avaliação térmica de casa popular eficiente no...

Connecting People and Ideas . Proceedings of EURO ELECS 2015 . Guimarães . Portugal . ISBN 978 989 96543 8 9

Avaliação Térmica de Casa Popular Eficiente no Período deVerão

Joaquim César Pizzutti dos SantosUniversidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia, Departamento de Estruturas e Construção Civil, SantaMaria, Rio Grande do Sul, [email protected]

Marcos Alberto Oss VaghettiUniversidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia, Departamento de Estruturas e Construção Civil, SantaMaria, Rio Grande do Sul, [email protected]

Roberta Mulazzani Doleys SoaresUniversidade Regional Integrada do Alto Uruguai e das Missões (URI) Campus Santo Ângelo, Santa Ângelo, RioGrande do Sul, [email protected]

Andressa Roana Costa SchleyUniversidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia, Rio Grande do Sul, [email protected]

Liége GarletUniversidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia, Santa Maria, Rio Grande do Sul, [email protected]

Rayner Maurício e Silva MachadoUniversidade Federal de Santa Maria, Centro de Tecnologia, Santa Maria, Rio Grande do Sul, [email protected]

ABSTRACT: This study aimed to analyse, during the summer, the thermal behavior of a popularhouse prototype, in the Federal University of Santa Maria (UFSM), and if its thermalperformance is adequate to the demands of the Brazilian standard NBR 15575. Data frominternal and external temperature of the prototype have been evaluated, obtained using HoboData Logger in a period of 90 days, being 45 days with closed ventilation and 45 days open.Strong influence was observed of solar orientation of closures on the thermal behavior ofenvironments. The closed system of ventilation resulted in a biggest thermal damping of thebuilding, proving the need for ventilation control, with opening in hours with the mildertemperatures. The analysis of thermal performance of the building by simplified methodindicates that it is conform NBR 15575 specifications, while through the measurement methodobtains an intermediate level of performance.

Keywords:Thermal Behavior, Thermal performance, Measurements on prototype, low costhome.

RESUMO: O presente trabalho teve como objetivo fazer a análise, no período de verão, docomportamento térmico do protótipo de Casa Popular, construído no campus da UniversidadeFederal de Santa Maria (UFSM), avaliando também se seu desempenho térmico está adequadoàs exigências da norma brasileira NBR 15575. Foram avaliados os dados de temperatura internae externa do protótipo, obtidos através do uso de medidores de temperatura Hobo Data Loggerem um período de 90 dias, sendo 45 dias com sistema de ventilação fechado e 45 dias aberto.Foi observada forte influência da orientação solar dos fechamentos no comportamento térmicodos ambientes. O sistema de ventilação fechado resultou em um maior amortecimento térmico

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da edificação, comprovando a necessidade de controle da ventilação. A análise de desempenhotérmico da edificação pelo método simplificado atendeuàs especificações da NBR 15575,enquanto que através do método de medição obteve um nível intermediário de desempenho.

Palavras chave:Comportamento térmico, Desempenho térmico,Medições em protótipo,Casade baixo custo.

1 INTRODUÇÃO

Devido ao recente processo de urbanização e crescimento populacional, típico de países emdesenvolvimento, é perceptível a grande demanda brasileira por unidades habitacionais.Entretanto, resolver esse problema não é tão simples como parece, uma vez que a construçãocivil produz grandes impactos ambientais.

Com o intuito de construir residências de baixo custo, atualmente opta se por materiais deconstrução mais baratos, entretanto, estes materiais, em alguns casos, além de serem maisimpactantes ao meio ambiente, não possuem um comportamento térmico adequado ao climaem que estão inseridos, levando os moradores a terem um elevado gasto de energia em buscado conforto térmico. Para Castro (2006, p.2), “O edifício atua como mecanismo de controle dasvariáveis do clima, através de sua envoltória (paredes, piso, cobertura e aberturas) e doselementos do entorno, e deve ser projetado de modo a proporcionar conforto e eficiênciaenergética”. No entanto, Oliveira (2011) cita que a construção mais econômica tem comoconsequência a existência de perdas térmicas muito elevadas, e assim um consumo maior deenergia.

A construção de um protótipo de Casa Popular Eficiente no campus da Universidade Federal dacidade de Santa Maria RS, localizada na zona bioclimática 2 brasileira, tem como objetivo geralproporcionar para a região central do Rio Grande do Sul uma opção de moradia de baixo custoadaptado a realidade regional e que considere itens importantes de sustentabilidade,fornecendo um subsídio de projeto aos meios públicos para futuras implantações em conjuntoshabitacionais de interesse social no município. A pesquisa visa também à conscientização dacomunidade acadêmica e profissional para a importância de conceber e projetar edificaçõescom as premissas da sustentabilidade, envolvendo a natureza e o ambiente como formas deproporcionar conforto aos moradores, propiciando harmonia entre o contexto material e ohumano.

Por ser uma construção de baixo custo, executada com materiais alternativos de baixo impactoambiental, se torna ainda mais importante a avaliação dos diversos itens de desempenho dessahabitação. Dessa forma, esse trabalho tem como objetivo central avaliar o seu comportamentotérmico no período de verão, analisando o amortecimento térmico da edificação e ocumprimento das especificações da norma brasileira de desempenho a NBR 15575. Essa análiseconsiderou duas situações, um período com o sistema de ventilação fechado e outro com osistema de ventilação aberto, para que fosse avaliado também a importância desse item decondicionamento natural.

2 METODOLOGIA

O protótipo da Casa Popular Eficiente foi construído com uma área de 55,4 m² e se configura emdois dormitórios, um banheiro, uma sala de estar e uma cozinha com área de serviço integrada.Nas figuras 1, 2 e 3, pode se ver em detalhe a planta baixa e as fotos que mostram as fachadasprincipais da moradia.

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Figura 1 – Fachada Norte e Oeste. (Fonte: Vaghetti et al.,2013). Figura 2 Fachada Norte e Leste. (Fonte: Vaghettietal.,2013).

Figura 3 – Planta baixa da habitação Fonte: Vaghetti et al.,2013).

Para a construção do protótipo foram escolhidos materiais de menor impacto ao meioambiente, adaptáveis à região sul do Brasil e que relacionem um bom custo/benefício. Aalvenaria é composta por blocos de solo cimento vazado (Figura 4a) o qual permite apassagem de eletrodutos, tubulação e preenchimento com ferragem e graute, se necessário,sem a necessidade de quebrar a parede. Além disso, na fabricação do bloco de solo cimentonão é empregado o processo de queima, como nos tijolos comuns. O bom acabamento dessesblocos dispensa o uso de revestimento com argamassa. No entanto, para a melhoria daresistência térmica, foi executado um revestimento em argamassa de 1,5 cm na superfícieinterna das vedações ficando a face externa com o tijolo à vista.

As tintas utilizadas são de terra, um resultado da mistura de terras com diferentes cores. Oimpermeabilizante ecológico é um produto desenvolvido com alta resistência, o seu filme formauma película brilhante e lisa, evitando a formação de limo, a penetração de umidade e oacúmulo de sujeira (Vaghettiet al.,2013).

O forro e a estrutura do telhado são compostos por painéis e vigas OSB (Oriented Strand Board)(Figura 4b), que se constituem de um aglomerado de partículas demadeiras longas e orientadas.

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As telhas são produtos da reciclagem do polietileno/alumínio das embalagens longa vida daTetra Park (Figura 4c).Sua composição baseia se em75% de plástico, 23% de alumínio e 2% defibras vegetais, prensados em alta temperatura e sem o uso de resinas (Vaghetti et al.,2013).

(a) (b) (c)Figura 4 a) Bloco de solo cimento vazado b) Painél OSB c) Telha reciclada de Tetra Park(Fonte: VAGHETTI et al.,2013)

Segundo Mazon et al.(2006), a ventilação natural regula o clima interno de uma edificação pormeio de uma troca de ar controlada pelas aberturas, proporcionando condições mais favoráveisde conforto térmico aos ocupantes. Assim, foi projetado para o protótipo uma abertura depassagem de ar, com seu ponto de captação pelas janelas externas da face leste e sul da casa.As saídas de ar dos ambientes estão localizadas no forro, o que aumenta a diferença de alturaentre a entrada e a saída do ar, fazendo com que o ar circule pelo interior da casa, resfriando a.Aberturas no lanternim do telhado permitem então a saída do ar para o ambiente externo.Durante os meses de inverno a ventilação natural será interrompida pelo fechamento dasgrelhas localizadas no forro e no telhado, não permitindo a passagem do ar (Vaghetti etal.,2013). A Figura 5 ilustra o sistema de ventilação utilizado no protótipo.

Figura 5 Sistema de ventilação natural empregado (Fonte: Vaghetti et al.,2013).

A radiação solar também é uma variável de extrema importância no conforto térmico de umaedificação. O estudo da melhor orientação das fachadas em função do clima dispensa, namaioria dos casos, o uso de dispositivos artificiais para iluminação e condicionamento. Portanto,buscou se o melhor posicionamento para o protótipo, com fachada principal na orientaçãonorte, dormitórios com aberturas para Norte e Leste e fachada Oeste sem aberturas e comprevisão de proteção solar do fechamento opaco nessa orientação, a partir do uso de vegetaçãocom folhas que caem no inverno.

2.1Medições

Para o monitoramento das temperaturas internas e externas do protótipo foram usadosaparelho de medição de temperatura Hobo Data Logger, fabricados pela empresa ONSETComputer Corporation. São no total dez aparelhos, dois por ambiente interno (sala, cozinha edois quartos) e um cabo ligado a outros dois aparelhos para o ambiente externo. Eles foram

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programados para coletarem a temperatura do ar durante 90 dias, com a edificaçãodesocupada, com um intervalo de medição de 30 minutos, entre 21 de Dezembro de 2013 e 21deMarço de 2014. Nos primeiros 45 dias as medições foram feitas com as aberturas totalmentefechadas, já nos 45 dias subsequentes, as portas, vidros e basculantes, exceto as da cozinha,foram abertas durante todo o dia, a fim de analisar a influência do sistema de ventilação sobreas variáveis térmicas do protótipo.

Os registradores internos foram instalados a 1,2 metros do piso. Os sensores externos forampostos abaixo do beiral, protegidos da radiação solar direta. A Figura 8 apresenta a planta baixado protótipo com a localização da colocação dos medidores.

Figura 8 Planta Baixa com a localização dos medidores (Fonte: Vaghetti et al.,2013).

Para a análise térmica da construção foram destacados, tanto no período com ventilaçãofechada como aberta, três dias consecutivos com temperaturas mais elevadas, sendo realizadasas análises a partir dos dados coletados no terceiro dia de cada período. Assim, no período emque as aberturas de ventilação estavam fechadas foram considerados os dias 22, 23 e 24 dejaneiro de 2014, sendo analisados o comportamento e o desempenho térmico no dia 24.Quando o sistema de ventilação esteve aberto foi considerado o período de 5, 6 e 7 de fevereirode 2014, sendo analisado apenas o comportamento térmico considerando o dia 7.

2.2 Avaliação do Comportamento Térmico

A análise do comportamento térmico foi feita a partir da comparação entre valores detemperaturas externas e internas e do amortecimento térmico da edificação, calculado atravésda Eq. (1), que relaciona a diferença entre a amplitude de variação de temperatura interna coma amplitude observada externamente, o que é um indicativo importante da resposta doconjunto dos componentes construtivos da edificação frente às ações térmicas atuantes.

Te

Ti-1= (1)

2.3 Avaliação do Desempenho Térmico

O desempenho térmico foi avaliado segundo os critérios da norma NBR 15575, que estipulaníveis mínimos de desempenho, sendo utilizado o método simplificado da norma e o métodopor medições. No simplificado, a norma lista, considerando a Zona Bioclimática 2, valoresadmissíveis de transmitância térmica para vedações verticais e coberturas, valores mínimos decapacidade térmica para vedações verticais e área de abertura mínima para ventilação, os quaissão comparados com os valores obtidos para o protótipo. Os cálculos de transmitância térmicae capacidade térmica foram efetuados segundo a norma NBR 15220 2 (2005), considerando ascaracterísticas físicas dos fechamentos verticais e da cobertura da edificação que estãoapresentadas na Tabela 1.

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Tabela 1 – Características térmicas dos materiais componentes dos fechamentos

Características dos materiais Tijolo Solo Cimento

Argamassa Telha EcológicaTetrapak 6 mm

Forro OSB15mm

Condutividade Térmica(W/(m.K)

0,65 1,15 0,20 0,14

Calor Específico (J/Kg.K) 0,80 1,0 1,04 2,30Densidade (Kg/m³) 1655 2000 950 650Emissividade (%) 0,80 0,80 0,80 0,80

As áreas das aberturas foram calculadas e comparadas com os limites mínimos de aberturaspara ventilação, listados pela NBR 15575.No método por medições as temperaturas máximasinternas são comparadas com as máximas externas, atribuindo se níveis de desempenhoconforme a diferença obtida, sendo conferido nível mínimo quando a diferença entre atemperatura externa em relação à interna é maior que 0°C, intermediário quando a diferença émaior que 2°C e superior quando a diferença é maior que 4°C.

3 ANÁLISE DOS RESULTADOS

A Figura 9 apresenta os dados medidos de temperaturas externas e internas nos diversosambientes monitorados, para o período de três dias mais críticos em que a edificação estevefechada. A Figura 10 consta de gráficos com temperaturasmedidas no período em que o sistemade ventilação foi aberto.

Figura 9 – Temperaturas internas e externa com sistema de ventilação fechado.

Figura 10 – Temperaturas internas e externa com sistema de ventilação aberto.

Observa se umamaior amplitude térmica das temperaturas externas no segundo período, o quese refletiu na maior amplitude das temperaturas internas, fenômeno que foi acentuado pelaabertura de ventilação ser permanente nesses dias, resultando em um menor amortecimentodas variações externas.

23,0

28,0

33,0

38,0

TEMPER

ATU

RA°C

22/JAN 23/JAN 24/JANEXTERNO FUNDO FRENTE COZINHA SALA

23,0

28,0

33,0

38,0

TEMPER

ATU

RA°C

05/FEV 06/FEV 07/FEV

EXTERNO FUNDO FRENTE COZINHA SALA

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No final do primeiro período observa se uma entrada de frente fria, fenômeno típico da regiãoem que o estudo foi conduzido, o que influenciou em um pequeno decréscimo na temperaturainterna dos ambientes no último dia considerado desse período.

Nos dois períodos a influência da incidência da radiação solar é marcante, com maiorestemperaturas e amplitudes térmicas nos ambientes commaior incidência solar, o que indica queo controle desse ganho térmico é determinante para um maior conforto no período quente,devendo se atentar para proteções que permitam abertura na estação fria do ano, característicado clima dessa região. O uso de vegetação, quando previsto em projeto, deve ser implementadodurante a execução das edificações, pois faz parte importante da solução com relação acomportamento térmico das mesmas.

3.1Análise de Comportamento Térmico

A partir dos dados das Figuras 9 e 10,foram estruturadas as Tabelas 2 e 3 com o resumo dosprincipais dados necessário a essa análise, sendo detalhado, tanto para o período comventilação fechada como o período com ventilação aberta, o dia crítico, ou seja, o dia maisquente do período de medição. Para o primeiro período de casa fechada o dia adotado é 24 dejaneiro que apresentou temperatura máxima de 37,66 0C e mínima de 24,21 0C. Para o períodocom ventilação aberta é adotado o dia 07 de fevereiro, com temperatura máxima de 39,900C emínima de 24,02 0C. Nos dois períodos o dia crítico é precedido por dois dias com temperaturassemelhantes.

Tabela 2 – Temperaturas e amortecimento nos diferentes ambientes (Ventilação Fechada)

1º Período Casa Fechada

Ambiente Data TemperaturaMáxima (°C)

TemperaturaMínima (°C)

Amplitude (°C) Amortecimento

Externo 24/jan 37,660 24,210 13,450Quarto Frente 24/jan 33,800 30,105 3,695 72,53%Quarto Fundos 24/jan 35,275 30,715 4,560 66,10%Cozinha 24/jan 35,060 29,900 5,160 61,64%Sala 24/jan 35,485 30,105 5,380 60,00%Média Geral 24/jan 65,07%

Tabela 3 – Temperaturas e amortecimento nos diferentes ambientes (Ventilação Aberta)

2º Período Casa Aberta

Ambiente ata TemperaturaMáxima (°C)

TemperaturaMínima (°C)

Amplitude (°C) Amortecimento

Externo 07/fev 39,900 24,015 15,885Quarto Frente 07/fev 35,060 28,310 6,750 57,51%Quarto Fundos 07/fev 36,565 29,100 7,465 53,01%Cozinha 07/fev 37,660 28,310 9,350 41,14%Sala 07/fev 37,660 28,505 9,155 42,37%Média Geral 07/fev 48,50%

As Figuras 11e 12 mostram os gráficos de variação das temperaturas máximas externamente epara os diversos ambientes da edificação no dia crítico dos diferentes períodos de medição,enquanto a Figura 13 apresenta os valores de amortecimento nos diversos ambientes.

Nos dois períodos analisados, foi possível observar que a sala e a cozinha foram os ambientescom menor amortecimento e maior temperatura interna medida, devido principalmente àmaior influência da radiação solar, por estarem posicionados com suas paredes externasvoltadas ao norte e oeste. Já o dormitório do fundo é o ambiente com a menor temperaturamáxima interna medida e o maior amortecimento, pois a posição geográfica desse quarto comsuas paredes externas voltadas ao sul e leste influencia positivamente no período quente.

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Figura 11 – Temperaturas máximas externa e internas com sistema de ventilação fechada.

Figura 12 – Temperaturas máximas externa e internas com sistema de ventilação aberta.

Figura 13 Amortecimento da temperatura interna dos ambientes

Proteções solares nos fechamentos opacos orientados a Oeste podem trazer melhorasimportantes no comportamento térmico no período de verão. Nesse caso está previsto o plantiode vegetação com folhas caducifólias na fachada oeste.

Em todos os ambientes a amplitude térmica é maior, com menor amortecimento, quando aventilação está aberta durante todo o dia. Esse fato indica a necessidade de controle daventilação, com abertura apenas nos horários com temperaturas externas mais frescas do dia,caso contrário os ganhos térmicos por ventilação durante os horários mais quentes prejudicamo bom comportamento térmico da edificação.

O amortecimento térmico médio do protótipo no período quente analisado é de 65.07 %, comventilação fechada, o que indica um amortecimento alto das variações de temperaturasexternas para uma edificação de interesse social. Com ventilação aberta todo o dia esse valorbaixa para 48,50 %.

3.2 Análise do desempenho térmico pelo método simplificado

Para a avaliação pelo método simplificado da NBR 15575, os valores calculados de transmitânciatérmica e capacidade térmica dos fechamentos opacos do protótipo estão listados na Tabela 4,juntamente com os valores limites estabelecidos pela norma.

33,034,035,036,037,038,039,040,041,0

TEMPER

ATU

RA°C

22 / J AN 23 / J AN 24 / J AN

EXTERNA QUA. FUNDO QUA. FRENTE COZINHA SALA

33,034,035,036,037,038,039,040,041,0

TEMPER

ATU

RA°C

05 / F EV 06 / F EV 07 / F EV

EXTERNA QUA. FUNDO QUA. FRENTE COZINHA SALA

72,53% 66,10% 61,64% 60,00% 65,07%57,51% 53,01%41,14% 42,37% 48,50%

QUARTO FUNDO QUARTO FRENTE COZINHA SALA MÉDIA GERAL

FECHADA ABERTA

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Tabela 4 – Transmitância Térmica e Capacidade Térmica dos fechamentos opacos da edificação. Fonte:Santos (2013)

Características dos MateriaisComponente

Parede Cobertura

Transmitância Térmica[W/(m²K)]

NBR 15575 2,5 2,3Valores Calculados 2,44 1,78

Capacidade Térmica[kJ/(m²K)]

NBR 15575 130

Valor Calculado 161,7

Avaliação Atende Atende

É possível observar na Tabela 4, que o valor de transmitância térmica da parede está próximoao máximo requerido pela norma, mas atende a norma, enquanto os demais valores tambémestão de acordo com os limites estabelecidos.

No que se refere à ventilação, a NBR 15575 exige uma porcentagem mínima de aberturas paraa ventilação de 7,00% da área do piso. A partir dos cálculos realizados obtiveram se valorespercentuais de ventilação de 8,34% para os dormitórios e de 8,83% para o ambiente compostopor sala, cozinha e lavanderia, valores superiores aos recomendados pela norma. Dessa maneiraa edificação analisada cumpre os requisitos do método simplificado da NBR 15575 com relaçãoao desempenho térmico.

3.3 Análise do desempenho térmico pelo método das medições

Conforme o procedimento estipulado pela norma e parâmetros mencionados anteriormente,para a obtenção do nível de desempenho térmico através do método de medições, foramobtidas as diferenças entre as temperaturas máximas externa e interna, considerando os dadosdo terceiro dia do intervalo considerado, para o período de medições com o sistema deventilação fechado. A Tabela 5 apresenta esses valores .

Tabela 5 Diferenças entre temperaturas externas e internas nos diversos ambientes (24/02/14)

Ambiente Dormitório da Frente Dormitório do Fundo Cozinha Sala

Te, máx Ti, máx 2,39°C 3,86°C 2,60°C 2,17°C

Observando se os dados da Tabela 5, verifica se que a sala foi o ambiente mais desfavorável,com maior temperatura máxima e então menor diferença de temperatura em relação àtemperatura externa, sendo então o ambiente considerado para a avaliação de desempenho,conforme estabelecido pela norma. Dessa forma a edificação atinge desempenho de nívelintermediário.

4 CONSIDERAÇÕES FINAIS

Nos dois períodos analisados, o comportamento térmico dos ambientes tem relação direta coma intensidade da radiação solar incidente nos fechamentos dos mesmos, independente daexistência de fechamentos transparentes nas fachadas, sendo importante a previsão nos projetoe na execução de conjuntos residenciais, de proteções vegetais, que tem baixo custo e grandeeficiência.

No período analisado foi medido um amortecimento térmico médio da edificação de 65,07%,com ventilação fechada, um valor significativo para uma edificação construída focada no baixocusto e commateriais de baixo impacto ambiental, o que limita as opções a serem consideradasna especificação dos materiais construtivos.

A abertura do sistema de ventilação durante todo o dia acarretou um aumento na amplitudetérmica interna, com menor amortecimento térmico da edificação, com média de 48,50%. Issofortalece a ideia de necessidade uma ventilação seletiva, aberta apenas nos horários comtemperaturas mais amenas do dia.

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Com base nas análises de desempenho térmico pelo método simplificado observa se que aedificação atende às especificações regidas pela NBR 15575, tanto com relação à transmitânciatérmica quanto com relação à capacidade térmica e às aberturas de ventilação.

Analisando o desempenho térmico da construção pelo método de medição, observou se que aresidência obteve um nível intermediário de desempenho térmico, nível também obtido portodos os ambientes analisados.

REFERÊNCIAS

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Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR 15575 4: 2013 – Edificações habitacionais Desempenho Parte 4:Requisitos para os sistemas de vedações verticais internas e externas.Rio de Janeiro: ABNT, 2013.

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Castro, A.P.A.S. Desempenho térmico de vidros utilizados na construção civil. 2006. 223p. Tese (Doutorado)UNICAMP. Campinas: 2006.

Mazon, A. A. O.; Silva, R. G. O..S.; Souza, H. A. Ventilação natural em galpões: o uso de lanternins nas coberturas.Volume 59 n°.2. Ouro Preto: Revista Escola de Minas, 2006.

Oliveira, N. M. D. de. Estudo do comportamento térmico de um edifício utilizando o programa RCCTE STE. Dissertaçãode mestrado (Engenharia Mecânica) – Universidade Nova de Lisboa, Portugal. 2011. 89p.

PLENTZ, D. ; BEVILACQUA, D. (coord). Universidade Federal de Santa Maria, Carta solar de Santa Maria. Santa Maria.Não publicado, 1998. Relatório de projeto de pesquisa.

Santos, G. T. dos. Avaliação Da Eficiência Energética De Habitação Unifamiliar De Interesse Social Na Região CentralDo Rio Grande Do Sul. Trabalho de Conclusão de Curso (Engenharia Civil) – Centro de Tecnologia, Universidade Federalde Santa Maria, Brasil, 2013. 71 p.

Vaghetti, M.A.O. et al. Casa Popular Eficiente: um benefício ambiental aliado a um custo mínimo. Santa Maria: UFSM,2013. Projeto de Pesquisa (Protocolo GAP/CT nº 28582).

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