Método de avaliação multicritério de estratégias de projeto de edificações mais sustentáveis

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2017.O setor da construção civil é um dos maiores consumidores de recursos naturais e energia do mundo. As estratégias de projeto para melhorar a eficiência energética são uma solução para aumentar o desempenho de um edifício. No entanto, na maioria dos casos, tais estratégias são avaliadas somente na fase operacional de uma edificação. Para escolher de maneira correta as estratégias de projeto de edifícios, elas devem ser analisadas com uma abordagem multidisciplinar baseada no desenvolvimento sustentável. O conceito de desenvolvimento sustentável baseia-se em três pilares: ambiental, econômico e social. Através do equilíbrio destes três fatores principais, um produto pode ser definido sustentável. Outro aspecto de grande relevância são os efeitos das mudanças climáticas que afetam diretamente o comportamento térmico e energético dos edifícios. Por este motivo, esses efeitos devem ser considerados no desempenho das edificações durante suas vidas úteis. Neste contexto, o objetivo principal desta tese é propor um método que permita escolher estratégias de projeto mais adequadas para obter edificações mais sustentáveis. O método proposto baseia-se no conceito de desenvolvimento sustentável em edifícios. Através da combinação de simulações termoenergéticas, Avaliação do Ciclo de Vida, Análise de Custo do Ciclo de Vida, método de conforto adaptativo e método de tomada de decisão multicritério será possível escolher as estratégias de projeto mais sustentáveis a serem aplicadas nas edificações. Os quatro parâmetros utilizados para avaliar as estratégias de projeto em edifícios são: as horas de conforto obtidas através do método do conforto térmico adaptativo, a demanda de energia no ciclo de vida, as emissões de dióxido de carbono no ciclo de vida e o custo financeiro das estratégias de projeto no ciclo de vida. Além disso, para investigar os efeitos das mudanças climáticas nas edificações, utilizou-se o cenário A2 do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas. Para quantificar esses impactos, o programa computacional Climate Change World Weather File Generator foi utilizado para gerar os arquivos climáticos dos anos de 2020, 2050 e 2080. O método proposto foi aplicado em dois países: Brasil e Itália. Uma edificação residencial unifamiliar localizada em três cidades brasileiras foi avaliada considerando vida útil de 63 anos. Neste estudo de caso, foram analisadas doze estratégias de projeto. Foram avaliados quatro elementos de sombreamento, dois tipos de isolantes térmicos, dois revestimentos de paredes externas, dois forros e dois tipos de janelas. Na Itália, um edifício residencial multifamiliar, localizado em Milão, foi avaliado considerando vida útil de 100 anos. Neste contexto, foram avaliadas três estruturas diferentes da edificação: X-Lam, estrutura em concreto armado e em aço. As três estruturas foram analisadas com materiais de isolamento e da envoltória diferentes. Assim, foram avaliados seis estudos de caso: estrutura em X-Lam e lã de rocha (caso real), X-Lam e fibra de madeira, estrutura em concreto armado com blocos de concreto celular, concreto armado com tijolos cerâmicos rettificati (com funções de isolamento térmico), estrutura em aço e paredes leves com lã de rocha, estrutura em aço e paredes leves com fibra de madeira. O programa computacional EnergyPlus foi utilizado para estimar o consumo anual de energia para aquecimento e resfriamento e para avaliar as horas de conforto na edificação com as diferentes soluções de projeto. A avaliação do ciclo de vida energético e das emissões das estratégias de projeto foi realizada por meio do uso de base de dados nacionais e internacionais. Diferentes cenários de manutenção das soluções de projeto também foram aplicados para verificar a influência destes na avaliação do ciclo de vida. A fase de reuso no ciclo de vida das estratégias de projeto foi analisada exclusivamente a título informativo para verificar a importância dela na avaliação da ACV. Por fim, os preços das diferentes estratégias de projeto e das atividades para sua aplicação foram obtidos através do Sistema Nacional de Pesquisa de Custos e Índices da Construção Civil (SINAPI) e da Camera di Commercio di Milano, respectivamente no estudo de caso no Brasil e na Itália. A inflação média dos índices de preços ao consumidor dos últimos dez anos nos dois países foi utilizada para avaliar os custos futuros das estratégias de projeto. Um questionário foi aplicado a 30 profissionais no setor da construção civil na região de Milão para identificar as prioridades dos quatro parâmetros e utilizar o método de tomada de decisão multicritério na escolha final das estratégias de projeto. Os resultados obtidos mostraram que através da aplicação do método proposto é possível identificar as estratégias de projeto mais adequadas para se obter edificações mais sustentáveis. Os efeitos das mudanças climáticas nas edificações resultaram ser evidentes tanto no estudo de caso brasileiro quanto no italiano. O aumento da temperatura média anual e da radiação global reduzirão o consumo de energia para aquecimento, mas aumentarão o consumo para o resfriamento interno das edificações. No estudo de caso brasileiro os resultados mostraram que estratégias de projeto que obtiveram bom desempenho energético na fase operacional, nem sempre proporcionaram comportamento adequado nos quatro parâmetros avaliados. As soluções de projeto aplicadas na edificação em três cidades no Brasil resultaram em desempenhos diferentes. Os três cenários de manutenção influenciaram de forma significativa os resultados finais dos parâmetros que avaliam o ciclo de vida das estratégias de projeto, enquanto os diferentes cenários de transporte apresentaram influência menor. Nos dois estudos de caso avaliados, no Brasil e na Itália, as bases de dados utilizadas tanto na avaliação energética quanto na avaliação das emissões de CO2 podem modificar de forma significativa os resultados finais para a seleção das estratégias de projeto. A escolha adequada da base de dados é uma das maiores críticas na avaliação da ACV. A aplicação do método de tomada de decisão multicritério resultou ser um instrumento útil para seleção da melhor solução de projeto. No estudo de caso italiano os resultados mostraram que a solução de projeto com o maior nível de sustentabilidade foi a estrutura de concreto armado com tijolos cerâmicos rettificati (com funções de isolamento térmico), seguida pela estrutura em concreto armado com blocos de concreto celular e a estrutura em X-Lam e fibra de madeira, em comparação com o caso atual da edificação. Esta tese demonstrou a necessidade de aplicar o método proposto para garantir a escolha correta de estratégias de projeto que permitam obter edificações mais sustentáveis. O método apresentado pode ser aplicado em outras tipologias de edificações e em contextos diferentes. Através de uma abordagem mais holística na escolha das estratégias de projeto será possível obter edificações mais eficientes energeticamente, com melhor conforto térmico, reduzindo, ao mesmo tempo, as emissões e os custos financeiros.Abstract : The building sector is one of the largest consumers of natural resources and energy in the world. Design strategies to improve the energy efficiency are a solution to increase the performance of a building. However, in most cases, such strategies are assessed only in the operational phase of a building. In order to evaluate the correct way to choose design strategies in buildings, they should be analysed taking into account a multidisciplinary approach based on sustainable development. The concept of sustainable development is based on three pillars: sustainable economic growth, social development and environmental protection. By balancing these three main factors, a product can be defined as sustainable. Likewise, the effects of climate change directly affect the energy and thermal behaviour of buildings. For this reason these effects should be considered in the thermal and energy performance of buildings during their life cycle. Thus, the main objective of this thesis is to propose a method that allows to choose design strategies more appropriate to lead to more sustainable buildings. The method is based on the concept of sustainable development in buildings. Through the combination of building energy simulation, Life Cycle Assessment, Life Cycle Cost, indoor comfort conditions and the multicriteria decision-making method it is possible to choose the most sustainable design strategies to be applied in buildings. The four parameters used to evaluate the design strategies in buildings are: the indoor thermal comfort hours obtained through the adaptive thermal comfort method, the energy demand over the life cycle, the carbon dioxide emissions over the life cycle and the monetary cost of the strategies over the life cycle. Furthermore, to investigate the effect of the climate change in buildings, the scenario A2 of the Intergovernmental Panel on Climate Change was used. To quantify these impacts, the Climate Change World Weather File Generator was used to produce weather data for future typical meteorological years, i.e., 2020, 2050 and 2080. The method was applied in two countries: Brazil and Italy. A single-family house located in three Brazilian cities was evaluated considering a 63-year lifespan. In this case study, twelve design strategies were analysed: four shading devices, two thermal insulations, two coating exterior walls, two roofs an two typologies of windows. In Italy, a multifamily residential building, located in Milan, was evaluated based on a 100-year lifespan. In this context, three different structure of the building were evaluated: X-Lam, reinforced concrete frame and steel frame. The three structures were analysed with a different insulation or envelope materials. Eventually, six case studies of the building were evaluated: X-Lam and rock wool (actual case), X-Lam and wood fibre, reinforced concrete frame with cellular concrete blocks, reinforced concrete frame with heat-insulating clay block brick, steel frame and drywall with rock wool and steel frame and drywall with wood fibre. The EnergyPlus computer programme was used to estimate only the annual energy consumption for air-conditioning and the indoor comfort hours in the different cases of buildings. The energy and emissions life cycle of the design strategies were obtained through the use of national and international databases. Different maintenance scenarios of the design solutions were also applied to verify their influence on the life cycle assessment. The reuse phase in the life cycle was analysed exclusively for informative purposes to verify the importance of it in the evaluation of the LCA. Finally, the prices of the different design strategies as well as the activities for its application were obtained through the Sistema Nacional de Pesquisa de Custos e Índices da Construção Civil (SINAPI) and the Camera di Commercio di Milano, respectively in the case study in Brazil and in Italy. The average inflation rate in the last ten years in the two countries was used to estimate the future costs. To analyse the four parameters used in this study, 30 traders of the construction sector from the region of Milan were selected to participate in the survey in order to set the criteria weights and determine their priority. The results showed that through the application of the proposed method it is possible to identify the most appropriate design strategies for more sustainable buildings. The effects of climate change on buildings are evident in the Brazilian and Italian case studies. The increase in the average temperature and global solar radiation, will reduce the consumption for heating, but on the other hand will increase the consumption for the internal cooling of the buildings. In the Brazilian case study the results show that the design strategies that obtained a good energy performance in the operational phase, do not always provide an adequate behaviour in the four sustainability parameters evaluated. Among the three cities analyzed, the design solutions applied in the building presented a different performance. The three maintenance scenarios significantly influence the final results of the parameters evaluated in the life cycle of the design strategies, while the different transport scenarios presented a smaller influence. In the two case studies evaluated in Brazil and Italy, the different data-bases used in the primary energy demand and carbon emissions parameters can significantly modify the final results for the selection of the project strategies. The adequate selection of the database is one of the main problems in the evaluation of LCA. Also, the application of the multicriteria decision-making method proved to be a useful instrument for selecting the best final design solution. In the Italian case study the results showed that the design solution with the highest level of sustainability was the reinforced concrete frame with rectified bricks, followed by the reinforced concrete frame with cellular concrete blocks and the frame in X-Lam and wood fibre, compared to the actual case of the building. This thesis has demonstrated the need to apply the proposed method to ensure the correct choice of design strategies for more sustainable buildings. The method used can be applied in different types of buildings and locations. Through a more holistic approach to choose the design strategies in buildings we will improve the energy efficiency and the indoor comfort conditions by reducing emissions and financial cost