Dicas para desenhar uma casa energeticamente sustentável

Concebida por Carl Sterner da Sterner Design, a Iowa Nest combinou uma forma optimizada com estratégias de design passivo e activo para alcançar o estatuto de sustentabilidade energética e uma conta anual de energia de apenas 24 dólares!

Sterner comparou rigorosamente o desempenho do projecto construído com as suas propostas. Partilhamos alguns passos de design de alto nível e cinco aprendizagens da avaliação pós-ocupação.

Processo de Design

O atelier testou algumas iterações de design diferentes para atingir os seus objectivos de energia zero e de luz natural.  Primeiro, modelaram seis formas no SketchUp que, depois, analisaram no plugin Sefaira com o objectivo de manter pelo menos 200 lux de luz natural durante 60% do ano nas principais áreas da habitação. 

Estudos de iteração de construção modelados no SketchUp e analisados no plugin Sefaira Daylight Analysis. Imagem gentilmente cedida por Sterner Design.

O design final incorporou um formato compacto, janelas mais altas e um saguão.  Uma vez encontrado o desenho conceptual ideal, enfrentaram o desafio de manter uma temperatura constante e passiva num clima misto com invernos muito frios e verões quentes e húmidos. Analisaram onze estratégias de design utilizando o plugin Sefaira, levando à decisão de utilizar uma forma de betão isolado (ICF) e uma combinação de pequenas saliências fixas e telas de sombreamento operáveis sobre as janelas viradas a sul.

Análise da luz solar utilizando SketchUp e Sefaira. Imagem gentilmente cedida por Sterner Design.

Todas as decisões de concepção acima referidas, mais as estratégias passivas (ventilação natural, materiais de construção optimizados, dispositivos de sombreamento), e sistemas mecânicos eficientes, resultaram numa redução prevista de 79% na utilização de energia. Os painéis solares fotovoltaicos no telhado, virados a Sul, foram concebidos para satisfazer a necessidade de energia da família e mudaram o projecto para o estatuto de "consumo nulo" de energia.

Comparação do uso de energia entre o design de casa convencional e o design da Iowa Nest. A combinação de estratégias de design levou a uma redução de 79% em relação à linha de base do Código Internacional de Conservação de Energia 2012. Imagem cedida por Sterner Design.

Para testar a forma como estas estratégias de concepção foram executadas ao longo do tempo, os proprietários acompanharam diligentemente a temperatura e humidade relativa da casa em três locais diferentes, e o consumo de energia foi medido por circuito. Isto tornou possível mapear com precisão a utilização de energia em espaços específicos. Aqui estão cinco lições que podem ser extraídas dos números e do processo de concepção. 

1) Não há problema em mudar de forma.

Os designers estão muito familiarizados com o conceito de iteração de ideias de design e este projecto reforça o valor de testar e analisar múltiplas formas de construção antes de fechar uma decisão.

A proposta original acabou por ser duas vezes superior ao orçamento. Ao simplificar a sua estrutura e reduzir ligeiramente a área do pavimento, Sterner Design conseguiu reduzir os custos de construção para metade, cumprir o orçamento e alcançar uma redução de 30% nas cargas de aquecimento e arrefecimento. 

Comparação de cargas de aquecimento e arrefecimento entre as opções de design. A alternativa de desenho B conseguiu uma redução de 30%. Imagem cedida por Sterner Design.

Reflectindo sobre o processo até à forma construída final, Sterner aconselha que "...a realização de um estudo de forma que comparasse formas compactas vs. alongadas teria tornado mais eficiente a identificação da forma de construção ideal".

A modelação e análise rápida destes simples modelos Whitebox no SketchUp e Sefaira permitem a comparação eficiente de edifícios com base na forma. Imagem cedida por Sterner Design.

Lição: Modelar e analisar rapidamente múltiplas formas para encontrar oportunidades de poupança de energia e de custos.

2) Sempre que possível, refinar e simplificar.

A alteração da forma e a complexidade consequente resultaram numa diminuição de 10% na utilização de energia.

Uma das características da boa arquitectura é que a criatividade e a função se fundem para criar uma forma construída refinada, quase inquestionável. Os benefícios de "simplificar" para cristalizar o seu design vão além de simplesmente proporcionar uma excelente arquitectura e aumentar a capacidade de construção; pode também reduzir o consumo de energia. Ao reduzir o número de junções, cantos e ligações na sua proposta original, ao mesmo tempo que satisfazia os requisitos espaciais do seu cliente, Sterner Design conseguiu uma redução considerável de 10% na utilização de energia. De acordo com Sterner, "Esta experiência mostrou-me como o design e o desempenho estão intimamente interligados. Ao reconsiderar alguns dos movimentos básicos do design, conseguimos um design mais eficiente em termos energéticos, com uma redução de 50% no custo de capital em comparação com o design original. O design energeticamente sustentável não é algo que possa ser facilmente abordado no final - precisa de estar integrado no ADN do design”.  A análise precoce das opções de desenho criou frequentemente a oportunidade para conversas mais significativas com os clientes: dados concretos deram aos clientes a confiança necessária para aprovar as alterações que lhes pouparam capital e custos operacionais.

Lição: Vale certamente a pena manter as coisas (relativamente) simples. Cristalize o seu design para proporcionar uma arquitectura de qualidade, aumentar a capacidade de construção e reduzir o consumo de energia. 

3) Escolher os sistemas AVAC correctos.

Os designers concordarão que a definição do sistema AVAC correcto pode elevar ou abafar os seus esforços passivos. Não só pode levar à poupança de espaço e a um melhor ambiente interno, mas a sua escolha do sistema AVAC também pode aumentar o capital e os custos de funcionamento para o seu cliente.

Uma vez mais, alavancar a análise do sistema AVAC no plugin Sefaira cedo e frequentemente para testar combinações de sistemas que poderiam funcionar para o seu projecto específico pode ser a diferença entre gastos ou a poupança de milhares de dólares para o seu cliente. 
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A Iowa Nest acabou com sistemas AVAC que eram mais baratos que os convencionais, mas que proporcionavam melhor conforto e qualidade do ar interior e contribuíam para que alcançasse a sustentabilidade energética. Como? Em primeiro lugar, eliminando o ar condicionado, o que não é fácil no clima misto do estado de Iowa.

Comparação de custos de sistemas AVAC. A opção do meio foi a proposta original e a terceira opção reflecte o design final. Imagem cedida por Sterner Design.

O projecto incorpora estratégias de concepção passiva, tais como a terraplenagem, sombreamento, ventilação natural, e minimização de cargas internas. Isto reduziu as cargas de refrigeração de tal forma que o designer pôde evitar completamente o ar condicionado. Do mesmo modo, isolamento elevado, boa estanqueidade do ar e concepção solar passiva reduziram as cargas de aquecimento pelo que o designer pôde escolher um sistema de aquecimento radiante eléctrico pequeno e barato. 

Embora a ineficiência do aquecimento radiante eléctrico seja tipicamente evitável para uma casa energeticamente sustentável, neste caso, as cargas eram tão pequenas que a penalização energética era marginal e podia ser facilmente compensada por alguns painéis fotovoltaicos adicionais.

Lição: Veja as estratégias de AVAC em combinação.

4) Desenhe os detalhes

Notas de especificação detalhadas para o isolamento das janelas da casa. Modelado em SketchUp com conjuntos de desenhos abrangentes criados em LayOut. Imagens cedidas por cortesia da Sterner Design.

Sterner utilizou o SketchUp e o LayOut para desenhar e produzir um conjunto abrangente de detalhes típicos e feitos à medida para alcançar a estanqueidade do ar e um ambiente interno estável. Ele especificou como os detalhes típicos das paredes, junções de parede à medida, janelas e portas precisavam de ser seladas e isoladas do ar. 

Camada de estanqueidade do ar da casa (esquerda). Isolamento térmico da casa (direita). Imagem cortesia de Sterner Design.

Este nível de rigor resultou num interior sem correntes de ar e com pouca ou nenhuma flutuação da temperatura interna, apesar de um delta de temperatura anual registado de 70ºF no local.

Dados de comparação de temperaturas mostrando temperaturas interiores (linhas azul, rosa e vermelha) e temperatura exterior (linha preta) sem aquecimento activo durante o vórtice polar de Fevereiro de 2021. O design proporciona temperaturas internas estáveis e confortáveis, apesar das flutuações externas. Imagem gentilmente cedida pelo iowanest.com.

Lição: Explorar todos os detalhes e especificações para assegurar uma excelente construção e conforto dos habitantes.

5) Para além do EUI: Estratégias Passivas e Métricas.

Embora o EUI (Intensidade de Uso de Energia) seja óptimo para a aferição e compreensão de quão bom é um design em geral, não é uma boa métrica. Pode esconder potenciais problemas, particularmente em torno do conforto térmico e problemas de carga elevada. Numa fase mais avançada do processo de design, um engenheiro observou que a proposta original, que teria custado o dobro do orçamento, teria resultado, provavelmente, em quartos frios no Inverno e um escritório escaldante no Verão. Esta distribuição desigual de calor poderia também ter exigido um sistema AVAC mais complexo, caro, e/ou maior para aliviar. 

Ao realizar análises de conforto térmico utilizando a métrica de temperatura operacional, a equipa pôde eliminar a necessidade de ar condicionado, escolher um sistema AVAC mais pequeno e mais barato, e evitar quartos desconfortáveis dentro de casa.

Uma vez estabelecida uma referência razoável para o EUI, compensa avaliar outras métricas, tais como picos de carga, temperatura operacional, autonomia térmica (a percentagem de tempo que um espaço mantém o conforto passivamente), proporcionando uma visão mais granular e significativa durante a fase de concepção.

O poder das estratégias de desenho passivo - Com o custo final do projecto, incluindo a valorização do tempo de construção do proprietário a taxas de trabalho normais, a construção ainda custa 9% menos do que uma casa convencional.