Controle adaptativo de ventilação passiva para edifícios comerciais : análise termoenergética em climas brasileiros

Abstract

Resumo: O consumo de energia para resfriamento em edifícios tem aumentado globalmente devido à frequência e à intensidade crescentes de eventos climáticos extremos, bem como à subsequente adoção de sistemas de climatização artificial, como os de ar condicionado (AC). É esperado que esse consumo aumente ainda mais nas próximas décadas. No Brasil, o consumo final de eletricidade cresceu 5,5% em 2024. Os setores que mais contribuíram para este avanço foram os de edificações residenciais e comerciais. Estratégias de controle de ventilação passiva representam uma medida de eficiência energética ao identificar oportunidades de utilizar o ar externo para reduzir a carga térmica dos edifícios. Este trabalho tem como objetivo investigar a influência do controle automatizado de ventilação passiva no desempenho termoenergético de uma edificação comercial, considerando diferentes composições construtivas e contextos climáticos. A partir de simulações computacionais, três estratégias de ventilação foram comparadas: (i) uso exclusivo de sistema AC, (ii) ventilação de modo misto (VMM), que consiste na alternância entre a ventilação natural por aberturas das janelas com o sistema AC, e (iii) ventilação de modo misto por fans (VMMF), que consiste em trocas de ar nas condições naturais a taxas pré definidas alternando com o sistema AC. O controle desenvolvido para os modos de condicionamento misto baseia-se no modelo de conforto térmico adaptativo da ASHRAE 55. Com base nos resultados obtidos, foi possível concluir que as variações nos componentes construtivos podem ampliar significativamente os ganhos de desempenho da edificação, especialmente nas estratégias de condicionamento misto. Identificaram-se ainda limites de massa térmica, além dos quais os aumentos adicionais não resultaram em ganhos de desempenho contínuos. A implementação da VMM proporcionou reduções no consumo energético em todos os climas testados quando comparada ao uso exclusivo de AC, embora com desempenhos distintos. No clima quente e úmido (As), as reduções foram limitadas, enquanto, no clima subtropical úmido (Cfa) e temperado (Cfb), essa modalidade de operação apresentou maior potencial de economia energética. No modo VMMF, o impacto das altas taxas de ventilação variou conforme o clima: desfavorável na região quente e úmida (As), condicionado à alta massa térmica interna no clima temperado (Cfb) e mais eficaz na redução de carga térmica no clima subtropical úmido (Cfa). Esses resultados oferecem subsídios a projetistas que buscam otimizar a eficiência energética por meio de estratégias de ventilação adaptadas às condições climáticas locais

Abstract: Energy consumption for cooling in buildings has been rising globally due to the increasing frequency and intensity of extreme climate events, as well as the subsequent adoption of artificial conditioning systems such as air conditioning (AC). This demand is expected to grow even further in the coming decades. In Brazil, final electricity consumption increased by 5.5% in 2024, with the residential and commercial building sectors contributing most significantly to this rise. Passive ventilation control strategies represent an energy-efficiency measure by identifying opportunities to use outdoor air to reduce building thermal loads. This study aims to investigate the influence of automated passive ventilation control on the thermal–energy performance of a commercial building, considering different construction assemblies and climatic contexts. Using computational simulations, three ventilation strategies were compared: (i) exclusive use of AC systems, (ii) mixed-mode ventilation (MMV), which alternates between natural ventilation through window openings and AC operation, and (iii) mixed-mode ventilation with fans (MMVF), which involves air exchange under natural conditions at predefined airflow rates alternating with AC operation. The control logic developed for the mixed-mode strategies is based on the ASHRAE 55 adaptive thermal comfort model. Based on the results, it was concluded that variations in construction components can significantly enhance building performance, particularly under mixed-mode conditioning strategies. Thresholds of thermal mass were also identified, beyond which additional increases no longer yielded continuous performance gains. The implementation of MMV led to reductions in energy consumption across all tested climates when compared with exclusive AC use, although with varying effectiveness. In the hot–humid climate (As), reductions were limited, whereas in the humid subtropical (Cfa) and temperate (Cfb) climates, this operational mode demonstrated greater potential for energy savings. Under MMVF, the impact of high ventilation rates varied by climate: unfavorable in the hot–humid region (As), dependent on high internal thermal mass in the temperate climate (Cfb), and more effective in reducing thermal loads in the humid subtropical climate (Cfa). These findings provide valuable insights for designers seeking to optimize energy efficiency through ventilation strategies tailored to local climatic conditions