O projeto vencedor do Concurso Estação Antártica Comandante Ferraz
Novas instalações estarão em operação até março de 2015
Plano geral do projeto
(crédito: Divulgação Petinelli)
Uma equipe de profissionais de Curitiba, liderados pelo arquiteto Fábio Henrique Faria, do Estúdio 41, venceu o Concurso Estação Antártica Comandante Ferraz. Além da contratação, a equipe recebeu um prêmio de R$ 100 mil. O lançamento da pedra fundamental da estação está previsto para o próximo verão antártico. De acordo com o planejamento da Marinha Brasileira, responsável pela base, as novas instalações estarão em operação até março de 2015. O projeto vencedor contou, também, com a consultoria em sustentabildade da Petinelli Inc.
Com uma área total em torno de 3,2 mil m², a estação será reconstruída no mesmo local onde estava a anterior, destruída em um incêndio em fevereiro de 2012. Com um investimento na ordem de R$ 72 milhões, ela poderá acomodar até 64 pessoas durante o verão e 34 no inverno. A estação abrigará uma população formada por militares da Marinha e pesquisadores. Os civis, de maneira geral, permanecem em pesquisas por períodos de 30 dias, durante o verão antártico, que vai de novembro a março. Já os militares ficam na estação durante um ano para apoiar o desenvolvimento das atividades de pesquisa, prover a manutenção das instalações e manter, permanentemente, a presença brasileira no continente.
Estação será construída no mesmo local onde funcionava a anterior, destruída por um incêndio
(Divulgação: Petinelli)
Sistemas e Instalações
A demanda de energia estimada, levando em conta as estratégias e materiais isolantes adotados pela proposta, é de aproximadamente 300kW. A maior parcela desta demanda parte dos sistemas de calefação e aquecimento de água de consumo.
Para a calefação está previsto um sistema radiante, com radiadores instalados em cada ambiente interno. Os radiadores são associados individualmente a sensores de presença e termostatos que, por sua vez, enviam informações ao sistema de automação.
O sistema de radiadores foi escolhido em detrimento do sistema de aquecimento por piso radiante pelo fato de apresentar algumas vantagens relevantes para o projeto. Dentre as vantagens estão o menor custo de aquisição, instalação mais simples, menor custo de operação, devido a sua rápida resposta à demanda - os ambientes desocupados podem permanecer a temperaturas inferiores, sendo capazes de atingir a temperatura de ocupação rapidamente -, e ainda permite de forma mais simples a setorização do sistema por ambiente (caso um radiador não esteja funcionando, ele pode ser desligado de forma independente do resto do sistema). Na Antártica, onde a reposição de peças é dificultada, é fundamental ter sistemas de simples operação e manutenção.
Para o sistema de aquecimento de água de consumo, o circuito da caldeira poderá ser complementado por um sistema de termoacumulação interno ao edifício. Adicionalmente, há previsão de recuperação de calor nos geradores, incineradores e junto à rede de coleta de água quente dos chuveiros e torneiras.
Radiadores revelaram-se a melhor opção para o aquecimento
(Divulgação: Petinelli)
Estratégias para conforto ambiental
O centro das estratégias de conforto ambiental foi o desenvolvimento da envoltória, visando limitar a perda de calor ao mínimo possível.
Um ponto relevante do projeto foi a definição do perfil de temperatura desejado para cada ambiente da estação. Com esta definição, o programa de necessidades foi também agrupado segundo três fatores:
- ambientes com perfil de temperatura similar;
- padrão de ocupação dos ambientes ao longo do dia;
- sazonalidade de ocupação dos espaços da estação (diferença entre o verão e o restante do ano).
A partir dessas premissas, foram realizadas duas séries de simulações empregando o software EnergyPlus: uma para análise da envoltória, e outra para análise do sistema de calefação.
Para a série de simulações da envoltória foram analisadas diferentes espessuras de placas a base de Poliisocianurato (PIR). Nessa série de simulações foi identificada a espessura ótima de 25cm para esse componente da envoltória. Como pode ser visto no gráfico, o incrementos dessa espessura a partir de 250mm tem baixa influência sobre a transmitância térmica da parede.
Para a série de simulações do sistema de calefação, o objetivo foi avaliar a redução do consumo de energia desse sistema quando utilizados diferentes setpoints para cada ambiente, comparado ao emprego de um setpoint único para toda a estação. A intenção da equipe de projeto foi ilustrar como a operação do sistema pode ser tão determinante, se não mais, que a eficiência do sistema em si. Ao reduzir a temperatura de ambientes como corredores, cozinha, áreas de manutenção e estoque, foi possivel reduzir o consumo de energia pelo sistema de calefação.
Para essa avaliação foi utilizado um modelo da EACF provido de sistema de calefação por aquecimento ativo com placas convectivas radiantes acionadas por resistências elétricas. A redução de consumo do sistema foi comparada a um sistema com setpoint constante e igual a 210C em todos os ambientes da estação.
Input de dados para a simulação
Envoltória:
Para os fechamentos externos foi utilizada a seguinte composição de materiais: camada de chapa metálica, painéis de PIR e placas OSB (Oriented Strand Board). Nos fechamentos internos foram utilizadas camadas de OSB, PIR e OSB novamente. Os vidros utilizados foram do tipo clear com tripla camada.
Cargas Internas
- Iluminação: potências apresentadas no capítulo 9 da norma ASHRAE 90.1-2007
- Equipamentos: 16W/m2
- Pessoas: 0.126 pessoas/m2 para dormitórios, 0.3 pessoas/m2 para salas técnicas e 0.5 pessoas/m2 para refeitórios.
Renovação de Ar
Foi adotada uma taxa de renovação de 0.0075m3/s por pessoa conforme a resolução RE09, de 16 de janeiro de 2003 da ANVISA.
Resultados da simulação
No primeiro modelo, simulado com setpoint constante (210C) em todos os ambientes da estação, o sistema de calefação foi responsável pelo consumo de cerca de 28MWh/ano. No segundo modelo foram adotadas setpoints específicos para cada ambiente. Nesse modelo, o sistema de calefação foi responsável pelo consumo de aproximadamente 15MWh/ano, reduzindo em cerca de 46% o consumo de energia pelo sistema de calefação.
Simulação Paramétrica
Para entender a influência de algumas variáveis importantes no comportamento da estação, foi realizada uma simulação paramétrica. Esses parâmetros foram variados em 5 diferentes simulações (PR01, PR02, PR03, PR04 e PR05). Os parâmetros investigados foram: espessura do isolamento dos fechamentos externos (PIR), infiltração de ar e taxa de renovação de ar. A ordem das simulações foi desde a pior situação, melhorando um parâmetro a cada nova simulação.
Com o resultado das simulações pode-se perceber que a componente da carga térmica com maior impacto sobre o consumo do edifício é o ar externo, seja como infiltração ou como renovação de ar. Para a redução das taxas de infiltração, são fatores críticos a seleção de caixilhos e o detalhamento da construção em projeto.
A redução das taxas de renovação de ar externo proporciona uma diminuição considerável no consumo energético com aquecimento dos ambientes. No entanto, a renovação de ar é crítica na manutenção da qualidade do ar interno. Assim, foram adotadas as seguintes medidas: utilização de pré-aquecimento do ar externo; utilização de materiais como forros e revestimentos que diminuam o número de partículas em suspensão, e utilização de sensor de concentração de CO2 (possibilidade de reduzir a taxa de renovação quando possível, tendo a concentração de CO2 no ambiente como parâmetro).
Gestão de água , esgoto, resíduos e energia
Partindo do princípio de que a água potável é um recurso escasso, os sistemas projetados levam em conta a necessidade de reaproveitamento das águas servidas, o tratamento das águas cinzas e do esgoto gerado, observando parâmetros fixados pelo edital lançado pela Marinha do Brasil. A central de tratamento de água e esgoto está posicionada abaixo do bloco superior, onde há maior demanda por água tratada, uma vez que foram concentrados nesse setor os sanitários e a cozinha.
Quanto à energia para manter o funcionamento da estação, está sendo proposto um modelo de cogeração baseado em energias fotovoltaicas, eólica (VAWT) e, também, proveniente da queima de etanol. A automação do sistema, através do DPMS, permite a alternância entre estas fontes, dependendo da oferta disponível de potência em cada sistema de geração. Somente quando não houver oferta de energia eólica ou fotovoltaica o sistema de geradores em etanol entra em operação de forma complementar.
A adoção do sistema eólico VAWT leva em consideração as seguintes vantagens, quando comparado a uma turbina eólica convencional: menor necessidade de fundações profundas (o sistema pode estar fixado a uma estrutura metálica superficial), capacidade de o sistema ser modulado e menor nível de ruído.
Por fim, outra medida com impacto significativo sobre o consumo de energia da EACF é o desligamento programado de alguns ambientes como laboratórios e parte dos camarotes quando não ocupados. Em alguns períodos estes setores podem ser mantidos a uma temperatura interna por volta de 5ºC apenas para prevenir o congelamento de tubulações.
Simulação da envoltória
Como referência foram simulados os parâmetros utilizados pelas certificações LEED NC-2009 (baseline conforme Apêndice G da norma ASHRAE 90.1-2007), e o sistema PassiveHaus. A especificação proposta para a envoltória da EACF proporciona desemenho térmico superior às duas referêcias adotadas
Ficha técnica
Autores do projeto: Emerson Vidigal, Eron Costin, Fabio Henrique Faria e João Gabriel Moura Rosa Cordeiro
Consultores: Guido Petinelli, Eduardo Brofman, Bruno Martinez e André Belloni (Conforto e Energia); Eduardo Ribeiro (Instalações); Carlos Garmatter (Segurança e prevenção contra incêndio); Ricardo Dias (Estruturas); Josiele Patias (Geotecnia)
Colaboradores: Dario Corrêa Durce, Moacir Zancopé Jr, Martin Goic, Fernando Moleta, Alexandre Kenji, Rafael Fischer
Fonte: O projeto vencedor do Concurso Estação Antártica Comandante Ferraz
Novas instalações estarão em operação até março de 2015
postado em: 20/05/2013 16:49 hatualizado em: 20/05/2013 17:01 h
Plano geral do projeto
(crédito: Divulgação Petinelli)
Uma equipe de profissionais de Curitiba, liderados pelo arquiteto Fábio Henrique Faria, do Estúdio 41, venceu o Concurso Estação Antártica Comandante Ferraz. Além da contratação, a equipe recebeu um prêmio de R$ 100 mil. O lançamento da pedra fundamental da estação está previsto para o próximo verão antártico. De acordo com o planejamento da Marinha Brasileira, responsável pela base, as novas instalações estarão em operação até março de 2015. O projeto vencedor contou, também, com a consultoria em sustentabildade da Petinelli Inc.
Com uma área total em torno de 3,2 mil m², a estação será reconstruída no mesmo local onde estava a anterior, destruída em um incêndio em fevereiro de 2012. Com um investimento na ordem de R$ 72 milhões, ela poderá acomodar até 64 pessoas durante o verão e 34 no inverno. A estação abrigará uma população formada por militares da Marinha e pesquisadores. Os civis, de maneira geral, permanecem em pesquisas por períodos de 30 dias, durante o verão antártico, que vai de novembro a março. Já os militares ficam na estação durante um ano para apoiar o desenvolvimento das atividades de pesquisa, prover a manutenção das instalações e manter, permanentemente, a presença brasileira no continente.
Estação será construída no mesmo local onde funcionava a anterior, destruída por um incêndio
(Divulgação: Petinelli)
Sistemas e Instalações
A demanda de energia estimada, levando em conta as estratégias e materiais isolantes adotados pela proposta, é de aproximadamente 300kW. A maior parcela desta demanda parte dos sistemas de calefação e aquecimento de água de consumo.
Para a calefação está previsto um sistema radiante, com radiadores instalados em cada ambiente interno. Os radiadores são associados individualmente a sensores de presença e termostatos que, por sua vez, enviam informações ao sistema de automação.
O sistema de radiadores foi escolhido em detrimento do sistema de aquecimento por piso radiante pelo fato de apresentar algumas vantagens relevantes para o projeto. Dentre as vantagens estão o menor custo de aquisição, instalação mais simples, menor custo de operação, devido a sua rápida resposta à demanda - os ambientes desocupados podem permanecer a temperaturas inferiores, sendo capazes de atingir a temperatura de ocupação rapidamente -, e ainda permite de forma mais simples a setorização do sistema por ambiente (caso um radiador não esteja funcionando, ele pode ser desligado de forma independente do resto do sistema). Na Antártica, onde a reposição de peças é dificultada, é fundamental ter sistemas de simples operação e manutenção.
Para o sistema de aquecimento de água de consumo, o circuito da caldeira poderá ser complementado por um sistema de termoacumulação interno ao edifício. Adicionalmente, há previsão de recuperação de calor nos geradores, incineradores e junto à rede de coleta de água quente dos chuveiros e torneiras.
Radiadores revelaram-se a melhor opção para o aquecimento
(Divulgação: Petinelli)
Estratégias para conforto ambiental
O centro das estratégias de conforto ambiental foi o desenvolvimento da envoltória, visando limitar a perda de calor ao mínimo possível.
Um ponto relevante do projeto foi a definição do perfil de temperatura desejado para cada ambiente da estação. Com esta definição, o programa de necessidades foi também agrupado segundo três fatores:
- ambientes com perfil de temperatura similar;
- padrão de ocupação dos ambientes ao longo do dia;
- sazonalidade de ocupação dos espaços da estação (diferença entre o verão e o restante do ano).
A partir dessas premissas, foram realizadas duas séries de simulações empregando o software EnergyPlus: uma para análise da envoltória, e outra para análise do sistema de calefação.
Para a série de simulações da envoltória foram analisadas diferentes espessuras de placas a base de Poliisocianurato (PIR). Nessa série de simulações foi identificada a espessura ótima de 25cm para esse componente da envoltória. Como pode ser visto no gráfico, o incrementos dessa espessura a partir de 250mm tem baixa influência sobre a transmitância térmica da parede.
Para a série de simulações do sistema de calefação, o objetivo foi avaliar a redução do consumo de energia desse sistema quando utilizados diferentes setpoints para cada ambiente, comparado ao emprego de um setpoint único para toda a estação. A intenção da equipe de projeto foi ilustrar como a operação do sistema pode ser tão determinante, se não mais, que a eficiência do sistema em si. Ao reduzir a temperatura de ambientes como corredores, cozinha, áreas de manutenção e estoque, foi possivel reduzir o consumo de energia pelo sistema de calefação.
Para essa avaliação foi utilizado um modelo da EACF provido de sistema de calefação por aquecimento ativo com placas convectivas radiantes acionadas por resistências elétricas. A redução de consumo do sistema foi comparada a um sistema com setpoint constante e igual a 210C em todos os ambientes da estação.
Input de dados para a simulação
Envoltória:
Para os fechamentos externos foi utilizada a seguinte composição de materiais: camada de chapa metálica, painéis de PIR e placas OSB (Oriented Strand Board). Nos fechamentos internos foram utilizadas camadas de OSB, PIR e OSB novamente. Os vidros utilizados foram do tipo clear com tripla camada.
Cargas Internas
- Iluminação: potências apresentadas no capítulo 9 da norma ASHRAE 90.1-2007
- Equipamentos: 16W/m2
- Pessoas: 0.126 pessoas/m2 para dormitórios, 0.3 pessoas/m2 para salas técnicas e 0.5 pessoas/m2 para refeitórios.
Renovação de Ar
Foi adotada uma taxa de renovação de 0.0075m3/s por pessoa conforme a resolução RE09, de 16 de janeiro de 2003 da ANVISA.
Resultados da simulação
No primeiro modelo, simulado com setpoint constante (210C) em todos os ambientes da estação, o sistema de calefação foi responsável pelo consumo de cerca de 28MWh/ano. No segundo modelo foram adotadas setpoints específicos para cada ambiente. Nesse modelo, o sistema de calefação foi responsável pelo consumo de aproximadamente 15MWh/ano, reduzindo em cerca de 46% o consumo de energia pelo sistema de calefação.
Simulação Paramétrica
Para entender a influência de algumas variáveis importantes no comportamento da estação, foi realizada uma simulação paramétrica. Esses parâmetros foram variados em 5 diferentes simulações (PR01, PR02, PR03, PR04 e PR05). Os parâmetros investigados foram: espessura do isolamento dos fechamentos externos (PIR), infiltração de ar e taxa de renovação de ar. A ordem das simulações foi desde a pior situação, melhorando um parâmetro a cada nova simulação.
Com o resultado das simulações pode-se perceber que a componente da carga térmica com maior impacto sobre o consumo do edifício é o ar externo, seja como infiltração ou como renovação de ar. Para a redução das taxas de infiltração, são fatores críticos a seleção de caixilhos e o detalhamento da construção em projeto.
A redução das taxas de renovação de ar externo proporciona uma diminuição considerável no consumo energético com aquecimento dos ambientes. No entanto, a renovação de ar é crítica na manutenção da qualidade do ar interno. Assim, foram adotadas as seguintes medidas: utilização de pré-aquecimento do ar externo; utilização de materiais como forros e revestimentos que diminuam o número de partículas em suspensão, e utilização de sensor de concentração de CO2 (possibilidade de reduzir a taxa de renovação quando possível, tendo a concentração de CO2 no ambiente como parâmetro).
Gestão de água , esgoto, resíduos e energia
Partindo do princípio de que a água potável é um recurso escasso, os sistemas projetados levam em conta a necessidade de reaproveitamento das águas servidas, o tratamento das águas cinzas e do esgoto gerado, observando parâmetros fixados pelo edital lançado pela Marinha do Brasil. A central de tratamento de água e esgoto está posicionada abaixo do bloco superior, onde há maior demanda por água tratada, uma vez que foram concentrados nesse setor os sanitários e a cozinha.
Quanto à energia para manter o funcionamento da estação, está sendo proposto um modelo de cogeração baseado em energias fotovoltaicas, eólica (VAWT) e, também, proveniente da queima de etanol. A automação do sistema, através do DPMS, permite a alternância entre estas fontes, dependendo da oferta disponível de potência em cada sistema de geração. Somente quando não houver oferta de energia eólica ou fotovoltaica o sistema de geradores em etanol entra em operação de forma complementar.
A adoção do sistema eólico VAWT leva em consideração as seguintes vantagens, quando comparado a uma turbina eólica convencional: menor necessidade de fundações profundas (o sistema pode estar fixado a uma estrutura metálica superficial), capacidade de o sistema ser modulado e menor nível de ruído.
Por fim, outra medida com impacto significativo sobre o consumo de energia da EACF é o desligamento programado de alguns ambientes como laboratórios e parte dos camarotes quando não ocupados. Em alguns períodos estes setores podem ser mantidos a uma temperatura interna por volta de 5ºC apenas para prevenir o congelamento de tubulações.
Simulação da envoltória
Como referência foram simulados os parâmetros utilizados pelas certificações LEED NC-2009 (baseline conforme Apêndice G da norma ASHRAE 90.1-2007), e o sistema PassiveHaus. A especificação proposta para a envoltória da EACF proporciona desemenho térmico superior às duas referêcias adotadas
Ficha técnica
Autores do projeto: Emerson Vidigal, Eron Costin, Fabio Henrique Faria e João Gabriel Moura Rosa Cordeiro
Consultores: Guido Petinelli, Eduardo Brofman, Bruno Martinez e André Belloni (Conforto e Energia); Eduardo Ribeiro (Instalações); Carlos Garmatter (Segurança e prevenção contra incêndio); Ricardo Dias (Estruturas); Josiele Patias (Geotecnia)
Colaboradores: Dario Corrêa Durce, Moacir Zancopé Jr, Martin Goic, Fernando Moleta, Alexandre Kenji, Rafael Fischer
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