto de vista térmico.

Simulações computacionais cíclicas foram realizadas com o auxílio do Software Design Builder para um dia crítico de Verão (Design Day). Esse software, largamente utilizado internacionalmente apresenta interface gráfica amigável ao usuário para modelagem geométrica e aplicação de materiais, utilizando como ferramenta embutida de cálculo térmico o Software Energy Plus. As simulações apresentam como resultado a variação de temperatura do ar interno como resultante das cargas térmicas incidentes, incluindo radiação, condução e infiltração.

Foram utilizados os seguintes dados para o dia crítico de verão na cidade de São Paulo, conforme especificado pela norma:
Temperatura máxima externa de bulbo seco: 31,9° C
Variação diurna da temperatura igual a 9,2° C

Foram simulados cinco cenários com variações paramétricas de projeto.

Os resultados são apresentados no gráfico da Figura 5, que demonstra a variação das temperaturas do ar externo e interno ao longo do dia crítico de verão, conforme exigido pelo Método da Simulação, para cada cenário simulado.

Resultado das simulações computacionais para os cinco cenários

Cenário 1

O cenário 1 é análogo a um dormitório no edifício Vitra. O modelo geométrico representa um dormitório com 16 m2 (4 m x 4 m) com as seguintes características:
Pé-direito de 3 m;
Peitoril em alvenaria (opaco) com 65 cm de altura;
Pano de vidro ocupando a extensão horizontal completa do ambiente (4 m) e 2,35 m de altura;
Vidro laminado low-e com Fator Solar de 0,29 e U-value de 5,6 W/m2.K (semelhante ao vidro utilizado no edifício Vitra) e caixilharia de alumínio;
Ausência de elementos sombreadores externos;
A orientação da fachada envidraçada é oeste seguindo a exigência da norma para o método da simulação (pior cenário);
Materiais de vedação opaca que cumprem com os requisitos mínimos da NBR 15575 para a cidade de São Paulo: transmitância térmica (U-value) = 3,70 W/m2.K e capacidade térmica (CT) = 130 kJ/m2.K, conforme exigência mínima do Método Simplificado;
Absortância térmica das superfícies externas: 0,6;
Infiltração/trocas de ar: 1 ach (air changes per hour), conforme exigência da norma para o Método da Simulação. Representa na prática uma janela fechada (sem ventilação natural) e inclui infiltração de ar por caixilhos, típica em construções brasileiras;
Cargas térmicas internas inexistentes;
Ausência de sistema de ar-condicionado.

São consideradas simplificações do modelo:
As paredes laterais que representam divisórias entre ambientes, assim como piso e cobertura são considerados adiabáticas (sem troca de calor), o que simula ambientes anexos com o mesmo perfil de temperatura interna;
A parede posterior é adjacente a uma zona térmica não condicionada, cujas superfícies expostas são também adiabáticas. Essa zona simula um ambiente anexo sem acesso à cargas térmicas externas.

O modelo geométrico simplificado é apresentado na Figura 6.

Modelo geométrico representando o cenário 1, análogo ao edifício Vitra

Conforme observado no gráfico da Figura 5, enquanto a temperatura externa máxima atinge 31,9° C, a temperatura interna supera os 40° C. Esse resultado não é surpreendente, visto que é resultado de significativo acúmulo de carga térmica (solar e por condução) sem qualquer proteção contra radiação solar em extenso pano de vidro.

Os resultados dessa simulação indicam que projetos que atendem ao Método Simplificado em suas vedações opacas podem falhar significativamente quando submetidos ao Método da Simulação. Isso indica que não há qualquer equivalência de desempenho entre ambos os métodos, expondo, portanto, uma das principais deficiências da NBR 15575 no que tange ao desempenho térmico de envoltórias.

Cenário 2

O cenário 2 também é análogo à situação do edifício Vitra. Seguindo a orientação do Método da Simulação, aumentamos a troca de ar no ambiente para 5 ach (air changes per hour). Na prática isso significa aberturas médias em janelas permitindo livre ventilação natural. Todos os outros parâmetros foram mantidos inalterados.

O modelo já não é mais estanque, o que acarreta significativa redução no pico de temperatura interna, que atinge cerca de 35,5° C. Houve grande redução com o aumento da área de ventilação, porém, ainda encontra-se muito elevada em relação à temperatura externa. Por encontrar-se cerca de 3,6° C acima da temperatura máxima externa, não cumpre com os requisitos do Método da Simulação.

Cenário 3

A partir do cenário 3 buscamos simular e demonstrar quais devem ser as características de um edifício para satisfazer as exigências da norma pelo Método da Simulação. Alteramos significativamente a área de vidro, aproximando-a de uma janela de tamanho médio (2,5 m2) O vidro, ainda exposto à radiação solar direta, é o mesmo, laminado low-e com Fator Solar = 0,29. Todos os outros parâmetros se mantiveram inalterados.

A temperatura interna máxima nesse cenário é de aproximadamente 32,5° C. Com a redução na área de vidro, a diferença entre a temperatura máxima externa e a máxima interna diminuiu cerca de 0,6° C. Esse cenário está próximo, porém, ainda não cumpre com a exigência do Método da Simulação. É nítida a diferença que a redução da área de vidro acarreta.

Cenário 4

A evolução do trabalho apresenta um elemento fundamental em projetos contextualizados em climas brasileiros, e que, no entanto, foi abandonado há anos por nosso mercado: os elementos sombreadores externos. Tradicionalmente presentes em edifícios residenciais em nosso país, os cobogós, as venezianas e as persianas externas constituem elementos importantíssimos no controle de cargas térmicas excessivas, reduzindo a exposição de panos de vidro à radiação solar direta. A arquitetura modernista brasileira utilizava brilhantemente esses simples elementos, como no edifício Nova Cintra, no Parque Guinle, Rio de Janeiro, de Lúcio Costa, construído no início da década de 50 – Figura 7 (Fonte: Nelson Kon/UOL).

O cenário 4 apresenta como única variação em relação ao cenário anterior a adição de uma veneziana externa de enrolar (como a mostrada na Figura 7), capaz de proteger a superfície envidraçada de ângulos tão baixos quanto 20° de altitude solar antes deseu fechamento completo.

Com a adição do elemento sombreador a temperatura máxima do ar interno se iguala à do ar externo, resultado que cumpre com a exigência do Método da Simulação. O ato de sombrear o vidro mostra-se fundamental na redução da temperatura interna.

Cenário 5

O cenário 5 se difere do anterior apenas pelo tipo de vidro: utilizamos vidros incolores de 3 mm, sem qualquer desempenho térmico especial, portanto convencional para edifícios residenciais. Esse cenário replica um típico edifício residencial modernista brasileiro, tal qual os icônicos edifícios Nova Cintra, no Parque Guinle, anteriormente apresentado, ou o edifício Louveira, em São Paulo, de Vilanova Artigas, erguido em 1946 (Figura 8). Ou ainda mais recentemente o edifício Itaim, do Studo MK27, de Marcio Kogan, de 2014 (Figura 9). São todos exemplos de edifício adaptado ao contexto e ao clima locais, além de belíssimos exemplos de arquitetura residencial.

O perfil de temperatura do cenário 5 se apresenta ligeiramente superior ao do cenário 4, cuja única diferença é o uso de vidros de alto desempenho. A diferença é negligenciável, indicando que é o sombreamento, e não o vidro de alto desempenho, a estratégia responsável pela significativa melhoria nas condições internas de conforto térmico. A inserção de elementos sombreadores externos, como bem sabem nossos bons arquitetos, mostra-se capaz de eliminar custos desnecessários com vidros especiais, que como vimos nem sempre são capazes de atender às demandas térmicas em edifícios residenciais.

Constatamos através desse estudo que os “edifícios estufa”, altamente ineficientes do ponto de vista térmico, podem simplesmente optar por cumprir com os requisitos prescritivos do Método Simplificado para paredes opacas, se esquivando de exigências relacionadas a desempenho e área de vidros ao evitar o Método da Simulação. Na prática, um projeto com grandes panos de vidro e pequenas áreas de parede, que falharia na análise pelo Método da Simulação, pode passar pelo Método Simplificado, o que vimos não ser complexo nem caro.

A grande deficiência da norma em seu Método Simplificado está, portanto, no pressuposto implícito de que o arquiteto irá sempre produzir edificações habitacionais usuais, com janelas com dimensões pré-fabricadas industrialmente e com dimensões relativamente pequenas em relação à área de parede. Nos casos em que isso não ocorre, como no edifício Vitra, a equivalência entre o Método Simplificado e o da Simulação é inexistente. Em casos onde a fachada é predominantemente envidraçada não faz sentido considerar apenas as propriedades térmicas dos materiais opacos, ignorando área e desempenho de vidros.

Edifício Itaim, do Studio MK 27, de Marcio Kogan

Ao ignorar área e desempenho de vidros, o Método Simplificado torna legal a concepção de edifícios termicamente ineficientes, com vastas áreas envidraçadas, expondo os espaços internos a altas cargas térmicas de radiação. Deficiências técnicas graves como essa, presentes na NBR 15575, contribuem para o risco de proliferação de edifícios que não representam de fato qualquer melhoria em desempenho térmico em relação à prática profissional anteriormente à Norma de Desempenho. Entendemos, portanto, que é de fundamental importância uma revisão nos critérios da norma vigente, estabelecendo critérios para limitações explícitas em relação à área e ao desempenho de vidros na aplicação do Método Simplificado.

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

Eficiência Energética na Arquitetura.
Lamberts, R., et al. 3ª edição.
Editora Eletrobras/Procel.
Rio de Janeiro, 2014

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