Zoneamento climático do semiárido brasileiro baseado na clusterização hierárquica para conforto e desempenho termo energético de edificações

Abstract

A definição de zonas climáticas caracteriza-se como uma importante ferramenta para o planejamento de edificações adaptadas ao contexto climático local. A avaliação dos impactos do clima nas construções apresenta relevância na medida que influenciam no desempenho energético das mesmas, sobretudo em regiões que apresentam alta especificidade climática, como a região semiárida brasileira. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho foi propor zonas climáticas para o semiárido brasileiro utilizando-se de técnicas estatísticas multivariadas e avaliar estratégias de condicionamento térmico passivo para zonas climáticas propostas, a partir de simulações termo energéticas. Análise de componentes principais (ACP) foi utilizada a fim de selecionar as variáveis de maior influência e análise de clusterização hierárquica (ACH) foi empregada no intuito de definir espacialmente zonas climaticamente homogêneas. Para cada zona estabelecida, foram definidas as estratégias construtivas de condicionamento térmico mais adequadas, bem como calculados os índices térmicos de calor e de graus-hora de resfriamento e aquecimento. Simulações termo energéticas foram realizadas para avaliação das estratégias definidas considerando cinco municípios representativos das zonas climáticas estabelecidas: Apodi/RN, Oeiras/PI, Palmeira dos Índios/AL, Buritirama/BA e Águas Vermelhas/MG. Foram analisadas as estratégias de ventilação natural, subdividida em ventilação natural diurna, ventilação natural noturna, janelas abertas 24h e janelas fechadas 24h, além da estratégia de inércia térmica com aquecimento solar. A avaliação das simulações ocorreu a partir dos indicadores de balanço térmico, conforto térmico adaptativo e graus-horas de aquecimento e resfriamento. Como resultados, a ACP possibilitou a redução do banco de dados inicial de 104, para 48 variáveis, dentre as quais destacam-se as variáveis relacionadas à temperatura. A partir da HCA, cinco zonas climáticas foram definidas, para as quais evidenciou-se uma alta demanda por estratégias construtivas de condicionamento térmico. Dentre as estratégias de ventilação natural simuladas, o uso de janelas abertas 24 horas e durante o período noturno se caracteriza como uma boa alternativa para a redução das horas de desconforto por calor nas edificações inseridas nas Zonas 1, 2, 3 e 4. Essas estratégias promoveram maiores percentuais de conforto térmico, bem como uma menor necessidade de graus-hora de resfriamento. Já para a Zona 5, a estratégia de ventilação natural com janelas abertas apenas no período diurno é a mais recomenda. A estratégia de inércia térmica com aquecimento solar avaliada para essa zona promoveu uma redução no desconforto por frio durante o inverno, porém um aumento no desconforto por calor e na necessidade de graus-hora de resfriamento nos demais meses. Diante do exposto, o zoneamento proposto neste estudo apresenta grande potencial de aplicação para um planejamento construtivo mais adaptado aos aspectos climáticos da região semiárida brasileira, contribuindo para o aumento da eficiência energética das edificações. Por fim, sugerem-se análises complementares para uma melhor aplicação da estratégia de inércia térmica em edificações inseridas nessa região. Palavras-chave: Fficiência energética. Habitações. Clima. Estratégias construtivas. Desempenho.

The definition of climatic zones is characterized as an important tool for the planning of buildings adapted to the local climatic context. The assessment of climate impacts on buildings 1s relevant since 1t Influences their energy performance, especially in regions with high climatic specificity, such as the Brazilian semiarid region. In this context, the objective of this work was to propose climatic zones for the Brazilian semiarid using multivariate statistical techniques and to evaluate passive thermal conditioning strategies for the proposed climatic zones, based on thermal energy simulations. Principal component analysis (ACP) was used to select the variables with the greatest influence and hierarchical cluster analysis (HCA) was used to spatially define climatically homogeneous zones. For each established zone, the most appropriate constructive thermal conditioning strategies were defined, as well as the thermal indexes of heat and degrees hours of cooling and heating were calculated. Thermo-energetic simulations were carried out to evaluate the strategies defined considering five municipalities representative of the established climatic zones: Apodi/RN, Oeiras/PI, Palmeira dos Índios/AL, Buritirama/BA, and Águas Vermelhas/MG. Natural ventilation strategies were analyzed, subdivided into natural diurnal ventilation, natural nocturnal ventilation, windows open 24 hours and windows closed 24 hours, in addition to the strategy of thermal imertia with solar heating. The evaluation of the simulations took place from the indicators of thermal balance, adaptive thermal comfort, and degrees of heating and cooling. As result, the ACP made 1t possible to reduce the initial database from 104 to 48 variables, among which the variables related to temperature stand out. From the HCA, five climatic zones were defined, for which there was a high demand for constructive thermal conditioning strategies. Among the simulated natural ventilation strategies, the use of windows open 24 hours and during the night is characterized as a good alternative to reduce hours of discomfort due to heat in buildings inserted in Zones 1, 2, 3, and 4. These strategies promoted higher percentages of thermal comfort, as well as a lower need for degrees-hour of cooling. For Zone 5, the natural ventilation strategy with windows open only during the day 1s the most recommended. The strategy of thermal inertia with solar heating evaluated or this zone promoted a reduction in discomfort due to cold during the winter, but an increase 1n discomfort due to heat and the need for degree-hours of cooling mm the other months. In this way, the zoning proposed 1n this study has great potential for application for constructive planning more adapted to the climatic aspects of the Brazilian semiarid region, contributing to the increase in the energy efficiency of buildings. Finally, complementary analyzes are suggested for a better application of the thermal inertia strategy mm buildings inserted 1n this region.

Keywords: Energy efficiency. Dwellings. Climate. Constructive strategies. Performance.