CASA DA DESCOBERTA: UNIDAD DE DEMONSTRACIÓN DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

1Paula de Castro Brasil, 2. Louise Land Bittencourt Lomardo. Sergio R. Leusin de Amorim.

e-mail:paulabrasil@paulabrasil.com.br RESUMEN. El museo de ciencia Casa da Descoberta es un espacio de difusión y popularización de conocimiento científico y tecnológico para los estudiantes de 1o y 2o grado, y para toda la comunidad, procurando despertar el interés de la sociedad por la ciencia y sus aplicaciones en el mundo actual. La nueva sede tiene el objetivo de continuar difundiendo de forma práctica los conocimientos de química, física y biología a través de experimentos, además de convertirse en una unidad de demonstración de eficiencia energética y arquitectura bioclimática. El presente trabajo presenta el estudio de caso del proyecto arquitectónico de la nueva sede de la Casa da Descoberta, desenvuelto por el Laboratorio de Conservación de energía y Conforto ambiental – LabCECA/UFF y que fue basado en criterios de sustentabilidad: energía solar, energía eólica, cobertura natural, reutilización del agua de lluvia, iluminación natural, ventilación cruzada, a fin de crear un espacio ambientalmente confortable y eficiente energéticamente. Palabras Claves. Casa da Descoberta, Sustentabilidad, Eficiencia Energética, Arquitectura Bioclimática.

CASA DA DESCOBERTA: DEMONSTRATIONIST UNIT FOR ENERGY EFFICIENCY

ABSTRACT. The Science Museum Casa da Descoberta is a space for dissemination and popularization of scientific and technological knowledge for students of 1st and 2nd grade, and for the whole community, seeking to arouse the interest of society for science and its applications in the world today. The new building aims to continue to spread a practical knowledge of chemistry, physics and biology through experiments, in addition to being a demonstration unit of energy efficiency and bioclimatic architecture. This paper presents a case study of the architectural design of the new headquarters of the Casa da Descoberta, developed by the Laboratório de Conservação de Energia e Conforto Ambiental- LabCECA / UFF and was based on criteria of sustainability: solar, wind , natural coverage, reuse of rainwater, natural lighting, cross ventilation, to create a space comfortable and energy efficient environmentally. Key words: Casa da Descoberta, Sustainability, Energy Efficiency, Bioclimatic Architecture

I. INTRODUCCIÓN

La preocupación con la sustentabilidad del desenvolvimiento de las naciones, dentro de un escenario de mudanzas climáticas, provoca entre los arquitectos y urbanistas una tendencia de desenvolver sus tareas usando todos los recursos y conocimientos en el sentido de reducir impactos ambientales y maximizar el aprovechamiento de los recursos disponibles. La Casa da Descoberta es un museo de ciencia con sede en la Universidade Federal Fluminense, en el Campus de la Praia Vermelha, en el segundo piso del Instituto de Física, situado en la Avenida Litorânea, sin

número, en el Barrio de la Boa Viagem, en la ciudad de Niterói, estado de Rio de Janeiro, próximo al Museo de Arte Moderna. Actualmente, la Casa da Descoberta difunde el conocimiento científico y tecnológico a través de experimentos interactivos de química, física y biología para estudiantes de primero y segundo grado y para visitantes del municipio de Niterói y ciudades vecinas. Los experimentos son elaborados con materiales del día a día a fin de facilitar la comprensión y el aprendizaje de los principios científicos existentes de forma práctica. Las visitas a la Casa da Descoberta se producen por medio de un paseo por el museo y sus experimentos, donde los visitantes son guiados por monitores entrenados que explican el objetivo de cada experimento, relacionándolo con los conocimientos

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científicos comunes a todos los interesados, independiente de su formación. Vinculado al Instituto de Física de la UFF, el museo hoy se presenta solidificado, teniendo un aproximado de 25.000 visitantes por año y, por eso, necesita de una expansión. Con eso, fue creada una parceria con el Procel/Eletrobrás, la FINEP y el LABCECA – Laboratorio de Conservación de Energía y Conforto Ambiental de la Escuela de Arquitectura de la Universidade Federal Fluminense, para el desenvolvimiento del proyecto y ejecución de la nueva sede de la Casa da Descoberta (figura 1), que será instalado también en la Universidade Federal Fluminense, en el Campus de la Praia Vermelha, sin embargo en espacio reservado solamente a sus actividades.

II. LA NUEVA SEDE DE LA CASA DA DESCOBERTA

El proyecto de la nueva sede de la Casa da Descoberta tiene el objetivo de continuar difundiendo los conocimientos de ciencia, además de volverse una unidad de demonstración de arquitectura ambientalmente sustentable. La propia edificación será uno de los experimentos del museo, a fin de difundir criterios de sustentabilidad y providenciar subsidios a los estudiantes y profesionales de la construcción civil en el uso de herramientas y equipamientos de validación y monitoreo del conforto ambiental: ventilación, iluminación, entre otros. [1]. El proyecto está compuesto por dos módulos (figuras 1 y 2). El primero con aproximadamente 345m2 de área cubierta y consiste en un pabellón de exposiciones de estructura metálica en arco y cobertura curva con tejas de acero y poliuretano, donde quedarán localizadas las exposiciones de los experimentos, baños, una recepción.

El primer módulo hará parte de la primera fase de la construcción y está siendo financiado por el Procel/Eletrobrás. En el mismo módulo habrá un mezzanine de 95.41 m2, financiado por la FINEP, donde habrá otro sector de exposiciones (figuras 3 y 4).

El mezzanine dará acceso a una terraza panorámica con cobertura ajardinada de aproximadamente 40m2, que además de ser un experimento de conforto térmico y reutilización de aguas de pluviales, proporcionará al visitante la vista de la bahía de Guanabara [2]. El segundo módulo con 289 m2, será conformado por una cafetería, una sala de mantenimiento y depósito de experimentos, un laboratorio de informática para visitantes, un auditorio para 60 personas y cubierto por una extensa cobertura ajardinada con inclinación de 8%, posibilitando el acceso de los peatones para visitas y exposiciones al aire libre, además de favorecer el recogimiento de las aguas pluviales. Se espera ofrecer en este módulo programaciones orientadas a la comunidad como mini-cursos, conferencias, seminarios y festivales [1].

III. CRITERIOS DE EFICIENCIA ENERGÉTICA

De acuerdo con el Programa Nacional de Conservación

Figura 1: Maqueta electrónica de los dos módulos en planta. (LOMARDO, L. L. B. ; ROSA, C. C.; LUIZ D.M.; TRINDADE G.L.; 2005)

Figura 4: Imagen de la recepción y del acceso al mezzanine de la nueva sede de la Casa da Descoberta (maqueta electrónica). Fuente: MAGIC, 2010

Figura 2: Maqueta electrónica de los dos módulos en vista. (LOMARDO, L. L. B.; ROSA, C. C.; LUIZ D.M.; TRINDADE G.L.; 2005)

Figura 3: Imagen de la parte interna de la nueva sede de la Casa da Descoberta (maqueta electrónica). Fuente: MAGIC, 2010

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de Energía Eléctrica – Procel, 2001, “La conservación de energía debe ser entendida como la utilización de una menor cantidad de energía para la obtención de un mismo producto o servicio a través de la eliminación de desperdicio, del uso de equipamientos eficientes y de la mejora de procesos productivos.” Para reducir el consumo de energía eléctrica y convertir la Casa da Descoberta en una unidad de demonstración de eficiencia energética fueron utilizadas algunas fuentes alternativas de energía como: energía solar y la energía eólica.

Energía solar

“La Energía Solar Fotovoltaica es obtenida a través de la conversión directa de la luz en electricidad (Efecto Fotovoltaico). El Efecto Fotovoltaico, relatado por Edmond Becquerel, en 1839, es el aparecimiento de una diferencia de potencial en los extremos de una estructura de material semiconductor, producida por la absorción de la luz. La célula fotovoltaica es la unidad fundamental del proceso de conversión [3].” Los paneles fotovoltaicos son constituidos por células solares compuestas básicamente por silicio, por ser un material encontrado con mucha facilidad en la naturaleza y por existir un diversificado conocimiento tecnológico sobre el elemento. El sistema de Energía Solar para la generación de energía eléctrica, concebido para el proyecto de la nueva sede de la Casa da Descoberta, presenta los mismos elementos del sistema clasificado como Sistema Fotovoltaico Autónomo que son: conjunto de paneles fotovoltaicos, regulador de tensión, sistema de almacenamiento de energía e inversor de corriente continua para corriente alternada [4]. La energía recolectada por tales paneles será direccionada a una casa de baterías, localizada en anexo al módulo 1 del museo de ciencia, que acumulará la energía para ser utilizada como fuente alternativa de energía en la iluminación del salón de exposiciones. La localización de las placas, junto al suelo (figura 5), facilitará el acceso del público para mayor comprensión del uso de esa técnica.

Colector Eólico El colector eólico es el equipamiento responsable por transformar la energía eólica en energía eléctrica a través del viento. El colector se asemeja a un grande

molino, en que las palas girando con el viento dan fuerza motriz al multiplicador y al generador, que transforma la energía mecánica de las palas en energía eléctrica. De la misma manera que los paneles fotovoltaicos, la energía generada por el colector eólico (figura 5) será almacenada en la casa de baterías para que complemente la energía solar, a ser utilizada cuando haya demanda de energía eléctrica por la edificación. La importancia de la utilización y demostración de este sistema está en el hecho de ser totalmente limpio, o sea, hay producción de energía eléctrica sin que haya contaminación del medio. La diseminación del uso de este sistema de producción de energía eléctrica reduce los impactos generados por el sistema tradicional que utiliza los combustibles fósiles [5]. Otra ventaja de la energía eólica es que es un excelente complemento para la energía solar: días de poco sol generalmente son aquellos con vientos encima de la media [6].

IV. CRITERIOS DE ARQUITECTURA BIOCLIMÁTICA / CONFORTO

AMBIENTAL

Las directrices proyectuales para la Casa da Descoberta fueron aprovechar de forma pasiva los recursos naturales, racionalizar la utilización de energía, reutilizar y racionalizar la utilización de agua, mantener el aire interior y la humedad con calidad, ofrecer conforto termo-acústico, hacer utilización de tecnologías sustentables y utilizar productos con certificación ISO 14001 [7]. Fueron utilizadas en el proyecto diversas tecnologías constructivas con el objetivo de volver la edificación más sustentable, sea del punto de vista energético o ambiental.

Efecto Chimenea y Ventilación Cruzada Ell aire caliente tiende a acumularse en la parte superior del espacio, una vez que posee menor presión, el aire frio, por su vez, se acumula en las partes bajas de los ambientes conservando mayor presión, la diferencia de presión y la conversión de calor entre las partículas de aire hace con lo que el aire frio se caliente, reduciendo su presión, empujando la cantidad de aire caliente que se encuentra encima de él, promoviendo la retirada de ese aire para la parte externa de la edificación, ese efecto es denominado Efecto Chimenea (figura 6) [8]. El efecto chimenea en la Casa da Descoberta será promovido por la ventilación de borde de la cobertura, retirando el aire caliente del ambiente por diferencia de masa, ya que el aire cuando está caliente se convierte más leve tendiendo a subir, y provocar la entrada del aire frio.

Figura 5: Localización de los paneles fotovoltaicos y del colector eólico. Fuente: MAGIC, 2010

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Para medir el desempeño del sistema de iluminación natural de la edificación y definir las mejores estrategias adoptadas, se utilizó el software “Relux”, donde se evaluó la iluminación para diferentes horas (figura 7).

Con eso, fue proyectada una ventilación de borde translúcida que viabiliza la entrada de luz natural cenital homogénea en el área central de exposiciones, manteniendo los índices de luminosidades adecuados para la función de esa edificación, además de disminuir el consumo de energía eléctrica.

Fue desenvuelto también un estudio basado en la NBR 15220-3/2005 – Desempeño térmico de edificaciones – verificando que el terreno escogido se encuentra en la zona bioclimática 5 (figura 8), y para esta localización, sería necesario una atención especial en cuanto a la ventilación como estrategia de acondicionamiento térmico pasivo, teniendo ventilación cruzada en verano y sellos internos en invierno (figura 9,10 y 11).

Estação Estratégias de condicionamento térmico passivo Verão J) Ventilação cruzada Inverno C) Vedações internas pesadas (inércia térmica) Nota: Os códigos J e C são os mesmos adotados na metodología utilizada para definir o Zoneamento Bioclimático do Brasil( ver anexo B)

Aberturas para ventilação Sombreamento das aberturas Médias Sombrear aberturas

Los De acuerdo con la Carta Bioclimática para Rio de Janeiro, la ventilación es una estrategia bioclimática indicada en 61% del tiempo [8]. Siendo así, el proyecto utilizó como principal estrategia de ventilación, la ventilación natural cruzada. La ventilación natural cruzada (figura 12) viabilizará el conforto térmico en 64,4% de las horas del año, favoreciendo la reducción del consumo de energía eléctrica por la no utilización de acondicionadores de aire y de ventiladores. Fueron utilizados vanos de ventanas bajas, cuyas alturas permiten que la brisa toque la piel de los visitantes, proporcionando la sensación de frescor por la convección del aire y la evaporación del sudor [7].

Figura 7: Simulación de la Iluminación natural de la Casa da Descoberta. Fuente: LINUS, 2006

Figura 9 – Estrategias de acondicionamiento térmico pasivo para la Zona Bioclimática 5. Fuente: NBR 15220/ 2005.

Figura 6: Efecto Chimenea. Fuente: LINUS, 2006

Figura 8– Zonificación climática. Fuente: NBR 15220/ 2005.

Figura 10 – Abertura para ventilación y sombreado de las aberturas para la Zona Bioclimática 5. Fuente: NBR 15220/ 2005.

Figura 11 – Tipos de sellos externos para la Zona Bioclimática 5. Fuente: NBR 15220/ 2005.

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En proyecto también utilizó el efecto Venturi que aprovecha el sentido y la dirección del viento predominante (viento suroeste) para amenizar la sensación térmica de los visitantes. La fachada suroeste recibe el viento predominante a través de los vanos del arco de entramado y ese viento se encamina para la fachada noroeste saliendo, no sólo por el vano del arco del entramado, sino también por las ventanas bajas de esta fachada. La diferencia entre las áreas de entrada y salida de aire disminuye la velocidad del aire dentro del ambiente y permite que este aire con la temperatura más baja disminuya la temperatura interna.

Cobertura con asoleamiento térmico La cobertura del bloque principal del proyecto de la Casa da Descoberta será apoyada en estructura pre-moldeada de acero, permitiendo la utilización de una cobertura leve y grandes vanos. La teja utilizada será de acero galvanizado pintada interna y externamente de blanco con objetivo de disminuir la carga térmica admitida en el medio externo y también permitir el mejor aprovechamiento a través de las reflexiones de la luz interna y natural. El proyecto de la cobertura prevé, en el medio de su vano la colocación de la ventilación de borde de teja translúcida de resina de poliéster reforzada con fibra de vidrio, que favorece la iluminación natural del ambiente.

Cobertura ajardinada La utilización de 40m² de baranda con cobertura ajardinada (figura 13) en el proyecto será uno de los experimentos de conforto térmico y de reutilización del agua pluvial. Al utilizarse sobre la losa un “techo-jardín” el mismo aumentará la inercia térmica de la cobertura y absorberá el calor emitido por la radiación solar, siendo que este no será transmitido en su totalidad para el ambiente externo. Las áreas verdes son capaces de consumir 80% de la carga de radiación solar en el proceso conocido como evapotranspiración del agua [9]. ROLA en sus estudios observa que la intensa urbanización de las ciudades genera problemas de impermeabilización del suelo y la disminución de áreas verdes libres, que sirven para la absorción de las aguas pluviales, la presencia de esas áreas verdes favorece el balance térmico de las ciudades a través del fenómeno

de la evapotranspiración [10].

En los estudios sobre cobertura ajardinada, fue hecha una síntesis de diversos estudiosos sobre las ventajas del uso de este ítem en las edificaciones, entre las ventajas fueron observados los siguientes ítems: Retención del polvo y de partículas suspendidas en el aire, aumento del área verde útil de las áreas urbanizadas, mejora de la termodinámica urbana, entrada del aire fresco y salida de cargas de emisión, influencia sobre el ambiente interior, enfriamiento de los espacios debajo de la cobertura a través del fenómeno de la evapotranspiración, disminución de las pérdidas de calor en inverno (economía de energía para la calefacción de los ambientes – eficiencia energética), aumento del aislamiento térmico, absorción de los ruidos externos, protección de la impermeabilización contra la radiación, ya que la cobertura protege la camada de impermeabilización al desgaste por el sol haciéndola más durable en la acción del tiempo, reducción de la carga de agua pluvial en las instalaciones urbanas, reducción en el efecto de isla de calor, aumento en el valor del edificio con su entorno y proporciona el retorno del agua de lluvia para su ciclo natural.

Cortina Verde Para proteger la edificación de la radiación solar directa se optó por aleros de la cobertura formando una baranda, como también la inclusión de cortina verde en partes estratégicas de las fachadas. En la fachada noreste (figura 14), fue prevista una cortina verde, prolongando los aleros, una vez que las simulaciones de la maqueta de la Casa da Descoberta en la mesa solar identificaron que esta es una de las fachadas que recibe una de las mayores tazas de radiación solar y que, en consecuencia, necesita de mayor protección para ese tipo de exposición. En la fachada noroeste (figura 15) fue prevista una cortina verde con cables de acero fijados en la estructura de la cobertura y en el piso, para que cuente con protección ante la radiación solar en el período de la tarde, considerada como la que posee la temperatura más elevada, favoreciendo la creación de un ambiente sombreado, además de promover la disminución de la carga térmica solar dentro de la edificación.

Figura 12: Visualización de la ventilación cruzada.

Figura 13: Imagen mostrando la cobertura ajardinada del bloque 1

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Aprovechamiento de la Inercia del suelo El módulo 2 (figura 16) tendrá un auditorio que quedará abajo del nivel cero del terreno con objetivo de amenizar el calor transmitido por las juntas al interior del auditorio a través del contacto directo con el suelo. Así, este desnivel favorecerá el uso de la masa térmica del suelo para disminuir la temperatura superficial inferior de la envoltura constructiva.

V. CONSIDERACIONES FINALES

Se observa que el uso de nuevas técnicas constructivas con foco en la sustentabilidad y el uso de fuentes alternativas de energía son factores diferenciales de calidad y conforto en el ambiente construido. El proyecto de la nueva sede de la Casa da Descoberta visa promover un espacio de demonstración de conforto ambiental y eficiencia energética a fin de facilitar la democratización y el acceso a las informaciones para el uso de esas nuevas técnicas. Se entiende que es de extrema necesidad fomentar la preocupación con los impactos ambientales causados por el sector de la construcción civil y presentar

soluciones arquitectónicas que no causen daños irreversibles al medio ambiente, y que no usen excesivamente los recursos naturales. Como resultado de ese trabajo, fue posible observar también que el sector de la construcción civil todavía enfrenta barreras para crear una arquitectura más sustentable y para el uso racional de energía. Existe la necesidad de una cambio significativo de estructuras y hábitos del sector.

AGRADECIMIENTOS

Agradecemos al PROCEL/ELETROBRAS y a FINEP por el incentivo a la investigación y a la construcción de la nueva sede de la Casa da Descoberta.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1.BRASIL, Paula: “Diretrizes para um modelo de gerenciamento do processo do projeto em edificações sustentáveis.” Tesis (maestría). Universidade Federal Fluminense: 2010. 2.LOMARDO, Louise; BRASIL, Paula; ANDRADE, Barbara; MORAES, Joana; WANDERLEY, Carolina: “Museus sustentáveis: estudo de caso da Casa da Descoberta na universidade federal fluminense”. 2º Seminário Internacional Museografia e Arquitetura de Museus. UFRJ: Rio de Janeiro, 2010. 3.CEPEL. Centro de Investigaciones de Energía Eléctrica: Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos. CRESESB: Rio de Janeiro, 1999. 4. ALDABÓ, Ricardo: Energia solar. Artliber. São Paulo, 2002. 5.ALDABÓ, Ricardo: Energia eólica. Artliber. São Paulo, 2002. 6.HINRICHS, Roger A. et AL: Energia e meio ambiente. São Paulo: Cengage Learning, 2010. Título original: Energy: its use and the environment. 4 ed. Norte-americana. 7.LOMARDO, L. L. B. ; ROSA, C. C.; LUIZ D.M.; TRINDADE G.L: “A Casa da Descoberta: A difusão do uso eficiente de energia via um museu de ciência.” Niterói, 2005. 8. LAMBERTS, R.; DUTRA, L.; PEREIRA, F. O. R: Eficiência Energética em Arquitetura. São Paulo: PW, 1997. 9. SCHMIDT, M: Uso da água da chuva. In: LAAR, M., KNECHT, K. Revitalização Sustentável de Cidades Tropicais: O Porto do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro/Berlim, 2002. 10. ROLA, Sylvia Meimaridou: “A naturação como ferramenta para a sustentabilidade de cidades: estudo da capacidade do sistema de naturação em filtrar a água de chuva”. Tesis (Doctorado). Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro.

Figura 14: Fachada Noreste del módulo1

Figura 15: Fachada Noroeste del módulo 1

Figura 16: Maqueta electrónica de la vista oeste del módulo 2. Fuente: Linus Gombarovits, 2005.

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Magister en Arquitectura y Urbanismo en la línea de investigación Proyecto, Producción y Gestión por la Universidade Federal Fluminense. Especialista en Gerenciamiento de proyectos por la Fundación Getúlio Vargas. Graduada en Arquitectura y Urbanismo por la Universidade Gama Filho. Investigadora del Laboratorio de Conservación de Energía y Conforto Ambiental -- LabCECA/UFF principalmente en los siguientes temas: gestión de proceso de proyecto, gerenciamiento de proyectos y obras sustentables. Actúa en el

Escritorio Paula Brasil Arquitectura y Gerenciamiento de Proyectos en las áreas de Proyecto de Arquitectura, Sustentabilidad y Gerenciamiento de Proyectos y Obras.

Posee graduación en Arquitectura y Urbanismo por la Universidade Federal do Rio de Janeiro (1981), maestría en Ingeniería Nuclear y Planeamiento Energético por la Universidade Federal do Rio de Janeiro (1988) y doctorado en Planeamiento Energético por la Universidade Federal do Rio de Janeiro (2000). Actualmente es investigadora y profesora asociada de los cursos de graduación y maestría de la Escuela de Arquitectura y Urbanismo e investigadora del

IVIG/COPPE/UFRJ y coordinadora del Laboratorio de Conservación de Energía y Conforto Ambiental - LabCECA/UFF . Tiene experiencia en el área de Arquitectura y Urbanismo, con énfasis en Proyecto de Arquitectura, Eficiencia Energética, Tecnología y Conforto Ambiental, actuando principalmente en los siguientes temas: reglamentación para la eficiencia energética de los edificios, proyecto de arquitectura, conservación de energía, arquitectura bioclimática y evaluación ambiental. Actualmente ocupa el cargo de vice-directora de la Escuela de Arquitectura y Urbanismo de la UFF.

Graduado en Arquitectura y Urbanismo por la Universidade Federal do Rio de Janeiro (1974), magister en Ingeniería de Producción por la Universidade Federal do Rio de Janeiro (1981) y doctor en Ingeniería de Producción por la Universidade Federal do Rio de Janeiro (1995). Actualmente ocupa el cargo de Decano de la Pos graduación de la Universidade do Grande Rio (UNIGRANRIO). Es profesor titular jubilado de la Universidade Federal Fluminense. Tiene experiencia en el

área de Arquitectura e Ingeniería Civil, con énfasis en Tecnología, actuando principalmente en los siguientes temas: gestión de proceso de proyecto, gerenciamiento y gestión de la calidad en la construcción civil y aplicaciones de tecnología de información en AEC.