RELATÓRIO TÉCNICO DO PROJETO CASA AUTÔNOMA TOMO
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André Quicé Editor Brasília, 2003
Arquiteto Mário Hermes Viggiano
I SBN 85 - 85958 - 27 - 8
9 788585 958275
Copyright Projeto Casa Autônoma www.casaautonoma.com.br Contato@casaautonoma.com.br Brasília, setembro de 2003 Normas para reprodução Os textos poderão ser reproduzidos desde que citada a fonte com referência normatizada. As imagens só poderão ser reproduzidas mediante solicitação de autorização por escrito ao Projeto Casa Autônoma pelo email: contato@casaautonoma.com.br, ou pelo endereço: SEPS 707/907, bloco F, sala 101-CEP 70390-078 Brasília-DF, Fone (61) 244-1939. Originais das imagens poderão ser solicitados no endereço acima, Acompanhados de uma descrição da mídia no qual será reproduzida a imagem. É obrigatório o envio de um exemplar das publicações Que façam referência a qualquer parte do texto ou das imagens publicadas neste volume.
ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO PRIMÁRIO
HORTA EXISTENTE
CASA DE HÓSPEDES
QUADRA
ACESSO PRINCIPAL
VIVEIRO EXISTENTE
LAGO EXISTENTE
PÁTIO DE MANOBRAS
POMAR DRENO AFLORADO
S POÇO
CASA AUTÔNOMA EM OBRAS
O L N
A Casa Autônoma é um projeto sustentável idealizado para abrigar uma pequena família com o máximo de conforto e o mínimo de impacto ambiental. O projeto piloto da Casa Autônoma está sendo construído em uma área residencial próximo ao Plano Piloto de Brasília, denominada Setor de Mansões Park Way, inserido na APA dos córregos do Gama e Cabeça de Veado, em lote de 3.125 m². Localização do Setor MPW
Localização do conjunto
Setor de Mansões Park Way
Plano Piloto Q. 16 Conj. 5
Lago
Vargem Bonita
Setor MPW Figura 1 - Localização do Setor Park Way
Figura 2 - Localização do conjunto
O terreno caracteriza-se por possuir uma relativa declividade e é muito úmido, característica esta que lhe dá uma condição de exceção em relação ao padrão de normalidade dos solos do Plano Piloto. Um perfil do terreno indica uma camada superficial de turfa, rica em matéria orgânica e logo abaixo uma camada de argila. O lençol freático aflora a uma profundidade aproximada de 80 centímetros. O solo pode ser classificado como HIDROMÓRFICO CINZENTO, uma ocorrência pouco comum no cerrado (cerca de 2%). Caracteriza-se por possuir uma espessa camada escura de matéria orgânica mal decomposta sobre uma camada acinzentada (gleizada), resultante de ambiente de oxirredução. Camada rasteira de vegetação
Turfa negra
Água
Camada de argila
Setor do projeto
Figura 3 -Corte do terreno com as camadas de solo
Figura 4 - Mapa de solos - a área em azul representa os solos hidromórficos
Na lateral do terreno, corre um dreno artificial subterrâneo que deságua em uma pequena cisterna no fundo do lote, formando um córrego d'água permanente. O lote do projeto situa-se na jurisdição da APA (Área de Proteção Ambiental) do Córrego do Gama e do Córrego Cabeça de Veado e, apesar de ser protegida por lei, encontrava-se Memorial Descritivo
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bastante influenciada pela ação antrópica. Tomou-se como ação prioritária a preservação das poucas espécies nativas ainda presentes na área. Assim foram preservadas alguns exemplares da Embaúba, um exemplar de Samambaiaçú e algumas espécies arbustivas.
Figura 7 - Arbustos preservados
Figura 5 - Samambaiaçu preservado
Figura 6 - Embaúbas preservadas
A implantação levou em consideração um rigoroso estudo das características climáticas ao nível do macro e do micro-clima. Este estudo resultou em um conjunto de Diretrizes Bioclimáticas que foram adotadas desde a concepção inicial. As diretrizes bioclimáticas, por sua vez, deram origem ao conjunto de soluções adotadas em consonância com o partido formal e as soluções funcionais. NASCENTE
AR QUENTE UMIDIFICAÇÃO VAPORIZAÇÃO
ILUMINAÇÃO NATURAL AR QUENTE
CAPTORES SOLARES PARA O NORTE
ILUMINAÇÃO NATURAL UMIDIFICAÇÃO VAPORIZAÇÃO
AR QUENTE VENTOS SECOS VEGETAÇÃO ABUNDANTE ILUMINAÇÃO NATURAL
UMIDIFICAÇÃO COM CASCATA E ESPELHOS
ILUMINAÇÃO NATURAL
VENTOS PREDOMINANTES MASSA CONSTRUIDA DE PROTEÇAÕ TÉRMICA
Figura 8 - Croqui bioclimático
POENTE
L N
S O
Metodologia de projeto Para a execução do projeto da Casa Autônoma, foi necessário o desenvolvimento de uma metodologia cíclica de projeto , baseada em uma concepção sistêmica de interações onde a arquitetura conceituada pelos requisitos formais e funcionais interage com os sistemas autônomos da casa, com as variantes climáticas e ambientais e com a disponibilidade de
Memorial Descritivo
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insumos (água e energia). Didaticamente, foram estabelecidos quatro grandes sistemas, cada um com outros subsistemas: 1)Sistema de energia aborda a geração de energia elétrica pelo sistema fotovoltaico, a energia térmica de aquecimento, a geração de energia eólica, a eficiência energética dos equipamentos e sistemas e o gerenciamento e monitoração dos insumos e do consumo. 2)Sistema Hidro-sanitário aborda o caminho das águas através do mapeamento da fonte de insumos e sua utilização. Neste sistema temos a interação da captação de águas pluviais, o tratamento do esgoto primário, o tratamento do esgoto secundário e a utilização das águas subterrâneas. 3)Sistema de climatização aborda a climatização natural integrado com a climatização mecânica através da utilização exclusiva da água com vaporizadores e aspersores de fachada e telhado; 4)Sistema de gerenciamento e automação aborda a infra-estrutura necessária para a automação residencial, controle de segurança, monitoramento climático e monitoramento dos sistemas elétrico e hidro-sanitário.
O clima de Brasília e o microclima local Brasília encontra-se na latitude 16º s. O clima de Brasília se apresenta como semi-seco com duas estações bem definidas: a seca e a úmida. As temperaturas médias variam de 18º em julho e 23º em setembro, com grandes variações diárias e as noites mais frias. A precipitação anual é de 1750 mm e a umidade relativa é baixa. A radiação difusa é baixa enquanto a radiação direta é bastante intensa. Os ventos predominantes chuvosos vêm do Norte, enquanto os secos vêm do Sudeste. Os ventos frios normalmente atingem a região pelo Sul. Brasília encontra-se a 1.100 m do nível do mar e possui ainda o agravante de que as massas quentes conduzem pó em suspensão no período quente. O microclima formado ao redor da edificação, caracteriza-se por possuir um baixo albedo (poder difusor). O local da construção, apesar de ser influenciado por forte ação antrópica, não reflete uma mudança climática em função da urbanização. Apesar do solo ter sido drenado, possui ainda boa parte de suas características naturais. É uma região de boa penetração de ventos. As temperaturas diárias e noturnas são bastante influenciadas pelo potencial refrescante do solo úmido.
Temperatura Mínima (ºC) Temperatura Máxima (ºC)
Figura 9 - Gráfico das temperaturas - ano 2001
Memorial Descritivo
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CARTA BIOCLIMÁTICA COM AS ESTRATÉGIAS INDICADAS PARA BRASÍLIA
2
5
Fonte: Eficiência Energética na Arquitetura
1 9
8
4
7
3
6
1-ZONA DE CONFORTO 2-ZONA DE VENTILAÇÃO 3-ZONA DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO 4-ZONA DE MASSA TÉRMICA PARA RESFRIAMENTO 5-ZONA DE AR CONDICIONADO
6- ZONA DE UMIDIFICAÇÃO 7-ZONA DE MASSA TÉRMICA PARA AQUECIMENTO 8-ZONA DE AQUECIMENTO SOLAR PASSIVO 9-ZONA DE AQUECIMENTO ARTIFICIAL
Figura 10 - Carta bioclimática e zonas de conforto
Partido do projeto Como partido inicial do projeto foi adotada uma forma simples e compacta com dois quadrados que se fundem simetricamente (figura11). A localização dos cômodos se deu em função da orientação com o quarto principal e o estúdio voltado para o nascente. A massa curva onde se locam o depósito, a área técnica e o terraço, ficaram para a fachada mais prejudicada em termos de insolação que é a fachada noroeste, devido ao forte sol da tarde.
Figura 11 - Croqui do partido inicial
B
A
Figura 12 - Planta baixa do térreo
QUARTO ESTUDIO
ÁREA DESCOBERTA ÁREA COBERTA
D
D
LAGO
QUARTO DESPENSA
COZINHA
ESTAR
WC
WC
CONTROLE DECK DA PISCINA ESTAR ÍNTIMO
JANTAR
C
C
ÁGUAS PLUVIAIS
PISCINA
PLANTA BAIXA TÉRREO
B
A
S O L N
Memorial Descritivo
4
B
A
D HOME THEATHER
C B
A
C
TERRAÇO
BIBLIOTECA
MEZANINO
BANHO
CLOSET
D
VARANDA
QUARTO
PLANTA 1º PAVIMENTO
S O
Figura 13 - Planta baixa do primeiro pavimento
L N
Materiais As matrizes de materiais estudadas no projeto, avaliam os materiais utilizados na obra a partir de quesitos como as propriedades bioclimáticas, caráter estético, preço final, mãode-obra (disponibilidade e capacitação), adequação aos conceitos fundamentais, comprometimento ecológico e impacto ambiental. São definidos critérios de valoração e regras para a uniformidade da avaliação.
MATRIZ COMPARATIVA DE MATERIAIS
Telha de barro esmaltada Telha de c onc ret o pintada
Total
Impacto ambiental
Comprometimento ecológico
Mão de obra (capacitação)
Adequação aos conceitos
Preço final
Telha met álica c om enc himent o pol iuret ano Mão-de-obra (disponibilidade)
T o tal
Preço fin al
M ão -d e-o b ra (d isp o n ib ilid ad e) M ão d e o b ra (cap acitação ) A d eq u ação ao s co n ceito s C o m p ro m etim en t o eco ló g ico Im p acto am b ien tal
C aráter estético
Pro p ried ad es b io clim áticas
Tijolo furado rebocado
Caráter estético
Tijolo maciço
80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Propriedades bioclimáticas
65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
MATRIZ COMPARATIVA DE MATERIAIS
Gráficos 1 e 2 - Matrizes comparativas de materiais
Memorial Descritivo
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Diretrizes e soluções bioclimáticas As diretrizes bioclimáticas são proposições genéricas que norteiam as decisões de projeto e geram as soluções bioclimáticas que são recursos arquitetônicos criados para suprir as diretrizes. Estas diretrizes são propostas a partir do estudo dos elementos e fatores climáticos. O estudo das diretrizes deve estar presente em todas as fases do projeto. A tabela 1 exemplifica uma matriz de diretrizes utilizada no projeto Casa Autônoma para o clima quente e seco. Nesta matriz completa, a diretriz é citada e avaliada a partir de dois critérios. O primeiro é a importância da diretriz em relação ao clima como um todo. O segundo critério avalia a importância da diretriz em relação ao projeto específico. São atribuídos valores a estes dois critérios da seguinte forma: Fundamental = 3 Importante = 2 Esporádico = 1
Tabela 1 – Diretrizes com grau de importância DIRETRIZ (A)
(B)
Adotar materiais com alta inércia térmica Proteger fachada noroeste Sombrear fachadas norte, leste e oeste Fartas aberturas Captar ventos frescos Umidificar a edificação Evitar ventos secos Usar vegetação abundante Captar sol para aquecimento
3 3 3 2 1 3 1 3 3
3 2 2 3 1 3 2 2 1
TOTAL ORDEM IMPORTÂNCIA 6 1 5 2 5 2 5 2 2 5 6 1 3 4 5 2 4 3
(A) Importância da diretriz em relação ao clima (B) Importância da diretriz em relação ao projeto
O somatório dos valores apurados coloca a diretriz em uma relação orientativa do seu grau de importância em relação às outras, possibilitando uma ferramenta decisória adicional na etapa de projeto. A seleção das melhores soluções para cada diretriz nos permite esboçar uma matriz na qual aparecem todas as diretrizes com suas respectivas soluções (tabela 2).
Tabela 2 – Diretrizes e soluções DIRETRIZ Adotar materiais com alta inércia térmica Proteger fachada noroeste Sombrear fachadas norte, leste e oeste Fartas aberturas Captar ventos frescos Umidificar a edificação Evitar ventos secos Usar vegetação abundante Captar sol para aquecimento da água
SOLUÇÃO Tijolos na parede, telha sanduíche na cobertura Colocação de uma massa térmica Instalar fartos beirais com 1,20 m Proporção média A/V=0,18 * Instalar captores eólicos Instalar espelhos d’água e fontes Bloquear ventos sudeste Instalar beirais verdes e jardins de inverno Maiores telhados para o norte
* A=área das aberturas do cômodo V=volume de ar do cômodo
Memorial Descritivo
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A figura 14 exemplifica algumas soluções para o Projeto Casa Autônoma baseadas na matriz apresentada na tabela 2. Aproveitamento da energia eólica Beirais verdes com vegetação Aproveitamento da energia térmica
Cúpula térmica
Fartos beirais
Umidificação do telhado Saída de ar quente Telha com proteção térmica Vaporização na fachada Captação de ventos com umidificação
Aproveitamento da energia solar
Cascata Espelho d’água
Fartas aberturas
L Paredes com alta inércia térmica
Figura 14 - Croqui com diretrizes e soluções
Massa térmica protegendo fachada Noroeste
N
S O
CROQUI COM DIRETRIZES E SOLUÇÕES BIOCLIMÁTICAS E SUSTENTÁVEIS DA CASA AUTÔNOMA
A estrutura A solução estrutural adotada compreende um vigamento de madeira independente com fechamentos de tijolo maciço em panos auto-portantes. Esta solução estrutural possibilitou uma amarração especial de toda a estrutura de forma a possibilitar o trabalho higromórfico da madeira, pois em nenhum momento a estrutura interage com os panos de fechamento, evitando as trincas na alvenaria e envergamentos na madeira que ocorrem freqüentemente em climas com grande variação de temperatura e umidade. Baseado neste princípio, foi criado um sistema estrutural para a Casa Autônoma batizado de SIC - Sistema Independente Compartilhado. No SIC, os panos de lajes estão simplesmente apoiados sobre a estrutura travada de madeira, permitindo a trabalhabilidade da mesma. As lajes funcionam como no sistema Steeldeck, contendo uma armação metálica como forma permanente sobre a armação de madeira e o interior de concreto armado.
Figura 15 - Laje sendo montada - forma metálica sobre viga de madeira
Figura 16 - Laje concretada
Memorial Descritivo
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DETALHE Cúpula
COBERTURA DE LONA RÍGIDA
VIGA DE MADEIRA
CÚPULA EM AÇO SAC
PÍLAR DE TIJOLO
CALHA DE CHAPA GALVANIZADA
ARMAÇÃO METÁLICA
BEIRAL VERDE
DETALHE Lajes, pisos e tabeira RODAPÉ TABEIRA DE MADEIRA REMOVÍVEL
PISO CONTRA-PISO LAJE DE CONCRETO FORMA METÁLICA PERMANENTE
CABEAMENTO
VIGA DE MADEIRA FORRO
PAREDE EXTERNA DE TIJOLO MACIÇO
DETALHE Alvenaria e estrutura de madeira
TIJOLO DE CONCRETO CELULAR PERFIL DE BORRACHA VIGA DE MADEIRA
PINO METÁLICO
PAREDE EXTERNA DE TIJOLO MACIÇO
DETALHE Pilar de madeira, vigas e estrutura de alvenaria
DETALHE Pilar, bloco e estaca PILAR DE MADEIRA
PINO METÁLICO
Figura 22 a 25 - Montagem da Lage
BASE DE CHAPA DE AÇO
MADEIRA DA ESTRUTURA
PARABOLT
ESTRUTURA DE MADEIRA
PILAR DE MADEIRA TIJOLO MACIÇO
CONCRETO ARMADO
BLOCO DE CONCRETO
ESTACA STRAUSS
Pequia (Caryocar Villosum) 0,93 g/cm³
Figuras 17 a 21 - Detalhes de estrutura
Memorial Descritivo
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Para os fechamentos de alvenaria, foram utilizados os blocos de concreto celular que são leves e fáceis de trabalhar. A interação da alvenaria com a estrutura no sistema compartilhado se dá através de pinos metálicos e uma interface que pode ser de metal ou borracha. Neste conceito, toda a alvenaria se torna portante mas permanece guiada pela estrutura, permitindo ainda a trabalhabilidade da mesma.
Figura 26- Parede de alvenaria com pino ancorando a estrutura de madeira
Figura 27- Estrutura de madeira e parede de tijolos de concreto celular
A alvenaria externa é toda em tijolinho maciço e se comporta de maneira independente e auto-portante.
Figura 28- Estrutura, paredes e telhado
Sistema de energia Os princípios de eficiência energética são fundamentais ao sucesso do projeto devido principalmente à necessidade da redução da carga instalada e do consumo de energia. Além dos conceitos de eficientização, o projeto procura também pesquisar a adequação das tecnologias de geração elétrica alternativa ao nível urbano, como alternativa para a economia doméstica e para o planejamento do sistema energético global. São premissas do projeto: 1) Otimização da iluminação natural; 2) Aquecimento de água através de captação solar; 3) Geração de energia por meios alternativos (solar e eólico); 4) Adequação da carga térmica aos níveis de conforto para minimizar o consumo energético com equipamentos climatizadores; 5) Prioridade de climatização por meios não mecânicos; 6) Controle luminotécnico; 7) Monitoração de equipamentos e de consumo;
Memorial Descritivo
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8) Autonomia de nobreak; 9) Utilização de equipamentos com comprovada eficiência a nível de consumo; 10) prioridade na utilização de lâmpadas de baixo consumo (9W e automotivas); 11) Iluminação de tarefas; 12) Cálculo rigoroso da iluminação requerida e fornecida; 13) Sistema autônomo de bloqueio de circuitos.
Planta elétrica e luminotécnica Toda a casa é suprida por um sistema simples de canaletas moldadas na própria laje e que são fechadas com tabeiras de madeira removíveis e que se harmonizam com os pisos na concepção decorativa. 12V POSITIVO 12V NEGATIVO 220V NEUTRO 24V POSITIVO 24V NEGATIVO 220V/110V TERRA 220V FASE/NEUTRO - CABO PP 110V FASE/NEUTRO - CABO PP Figura 29 - Cores da fiação elétrica
Figura 30 - Simulação da canaleta mostrando a tabeira de madeira, o rodapé, a canaleta com isolamento de borracha e a fiação
A planta elétrica tem como principal característica a separação entre os circuitos de tomada e de iluminação: Os circuitos de tomada são separados em circuitos de tensão 110 V estabilizada e circuitos de tensão 220V estabilizada. Alguns cômodos que se utilizem de equipamentos de tensão 110V, (computadores e periféricos), possuem um cabeamento elétrico semiestruturado, ou seja, um pequeno quadro de comando que possibilita a habilitação das tomadas em 110V ou 220V .
ESTUDIO
Figura 31 - Cabeamento elétrico semi-estruturado
Detalhe 220V - Fase/neutro - cabo pp 110v - Fase/neutro - cabo pp
Os cômodos são ainda supridos com um circuito opcional de tensão 24V com tomadas especialmente confeccionadas para a Casa Autônoma. Estes circuitos se prestam a alimentar equipamentos como câmeras de segurança, controladores do sistema de automação, mostruários digitais de temperatura, umidade , válvulas solenóide e outros.
Memorial Descritivo 10
Os circuitos de iluminação estão divididos em dois circuitos alimentados com 12V, operando com quatro tipos de lâmpadas: 1) Lâmpadas fluorescentes 4 pinos de 5W, 9W e 12 W com reator/inversor e alimentação 12V, cor amarela, instaladas em luminárias decorativas especialmente adaptadas para o Projeto Casa Autônoma; 2) Lâmpadas automotivas de 1W, 3W e 5W , alimentadas com 12V, cor amarela e luminárias projetadas e desenvolvidas pelo Projeto Casa Autônoma para se obter o máximo de eficiência luminotécnica.
Figura 32 - Lampada com inversor Figura 33 - Lâmpadas de 1W e 5 W
3) Lâmpadas dicróicas 20W e bipino 20 W - 12V 4) LEDs 12V É muito importante se ressaltar a importância da iluminação natural em um projeto de residência. Toda a concepção luminotécnica da Casa Autônoma teve como premissa a não utilização de iluminação artificial em todos os cômodos durante todo os dias considerados normais em termos de incidência de radiação solar. A figura 25 retrata a planta do quarto principal com os índices de iluminação alcançados ao longo do dia, medidos com luxímetro in locco. 3030
3030
1037
3020
NASCENTE
1480
3300
1870 1360
1680
Hora da medição: 10 horas da manhã Figura 34 - Medidas em Lux realizadas no quarto do primeiro pavimento
1255
933
933
3030
1247
Uma experiência interessante resultou no projeto de Captores Solares que estão em desenvolvimento para o teste em áreas específicas onde se tem uma maior distância até a fonte primária de luz natural. Os captores serão testados na área de serviço e na despensa.
Figura 35 - Esboço do captor solar no telhado
Memorial Descritivo 11
Um conceito importante e sempre presente na Casa Autônoma é o de Iluminação de Tarefas, onde se pretende iluminar com a quantidade suficiente e necessária, os objetos ou tarefas presentes em cada cômodo. Um conceito novo na área luminotécnica é a utilização dos LEDs que são diodos emissores de luz. As vantagens desta tecnologia de iluminação estão na elevada vida útil das lâmpadas (100.000 horas) e o reduzido consumo (0,5 W até 4 W). A Casa Autônoma estará instalando LEDs como apoio à iluminação estética principalmente na área da piscina térmica.
Figura 36 - Módulos de LEDs
Aquecimento (energia solar) O aquecimento da água será feito através do tradicional sistema de placas de aquecimento com acumulação em boiller. Serão utilizados equipamentos já consagrados no mercado e também testada uma nova tecnologia para aquecer a piscina que consiste de um sistema que trabalha com temperaturas mais elevadas (60° a 80 °) e com redução das perdas do sistema. Estudos estão sendo realizados no sentido de eliminar a resistência auxiliar do reservatório.
Geração de energia e transformação (inversão) Todas as instalações elétricas da Casa Autônoma estão sendo preparadas para se alcançar a autonomia de 100 % de geração em relação ao consumo. Esta autonomia será implantada de forma progressiva atendendo o seguinte cronograma: PRIMEIRA ETAPA circuitos de iluminação; SEGUNDA ETAPA circuitos de tomada para aparelhos de uso esporádico (tv, som, forno microondas, batedeira, liquidificador); TERCEIRA ETAPA circuitos de tomada para aparelhos de uso contínuo (geladeira, freezer, bombas automáticas, computador de controle); QUARTA ETAPA circuito de segurança e reserva. A geração de energia elétrica, ao longo de todas as etapas, será feita a partir de painéis fotovoltaicos e turbinas eólicas. É sabido que Brasília possui quase nenhuma viabilidade para a energia eólica. As pequenas turbinas disponíveis no mercado começam a produzir energia com ventos de 2,8 m/s. A média para Brasília na região urbana é de 3 m/s, ou seja, se tirarmos pela média, quase não teremos produção eólica. Para o Projeto Casa Autônoma, a energia eólica estará entrando mais como objeto de pesquisa, ou seja, poderemos estar monitorando a geração instantânea dia-a-dia e montando um quadro do comportamento eólico na prática. A pesquisa também abrange o estudo de um método de avaliação e dimensionamento
Memorial Descritivo 12
conhecido como Método de Freqüência Relativa. Este método serve como dimensionador de uma futura estação eólica e avalia com qual freqüência cada velocidade de vento incide ao longo do dia de forma percentual. Ao fim de um determinado período de tempo, podemos estabelecer a freqüência relativa de cada velocidade e estabelecer a produção eólica com mais segurança do que o tradicional método da velocidade média. O dimensionamento de sistemas autônomos está ligado diretamente ao desempenho do sistema como um todo. O desempenho relaciona três variantes principais: a energia requerida, a eficiência e a capacidade produtiva. A energia requerida é definida pelos elementos de utilização do sistema e pelas exigências específicas de conforto requeridas pelo clima. É calculada em função da potência, do consumo dos elementos e do tempo de utilização. A eficiência consiste da capacidade de obtenção do insumo com o mínimo de perda. As perdas são as parcelas de energia elétrica que são dissipadas em outras formas de energia e que não chegam ao destino final ou elemento de utilização. A capacidade produtiva é definida pela quantidade nominal de energia possível de ser gerada ou captada. A relação do desempenho do sistema é assim a relação entre estas três variantes. Um sistema autônomo com alto desempenho deve possuir alta eficiência com boa capacidade produtiva atendendo ao mínimo de energia requerida.
Dimensionamento O dimensionamento é a aplicação prática do estudo do desempenho e de suas variantes. No dimensionamento de um sistema autônomo de energia são analisados os geradores que são os fornecedores do insumo energético, os condutores que transmitem a energia (fios e cabos), os controladores de carga que regulam a voltagem do gerador e o estado de carga das baterias, os acumuladores (baterias) que armazenam a energia gerada para o aproveitamento futuro e os inversores transformam a corrente contínua gerada em corrente alternada própria a utilização na maioria dos equipamentos eletrodomésticos. A figura 28 representa um esquema típico de uma instalação autônoma I
CC -
-
B B
+
-
+
-
B B
+
DD
INVERSOR
+
Figura 37 - esquema exemplo de uma instalação autônoma
Para o dimensionamento dos painéis e banco de baterias foi utilizado um método simplificado de avaliação horária. A tabela 3 apresenta as médias de horas de insolação para Brasília e o valor adotado em projeto de 6,8 horas /dia de insolação: ano
jan
fev
mar
abr
mai
jun
jul
ago
set
out
nov
dez
média
1996
195
190
165
-
230
275
290
250
200
160
125
135
201,36
1997
-
-
105
135
235
230
275
300
190
205
175
150
200,00
1998
155
180
200
245
225
270
285
270
250
160
125
160
210,42
1999
190
100
195
240
260
245
285
285
200
175
150
145
205,83
2000
155
150
165
235
280
280
275
260
205
225
110
145
207,08
média
174
155
166
214
246
260
282
273
209
185
137
147
203,96
diária
5,79
5,17
5,53
7,13
8,20
8,67
9,40
9,10
6,97
6,17
4,57
4,90
6,80
Tabela 3 - Horas de insolação
Memorial Descritivo 13
Para atender a energia requerida o dimensionamento do Projeto Casa Autônoma deve ter as seguintes configurações: Características do Sistema Híbrido adotado em projeto: 9/1 (90% de geração solar e 10% de geração eólica) Total de energia ativa consumida diariamente: 6895 Wh/dia Tensão do sistema: 12 volts
ENERGIA REQUERIDA APARELHOS DE USO COTIDIANO APARELHOS DE USO ESPORÁDICO EQUIPAMENTOS BOMBAS E MOTORES ILUMINAÇÃO
2.800 Wh 1.008 Wh 1.036 wh 1.355 Wh 696 Wh
TOTAL
6.895 Wh/dia
TENSÃO DO SISTEMA CONSUMO EM AMPÉRES INSOLAÇÃO MÉDIA DE BRASÍLIA
12V 574,58 Ah/dia 6,8 horas/dia
DADOS
PAINEL FOTOVOLTAICO PAINEL DE 100 Wp DESEMPENHO DO PAINEL PRODUÇÃO PREVISTA
5,6 A 90% 34,27 Ah/dia/painel
PERDAS PERDAS DOS INVERSORES PERDAS ADICIONAIS PERDAS TOTAIS PRODUÇÃO COM PERDAS
15% 8% 23% 26,39 Ah/dia/painel
DIMENSIONAMENTO QUANTIDADE DE PAINEIS PRODUÇÃO TOTAL
BATERIAS
BATERIAS 150 Ah SUPORTE PARA PORDUÇÃO DIÁRIA AUTONOMIA 2 DIAS SEM PRODUÇÃO AUTONOMIA 2 DIAS PRODUÇÃO 50% SEGURANÇA PARA SOBRECONSUMO CARGA TOTAL QUANTIDADE DE BATERIAIS
22 unidades 580,57 Ah/dia 150 Ah 580,57 Ah 1.161,14 Ah 580,57 Ah 116,11 aH 2.588,38 18 unidades
Tabela 4 - dimensionamento do sistema fotovoltaico
Circuitos Na fonte, ou seja, no controle primário de comandos situado na sala de controle, os circuitos serão divididos em três categorias: Circuitos do cotidiano que são indispensáveis e não podem ser bloqueados. Circuitos principais que possam ser bloqueados atingido a situação crítica. Circuitos secundários que podem ser bloqueados na situação de alerta.
Memorial Descritivo 14
Sistema hidro-sanitário O sistema de abastecimento hidráulico da Casa Autônoma prevê uma autonomia de 100% em relação ao consumo previsto. Não se considera a obtenção de água potável da concessionária. A tabela 5 especifica a previsão de consumo por categoria.
DADOS QUANTIDADE DE USUÁRIOS CONSUMO INDIVIDUAL CONSUMO TOTAL TEÓRICO
5 200 litros/dia 1000 litros/dia
CONSUMOS BACIA SANITÁRIA LAVAGEM DE ROUPAS CHUVEIROS TORNEIRAS LAVAGENS PISCINA CLIMATIZAÇÃO ESPELHOS DÁGUA
35 % 350 litros/dia 22% 220 litros/dia 18 % 180 litros/dia 13 % 130 litros/dia 12 5 120 litros/dia 150 litros/dia 250 litros/dia 80 LITROS/DIA
CONSUMO TOTAL
1480 litros/dia
Tabela 5 - Consumo e dimensioanmento das águas
Didaticamente, o sistema hidro-sanitário foi separado em tipos que determinam em última instância, a qualidade e o uso final de cada tipo de água. Foi estabelecido um “caminho das águas” para a residência como exemplificado na figura a seguir. Esquema do fluxo e do reaproveitamento das águas
Reservatório superior Nº 1
Humidificação do telhado
Reservatório superior Nº 2
Reservatório superior Nº 3
Captação de água da chuva
Humidificação da fachada Cascata
Irrigação
ETADOM PARTE B Tratamento do esgoto primário
Filtro
Espelho d’água Dreno
Reservatório de águas pluviais
Irrigação
Filtro ETADOM PARTE A
PÇ
Poço
Tratamento do esgoto secundário
água A - água recolhida de poço
água E - água coletada de dreno intermediário
água B - água coletada da chuva
água F - servida (esgoto primário)
água C - água tratada em estação domiciliar (esgoto primário)
água G - servida (esgoto secundário)
água D - água tratada (esgoto secundário)
água H - para utilização nos elementos da casa
Figura 38 - caminho das águas
Memorial Descritivo 15
A capacidade total de armazenagem de todo o sistema hidro-sanitário é de 17.750 litros divididos da seguinte maneira: · 2 tanques para água da chuva de 7.500 lts; · 1 tanque para a ETADOM 1 com 1000 lts · 1 tanque para a ETADOM 2 com 1000 lts · 1 caixa d'água superior para a água potável com 250 lts · 1 caixa d'água superior para a água da chuva com 250 lts · 1 caixa d'água superior para a água do tratamento com 250 lts
Águas servidas O tratamento das águas servidas será feito através de estações de tratamento de esgoto domiciliar denominadas ETADOM. A ETADOM 1, mais simples se encarrega do esgoto secundário, as chamadas águas cinzas que abrangem as águas do chuveiro, pias e tanques e águas pluviais residuárias. A ETADOM 2 mais complexa, se encarrega do esgoto primário, as chamadas águas negras, que abrangem o vaso sanitário e a pia da cozinha que recebe a matéria orgânica do triturador de resíduos. A ETADOM completa foi desenvolvida visando a produção de água com qualidade para reuso conforme estabelece a NBR 13969. O sistema de filtragem através de septodifusores segue a norma técnica 17/99-XX, formulada pela Comission chargée de formuler des Avis Techiniques. Consiste em uma montagem de diversos equipamentos e seu principal mérito é se utilizar de tecnologias já consagradas e comprovadamente eficientes. 1) Caixa de gordura - A gordura é um elemento de difícil assimilação bacteriana, devendo assim ser retido em um reservatório especialmente desenvolvido para evitar qualquer contato da gordura com o sistema de tratamento; 2) Fossa séptica - Devidamente dimensionada (500 litros por pessoa) a fossa séptica cumpre a função de realizar o trabalho bacteriano de decomposição da matéria orgânica; 3) Caixa de passagem - Possibilita a visita e limpeza do sistema; 4) Septodifusor - Elemento filtrante que realiza o final do trabalho bacteriano, promovendo ainda uma aeração do sistema. É dimensionado a partir da quantidade de pessoas atendidas pela Etadom; 5) Caixa de areia - Realiza a filtragem da água em tratamento; 6) Manta geotêxtil - Impede a deposição de sedimentos e o entupimento da drenagem de brita; 7) Caixa de brita - Realiza a drenagem da água; 8) Manta plástica - Impede o extravio da água tratada possibilitando a captação; 9) Tubo de dreno - Realiza a captação da água tratada; 10) Filtro de macro-partículas - Realiza a filtragem de partículas sólidas que não foram assimiladas pelo sistema; 11) Filtro de carvão ativado - O carvão ativado possui grande capacidade de retenção de colóides e partículas orgânicas. No sistema ele realiza a filtragem final preparando a água para a esterilização; 12) Esterilização com ultra-violeta - Os raios ultra-violetas, em determinados Memorial Descritivo 16
comprimentos de onda, possuem a capacidade de deteriorar o DNA das bactérias, sendo assim poderosos bactericidas impedindo a formação de colônias. Na ETADOM este equipamento realiza a purificação final da água colocando os índices bacterianos dentro das normas para reuso; 13) Reservatório de água tratada - Acumula a água tratada para a utilização posterior; 14) Bomba - Direciona a água tratada para o reuso.
esquema do tratamento das águas servidas esgoto primário Vem dos vasos sanitários e da cozinha
Caixa de gordura
Fossa séptica
Caixa de passagem
Irrigação Septodifusor
Bomba de irrigação
Banco de areia Bidim Brita Tubo de dreno Lona impermeável
Caixa de passagem
Filtro de Carvão ativado e clorador Reservatório de água tratada
Figura 39 - Estação de tratamento de águas servidas - esgoto primário
esquema do tratamento das águas servidas esgoto secundário Caixa dágua
Vem dos chuveiros e lavagens
Caixa de sabão
Filtro decantador
Filtro carvão ativado
Figura 40 - Estação de tratamento de águas servidas - esgoto secundário
Águas da Chuva As águas da chuva serão captadas, filtradas e direcionadas para o armazenamento em tanques. O sistema para o reuso da água da chuva consiste nos seguintes equipamentos: Figura 16 - Laje concretada
Memorial Descritivo 17
1) Calha para recolhimento da água 2) Transporte para o armazenamento 3) Filtro especial para água da chuva 4) Freio d'água impede a mistura dos sedimentos acumulados no fundo da cisterna com a água nova que chega ao reservatório 5) Sifão - retirada das partículas em suspensão, saída do excedente de água e impedimento de formação da camada flutuante que pode ocasionar o impedimento da aeração da água 6) Sucção - proporciona a sucção a partir de uma camada segura da cisterna, logo abaixo da camada superior 7) Filtro carvão ativado/UV - promove a filtragem final e esterilização para a utilização na piscina.
esquema da captação das águas da chuva Caixa dágua Sistema de humidificação
Calhas
Reservatório
Filtro de água da chuva
Carvão ativado e ultra violeta
Piscina
Figura 41 - Captação e reaproveitamento das águas da chuva
Água potável A água potável será utilizada nos chuveiros e pias do banheiro e da cozinha. Esta água é retirada do solo a partir de um poço superficial e filtrada com equipamento que utiliza o carvão ativado como elemento filtrante e as lâmpadas ultra violeta como esterilizadores. O carvão tem a capacidade de retenção de partículas e colóides, além de eliminar odores e clarificar a água. A lâmpada ultra violeta destrói o DNA das bactérias impedindo sua multiplicação.
Figura 42 - Esterilizador com filtro de carvão ativado
Memorial Descritivo 18
Sistema de Climatização O sistema de climatização deverá ser feito prioritariamente por meios naturais utilizandose dos seguintes recursos: 1) Ventilação cruzada em toda a residência; 2) Utilização de espelhos d'água; 3) Controle da insolação incidente através de persianas retráteis; 4) Aberturas superiores para a saída do ar quente; 5) Proteção térmica dos telhados; 6) Orientação da edificação visando o aproveitamento correto da insolação e dos ventos; 7) Utilização dos beirais verdes com vegetação; 8) Utilização de beirais pronunciados para a redução da incidência dos raios solares na fachada; A utilização de sistemas de climatização mecânicos será feita somente quando os fatores temperatura e umidade se encontrarem em discordância com os níveis de conforto térmico dos usuários. Está prevista a utilização de dois sistemas mecânicos climatizadores de baixo consumo de energia que são a umidificação do telhado através de uma lâmina de água e o vaporizador da fachada. Estes dois sistemas serão controlados através do gerenciamento e somente serão ligados quando a temperatura e umidade atingirem valores distintos dos recomendados para níveis aceitáveis de conforto térmico. A cúpula térmica é um elemento termo-regulador que, na pesquisa, servirá para avaliar o desempenho dos diversos elementos climatizadores em relação as temperaturas internas e externas e a manutenção dos níveis de conforto térmico. A cúpula conta com um sistema de persiana externa retrátil e uma umidificação do pano translúcido.
Figura 43 - Foto da maquete mostrando a cúpula térmica
Sistema de gerenciamento e automação O sistema de gerenciamento e automação é composto de uma central micro-processada monitorada via computador através de um software específico. A central é capaz de comandar diversas funções como controle de temperatura e umidade, acionamento de equipamentos e detecção de acesso. A central é composta de módulos que se interagem de acordo com o esquema da figura a seguir.
Figura 44 - Equipamentos de controle e automação
Memorial Descritivo 19
Ao nível da pesquisa, estarão sendo monitorados online, diversos parâmetros divididos em duas categorias: climático e energético.
Monitoramento climático O monitoramento climático consiste na análise da situação térmica e de umidade ao longo do dia e durante todos os dias do ano. Este monitoramento é executado através do sistema de sensores e controladores. O monitoramento deve avaliar os dados diários, compará-los com os parâmetros e fornecer a informação ou comando para uma ação reguladora. A ação reguladora age diretamente nos elementos termo-reguladores com o objetivo de produzir um ajuste de temperatura ou umidade. Logicamente só poderão receber uma ação reguladora os elementos passivos e mecânicos que tiverem as condições de mobilidade e autonomia previamente estabelecidos em projeto. A possibilidade de utilização de um software de controle propicia a avaliação do ajuste efetuado, checando os dados com os cálculos prévios e gerando relatórios diários. A avaliação dos dados diários de temperatura e das ações ao longo de um período possibilita a avaliação do desempenho dos elementos termo-reguladores indicando o grau de sua eficiência. MONITORAMENTO CLIMÁTICO AÇÃO REGULADORA
SENSOR
CONTROLADOR
ELEMENTOS TERMO REGULADORES
PARÂMETROS DE CONTROLE ELEMENTO SUPERVISOR (COMPUTADOR)
Figura 45 - Esquema do monitoramento climático
Monitoramento energético O monitoramento energético é capaz de avaliar os parâmetros de consumo diário, produção diária dos geradores (solar e eólico), estado de carga das baterias, desempenho do sistema em relação ao projetado e desvio do desempenho. Como respostas à avaliação dos parâmetros, o sistema deve ser capaz de produzir as ações de alarme do sobreconsumo, alarme da situação crítica e bloqueio de circuitos. O sobreconsumo é o consumo acima do parâmetro previsto para determinada situação. Um estudo dos riscos do sobreconsumo avalia a situação de fartura que é quando a produção excede o consumo diário, sobrando carga para a reposição do banco de baterias, a situação de normalidade, na qual a produção é suficiente para garantir o abastecimento normal, a situação de alerta em que a produção é ligeiramente inferior ao consumo diário, provocando um decréscimo acumulativo do estoque do banco de baterias e a situação crítica em que há um grande decréscimo da carga do banco de baterias que coloca em risco o atendimento ao sistema, requerendo uma ação imediata através do bloqueio de circuitos.
Memorial Descritivo 20
MONITORAMENTO ENERGÉTICO
GERADORES
ELEMENTOS CONSUMIDORES
ARMAZENAGEM
MEDIDOR MEDIDOR
PARÂMETROS DE CONTROLE
AÇÃO REGULADORA
ELEMENTO SUPERVISOR (COMPUTADOR)
+
TURBINA EÓLICA CONJUNTO 01
PAINÉIS FOTOVOLTAICOS CONJUNTO 01
-
M VOLTS
M ch
B
Figura 46 - Esquema do monitoramento energético
ch
VOLTS
ch
BANCO DE BATERIAS RESERVA
ch
M
+
VOLTS
B
M
-
CIRCUITO 1 12 V
AMPÉRES
BANCO DE BATERIAS Nº 1
CONTROLADOR DE CARGA
iv
M
12/24V
AMPÉRES
CIRCUITO 6 24 V
M AMPÉRES
ch
PAINÉIS FOTOVOLTAICOS CONJUNTO 02
M VOLTS
CONTROLADOR DE CARGA
+
B
ch ch
-
BANCO DE BATERIAS Nº 2
M
M
220 V
CIRCUITO 4 220 V
AMPÉRES
ch
M
CIRCUITO 3
AMPÉRES
ch
12/220 V
M
AMPÉRES
ch
MONITORAMENTO 20 PONTOS
220 V
AMPÉRES
M iv
CIRCUITO 2
CIRCUITO 5 220 V
AMPÉRES
ch REDE
Figura 47 - Esquema da instalação elétrica
Memorial Descritivo 21
A seguir, são listadas algumas funções do monitoramento da central de energia, A) Medição da geração instantânea dos painéis fotovoltaicos do conjunto 1 0 a 100 A B) Medição da geração instantânea dos painéis fotovoltaicos do conjunto 2 0 a 100 A C) Medição do estado de carga do banco de baterias nº1 10 a 13 V D) Medição do estado de carga do banco de baterias nº2 10 a 13 V E) Medição do estado de carga do banco de baterias reserva 10 a 13 V F) Medição da geração instantânea das turbinas eólicas 0 a 40 A G) Medição de consumo do circuito 1 (Amperes) H) Medição de consumo do circuito 2 (Amperes) I) Medição de consumo do circuito 3 (Amperes) J) Medição de consumo do circuito 4 (Amperes) K) Medição de consumo do circuito 5 (Amperes) L) Chaveamento eletrônico da ligação entre os bancos de bateria 12V M) Chaveamento eletrônico da ligação da rede com o circuito 2 N) Chaveamento eletrônico da ligação da rede com o circuito 3 O) Chaveamento eletrônico da ligação da rede com o circuito 4 P) Chaveamento eletrônico da ligação da turbina eólica com os bancos de baterias principais Q) Chaveamento eletrônico da ligação da turbina com o banco de baterias reserva R) Chaveamento eletrônico do banco de baterias reserva com os bancos de baterias principais.
Comunicação de dados A automação deve necessariamente participar do sistema de Cabeamento Estruturado da seguinte forma: COMUNICAÇÃO HORIZONTAL - Canaletas especiais no piso (tabeira removível) instaladas sobre laje steel deck e eletrocalhas especiais no teto COMUNICAÇÃO VERTICAL - Dutos ligando os armários COMUNICAÇÃO COM CONTROLES - Portais das portas especialmente desenvolvidos para receber interruptores, fiação, sensores, câmeras, etc.
ESQUEMA DEMOSTRATIVO DO CABEAMENTO ESTRUTURADO
Computador
Impressorsa
ADO Sensores
Auxiliary disconnect out lef - tomada de desconexão auxiliar
Controlador
Telefonia
Ponto de demarcação
Video interno
Patch Panel conexão cruzada
Áudio
Interfonia
TV cabo
Figura 48 - Esquema do cabeamento estruturado
Memorial Descritivo 22