Sustentabilidade
Sombras Adaptativas ‘Solar Gate’ Inspiradas na Natureza para Aumentar a Eficiência de HVAC
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A crise climática representa uma grande ameaça tanto ao nosso meio ambiente quanto às nossas vidas. Isso fez a redução de dióxido de carbono (CO2) emissões uma necessidade global urgente.
O ambiente construído é na verdade responsável por cerca de 42% das emissões globais anuais de CO2. Enquanto as operações dos edifícios são principalmente responsáveis por isso, os materiais de construção e infraestrutura também desempenham um papel importante aqui.
Isso faz dele a força motriz das mudanças climáticas, cujos efeitos negativos já podem ser vistos em eventos climáticos frequentes e mais danosos.
Portanto, devemos construir não apenas fachadas adaptativas que têm o potencial de reduzir a necessidade de aquecimento e resfriamento ativos, diminuindo assim o consumo de energia e o impacto ambiental dos edifícios, mas também uma arquitetura mais resiliente que possa suportar os desafios apresentados pelas mudanças climáticas.
Para construir tais fachadas adaptativas, os arquitetos devem utilizar estratégias de design que incorporem as características ambientais locais únicas. Isso simplesmente se traduz em priorizar a arquitetura responsiva ao clima.
Esse tipo de arquitetura foca no projeto de edifícios energeticamente eficientes que são adequados ao clima em que são construídos. Isso requer levar em conta fatores como sazonalidade, sombreamento natural, padrões de precipitação, umidade, etc.
Em vez de trabalhar contra o clima local, os edifícios responsivos ao clima trabalham com as condições regionais para proporcionar o máximo conforto ao ocupante, usando a menor quantidade de energia possível.
Ao adotar essa abordagem de implementação de estratégias de design passivo, cidades e vilarejos podem ser construídos para protegê-los da crescente frequência e atrocidades dos eventos climáticos severos que são resultado das mudanças climáticas.
Além de melhorar a resiliência dos edifícios, tornando-os mais preparados para suportar tanto o clima quanto desastres naturais, a arquitetura responsiva ao clima oferece benefícios de redução de custos operacionais ao utilizar sistemas naturais e passivos.
Usando luz natural e ventilação natural em vez de sistemas que utilizam eletricidade, os custos operacionais relacionados à energia podem ser reduzidos significativamente. O uso extensivo desses sistemas passivos tem a capacidade de reduzir o consumo de energia em até 90%. Esses sistemas passivos, como o fluxo de ar natural, até ajudam a melhorar a produtividade dos ocupantes.
Ao melhorar a eficiência energética, reduzir as emissões de carbono e proteger os recursos naturais, essa arquitetura também ajuda a promover a sustentabilidade ambiental.
No entanto, os edifícios responsivos ao clima também apresentam o desafio de custos iniciais elevados devido ao uso de materiais sustentáveis e ao processo de construção longo e complexo. Além disso, há a questão dos obstáculos regulatórios.
Claro, os governos estão tomando iniciativas, e as regulamentações sobre eficiência energética de HVAC e isolamento térmico avançaram, mas ainda falta regras de apoio para projetos responsivos ao clima. Aumentar a adoção dessas arquiteturas também requer foco em educação e investimento em expertise relacionada.
Apesar dos desafios, estamos vendo um interesse crescente nesses edifícios. Alguns dos elementos centrais de um design adaptativo incluem a utilização de fontes naturais para fluxo de ar e ventilação, um design solar passivo que leva em conta a posição do sol, materiais naturalmente sustentáveis como madeira e bambu, e recursos verdes em telhados e paredes.
Sombras Adaptativas Bioinspiradas e Responsivas ao Clima
Entre as arquiteturas responsivas ao clima, os sistemas de sombreamento adaptativo são uma ótima maneira de regular o clima interno de forma mais eficiente, alterando dinamicamente sua forma, orientação ou propriedades térmicas em resposta às condições climáticas externas.
No entanto, o problema desses sistemas de sombreamento cinético reside na dependência de energia operacional para ativar dispositivos eletro‑mecânicos que movimentam múltiplas partes. Essas montagens complexas são vulneráveis a falhas, que então exigem reparos custosos.
Embora existam alternativas na forma de vidro anti‑sol tintado passivo, elas filtram luz natural demais. Então, qual é a solução? Bem, está na natureza.
Um novo estudo1 por pesquisadores das Universidades de Freiburg e Stuttgart recorreram à natureza e descobriram que já existem soluções para adaptação. Elas são inspiradas em materiais biológicos e respondem passivamente a estímulos externos.
A solução que os pesquisadores tomaram como modelo foram os cones de pinheiro, que reagem ao ambiente e mudam sua forma apesar de possuírem sistemas materiais completamente mortos. O cone de pinheiro abre e fecha em resposta a mudanças de temperatura e umidade sem consumir energia metabólica.
Usando o cone de pinheiro como modelo, os pesquisadores desenvolveram um novo sistema de fachada autônomo em energia que se adapta passivamente ao clima. Batizado de “Solar Gate”, o sistema foi instalado na Shell Biomimética livMatS da Universidade de Freiburg. livMatS, ou ‘Sistemas de Materiais Vivos, Adaptativos e Autônomos em Energia’ (livMatS), é um edifício de pesquisa.
Em vez de depender de “dispositivos técnicos elaborados”, como a maioria das tentativas de responsividade em fachadas arquitetônicas faz, esta pesquisa “explora como podemos aproveitar a responsividade do próprio material através de design computacional avançado e manufatura aditiva”, disse o Professor Achim Menges, chefe do Instituto de Design Computacional e Construção (ICD) da Universidade de Stuttgart.
De acordo com Menges, que também é o porta‑voz do Cluster de Excelência Design Computacional Integrativo e Construção para Arquitetura (IntCDC), a abordagem deles permitiu alcançar um sistema de sombreamento que abre e fecha autonomamente em resposta às mudanças climáticas.
Esse efeito é alcançado sem empregar quaisquer elementos mecatrônicos ou energia operacional. Aqui, “a própria estrutura biomaterial é a máquina”.
Este sistema de sombreamento adaptativo e responsivo ao clima é o primeiro a operar sem energia elétrica. Além do design bioinspirado, os pesquisadores usaram materiais naturais e tecnologias amplamente acessíveis para o “Solar Gate”.
A tecnologia usada aqui foi a impressão 3D, também conhecida como manufatura aditiva, que permite a fabricação de formas e estruturas complexas. Nesse processo, objetos tridimensionais são criados a partir de um arquivo digital depositando camadas sucessivas de material. A impressão 3D permite prototipagem rápida, personalização, economia de custos e alta precisão, além de proporcionar liberdade de design.
A equipe usou impressoras 3D padrão para replicar a estrutura dependente da direção da celulose nos tecidos vegetais.
A celulose é a biomassa mais abundante na Terra. É também um material natural, de baixo custo, biodegradável e renovável que, sobretudo, possui características higromórficas inerentes, permitindo que o sombreamento adaptativo seja sustentável.
Essa propriedade higromórfica, que representa o inchaço e encolhimento com mudanças de umidade, é frequentemente observada na natureza. A abertura e fechamento das escamas dos cones de pinheiro é um exemplo disso.
Aproveitando essa propriedade, a equipe projetou fibras de celulose biobaseadas e então as imprimiu em 4D em uma estrutura bi‑camada usando as escamas de cones de pinheiro como inspiração.
Uma técnica de fabricação computacional também foi desenvolvida pelos pesquisadores para controlar a extrusão de materiais celulósicos através da impressora 3D FFF.
Os sistemas de material produzidos aqui podem mudar autonomamente sua forma em resposta a estímulos externos. Os materiais celulósicos absorvem umidade e se expandem quando a umidade está alta, fazendo com que os elementos se curvem e abram. Enquanto isso, em baixa umidade, esses materiais liberam umidade e contraem, fazendo com que os elementos impressos se achatam e fechem.
“Inspirado pelos movimentos higroscópicos das escamas dos cones de pinheiro e das brácteas do cardo prateado, o Solar Gate conseguiu traduzir não apenas a alta funcionalidade e robustez dos modelos biológicos em um sistema de sombreamento bioinspirado, mas também a estética dos movimentos das plantas.”
– Professor Thomas Speck, porta‑voz do livMatS e chefe do Grupo de Biomecânica de Plantas de Freiburg na Universidade de Freiburg
O sistema de sombreamento adaptativo bioinspirado já foi testado no mundo real quanto à sua funcionalidade e durabilidade. A equipe o instalou na claraboia voltada ao sul da Shell Biomimética livMatS, que auxilia na regulação do clima interno do edifício.
Durante o período de mais de um ano, foi observado que no inverno, os elementos de sombreamento impressos em 4D se abrem e permitem aquecimento natural ao deixar a luz solar entrar, e se fecham no verão para reduzir a radiação solar.
O ‘Solar Gate’ é alimentado exclusivamente pelos ciclos climáticos e não requer energia elétrica, representando uma alternativa eficiente em recursos e autônoma em energia aos sistemas de sombreamento tradicionais. O sistema de sombreamento bioinspirado impresso em 4D também oferece as vantagens de baixo custo, baixo consumo de material, construção leve e maior robustez operacional.
Este sistema, segundo os pesquisadores, tem implicações muito maiores do que apenas fachadas de edifícios. Eles escreveram que também pode impactar áreas mais amplas de arquitetura, engenharia e construção.
Em trabalhos futuros, os pesquisadores investigarão mais a fundo a degradação induzida por UV e seus efeitos a longo prazo, bem como o desgaste mecânico no Solar Gate, e quantificarão a melhoria da regulação do clima interno.
Telhas de Telhado Adaptativas
No passado, também abordamos como scientistas da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, desenvolveram telhas de telhado adaptativas. Essas telhas poderiam reduzir os custos de energia de forma significativa. Seu segredo é um “interruptor radiativo” que alterna entre modos de aquecimento e resfriamento, reagindo à temperatura externa. As telhas se ajustam dentro de 3 graus Celsius do alvo. E comparado aos sistemas regulares, são mais de 2,5 vezes mais eficientes. O resultado são contas menores e menor dependência de combustíveis fósseis.
No núcleo dessa inovação está um pequeno dispositivo quadrado de 4 polegadas. Ele ajusta a quantidade de calor que irradia dependendo do clima. O objetivo é manter as temperaturas internas estáveis — cerca de 65°F (18°C) sem a necessidade de energia constante. No entanto, essa tecnologia ainda não está no mercado, mas quando estiver, poderá economizar energia, reduzir custos e ajudar a tornar os edifícios mais verdes.
Empresas
Agora, vamos analisar algumas empresas públicas que estão envolvidas em arquitetura adaptativa através de seu foco em soluções inovadoras para eficiência energética, sustentabilidade de edifícios e desempenho de materiais.
1. Johnson Controls International
Johnson Controls oferece o maior portfólio de equipamentos e controles HVAC para ambientes de edifícios mais confortáveis, saudáveis e sustentáveis. As soluções HVAC da empresa podem proporcionar ar visivelmente limpo e oferecer controle climático total. Seus serviços preditivos e de diagnóstico detectam, por sua vez, problemas relacionados à estrutura antes que ocorram danos decorrentes de questões sísmicas. Além disso, oferece manutenção planejada e preventiva e gerenciamento remoto de edifícios.
Com a corrida para a descarbonização em andamento, a Johnson Controls garante sustentabilidade por meio de seus sistemas de aquecimento e resfriamento eficientes que fornecem controle climático eficaz juntamente com uso otimizado de energia. O portfólio de equipamentos HVAC da empresa é projetado para maximizar a eficiência energética.
Além dos HVACs, a empresa também oferece uma plataforma IoT, OpenBlue, que permite operação e otimização inteligentes e proativas. A plataforma pode processar um milhão de pontos de dados por minuto e tem como objetivo tornar os edifícios mais inteligentes e eficientes.
Johnson Control também está fazendo uso intensivo de IA em suas soluções de segurança para ambientes empresariais, comerciais e residenciais. A empresa ampliou ainda mais suas capacidades de IA em seu OpenBlue Enterprise Manager, visando levar os insights de dados ao próximo nível. Essas melhorias, combinadas com atualizações de equipamentos e serviços proativos, estão proporcionando aos clientes até 30% de redução nos gastos de energia, até 20% de redução nos gastos de manutenção e 10% mais otimização da utilização de espaço.
“Esses novos recursos impulsionados por IA não apenas aumentam a eficiência operacional e a sustentabilidade, mas também capacitam proprietários e operadores de edifícios com níveis sem precedentes de insight e controle. Estamos comprometidos em liderar inovações que impulsionam a automação e criam ambientes mais inteligentes e responsivos para nossos clientes.”
– CTO Vijay Sankaran
No momento da redação, as ações da JCI estão sendo negociadas a US$ 82,10, alta de 4,02% no ano, com capitalização de mercado de US$ 54,19 bilhões. Johnson Controls tem um EPS (TTM) de 2,09, enquanto seu índice P/E (TTM) é 39,27. A empresa paga um dividend yield de 1,80%.
JCI Gráfico de preços
Para o último trimestre reportado, ou seja, Q3 2024, a receita da Johnson Controls ficou aquém das expectativas, chegando a US$ 6,25 bilhões. Seu lucro não‑GAAP de US$ 1,28 por ação, porém, superou as estimativas de consenso dos analistas em 2,6%. O CEO e presidente George Oliver, na época, compartilhou que estavam “muito satisfeitos” por terem entregue “crescimento orgânico de vendas de dois dígitos e expansão robusta de margens”.
De acordo com Statista, a Johnson Controls gerou vendas líquidas globais de quase US$ 26,8 bilhões no ano fiscal de 2023, um aumento de quase 6% em comparação com o ano anterior.
Mais recentemente, a empresa adquiriu a Webeasy, com sede nos Países Baixos, fornecedora de automação e controles de edifícios que se alinhará à missão da Johnson Controls de inovar soluções de edifícios energeticamente eficientes e sustentáveis.
2. Owens Corning
Um fornecedor de materiais de construção e edificação, a Owens Corning (OC ) tem quatro negócios: telhados, portas, compósitos e isolamento.
As soluções de isolamento da empresa são para praticamente qualquer situação de construção, abrangendo paredes externas, sistemas de telhado e HVAC. Suas soluções de construção oferecem conformidade energética e com códigos de construção, alto desempenho térmico, resistência ao ar/água, controle de umidade e desempenho acústico.
Os usuários preferem os serviços de isolamento da empresa por sua eficiência energética, durabilidade, desempenho de longa duração, facilidade de instalação e manutenção mínima.
OC Gráfico de preços
No momento da redação, as ações da OC estão sendo negociadas a US$ 187,57, alta de 10,13% no ano, com capitalização de mercado de US$ 16,09 bilhões. Owens Corning tem um EPS (TTM) de 11,76, enquanto seu índice P/E (TTM) é 15,96. A empresa paga um dividend yield de 1,47%.
Em relação às finanças da empresa, no terceiro trimestre de 2024, ela reportou vendas líquidas de US$ 3 bilhões, um aumento de 23% em relação ao ano anterior. Seu recém‑adquirido negócio de portas contribuiu com mais de meio bilhão de dólares para isso. O EPS diluído entregue pela empresa foi de US$ 3,65 e o EPS diluído ajustado foi de US$ 4,38. O fluxo de caixa livre nesse período foi de US$ 558 milhões.
Owens Corning devolveu um total de US$ 252 milhões aos seus acionistas por meio de dividendos e recompra de ações. Falando sobre sua força financeira, o Diretor Financeiro Todd Fister disse:
“Demonstramos o forte poder de lucro e o potencial de geração de caixa da empresa. Nossa equipe entregou crescimento de receita e lucro como resultado da execução comercial e operacional de classe mundial.”
Em relação aos esforços de sustentabilidade da empresa, o portfólio de produtos da Owens Corning ajuda seus clientes a economizar energia e reduzir emissões. Durante seu relatório de sustentabilidade de 2023, a Owens Corning teve 14 de seus produtos certificados como fabricados com 100% de eletricidade renovável, representando um quarto da receita total da empresa.
A empresa também reportou alcançar uma redução de 28% nas emissões de Escopo 1 e 2 em relação a uma linha de base de 2018, aproximando-a de sua meta de redução de 50% nas emissões de gases de efeito estufa até 2030. Progresso também foi feito pela Owens Corning em seus esforços para reciclar dois milhões de toneladas de telhas por ano nos EUA até o final desta década.
A empresa de materiais de construção também investiu em uma instalação de fabricação de manta de vidro de 52.000 metros quadrados para abastecer a indústria com materiais de construção sustentáveis e mais resistentes.
Conclusão
As emissões globais de carbono estão aumentando rapidamente, causando o aumento da temperatura da Terra e levando a eventos climáticos extremos, incêndios florestais aumentados e interrupções no suprimento de alimentos. Com os edifícios representando uma proporção considerável das emissões globais de carbono, é extremamente importante que reduzamos a energia necessária para aquecimento, resfriamento e ventilação. Ao mesmo tempo, as estruturas devem ser capazes de suportar desastres climáticos.
A resposta a ambas as necessidades é a arquitetura responsiva ao clima, que requer atenção e incorporação do clima local e das características geográficas da região nos projetos de edifícios. Dada a alta capacidade da arquitetura responsiva ao clima de reduzir as emissões globais de carbono no setor e limitar a produção de resíduos, há necessidade de apoio regulatório e, claro, inovação constante.
Estudos como o “Solar Gate” trazem soluções promissoras para o problema que podem enfrentar os desafios ambientais e atender às necessidades funcionais do ambiente construído. Eles ainda destacam o potencial de tecnologias acessíveis como a manufatura aditiva e materiais abundantes e renováveis como a celulose em contribuir para soluções arquitetônicas sustentáveis.
Ao adotar materiais naturais e designs bioinspirados e utilizar técnicas de fabricação digital, podemos construir estruturas seguras, duradouras e um futuro resiliente!
Referência do Estudo:
1. Cheng, T., Tahouni, Y., Sahin, E. S., Ulrich, K., Lajewski, S., Bonten, C., Wood, D., Rühe, J., Speck, T., & Menges, A. (2024). Weather-responsive adaptive shading through biobased and bioinspired hygromorphic materials. Nature Communications, 15, Article 54808. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54808-8
