The impact of window systems dimensioning on thermal performance of a wind driven ventilated building

Orientador: Lucila Chebel LabakiDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e UrbanismoResumo: A ventilação natural é uma estratégia passiva de resfriamento que pode contribuir para a redução do consumo energético em edifícios, mas sua aplicação requer conhecimento especializado e simulações demoradas. Para viabilizar o uso da ventilação natural aos projetistas são necessárias diretrizes simplificadas e confiáveis. Entretanto, as normas atuais sobre ventilação natural precisam de maior aprofundamento, pois elas apenas regulam o número de trocas de ar ou porcentagens de área de janelas, sem considerar outros parâmetros importantes. Neste sentido, o objetivo desta pesquisa foi investigar o impacto do dimensionamento de sistemas de aberturas no desempenho térmico de ambientes residenciais e ventilados pela ação dos ventos. O estudo se dividiu em três fases. Primeiro foi verificada a influência de diversos parâmetros geométricos de dimensionamento de sistemas de abertura na ventilação de um cômodo. O estudo foi realizado por simulação CFD (Dinâmica de Fluidos Computacional) através do software CFX ANSYS 16.2, que permitiu avaliar a velocidade e fluxo do ar. Na segunda fase foi investigado o efeito da obstrução do entorno e diferentes ângulos de incidência do vento no fluxo de ar. O objeto deste estudo foi um prédio residencial no formato de duplo "H" localizado em Piracicaba, SP. Também foi adotada a simulação em CFX ANSYS 16.2 para obtenção dos dados, simulando diferentes obstruções do entorno e variando os ângulos de incidência do vento. Então, dando continuidade a este experimento (fase três), foi verificada a influência de diversas configurações de sistemas de abertura no desempenho térmico do mesmo edifício. Desta vez foram simuladas várias configurações utilizando os softwares CFX ANSYS 16.2 e Energy Plus. O índice graus dia de conforto adaptativo foi adotado como indicador de desempenho térmico nesta fase. Os resultados da primeira fase indicam que a área de abertura não é o único parâmetro relevante para o dimensionamento de sistemas de ventilação pela ação dos ventos. Já na segunda fase ficou claro que o nível do pavimento onde a janela se encontra influencia a velocidade de entrada do ar. Também se observou que as obstruções do entorno têm maior influência no fluxo de ar do pavimento térreo. Por fim, o formato em "duplo H", não provê boa ventilação em todos os apartamentos. Então, na terceira fase, foi identificado que em prédios baixos é importante considerar a posição da janela em planta, a altura acima do solo, a obstrução do entorno e a orientação da abertura. Pesquisas futuras poderiam seguir o mesmo procedimento para estender os resultados para outras regiões bioclimáticas e formatos de prédios. Por fim, o trabalho estimula a qualidade do ambiente construído por aprofundar os conhecimentos sobre o dimensionamento de aberturas visando boa ventilação natural, e assim contribui com a diminuição dos gastos energéticos para condicionamento artificial dos ambientesAbstract: Wind driven ventilation is a passive cooling strategy that can be a powerful ally to reduce energy consumption in buildings, but it requires specialized knowledge and time investment. In order to make it more available to designers reliable and simplified guidelines are necessary. However, current ventilation standards require further developments since they only regulate minimal air change rate or percentages of window area, without considering other important parameters. In this regard, the purpose of this research is to investigate the impact of window systems dimensioning on thermal performance of a wind driven ventilated buildings. The study was divided into three steps. First, we investigated the influence of various geometric parameters of window systems dimensioning at the ventilation of a room. The simulations for the study occurred in CFD (Computational Fluid Dynamics), with the CFX ANSYS 16.2 software, and allowed to evaluate the airflow and wind speed. The second step intended to evaluate the effect of surroundings obstruction at different wind attack angle on the airflow. The object of this study is a residential building configured as a "double H" located in Piracicaba, São Paulo State (Brazil). The adopted method was using simulations in ANSYS CFX. Then, continuing this experiment (step three), it was verified the influence of different configurations of window systems on the thermal performance of the same building. In this experiment, several configurations were simulated with the software Energy Plus coupled with CFD (ANSYS CFX). The index Adaptive Comfort Degree-Days was adopted as a thermal performance indicator for this step. The results of the first step indicate that the opening area is not the only parameter to be considered to achieve proper natural ventilation; others criteria such as placement of the window on the façade, its proportion and orientation were also influential. The second step shows that the floor level influences the air velocity. It was also observed that the surroundings obstructions have greater influence on airflow at the ground floor. The shape of the studied building does not provide good ventilation in all apartments. Finally, at the third step, It was verified the best windows sizes for each situation. It was shown that proper window dimensions depend on the window location, building orientation and the presence of obstruction. The work provides simplified guidance to the windows design, thus, it stimulates the quality of the built environment and contributes to decreasing energy expenses with artificial conditioningMestradoArquitetura, Tecnologia e CidadeMestra em Arquitetura, Tecnologia e Cidade01P04375/15CAPE