Pedro Correia Pereira da Silva Análise do Comportamento Térmico

Transcrição

Universidade do Minho
Escola de Engenharia
Pedro Correia Pereira da Silva
Análise do Comportamento Térmico de
Construções não Convencionais através de
Simulação em VIsualDOE
Tese de Mestrado em Engenharia Civil – Ramo de Processos
e Gestão da Construção
Trabalho efectuado sob a orientação do
Professor Luís Manuel Bragança de Miranda e Lopes
Professora Maria Manuela de Oliveira Guedes de
Almeida
Janeiro de 2006
DECLARAÇÃO
Nome
Pedro Correia Pereira da Silva _________________________________________________________________
Endereço electrónico: [email protected]______________ Telefone: _225029712 _____ / _962702074 _____
Número do Bilhete de Identidade: _11472760 _____________
Título dissertação □/tese □
_Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE_________
_______________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________________
Orientador(es):
_Professor Luís Manuel Bragança de Miranda e Lopes, Professora Maria Manuela de Oliveira Guedes de Almeida _______
____________________________________________________ Ano de conclusão: _2006_______
Designação do Mestrado ou do Ramo de Conhecimento do Doutoramento:
Mestrado em Engenharia Civil __________________________________________________________________
É AUTORIZADA A REPRODUÇÃO INTEGRAL DESTA TESE/TRABALHO APENAS PARA EFEITOS DE
INVESTIGAÇÃO, MEDIANTE DECLARAÇÃO ESCRITA DO INTERESSADO, QUE A TAL SE COMPROMETE;
Universidade do Minho, _05/_01/_2006_
Assinatura: ________________________________________________
AGRADECIMENTOS
Mesmo considerando que esta dissertação é um trabalho de investigação
individual, a sua realização não teria sido possível sem o apoio de várias
pessoas. Como tal, gostaria de reiterar os meus mais sinceros agradecimentos:
Ao meu orientador e co-orientadora, Professor Luís Bragança e Professora
Manuela Almeida, respectivamente.
Ao Arquitecto Paulo Mendonça, pois foi grande impulsionador do Projecto
“Células de Teste de Soluções não Convencionais”, sobre o qual se baseia
grande parte desta dissertação. Além de ter ajudado bastante na minha
integração no ramo da investigação.
Ao Eng.º Ricardo Mateus e Eng.ª Sandra Silva, por estarem sempre disponíveis
para me ajudar quando tal foi necessário.
À Fundação para a Ciência e a Tecnologia, pois foi devido ao financiamento
desta fundação que possibilitou a execução do Projecto “Células de Teste de
Soluções não Convencionais”.
À Sara Veiga, pela sua grande ajuda na verificação ortográfica da
dissertação.
À minha Noiva, pelo seu apoio em todas as alturas, pela sua compreensão e
pela sua palavra amiga nos momentos mais necessários.
Por último, é com grande contentamento que agradeço aos meus Pais, pois
sem eles e sua ajuda incondicional, este trabalho nunca poderia ter sido
desenvolvido.
Universidade do Minho – Escola de Engenharia
Departamento de Engenharia Civil
iii
iv
ANÁLISE DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DE CONSTRUÇÕES NÃO
CONVENCIONAIS ATRAVÉS DE SIMULAÇÃO EM VISUALDOE
RESUMO
Energia - uma das principais causas da poluição ambiental. De forma a
promover a redução do consumo energético, é fundamental a aplicação dos
princípios
do
desenvolvimento
sustentável
ao
sector
da
construção.
Contabiliza-se que existam na União Europeia (dos 15) cerca de 164 milhões
de edifícios, responsáveis por 40% da procura de energia final e 1/3 das
emissões de gases de efeito de estufa. Edifícios sustentáveis são aqueles que
têm o mínimo impacto negativo no ambiente natural e construído. Para a
construção de edifícios sustentáveis, são necessárias várias medidas: desde a
regulamentação energética, implementação de normas de conforto térmico
que considerem formas de o atingir com o menor consumo energético
possível, até à consciencialização dos intervenientes da utilização de soluções
energeticamente eficientes. Neste contexto, são introduzidas várias soluções a
adoptar nos edifícios, de forma a aumentar a sua performance energética.
Para
a
implementação
das
soluções
energeticamente
eficientes,
é
fundamental a utilização de ferramentas de simulação, de forma a prever a
solução que vai resultar na melhor performance do edifício. Neste trabalho,
utilizaram-se as Células de Teste existentes na Escola de Engenharia,
Universidade do Minho, com vista à verificação da performance de soluções
energeticamente eficientes, através da simulação em VisualDOE. O modelo
utilizado e respectivas simulações foram calibrados utilizando o sistema de
aquisição de dados das Células de Teste, de forma a obter a resistência
térmica “in-situ” de alguns elementos da envolvente medição e um ficheiro
climático. Através da comparação da construção tradicional utilizada em
Portugal, com a construção integrando materiais com menor impacto
ambiental e soluções solares passivas, foi demonstrado que a soluções
propostas, aplicada nas Células de Teste, é energeticamente mais eficiente.
Por outro lado, foi avaliada a metodologia de cálculo do novo Regulamento
Térmico Português e verificou-se que esta obtém resultados muito semelhantes
à simulação dinâmica na previsão das necessidades de aquecimento /
arrefecimento.
v
vi
THERMAL PERFORMANCE EVALUATION OF NON CONVENTIONAL
CONSTRUCTIONS THROUGH SIMULATION IN VISUALDOE
ABSTRACT
Energy - one of the main causes of the environmental pollution. In order to
promote the reduction of the energy consumption, it is fundamental to employ
the sustainable development principles in the construction sector. In the
European Union of the 15, there are about 164 million buildings, responsible for
40% of the final energy demand and 1/3 of the emissions of greenhouse gases.
Sustainable buildings are those that have the minimum negative impact in the
natural and constructed environment. Different measures are necessary for the
construction of sustainable buildings: since energy regulation, implementation
of thermal comfort standards that consider forms of reaching it with the lowest
energy consumption and the awareness of the intervening parts to the benefits
of the use of energy efficient solutions. In this context some solutions are
introduced to implement in buildings with the intension of increasing their
energy performance. For the implementation of the energy efficient solutions in
buildings, it is fundamental to use simulation tools, in order to foresee the
solution that results in the best performance for the building. In this work, one
used the Test Cells constructed in the School of Engineering, University of Minho,
for testing the performance of energy efficient solutions. The model used and
the respective simulations were calibrated using the data acquisition system of
the Test Cells to obtain the “in-situ” thermal resistance of some building
envelope components and a weather file. By the comparison between the
traditional construction in Portugal, with the construction integrating low
environmental
impact
materials
and
passive
solar
solutions,
it
was
demonstrated that the proposed solutions, constructed in the Test Cells, are
more energy efficient. On the other hand, the methodology proposed in the
new Portuguese Thermal Regulation was evaluated and it became clear that
the results obtained by this regulation are very similar to the dynamic simulation,
in terms of the heating / cooling energy requirements.
vii
viii
ÍNDICE
ÍNDICE GERAL
CAPÍTULO 1 – ENQUADRAMENTO E MOTIVAÇÃO DA DISSERTAÇÃO. .................... 1
1.1. Enquadramento................................................................................................. 1
1.2. Objectivos .......................................................................................................... 3
1.3. Organização...................................................................................................... 4
CAPÍTULO 2 – SUSTENTABILIDADE.................................................................................. 6
2.1. Desenvolvimento sustentável .......................................................................... 6
2.1.1. Alterações Climáticas ................................................................................. 7
2.1.2. Metas para atingir a sustentabilidade...................................................... 9
2.2. A Energia .......................................................................................................... 11
2.2.1. Caracterização do sector energético ................................................... 13
2.3. Sector dos Edifícios ......................................................................................... 16
2.3.1. Caracterização do Sector dos Edifícios em Portugal .......................... 17
2.3.2. Consumo Energético dos Edifícios .......................................................... 18
CAPÍTULO 3 – TÉRMICA DOS EDIFÍCIOS ..................................................................... 23
3.1. Conforto Térmico............................................................................................. 23
3.1.1. Mecanismos de Regulação Térmica do Corpo Humano ................... 24
3.1.2. Balanço Energético................................................................................... 26
3.1.3. Cálculo da Temperatura de Conforto ................................................... 27
3.1.4. Propostas para a Actualização das Normas de Conforto .................. 30
3.2. Balanço Térmico ............................................................................................. 34
3.2.1. Mecanismos de Transmissão de Calor ................................................... 34
3.2.2. Trocas de Calor nos Edifícios.................................................................... 36
3.2.3. Novos métodos para Estimar o Coeficiente “U”................................... 38
3.3. Isolamento Térmico......................................................................................... 39
3.3.1. Funções dos Isolantes Térmicos ............................................................... 39
3.3.2. Classificação dos Isolantes Térmicos ...................................................... 40
3.3.3. Espessura Óptima dos Isolantes Térmicos .............................................. 40
3.4. Humidade nos Edicícios ................................................................................. 42
3.4.1. Cálculo das Condensações nos Edifícios .............................................. 44
3.5. Pontes Térmicas............................................................................................... 47
3.5.1. Avaliação das Pontes Térmicas............................................................... 48
3.6. Inércia Térmica................................................................................................ 49
3.6.1. Avaliação da Inércia Térmica ................................................................. 49
3.7. Ventilação........................................................................................................ 51
3.7.1. Ventilação para a Qualidade do Ar Interior ......................................... 52
3.7.2. Ventilação para o Conforto Térmico ..................................................... 53
3.7.3. Ventilação para a Prevenção de Condensações .............................. 54
3.7.4. Mecanismos Impulsionadores da Ventilação ....................................... 55
3.7.5. Infiltrações ................................................................................................... 57
3.6.6. A Ventilação Natural................................................................................. 58
3.8. Iluminação ....................................................................................................... 60
3.7.1. Princípios da Iluminação........................................................................... 61
3.7.2. Iluminação Natural Vs Artificial ................................................................ 64
ix
Análise do Comportamento Térmico de Construções não Convencionais através de Simulação em VisualDOE
3.7.3. Princípios da Iluminação Natural............................................................. 65
3.7.4. Princípios da Iluminação Artificial............................................................ 68
3.7.5. Sistema de Iluminação Eficiente ............................................................. 69
CAPÍTULO 4 – EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DOS EDIFÍCIOS .......................................... 71
4.1. Performance dos Edifícios .............................................................................. 71
4.1.1. Sistema de Avaliação da Performance de Edifícios............................ 73
4.2. Ferramentas de Simulação ............................................................................ 76
4.2.1. Precisão das Ferramentas de Simulação............................................... 78
4.2.2. Execução de Modelos.............................................................................. 80
4.2.3. Dados Climáticos....................................................................................... 82
4.2.4. Desafios e Limitações das Ferramentas de Simulação........................ 85
4.2.5. Novas Aplicações das Ferramentas de Simulação.............................. 90
4.3. Regulamentação Térmica ............................................................................. 94
4.3.1. RCCTE .......................................................................................................... 96
4.3.2. RSECE ........................................................................................................... 98
4.3.3. SCE ............................................................................................................. 101
4.3.4. Programas de Incentivos ........................................................................ 102
4.4. Soluções Energeticamente Eficientes......................................................... 104
4.4.1. Forma e Orientação do Edifício ............................................................ 104
4.4.2. Sistemas Solares Passivos para Aquecimento ..................................... 105
4.4.3. Sistemas Passivos para Arrefecimento.................................................. 108
4.4.4. Considerações sobre algumas Soluções ............................................. 111
4.4.5. Integração de Soluções Energeticamente Eficientes........................ 120
4.4.6. Análise da Performance de Edifícios Sustentáveis na Europa.......... 123
4.5. Reabilitação de Edifícios .............................................................................. 124
4.4.1. A Reabilitação em Portugal................................................................... 127
4.4.1. Ferramentas de Avaliação da Reabilitação...................................... 128
CAPÍTULO 5 – PREVISÃO DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DOS EDIFÍCIOS ...... 130
5.1. RCCTE.............................................................................................................. 130
5.1.1. Estrutura do RCCTE .................................................................................. 131
5.1.2. Metodologias de Avaliação da Performance Térmica do RCCTE .. 136
5.2. VISUALDOE ..................................................................................................... 148
5.2.1. Introdução dos Dados do Projecto ...................................................... 150
5.2.2. Execução da Simulação ........................................................................ 156
5.2.3. Análise de Resultados ............................................................................. 158
CAPÍTULO 6 – CASO DE ESTUDO............................................................................... 162
6.1. Introdução ao Caso de Estudo.................................................................... 162
6.1.1. Células de Teste ....................................................................................... 163
6.1.2. Instrumentação das Células de Teste .................................................. 167
6.2. Aplicação do RCCTE ao Caso de Estudo................................................... 168
6.2.1. Cálculo das Necessidades de Aquecimento ..................................... 171
6.2.2. Cálculo das Necessidades de Arrefecimento .................................... 172
6.3. Aplicação do VisualDoe ao Caso de Estudo ............................................ 173
6.3.1. Introdução dos Dados das Células de Teste....................................... 174
6.3.2. Execução da Simulação das Células de Teste................................... 176
6.3.3. Calibração do Modelo das Células de Teste...................................... 178
x
Dissertação de Mestrado de Pedro Correia Pereira da Silva
ÍNDICE
CAPÍTULO 7 – RESULTADOS E CONCLUSÕES........................................................... 182
7.1. Resultados Pretendidos................................................................................. 182
7.2. Análise de Dados Obtidos “in-situ”............................................................. 183
7.2.1. Análise de Dados – Primavera ............................................................. 183
7.2.2. Análise de Dados – Verão .................................................................... 185
7.2.3. Análise de Dados – Outono ................................................................. 186
7.2.4. Análise de Dados – Inverno.................................................................. 188
7.2.5. Comparação da Performance dos Compartimentos...................... 189
7.3. Análise de Dados Obtidos com a Aplicação do RCCTE .......................... 190
7.3.1. Necessidades de Aquecimento........................................................... 190
7.3.2. Necessidades de Arrefecimento.......................................................... 191
7.3.2. Comparação da Performance dos Compartimentos...................... 191
7.4. Análise de Dados Obtidos com a Aplicação do VisualDOE ................... 192
7.4.1. Análise da Performance da Células de Teste .................................... 196
7.4.2. Comparação com os Resultados Obtidos no RCCTE....................... 199
CAPÍTULO 8 – CONCLUSÕES E EXPECTATIVAS FUTURAS ........................................ 201
8.1. Conclusões .................................................................................................... 201
8.2. Expectativas Futuras ..................................................................................... 204
ANEXO I – FICHEIRO CLIMÁTICO DO VISUALDOE .................................................. 206
AI.1. Preparação do Ficheiro Climático ............................................................ 206
AI.1.1. Obtenção dos Parâmetros .................................................................. 207
AI.2. Geração do Ficheiro Climático ................................................................. 211
ANEXO II – COEFICIENTE DE CONDUTIBILIDADE TÉRMICA “IN-SITU”..................... 213
AII.1. Justificação ................................................................................................. 213
AII.2. Método Utilizado......................................................................................... 214
AII.3. Aplicação às Células de Teste ................................................................. 217
BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................. 220
xi
ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO 2
Figura 2.1 – Chicago 1995, fotografia de Gary Braasch .......................................... 7
Figura 2.2 – Efeito das alterações climáticas nos glaciares..................................... 8
Figura 2.3 – Consumo de Energia Final em 2002 [tep/pessoa] ............................. 13
Figura 2.4 – Emissão de CO2 em 2002 [t CO2/pessoa] .......................................... 14
Figura 2.5 – Consumo de Electricidade em 2002 [kWh/pessoa] .......................... 14
Figura 2.6 – Consumo de Energia Final por Sector em Portugal ........................... 15
Figura 2.7 – Utilização de Energias Renováveis por Sector em Portugal ............. 15
Figura 2.8 – Distribuição dos consumos energéticos no Sector dos edifícios em
Portugal ......................................................................................................................... 18
Figura 2.9 – Habitação sustentável com princípios bioclimáticos........................ 20
CAPÍTULO 3
Figura 3.1 – Balanço térmico no corpo humano .................................................... 27
Figura 3.2 – Valor Médio do factor de forma entre uma pessoa sentada e uma
superfície horizontal ou vertical quando a pessoa pode ser rodada sobre um
eixo vertical................................................................................................................... 28
Figura 3.3 – Zonas de conforto para o Verão e Inverno. ....................................... 29
Figura 3.4 – Temperatura resultante óptima de conforto...................................... 30
Figura 3.5 - Temperatura de Conforto em edifícios climatizados......................... 32
Figura 3.6 - Temperatura de Conforto em edifícios não-climatizados. ............... 32
Figura 3.7 - Mecanismos de transmissão de Calor em edifícios ........................... 35
Figura 3.8 – Balanço energético no edifício ............................................................ 38
Figura 3.9 – Determinação da espessura óptima de isolamento......................... 42
Figura 3.10 – Temperatura interior de uma parede com isolamento térmico.... 43
Figura 3.11 – Verificação de condensações superficiais....................................... 45
Figura 3.12 – Perfil de humidade para uma parede dupla ................................... 46
Figura 3.13 – Fluxo de calor ao longo de um elemento de construção ............. 47
Figura 3.14 – Variação da temperatura superficial de uma parede ao longo de
um dia............................................................................................................................ 51
Figura 3.15 – Ventilação nos edifícios ....................................................................... 52
Figura 3.16 – Altura do nível de pressão neutra ...................................................... 56
Figura 3.17 – Design para a ventilação natural. ..................................................... 60
Figura 3.18 – Combinação dos componentes do ambiente visual..................... 61
Figura 3.19 – Funcionamento de envidraçados electrocrómicos........................ 66
Figura 3.20 – Algumas soluções para a iluminação natural.................................. 67
Figura 3.21 – Fluxo energético em lâmpadas incandescentes. ........................... 68
Figura 3.22 - Fluxo energético em lâmpadas de Descarga gasosa. ................... 68
Figura 3.23 – Área de envidraçado ideal em relação à área da fachada....... 70
CAPÍTULO 4
Figura 4.1 – Simulação do fluxo de calor numa caixilharia de PVC. ................... 77
Figura 4.2 – Software RUNEOLE para geração de ficheiros climáticos................ 85
Figura 4.3 – implementação do modelo de térmica e ventilação.. ................... 91
xii
ÍNDICE
Figura 4.4 – Zonamento climático no novo RCCTE................................................. 98
Figura 4.5 – Exemplo do modelo de cálculo do Índice de Eficiência Energética.
...................................................................................................................................... 100
Figura 4.6 – Certificado Energético dos Edifícios................................................... 101
Figura 4.7 - Ilustração da ferramenta “online” para obtenção do subsídio..... 103
Figura 4.8 – Sistema solar passivo de ganho directo com armazenamento
térmico. ....................................................................................................................... 107
Figura 4.9 – Sistema solar passivo de ganho indirecto – Parede de Trombe. ... 107
Figura 4.10 – Sistema solar passivo de ganho isolado – Termo-sifão. ................. 107
Figura 4.11 – Arrefecimento radiativo – sistema com isolamento de tecto
amovível. ..................................................................................................................... 109
Figura 4.12 – Sistema de ventilação de conforto diurna – ventilação cruzada.
...................................................................................................................................... 110
Figura 4.13 – Arrefecimento evaporativo – “roof-spaying” ................................. 110
Figura 4.14 – potencial de poupança energética pela aplicação da
ventilação em Portugal. ........................................................................................... 112
Figura 4.15 – configurações de paredes-asa.. ...................................................... 113
Figura 4.16 - Tubagem de Luz Horizontal ................................................................ 116
Figura 4.17 – Esquema de sistema Caldeira + Armazenador Térmico............... 119
Figura 4.18 – Introdução de soluções energeticamente eficientes................... 121
Figura 4.19 – Eficiência energética de edifícios bioclimáticos ........................... 124
Figura 4.20 – Eficiência energética da Solução de ganho directo ................... 124
Figura 4.21 – causas da deterioração dos edifícios e seu peso. ........................ 127
CAPÍTULO 5
Figura 5.1 – Exemplo do cálculo do coeficiente de transmissão térmica linear
( ϕ ) de uma ponte térmica ...................................................................................... 139
Figura 5.2 – Configuração do separador decimal no Windows......................... 149
Figura 5.3 – Diagrama de fluxo de informação do VisualDOE ........................... 150
Figura 5.4 – Definição das unidades a utilizar no VisualDOE ............................... 151
Figura 5.5 – Definição das componentes da base de dados de vãos
envidraçados do VisualDOE .................................................................................... 152
Figura 5.6 – VisualDOE, Pasta Projecto.................................................................... 153
Figura 5.7 – VisualDOE, Pasta Blocos ....................................................................... 154
Figura 5.8 – VisualDOE, Pasta Compartimentos .................................................... 154
Figura 5.9 – VisualDOE, Pasta Envolvente............................................................... 155
Figura 5.10 – VisualDOE, Pasta Sistemas de Climatização................................... 156
Figura 5.11 – VisualDOE, Pasta Zonas ...................................................................... 156
Figura 5.12 – Ficheiro de “input” do DOE-2.1E ....................................................... 158
Figura 5.13 – VisualDOE – Diagnóstico. Pasta Zonas e Sistemas de Climatização
...................................................................................................................................... 159
Figura 5.14 – VisualDOE – Gráficos........................................................................... 160
CAPÍTULO 6
Figura 6.1 – Localização das Células de Teste na Escola de Engenharia,
Universidade do Minho. ............................................................................................ 163
xiii
Figura 6.2 – Planta, alçado e foto da fachada sul da Célula de Teste
Convencional. ............................................................................................................ 164
Figura 6.3 – Planta, alçado e foto da fachada sul da Célula de Teste
Convencional. ............................................................................................................ 165
Figura 6.4 – Planta, alçado e foto da fachada sul da Célula de Teste tipo
Passys. .......................................................................................................................... 167
Figura 6.5 – Estação meteorológica. ...................................................................... 167
Figura 6.6 – Planta com a disposição dos sensores de temperatura superficial.
...................................................................................................................................... 168
Figura 6.7 – Data-Logger das Células de Teste. .................................................... 168
Figura 6.8 – Células de Teste com estufa (foto da esquerda) e sem estufa (foto
da direita).................................................................................................................... 169
Figura 6.9 – Folha de cálculo de Excel para obtenção do coeficiente de
condutibilidade térmica. .......................................................................................... 170
Figura 6.10 – Definição da “Envolvente” das Células de Teste. ......................... 176
Figura 6.11 – Adição de materiais no Ficheiro de “Input” do VisualDOE. ......... 177
Figura 6.12 – Alteração de elementos construtivos no Ficheiro de “Input” do
VisualDOE. ................................................................................................................... 177
Figura 6.13 – Definição da inércia térmica dos compartimentos. ..................... 178
Figura 6.14 – Gráfico comparando a temperatura interior medida “in-situ” e a
obtida pelo VisualDOE na 1ª versão da simulação.............................................. 180
Figura 6.15 – Gráfico comparando a temperatura interior medida “in-situ” e a
obtida pelo VisualDOE na 26ª versão da simulação............................................ 180
CAPÍTULO 7
Figura 7.1 – Humidade relativa entre 14 a 20 de Maio, divisória fechada. ...... 184
Figura 7.2 – Temperatura resultante entre 14 a 20 de Maio, divisória fechada.
...................................................................................................................................... 184
Figura 7.3 – Humidade relativa entre 15 a 20 de Setembro, divisória aberta... 185
Figura 7.4 – Temperatura resultante entre 15 a 20 de Setembro, divisória aberta.
...................................................................................................................................... 186
Figura 7.5 – Humidade relativa entre 12 a 16 de Novembro, divisória fechada.
...................................................................................................................................... 187
Figura 7.6 – Temperatura resultante entre 12 a 16 de Novembro, divisória
fechada. ..................................................................................................................... 187
Figura 7.7 – Humidade relativa entre 17 a 23 de Janeiro, divisória aberta....... 188
Figura 7.8 – Temperatura resultante entre 17 a 23 de Janeiro, divisória aberta.
...................................................................................................................................... 188
Figura 7.9 – Temperatura interior da CTnC – Sul, entre 10 a 16 de Novembro. 193
Figura 7.10 – Temperatura interior da CTnC – Norte, entre 1 a 7 de Janeiro. ... 193
Figura 7.11 – Temperatura interior da CTC entre 9 a 14 de Fevereiro................ 193
Figura 7.12 – Temperatura interior da CTP entre 11 a 17 de Outubro................ 194
Figura 7.13 – Temperatura interior da CTnC – Sul, entre 8 a 14 de Setembro... 194
Figura 7.14 – Temperatura interior da CTnC – Norte, entre 18 a 24 de Junho .. 195
Figura 7.15 – Temperatura interior da CTC entre 21 a 27 de Agosto ................. 195
Figura 7.16 – Temperatura interior da CTP entre 6 a 12 de Junho ...................... 195
xiv
ÍNDICE
ANEXO I
Figura AI.1 – Folha de cálculo utilizada para obter os parâmetros necessários
para o ficheiro climático. ......................................................................................... 211
Figura AI.2 – Organização de parâmetros de forma a gerar um ficheiro
climático...................................................................................................................... 211
Figura AI.3 – Ultimação do ficheiro climático para o VisualDOE........................ 212
Figura AI.4 – Ferramenta de conversão do VisualDOE para o ficheiro climático.
...................................................................................................................................... 212
ANEXO II
Figura AII.1 – Sensor de fluxo de calor e temperatura superficial interior
instalados na Célula de Teste Convencional. ....................................................... 215
Figura AII.2 – Sensor de temperatura superficial exterior instalado na Célula de
Teste não Convencional........................................................................................... 215
Figura AII.3 – Distribuição dos sensores de fluxo de calor nas Células de Teste.
...................................................................................................................................... 217
xv
ÍNDICE DE TABELAS
CAPÍTULO 2
Tabela 2.1 – Taxionomia do desenvolvimento sustentável ..................................... 9
Tabela 2.2 – Consumo de Energia Final em 2002.................................................... 13
Tabela 2.3 – Consumo de Electricidade e emissões de CO2 em 2002 ................ 14
Tabela 2.4 – Caracterização do Sector Energético em Portugal ........................ 15
CAPÍTULO 3
Tabela 3.1 – Actividade Metabólica correspondente a várias acções.............. 24
Tabela 3.2 – Isolamento típico de algumas combinações de vestuário ............ 25
Tabela 3.3 – Classificação de alguns isolamentos térmicos.................................. 40
Tabela 3.4 – Variação da pressão de vapor ao longo de uma parede ............ 46
Tabela 3.5 – Cálculo do amortecimento e atraso térmico para uma parede.. 50
Tabela 3.6 – Concentração admissível de alguns poluentes ............................... 53
Tabela 3.7 – Iluminância recomendada por tarefa visual .................................... 62
Tabela 3.8 – Iluminância recomendada por zona do edifício ............................. 62
Tabela 3.9 – Reflectância das superfícies recomendada ..................................... 63
Tabela 3.10 – Razão de luminâncias recomendada ............................................. 63
Tabela 3.11 – FLD recomendado para alguns tipos de espaços ......................... 64
Tabela 3.12 – Propriedades de algumas fontes luminosas artificiais.................... 69
CAPÍTULO 4
Tabela 4.1 – Tempo e custo de um diagnóstico de eficiência energética de um
edifício ........................................................................................................................... 75
Tabela 4.2 – Classificação das formas existentes para determinar bases de
dados meteorológicas................................................................................................ 82
Tabela 4.3 – Limites e forma de obter os consumos energéticos no RSECE ..... 100
Tabela 4.4 – Ciclo de vida de alguns componentes dos edifícios..................... 126
CAPÍTULO 5
Tabela 5.1 – Tempo e custo de um diagnóstico de eficiência energética de um
edifício ......................................................................................................................... 138
Tabela 5.2 – Ganhos térmicos internos médios por tipo de edifícios ................. 140
Tabela 5.3 – Factor de Orientação ......................................................................... 141
Tabela 5.4 – Energia solar média incidente por zona climática......................... 141
Tabela 5.5 – Factor de fracção envidraçada ....................................................... 142
Tabela 5.6 – Coeficiente de absorção de superfícies exteriores........................ 145
Tabela 5.7 – Temperatura média (Tm) e intensidade da radiação solar (Ir) para
a estação de arrefecimento ................................................................................... 146
Tabela 5.8 – Factor correcção da selectividade angular, para o caso do Verão
(Fw)................................................................................................................................ 147
xvi
ÍNDICE
CAPÍTULO 6
Tabela 6.1 – Elementos construtivos da CTnC ....................................................... 165
Tabela 6.2 – Elementos construtivos da CTP .......................................................... 166
Tabela 6.3 – Área útil e pé-direito das Células de Teste ...................................... 171
Tabela 6.4 – Perdas Térmicas das Células de Teste no Inverno .......................... 171
Tabela 6.5 – Ganhos Térmicos das Células de Teste no Inverno ........................ 172
Tabela 6.6 – Perdas Térmicas das Células de Teste no Verão ............................ 172
Tabela 6.7 – Perdas Térmicas das Células de Teste no Verão ............................ 173
Tabela 6.8 – Parâmetros do ficheiro climático para o VisualDOE. ..................... 174
CAPÍTULO 7
Tabela 7.1 – Necessidades de aquecimento para as CT.................................... 190
Tabela 7.2 – Necessidades de arrefecimento para as CT................................... 191
Tabela 7.3 – Necessidades energéticas anuais para as CT ................................ 192
Tabela 7.4 – Erros obtidos com a simulação no VisualDOE das CT sem estufa 194
Tabela 7.5 – Erros obtidos com a simulação no VisualDOE das CT com estufa196
Tabela 7.6 – Energia consumida pelas Células de Teste, caso base................. 196
Tabela 7.7 – Energia consumida pelas Células de Teste, primeira alternativa. 197
Tabela 7.8 – Energia consumida pelas Células de Teste, segunda alternativa.
...................................................................................................................................... 198
Tabela 7.9 – Energia total consumida pelas Células de Teste, terceira
alternativa. .................................................................................................................. 199
Tabela 7.10 – Comparativo entre necessidades energéticas das CT obtidas
pelo RCCTE e pelo VisualDOE..................................................................................200
ANEXO I
Tabela AI.1 – Parâmetros necessários do ficheiro climático para o VisualDOE.
...................................................................................................................................... 206
Tabela AI.2 – Conversão de Unidades. .................................................................. 207
ANEXO II
Tabela AII.1 – Intervalos de dados utilizados para o cálculo da Resistência
Térmica “in-situ”.......................................................................................................... 218
Tabela AII.2 – Verificação da variação da Resistência térmica por intervalo de
dados........................................................................................................................... 218
Tabela AII.3 – Teste de variância e convergência para os valores calculados da
Resistência Térmica “in-situ” ..................................................................................... 218
xvii
CAPÍTULO 1 – Enquadramento e Motivação da Dissertação
DISSERTAÇÃO COM VISTA À OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
EM ENGENHARIA CIVIL
Opção de Processos e Gestão da Construção
TEMA:
ANÁLISE DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DE CONSTRUÇÕES
NÃO CONVENCIONAIS ATRAVÉS DE SIMULAÇÃO EM VISUALDOE
CAPÍTULO 1 – ENQUADRAMENTO E MOTIVAÇÃO DA DISSERTAÇÃO
1.1. ENQUADRAMENTO
Um dos grandes desafios que a humanidade tem de ultrapassar é a
problemática das alterações climáticas e degradação do meio ambiente. É
sabido que estes desafios estão intimamente relacionados com o actual
consumo de energia e formas de a obter. Assim, quanto maior o consumo
energético, mais rapidamente se levará à delapidação de várias matériasprimas e consequente crise ambiental. No sector da construção, um dos
principais desafios é o aumento, por parte de população em geral, das
exigências de conforto no interior das habitações, levado a um aumento na
potência dos equipamentos de aquecimento e arrefecimento, resultando num
aumento do consumo engético.
PÁGINA 1
De forma a ser possível um desenvolvimento sustentável, este aumento
contínuo no consumo energético não se pode manter. Uma das formas de
reduzir este consumo energético é a utilização de soluções construtivas
projectadas de forma a tirar partido das condições ambientais e, assim, reduzir
as necessidades de utilização de sistemas de aquecimento e arrefecimento.
Pretende-se, porém, manter as condições de conforto interior. Desta forma é
possível reduzir a energia consumida nos edifícios e ajudar a combater os
problemas energéticos que cada vez mais nos preocupam.
O projecto de um edifício é uma actividade multi-disciplinar, onde todas as
disciplinas dos edifícios e partes interessados têm de colaborar, logo desde a
fase inicial do desenho esquemático do edifício. Para ser possível assegurar
uma performance ambientalmente eficiente do edifício, esta colaboração
tem de se manter durante todo o ciclo de vida do edifício – projecto,
construção, utilização, remodelação, reabilitação e até na demolição. Só
assim é provável que sejam tomadas as decisões “correctas”, sobre todos os
pontos de vista, sendo esta afirmação especialmente verdadeira na fase de
projecto conceptual do edifício, pois é nesta fase que se tomam as decisões
que condicionam a performance final do edifício. Como tal, para que se
tomem medidas sustentadas, é necessário prever e avaliar a performance de
todas as ideias, segundo vários critérios: conforto, estética, energia, impacto
ambiental, economia, etc. Assim a fase de design é uma fase iterativa de
geração de ideias, previsão e avaliação. No caso de previsões e avaliações
erradas, a performance do edifício será diferente da esperada, ou seja, para
minimizar o risco de fracasso da performance do edifício, é necessário tomar
sempre decisões informadas.
Com o intuito de projectar soluções construtivas energeticamente eficientes,
as ferramentas de simulação térmica são instrumentos muito poderosos,
possibilitando o teste de várias soluções propostas e a escolha daquela que
apresente a maior eficiência energética. Com o aparecimento e crescente
exigência da regulamentação térmica dos edifícios, a utilização destas
ferramentas de simulação torna-se imprescindível, para garantir que os
PÁGINA 2
edifícios apresentem performances térmicas melhores ou iguais às requeridas
pelos respectivos regulamentos a que estão sujeitos.
1.2. OBJECTIVOS
Com este trabalho é proposto o estudo do comportamento térmico de
soluções construtivas não convencionais, projectadas com considerações
bioclimáticas. As soluções testadas apresentam dois tipos de construção – um
do tipo leve com a utilização de grandes espessuras de isolamento, outra do
tipo pesada com recurso a paredes de terra compactada (Adobe), com
grande capacidade de armazenamento térmico. Para estudar a viabilidade
destas soluções será utilizado o Programa de simulação térmica – VisualDOE,
de forma a simular o comportamento térmico destas soluções propostas,
comparando as soluções inovativas com as convencionais.
Complementarmente, é proposta a utilização das Células de Teste que foram
construídas no Campus de Azurém, Universidade do Minho, de forma a
proceder à calibração do modelo das simulações efectuadas, assim como à
realização de testes “in-situ”, de forma a aumentar o rigor das simulações
efectuadas com o Programa VisualDOE.
Também é proposto o estudo das soluções apresentadas através da
metodologia de cálculo seguida pelo Regulamento das Características do
Comportamento Térmico dos Edifícios (nova versão – entra em vigor em
Janeiro de 2006), de forma a testar a aproximação à situação real que se
consegue
obter
seguindo
esta
metodologia
de
verificação
do
comportamento térmico dos edifícios.
Finalmente, serão apresentadas algumas soluções e metodologias com vista
ao melhoramento da eficiência energética dos edifícios, apresentando as suas
vantagens.
PÁGINA 3
1.3. ORGANIZAÇÃO
A dissertação é iniciada com a apresentação da sua motivação e respectivo
enquadramento, apresentando a problemática energética e a contribuição
do sector da construção, assim como a referência aos objectivos a atingir com
a realização deste trabalho.
Seguidamente são definidos de uma forma mais ampla os problemas
ambientais da actualidade e a problemática do desenvolvimento sustentável.
São também apresentados as várias formas de energia e seus problemas
associados. Foi realizada uma caracterização do sector energético, com
maior ênfase no sector da construção, em termos Mundiais, Europeus e em
Portugal.
De forma a introduzir o tema da térmica dos edifícios, foram referidos vários
conceitos base, absolutamente necessários para a compreensão deste tema.
Por outro lado, também foram referidos conceitos intimamente ligados à
performance energética dos edifícios, tais como a ventilação, humidade,
inércia térmica, entre outros.
O assunto subsequente foi a eficiência energética dos edifícios e formas de a
avaliar. Também foram referidas as ferramentas de simulação com vista à
melhoria da eficiência. Analisou-se a regulamentação térmica em Portugal e
alterações efectuadas nesta. Seguidamente propuseram-se várias soluções a
introduzir nos edifícios para promoverem a eficiência energética.
No ponto seguinte foram apresentadas duas metodologias para a previsão da
performance energética dos edifícios. Em primeiro lugar foi apresentada a
metodologia seguida pelo novo Regulamento das Características do
Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE), que será introduzido em
Portugal em Janeiro de 2006. Seguidamente, apresentou-se a ferramenta de
simulação VisualDOE, onde foram referidos todos os passos necessários para a
caracterização da performance dos edifícios e calibração dos modelos a
utilizar.
PÁGINA 4
Posteriormente foi introduzido o caso de estudo realizado neste trabalho – a
caracterização da performance das Células de Teste, construídas na
Universidade do Minho, Escola de Engenharia, as quais apresentam um
módulo com a construção tradicional Portuguesa e outro com soluções com
vista à eficiência energética. Assim, é apresentado o comportamento “in-situ”
destas e sua previsão segundo as duas metodologias referidas previamente.
Por último, são discutidos todos os resultados e conclusões que foram obtidos
durante a realização do trabalho apresentado na dissertação.
PÁGINA 5
2.
CAPÍTULO 2 – SUSTENTABILIDADE
2.1. DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL
“O ambiente é o local onde todos nós vivemos, e o desenvolvimento é aquilo
que todos nós fazemos na tentativa de melhorar o nosso lote dentro desse
meio” - Gro Harlem Brundtland
Desenvolvimento Sustentável:
Sustentabilidade – a condição na qual o ecossistema mantém a diversidade e
a qualidade – e assim a sua capacidade para suportar as pessoas e o resto
das formas de vida – e o seu potencial para se adaptar e modificar e
providenciar um vasto leque de opções e oportunidades para o futuro.
Desenvolvimento – a condição na qual todos os membros da sociedade
podem determinar e atingir as suas necessidades e ter uma vasta gama de
opções para atingir o seu potencial (Paris e Kates, 2003).
PÁGINA 6
CAPÍTULO 2 – Sustentabilidade
De forma resumida, o desenvolvimento sustentável pode ser definido como a
melhoria da qualidade de vida a curto prazo, sem comprometer a qualidade
de vida a longo prazo. Pode-se considerar que a sustentabilidade abrange três
ramos distintos – ramo social, ramo ambiental e ramo económico.
2.1.1. ALTERAÇÕES CLIMÁTICAS
O conflito de interesses entre o desenvolvimento económico e o ambiente tem
conduzido a um estado de urgência global. Tal é despoletado por uma
constante procura de benefícios imediatos, sem considerar as consequências
a longo prazo. Neste momento, em termos ambientais existem problemas de
contaminação e degradação dos ecossistemas, esgotamento de recursos,
crescimento
descontrolado
da
população
mundial,
desequilíbrios
insustentáveis, conflitos destrutivos, perda de diversidade biológica e cultural e
o aparecimento de mega-cidades com altas concentrações de emissões de
poluentes (Figura 2.1). Estas alterações ambientais ultrapassam a habilidade e
potencialidade das várias correntes científicas em avaliar e recomendar. As
tentativas das instituições políticas e económicas em adaptar o mundo para
lidar com tais mudanças não estão a resultar. De forma a manterem-se
abertas opções para as gerações vindouras, a geração actual deve começar
a trabalhar agora, de forma conjunta, em termos nacionais e internacionais.
Figura 2.1 – Chicago 1995, fotografia de Gary Braasch
PÁGINA 7
Em 1983 as Nações Unidas nomearam uma comissão internacional para
propor estratégias de desenvolvimento sustentável. Esta comissão, presidida
pelo Primeiro-Ministro Norueguês Gro Harlem Brundtland, publicou o seu
relatório em 1987, intitulado "Our Common Future" - conhecido como
"Brundtland Report". Tal foi um marco que desencadeou uma larga escala de
acções, incluindo as Reuniões Mundiais de desenvolvimento sustentável,
promovidas pelas Nações Unidas, em 1992 (Conferência do Rio) e 2002
(Conferência de Joanesburgo), a Convenção Internacional das Mudanças
Climáticas e os programas mundiais "Agenda 21" (Bruntland, 1987).
Este relatório conclui que a continuação da situação actual de consumo
energético desmedido pode levar a alterações climáticas muito graves
devido ao efeito de estufa, poluição e acidificação do ar devido à queima de
combustíveis fósseis ou a riscos de acidentes nucleares (Figura 2.2). Assim, é
fundamental para um desenvolvimento sustentável seguir um caminho que
leve à redução da utilização de energia. O que não significa a escassez de
energia essencial, mas sim o uso produtivo e eficiente da energia primária. Nos
próximos 50 anos, as várias nações vão ter a oportunidade de produzir os
mesmo níveis de energia, mas utilizando apenas metade da energia primária
actualmente consumida. Isto requer mudanças estruturais profundas em
termos sócio-económicas e institucionais e é um importante desafio à
sociedade global.
Figura 2.2 – Efeito das alterações climáticas nos glaciares
A última Reunião Mundial de desenvolvimento sustentável mostrou que
inúmeras organizações internacionais e nacionais, corporações transnacionais
PÁGINA 8
e
organizações
não
governamentais
possuem
como
missão
o
desenvolvimento sustentável, o que se revelou um ponto bastante favorável.
Negativamente, foi observado que os resultados ambientais estavam bastante
abaixo do esperado. Por outro lado é necessário ultrapassar o facto de ainda
não existir nenhum indicador de sustentabilidade que seja universalmente
aceite. Apenas com o consenso neste ponto se poderá unir esforços e
trabalhar no mesmo sentido, facilitando a definições de objectivos a atingir.
Com este objectivo em mente, Parris e Kates definiram uma taxionomia de
objectivos que descreve o desenvolvimento sustentável – Tabela 2.1 (Parris e
Kates, 2003).
Tabela 2.1 – Taxionomia do desenvolvimento sustentável
Sustentabilidade
Desenvolvimento
Terra
Sobrevivência infantil
Biodiversidade
Esperança de vida
Natureza
Pessoas
Educação
Ecossistemas
Igualdade
Igualdade de oportunidades
Serviços do
Suporte de
ecossistema
vida
Recursos
Comunidade
Saúde
Economia
Sectores produtivos
Ambiente
Consumo
Culturas
Instituições
Grupos
Sociedade
Capital social
Locais
Estados
Regiões
Fonte: Paris e Kates, 2003.
2.1.2. METAS PARA ATINGIR A SUSTENTABILIDADE
O primeiro passo no combate às alterações climáticas foi dado com a
implementação do Protocolo de Quioto, onde são definidos limites para as
emissões dos principais Gases de Efeito de Estufa (GEE) – reduzir os nível de GEE
em 5% até 2012, em comparação com os níveis de 1990. Portugal aderiu à
Convenção Estrutural de Alterações Climáticas das Nações unidas (UN FCC)
PÁGINA 9
em Dezembro de 1993, produzindo dois relatórios sobre as alterações
climáticas em Portugal. No segundo relatório, de Novembro de 1997, está
previsto que as emissões de CO2 subam 69% entre 1990 a 2010. A União
Europeia assina o Protocolo de Quioto em Dezembro de 1997, onde se
compromete a reduzir as emissões de GEE em 8% até 2008 ou 2012. Através de
um Acordo de Partilha de Responsabilidades entre os Estados Membros da
União Europeia (Decisão n.º 2002/358/CE, de 25 de Abril), com metas
diferenciadas para cada Estado Membro, Portugal tem de limitar o aumento
da emissão de GEE em 27%; assim, Portugal ratifica o Protocolo de Quioto em
Março de 2002. Este entra mundialmente em vigor em 16 de Fevereiro de 2005,
quando 55 países ratificaram este protocolo, representado 55% do total das
emissões de CO2 em 1990. Complementarmente, os “European Environment
and
Sustainable
Development
Advisory
Councils”
recomendaram,
em
Novembro de 2004, uma redução de 30% até 2020 e de 70% até 2050, da
emissão de gases de efeito de estufa, em relação aos níveis de 1990, com o
intuito da manutenção da concentração destes gases em 450 ppmv de CO2
equivalentes (Monteiro, 2005).
Com vista a quantificar o esforço necessário para Portugal cumprir este
Protocolo, é criado o Plano Nacional para as Alterações Climáticas (PNAC),
onde são definidas políticas e medidas necessárias nos vários sectores, assim
como os instrumentos necessários para o seu cumprimento. Também é
proposta uma monitorização contínua das emissões de GEE e uma
maleabilidade do PNAC de forma a possibilitar ajustes necessários, conforme a
resposta dada nos vários sectores (PNAC, 2001).
Um grande advento para o Desenvolvimento sustentável foi a instituição da
“uma Década por uma Educação para o Desenvolvimento Sustentável” 20052014, por parte das Nações Unidas. Esta iniciativa propõe promover um
consumo responsável – os três R’s – Reduzir, Reutilizar, Reciclar; impulsionar o
desenvolvimento técnico científico para a sustentabilidade; promover acções
socio-políticas com vista à protecção do meio ambiente e à solidariedade; a
promoção do conceito de benefícios globais a longo prazo, em vez dos
benefícios individuais a curto prazo (Educadores por la sostinibilidade, 2004).
PÁGINA 10
2.2. A ENERGIA
Devido à redução do custo e massificação do uso da energia, desencadeado
pela Revolução Industrial, aliado ao aumento dos padrões de vida das
populações, o consumo energético teve um aumento exponencial. Como tal,
este consumo exacerbado de energia levou à depleção de várias matériasprimas, assim como a uma crise ambiental. Apenas com estes indicadores
ambientais deveriam ter sido tomadas medidas drásticas, de forma a travar
este aumento do consumo energético. Mas foi com as crises petrolíferas de
1973 e 1979 que foram despoletadas medidas para reduzir o consumo
energético e a elevada dependência do petróleo (A Green Vitruvius, 1999).
A energia pode ser utilizada na forma de calor ou potencial mecânico e é
obtida de diversas formas – queima de combustíveis, divisão da estrutura
nuclear de átomos, radiação solar, etc. As forma de energia mais utilizadas
são (Sabady 1979):
•
Petróleo – a combustão do petróleo e seus derivados é a forma de
energia mais utilizada, sendo gastos aproximadamente 5 biliões de
toneladas de petróleo por ano. Com esta taxa de consumo, as reservas
previstas de petróleo são avaliadas em 45 anos, mas à medida que os
equipamentos de extracção são mais eficientes e que o petróleo se
torna mais valioso, várias jazidas passam a ser economicamente viáveis
e consequentemente as reservas de petróleo aumentam;
•
Carvão - a combustão do carvão era a principal fonte energética até
1958. Mas este, além da intensa produção de fumo, implica problemas
ambientais muito graves.
•
Energia Atómica – a obtenção de energia pela divisão da estrutura
nuclear de átomos tem um grande potencial de superação das
necessidades energéticas, mas ainda existem vários problemas técnicos
que necessitam de ser ultrapassados, tais como os resíduos radioactivos
e
o
desmantelamento
de
reactores
nucleares.
Como
tal,
só
PÁGINA 11
posteriormente à resolução de todos os problemas técnicos que advêm
da utilização da energia nuclear será possível a sua utilização óptima;
•
Energia Solar – esta energia provém da radiação solar, em termos de luz
visível de ultravioletas e infravermelhos. O fluxo de radiação solar que
atinge a atmosfera terrestre é de cerca de 1394 W/m2. Mas cerca de 30
a 40% desta radiação é absorvida pela atmosfera, chegando a uma
superfície ao nível do mar entre 0.855 kW/m2 a 1,00 kW/m2. Assim, a
radiação solar tem um grande potencial de aproveitamento, mas
ainda é necessário um aumento significativo na eficiência de
aproveitamento desta fonte de energia;
•
Outras formas – tais como a energia hídrica e o gás natural. Estas formas
de energia são relativamente menos poluentes e com menores
problemas técnicos do que as referidas anteriormente (excepto a
energia solar). Não conseguem, porém, suprir todas as necessidades
energéticas existentes. Por exemplo, o Brasil, considerado um país com
um dos maiores potenciais de aproveitamento de energia hídrica,
apenas consegue suprir 13% das suas necessidades energéticas a partir
da energia hídrica (IEA Energy Statistics).
Em termos do mercado energético residencial, o petróleo, a electricidade e o
gás natural são as fontes energéticas mais importantes, mas a combustão de
biomassa (madeira, resíduos, etc) e carvão é uma forma de obtenção de
energia que é utilizada por cerca de 3 biliões de pessoas. Em termos de
consumo energético, o sector residencial tem um peso de 50% em países
desenvolvidos, podendo atingir os 95% em países subdesenvolvidos O
combustível mais poluente em termos da emissão de CO2, SO2, NOx e
partículas é o carvão, seguido do petróleo. Adicionalmente, a queima de
carvão leva à emissão de vários poluentes com malefícios para a saúde, tais
como partículas, monóxido de carbono, formalaído e matéria orgânica
cancerígena. A exposição a estes poluentes está associada a doenças como
cancro do pulmão, infecções respiratórias, entre outras. Então, é essencial
promover a utilização de outros combustíveis com queima mais limpa, tanto
ambientalmente, como para a saúde dos utilizadores, como o gás natural,
devendo ser utilizado em equipamentos para aquecimento, em edifícios
PÁGINA 12
residenciais, substituindo outras fontes tais como o carvão e o petróleo
(Balaras, droutsa, Dascalaki e Kontoyiannidis, 2005).
2.2.1. CARACTERIZAÇÃO DO SECTOR ENERGÉTICO
Neste momento, o consumo energético não está distribuído de forma
equitativa. As Nações mais desenvolvidas têm consumos per capita muito mais
elevados do que a média mundial. Por exemplo a América do Norte, em 2002,
teve um consumo de energia final per capita de 4.39 tep/pessoa, enquanto
que a média mundial estava nos 1.15 tep/pessoa, como se pode verificar na
Tabela 2.2 e na Figura 2.3. Se considerarmos a soma do consumo de energia
final na América do Norte e União Europeia, é possível verificar que 40.7% do
consumo de energia final está distribuído por 12.9% da população mundial
(IEA Energy Statistics).
Tabela 2.2 – Consumo de energia final em 2002
Portugal
Consumo de
Energia Final
[Mtep]
Consumo de Energia
Final per capita
[tep/pessoa]
20.77
2.00
União Europeia
1056.83
América do Norte
1841.06
Mundial
7094.97
Fonte: IEA Energy Statistics
2.77
4.39
1.15
5
4
3
2
1
0
Portugal
União
América do
Europeia
Norte
Mundial
Figura 2.3 – Consumo de energia final em 2002 [tep/pessoa]
Outros indicadores energéticos importantes são o consumo de electricidade e
as emissões de CO2. A partir da Tabela 2.3 e das Figuras 2.3 e 2.4, é possível
verificar que as tendências que estes indicadores seguem são semelhantes às
PÁGINA 13
do consumo de energia final. No caso do consumo de electricidade, a
América do Norte e a União Europeia representam 40.5% do consumo mundial
e para as emissões de CO2, 48.2% do total de emissões mundiais.
Tabela 2.3 – Consumo de electricidade e emissões de CO2 em 2002
Portugal
Consumo de
Electricidade per capita
[kWh/pessoa]
4290
6719
Emissões de CO2 per
capita
[t CO2/pessoa]
6.07
8.41
10776
2373
15.62
3.89
União Europeia
América do Norte
Mundial
Fonte: IEA Energy Statistics
20
15
10
5
0
Portugal
União Europeia
América do
Norte
Mundial
Figura 2.4 – Emissão de CO2 em 2002 [ton CO2/pessoa]
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
Portugal
União
Europeia
América do
Norte
Mundial
Figura 2.5 – Consumo de electricidade em 2002 [kWh/pessoa]
Portugal, em relação à União Europeia, apenas representa 1.7% do total de
emissões de CO2, 2% do total de consumo de electricidade e 2% do consumo
de energia final. Se comparamos os consumos e emissões de CO2 per capita
de Portugal, verifica-se que estão sempre um pouco abaixo da média
Europeia, mas acima das médias Mundiais. Em relação ao consumo
energético por sector, em Portugal os sectores com maior peso são:
PÁGINA 14
transportes (36.4%), indústria (29%), doméstico (16.1%) e serviços (12.3%). De
todos estes sectores, apenas a indústria e o doméstico utilizam fontes de
energia renováveis. No sector da indústria as fontes renováveis cobrem 9.9%
do total utilizado, enquanto que no sector doméstico estas cobrem 37.5% do
total, como se pode verificar na Tabela 2.4 e nas Figuras 2.6 e 2.7.
Tabela 2.4 – Caracterização do sector energético em Portugal
AGRICULTURA E PESCAS
2.2
2.1
-
PESO DAS
RENOVÁVEIS
(%)
-
INDÚSTRIA
CONSTRUÇÃO E OBRAS
PÚBLICAS
TRANSPORTES
29.0
35.6
31.8
9.9
4.0
1.6
-
-
36.4
1.1
-
-
SECTOR DOMÉSTICO
16.1
27.4
68.2
37.5
CONSUMO
CONSUMO
TOTAL (%) ELÉCTRICO (%)
SECTOR:
RENOVÁVEIS
(%)
SERVIÇOS
12.3
32.2
Fonte: DGGE – Balanços Energéticos 1990-2003
SERVIÇOS
12.3%
16.1%
SECTOR DOMÉSTICO
36.4%
4.0%
2.2%
10%
20%
30%
TRANSPORTES
CONSTRUÇÃO E
OBRAS PÚBLICAS
INDÚSTRIA
29.0%
0%
-
40%
AGRICULTURA E
PESCAS
Figura 2.6 – Consumo de energia final por sector em Portugal
31.8%
68.2%
INDÚSTRIA
SECTOR DOMÉSTICO
Figura 2.7 – Utilização de energias renováveis por sector em Portugal
PÁGINA 15
Concluindo, o consumo energético é dos maiores problemas da actualidade.
A humanidade está em luta contra o esgotamento das reservas de
combustíveis sólidos, dos quais nos tornámos dependentes, enquanto que, por
outro lado, a queima destes combustíveis fósseis causa grandes problemas
ambientais (Wilde e van der Voorden, 2004).
2.3. SECTOR DOS EDIFÍCIOS
Nas sociedades tradicionais, a construção de edifícios era baseada nos
recursos naturais existentes localmente, no clima e na mão-de-obra local.
Assim, as habitações reflectiam, por um lado um profundo conhecimento das
condições climáticas, por outro lado a performance dos materiais utilizados na
construção. Também existia um claro conhecimento de como os processos de
projecto, construção e edifício interagiam entre si, assim como com os
utilizadores e o ambiente. Tradicionalmente, não era possível despender de
enormes quantidades de energia. As habitações reflectiam esse facto e não
era necessário a utilização massiva de energia de forma a proporcionar o
conforto interior (Ngowi, 1997).
No entanto o desenvolvimento do sector dos edifícios levou à construção de
habitações que não eram projectadas com características apropriadas ao
clima exterior em que se inseriam, dependendo unicamente dos sistemas de
aquecimento / arrefecimento para proporcionar o conforto térmico. Este
facto, aliado a um aumento da qualidade de vida e exigência de conforto no
interior das habitações, levou à utilização generalizada de equipamentos de
aquecimento e arrefecimento e, consequentemente, a um aumento
insustentável do consumo engético dos edifícios. Como tal, as estratégias
utilizadas no sector da construção necessitam de uma profunda revisão,
começando pela construção de edifícios que tirem proveito do meio
ambiente, de forma a reduzirem as necessidades de aquecimento /
arrefecimento, até à utilização de materiais com baixa energia incorporada.
PÁGINA 16
O sector dos edifícios está entre os maiores consumidores energéticos e de
matérias-primas. É estimado que, mundialmente, sejam emitidas 6 biliões de
toneladas
de
dióxido
de
carbono
devido
à
actividade
humana.
Aproximadamente 37,5% destas emissões são, de uma forma ou de outra,
devido ao sector dos edifícios. Na Europa, este sector utiliza cerca de um terço
de todas as matérias-primas e energia final, produzindo cerca de metade das
emissões de dióxido sulfúrico, 27% das emissões de óxido nitroso, 10 % das
emissões de partículas, os quais estão todos relacionados com as alterações
climáticas, ou seja, são GEE. A distribuição da emissão de GEE é dividida em
2/3 por parte de edifícios residenciais e 1/3 por parte dos edifícios de serviços.
Assim, os edifícios estão entre os grandes poluidores da actualidade. Com a
construção de edifícios energeticamente mais eficientes seria possível reduzir
em 60% as emissões de carbono, ou seja, em 1,35 biliões de toneladas
(Tzikopoulos, Karatza e Paravantis, 2005).
2.3.1. CARACTERIZAÇÃO DO SECTOR DOS EDIFÍCIOS EM PORTUGAL
Em Portugal, o sector dos edifícios representa 3.3 milhões de fogos (em 2002),
com a construção de 200 000 novos fogos apenas entre 2000 e 2002. O peso
deste sector no consumo de energia final é de 28.4% (16.1% doméstico, 12.3%
serviços), o que corresponde a um consumo de 5.4 Mtep. Como tal, este é um
sector com grande peso ao nível energético, sendo fundamental para a
redução do consumo energético. Entre 1998 e 2003, a evolução deste sector
não foi encorajadora em termos energéticos, pois passámos de consumos na
ordem dos 3.5 Mtep em 1998, para os 5.4 Mtep em 2003. O peso deste sector
no consumo final aumentou de 21% em 1998, para 28.4% em 2003.
A distribuição do consumo energético no sector dos edifícios em 1998 era de
50% para águas quentes sanitárias e cozinhas, 25% para aquecimento e
arrefecimento e 25% para iluminação e equipamentos (Figura 2.8), mas a
tendência é para que o aquecimento e arrefecimento aumentem o seu peso,
devido ao aumento das exigências de conforto. Todos estes consumos de
energia têm potencial para serem reduzidos; as águas quentes sanitárias
PÁGINA 17
podem ser obtidas através da aplicação painéis solares; a iluminação e
equipamentos podem ser reduzidos com o aumento da eficiência dos
equipamentos; o aquecimento e arrefecimento podem ser melhor geridos
com a aplicação de normas e princípios que promovam a utilização racional
de energia (Eyckmans e Cornillie, 2002).
Águas Quentes
Sanitárias e
Cozinha
Aquecimento e
Arrefecimento
25%
50%
25%
Iluminação e
Equipamentos
Figura 2.8 – Distribuição dos consumos energéticos no Sector dos edifícios em Portugal
2.3.2. CONSUMO ENERGÉTICO DOS EDIFÍCIOS
O consumo energético total dos edifícios pode ser dividido em:
•
Energia de produção (ou incorporada) – energia consumida na
aquisição de matérias-primas, no seu processamento, manufactura,
transporte, construção, manutenção, alteração, na demolição e
reciclagem dos materiais utilizados nos edifícios. Recentemente tem sido
dada mais atenção à energia incorporada nos materiais e sua
avaliação durante o ciclo de vida do edifício. A energia incorporada
contabiliza as emissões de poluentes das águas dos rios e oceanos,
assim como dos poluentes do ar que contribuem para o efeito de
estufa. A energia incorporada pode ser dividida em directa –
manufactura e transporte dos materiais e equipamento necessários
para a construção; e indirecta – processamento, transporte, conversão
e fornecimento da energia à construção;
•
Energia induzida – energia consumida durante a construção do edifício;
•
Energia de operação – energia necessária para manter os níveis de
conforto requeridos;
PÁGINA 18
•
Energia cinzenta – perdas por conversão de energia (rendimento),
durante o transporte de materiais, construção do edifício, aquecimento,
etc.
A energia incorporada recorrente nos edifícios representa a energia não
renovável consumida para manter, reparar, restaurar, reabilitar e substituir
materiais, componentes ou sistemas durante o ciclo de vida do edifício. À
medida que aumenta a eficiência energética dos edifícios, a razão energia
incorporada / energia consumida durante a fase de utilização do edifício vai
aumentando. Por exemplo, num edifício energeticamente eficiente a energia
incorporada pode representar 15% da energia consumida em toda a vida útil
do edifício (A Green Vitruvius, 1999).
De entre todos os consumos energéticos e de matérias-primas referidos, o que
mais se destaca é o consumo energético durante a fase de utilização. Como
tal, apenas com a inclusão de medidas de eficiência energética no projecto,
ao nível da envolvente, compartimentação, materiais, aproveitamento da
energia solar e das condições ambientais exteriores, será possível uma drástica
redução dos consumos energéticos para aquecimento, arrefecimento e
iluminação. A aplicação de princípios bioclimáticos em edifícios é um factor
essencial para a redução do consumo energético e das emissões de Carbono
no sector dos edifícios. A Arquitectura bioclimática é aquela que, durante o
projecto do edifício, tem em conta as condições climáticas a que estará
sujeito o edifício e a utilização de sistemas solares passivos, de forma a
aumentar a eficiência energética. Como tal, e sabendo que um edifício
bioclimático pode consumir 10 vezes menos energia em aquecimento do que
um edifício convencional, este tipo de arquitectura revela-se uma boa opção
para o aumento da eficiência energética dos edifícios. O custo adicional de
um edifício bioclimático ronda os 3-5% para edifícios novos. Nos casos de
reabilitações, este custo pode subir um pouco, mas será amortizado em
poucos anos, pelo que, mesmo em termos económicos, os edifícios
bioclimáticos são compensadores. A arquitectura bioclimática (Figura 2.9)
PÁGINA 19
indica que os seguintes factores sejam tomados em consideração no projecto
dos edifícios:
•
Topografia – inclinação, orientação, vista;
•
Movimento do sol – altitude solar e azimute;
•
Condições climáticas – vento, radiação solar, temperatura, humidade;
•
Condições ambientais – iluminação natural, sombreamento do edifício;
•
Peso, volume e altura do edifício;
•
Normas locais de arquitectura;
•
Disponibilidade local dos materiais de construção.
Figura 2.9 – Habitação sustentável com princípios bioclimáticos: Moradias Oásis
A Arquitectura Vernacular também é uma corrente arquitectónica sustentável,
cuja grande força consiste na mistura de várias opções de design, com o
intuito de proporcionar uma harmonia natural entre o clima, a arquitectura e
as pessoas.
Com o progressivo aumento dos problemas ambientais ao nível local, regional
e global, é necessário um maior empenho na construção de edifícios
sustentáveis. Neste contexto, a sustentabilidade embarca uma vasta gama de
elementos: local de implantação do edifício, urbanística, consumo energético,
poluição ambiental, ciclo de vida e impacto ambiental dos materiais,
condições ambientais interiores, conforto humano e produtividade. Assim,
PÁGINA 20
edifícios sustentáveis podem ser definidos como edifícios que têm o mínimo
impacto negativo no ambiente construído e natural. O relacionamento e
interacções entre a maior parte destes elementos da sustentabilidade estão
incluídos no projecto de um edifício com preocupações energéticas. O design
do edifício terá de ser uma integração, cuidadosamente pensada, da
arquitectura e da engenharia eléctrica, mecânica e estrutural. Além dos
conceitos tradicionais de estética do edifício – orientação, proporções,
textura, sombras e luz – a equipa de projecto tem de se centrar também nos
custos a longo termo – custo ambientais, económicos e humanos.
A selecção cuidadosa dos materiais de construção é a forma mais fácil de
integração dos princípios de sustentabilidade nos edifícios. Os materiais
naturais têm, geralmente, menor energia incorporada e menor toxicidade que
os materiais sintéticos. Requerem menor processamento e têm também menor
impacto ambiental. Assim, quando materiais naturais de baixa energia
incorporada são inseridos nos sistemas dos edifícios, esses sistemas tornam-se
sustentáveis (Goodhew e Griffiths, 2005).
Um indicador que cada vez mais terá de ser levado em consideração durante
o projecto de um edifício, além da performance energética, é a performance
ambiental dos edifícios. Esta requer a análise de uma variedade de critérios
relacionados com o efeito do edifício no meio ambiente. Um dos impactos
mais significativos é a energia. Inicialmente apenas era considerado o impacto
energético ao nível da utilização do edifício, mas este não é o único impacto
em termos ambientais. Também é necessário considerar o impacto da
produção dos materiais utilizados nos edifícios, o impacto da construção do
edifício e suas técnicas associadas e o impacto da demolição do edifício. A
análise do impacto ambiental do consumo energético dos edifícios pode ser
dividida em vários efeitos:
•
Uso de fontes energéticas não renováveis;
•
Potencial de aquecimento global;
•
Potencial de acidificação;
PÁGINA 21
•
Potencial de reacções fotoquímicas com o Ozono.
Assim, estes impactos ambientais dependem do tipo de energia que é
utilizado no edifício, assim como dos resíduos provocados pela utilização da
energia.
Nos últimos anos tem sido desenvolvido um vasto leque de medidas de forma
a melhorar a eficiência energética dos edifícios, aumentar o uso de energias
renováveis e utilizar as energias fósseis da forma mais eficiente possível. A maior
parte dessas medidas toma a forma de componentes energeticamente
eficientes dos edifícios, como por exemplo bombas de calor, estufas, sistemas
de envidraçados avançados, isolamento térmico, etc. Os esforços da União
Europeia para um desenvolvimento sustentável, promovendo melhores
projectos, materiais, construção e equipamento mais eficiente, estão a
produzir resultados. Observando o aumento do numero de habitações entre
1990 e 2000 – 1.1% – e comparando com o aumento da procura de energia
final – 0.7% – é possível afirmar que o sector da construção está
energeticamente mais eficiente.
PÁGINA 22
CAPÍTULO 3 – Térmica dos Edifícios
3.
CAPÍTULO 3 – TÉRMICA DOS EDIFÍCIOS
3.1. CONFORTO TÉRMICO
O conforto térmico é reconhecido como não sendo um conceito exacto, que
não implica uma temperatura exacta. O conforto térmico depende de
factores quantificáveis – temperatura do ar, velocidade do ar, humidade, etc.
e de factores não quantificáveis – estado mental, hábitos, educação, etc.
Assim, as preferências de conforto das pessoas variam bastante consoante a
sua aclimatização particular ao ambiente local (Khedari et al, 2000).
Com o intuito de obter um ambiente interior dos edifícios termicamente
confortável para os seus ocupantes, as normas sobre conforto térmico são
uma ferramenta essencial. Inicialmente estas normas tinham como principal
preocupação definir as condições de conforto térmico, sem ter em conta os
consumos energéticos necessários para atingir o conforto. Mas devido aos
problemas ambientais que são cada vez mais evidentes e à necessidade do
PÁGINA 23
desenvolvimento sustentável, estas normas de conforto térmico têm de
considerar formas de o atingir com o menor consumo energético possível
(Nicol e Humphreys, 2002).
Por outro lado, o aumento da utilização de equipamentos para arrefecimento
do espaço na Europa é preocupante, em termos ambientais, devido ao
grande aumento do consumo energético, contribuindo para o excesso das
emissões de CO2 e o consequente aquecimento global. Assim, até a energia
vir de fontes renováveis, a climatização de espaços deverá ser reservada para
as necessidades especiais de climas extremos, e não para melhorar os efeitos
de um fraco design climático dos edifícios. A solução é um bom design
climático, utilizando dados realísticos de conforto térmico (Humphreys e Nicol,
2002).
3.1.1. MECANISMOS DE REGULAÇÃO TÉRMICA DO CORPO HUMANO
O balanço térmico no corpo humano é função da energia produzida no
interior do corpo e das perdas térmicas para o exterior. A energia produzida no
interior do corpo é chamada de Actividade Metabólica e depende do tipo de
actividade efectuada (Tabela 3.1). A unidade utilizada para caracterizar a
actividade metabólica é o met, que corresponde ao calor libertado por uma
pessoa em descanso – 100 W. Considerando que, em média, as pessoas têm
uma superfície de pele de 1.8 m2, 1 met corresponde a 58.2 W/m2 (Dias de
Castro, 2000).
Tabela 3.1 – Actividade metabólica correspondente a várias acções
ACTIVIDADE
Met
Dormir
Sentado
0.7
1
Andar (1.2 m/s)
2.6
Escrever
1.1
Conduzir
1.2
Cozinhar
1.6 a 2
Dançar
2.4 a 4.4
Desportos
3.6 a 8.6
Fonte: ASHRAE 1997
PÁGINA 24
O corpo humano possui mecanismos para controlar estas trocas de calor: o
hipotálamo é o centro de controlo que, a partir da temperatura interior, regula
o caudal sanguíneo e a intensidade da transpiração, de forma a igualar a
energia produzida no interior do corpo e as perdas térmicas para o exterior.
Mas este mecanismo apenas funciona para um dado limite de condições
exteriores, ou seja, se uma pessoa estiver exposta a temperatura muito baixas
ou muito altas, por um grande período de tempo, estes mecanismos não
possuem capacidade de resposta (ASHRAE, 1997).
Um factor muito importante para o conforto térmico é a roupa utilizada por
cada pessoa. A unidade utilizada para caracterizar o efeito de isolamento
proporcionado pela roupa, no conforto térmico, é o clo. Assim, 1 clo é o
equivalente a 0.155 m2.ºC/W. A Tabela 3.2 apresenta o valor de clo para
algumas combinações de vestuário (Krieder e Rabl, 1994).
Tabela 3.2 – Isolamento típico de algumas combinações de vestuário
Vestuário
clo
Calções, camisa de manga curta
0.36
Calças, camisa de manga curta
0.57
Calças, camisa de manga comprida
0.61
Igual ao anterior mais casaco
0.96
Calças, camisa de manga comprida, T-Shirt, camisola
1.01
1.3
Saia até ao tornozelo, camisa de manga curta, meias, sandálias
0.54
1.1
Fonte: McCullough and Jones, 1984
Se a temperatura interior de um ser humano for inferior a 28 ºC, este pode ter
sérios problemas cardíacos e de arritmia; acima de 46 ºC, pode ter danos
cerebrais irreversíveis. Assim, é imperativo um bom controlo térmico. O
objectivo é proporcionar condições exteriores tais, que seja reduzida ao
mínimo a necessidade do corpo utilizar os seus mecanismos de regulação
térmica – Conforto Térmico (ASHRAE, 1997).
PÁGINA 25
3.1.2. BALANÇO ENERGÉTICO
A taxa de produção de energia do corpo humano (Actividade metabólica) é
a soma das taxas de produção de calor ( Q& ) e de trabalho ( W& ), como se
pode verificar na equação 3.1:
Equação 3.1
Q& + W& = M ⋅ AC
com:
M - Actividade metabólica (met);
Ac – Área superficial do corpo humana (m2).
A produção de calor é igual ao fluxo de calor instantâneo com o exterior, os
seus modos de transferência de calor mais importantes são apresentados na
equação 3.2:
Equação 3.2
Q& = Q& con + Q& rad + Q& evap + Q& res , sens + Q& res ,lat
com:
Q& con - perdas de calor por condução pela pele (W);
Q& rad - perdas de calor por radiação pela pele (W);
Q& evap - perdas de calor por evaporação pela pele (W);
Q& res , sens - perdas de calor sensíveis devido à respiração (W);
Q& res ,lat - perdas de calor latentes devido à respiração (W);
Exemplificando, o balanço térmico do corpo humano pode ser observado na
Figura 3.1:
PÁGINA 26
Q& res,lat
Q& res , sens
Q& rad
Q& con
Q& evap
Figura 3.1 – Balanço térmico no corpo humano
3.1.3. CÁLCULO DA TEMPERATURA DE CONFORTO
Para o cálculo da temperatura de conforto, os métodos com maior aceitação
são os referidos na norma ASHRAE 55 de 1992 e na ISO 7730. Para a norma
ASHRAE, são apresentados vários gráficos, a partir dos quais e com a utilização
de uma Temperatura Resultante (Tr), calculada a partir da equação 3.3, se
obtém uma temperatura de conforto para o Verão ou Inverno:
Equação 3.3
Tr =
α r T S + α cTa
αr + αc
com:
α r - Coeficiente de radiação = 4.9 W/m2 ªC;
α c - Coeficiente de convecção = 2.9 W/m2 ªC;
Ta – Temperatura ambiente (ºC).
O parâmetro T S pode ser calculado com recurso à equação 3.4 e refere-se à
temperatura média radiante, ou seja, é a temperatura que uma pessoa sente
devido à temperatura radiante das várias superfícies a que está exposto.
PÁGINA 27
Equação 3.4
N
T S = ∑ Ti ⋅ FP −i
4
4
com:
i =1
Ti – Temperatura da superfície i (ºC);
FP −i - Factor de forma entre a pessoa e a superfície i.
O factor de forma pode ser obtido através da utilização dos gráficos
executados por Fanger e dependem da posição e orientação das pessoas.
Um exemplo desses gráficos pode ser observado na figura 3.2 (Fanger, 1982).
Figura 3.2 – Valor médio do factor de forma entre uma pessoa sentada e uma
superfície horizontal ou vertical quando a pessoa pode ser rodada sobre um eixo
vertical. Fonte: Fanger, 1982
Por último, antes de se considerar os gráficos de conforto é necessário fazer
uma correcção à Temperatura Resultante, de forma a contabilizar a
actividade Metabólica e o isolamento de vestuário da pessoa, como se pode
verificar na equação 3.5 (Kreider et al, 1994).
Equação 3.5
Tr _ corr = Tr − (1.0 + clo) ⋅ (met − 1.2)
Com esta Temperatura Resultante é possível consultar o gráfico da Figura 3.3
de forma a conhecer a zona de conforto para o Verão e Inverno.
PÁGINA 28
Figura 3.3 – Zonas de conforto para o Verão e Inverno. Fonte: ASHRAE, 1997
O modelo PMV (Predicted Mean Vote – voto previsto médio) apresentado na
norma internacional ISO 7730 é utilizado desde 1980. Este é baseado num
modelo estático de transferência de calor, calibrado a partir de um grande
número de pessoas numa câmara climática. A escala vai de -3 a 3: -3 muito
frio, -2 frio, -1 levemente frio, 0 neutro, +1 levemente quente, +2 quente, +3
muito quente. A partir desta norma, para estimar a temperatura óptima de
conforto, é utilizado o gráfico da Figura 3.4, com a temperatura óptima para
condições específicas de Actividade Metabólica e Isolamento do vestuário.
PÁGINA 29
Resistência térmica da roupa [m²K/W]
Actividade [met]
Actividade [W/m²]
Temperatura
operativa óptima
Roupa [clo]
Figura 3.4 – Temperatura resultante óptima de conforto. Adaptado de: Roulet; Fanger
et al, 1980; Fanger et al, 1985
3.1.4. PROPOSTAS PARA A ACTUALIZAÇÃO DAS NORMAS DE CONFORTO
Nos últimos anos têm sido efectuados vários estudos de forma a actualizar as
normas de conforto térmico existentes. Vários autores verificaram que as
normas ISO e ASHRAE não se aplicam a todos os locais e propuseram algumas
soluções para melhorar estas normas.
Assim, num estudo efectuado por Dear, chegou-se a valores de temperatura
de conforto interior entre os 23 – 28 ºC para locais com temperaturas médias
exteriores de 25 ºC e entre 26 – 31 ºC em locais com temperaturas médias
exteriores de 33 ºC, com uma aceitação de 90% (Dear et al, 2002).
Outro estudo, realizado na Tailândia, mostrou que em escritórios equipados
com ar-condicionado eram aceitáveis temperaturas de 28 ºC e para
escritórios com ventilação natural, a temperatura poderia chegar aos 31 ºC
(Glicksman et al, 2001).
PÁGINA 30
Por último, um estudo com o intuito de reduzir as cargas térmicas de
arrefecimento registou votos de sensação térmica em alunos de liceu,
utilizando arrefecimento por unidades ventiladoras. Este estudo concluiu que a
temperatura neutra era de 30.6 ºC com velocidade do ar de 1.0 m/s e
humidade relativa entre 50 a 60%, mas que poderia chegar aos 33.5 ºC se a
humidade fosse entre 50 – 80% com velocidade do ar de 2.0 m/s (Khedari et al,
2000).
Na biologia, a teoria da adaptação define que um ambiente óptimo não é
constante, antes deverá providenciar uma variação óptima a uma frequência
óptima. A estabilidade aparente de um organismo apenas existe porque esta
é modificável. A ligeira instabilidade é a condição necessária para a
verdadeira estabilidade do organismo. Como tal, os edifícios podem oferecer
diferentes tipos de condições térmicas aceitáveis, devido à capacidade de se
adaptarem dentro de variedade óptima de condições. Foi introduzido o
conceito de “erro adaptativo” de forma a explicar a diferença entre a estreita
zona de conforto prevista e a larga zona de conforto medida por
observações. Como resposta a esta teoria, surge uma nova tendência, com
aplicação nas normas de conforto térmico – o modelo adaptativo. Este
conceito explica as discrepâncias existentes entre os índices de conforto
térmico racionais (física e fisiologia da transferência de calor) e os valores
obtidos “in-situ” – PMV: votos previstos médios de conforto (Kindangen, 1997).
O princípio adaptativo pode ser caracterizado como: “se ocorre uma
mudança tal que provoque desconforto, as pessoas reagem de forma que
tende a restaurar o seu conforto” – Nicol e Humphreys, 2002.
Os modelos de conforto adaptativo são pensados para situações onde as
pessoas têm a possibilidade de se adaptar ao ambiente (ajustar as roupas,
abrir janelas para aumento da velocidade do ar), e assim, têm zonas de
conforto térmico substancialmente maiores do que as normas racionais,
possibilitando o dimensionamento de equipamentos de aquecimento /
arrefecimento
com
menor
potência,
originando
menores
consumos
PÁGINA 31
energéticos. No modelo adaptativo, é proposto uma equação de regressão
que relaciona a temperatura interior de conforto com a temperatura média
mensal exterior. Uma das aplicações destas normas adaptativas é a
possibilidade de preverem a temperatura interior de conforto através da
temperatura exterior, sendo muito útil para avaliar se soluções passivas de
aquecimento / arrefecimento são viáveis para o edifício.
A partir de um estudo em 160 edifícios, tentou verificar-se o estado térmico dos
ocupantes e compará-lo com as previsões dos modelos PMV e adaptativo,
como mostram as Figuras 3.5 e 3.6 (Dear et al, 2002).
Figura 3.5 - Temperatura de conforto em edifícios climatizados. Fonte: Dear et al, 2002
Figura 3.6 - Temperatura de conforto em edifícios não-climatizados. Fonte: Dear et al,
2002
PÁGINA 32
Depois deste estudo, foi proposta uma revisão à norma ASHRAE 55: em
edifícios não ventilados é aconselhada a utilização do modelo adaptativo, em
vez do PMV, para obter a temperatura interior de conforto, onde se relaciona
o conforto térmico com a temperatura exterior (Dear et al, 2002).
O modelo PMV apresenta resultados muito bons para edifícios com AVAC,
porém, para edifícios sem AVAC prevê-se uma sensação térmica mais quente
que os ocupantes realmente sentem. O modelo adaptativo prevê bastante
bem a sensação térmica em edifícios não-climatizados em climas quentes,
mesmo não considerando a actividade e vestuário, possuindo erros grandes
noutros tipos de climas. Assim, a precisão do modelo adaptativo deve-se
apenas às expectativas dos ocupantes, ou seja, o facto de o edifício não ser
climatizado e a habituação a altas temperaturas, levam os ocupantes a ter
baixas expectativas quanto ao comportamento térmico do edifício. Como tal,
é possível corrigir o modelo PMV, a partir de um factor de expectativa (e), que
pode variar entre 0.5 a 1 – para edifícios climatizados e=1. Para edifícios nãoclimatizados este factor depende da duração da estação quente, assim
como da existência de edifícios climatizados na vizinhança e seu número.
Outro factor que contribuía para a diferença entre a sensação térmica
calculada pelo modelo PMV e a realmente sentida, era a taxa metabólica.
Esta era estimada através de questionários onde se identificavam as
actividades, mas as pessoas, ao sentirem-se quentes, tendem a abrandarem a
sua actividade e consequentemente reduzirem a taxa metabólica. Assim para
os períodos quentes terá de se reduzir a taxa metabólica prevista no modelo
PMV. Com a implementação destas duas correcções no modelo PMV, este
consegue prever com bastante precisão a sensação térmica em edifícios não
climatizados (Fanger et al, 2002).
Outra proposta de alteração do modelo PMV é um ajuste ao índice PMV a
partir de um estudo estatístico entre as diferenças do modelo PMV e as
medidas in-situ. Assim, através da equação 3.6, é calculado o factor de ajuste
(DPMV-ASHRAE) e seguidamente aplica-se a equação 3.7 para obter o valor do
PMV ajustado (Humphreys et al, 2002).
PÁGINA 33
Equação 3.6
DPMV − ASHRAE = −4.03 + 0.0949Tr + 0.00584( HR%) + 1.201(met ⋅ clo) + 0.000838Ta2
Com:
HR% – Humidade Relativa (%).
Equação 3.7
PMV Ajustado = 0.8( PMV − DPMV − ASHRAE )
Observando todos os pontos de vista referidos anteriormente, é possível
concluir que a escolha do melhor método de previsão do conforto térmico
ainda não é consensual, ou seja, existem defensores da aplicação do modelo
adaptativo mais extensamente, enquanto que outros acham preferível a
revisão do modelo PMV.
3.2. BALANÇO TÉRMICO DOS EDIFÍCIOS
Os edifícios filtram a passagem de luz, ar, ruído e energia, entre os ambientes
interior e exterior, ou seja, providenciam o contraste entre o exterior e o interior.
A Envolvente (exterior) do edifício é toda a construção, tomada como um
todo ou uma parte, que separa o interior de um edifício do exterior. Os
elementos da envolvente são as porções da envolvente do edifício que têm
uma construção consistente, tais como uma parede, cobertura, pavimento,
janela ou porta. Assim, para o cálculo do balanço térmico dos edifícios é
necessário contabilizar as trocas de calor da envolvente do edifício (ASTM,
1999).
3.2.1. MECANISMOS DE TRANSMISSÃO DE CALOR
O calor pode ser definido como energia em trânsito devido à diferença de
temperatura. A transmissão de calor pode ocorrer segundo três mecanismos,
como se pode observar na Figura 3.7:
PÁGINA 34
•
Condução;
•
Convecção;
•
Radiação.
Figura 3.7 - Mecanismos de transmissão de calor em edifícios
Condução – este mecanismo de transmissão de calor tem base na
transferência de energia cinética a nível molecular em sólidos, líquidos ou
gases. Nos líquidos e sólidos não condutores eléctricos, a condução térmica
dá-se devido às oscilações longitudinais da estrutura. Em metais a condução é
semelhante à condução eléctrica, ou seja, devido ao movimento de electrões
livres; e nos gases é divido à colisão elástica das moléculas. O fluxo de calor é
sempre na direcção da redução da temperatura, como deduzido da
segunda lei da Termodinâmica. Nos edifícios, o processo de transmissão de
calor mais significativo é a condução e depende da condutividade térmica
dos materiais - λ [W/m.ºC] e da espessura do elemento da envolvente - e [m],
como se pode verificar na Lei de Fourier para a condução - equação 3.8.
Equação 3.8
dT
Q& = −(λ . A).
de
com:
A – área do elemento (m2);
dT/de – gradiente de temperatura (ºC/m).
PÁGINA 35
Convecção – este mecanismo de transmissão de calor tem base na
transferência de energia por movimento dos fluidos, líquidos ou gasosos, e
condução molecular. Assim, este mecanismo ocorre na transmissão de calor
de um sólido para o ar adjacente, ou entre duas superfícies a diferentes
temperaturas. A transmissão de calor por convecção aumenta na medida
que aumenta a velocidade do fluxo do fluído. A convecção pode ser Natural
– gerada internamente devido à não-homogenidade da densidade por
diferenças de temperatura – ou Forçada – quando o fluxo é produzido por
fontes externas.
Radiação – este mecanismo de transmissão de calor tem base na
transferência de energia por ondas electromagnéticas. Para ocorrer este tipo
de transmissão de calor, apenas é necessária a existência de duas superfícies
a diferentes temperaturas, em que, devido à vibração das moléculas
superficiais é emitida energia radiante através do espaço até atingir uma
superfície opaca, a qual absorve parte desta energia e reflecte a restante
(ISQ, 2000).
3.2.2. TROCAS DE CALOR NOS EDIFÍCIOS
A contabilização das trocas de calor (Q) pelos elementos da envolvente dos
edifícios pode ser executada da seguinte forma (equações 3.9):
Equação 3.9
n
QCond = ∑ U i . Ai .(Ti − Te )
com:
i =1
U i - Coeficiente de condutibilidade térmica do elemento i (W/m2.ºC);
Ai - Área do elemento i (m2);
Ti - Temperatura interior (ºC);
Te - Temperatura exterior (m2);
De forma a obter o Coeficiente de condutibilidade térmica (U) de cada
elemento da envolvente, serão contabilizadas a parcela por convecção (hi e
PÁGINA 36
he) e a parcela por condução, a partir da resistência térmica (R = e/ λ ), como
é possível observar na equação 3.10:
Equação 3.10
1
1  n ei
=
+ ∑
U he  i =1 λ i
 1
 +
 hi
com:
1/hi – Resistência térmica superficial interior (m2.ºC/W);
1/he - Resistência térmica superficial exterior (m2.ºC/W).
No caso do elemento em estudo pertencer à envolvente interior do edifício,
mas separando o espaço útil de um espaço não útil (diferenças térmicas
relativamente elevadas), já se podem verificar trocas de calor importantes
para o balanço térmico dos edifícios. Assim, a contabilização das trocas de
calor (Q) dum elemento da envolvente interior tem o procedimento
semelhante ao enunciado anteriormente, mas com a particularidade de ao
calcular o coeficiente U não se contabilizar o 1/he mas sim duas vezes o 1/hi.
O balanço energético de um edifício tem de ser dividido em dois períodos –
Verão e Inverno, pois o sentido dos fluxos de calor vai ser diferente em cada
um destes períodos. Para o Verão, o parâmetro a calcular são as necessidades
de arrefecimento
( Q Nec _ Arref ), enquanto
que para o
Inverno são
as
necessidades de aquecimento ( Q Nec _ Aquec ). Assim o balanço energético pode
ser representado pela equação 3.11 – Verão e a equação 3.12 – Inverno.
Equação 3.11
Q Nec _ Arref = QCond + QVent + QGI + QRad _ Sol
Equação 3.12
Q Nec _ Aquec = QCond + QVent − QGI − QRad _ Sol
com:
QVent - Trocas de calor devido à ventilação do espaço:
QRad _ Sol - Ganhos térmicos devido à radiação solar:
QGI - Ganhos térmicos devido aos equipamentos interiores.
PÁGINA 37
Um
método
de
cálculo
das
três
parcelas
referidas
anteriormente
( QVent ; QGI ; QRad _ Sol ), será apresentado no Capítulo 5. Na Figura 3.9 apresenta-se
um desenho esquemático exemplificando o balanço energético num edifício
para o período de Verão e de Inverno.
Verão
QRad _ Sol
QCond
QCond
QGI
QGI
QVent
QGI
QCond
INVERNO
QRad _ Sol
QCond
QCond
QVent
QGI
QGI
QGI
QCond
Figura 3.8 – Balanço energético no edifício
3.2.3. NOVOS MÉTODOS PARA ESTIMAR O COEFICIENTE “U”
Com o aumento da necessidade da eficiência energética dos edifícios, o nível
de conhecimento dos parâmetros que condicionam a sua performance
também precisa de aumentar. O coeficiente global de perdas de calor e a
capacidade
PÁGINA 38
calorífica
são
dois
parâmetros
fundamentais
para
o
conhecimento da performance térmica da envolvente dos edifícios. Como tal
Lundin sugere um método dinâmico para estimar o coeficiente de
condutibilidade térmica (U) a partir da equação 3.13 (Lundin et al, 2005):
Equação 3.13
U tot ∗ θ = Pcalor + α ∗ Pdom + C tot
dθ
dt
com:
θ – diferença entre a temperatura exterior e a interior;
Pcalor – calor fornecido ao sistema de aquecimento;
α – factor de ganho;
Pdom – carga de calor doméstica;
Ctot – capacidade calorífica total.
3.3. ISOLAMENTO TÉRMICO
O isolamento térmico tem como função principal o aumento da resistência
térmica da envolvente do edifício, de forma a reduzir as trocas de calor entre
o edifício e o exterior, reduzindo as necessidades de aquecimento e
arrefecimento, assim como o risco de condensações (ver ponto 3.4). São
considerados isolantes térmicos materiais com λ ≤ 0.065 W/m.ºC e R > 0.5
m2.ºC/W, de forma a garantir que a espessura do material é suficiente para
reduzir o fluxo de calor (Freitas, 2002).
3.3.1. FUNÇÕES DOS ISOLANTES TÉRMICOS
Ao retardar o fluxo de calor pela envolvente do edifício, os isolamentos
térmicos possuem várias funções (ASHRAE, 1997):
•
Conservam a energia devida à redução das perdas de calor;
•
Controlam a temperatura superficial de equipamentos e estruturas;
PÁGINA 39
•
Ajudam
a
controlar
a
temperatura
de
um
processo
químico,
equipamentos e estruturas;
•
Previnem as condensações em superfícies com a temperatura inferior
ao ponto de orvalho;
•
Reduzem as flutuações térmicas dos espaços, aumentando o conforto
térmico.
3.3.2. CLASSIFICAÇÃO DOS ISOLANTES TÉRMICOS
Os isolantes térmicos podem ser classificados quanto a: natureza – mineral,
vegetal ou sintética; estrutura – fibrosa, celular ou mista; modo de Produção –
pré-fabricados ou formados “in-situ”; apresentação – rígidos, semi-rígidos ou
granulares. Na Tabela 3.3 são apresentados vários isolantes térmicos com a
respectiva classificação (Freitas, 2000).
Tabela 3.3 – Classificação de alguns isolamentos térmicos
Natureza
Estrutura
Produção
Condutibilidade
térmica
(W/m.ºC)
Lã de rocha
Mineral
Fibrosa
Placas; Mantas
0.04
Lã de vidro
Mineral
Fibrosa
Placas; Mantas
0.04
Vidro celular
Mineral
Celular
Placas
0.05
Aglomerado negro
de cortiça
Vegetal
Celular
Placas; Granel
0.045
Fibra de coco
Vegetal
Celular
Placas; Mantas
0.044
Sintético
Celular
Placas
0.04
Sintético
Celular
Placas
0.035
Sintético
Celular
in-situ
0.03
Produto
Poliestireno
expandido
Poliestireno
expandido
extrudido
Poliuretano
Fonte: Freitas, 2000
3.3.3. ESPESSURA ÓPTIMA DOS ISOLANTES TÉRMICOS
Durante o projecto é necessário decidir qual a espessura de isolamento
térmico a aplicar na envolvente. Para tal, é fundamental executar um estudo
económico de custo/benefício da aplicação do isolamento. A espessura
PÁGINA 40
óptima do isolamento pode ser encontrada comparando a diminuição das
necessidades de aquecimento / arrefecimento com o aumento de custo
devido ao isolamento. A ASHRAE apresenta um método de escolha da
espessura óptima de isolamento representado pelas equações 3.14 e 3.15,
onde se encontra o valor máximo das poupanças económicas (Pec).
Equação 3.14
Pec =
∆Naqi , j ⋅ (C aq ) ⋅ ( FAE aq )
η aq
+
∆Nari , j ⋅ (C ar ) ⋅ ( FAE ar )
η ar
com:
∆Naqi , j , ∆Nari , j - Variação das necessidades de aquecimento / arrefecimento;
C aq , C ar - Custo da energia para aquecimento / arrefecimento;
FAE aq , FAE ar - Factor de actualização da energia para aquecimento /
arrefecimento;
η aq , η ar - Rendimento dos equipamentos de aquecimento / arrefecimento.
Equação 3.15
1 + T AAE   1 + T AAE
FAE =
⋅ 1 + 
TJ − T AAE   1 + TJ




CV



com:
TAAE - Taxa de aumento anual do custo da energia;
TJ - Taxa de juros;
CV - Ciclo de vida do isolamento.
Com a aplicação destas expressões é possível identificar a espessura óptima
do isolamento a aplicar, como se mostra na Figura 3.9 (ASHRAE, 1997).
PÁGINA 41
Figura 3.9 – Determinação da espessura óptima de isolamento. Fonte: ASHRAE (1997)
3.4. HUMIDADE NOS EDICÍCIOS
A humidade nos edifícios é muito problemática, originando a redução da
eficiência energética, gastos em manutenção, problemas de durabilidade e
redução do conforto. A degradação dos edifícios devido à acção da
humidade é o factor com maior peso na limitação da vida útil dos edifícios. A
humidade nos edifícios pode ter origem em (ASHRAE, 1997):
•
humidade de construção – é a humidade que se manifesta numa fase
imediatamente posterior à construção, ou seja, durante a maturação
do betão.
•
Humidade do terreno – é a humidade proveniente do solo, que atinge
a habitação devido à ascensão capilar, através das fundações ou
paredes.
•
Humidade de precipitação – infiltração de água
provocada pela
chuva, devido a problemas de estaqueadade da envolvente. Muitos
vezes este problema agrava-se devido à acção combinada da chuva
e do vento.
PÁGINA 42
•
Humidade de condensação – humidade devido à saturação do vapor
de água. Pode ocorrer no interior ou na superfície dos paramentos.
•
Humidade devida a fenómenos de higroscopicidade – diversos
materiais de construção têm na sua constituição sais solúveis em água,
sendo estes materiais higroscópicos, isto é, com a capacidade de
absorverem a humidade do ar, dissolvendo os sais e devolvendo ao
ambiente, em função da variação da pressão parcial e temperatura,
podendo voltar a cristalizar os sais, com significativo aumento de
volume.
•
Humidade devida a causas fortuitas – como o nome indica, a
humidade aparece devido a causas acidentais, tais como inundações,
algerozes entupidos, tubos de água e de esgoto partidos, etc.
De entre todas as causas de humidade referidas anteriormente, a mais
frequente nos edifícios é a humidade de condensação. De forma a evitar a
ocorrência das condensações é necessário ventilar – diminui os níveis de
humidade interiores e isolar – aumento da temperatura das paredes e
consequentemente diminuição do grau de saturação (Figura 3.10)
Figura 3.10 – Temperatura interior de uma parede com isolamento térmico. Fonte:
Freitas, 2002
PÁGINA 43
3.4.1. CÁLCULO DAS CONDENSAÇÕES NOS EDIFÍCIOS
As condensações ocorrem quase exclusivamente no Inverno, pelo que apenas
é necessário verificar se ocorrem neste período. Nas superfícies exteriores da
envolvente não ocorrem condensações neste período, pois estas superfícies
estão a temperaturas mais elevadas que o ar em contacto, como tal possuem
um menor grau de saturação. Assim, é necessário verificar a ocorrência de
condensações superficiais interiores (1) e as condensações interiores (2).
Em ambos os casos as variáveis necessárias para o cálculo são: a medição da
humidade relativa (HR) interior e exterior, a temperatura interior e exterior.
Seguidamente é necessário calcular a temperatura superficial interior e
exterior – Tx , a partir da equação 3.16:
Equação 3.16
Tx = Ti −
RTot
⋅ (Ti − Te )
Rx
com:
RTot - Resistência térmica total do elemento da envolvente (m2.ºC/W);
R x - Resistência térmica do elemento da envolvente, no ponto onde é
necessário calcular a temperatura (m2.ºC/W).
1. Condensações superficiais
Para verificar a ocorrência de condensações superficiais, apenas é necessário
verificar se a temperatura superficial é superior ou inferior ao Ponto de Orvalho
– temperatura à qual, para uma dada humidade, o ar atinge o ponto de
saturação. Assim, se a temperatura superficial for superior ao ponto de orvalho,
não ocorrem condensações. Na Figura 3.11 é apresentado um exemplo de
verificação de condensação superficial pelo método gráfico:
Definindo as condições a que está o ar interior – Ti = 20 ºC; HRi = 70%
É possível verificar que apenas ocorrem condensações se a temperatura
superficial for inferior ao ponto de Orvalho, ou seja, inferior a 14 ºC.
PÁGINA 44
Figura 3.11 – Verificação de condensações superficiais. Fonte: ASHRAE, 1997
2. Condensações interiores
Para este caso, é necessário calcular a temperatura ao longo do elemento da
envolvente, ou seja, em cada material constituinte do elemento, através da
equação 3.16. Seguidamente, é necessário calcular a pressão de saturação
(Ps) e a pressão do vapor ao longo de elemento, a partir das equações 3.17 e
3.18. No caso da pressão de vapor ultrapassar a pressão de saturação, ocorre
a condensação. A partir da Tabela 3.4 e da Figura 3.12 é apresentado um
perfil de humidade numa parede dupla de tijolo.
Equação 3.17
Ps = K 1 / T + K 2 + K 3 ⋅ T + K 4 ⋅ T 2 + K 5 ⋅ T 3 + K 6 ⋅ ln(T )
com:
K1 = -5.8002206; K2 = 1.3914993: K3 = -4.8640239e-2; K4 = 4.1764768e-5; K5 =
-1.4452093e-8; K6 = 6.5459673.
PÁGINA 45
Equação 3.18
∆PMaterial
Pe Parede
com:
=
∆PParede
Pe Material
∆PMaterial - variação da pressão de vapor até ao material;
∆PParede - Pressão do vapor interior – pressão de vapor exterior;
PeMaterial - Permeância ao vapor de água até ao material;
PeParede - Permeância ao vapor de água interior – Permeância ao vapor de
água exterior.
Figura 3.12 – Perfil de humidade para uma parede dupla
Tabela 3.4 – Variação da pressão de vapor ao longo de uma parede
Ponto
Temperatura (ºC)
Ps (Pa)
Pvapor (Pa)
Tsup_i
17.98
2050
1420
Tp1
17.62
1950
1246
Tp2
15.70
1830
1156
Tp3
14.71
1600
1135
Tp4
10.66
1280
1134
Tp5
9.36
1200
1044
Tsup_e
9.01
1150
870
PÁGINA 46
3.5. PONTES TÉRMICAS
O fluxo de calor, em termos gerais, dá-se perpendicularmente à superfície,
através da condução térmica e do diferencial de temperatura. Mas
considerando que o fluxo de calor segue a trajectória com menor dissipação
de trabalho, ou seja que o fluxo de calor procura o “caminho mais curto”, se o
“comprimento” é medido em resistência térmica - Figura 3.13 (Ecobuild, 2001).
Figura 3.13 – Fluxo de calor ao longo de um elemento de construção
Devido às pontes térmicas, o fluxo de calor pode ter uma componente lateral
muito elevada, podendo atingir os 50%, reduzindo assim, de forma significativa,
a resistência térmica da envolvente do edifício. Adicionalmente, as pontes
térmicas reduzem a temperatura superficial dos elementos, o que pode
aumentar o risco de condensações e crescimento de bolor, além de
originarem a heterogeneidade de temperaturas superficiais. As pontes
térmicas podem ocorrer devido a (Ben-Nakhi, 2003):
• Alterações nas propriedades térmicas da envolvente do edifício na direcção
lateral – interface entre as vigas de betão e as paredes de alvenaria;
• Alterações de espessura da construção – um envidraçado inserido numa
parede;
• Diferença entre a área superficial interior e exterior – cantos;
• Geração de calor dentro de um elemento de construção do edifício –
tubagem de água quente.
PÁGINA 47
O tratamento das pontes térmicas é executado essencialmente a partir do
reforço da resistência térmica da zona da ponte térmica. Assim, este
tratamento pode ser local – aplicação de isolamento apenas na zona da
ponte térmica – ou geral – aplicação de materiais, isolantes ou não, para
aumentar a resistência global da envolvente.
3.5.1. AVALIAÇÃO DAS PONTES TÉRMICAS
A avaliação das pontes térmicas é, normalmente, executada de duas formas:
consulta de manuais com exemplos de pontes térmicas ou através de
ferramentas de simulação. O problema é que os manuais podem não
representar a ponte térmica em estudo e as ferramentas de simulação, além
de muito demoradas, podem não possibilitar a modelação de fronteiras
múltiplas heterogéneas dinâmicas. Actualmente, este problema tem vindo a
ser
ultrapassado
devido
à
implementação
de
catálogos
e
manuais
computorizados “on-line”, com mais de 3000 representações de pontes
térmicas, a implementação de procedimentos nas ferramentas de simulação,
que possibilitam a modelação da condução a 3D (através de métodos
numéricos, como o método dos elementos finitos).
Ben-Nakhi testou a implementação de um módulo para estimação das pontes
térmicas, numa ferramenta de simulação, através da condução dinâmica em
3D, comparando os resultados obtidos com este módulo, com os resultados
analíticos, concluindo que os resultados são muito próximos. Assim, estes
módulos são indispensáveis nas ferramentas de simulação térmica dos
edifícios, de forma a aumentar cada vez mais a precisão dos resultados
obtidos com estas ferramentas. Neste caso, devido ao peso que as pontes
térmicas podem ter nos edifícios, este módulo poderá ser muito importante.
Mas devido à consciencialização dos problemas resultantes das pontes
térmicas, estas estão, cada vez mais, a ser evitadas e tratadas. As pontes
térmicas mais comuns vêm muitas vezes referenciadas nos regulamentos
térmicos dos diversos países de forma a serem sistematicamente corrigidas,
logo na fase inicial do projecto (Ben-Nakhi, 2003).
PÁGINA 48
3.6. INÉRCIA TÉRMICA
A inércia térmica dos edifícios é um parâmetro muito importante para o
balanço térmico do edifício. A inércia térmica é o fenómeno pelo qual o
edifício amortece as acções térmicas exteriores e interiores do edifício,
proporcionando uma menor variação da temperatura interior. Tendo em
conta que as acções térmicas exteriores (temperatura exterior, radiação solar)
variam periodicamente, o efeito da inércia térmica é essencial para o
conforto térmico. A inércia térmica é função da massa térmica do edifício, ou
seja, do calor armazenado e pode ser representado pela equação 3.19
(Ecobuild, 2001):
Equação 3.19
∆q = m ⋅ ce ⋅ ∆T
com:
m – massa do elemento (Kg);
Ce – calor específico (KJ/Kg.ºC)
Como tal, um corpo maior, de maior massa e/ou com maior calor específico,
acumula ou liberta a mesma quantidade de energia com menor variação de
temperatura. Para a maioria dos materiais dos edifícios o calor específico está
situado entre 0.85 a 0.95 KJ/Kg.ºC, o que explica o facto de apenas se
mencionar a massa. Uma importante excepção é a madeira, cujo calor
específico está situado entre 1.7 a 3.0 KJ/Kg.ºC.
3.6.1. AVALIAÇÃO DA INÉRCIA TÉRMICA
O cálculo do efeito da inércia térmica no comportamento térmico do edifício
é bastante complexo, pois é necessário a utilização de sistemas de equações
dinâmicos, de forma a conseguir contabilizar todos os fluxos energéticos ao
longo do tempo. Mas com recurso a algumas simplificações, Mitjá (1986)
apresenta uma forma de avaliar a inércia térmica, decompondo a sua acção
em dois princípios – o Atraso térmico ( Φ ) e o Amortecimento térmico ( µ ). Estes
PÁGINA 49
parâmetros podem ser calculados a partir das equações 3.20 a 3.22 (Krieder e
Rabl, 1994):
Equação 3.20
Φ=
x
⋅
2
T
∑α
i
com:
⋅π
n
x – espessura da parede (m);
T – período temporal (h);
n – número de elementos;
α - difusibilidade térmica (m2/h).
Equação 3.21
α=
λ
com:
d ⋅ Ce
d – peso específico do elemento (Kg/m3);
λ - condutibilidade térmica (Kcal/h.m.ºC);
Ce - calor específico (Kcal/Kg.ºC).
− x⋅
µ =e
π
T ⋅∑ αi
n
A partir deste método, é apresentado um exemplo do cálculo da temperatura
superficial da envolvente interior de um compartimento, patente na Tabela 3.5
e na Figura 3.14.
Tabela 3.5 – Cálculo do amortecimento e atraso térmico para uma parede
µ
α tot (m2/h)
Parede
Área (m2)
X (m)
T (h)
1
Materiais
Reboco
Tijolo furado
(15cm)
10.15
0.17
24
0.003
Ce
(Kcal/KgºC)
0.24
d
(Kg/m3)
1800
λ
(Kcal/h.mºC)
0.6
0.2
1300
0.35
4.48
(m2/h)
0.0014
0.0013
∑=
PÁGINA 50
α
0.31
Φ (h)
0.0027
Figura 3.14 – Variação da temperatura superficial de uma parede ao longo de um dia
3.7. VENTILAÇÃO
As trocas de ar entre o edifício e o exterior podem ser divididas em dois
mecanismos – Ventilação e Infiltração. A ventilação é a entrada de ar
intencional, entre o edifício e o exterior, através de janelas, grelhas, etc.,
enquanto que a infiltração é a entrada de ar fortuito, através de fendas ou
aberturas não intencionais. A ventilação pode ser dividida em Natural ou
Forçada. A ventilação natural ocorre através da produção de diferenças de
pressão naturais ou artificiais, e a ventilação forçada, também chamada de
ventilação mecânica, ocorre através da introdução de ventiladores e
condutas de admissão e exaustão (ASHRAE, 1997).
A ventilação dos edifícios é, cada vez mais, um factor com enorme
importância na performance energética das habitações. Principalmente com
a mudança das técnicas de construção, em que, para reduzir as perdas de
calor, foi aumentada a estaqueidade da envolvente dos edifícios, reduzindo
assim a taxa de infiltração de ar nas habitações. Como tal, ao projectar uma
habitação, é sempre necessário prever uma dada taxa de ventilação, com
vista à supressão de três tipos de necessidades: 1. qualidade do ar interior; 2.
conforto térmico; 3. prevenção de riscos de condensação. A utilização da
PÁGINA 51
ventilação para atingir os três objectivos referidos é esquematizada na
Figura 3.15.
3 − W& P
1 − P&CO 2
2 − Q& Evaporação
Figura 3.15 – Ventilação nos edifícios
P&CO 2 = Produção de CO2;
= Perdas de calor
Q&
Evaporação
devido ao arrefecimento
evaporativo;
W& P = Produção de vapor.
3.7.1. VENTILAÇÃO PARA A QUALIDADE DO AR INTERIOR
A qualidade do ar interior é um parâmetro essencial tanto para a saúde dos
ocupantes, assim como para o seu bem-estar e produtividade. Assim, a
ventilação tem de ser projectada em função das fontes de poluentes interiores
e exteriores, fornecimento de ar puro, remoção das cargas poluentes,
actividade dos ocupantes e operação e manutenção apropriada do sistema
de ventilação. Uma qualidade do ar interior pode ser definida como ar livre de
poluentes que causam irritação, desconforto ou doenças nos ocupantes. Para
o fornecimento de ar puro existe uma grande variedade de métodos, mas o
mais comum é a utilização de filtros, sendo estes muito eficazes para poeiras.
Resumindo, é necessário remover o ar interior viciado, substituindo-o por ar
fresco exterior.
De forma a calcular a taxa de ventilação necessária para a qualidade do ar
interior, é necessário conhecer os níveis de poluente admissíveis (Tabela 3.6) e
a taxa de produção do poluente em questão. Seguidamente, utiliza-se a
equação 3.22. Esta equação admite que o ar interior está perfeitamente
PÁGINA 52
misturado, o que é uma aproximação bastante aceitável para a maioria dos
edifícios (Givoni, 1998).
Tabela 3.6 – Concentração admissível de alguns poluentes
Poluente
Concentração
Exposição
1.8 g/m3
Contínua
Compostos Orgânicos Voláteis totais
600 µg/m3
Contínua
Ozono
200
µg/m3
Contínua
Partículas Suspensas no Ar (PM10)
150
µg/m3
Contínua
Formaldeído
100 µg/m3
Contínua
5 µg/m3
Contínua
Dióxido de Carbono
Pesticida C10H6Cl8
Fonte: ASHRAE, 1989; RSECE, 2005.
Equação 3.22
Ci = C0 +
P&
V&
com:
Ci – concentração interior do poluente admissível (µg/m3);
C0 – concentração exterior do poluente (µg/m3);
P& – taxa de produção do poluente (µg/s);
V& – taxa de ventilação (m3/s).
Normalmente este método de cálculo para previsão da taxa de ventilação
necessária apenas é utilizado uma vez, ou seja, identificando o poluente
dominante e calculando a taxa de ventilação necessária para o manter
abaixo da concentração admissível, os restantes poluentes também vão estar
em concentrações abaixo das admissíveis (Allard, 1998).
3.7.2. VENTILAÇÃO PARA O CONFORTO TÉRMICO
A utilização da ventilação para promover um maior conforto térmico é
adequada para o Verão. Podendo ser aproveitada de duas formas:
1. aumento da velocidade do ar – resulta num aumento das perdas de calor
por convecção pelo corpo humano e aumentam a taxa de evaporação ao
PÁGINA 53
nível da pele; 2. arrefecimento da massa estrutural do edifício durante a noite,
aproveitando a massa estrutural arrefecida durante o dia de forma a diminuir
a temperatura interior (este técnica é chamada ventilação nocturna e será
abordada mais extensivamente no Capítulo 4).
De forma a calcular a taxa de ventilação necessária para promover o
conforto térmico, é utilizada a Equação 3.23, onde a partir da temperatura
interior de conforto (Ti) e da carga térmica interior, é executado um balanço
energético entre a carga térmica que entra no edifício e a carga térmica que
sai, calculando assim a taxa de ventilação necessária para remover uma
certa quantidade de calor (Q) do edifícios.
Equação 3.23
V& =
Q
ρ ⋅ CP ⋅ (Tt − Te )
com:
ρ - densidade do ar (Kg/m3);
CP – calor específico do ar (J/Kg.ºC).
3.7.3. VENTILAÇÃO PARA A PREVENÇÃO DE CONDENSAÇÕES
Em compartimentos que possuem fontes de produção de vapor muito
intensas, é necessário a utilização da ventilação, de forma a reduzir os níveis
de humidade presente e assim prevenir a ocorrência de condensações. Por
exemplo, em cozinhas, as taxas de produção de vapor costumam ser muito
altas, sendo necessário ao projectar este compartimento calcular a taxa de
ventilação necessária para não ocorrerem condensações. Para tal é possível
aplicar a equação 3.24 e encontrar a taxa de ventilação necessária para
remover a produção de vapor interior.
Equação 3.24
V& =
W& P
ρ wi − ρ we
PÁGINA 54
com:
ρ we - densidade do vapor de ar exterior (Kg/m3);
ρ wi - densidade do vapor de ar interior (Kg/m3);
W& P - taxa de produção de vapor (Kg/h).
3.7.4. MECANISMOS IMPULSIONADORES DA VENTILAÇÃO
A ventilação dos edifícios pode ser obtida através de três mecanismos
distintos: 1. diferenciais de pressão devido ao vento; 2. diferenciais de
densidade do ar devido à diferença de temperatura entre o exterior e o
interior; 3. sistemas de ventilação mecânicos.
Para o caso 1 e 2, o fluxo de ar é obtido através de aberturas na envolvente
dos edifícios, normalmente obtidos com a abertura das janelas. Ultimamente, é
normal a introdução de orifícios de ventilação (grelhas de ventilação)
acoplados aos envidraçados. Assim, para calcular o caudal que atravessa as
aberturas dos edifícios é utilizada a equação 3.25 e 3.26 (ASHRAE, 1997).
Equação 3.25
V& = CD ⋅ A ⋅ 2∆P / ρ
com:
CD – coeficiente de descarga;
A – área da aberturas (m2);
∆P - variação da pressão (Pa).
Equação 3.26
CD = 0.4 + 0.0045 ⋅ Ti − Te
com:
O diferencial de pressão ( ∆P ) pode ser obtido utilizando as expressões 3.27 ou
3.28 consoante sejam devido ao vento ou à temperatura, respectivamente.
Equação 3.27
∆P = Pe + CP _ V
V2
⋅ρ⋅
− Pi
2
com:
PÁGINA 55
Pe – pressão estática exterior (Pa);
Pi – pressão interior (Pa);
CP_V – coeficiente de pressão superficial devido ao vento;
V – velocidade do vento (m/s).
O valor do CP_V, para várias situações, pode ser obtido através da consulta do
Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Edifícios e Pontes
(RSA, 1983).
Equação 3.28
∆P = ρi ⋅ g ⋅ (H − H NPN ) ⋅
(Ti − Te )
T
com:
g – constante gravitacional (9.81 m/s2);
H – altura da abertura (m);
HNPN – altura do nível de pressão neutra (m);
T – média entre a temperatura interior e exterior (ºK).
O nível de pressão neutra é a altura do edifício, onde o nível de pressão
exterior é igual ao nível de pressão interior. Este pode ser aproximado a
metade do pé direito da habitação, como se pode observar na Figura 3.16.
Figura 3.16 – Altura do nível de pressão neutra
PÁGINA 56
Mas na maior parte das situações o diferencial de pressão pode ser atribuído
tanto ao efeito do vento, como ao diferencial de temperaturas. Assim, o
caudal de ar devido à combinação destes dois efeitos é obtido através da
equação 3.29.
Equação 3.29
V& = V&V2 + V&T2
com:
V&V - caudal de ar devido ao vento (m3/s);
V&V - caudal de ar devido à diferença de temperatura (m3/s).
Em relação à ventilação mecânica, a obtenção da diferença de pressão
apenas pode ser calculada se for conhecida a localização de todas as
aberturas na envolvente e a relação entre a diferença de pressão e o fluxo de
ar em cada abertura. Mas a taxa de ventilação é, naturalmente, controlada
pelo sistema mecânico, pelo que apenas é necessário calcular as
necessidades de ventilação, de forma a programar o sistema mecânico de
ventilação para fornecer a taxa de ventilação calculada. Os sistemas de
ventilação mecânicos podem funcionar de três formas: por insuflação, por
extracção ou misto. Mas o sistema por insuflação deve ser evitado, pois o ar
de extracção sai do edifício por exfiltração, não sendo possível a recuperação
do calor (A Green Vitruvius, 1999).
3.7.5. INFILTRAÇÕES
Para suprimir as necessidades de ventilação, em alguns casos, as infiltrações
pela envolvente do edifício podem ser suficientes. Mas a determinação
analítica da taxa de renovações de ar por infiltração é dependente de
factores muito variáveis, tais como o clima, a operação dos equipamentos e
as actividades dos ocupantes. Assim, em fase de projecto, uma das únicas
formas de ter uma ideia da taxa de infiltração é a utilização de valores
tabelados do caudal de ar de escape através de vários componentes
padronizados, como caixilho de porta calafetado, lareira com porta de vidro,
etc (Exemplo no livro ASHRAE, 1997, Tabela 3, Página 28.18). Calculando o
PÁGINA 57
somatório do caudal de ar que atravessa cada componente, é possível prever
a taxa de infiltração do compartimento. Por outro lado, se a avaliação da
taxa de infiltração for em edifícios existentes, a forma mais fiável é a utilização
de métodos experimentais, tais como:
•
Porta-Ventiladora
–
este
método
consiste
na
pressurização
e
despressurização mecânica, a partir de uma porta ajustável com um
ventilador acoplado, de um compartimento e respectiva medição do
fluxo de ar do ventilador a uma dada pressão. Existem dois tipos de
testes neste método, o mais simples – método de um ponto – é utilizado
quando o único propósito é a quantificação da taxa de infiltração,
enquanto que o outro – método de dois pontos – quando o propósito é
quantificar a taxa de infiltração além de permitir estimar o coeficiente
e o expoente do fluxo de ar do edifícios. Para mais informações sobre
este método pode-se consultar a ASTM Standard E 1827.
•
Gases
Traçadores
–
neste
método,
é
insuflado
um
gás
no
compartimento (que não exista antes da insuflação) e seguidamente é
medida a sua concentração, de forma a determinar a taxa de
infiltração. Para a medição das taxas de troca de ar, podem ser
utilizadas três técnicas: decaimento ou aumento da concentração;
concentração constante; e injecção constante. Para mais informações
sobre este método pode-se consultar a ASTM Standard E 741.
3.6.6. A VENTILAÇÃO NATURAL
A ventilação natural é um método muito eficiente para providenciar as
necessidades de ventilação dos edifícios, pois não apresenta consumos de
energia, ao contrário da ventilação mecânica. Como tal, a ventilação natural
é uma forma de aumentar a eficiência energética dos edifícios. Por outro
lado, estudos sugerem que o síndrome dos edifícios doentes é observado,
quase exclusivamente, em edifícios com ventilação mecânica (Baker, 1993).
Relativamente à ventilação para a qualidade do ar e prevenção das
condensações, as taxas de renovação necessárias são facilmente atingidas
pela ventilação natural, sendo apenas necessário precaver os problemas do
PÁGINA 58
ambiente exterior, como o ruído e poluição. Para o caso das necessidades
para o conforto térmico, as taxas de ventilação necessárias podem ser difíceis
de obter, mas como estão bem identificadas, é possível conhecer em quais a
ventilação natural é suficiente. Mas mesmo que a ventilação natural não seja
suficiente para atingir o conforto térmico, esta pode sempre reduzir as cargas
térmicas a retirar pelo sistema de arrefecimento mecânico, aumentando
também a eficiência energética.
A ventilação natural é maioritariamente induzida devido ao efeito do vento.
Por exemplo, para um caso corrente onde existe uma diferença de 5 ºC entre
a temperatura interior e exterior, com uma velocidade do vento de 2 m/s, a
taxa de renovação horária por efeito de vento seria 5.4 vezes superior à
induzida pela diferença de temperaturas (Givoni, 1998). Como tal, devido à
grande aleatoriedade do vento, a ventilação natural pode ter uma eficiência
reduzida, comparativamente à ventilação mecânica. Mas, com um estudo
adequado das características locais do vento, é possível optimizar a
ventilação natural, de forma a obter uma solução muito vantajosa. Para tal, é
imprescindível estudar o clima, numa escala global, regional, local e ao nível
do microclima. Adicionalmente, no ambiente urbano é necessário atentar à
diminuição da velocidade do vento até 30%, para o caso de ventos fortes ou
moderados, comparativamente ao ambiente rural, devido à grande
rugosidade e número de obstáculos. Outro efeito do ambiente urbano é o
aumento da turbulência, até 100%, assim como, para ventos fortes, a criação
de fluxos de ar com rotação ciclónica (Allard, 1998).
Concluindo, a ventilação natural pode ser uma solução bastante eficiente,
mas apenas com um adequado estudo de todas as condicionantes – clima,
dimensão e orientação das aberturas, forma do edifício, necessidades, etc. –
é possível utilizar a ventilação natural como uma solução óptima, ou seja, é
necessário desde o projecto do edifício considerar as especificidades da
inclusão da ventilação natural, de forma a exponenciar o efeito deste, como
é possível observar na Figura 3.17.
PÁGINA 59
Figura 3.17 – Design para a ventilação natural. Fonte: Habitação Simpsons-Lee,
desenho de Craines
3.8. ILUMINAÇÃO
A função da iluminação é tornar o ambiente visual visível e adequado, ou
seja,
permitir
a
execução
das
tarefas
visuais
necessárias,
além
de
proporcionar conforto visual. Tal é conseguido com a Luz – parte visível do
espectro electromagnético, com comprimento de onda entre os 380 a
780 nm. A luz pode ser fornecida de forma natural – luz solar – de forma
artificial – lâmpadas – ou através da combinação de ambas. O ambiente
visual pode ser dividido em duas componentes:
•
Componente passiva – usualmente pode ser definido como o
compartimento composto pelas várias superfícies e mobiliário, que
reflectem a luz com maior ou menor intensidade;
•
Componente activa – a luz que torna o compartimento visível.
Assim, o ambiente visual é a multiplicação destas duas componentes, como é
apresentado na Figura 3.18. Como tal, é necessário atentar que para um dado
ambiente, pode haver um ambiente visual diferente, dependendo da luz
incidente. Uma boa iluminação, só por si, não proporciona um ambiente visual
PÁGINA 60
agradável. A fraca iluminação pode causar a tensão ocular, fadiga, dor de
cabeça e irritabilidade. Como tal, a avaliação da iluminação é muito
importante e deve ser executada de forma quantitativa e qualitativa. Os
aspectos quantitativos são relacionados com a determinação da quantidade
de iluminação necessária para executar as tarefas requeridas. Os aspectos
qualitativos estão relacionados com o conforto visual e podem ser avaliados
em termos de encadeamento e atenção / distracção dos ocupantes (Santos,
2004).
Figura 3.18 – Combinação dos componentes do ambiente visual. Fonte: Majoros, 1997
A iluminação é um assunto com grande peso no bem-estar diário das pessoas
pois que o ambiente visual está intimamente ligado à vivência humana. A
visão engloba cerca de 90% de toda a informação sensorial dos seres
humanos. Qualquer actividade está, em maior ou menor parte, ligada à visão.
Como tal, é essencial um bom projecto de iluminação para qualquer edifício.
3.7.1. PRINCÍPIOS DA ILUMINAÇÃO
A quantidade de radiação visível emitida por uma fonte de radiação é
definida como fluxo luminoso e a sua unidade é o Lúmens (lm). Este é definido
em termos da potência radiativa pela sensibilidade espectral do olho humano.
Assim, para definir a eficiência de uma fonte luminosa, deve dividir-se o fluxo
luminoso pela potência necessária. O limite teórico desta eficiência é de
683 lm/W, o que corresponde à conversão de uma luz monocromática com o
comprimento de onda de 555 nm. Um dos parâmetros mais importantes é a
PÁGINA 61
iluminação ou iluminância da superfície a ser iluminada, que se exprime em lux
e corresponde a lm/m2. As iluminâncias recomendadas podem ser divididas
por tarefas ou por zonas do edifício e são apresentadas na Tabela 3.7 e 3.8,
respectivamente.
Tabela 3.7 – Iluminância recomendada por tarefa visual
Iluminância
Recomendada
(lux)
Exemplos de
actividades
Tarefas com poucas exigências visuais
300 - 500
máquinas de pouca
precisão;
Tarefas com exigências visuais normais
500 -1000
salas de aula; gabinetes
Tarefas com exigências visuais Especiais
1000 - 2000
salas de desenho;
inspecção de materiais
Tarefas com exigências visuais de
elevada exactidão
3000 - 5000
fabrico de relógios;
indústria electrónica;
Tarefas com exigências visuais de
excepcional exactidão
5000 - 7500
micro-electrónica;
10000 - 20000
cirurgias;
Tarefas com exigências visuais muito
especiais
Fonte: Santos, 2000
Tabela 3.8 – Iluminância recomendada por zona do edifício
Zona do Edifício
Zonas de passagem
Iluminância recomendada
(lux)
50 - 100
Salas de jantar
100
Salas de estar; Cozinhas
200
Zonas de estudo
300 - 500
Fonte: Santos, 2000
Como já referido, a combinação da iluminação com as características das
superfícies determina a resposta visual humana. Assim, é necessário definir um
parâmetro para quantificar esta combinação de efeitos, ou seja, o fluxo
luminoso emitido. Este é definido pela sua distribuição angular, em ângulo
PÁGINA 62
sólido, sendo denominado por intensidade luminosa e a sua unidade é a
candela (cd). O fluxo luminoso emitido por um objecto é chamado de brilho e
a sua unidade é a luminância, que corresponde a:
Ilu min ância (lux) ∗ reflectância
π
(cd/m2).
Para uma melhor avaliação do brilho dos objectos foi definido o contraste, o
que representa a razão entre o brilho de uma superfície e o seu fundo
imediato. O contraste pode ser quantificado pela razão de luminâncias ou de
reflectâncias das superfícies em estudo. Para a definição de um espaço
visualmente confortável nos edifícios, podem ser definidos tipos de contraste:
um entre as superfícies da envolvente do compartimento, outro entre a
superfície e o observador. Os valores recomendados do contraste são
apresentados na Tabela 3.9 e 3.10.
Tabela 3.9 – Reflectância das superfícies recomendada
Reflectância
Recomendada
Superfícies
Tectos
0.70 - 0.85
Paredes (adjacentes a fontes luminosas)
0.6 - 0.7
Paredes (restantes)
0.4 - 0.5
Pavimentos
0.15 - 0.3
Fonte: Santos, 2000
Tabela 3.10 – Razão de luminâncias recomendada
Tipo de razão
Razão de Luminâncias
Tarefa visual / ambiente
0.70 - 0.85
Tarefa visual / campo periférico
0.6 - 0.7
Fonte luminosa / espaço adjacente
0.4 - 0.5
Observados / interior em geral
0.15 - 0.3
Fonte: Santos, 2000
Um
parâmetro
muito
utilizado
na
avaliação
da
iluminação
de
um
compartimento (principalmente para a iluminação natural) é o Factor Luz do
Dia (FLD). Este pode ser definido como a razão entre a iluminância de um
PÁGINA 63
certo ponto do espaço interior, num plano de trabalho horizontal, e a
iluminância proveniente do exterior, para um céu encoberto padrão1. Alguns
valores recomendados para este parâmetro são apresentados na Tabela 3.11.
Tabela 3.11 – FLD recomendado para alguns tipos de espaços
FLD (%)
Espaço
Igreja
Escritório
Sala de aula
Sala de estar
Quarto de dormir
Cozinha
Fonte: A Green Vitruvius, 1999
Médio
5
5
5
1.5
1
Mínimo
1
22
2
0.5
0.3
2
0.6
Por último, um outro factor a controlar para um bom conforto visual é o
encadeamento, ou seja, fontes luminosas com um brilho extremo que atingem
o campo visual. O encadeamento é muito difícil de quantificar, sendo que
pode resultar na distracção dos ocupantes, e até no impedimento da
realização das tarefas visuais. De forma a evitar ou reduzir o encadeamento, é
necessário um adequado posicionamento das fontes de luz artificial,
luminâncias adequadas das superfícies e acautelar a incidência da radiação
solar directa nos olhos dos ocupantes.
3.7.2. ILUMINAÇÃO NATURAL VS ARTIFICIAL
A iluminação pode ser obtida de forma natural (luz solar), artificial (lâmpadas)
ou uma combinação de ambas. Com vista à redução dos consumos
energéticos dos edifícios, a iluminação natural é a melhor opção. A
iluminação natural é a forma mas antiga de iluminação, mas na actualidade
apenas
ganhou
popularidade
desde
a
crise
petrolífera.
Em
termos
energéticos, a iluminação natural promove poupanças uma vez que não tem
custos de operação, além de reduzir as necessidades de arrefecimento,
devido a uma maior eficiência luminosa. Em edifícios comerciais a iluminação
1
Céu Encoberto Padrão é definido pela Commission International de L’Éclairage (CIE) como um céu
completamente coberto de nuvens, três vezes mais brilhante no zénite do que no horizonte e com uma
iluminância mínima de 5000 lux, proporcionada por um hemisfério.
PÁGINA 64
artificial pode chegar aos 33.3% da factura energética total, enquanto que
em edifícios residenciais pode atingir os 25%.
Como tal, a iluminação natural pode ser um factor essencial para a eficiência
energética dos edifícios. É certo que a iluminação natural, devido à sua
aleatoriedade e inexistência durante a noite, não pode satisfazer todas as
necessidades de iluminação, mas nos períodos que está disponível pode
reduzir substancialmente os consumos energéticos subjacentes à iluminação
artificial (West, 2001).
Por outro lado, a ausência de luz natural pode levar à depressão, problemas
nos ossos devido à falta de vitamina D e distúrbios de sono e concentração.
Em termos mais subjectivos, existem também várias razões para a preferência
da iluminação natural. Em primeiro lugar, é fácil perceber que a visão
humana foi desenvolvida para a luz solar. Como tal, o facto da luz natural
variar ao longo do dia é um factor que proporciona conforto. Finalmente, a
obtenção da iluminação natural requer, quase sempre, a inclusão de
envidraçados, o que proporciona a visão para o exterior, proporcionando
também conforto. Em termos profissionais, a desconcentração que pode
advir do exterior, normalmente é diluída no aumento da motivação que
advém da visão para o exterior.
3.7.3. PRINCÍPIOS DA ILUMINAÇÃO NATURAL
O principal elemento para fornecer a iluminação natural é o envidraçado,
pelo que é necessária uma cuidadosa escolha do tamanho e forma destes,
de modo a promoverem uma iluminação natural conveniente, em função da
profundidade do compartimento, orientação do envidraçado, etc. Também
se pode dividir os envidraçados para suprir diferentes necessidades, como por
exemplo, colocar uma janela a maior altura para proporcionar a iluminação
natural a maiores profundidades. Para proporcionar a vista para o exterior,
pode ser colocada uma janela a uma altura mais baixa. Com o avanço
científico foram criados envidraçados que permitem um maior controlo da
PÁGINA 65
intensidade e propriedades ópticas da luz solar, assim como o fluxo de calor
que os atravessa. Neste campo podemos inserir os envidraçados crómicos,
que podem alterar a sua cor, desde transparentes até escuros, como se pode
observar na Figura 3.19, controlando assim a radiação que os atravessa e
prevenindo o sobreaquecimento e o encadeamento. Estes envidraçados
podem dividir-se em 3 tipo: fotocrómicos – alteram a sua cor em função da luz
incidente; termocrómicos - alteram a sua cor em função da temperatura;
electrocrómicos - alteram a sua cor em função de impulsos eléctricos (A
Green Vitruvius, 1999).
Figura 3.19 – Funcionamento de envidraçados electrocrómicos
Adicionalmente, existem sistemas de distribuição da iluminação natural,
utilizados para proporcionar uma melhor distribuição da luz solar, ao longo do
compartimento. Actualmente existem várias soluções para receber e
redireccionar a luz solar, de forma a alcançar maiores profundidades no
compartimento e reduzir o excesso de luminosidade perto dos envidraçados
(Figura 3.20). De entre estas soluções, existem algumas que requerem
mudanças arquitecturais profundas – átrios, clarabóias, poços de luz, etc;
enquanto que outras podem ser aplicadas facilmente – envidraçados
reflectores prismáticos, sistemas de sombreamento, etc.
PÁGINA 66
Iluminação Unilateral
pelo Envidraçado
Poço de Luz
Iluminação por
Clarabóia
Poço de Luz
Figura 3.20 – Algumas soluções para a iluminação natural
3.7.4. PRINCÍPIOS DA ILUMINAÇÃO ARTIFICIAL
A iluminação artificial é obtida pela utilização de lâmpadas – aparelhos que
transformam a energia eléctrica em radiação, em que parte da radiação é
luz. Dependendo da forma como produzem a luz, as lâmpadas podem ser:
•
Incandescentes – produzem a luz através da radiação produzida por
um filamento aquecido pela passagem de corrente eléctrica; O
material do filamento mais corrente é o tungsténio, mas actualmente o
halogéneo é muito utilizado devido à sua maior eficiência. Na
Figura 3.21 está representado o ciclo de conversão deste tipo de
lâmpadas.
PÁGINA 67
Figura 3.21 – Fluxo energético em lâmpadas incandescentes. Fonte: Majoros, 1997
•
Descarga gasosa – é baseada em transições quânticas entre níveis
energéticos discretos. Os comprimentos de onda resultantes desta
transição não costumam cair nos visíveis, pelo que são utilizados
revestimentos especiais para converter os comprimentos de onda. Por
exemplo, os revestimentos de fósforo utilizados em lâmpadas de
descarga gasosa – as chamadas lâmpadas fluorescentes. Na
Figura 3.22 está representado o ciclo de conversão deste tipo de
lâmpadas.
Figura 3.22 - Fluxo energético em lâmpadas de descarga gasosa. Fonte: Majoros, 1997
De forma a promover a eficiência energética, o tipo de lâmpadas a utilizar
deve ser escolhido em função do tipo de requerimentos e espaços. Também
é necessário ter em conta que a energia consumida na iluminação depende
da potência dos equipamentos de iluminação, assim como do tempo
durante o qual estão ligados. Na Tabela 3.12 são apresentadas as eficiências
e utilizações de alguns tipos de lâmpadas (Majoros e Dr. Habil, 1997).
PÁGINA 68
Tabela 3.12 – Propriedades de algumas fontes luminosas artificiais
Eficácia Vida útil
Fonte Luminosa
(lm/W)
(h)
Vela
Lâmpada
Incandescente
Lâmpada de
Descarga Gasosa
Utilização
0.15
+/- 24
Decorativos
tungsténio
10 - 20
1000
Espaços de utilização
eventual
halogénio
15 - 25
2000
Tarefas que requerem
condições luminosas
especiais; efeitos especiais
Fluorescente
50 - 90
10000
50 - 60
10000
100 - 150
15000
200
-
Vapor de
Mercúrio
Sódio a alta
pressão
Sódio a baixa
pressão
Escritórios; espaços
comerciais
Espaços interiores
comerciais; exterior
Espaços interiores
comerciais; exterior
Exterior, especialmente em
estradas
Fonte: Khedari, 2000
3.7.5. SISTEMA DE ILUMINAÇÃO EFICIENTE
Para um sistema de iluminação eficiente, é necessário um cuidadoso projecto,
que avalie as potencialidades da iluminação natural, a escolha adequada do
tipo de envidraçado, tamanho e orientação. Importa ainda aplicar lâmpadas
eficientes e com a potência adequada para o espaço e para as tarefas a
executar. Os critérios a seguir são a maximização da iluminação natural e
utilização de um sistema de iluminação artificial de reserva com potência
adequada.
Para analisarmos a iluminação natural, é necessário definir um índice de forma
(K) do compartimento, como por exemplo:
Equação 3.30
K=
W ⋅D
com;
(W + D) ⋅ h
W – largura do compartimento (m);
D – profundidade do compartimento (m);
h – altura entre a superfície de trabalho e o tecto (m).
PÁGINA 69
Outro factor importante é a avaliação da radiação visível que atinge a
superfície de trabalho, que compreende a soma de três factores:
•
Componente céu – radiação que atinge a superfície de trabalho
emitida directamente pelo céu;
•
Componente exterior reflectida - radiação que atinge a superfície de
trabalho devido a reflexões exteriores ao compartimento;
•
Componente exterior reflectida - radiação que atinge a superfície de
trabalho devido a reflexões interiores ao compartimento.
Ghisi efectuou um estudo onde determina a área ideal de janela em
Florianópolis (Brasil), considerando a iluminação natural e os consumos
energéticos resultantes da variação da dimensão da janela. Os resultados
obtidos por este estudo não podem ser directamente extrapolados para
outras localizações, pois os resultados dependem da integração de vários
factores (sombreador, tipo de envidraçado, etc.) e do tipo de clima. No
entanto, o estudo apresenta uma metodologia para o cálculo da área de
envidraçado ideal, como se pode observar na Figura 3.23, que pode ser
aplicado
em
qualquer
clima,
através
da
modelação
de
um
compartimento e aplicação numa ferramenta de simulação. Para o caso
específico onde foi aplicada esta metodologia, atingiram-se reduções do
consumo energético que chegariam aos 44% (Ghisi e Tinkerb, 2005).
Figura 3.23 – Área de envidraçado ideal em relação à área da fachada. Fonte:
Ghisi e Tinkerb, 2005.
PÁGINA 70
CAPÍTULO 4 – Eficiência Energética dos Edifícios
4.
CAPÍTULO 4 – EFICIÊNCIA ENERGÉTICA DOS EDIFÍCIOS
4.1. PERFORMANCE DOS EDIFÍCIOS
A avaliação da performance dos edifícios é um ponto fulcral para a eficiência
energética, pois apenas com o seu conhecimento, é possível identificar se os
edifícios possuem, ou não, boa eficiência energética. Apresentam-se de
seguida alguns conceitos fundamentais no que respeita à compreensão da
análise da performance dos edifícios.
- Previsão: desenvolvimento de modelos que simulam comportamentos
supostamente reais. Estes modelos podem ir desde uma ideia que existe na
nossa mente, desde cálculos numéricos até um elaborado programa
computacional de simulação de edifícios. Como tal, dependendo do tipo de
performance que se precisa prever e respectiva complexidade, deverá ser
escolhido um método que se adeque;
PÁGINA 71
- Avaliação: a avaliação da performance envolve a comparação entre as
performances de várias alternativas de design, e entre as normas existentes
que regulam a performance que o edifício deverá possuir;
- Avaliação Ambiental: para avaliar a performance ambiental, é necessária a
produção de critérios de decisão, além da comparação ambiental da
performance das várias opções;
- Precisão da previsão: a precisão das previsões de performance dependem
do modelo utilizado e da exactidão dos dados de entrada. Como tal, de
forma a introduzir dados precisos, é necessário conhecer a forma como os
edifícios são geridos e utilizados.
A avaliação da performance dos edifícios é um processo que implica um alto
grau de dificuldade, pois um edifício é um sistema complexo, em que cada
subsistema (paredes exteriores, cobertura, envidraçados, etc) tem um papel
importante na performance energética global. Adicionalmente, existem
efeitos cruzados entres os vários subsistemas que podem ser bastante
relevantes. Nos últimos anos têm sido desenvolvidos vários tipos de sistemas
para classificar as habitações, os quais se podem englobar em três categorias:
•
Sistema de pontos – cada subsistema do edifício é analisado, sendo-lhe
atribuído um certo número de pontos;
•
Sistema de performance – aqui é atribuído um índice de performance
em termos de consumo anual energético (aquecimento, arrefecimento,
águas quentes sanitárias, etc);
•
Sistema de consciencialização – aqui é apresentado um consumo
anual de referência, tendo em consideração a zona climática na qual
se insere.
A utilização dos métodos de previsão e avaliação da performance dos
edifícios traz numerosas vantagens, quer a nível económico, quer a nível
ambiental, que compensam inteiramente os custos acrescidos da realização
de análises e simulações desde a fase inicial do projecto.
PÁGINA 72
Um dos efeitos mais visíveis é a redução da potência instalada dos
equipamentos de AVAC. Este facto, normalmente, é considerado uma
desvantagem pelos projectistas, pois as suas comissões são muitas vezes uma
percentagem do custo dos equipamentos. Assim, só através da mudança
desta forma de pagamento aos projectistas – pagamento adiantado – se
pode incentivar a introdução das ferramentas para redução dos consumos
energéticos de edifícios. Esta mudança, aliada a programas governamentais
que promovam a colaboração entre os vários intervenientes do projecto,
através do pagamento de subsídios se o edifício se revelar energeticamente
eficiente, pode resultar numa alteração das atitudes vigentes actualmente no
mercado,
promovendo
assim
a
construção
em
massa
de
edifícios
energeticamente eficientes (Papamichael, 2000).
4.1.1. SISTEMA DE AVALIAÇÃO DA PERFORMANCE DE EDIFÍCIOS
A maior parte dos sistemas de classificação foi desenvolvido apenas para
habitações novas, talvez pela maior facilidade de avaliação na fase de
projectos, apenas recorrendo aos desenhos e especificações. Mas, de forma a
englobar tanto os edifícios novos como os existentes, é apresentado o sistema
de classificação misto, entre um sistema de performance e um sistema de
consciencialização, proposto por Zmeureanu. Desenvolver um sistema de
classificação deste tipo é bastante complexo, pois é necessário ter em conta
a
performance
térmica
real
da
envolvente
exterior,
assim
como
o
comportamento dos ocupantes. O sistema proposto consiste em realizar os
seguintes passos (Zmeureanu et al, 1999):
1. Análise das facturas energéticas das habitações, procedendo a uma
normalização em termos climáticos, ao cálculo do consumo energético
anual normalizado (NAC) e do custo energético anual normalizado
(NACo). Estes valores são comparados com os obtidos em casas de
referência e assim pode informar-se o cliente da rentabilidade de uma
análise mais detalhada.
PÁGINA 73
2. Atribuição de um índice de performance energética nos termos do
custo energético anual normalizado (NACo) – por exemplo, pode
utilizar-se a expressão 4.1:
Equação 4.1
IND = 100 −
λ
100
com,
1 + exp[− λ ⋅ ( NACo − a )]
- custo energético anual de edifício energeticamente eficiente [€/m2];
a - custo energético anual normalizado médio de um edifício [€/m2].
3. Utilização de uma câmara de infravermelhos de forma a detectar
vazios e pontes térmicas. Cálculo das infiltrações de ar, utilizando o
método dos gases traçadores ou a porta-ventiladora. Finalmente, são
escolhidas
algumas
localizações
representativas
para
medir
a
resistência térmica da envolvente exterior. Aqui podem ser utilizados três
métodos, todos com as sua vantagens e desvantagens:
•
calcular o fluxo de calor pela envolvente com sensores de fluxo
de calor e as temperaturas superficiais com termopares;
•
calcular o fluxo de calor e as temperaturas superficiais com um
pirómetro infravermelho;
•
definir por inspecção visual o tipo e a espessura dos panos
constituintes da envolvente exterior, obtendo a resistência
térmica por consulta de tabelas.
4. Obtenção de dados necessários para o programa de simulação
térmica – medidas e tipos de parede e janelas exteriores, tipo e
capacidade do sistema de aquecimento / arrefecimento, etc.
5. Desenvolvimento e calibração (utilizando as facturas energéticas) de
um modelo computacional de simulação térmica. Avalia-se, assim, o
potencial
de
poupanças
energéticas
e
estima-se
a
utilização
energética intrínseca, ou seja, estimam-se os consumos energéticos,
retirando a parte da iluminação e de águas quentes sanitárias.
PÁGINA 74
6. Selecção das medidas de conservação energética mais rentáveis e
estimação do
potencial
de poupança energética, através da
simulação computacional. Estimação dos custos iniciais da reabilitação
energética.
7. Redacção de um relatório sumário onde se discutem todos os
resultados obtidos através desta análise energética.
A partir deste sistema de classificação, é possível quantificar o potencial de
poupança energética em edifícios novos1, através da razão entre a resistência
térmica da envolvente exterior e o valor mínimo da resistência térmica para
uma casa energeticamente eficiente. Se a avaliação for para edifícios
existentes, então a melhor forma de determinar o potencial de poupança
energética será através da análise da energia intrínseca. Os encargos e
tempo necessário para efectuar um diagnóstico completo a partir deste tipo
de sistema de classificação são apresentados na Tabela 4.1 (Zmeureanu et al,
1999).
Tabela 4.1 – Tempo e custo de um diagnóstico de eficiência energética de um edifício
Tempo médio
Tarefas
Custo (€)
(min)
1 - "in situ"
Utilização da câmara infravermelhos
30
42.1
Inspecção visual
30
42.1
Avaliação da resistência térmica - 3º método
60
83.4
Medição da taxa de renovação de ar horária
20
27.5
Avaliação da eficiência do sistema de aquecimento
20
27.5
/ arrefecimento
Determinação custo energético anual normalizado
30
42.1
Obtenção dos parâmetros necessários para a
40
55.9
simulação computacional
Transporte e instalação de equipamento
20
27.5
Total
250
348
2 - no escritório
Desenvolvimento do modelo computacional de
80
111.8
simulação térmica
Estimação do potencial de poupança energética
Relatório final
Total 1+2
330.0
460.2
Fonte: Zmeureanu et al, 1999
1
Para estes casos não se executam os passos 1 e 3.
PÁGINA 75
4.2. FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO
A simulação de edifícios pode ser definida como a introdução das
características do edifício que, com um certo grau de abstracção,
representem a realidade. Como um edifício é composto por milhares de
variáveis, é necessário apenas representar as mais importantes e simplificar ou
não introduzir as de menor importância (Adelard et al, 1999).
Assim, para simular a realidade utilizando ferramentas de simulação é
necessário executar três tarefas (Augenbroe, 2002):
•
Criação do modelo – nesta fase é executado uma representação
esquemática do edifício (modelo) numa dada fase, a partir da redução
deste a uma forma idealizada, com um dado nível de abstracção;
•
Simulação – nesta fase é introduzido o modelo na ferramenta de
simulação e ajustada a ferramenta de modo que os resultados obtidos
reflictam o que se pretende avaliar;
•
Análise de resultados – nesta fase são analisados todos os resultados
obtidos pela ferramenta de simulação, de forma a produzir os
indicadores de performance que se pretende quantificar.
As ferramentas de simulação estão firmemente integradas no sector da
construção há mais de duas décadas. Estas trouxeram um aumento de
rapidez na fase de projecto, uma maior eficiência, a possibilidade de testar
uma vasta gama de soluções de design, resultando no aperfeiçoamento das
soluções de projecto. Assim, as ferramentas de simulação da performance
energética dos edifícios podem aumentar a competitividade, produtividade,
qualidade e a eficiência na indústria da construção, assim como facilitar a
aplicação de tecnologias inovadoras.
Devido ao grande desenvolvimento na capacidade de processamento dos
computadores, é possível simular as várias soluções de projecto com rapidez,
mesmo com ferramentas de simulação mais complexas e eficientes. Muito
devido à vertiginosa evolução da potência de computação, é agora possível
PÁGINA 76
simular o comportamento dos edifícios e seus componentes a partir de
algoritmos e de dados físicos, de uma forma e complexidade impossíveis há
alguns anos atrás. Desta forma, é possível simular a performance energética
dos edifícios de um modo cada vez mais rigoroso. Tal facto é muito importante
para o mercado da construção, principalmente com a entrada em vigor de
normas baseadas na performance dos edifícios. Estas ditam que é necessário,
mesmo em fase de projecto, que o edifício esteja dentro das normas em vigor,
o que poderá ser facilitado com a utilização de software de simulação da
performance energética dos edifícios. Por exemplo, a transmissão de calor
através da envolvente do edifício pode ser simulada com relativa facilidade,
facilitando a verificação da existência de pontes térmicas na envolvente,
como se pode observar na Figura 4.1 (Hensen e Nakahara, 2001).
Figura 4.1 – Simulação do fluxo de calor numa caixilharia de PVC. Fonte: Deleme SA
Mas as ferramentas de simulação possuem outras aplicações com grande
utilidade, como o apoio ao desenvolvimento de regulamentos térmicos. Com
estas ferramentas é possível verificar as soluções energeticamente mais
eficientes para um dado clima, desenvolvendo um consumo de referência
para cada região. No desenvolvimento de regulamentos térmicos, as
ferramentas de simulação podem ser utilizadas para a obtenção da equação
de cálculo do valor máximo do coeficiente de transmissão térmico das
paredes e tectos. Tal pode ser conseguido através da simplificação dos
PÁGINA 77
resultados de simulação anual dinâmica, numa equação estática, como a
observada
no desenvolvimento dos regulamentos térmicos do Egipto (ver
Huang et al, 2002).
Ao aplicar as ferramentas de simulação em projectos, é necessária uma
avaliação cuidada do tipo de integração a executar. É possível identificar
quatro tipos de integração (Augenbroe, 2002):
1. criação de duas equipas separadas, uma de projecto e outra de
simulação, onde a partilha de informações é orientada apenas para a
partilha de dados e não existe uma gestão desta troca de informações;
2. semelhante à referida anteriormente, mas com a particularidade da
criação de um módulo de gestão de dados, baseado num fluxo lógico
de troca de informação específico do projecto;
3. execução de reuniões entre as equipas de projecto e a de simulação,
com uma vasta gama de discussão das soluções apresentadas pelas
duas equipas, durante todas as fases de projecto;
4. criação de uma ferramenta de gestão que analisa toda a informação,
de projecto e das simulações, podendo na prática ser considerada
uma ferramenta de simulação “amiga do utilizador”, com a diferença
de a parte de simulação ser executada por especialistas e os seus
resultados
serem
compilados
numa
ferramenta
de
gestão
de
informação.
Analisados os quatro tipos de integração, é possível concluir que apenas com
as integrações tipo 3 e 4 existe uma partilha de informações dinâmica,
aumentando a aplicabilidade dos resultados obtidos pelas ferramentas de
simulação no projecto, o que tendencialmente levará a uma maior eficiência
do projecto.
4.2.1. PRECISÃO DAS FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO
A precisão das ferramentas de simulação pode variar muito. Esta depende
primariamente da exactidão do modelo, da precisão da simulação e da
correcta análise do resultados. A precisão da simulação depende das
PÁGINA 78
ferramentas em si, pois existem algumas que são criadas especificamente
para terem elevada performance, enquanto que outras são criadas para a
redução do tempo de execução da simulação. O modelo depende, em
grande parte, da exactidão dos dados de entrada. O factor humano é
também muito importante para o resultado da simulação, pois é necessário
compreender os modelos e conhecer a fundo o que se vai simular, de modo a
preparar os dados de entrada do modelo. Cada programa tem as suas
especificidades, pelo que para se produzirem resultados com grande precisão
é necessário conhecer o programa a fundo, de forma a ultrapassar as
pequenas incongruências de cada programa.
Em todas as formas de avaliação da performance dos edifícios, desde as
ferramentas de simulação, até aos conselhos de especialistas baseados no seu
julgamento pessoal,
subjacentes
às
não é
avaliações.
costume a determinação das incertezas
Assim,
os
resultados
das
avaliações
são
apresentados na forma de valores determinísticos. Mas para determinar a
precisão das ferramentas de simulação é necessária a quantificação das
incertezas. Estudos efectuados por Wit mostram que as incertezas podem
atingir valores altos, sendo imperativo apresentar as incertezas associadas às
avaliações da performance dos edifícios. Neste estudo foram encontradas as
fontes de incerteza com maior relevância:
•
taxas de infiltração;
•
estratificação da temperatura interior;
•
temperatura exterior;
•
transferência de calor interior por convecção;
•
distribuição da radiação solar incidente;
•
distribuição dos ganhos internos;
•
trocas de calor radiantes entre as superfícies das paredes interiores;
•
transferência de calor exterior por convecção.
De todos os factores mencionados, os que representam a maior percentagem
de incerteza são a taxa de infiltração, devido à variabilidade do vento, e a
PÁGINA 79
estratificação da temperatura interior. Tal deve-se ao facto da maioria dos
modelos simular o volume de ar interior apenas a partir de um nó, apresentado
a temperatura média, o que pode levar a erros com algum peso se
considerarmos a estratificação da temperatura interior (Wit e Augenbroe,
2002).
4.2.2. EXECUÇÃO DE MODELOS
O ponto de partida para a maior parte das ferramentas de simulação
energéticas é a realização de um modelo. A segurança nos resultados obtidos
pela simulação está intrinsecamente relacionada com a exactidão do
modelo. Assim, é necessário introduzir o máximo de esforço possível na
produção de um modelo satisfatório. Pedrini apresenta uma metodologia para
a calibração de modelos de edifícios existentes, onde relaciona um aumento
de complexidade do modelo com o nível de resultados obtidos. Esta
metodologia baseia-se na análise dos dados de entrada “inputs” – modelos
que representam o edifício a partir de um certo nível de abstracção –, e dos
dados de saída “outputs” – relatórios que contêm os resultados obtidos pelas
simulações. Esta metodologia começa pela compilação dos dados existentes:
•
Plantas arquitectónicas – identificação das geometrias, áreas de
envidraçados, elementos de construção, etc;
•
Sistema de iluminação eléctrico - potência das lâmpadas, distribuição,
etc;
•
Sistema secundário de ar condicionado – planos das tubagens de
distribuição de ar, característica dos sistemas como as temperaturas de
conforto, capacidade total e sensível de arrefecimento, etc;
•
Sistema primário de ar condicionado – planos das tubagens de
distribuição de água fria, característica do chiller como o modelo, ano,
COP, etc;
•
Horários de utilização da iluminação e ar condicionado e número de
ocupantes;
•
Inventário de equipamento com consumos energéticos significativos;
PÁGINA 80
•
Histórico dos consumos energéticos mensais;
•
Consumos energéticos horários, para um período representativo;
•
Propriedades dos componentes dos edifícios.
Para o clima português, nesta primeira fase, é também necessário definir os
sistemas de aquecimento utilizados e sua potência, pois no nosso clima os
consumos energéticos para aquecimento são preponderantes para o
consumo energético total.
Com todas estas informações, é possível realizar um primeiro modelo, simular e
comparar com os consumos mensais medidos. Com este procedimento
identifica-se as principais fontes de cargas térmicas e consumos energéticos,
estando a situação preparada para o segundo passo de calibração, uma
auditoria:
•
Classificação das zonas por tipo de utilização, iluminação artificial e
controlo climático;
•
Medição de vários parâmetros através de instrumentos portáteis – níveis
de iluminação, fluxo de ar, temperatura, etc;
•
Introdução de sensores fixos nas várias zonas, acoplados de DataLoggers .
O terceiro passo consiste na divisão do consumo energético total em partes,
ou seja, no cálculo da percentagem de energia gasta pela iluminação,
equipamentos e arrefecimento e aquecimento. Para o último passo, é
necessário medir os consumos reais e potências associadas aos sistemas de
aquecimento e arrefecimento. Seguindo todos estes passos é possível obter
um modelo bastante rigoroso, garantindo-se uma simulação com resultados
muito precisos (Pedrini e Lamberts, 2001).
PÁGINA 81
4.2.3. DADOS CLIMÁTICOS
Os dados climáticos são um dos parâmetros mais importantes na simulação
térmica dos edifícios, principalmente na previsão das necessidades de
aquecimento/arrefecimento e respectivo dimensionamento dos sistemas de
climatização. Assim, se para uma dada localização não existirem dados
climáticos, estes terão de ser gerados a partir de um software existente. Os
dados climáticos podem ser obtidos em diferentes formas, com diferentes
complexidades. A escolha do tipo de dados climáticos a utilizar depende do
que se pretende estimar, como tal os vários tipos de dados climáticos podem
ser sistematizados da forma apresentada na Tabela 4.2:
Tabela 4.2 – Classificação das formas existentes para determinar bases de dados
meteorológicas.
Designação
Utilização
Vantagens e desvantagens
(-) Volume de informação
Dados Graus-Dia
avaliação dos consumos para insuficiente;
"Bin"
aquecimento
(+) Facilidade de utilização
(tabela).
(+) Excelente precisão;
(-) Altos tempos de
Anos Múltiplos
Consumos energéticos e
computação;
(MY)
avaliação térmica
(-) Grande volume de
informação.
(+)Boa precisão das
Anos
necessidades;
meteorológicos
média energéticas;
Consumos energéticos e
típicos (TMY) e
(-) Possibilidade de escolher um
avaliação térmica
Anos de teste de
ano não adaptado às
referência (TRY)
necessidades dos edifícios.
Dias
representativos e
pequenas
sequências de
anos de referencia
Dimensionamento de sistemas
AVAC e Solares
Fornecer dados inexistentes,
dimensionamento de
equipamento e avaliação das
necessidades energéticas
Fonte: Adelard et al, 2000.
Geradores de
ficheiros climáticos
(+) Ganho temporal;
(-) Possibilidade de
sub/sobrestimar a potência do
equipamento.
(-) Dificuldade na modelação
das variáveis climáticas.
Dados Graus-Dia "Bin" – este método simplificado para obtenção das
temperaturas, foi criado para estimar as cargas térmicas de aquecimento /
arrefecimento.
PÁGINA 82
Anos meteorológicos típicos (TMY) e Anos de teste de referência (TRY) – este
conceito foi apresentado de forma a aumentar a precisão da estimação das
necessidades energéticas, contendo dados climáticos horários representativos
de um ano típico.
Dias representativos – este conceito foi criado para reduzir o tempo
computacional, para utilização em simulações e ferramentas de design
simplificados. Estes dias representam as condições climatéricas típicas e
correspondem à média e extremos das condições de cada dado climático.
Anos múltiplos (MY) – este conceito apresenta vários anos de dados climáticos
(podendo ir de 5 a 100 ou mais anos); não vingou inicialmente devido à
complexidade de cálculo necessária, mas devido ao progresso dos
computadores, este tipo de dados climáticos começa a ser utilizado, ainda
que necessitando de maior esforço, pois existem muitos mais dados a ser
tratados (Hui e Cheung, 1997).
Geradores de ficheiros climáticos – estas rotinas utilizam a análise estatística
para modelar os dados climáticos. Geralmente utilizam médias mensais de
dados diários para gerar as variáveis climáticas, a partir de distribuições
estatísticas e correlações. Quando possível, têm em conta as interacções
entre as diversas variáveis.
Devido à grande intensidade de radiação solar em Portugal, o potencial de
aplicação do design solar passivo é muito grande. Foi finalmente ultrapassada
a desconfiança que esta tecnologia despertava, devido à tentativa frustrada
de implementação nos anos 80, quando a tecnologia ainda não estava
suficientemente avançada e os materiais utilizados eram de fraca qualidade.
Actualmente esta tecnologia sofreu avanços, tendo a manutenção incluída
durante 5 anos, garantia e incentivos do Governo. Assim, a determinação dos
dados climáticos de várias localizações de Portugal seria muito útil para uma
melhor e mais precisa avaliação da performance da aplicação dos sistemas
solares passivos nos edifícios. Os programas de simulação da performance
PÁGINA 83
energética dos edifícios utilizam, geralmente, uma base de dados climáticos
com a duração de 1 ano. Como tal, de forma a conseguir avaliar a longo
termo a performance dos sistemas do edifício, é necessário utilizar ficheiros
climáticos TMY ou TRY. A geração deste tipo de dados climáticas tem de ser
cuidadosa, pois a única forma de obter uma boa precisão da performance
energética a longo termo é se as sequências climáticas que ocorrem neste
ano médio, forem representativas das que ocorrem a longo termo. Kalogirou
descreve uma forma de gerar ficheiros climáticos TMY representativos a longo
termo (Kalogirou, 2003):
•
Obtenção do ficheiro climático TMY através da análise estatística de
vários anos de dados meteorológicos, onde são eliminados os dados
estatisticamente errados (chamados outsiders).
•
Cálculo da Função Distribuição Acumulada mensal (FDA) e a longo
prazo (FDALT), para cada parâmetro meteorológico e utilização do
método estatístico de Filkenstein-Schafer, através da equação 4.2, para
obter as médias:
Equação 4.2
FS =
•
1
N
N
∑ FDA
i =1
LT
− FDA
Aplicação factores de peso a cada parâmetro, de forma a escolher
qual a importância relativa de cada parâmetro no resultado final.
•
Cálculo da raiz quadrada do desvio padrão para cada mês, em todos
os anos.
•
Por último, escolha do mês representativo para cada parâmetro.
Para programas de simulação mais avançados são normalmente utilizados os
ficheiros climáticos tipos TMY-2, os quais são baseados nos TMY, mas
apresentam os dados de forma horária, em vez de mensal.
Em Portugal, face ao novo Regulamento Térmico prestes a entrar em vigor,
com maiores restrições ao nível dos consumos energéticos dos edifícios, será
PÁGINA 84
conveniente a utilização de programas de simulação do comportamento
energético dos edifícios. Como tal, de forma a garantir bons resultados nas
simulações, é extremamente importante utilizar dados climáticos precisos,
podendo ser necessária a geração de ficheiros climáticos TMY de forma
analítica ou com a utilização de geradores de ficheiros climáticos, como por
exemplo o RUNEOLE (Figura 4.2), de forma a reduzir o tempo de computação
e aumentar a precisão dos dados climáticos (Adelard et al, 2000).
Figura 4.2 – Software RUNEOLE para geração de ficheiros climáticos. Fonte: Adelard et
al, 1999
4.2.4. DESAFIOS E LIMITAÇÕES DAS FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO
Os desafios que se apresentam a estas ferramentas de simulação actualmente
são: 1) a sua integração como um todo; 2) aumento no controlo de
qualidade; 3) a exploração das oportunidades que surgem com a explosão
da Internet.
1) para a caracterização item é necessário que as várias ferramentas com
provas dadas no mercado se interliguem de forma mais eficiente,
reduzindo assim de forma substancial o tempo de simulação e a vasta
gama de conhecimentos necessários para dominar todos programas
das diferentes áreas (térmica, ventilação, iluminação, etc.) ou que
apareçam ferramentas novas com todas estas áreas integradas;
PÁGINA 85
2) o controlo de qualidade das ferramentas de simulação é essencial para
prevenir a utilização de ferramentas que contenham algum tipo de
problema no seu “motor” de cálculo. Basta um pequeno erro nos
milhares de linhas de comando do programa para que o resultado da
sua simulação esteja distorcido, resultando em erros de avaliação e
consequentemente na escolha de soluções que não são as mais
apropriadas;
3) o aproveitamento das oportunidades que
surgiram com a Internet
pode ser de vários tipos: desde a ligação eficiente de equipas de
projecto com empresas especializadas em simulação, até à partilha de
conhecimentos e particularidades das várias ferramentas de simulações
em bases de dados “on-line” e de rápida consulta.
Desafio 1) verifica-se que têm sido desenvolvidos três tipos de soluções para
vencer este desafio –> 1º – criação de procedimentos para troca de
informação entre as várias ferramentas; 2º – criação de ferramentas,
chamadas intermédias, que interligam as várias ferramentas existentes, de
forma a compatibiliza-las; 3ª – criação de ferramentas integradas que simulem
os diferentes domínios necessários
Assim, podemos identificar as ferramentas de simulação de edifícios inseridas
em quatro categorias:
1. Stand-alone – estas ferramentas não possuem ligações com outras;
como tal, sempre que se parte para outra aplicação, é necessário criar
um novo modelo de projecto;
2. Inter-operáveis – estas ferramentas possuem procedimentos de troca ou
partilha de informações com outras ferramentas, que são invocados
manualmente. Por exemplo, utilizando esta ferramenta é possível definir
a geometria do edifício em plataforma CAD e introduzir numa
ferramenta de simulação energética a geometria;
3. Emparelhados
–
estas
ferramentas
possuem
ligações
a
outras
aplicações, em que durante a simulação a ferramenta “chama” outras
aplicações, sempre que necessário. Tal se deve a ferramentas
PÁGINA 86
intermédias2 de pré e pós-processamento, que interligam as várias
ferramentas;
4. Integrados – ferramentas que
possuem a capacidade de simular
diferentes domínios, utilizando um único modelo de projecto.
A grande diferença entre estas ferramentas é que as inseridas nas categorias 3
e 4 são ferramentas que suportam uma partilha de informações dinâmica,
resultando na harmonização dos resultados das várias ferramentas e
facilitando a sua comparação. Como tal, é possível uma escolha de soluções
bastante mais sustentada, pois possibilitam a tomada de decisões multidisciplinar. Assim, estas ferramentas aumentam a precisão do resultado final.
Adicionalmente estas ferramentas com troca de informações dinâmicas
apenas necessitam de um modelo, o que torna a gestão do mesmo muito
mais simples, facilitando o teste a várias opções (Citherlet e Hand, 2002; Laine
et al, 2001; Liebich, 2003).
Desafio 2) este apenas pode ser ultrapassado com a certificação e teste das
várias ferramentas de simulação, ou seja, é necessária uma revisão da
literatura em que se baseia a ferramenta, verificação dos códigos utilizados,
verificação analítica, comparação entre modelos, análise da sensibilidade e
verificação empírica. Esta última acaba por ser a mais importante e envolve a
comparação dos resultados obtidos com uma simulação executada pela
ferramenta com os dados medidos num protótipo com as mesmas
características da simulação. Devido à dificuldade subjacente a estes testes
empíricos, foi desenvolvido um software que possui uma grande aceitação no
mercado e com provas dadas – BESTEST. Este software baseia-se na realização
de testes comparativos entre programas, confrontando o programa a avaliar
com outros, considerados de topo na simulação da performance dos edifícios
(Judkoff e Neymark, 1995).
Desafio 3) para o aproveitamento das potencialidades da Internet, é
necessário atentar que grande parte destas ferramentas requerem informação
2
As ferramentas intermédias resultam de um Aliança Internacional de Interoperabilidade (IAI – International
Alliance for Interoperability), onde já se encontram associadas mais de 600 companhias, de várias áreas.
PÁGINA 87
detalhada sobre as propriedades dos materiais de construção, entre outras.
Tal pode ser problemático, moroso e algumas vezes não se possui confiança
absoluta na proveniência desses dados. Em Portugal já existem bases de
dados de confiança, como as que se encontram no livro “Coeficientes de
Transmissão Térmica da Envolvente Exterior” do LNEC. São, porém, tabelas
muito estáticas e não acompanham a evolução do mercado nem a
introdução de produtos inovadores. Seria necessário que estas tabelas fossem
disponibilizadas “Online” e constantemente actualizadas. Também seria de
grande utilidade que estas bases de dados tivessem a opção de exportar os
dados para programas de tratamento de dados, como o Excel, de forma a
facilitar a introdução da informação detalhada que as ferramentas de
simulação necessitam (Papamichael, 2000). Outro exemplo da utilização da
Internet em conjunto com as ferramentas de simulação é o observado no
projecto “SmartHomes”, onde a Internet é utilizada para, em tempo real,
controlar a habitação, através de vários sensores e actuadores lá instalados.
Este projecto é discutido com maior pormenor no ponto 4.2.5.
Em termos de limitações das ferramentas de simulação, é possível referir que,
frequentemente, as questões inovadoras que estas ferramentas têm que
enfrentar, superam a capacidade de resposta do programa. Considerando
que estão constantemente a ser desenvolvidos novos componentes a aplicar
em edifícios, de forma a torná-los mais eficientes, as ferramentas devem
possuir facilidade de integração de novos módulos e funcionalidades. Se
algumas
destas soluções inovadora podem ser simulados facilmente,
mantendo a estrutura da ferramenta de simulação, como por exemplo o
aparecimento de envidraçados inovadores, que implicou modificar as
características de condutibilidade e do factor solar para os caracterizar;
existem outras soluções que apenas com a introdução de novos comandos
possibilitam a simulação. Por exemplo, ao integrar uma Parede de Trombe
num edifício, apenas era possível simular correctamente com a introdução de
novos comandos e funcionalidades. Como tal, é necessário que estas
ferramentas, além de serem em código aberto, tenham linguagem simples de
manusear (Basic, Visual Basic, etc), de forma a facilitar a introdução de novos
procedimentos, com capacidade de resposta às questões inovadoras
PÁGINA 88
propostas. Este problema coloca-se mais em termos de investigação ou
projectos especiais, pois perante a construção tradicional, em princípio, estas
ferramentas já possuem capacidade de resposta para qualquer questão que
surja (Zweifel, Achermann e Duerig, 2001).
A problemática da utilização de ferramentas de simulação é algo que tem
vindo a usufruir de variadíssimos estudos. Nesta matéria é possível encontrar um
estudo realizado por Donn, onde este realizou uma série de entrevistas de
forma a compilar as dificuldades mais pertinentes na utilização de programas
de simulação (Donn, 2001):
•
limite temporal na preparação do modelo;
•
ausência de orientação clara sobre os parâmetros que têm um peso
muito grande na performance energético dos edifícios, e os que são
insignificantes;
•
inexistência de “guidelines”
da performance dos edifícios que
forneçam uma base para a compreensão das recomendações das
simulações;
•
inexistência de ferramentas para resumir e detectar padrões resultantes
do excesso de informação produzido pelos programas de simulação
durante a fase de teste das várias soluções.
No artigo de Donn, estão discutidos com maior profundidade todos estes
pontos apresentados anteriormente. Mas a principal conclusão retirada destas
entrevistas é a necessidade de melhores especificações incluídas nas várias
ferramentas que ajudam a garantir os bons resultados obtidos pela sua
utilização, como procedimentos que identifiquem qualquer tipo de má
definição dos dados de entrada, além da certificação das ferramentas, para
garantir a confiança dos utilizadores, resultando na utilização quase global
destas
ferramentas,
aumentando-se
assim
as
garantias
de
eficiência
energética dos edifícios (Donn, 2001).
Concluindo, as ferramentas mais sofisticadas existentes actualmente no
mercado já ultrapassaram um grande número de limitações, tais como a
PÁGINA 89
introdução de ferramentas integradas, sistemas de certificação da qualidade
e aproveitamento das potencialidades da Internet. Mas outra inovação ainda
não referida é a introdução do ambiente Windows e programação em Visual
Basic. Tal resultou em interfaces mais “amigas do utilizador”, que dispensam a
preparação manual do ficheiro de entrada, reduzindo substancialmente o
tempo necessário para a preparação da simulação. No entanto este tipo de
interfaces tem o problema de limitar as opções possíveis, ou seja, funcionam
muito bem para a generalidade dos casos, mas para situações complexas,
não contabilizadas no programa, apenas compreendendo a programação
que está por trás da interface gráfica, é possível alterar e simular o que
realmente se pretende.
4.2.5. NOVAS APLICAÇÕES DAS FERRAMENTAS DE SIMULAÇÃO
Integração da Térmica e Ventilação – Inicialmente os modelos de simulação
térmica eram baseados na análise dos dados de infiltração e climáticos,
produzindo assim modelos inadequados. Mas devido à importância da
ventilação na performance energética das habitações, é necessário aplicar
modelos mais eficientes, inclusivamente o escoamento através de grandes
envidraçados, pois neste caso o escoamento é bi-direccional, sendo
necessários cálculos distintos. Assim, para combinar os modelos térmicos com
os de ventilação existem duas hipóteses:
•
primeiro é utilizado o modelo térmico para calcular as temperaturas das
diversas zonas, usando taxas de ventilação predefinidas, seguidamente
calcula-se os fluxos das zonas através de um modelo de ventilação;
•
primeiro é utilizado o modelo de ventilação para calcular os fluxos,
utilizando temperaturas predefinidas; seguidamente utiliza-se o modelo
térmico para recalcular as temperaturas das zonas, possuindo já os
fluxos como dados de entrada.
PÁGINA 90
Koinakis estudou a implementação de um procedimento de combinação de
um modelo térmico e de um modelo de ventilação, através de passos hora a
hora, como se pode observar na Figura 4.3. Depois da implementação deste
procedimento, foi simulado um apartamento de 4 andares situado em Atenas
e montado um sistema de medição para a validação do modelo. Este estudo
concluiu que este modelo combinando a térmica e a ventilação possui
resultados bastante precisos e de confiança para vários tipos de fenómenos
dinâmicos de ventilação, desde fenómenos de infiltração a ventilação
cruzada (Koinakis, 2005).
Figura 4.3 – implementação do modelo de térmica e ventilação. Fonte: Koinakis, 2005.
Aplicação de sistemas de monitorização – A integração de sistemas de
monitorização nos edifícios não está ainda muito desenvolvido, mas devido à
sua rápida evolução e ligação aos computadores, é algo que no futuro
próximo deverá ser integrado nos edifícios de forma a aumentar a eficiência
energética destes. Se considerarmos o exemplo da indústria automóvel, a
integração de sensores para a monitorização destes, foi um passo de grande
importância para melhorar a performance dos automóveis. Actualmente
todos os sensores estão ligados a um sistema central (centralina) que recebe
todas as informações dos sensores e as processa de forma a aumentar a
PÁGINA 91
eficiência dos automóveis, avisando se existe algum problema no sistema.
Como tal, o aumento da eficiência energética dos edifícios pode passar por
um bom planeamento e implementação de sistemas de controlo complexos e
independentes (John, Clements-Croome e Jeronimidis, 2005).
Um projecto com grande potencial de êxito, nesta área, é o chamado
“SmartHomes”, que consiste na utilização da Internet para controlar a
temperatura, humidade, CO2 e consumo energético da habitação, através de
vários sensores montados na habitação, ligados directamente à Internet,
sendo possível verificar em tempo real a performance da casa. Como já foi
referido, os hábitos dos utentes tem um peso bastante elevado na eficiência
energética das habitações. Porém, com o desenvolvimento deste tipo de
serviço a performance energética da habitação poderá passar a ser
controlada por especialistas, levando ao aumento da eficiência energética.
Neste projecto têm sido utilizadas ferramentas de simulação de forma a
(Clarke et al, 2004):
•
avaliar o consumo energético, identificando medidas com prioridade
para reduzir os consumos energéticos;
•
avaliar o consumo energético, temperatura e humidade, de forma a
assegurar uma cobrança equitativa dos serviços energéticos;
•
aumentar a eficiência do controlo do sistema de aquecimento /
arrefecimento;
•
desenvolver estratégias de distribuição da energia, reduzindo o
fornecimento de energia em excesso – aproximação da procura à
oferta.
Ferramentas de simulação simplificadas – no sector dos edifícios, estas
ferramentas podem ser fundamentais para, em fases iniciais do projecto,
ajudarem os arquitectos e engenheiros a aumentarem a eficiência energética
dos edifícios. Um problema muito comum é a inexistência de ficheiros
climáticos para vários locais. Como tal, Westphal propõem uma forma de
obter ficheiros climáticos simplificados, utilizando valores médios mensais de
temperatura, média e máxima, velocidade do vento e a insolação diária. Esta
PÁGINA 92
metodologia apenas consegue prever com alguma precisão o consumo
energético anual. Para uma grande precisão, alguns autores acreditam ser
imprescindível a simulação de ficheiros climáticos de anos múltiplos (MY). Mas
com esta metodologia simplificada, é possível obter resultados muito úteis em
fases iniciais, para testar as várias soluções possíveis. Apenas apresenta erros
maiores ao simular soluções que se baseiem na inércia térmica do edifício. Esta
metodologia gera dois dias típicos de cada mês: um que representa o dia
com maior carga de arrefecimento e outro que representa o dia com maior
carga de aquecimento, de cada mês.
Westphal testou esta metodologia com o software BESTEST, revelando-se
bastante precisa para edifícios de baixa massa térmica, quer na previsão das
cargas de aquecimento / arrefecimento, quer nas cargas de pico para
aquecimento / arrefecimento. Em edifícios de grande massa térmica, os
resultados não foram satisfatórios na previsão das cargas de aquecimento /
arrefecimento, enquanto que nas cargas de pico de aquecimento foram
bastante precisos. Assim, esta metodologia funciona muito bem para as fases
iniciais do projecto dos edifícios, tendo em atenção a melhoria da
performance com a adição de massa térmica, assim como para o
dimensionamento dos sistemas de aquecimento (Westphal e Lamberts, 2004).
Ferramentas de Avaliação do Ciclo de Vida - Na última década têm sido
desenvolvidos sistemas de avaliação de ciclo de vida dos edifícios, de forma a
avaliar do ponto de vista ecológico a sua performance. Estas ferramentas
criam perfis ambientais para todos os elementos de construção, considerando
todo o ciclo de vida destes materiais, desde o processamento ao
desmantelamento. Também são avaliadas as performances ambientais dos
vários sistemas existentes nos edifícios, considerando o tipo de combustível que
utilizam. Normalmente os cálculos são efectuados a partir da contabilização
de emissões com impacto no ambiente, sendo a unidade mais utilizada o
CO2-equivalente. Este tipo de análise tem a grande vantagem de integrar os
aspectos ecológicos logo na fase conceptual do projecto Esta informação
PÁGINA 93
ambiental estará disponível e será utilizada durante todo o restante projecto,
promovendo assim o desenvolvimento sustentável.
4.3. REGULAMENTAÇÃO TÉRMICA
A implementação de regulamentação térmica é uma medida com grande
potencial de diminuição do consumo energético dos edifícios, a partir da
imposição de limitações, de várias formas, que condicionam a performance
energética dos edifícios. Mas os regulamentos do comportamento térmico dos
edifícios podem ser muito diversos, com diferentes aproximações. Segundo o
Conselho Energético Mundial estes regulamentos podem ser classificados da
seguinte forma, organizados com nível crescente de eficácia (Energy
efficiency policies and indicators, 2001):
1)
Apenas impõem valores máximos para cada um dos elemento individuais
da envolvente do edifício;
2)
Impõem valores máximos para as necessidades de aquecimento
/arrefecimento, tendo em conta a ventilação, ganhos solares passivos e
ganhos internos;
3)
Contabilizam a performance energética do edifício, onde estipulam o
máximo consumo anual de energia primária / final, para o edifício, por
unidade de área / volume, tendo em conta as necessidades de
aquecimento/arrefecimento e respectivo rendimento dos equipamentos
associados,
produção
de
águas
quentes
sanitárias,
ventilação,
elevadores, etc, contabilizando outros ganhos por energia solar –
colectores solares, fotovoltaícos.
4)
No último tipo de regulamento, além de contabilizar a performance
energética do edifício, entram em linha de conta com a energia
incorporada dos materiais de construção.
Como tal, o potencial de redução de consumos depende do tipo de
regulamento a implementar, assim como da exigência destes. Com a entrada
em vigor dos regulamentos de térmica dos edifícios nos países da União
Europeia, desde a década de 60, os consumos energéticos dos edifícios têm
PÁGINA 94
diminuído significativamente. Por exemplo, na Dinamarca estes consumos
tiveram uma diminuição de 25% entre 1972 e 1999. Em Portugal os dois
regulamentos de performance térmica dos edifícios em vigor são o
Regulamento das Características do Comportamento Térmico dos Edifícios
(RCCTE), apenas entrando em vigor em 1991, e o Regulamento dos Sistemas
Energéticos de Climatização dos Edifícios (RSECE), apenas entrando em vigor
em 1998, podendo ser considerados do tipo 2.
A União Europeia está a realizar um esforço comum na redução dos consumos
energéticos dos edifícios. Como tal, foi aprovada uma proposta com o intuito
de rever todos os regulamento energéticos dos edifícios de todos os estadosmembros, de forma a harmonizar as metodologias de cálculo, criar requisitos
mínimos para a performance energética dos edifícios, implementar a
certificação energética dos edifícios, entre outras propostas. Este tipo de
acções é cada vez mais usual. O México, os Estados Unidos e o Canadá, por
exemplo, também têm uma proposta para unificar as suas normas de
eficiência energética dos edifícios. Actualmente, muitos países da União
Europeia já actualizaram os seus regulamentos térmicos, como é o caso da
Alemanha, com poupanças energéticas até 30% comparadas com o
regulamento anterior. Em Portugal prevê-se a entrada em vigor do novo
RCCTE em 2006, onde será actualizado para tipo 3), aumentando-se
substancialmente os requisitos mínimos, promovendo a utilização de energias
renováveis
e beneficiando
materiais
certificados. Espera-se com este
regulamento aumentar substancialmente a performance energética dos
edifícios e revolucionar o mercado da construção. Contudo, apenas com a
implementação de regulamento tipo 4) será possível atingir a eficiência
ambiental, além da eficiência energética (Carlo, Ghisi e Lamberts, 2003).
O grande impulsionador da revisão dos regulamentos térmicos foi a directiva
Europeia sobre a performance energética dos edifícios (Directive 2002/91/EC)
onde é imposto que todos os estados-membros apliquem novos regulamento
harmonizados. O objectivo desta directiva é o aumento do desempenho
energético dos edifícios na Comunidade Europeia, contabilizando as
PÁGINA 95
condições climáticas externas e as condições locais, bem como as exigências
de conforto interior e a rentabilidade económica. Assim, esta directiva requer
o estabelecimento de requisitos mínimos da performance energética: edifícios
novos ou sujeitos a grandes reabilitações, aplicação da certificação
energética dos edifícios; definição de índices baseados na performance dos
edifícios, inspecção regular de sistemas existentes nos edifícios e, para edifícios
com equipamentos de grandes potências instaladas, é necessária a avaliação
de alternativas menos consumidoras (Balaras et al, 2005).
Em Portugal, a nova regulamentação de Térmica dos Edifícios referida possui
dois tipos de sistemas de classificação dos edifícios: o RCCTE e o RSECE,
complementados com um Sistema Nacional de Certificação Energética e da
Qualidade do Ar Interior nos edifícios (SCE). Estes sistemas são uma
combinação
de
um
sistema
de
performance
e
um
sistema
de
consciencialização, mas todos na óptica de novos edifícios (ou seja apenas
analisam o projecto). Somente na certificação existem auditorias (simples, no
caso de edifícios residenciais e mais complexas em edifícios de serviços), que
classificam na óptica dos edifícios existentes (Zmeureanu et al, 1999).
4.3.1. RCCTE
O RCCTE tem a vertente dos edifícios residenciais e edifícios de serviços sem
sistema de climatização. Neste momento o RCCTE em vigor está bastante
desactualizado, pois os valores mínimos estipulados são já superados pelo
mercado da construção há alguns anos. Um dos grande benefícios deste
regulamento foi a generalização da utilização do isolamento térmico na
envolvente e impedir que alguns edifícios fossem projectados sem terem
consideração pormenores como a orientação, localização, etc.
O novo RCCTE segue a mesma metodologia de aplicação do actual, de
forma a tirar partido dos hábitos e conhecimentos existentes. Mas, devido à
crescente
utilização,
tanto
de
sistemas
de
aquecimento,
como
de
arrefecimento, o novo RCCTE teve de ser actualizado de forma a limitar
PÁGINA 96
efectivamente o consumo energético destes. Por outro lado, é necessário
atentar que a utilização destes sistemas a nível residencial é muito imprevisível,
pois mesmo que a habitação possua estes sistemas, nada garante a sua
utilização. Assim, foi necessário o recurso a condições interiores padrão, como
referência para os consumos energéticos nominais. Assim este regulamento,
dependendo da localização do edifício, define deste modo valores de
referência (Nt) de forma a limitar as necessidades globais anuais nominais
específicas de energia primária (Ntc), o que quer dizer que o valor de Ntc não
pode ser superior ao Nt especificado no regulamento. Na equação 4.3 e 4.4 é
apresentada a expressão utilizada no RCCTE para a limitação das
necessidades globais anuais nominais específicas de energia primária.
Equação 4.3
Ntc = 0,1 (Nic/ηi) Fpui+ 0,1 (Nvc/ηv) Fpuv + Nac Fpua (kgep/m2.ano) com:
ηi,
ηv
–
rendimento
do
sistema
de
aquecimento
e
arrefecimento,
respectivamente;
Nic, Nvc, Nac – necessidades específicas de aquecimento, arrefecimento e
Águas Quentes Sanitárias (AQS), respectivamente (kWh/m2.ano);
Fpui, Fpuv, Fpua - factores de ponderação das necessidades de aquecimento, de
arrefecimento e de preparação de AQS, respectivamente (kgep/kWh).
Equação 4.4
Nt = 0,9 (0,01 Ni + 0,01 Nv + 0,15 Na) (kgep/m2.ano)
com:
Ni, Nv, Na – necessidades de referência de aquecimento, arrefecimento e
preparação de AQS, respectivamente (kWh/m2.ano).
Por outro lado, foram actualizados vários pormenores em relação ao actual
RCCTE, como um zonamento climático reformulado (Figura 4.4), onde foi
prevista a influência da proximidade à faixa litoral. As condições de conforto
interiores também foram revistas, passando para 20 ºC no Inverno e 25 ºC e
50% de humidade relativa no Verão. A taxa de renovação de ar foi
modificada para 0.6 renovações por hora. O consumo de água quente
PÁGINA 97
sanitária de referência é de 40 litros de água quente a 60ºC por pessoa e por
dia. A contabilização do efeito das pontes térmicas foi modificada. A
metodologia de cálculo das Necessidades de aquecimento foi revista,
enquanto que a de arrefecimento foi totalmente reformulada.
Estas são apenas algumas actualizações e modificações, entre várias outras. A
apresentação
das
metodologias
de
cálculo
das
necessidades
de
aquecimento / arrefecimento é feita de forma pormenorizada no Capítulo 5.
Figura 4.4 – Zonamento climático no novo RCCTE. Fonte: RCCTE, 2005.
4.3.2. RSECE
O RSECE tem a vertente dos edifícios de serviços ou residenciais, com sistema
de climatização. O regulamento actualmente em vigor tinha como objectivo
a limitação da potência dos sistemas de climatização. Previa algumas
medidas de eficiência energética e também alguns procedimentos para a
recepção, instalação e manutenção dos sistemas de climatização. No
entanto, este regulamento não teve muito impacto, principalmente devido a
PÁGINA 98
não serem requeridas verificações técnicas por parte das Câmaras Municipais.
Como tal, o facto referido anteriormente, acrescido do grande aumento da
utilização de sistemas de climatização, principalmente no sector residencial
devido ao aumento das exigências de conforto interior, torna imprescindível a
revisão do actual RSECE, de forma a diminuir o consumo energético resultante
dos equipamentos de aquecimento e arrefecimento, registado na última
década.
Assim, o novo RSECE apresenta quatro objectivos principais:
•
Definir as condições de Qualidade do Ar interior (QAI) necessárias nos
espaços, consoante as respectivas actividades e fontes poluentes. Tal é
conseguido apresentando os limites permitidos da concentração dos
vários poluentes, quer para edifícios residenciais, quer para edifícios de
serviços;
•
Limitar o consumo energético global dos edifícios, consoante o tipo de
edifícios. Assim, os edifícios estão divididos em: serviços e residenciais,
novos ou existentes, pequenos ou grandes. Em termos dos limites
impostos para consumos energéticos, estes podem ser obtidos de duas
formas, consoante o tipo de edifício:
1. através de um índice de eficiência energética (IEE), o qual pode ser
obtido através do modelo apresentado na Figura 4.5;
2. limitando as necessidades de energia nominais máximas a 80 % das
permitidas pelo RCCTE.
O valor do consumo energético pode ser obtido através de três formas,
consoante o tipo de edifício (na Tabela 4.3 é apresentado, de forma
resumida o tipo de limite e a forma de cálculo do consumo energético,
por tipo de edifícios):
1. auditoria energética;
2. simulação dinâmica detalhada;
PÁGINA 99
3. simulação dinâmica simplificada;
•
Impor regras para os sistemas de climatização, de forma a melhorar a
sua eficiência energética, assim com garantir a qualidade do ar interior.
Definir procedimentos de manutenção dos equipamentos adequados;
•
Obrigar
à
monitorização
das
práticas
de
manutenção
dos
equipamentos dos sistema de climatização.
Figura 4.5 – Exemplo do modelo de cálculo do Índice de eficiência energética. Fonte:
ADENE.
Tabela 4.3 – Limites e forma de obter os consumos energéticos no RSECE
Tipo de Edifício
Serviços
Existentes
Serviços
Novos
Serviços; Pequeno
Novos
Residencial
Novos
Consumo Energético
Auditoria
Simulação dinâmica detalhada
Simulação dinâmica simplificada
Limite
IEE
80% do
RCCTE
Fonte: RSECE, 2005
PÁGINA 100
4.3.3. SCE
A implementação do Sistema Nacional de Certificação Energética e da
Qualidade do Ar Interior nos edifícios, além de obrigatória devido à Directiva
n.º 2002/91/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho de 16 de Dezembro de
2002, tem grande interesse do ponto de vista da eficiência energética dos
edifícios, pois irá “obrigar” os intervenientes no sector da construção a cumprir
o regulamento térmico a que estão sujeitos (RCCTE ou RSECE), resultando na
construção de edifícios energeticamente mais eficientes e garantindo o
conforto térmico e a qualidade do ar interior.
A
certificação
também
irá
energética
beneficiar
os
utentes, pois será obrigatório
os
edifícios
certificado
nível
de
possuírem
identificando
um
o
performance
energética (escala – do A ao
H, sendo o A o mais eficiente,
como é possível observar na
Figura 4.6). Tal já se verifica
nos frigoríficos, congeladores,
etc.
Figura 4.6 – Certificado energético dos edifícios.
Fonte: DGGE
Os “alvos” do SCE são os edifícios novos, edifícios com grandes intervenções
de reabilitação, grandes edifícios públicos e todos os edifícios para venda,
locação ou aluguer. Em termos de objectivos, é possível identificar quatro:
•
Assegurar o cumprimento do RCCTE e RSECE e a qualidade do ar
interior, para que seja possível emitir licenças de construção e utilização;
PÁGINA 101
•
Inspeccionar os edifícios de serviços durante o seu funcionamento
normal, de forma a assegurar a qualidade do ar interior, onde o tempo
entre inspecções depende do tipo e dimensão do edifício;
•
Obter os consumos energéticos dos edifícios existentes; dependendo do
tipo de edifício, tal pode ser feito de forma nominal ou de utilização
real;
•
Identificar as necessidades, do edifício e respectivo sistema de
climatização de efectuar medidas correctivas, de forma a melhorar a
sua performance energética ou de qualidade do ar interior. Em relação
às condições de qualidade do ar interior, se for verificado que não
apresenta a qualidade requerida, são sempre necessárias medidas
correctivas; enquanto que no caso da performance energética apenas
são necessárias medidas correctivas se estas apresentarem viabilidade
económica.
4.3.4. PROGRAMAS DE INCENTIVOS
Além da implementação dos regulamentos térmicos do edifícios, uma medida
governamental que pode ajudar sobremaneira ao aumento da eficiência
energética dos edifícios é a introdução de fortes programas de incentivos que
aliciem arquitectos e engenheiros na realização de edifícios com baixos
consumos energéticos. No Canadá foi implementado um programa de
incentivos que consiste em duas fases (Beausoleil-Morrison et al, 2001):
•
O primeiro passo é a utilização de uma ferramenta “on-line” onde se
introduz a localização geográfica do edifício, tipo de edifício, área útil,
áreas e valor do coeficiente de transmissão térmica da envolvente, tipo
de
sistema
AVAC,
eficiência
do
sistema
de
aquecimento
e
arrefecimento, taxa de renovação de ar horária, potência da
iluminação artificial e tipo de iluminação natural, custo dos combustíveis
e electricidade. Com esta ferramenta é obtido o consumo energético
estimado, onde se refere as probabilidades de obter o incentivo, assim
como o valor do incentivo previsto para o projecto (Figura 4.7);
PÁGINA 102
Figura 4.7 - Ilustração da ferramenta “online” para obtenção do subsídio. Fonte: NRCCPIB – Natural Resources of Canada.
•
O segundo passo é a utilização de um software de simulação
energética detalhado. Este simulador tem dois componentes: uma
interface gráfica onde se caracteriza o edifício e sistemas integrados,
um processador de regras onde se verifica se o edifício cumpre todos os
requisitos mínimos e se os sistemas estão bem dimensionados. O
resultado final da aplicação desta ferramenta é, então, o valor do
incentivo a atribuir ao edifício.
Este tipo de acções são bastante benéficas, pois “obrigam” os intervenientes
do projecto a utilizar estas ferramentas de simulação de forma a encontrar as
soluções energeticamente mais eficientes (Beausoleil-Morrison et al, 2001).
PÁGINA 103
4.4. SOLUÇÕES ENERGETICAMENTE EFICIENTES
O parque de edifícios é um factor chave em termos ambientais. Os edifícios
estão omnipresentes e apresentam consumos energéticos para aquecimento,
arrefecimento e iluminação. Nos países pertencentes à Organização de
Cooperação Económica e Desenvolvimento (OCDE), o sector residencial
abarca 1/3 das necessidades energéticas. Assim, devido aos problemas
ambientais já referidos e de acordo com os princípios do Desenvolvimento
Sustentável,
é
muito
importante
que
os
edifícios
sejam
projectados
considerando a sua integração com o meio ambiente (forma, orientação,
etc.) e se implementem tecnologias energeticamente sustentáveis, para fazer
frente aos problemas do consumo energético, como o custo, depleção dos
materiais, emissão de gases de efeito de estufa, etc. A implementação de
novas tecnologias não depende apenas da sua viabilidade económica, mas
também da estética, facilidade de uso e aceitação do mercado e até da
possibilidade de utilização em reabilitações. Com o avanço das tecnologias
de iluminação natural, ventilação, células fotovoltaicas e materiais de
mudança de fase, a sua implementação com sucesso apenas é possível com
um design cuidadoso e avaliação científica (West, 2001).
4.4.1. FORMA E ORIENTAÇÃO DO EDIFÍCIO
Ao projectar edifícios com vista à eficiência energética, o primeiro passo é a
determinação da correcta forma e orientação do edifício. Apenas com a
realização deste ponto é possível atingir reduções do consumo energético
entre 30 a 40%. A correcta organização espacial do edifício tem de ser
conseguida inicialmente, pois, posteriormente à construção do edifício não é
viável, económica nem ambientalmente, a alteração da organização. Assim,
é necessário ter em conta que:
•
Compartimentos com necessidades energéticas elevadas devem ser
colocados a Sul, para beneficiarem mais profundamente do efeito do
sol;
PÁGINA 104
•
Compartimentos com necessidades energéticas intermédias, podem
ser colocados em orientações menos favoráveis, como Este e Oeste;
•
Compartimentos com necessidades energéticas reduzidas devem ser
colocados a Norte, servindo assim de espaço tampão.
A forma do edifício deve ser tal que minimize os ganhos térmicos no Verão e
perdas de calor no Inverno. Como tal, para Portugal, os edifícios devem ser
alongados no eixo Este-Oeste, de forma a beneficiarem de grandes fachadas
a Sul, as quais recebem três vezes mais radiação solar no Inverno, enquanto
que no Verão recebem três vezes menos radiação solar, do que as fachadas
a Este e Oeste. Outras considerações a ter com a forma do edifício podem ser
o baixo ratio superfície / volume, redução da área superficial exposta a norte e
a ventos fortes. Por outro lado, é importante a construção de edifícios com
envolventes de boa qualidade, mesmo que estas apresentem um maior custo
inicial. Com a redução das necessidades de aquecimento e arrefecimento e
iluminação,
o
período
de
amortização
deste
investimento
pode
ser
relativamente curto (A Green Vitruvius, 1999).
4.4.2. SISTEMAS SOLARES PASSIVOS PARA AQUECIMENTO
Considerando que o aquecimento dos edifícios residenciais em Portugal
representa 25% dos consumos energéticos do sector dos edifícios, a redução
das necessidades de aquecimento é essencial para o aumento da
sustentabilidade dos edifícios. Os sistemas de aquecimento convencionais
utilizam maioritariamente fontes energéticas não renováveis, de forma a
fornecer o calor necessário para o aquecimento da habitação. Já um sistema
solar passivo apenas utiliza a energia do sol, de forma a fornecer, total ou
parcialmente, o calor necessário para o aquecimento. Este tipo de sistema tira
partido dos elementos construtivos dos edifícios, como as janelas, paredes,
pavimento e cobertura, com o intuito de desempenharem funções de
recolha, armazenamento, utilização e distribuição da energia solar. Os
sistemas solares passivos podem ser divididos em (Teixeira, 1984; Lanham,
Gama e Braz, 2004):
PÁGINA 105
•
Sistemas de ganho directo – são os sistemas mais simples e vulgarmente
utilizados. Neste sistema a radiação solar é captada por um
envidraçado, normalmente virado a sul. Para o aumento da eficiência
destes sistema é normal a utilização de massa térmica para armazenar
a radiação solar em excesso durante o dia, libertando-a durante a
noite, quando é mais necessária, como mostra a Figura 4.8. Não
obstante este ser um sistema muito simples, pode ser muito eficiente,
principalmente quando bem projectado e também devido ao avanço
na tecnologia dos materiais de construção os envidraçados estão
cada vez mais eficientes, com maior resistência térmica e possibilidade
de alterarem o factor solar consoante a radiação incidente;
•
Sistemas de ganho indirecto – os sistemas de ganho indirecto diferem
do anterior na medida em que a radiação solar não atinge
directamente o compartimento, mas sim um espaço intermédio. Os
ganhos de calor ocorrem através da condução pela superfície, ou
convecção, no caso da abertura de orifícios entre eles. Neste caso a
retenção da energia solar no espaço intermédio é a partir do efeito de
estufa. Exemplos deste tipo de sistema são as paredes com efeito do
estufa, parede de Trombe (Figura 4.9), estufas, entre outras.
•
Sistemas de ganho isolado – este tipo de sistema é em tudo semelhante
ao sistema de ganho indirecto, mas neste caso existe uma separação
entre o espaço de armazenamento térmico e o espaço a ser
aquecido. Esta separação pode ser física ou através da colocação de
isolamento entre o compartimento e o espaço intermédio, onde a
transferência de calor se dá através da convecção natural. Exemplos
deste tipo de sistema são os sistemas de Termo-sifão (Figura 4.10) ou
estufas, onde a parede de separação é isolada.
PÁGINA 106
Figura 4.8 – Sistema solar passivo de ganho directo com armazenamento térmico.
Figura 4.9 – Sistema solar passivo de ganho indirecto – Parede de Trombe.
Figura 4.10 – Sistema solar passivo de ganho isolado – Termo-sifão.
PÁGINA 107
4.4.3. SISTEMAS PASSIVOS PARA ARREFECIMENTO
Mesmo tendo em conta que a maior parte da energia utilizada nos edifícios é
para aquecimento, a utilização de ar condicionado está a aumentar
substancialmente. Com tal, a fracção energética consumida pelos edifícios
está a aumentar. Para promover o arrefecimento passivo, Givoni identifica
várias técnicas passivas, tais como a ventilação natural (especialmente o
esforço para arrefecer a massa térmica dos edifícios durante a noite), o
arrefecimento evaporativo, arrefecimento radiativo, etc (Givoni, 1998). Outras
técnicas para reduzir as cargas de arrefecimento incluem o controlo dos
ganhos solares através das paredes, envidraçados e coberturas (pode ser
conseguido a partir do sombreamento e aplicação de isolamento) e a
utilização de equipamento de arrefecimento eficiente. Os sistemas de
arrefecimento passivos podem ser uma forma muito eficiente de reduzir os
consumos energéticos dos edifícios. Estes sistemas transferem o calor do
edifício para a atmosfera ou para a terra, com nenhuma ou pouca utilização
de sistemas mecânicos. Podem ser agrupados em cinco tipos:
1. Ventilação de conforto diurna – estes é o sistema passivo mais utilizado,
onde se proporciona um fluxo de ar exterior durante o dia, removendo
directamente os ganhos de calor. Assim, através do aumento da
transferência de calor convenctiva e evaporativa e da diminuição da
temperatura interior, obtém-se o conforto térmico. É necessário ter
atenção que a velocidade do ar interior não deve ultrapassar os 2 m/s.
Na Figura 4.12 é possível observar a implementação de um sistema de
ventilação de conforto diurna, através da aplicação da ventilação
cruzada;
2. Ventilação nocturna – este sistema utiliza o ar frio nocturno para
arrefecer a massa térmica interior. A massa térmica absorve os ganhos
de calor durante o dia. De forma a reduzir os ganhos de calor, os
envidraçados devem estar fechados durante o dia. Muitas vezes
utilizam-se ventiladores de tecto para aumentar as trocas de calor entre
os ocupantes e a massa térmica. Neste sistema, quanto menor for a
temperatura nocturna mais eficiente é o sistema.
PÁGINA 108
3. Arrefecimento evaporativo – este sistema reduz a temperatura do ar de
ventilação através da evaporação da água. Se for um sistema directo,
o processo evaporativo arrefece a temperatura do ar e aumenta a
humidade. Sistemas indirectos fornecem água fria, de forma a arrefecer
a temperatura do ar através de um permutador de calor. Este tipo de
sistemas apenas é eficiente em climas secos. Um exemplo de um
sistema deste tipo é o “roof-spaying”, onde através de um jacto de
água projectado do telhado, é criada uma cortina de ar frio na
fachada do edifício, promovendo o arrefecimento, como mostra a
Figura 4.13;
4. Arrefecimento radiativo – estes sistemas removem o calor dos elementos
exteriores do edifício através da troca de radiação entre estes e o céu.
Um exemplo deste sistema pode ser observado na Figura 4.11;
5. Arrefecimento acoplado de terra – aqui a terra funciona como um
dissipador de calor, devido a, normalmente, a terra estar a uma
temperatura inferior à exterior. É utilizado um sistema mecânico para
transferir os ganhos de calor do edifício para a terra.
Figura 4.11 – Arrefecimento radiativo – sistema com isolamento de tecto amovível.
PÁGINA 109
Figura 4.13 – Sistema de ventilação de
conforto diurna – ventilação cruzada
Figura 4.13 – Arrefecimento evaporativo –
“roof-spaying”. Fonte: M. Leandro
Os sistemas de ventilação para arrefecimento consomem menos energia,
requerem menor manutenção, têm menores custos iniciais e são “amigos” do
ambiente, quando se compara com os sistemas de climatização. Somente
necessitam de um maior esforço de projecto e de simulações eficientes, de
forma a garantir que proporcionem o conforto térmico. Os níveis de
ventilação, além de dependerem da geometria do edifício, também
dependem do microclima apenas com um esforço acrescido de modelação
e simulação é possível prever o fluxo de ar por ventilação natural, e respectiva
estimação da transferência de calor (pois o processo dominante é muitas
vezes a convecção de que dependem da velocidade do ar). Carrilho da
Graça sugere a utilização de modelos computacionais de dinâmica de fluidos
para uma mais eficiente estimação do fluxo de ar (Ver artigo de Carrilho da
Graça et al, 2001).
Ao projectar um edifício, de forma a optimizar a ventilação natural, têm de se
estudar os seguintes aspectos:
PÁGINA 110
•
forma dos edifícios:
•
distribuição dos espaços;
•
dimensão e localização das aberturas;
•
características e quantidade da massa térmica;
•
interacção com o sistema AVAC;
•
dispositivos de sombreamento;
•
resistência térmica e capacidade calorífica da envolvente exterior do
edifício.
O controlo do sistema de ventilação deverá ser manual. Mesmo com a
implementação de sistemas de controlo automático, é sempre necessário que
manualmente se possa cancelar as suas ordens.
4.4.4. CONSIDERAÇÕES SOBRE ALGUMAS SOLUÇÕES
Ventilação de conforto diurna
Num estudo efectuado por Kindangen, este observou que, no Verão, um
pequeno incremento na velocidade do ar, a partir de ar calmo, melhora
significativamente as condições de conforto. Contudo, se o ar não se
encontrar calmo, um pequeno aumento na velocidade deste não irá resultar
num aumento significativo das condições de conforto (Kindangen, 1997).
A ventilação de conforto diurna resulta em temperaturas interiores muito
próximas da temperatura exterior. Como tal apenas é proveitoso utilizar esta
técnica se, com a temperatura exterior, for possível atingir o conforto térmico.
Adicionalmente, o aumento da velocidade do ar aumenta a taxa de
evaporação, podendo-se atingir o conforto térmico a temperaturas mais
elevadas do que seria de prever. Como tal, a ventilação é um meio de
minimizar o efeito psicológico das altas humidades relativas e para aumentar
as perdas de calor convectivas. Estudos realizados em Portugal concluíram
que este possui grande potencial de poupança energética pela aplicação da
ventilação de conforto diurna, como se pode observar na Figura 4.14 (Allard,
1998).
PÁGINA 111
Figura 4.14 – potencial de poupança energética pela aplicação da ventilação em
Portugal. Fonte: Allard, 1998.
A aplicação da ventilação natural em habitações uni-familiares é bastante
simples, com um adequado projecto e localização das aberturas, de forma a
maximizar o diferencial de pressões. Também é bastante simples a utilização
do efeito de estratificação do ar, devido à diferença de temperaturas e
pressões, com recurso a aberturas no telhado ou chaminés solares, de forma a
aumentar o potencial de ventilação. Em edifícios multi-familiares, a ventilação
de conforto diurna pode ser uma das únicas forma eficientes de ventilação
natural, contando que os apartamentos possuem paredes exteriores em lados
opostos do edifício.
Por outro lado, em compartimentos com apenas uma parede exterior,
também é possível aplicar a ventilação natural. Tal é conseguido com recurso
à colocação de duas janelas na mesma fachada e utilização dos gradientes
de pressão criados. Mas, de forma a potenciar os gradientes de pressão, são
necessárias algumas modificações de design, como a integração das
chamadas “Paredes-asa”, que são pequenas projecções arquitectónicas, em
relação ao compartimento, como se pode observar na Figura 4.15 (Givoni,
1998).
PÁGINA 112
Figura 4.15 – configurações de paredes-asa. Fonte: Givoni, 1998.
Ventilação nocturna
A partir do estudo de Carrilho da Graça é possível verificar que o
arrefecimento passivo por ventilação nocturna é potencialmente bastante
eficiente, podendo promover a redução de horas de desconforto térmico em
cerca de 57%, mas é apenas aplicável em zonas com grandes amplitudes
térmicas diárias. Ao analisar a integração da ventilação nocturna num edifício,
é necessário analisar alguns pontos cruciais (Carrilho da Graça, 2001;
Tzikopoulos, Karatza, e Paravantis, 2005; Glicksman, Norford e Greden, 2001):
•
Ventilação natural, híbrida ou mecânica – um dos primeiros passos é o
cálculo da taxa de renovação de ar prevista para o edifício. O
problema é que o cálculo desta taxa é complexo e será necessária a
utilização de ferramentas de cálculo;
•
Transferência de calor – de forma a simular a ventilação nocturna, é
necessário um coeficiente de transferência de calor conventivo
bastante preciso, o que pode ser problemático;
•
Armazenamento de calor – a capacidade de armazenamento de calor
de um compartimento consiste na capacidade de armazenamento de
calor utilizável, em termos térmicos, por todas as superfícies fronteira e
mobiliário do compartimento. Depende da espessura de cada
construção, das suas propriedades térmicas, do período de flutuação
PÁGINA 113
da temperatura do ar imperturbado e da transferência de calor
superficial.
A eficiência de um sistema de ventilação nocturna pode ser avaliada através
do estudo da capacidade de armazenamento de calor e dos ganhos e
perdas térmicas. Assim, é possível avaliar o efeito da ventilação nocturna
através de modelos paramétricos ou ferramentas de simulação. Pfafferott
testou a ventilação nocturna de um edifício de escritórios através de uma
ferramenta de simulação, onde utilizou medições “in-situ” para calibrar o
modelo. Este conclui que, através da ventilação nocturna, a temperatura
interior média reduz cerca de 2-3ºC; enquanto que com a implementação do
sombreamento, atinge reduções de 3-4ªC. Com a combinação de ambos,
atinge reduções de 5.7ºC (Pfafferott, Herkel e Jäschke, 2003).
Estufas
A aplicação de estufas pode ser muito útil, pois estas, além de servirem de
espaço tampão, também podem ser utilizadas para aplicação de estratégias
solares passivas, como o ganho directo ou indirecto, em espaços contíguos à
estufa. A estufa, ao actuar como um espaço tampão, vai reduzir as perdas de
calor pela envolvente; e mesmo na inexistência de ganhos solares directos é
uma solução eficiente. De forma a armazenar a radiação solar captada pela
estufa e devolvê-la ao espaço útil, quando este é necessário, podemos
recorrer a duas soluções:
•
A introdução de uma parede com massa térmica suficiente para
armazenar e distribui-lo posteriormente;
•
A Inserção aberturas na parte inferior e superior da parede de
separação entre o espaço útil e a estufa, de forma a usufruir da
convecção natural.
Por outro lado, a introdução de uma estufa numa fachada exterior, resulta
numa redução das exigências dessa fachada, como a utilização de vidro
duplo, isolamento, estanqueidade. As estufas devem possuir, pelo menos, dois
terços de envidraçados móveis, de forma a promoverem a ventilação natural
PÁGINA 114
e evitarem o sobreaquecimento. Deve ser colocado isolamento móvel para
proteger os envidraçados durante a noite e reduzirem as perdas térmicas. Não
devem ser utilizados sistemas de aquecimento na estufa, pois tal resultará em
mais perdas energéticas do que ganhos.
Sombreamento
Os dispositivos de sombreamento, quando colocados convenientemente,
permitem a redução da Iluminância (evitando o encadeamento ou brilho
excessivo), dos ganhos solares no Verão e das perdas de calor durante a noite.
Ao considerarmos o dispositivo de sombreamento a colocar, é necessário
decidir se são exteriores ou interiores:
•
o sombreamento exterior é mais eficiente na redução dos ganhos
solares, pois os raios solares são interceptados antes de atingirem os
envidraçados.
Mas
estes
dispositivos
são
normalmente
mais
dispendiosos na instalação e manutenção;
•
dispositivos interiores são mais económicos e fáceis de ajustar a
qualquer
situação,
protegendo
melhor
os
ocupantes
do
encadeamento e brilho excessivo;
•
dispositivos instalados no interior de envidraçados duplos, com aberturas
de ventilação para o exterior, combinam as vantagens dos dois
sistemas anteriores.
Por
outro
lado
é
também
necessário
decidir
se
os
dispositivos
de
sombreamento são móveis ou fixos. Neste campo, normalmente é preferível
utilizar dispositivos fixos no exterior e dispositivos móveis no interior. Os
dispositivos exteriores são mais utilizados para a protecção da radiação solar
e, quando bem projectados, não necessitam de ser móveis; enquanto que os
dispositivos interiores são mais apropriados para as questões da iluminação,
assim é preferível serem móveis, de forma aos ocupantes ajustarem os
dispositivos consoante as suas necessidades (A Green Vitruvius, 1999).
PÁGINA 115
Tubagens horizontais de iluminação
A iluminação natural pode resultar em poupanças energéticas substanciais,
principalmente em edifícios comerciais de ocupação diurna. Assim, é
necessário integrar sistemas de iluminação natural nos edifícios, com vista à
sua sustentabilidade. Como exemplo de um desses sistemas temos as
tubagens horizontais de luz:
aplicadas, maioritariamente, em fachadas cortina, de forma a reduzir os
ganhos solares mas proporcionando iluminação natural. Para tal,
coloca-se
uma
tubagem
no
tecto
falso
com
espelhos,
para
redireccionar a luz, e filtros com absorção / reflexão de infravermelhos
(Figura 4.16);
Figura 4.16 - Tubagem de luz horizontal
Paredes de terra
A construção de edifícios com paredes termicamente eficientes, em que, ao
mesmo tempo, não são consumidas grandes quantidades de energia na sua
construção ou demolição, é uma forma de promover a redução do consumo
energético. As paredes em terra são ambientalmente sustentáveis, devido à
grande disponibilidade local, assim como aos baixos consumos energéticos
para produção. Para que estas paredes possam ser aceites, é necessário
conhecer a sua performance térmica e que esta respeite os regulamentos
térmicos em vigor. Uma vantagem deste tipo de paredes é a sua grande
massa térmica, o que resulta em pequenas variações de temperatura. De
forma a promover uma maior aceitação deste tipo de paredes, é necessário
PÁGINA 116
desenvolver as técnicas de produção para uma melhor performance térmica,
assim como a obtenção das propriedades térmicas reais deste tipo de
parede, de forma a possibilitar a previsão do comportamento dos edifícios a
partir de programas de simulação térmica de edifícios (Goodhew e Griffiths,
2005).
Materiais de mudança de fase
As propriedades termo-físicas dos materiais de construção têm grande
influência na performance energética dos edifícios. Considerando o design
solar passivo, a capacidade de armazenamento de calor é o parâmetro
dominante. Os sistemas pesados tradicionais podem ter problemas de excesso
de massa térmica e de custo.
Mas combinando materiais de construção
tradicionais com uma camada interior composta por materiais de mudança
de fase (PCM – Phase Change Material) é possível atingir um controlo de
temperatura interior (a partir do calor latente de fusão dos materiais PCM) a
um custo aceitável. Ao projectar um sistema com materiais PCM, os
parâmetros fundamentais a controlar são a temperatura de fusão do material –
que deverá ser abaixo da temperatura de conforto para o verão, mas o mais
próximo possível desta; a temperatura de solidificação – que deverá ser acima
da temperatura de conforto para o Inverno, mas o mais próximo possível
desta; o calor libertado ao solidificar – o mais alto possível; e o calor absorvido
ao liquefazer – o mais alto possível.
Os materiais PCM podem ser definidos por duas componentes: um composto
químico, orgânico ou inorgânico, que possui uma mudança de fase a uma
dada temperatura de operação; e uma estrutura porosa que actua como
uma substância que armazena calor. Estes materiais armazenam o calor com
a fusão da sua estrutura porosa, absorvendo o calor do espaço. Quando a
estrutura se encontra totalmente fundida, o material não armazena mais calor.
A libertação do calor dá-se quando a temperatura do espaço é inferior à
temperatura de solidificação e o material solidifica progressivamente,
libertando todo o calor armazenado para o espaço (Heim e Clarke, 2004).
PÁGINA 117
Fachadas de pele dupla
Em edifícios altos, as fachadas de vidro são muitas vezes utilizadas devido ao
baixo tempo de aplicação, pouca manutenção e durabilidade. Mas este tipo
de construção tem cargas de aquecimento e arrefecimento muito altas. Uma
forma de baixar estas cargas é a utilização do sistema de pele dupla de vidro.
Este sistema é composto por duas folhas de vidro separadas por um espaço
de ar relativamente grande. Assim, o espaço de ar funciona como uma zona
tampão que reduz as perdas e proporciona ganhos térmicos devido à
radiação solar e devido ao efeito de estratificação do ar. Existe uma boa
ventilação dentro do espaço de ar, além de neste sistema ser possível abrir as
folhas de vidro de forma a possibilitar a ventilação natural e a ventilação
nocturna. Este tipo de sistema facilita também a implementação de
sombreadores eficientes no espaço de ar. O grande problema deste tipo de
configuração é o seu custo económico – é um sistema construtivo ainda não
muito utilizado e possui o dobro da quantidade de vidro. Como tal, para utilizar
este tipo de sistema é necessário fazer um estudo comparativo entre custos de
construção / energia poupada, através de programas de simulação térmica
(VisualDOE, Transys, EnergyPlus, etc) e de análise de ciclo de vida (EcoPro,
IDEMAT, LCAD). Para climas agressivos, este estudo resulta normalmente em
vantagem para a o sistema de pele dupla de vidro, mas para climas amenos,
apenas com a simulação prévia é possível encontrar a solução mais
económica, em termos de custo, energia e consequências ambientais. Para
atingir a solução mais eficiente em termos globais é necessário analisar dois
itens específicos; a solução que apresenta o menor consumo energético em
termos dos recursos energéticos do país; e a solução cujo custo de ciclo de
vida é menor, em termos do proprietário do edifício. Cetiner define um critério
de selecção do tipo de pele de vidro a escolher (simples ou dupla), para
edifícios de escritório, segundo os item referidos anteriormente (ver artigo
Cetiner e Ozkan, 2005).
Sistema misto caldeira + massa térmica
Na procura de menores consumos energéticos dos edifícios, Stritih testa a
eficiência da implementação de um sistema composto por uma caldeira a
PÁGINA 118
biomassa e uma unidade de armazenamento térmico. Este sistema pode ser
visto como um sistema de cogeração, ou seja, em edifícios onde o
aquecimento seja a partir de uma caldeira central, muitas vezes o calor
gerado pela caldeira é excessivo para as necessidades do edifício, sendo este
excesso de calor é armazenado num unidade armazenadora de calor.
Quando a unidade armazenadora se encontrar totalmente carregada, é
possível desligar a caldeira e fornecer o calor da unidade de armazenamento
ao edifício. Com este sistema é possível aumentar a eficiência energética dos
sistemas de aquecimento, uma vez que se reduzem as perdas. O sistema é
esquematicamente representado na Figura 4.17 (Stritih e Butala, 2004).
Figura 4.17 – Esquema de sistema caldeira + armazenador térmico. Fonte: Stritih e
Butala, 2004
Sistemas solares para aquecimento a água
Os sistemas solares para aquecimento de águas quentes sanitárias têm já
grande aplicação no mercado, pelo que o dimensionamento e montagem
deste tipo de sistemas é algo já bastante estudado e aplicado com bons
resultados. Sabendo que os sistemas solares de aquecimento a água são
bastante similares aos para aquecimento de água quentes sanitárias e que
funcionam com a água a temperaturas mais baixas, são equipamentos
bastante bons aplicar os sistemas de pavimentos radiantes em edifícios
residenciais.
PÁGINA 119
O projecto de um sistema solar de aquecimento deve ser considerado em três
partes:
1. Determinação das necessidades de aquecimento e de água quente
do edifício;
2. Estimar a fracção dessas necessidades que pode ser coberta pelo
sistema solar;
3. Efectuar um estudo económico onde se compare o custo da energia
que se irá poupar com o sistema solar, com o custo do sistema solar.
Em termos do estudo económico, a variável mais sensível e que mais
cuidadosamente deve ser estudada é a área do colector. A partir de um
estudo de Martínez com intuito de desenhar e estudar o comportamento de
um sistema solar de aquecimento de pavimento radiante numa habitação em
Murcia – Espanha, verificou-se que nos meses com maiores necessidades de
aquecimento (Janeiro e Fevereiro) este sistema cobriu, respectivamente, 42.8%
e 34.2% das necessidades de aquecimento (Martinez et al, 2005). Estes
resultados demonstram que este tipo de sistema pode ser muito eficiente nas
habitações Portuguesas.
4.4.5. INTEGRAÇÃO DE SOLUÇÕES ENERGETICAMENTE EFICIENTES
As decisões sobre a escolha e subsequente integração de componentes
energeticamente eficientes nos edifícios necessita de uma cuidadosa reflexão
durante a fase de projecto, como o observado na Figura 4.18. De forma a
tornar um edifício energeticamente eficiente é necessário, muitas vezes,
avaliar objectivos contraditórios relativamente à performance do edifício,
como o conforto térmico e a qualidade do ar interior. Assim, as ferramentas de
simulação dos edifícios, aparentam ser um instrumento muito importante, para
uma apropriada integração de componentes energeticamente eficientes nos
edifícios. Estas ferramentas podem fornecer informação detalhada sobre a
performance térmica dos edifícios que ainda estão em fase de projecto,
permitindo assim comparar diferentes opções de projecto em condições
PÁGINA 120
semelhantes.
No
entanto,
o
uso
generalizado
destas
ferramentas
computacionais não tem ocorrido. As tecnologias inovadoras são aplicadas
nos edifícios sem nenhuma, ou pouca, avaliação prévia através de
ferramentas de simulação, o que poderá levar ao seu mau aproveitamento e
consequentemente a denegrirem estas tecnologias.
Figura 4.18 – Introdução de soluções energeticamente eficientes. Fonte: West, 2001.
Os edifícios estão, cada vez mais, sujeitos a regulamentos com requisitos de
performance quantificáveis, o que requer uma mais intensiva utilização de
ferramentas computacionais, de forma a garantir que o edifício cumpra esses
mesmos requisitos. Ao longo dos últimos anos, os esforços para integrar a
simulação computacional dos edifícios durante a fase de projecto tiveram
bastantes problemas:
•
Indisponibilidade de ferramentas computacionais adequadas, ou seja,
as
ferramentas
existentes
não
davam
resposta
aos
problemas
específicos encontrados no projecto;
•
Descrença dos resultados obtidos pelas ferramentas computacionais,
podendo também os resultados computacionais não serem úteis numa
fase de projecto;
•
Alto
grau
de
conhecimento
necessário
para
a
utilização
das
ferramentas de simulação de edifícios;
•
Custos associados à compra e utilização destas ferramentas;
PÁGINA 121
•
Problemas de partilha de informação entre o “projecto” e a
“simulação”.
A partir de diversos casos de estudo, é possível observar que a selecção das
componentes
energeticamente
eficientes
para
os
edifícios
ocorrem
maioritariamente na fase de projecto conceptual. No entanto, estes
componentes são escolhidos graças à prévia utilização noutros projectos.
Assim, normalmente não são efectuadas comparações entre a performance
de várias alternativas. A simulação de edifícios é utilizada maioritariamente
depois da fase de projecto conceptual e apenas para verificar se a
performance energética corresponde às expectativas. Assim, para projectar
edifícios energeticamente eficientes é necessário utilizar as ferramentas
computacionais logo desde a fase de projecto conceptual. Enquanto a
escolha de componentes energeticamente eficientes não for suportada por
dados computacionais significativos, as decisões serão sempre tomadas de
forma intuitiva.
Actualmente, a maior parte destes problemas já estão ultrapassados, existindo
ferramentas de simulação de edifícios criadas para responderem a problemas
específicos, com resultados comprovados. Estas ferramentas podem ser desde
muito simples a muito complexas, dependendo do que é pretendido.
Adicionalmente existe já uma grande aposta na formação nesta área,
existindo já um vasto número de consultores externos. Várias ferramentas
computacionais
são
gratuitas
e
cada
vez
mais
com
uma
maior
interoperabilidade entre elas. Para escolher componentes energeticamente
eficientes, é conveniente seguir o seguinte procedimento (Wilde e Voorden,
2004):
•
definição de um espaço de opções onde estão identificadas as
combinações entre os componentes energeticamente eficientes e o
design dos edifícios, que apresentam melhores resultados;
•
Identificação das funções mais relevantes de todas as opções de
design, de forma a encontrar critérios de selecção relevantes;
PÁGINA 122
•
Especificação de Indicadores de Performance (IPs) objectivos, requisitos
e restrições. Os IPs permitem quantificar a performance de cada opção
de design;
•
Cálculo dos IPs para todas as opções de design do edifício. Neste ponto
as melhores ferramentas a utilizar são as computacionais;
•
Avaliação da performance final, onde é executada uma média
pesada que contabiliza a performance individual de cada opção de
design.
Relativamente à informação necessária para a escolha dos componentes
energeticamente eficientes, podemos dividi-la em 5 parâmetros:
1. Descrição geométrica do design do edifício – por exemplo a partir de
sistemas CAD;
2. Componentes energeticamente eficientes existentes no mercado e sua
funções associadas;
3. IPs existentes que possam avaliar na totalidade as respectivas funções;
4. Informação sobre a performance das diversas opções – pode ser obtida
a partir de ferramentas computacionais de simulação energética de
edifícios;
5. Informações sobre os factores preferenciais, os quais são necessários
para decidir quais as melhores opções a utilizar no projecto.
4.4.6. ANÁLISE DA PERFORMANCE DE EDIFÍCIOS SUSTENTÁVEIS NA
EUROPA
Foi realizado um estudo onde foram caracterizados 77 edifícios Europeus
construídos com princípios bioclimáticos, em termos de eficiência energética.
Por outro lado, foi analisada a eficiência da integração de várias técnicas
solares passivas. Com este estudo, é possível concluir que os edifícios
bioclimáticos em Portugal têm uma eficiência energética de 66,7% (Figura
4.19), o que coloca Portugal num bom nível, comparativamente a outros
Países da Europa. Também é verificado que a inclusão nos edifícios das
PÁGINA 123
técnicas solares passivas de ganho directo (Figura 4.20), sombreamento e
água quente solar, aumenta a eficiência energética destes edifícios,
enquanto que as paredes de armazenamento térmico, ventilação natural e
estufas reduzem a eficiência energética dos mesmos. No caso das paredes de
armazenamento térmico, o problema poderá ser devido a um mau
dimensionamento. Em relação às estufas e à ventilação natural, estas
poderiam não ter o controlo adequado, o que resulta, obviamente, num
comportamento que não seria benéfico para a performance energética dos
edifícios. Como tal, também é possível concluir que a forma como o edifício é
utilizado determina a sua eficiência energética. Quando os utilizadores são
descuidados, a poupança energética não é conseguida. Como tal, apenas
utilizadores educados e informados convenientemente podem ajudar a baixar
o consumo energético dos edifícios (Tzikopoulos, Karatza e. Paravantis, 2005).
Figura 4.19 – Eficiência energética de
edifícios bioclimáticos, na Europa
Figura 4.20 – Eficiência energética da
solução de ganho directo
Fonte: Tzikopoulos, Karatza e Paravantis, 2005
4.5. REABILITAÇÃO DE EDIFÍCIOS
A reabilitação de edifícios pode ser entendida como um melhoramento na
qualidade do edifício, comparativamente com a que este apresentava
inicialmente. Mas existem outras operações que, de uma forma ou de outra,
PÁGINA 124
são importantes para a manutenção ou aumento da performance energética
dos edifícios:
•
Conservação ou Manutenção: Operação destinada a conferir a
edifícios não degradados uma qualidade equivalente à inicial;
•
Recuperação: Operação sobre edifícios degradados devido à não
realização de obras de conservação com a periodicidade devida;
•
Beneficiação: Operação que confere a edifícios degradados uma
qualidade superior à que tinham aquando da sua construção.
Podem ser apresentados dois pontos cruciais, para a importância da
reabilitação do parque de edifícios existente:
1. no passado, a construção de edifícios não tinha em conta a sua
optimização
energética,
nem
a
minimização
dos
seus
efeitos
ambientais. Considerando que o ciclo de vida dos edifícios e dos seus
componentes é muito elevado (ver Tabela 4.4), uma grande parte dos
edifícios existentes encontram-se nessas condições;
2. a idade dos edifícios é um factor determinante para a performance
global dos edifícios, pois quantos mais antigos, mais deteriorados estão
e menores performances energéticas apresentam. Mas os ocupantes
desses edifícios desejam níveis de conforto similares aos das habitações
mais recentes, utilizando para isso muito mais energia. Por exemplo, o
consumo energético para aquecimento é fortemente influenciado pela
idade do sistema central de aquecimento – correlação de 0,83, pela
idade do edifício – correlação de 0,57, pela idade do sistema de
distribuição – correlação de 0,43 e pela idade dos terminais de
aquecimento – correlação de 0,19.
PÁGINA 125
Tabela 4.4 – Ciclo de vida de alguns componentes dos edifícios.
Ciclo de vida
Elemento do edifício
*Base de Dados
- ENVOLVENTE
Janelas
51
Portas
33
Portas de Garagem
17-48
Clarabóias
62
Coberturas
32-54
Tubos de queda
36-49
- INTERIORES
Portas
53
Pavimentos
40-59
Canalização
44-63
Tubos
23-47
- AVAC
Caldeiras
25-38
Radiadores
62
Tubos
46
**Estimado
78
62
58-62
70
65-73
60
66-69
56-79
56-68
55-64
55-57
64
66
*Base de dados INVESTIMMO – Projecto Europeu para a renovação de edifícios
**Estimações a partir de modelos de deterioração – software INVESTIMMO
Fonte: Balaras et al, 2005
Como tal, é possível concluir que a protecção e reabilitação do património
edificado,
além
de
ser
culturalmente
positivo,
também
poderá
ser
economicamente atractivo, pois os custos de reabilitação são muito inferiores
aos custos de demolição e reconstrução. Adicionalmente, se os princípios de
sustentabilidade foram aplicados, as reabilitações são muito atractivas,
aumentando a performance dos edifícios existentes (Balaras et al, 2005).
Um estudo muito interessante na área da deterioração dos edifícios foi
realizado por Balaras, que apresenta as causas que têm maior importância
para a deterioração dos edifícios, como é possível observar na Figura 4.21.
Assim, é possível conhecer os pontos que têm de ser analisados com maior
cuidado, durante o projecto de um edifício, para que este tenha uma maior
vida útil, sem apresentar sinais de degradação.
PÁGINA 126
Figura 4.21 – causas da deterioração dos edifícios e seu peso. Fonte: Balaras et al, 2005
4.4.1. A REABILITAÇÃO EM PORTUGAL
O estado de degradação em que se encontra grande parte do parque
habitacional do nosso país assume proporções que podem ser consideradas
preocupantes. Tal situação provoca uma diminuição da qualidade de vida
das populações e uma deterioração do património edificado, enquanto
memória colectiva. A palavra Património é sinónimo de herança, que deve ser
transmitida às gerações futuras com o intuito de ser preservada e valorizada.
Actualmente nos edifícios habitacionais do Património municipal e nacional, a
degradação encontrada nos diversos elementos que os constituem deve-se
principalmente ao “envelhecimento” dos vários materiais e componentes, à
ausência de manutenções periódicas que assegurem a sua preservação e
também devido à sua má concepção e/ou deficiente execução, na sua fase
de construção ou em intervenções posteriores. Como causas da degradação
do património em geral, podemos considerar:
•
o desaparecimento dos artesãos (que noutros países europeus são
valorizados e incentivados);
PÁGINA 127
•
conservação básica dos edifícios inexistente (limpeza dos telhados
antes do Inverno, pintura das fachadas e caixilhos, etc.);
•
má gestão do estado, de modo a contemplar no orçamento geral
verba para a conservação dos edifícios;
•
intervenções de restauro ou reabilitação mal concebidas;
•
o uso dos edifícios de forma inadequada às suas funções e
características.
Verifica-se que em Portugal, nos últimos anos apenas 10% do total do
investimento é destinado à conservação e recuperação do património
edificado ao passo que a média europeia é de cerca de 40%. De um modo
geral, Portugal ainda não se encontra sensibilizado para a reabilitação de
edifícios. Embora se reconheça a existência de trabalho válido de reabilitação
e reconstrução de alguns Monumentos Nacionais e outras construções de
grande relevo arquitectónico, muito se poderá e deverá realizar no futuro para
enriquecer a leitura do património edificado português.
Logo, a tendência será inevitavelmente um aumento de investimento na
conservação
e
recuperação.
A
sustentar
esta
tendência,
temos
a
“reocupação” dos centros urbanos pela população que até há pouco tempo
sobrevalorizava em demasia as zonas periféricas das cidades em relação aos
centros urbanos. Também o Governo, através de políticas habitacionais, em
parceria com as Câmaras Municipais, incentiva o processo de conservação e
reabilitação, procurando melhorar as carências habitacionais, investindo em
arranjos de espaços sociais dos bairros de arrendamento público, motivando
assim a recuperação dos centros urbanos (Silva e Godinho, 2004).
4.4.1. FERRAMENTAS DE AVALIAÇÃO DA REABILITAÇÃO
A recuperação e reabilitação de edifícios é um fenómeno com cada vez
maior peso no sector dos edifícios. Como tal, é normal que ferramentas de
avaliação e optimização destes processos surjam no mercado. Uma dessas
ferramentas é a EPIQR (Método de requalificação de performance energética
PÁGINA 128
e qualidade do ambiente interior), esta ferramenta tem como objectivos que
uma requalificação / reabilitação apresente (Martínez, Velázquez e Viedma,
2005):
•
melhoria da qualidade do ambiente interior;
•
optimização de consumo energético;
•
implementação de energia solar;
•
rentabilidade.
Esta ferramenta divide o edifício em 50 elementos discretos (paredes,
pavimento, cobertura, sistema de aquecimento, etc.) onde para cada um dos
elementos é avaliado o estado de degradação (4 estados de degradação),
apresentando até 6 possíveis opções para a substituição. Depois de
seleccionadas as opções, estas são avaliadas do ponto de vista da qualidade
do ambiente interior, consumo energético, custo e medidas de reabilitação.
A qualidade do ambiente interior é avaliada em termos de humidade, ruído,
conforto térmico, qualidade do ar, iluminação e segurança.
Em termos energéticos, é estudado o aquecimento do espaço, águas quentes
sanitárias, substituição da caldeira, arrefecimento do espaço, iluminação
artificial de espaços comuns, isolamento das tubagens de distribuição para
aquecimento e utilização de válvulas termostáticas para radiadores.
No custo, é estudada a descrição dos trabalhos de reabilitação, a
organização da classificação dos trabalhos e a identificação dos custos
associados.
Assim, esta é uma ferramenta expedita que procura a eficiência energética
dos edifícios através da comparação das várias soluções / problemas. No
entanto, é necessário ter em conta que, sendo este um sector em rápido
crescimento, estão continuamente a aparecer novas soluções, pelo que é
necessário que estas ferramentas sejam regularmente actualizadas (Karlsson,
Roos e Karlsson, 2000).
PÁGINA 129
5.
CAPITULO 5 – PREVISÃO DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DOS EDIFÍCIOS
5.1. RCCTE
O RCCTE é o actual regulamento Português, aprovado em 1990, onde é
imposta a qualidade mínima necessária aos edifícios relativamente ao seu
comportamento térmico. Considerando que o RCCTE em vigor é já “obsoleto”,
como foi referido no Capítulo 4, foi necessário proceder à sua revisão e
actualização. Como tal, foram modificados alguns pormenores, aumentado o
nível de exigência, mas mantida a sua estrutura original. Assim, a nova versão
do RCCTE, além de promover edifícios energeticamente mais eficientes, com
menos patologias devido a condensações e com melhor qualidade de ar
interior – objectivos do RCCTE, também pode facilitar a possibilidade das
empresas da área operarem em diferentes países da Comunidade Europeia,
devido à harmonização dos regulamentos térmicos ao nível da Comunidade
Europeia. Espera-se que em Janeiro de 2006 esta actualização da
regulamentação térmica entre em vigor. Seguidamente será apresentada a
PÁGINA 130
CAPÍTULO 5 – Previsão do Comportamento Térmico dos Edifícios
estrutura desta versão actualizada do RCCTE, assim como a metodologia de
cálculo utilizada para a previsão do comportamento térmico dos edifícios.
5.1.1. ESTRUTURA DO RCCTE
Este Regulamento é composto por 20 artigos e 9 Anexos. Assim, os artigos
definem toda a organização do regulamento remetendo para anexo todas as
definições, dados climáticos e metodologias de cálculo. Resumidamente os
artigos que constituem este regulamento são:
1º Artigo -
aqui são expostos quais os objectivos que este regulamento
pretende atingir com a sua implementação (estes já foram referidos
anteriormente);
2º Artigo -
neste ponto é introduzido o âmbito de aplicação do
regulamento e excepções prevista. Também é definido o significado
de fracção autónoma e grandes remodelações;
3º Artigo -
este ponto refere que todas as definições e referências
necessárias para a aplicação deste regulamento se encontram no
Anexo II;
4º Artigo -
aqui são introduzidos os índices utilizados na quantificação
energética do edifício – Nic; Nvc; Nac; Ntc, assim como os parâmetros
complementares a quantificar – U (coeficiente de transmissão
térmica); inércia do edifício; Factor solar dos envidraçados e taxa de
renovação horária;
5º Artigo -
este ponto refere que cada fracção autónoma não pode
ultrapassar o valor máximo admissível das necessidades nominais
anuais de energia útil para aquecimento, Ni, valor este que é fixado
no artigo 17.º;
6º Artigo -
este artigo é semelhante ao anterior mas relativamente ao
valor das necessidades nominais anuais de energia útil para
arrefecimento, Nv;
7º Artigo -
este artigo é semelhante ao anterior, mas relativamente ao
valor das necessidades nominais anuais de energia útil para produção
PÁGINA 131
de águas quentes sanitárias, Na; além de definir a obrigatoriedade de
implementação de um sistema de colectores solares térmicos para
águas quentes sanitárias, sempre que haja uma exposição solar
adequada;
8º Artigo -
este ponto refere que as necessidades nominais globais de
energia primária dos edifícios, Ntc, não podem ultrapassar um valor
máximo de energia primária, Nt, o qual é fixado no artigo 17º, definido
como a soma dos valores máximos determinados nos artigos 5º, 6º e
7º, convertidos para energia primária a partir de Factores de
Ponderação, Fpui, Fpuv, Fpua;
9º Artigo -
aqui é referido que os valores máximos de Ni e Nv, têm de ser
obtidos sem ultrapassar os requisitos mínimos em relação ao
coeficiente de transmissão térmica e factor solar, definido no
artigo 18º;
10º Artigo - neste ponto refere-se que os edifícios isentos de satisfação
dos artigos 5º, 6º e 8º, têm de cumprir os valores máximos de
coeficiente de transmissão térmica, área e factor solar dos vãos
envidraçados, inércia térmica e protecção solar das coberturas, caso
contrário é anulada a isenção referida;
11º Artigo - aqui é referido que os métodos de cálculo a utilizar na
obtenção dos valores das necessidades nominais de aquecimento,
arrefecimento, águas quentes sanitárias e os parâmetros referidos nos
artigos 9º e 10º, são descritos nos anexos IV, V, VI e VII;
12º Artigo - este ponto define as obrigações das entidades com
competência para o licenciamento dos edifícios, nos termos da
certificação energética e qualidade do ar interior;
13º Artigo - este artigo define a informação mínima necessária que deve
conter qualquer pedido de licenciamento, para demonstração do
cumprimento deste regulamento;
14º Artigo - aqui
define-se
quem
possui
a
responsabilidade
pela
demonstração da conformidade do projecto e da execução da
construção com a exigências deste regulamento;
PÁGINA 132
15º Artigo - neste artigo são regulamentadas as violações ao projecto
passíveis de serem consideradas contra-ordenações puníveis com
coima, assim como o valor das coimas a aplicar;
16º Artigo - este ponto indica as condições interiores de referência das
habitações:
•
condições de conforto para estação de aquecimento – 20ºC e
para a estação de arrefecimento – 25ºC e 50% de humidade
relativa
•
taxa mínima de renovação do ar – 0.6 RPH
•
consumo de referência para água quente sanitária – 40 lts de
água quente a 60ºC por dia e por pessoa;
17º Artigo - aqui são definidos os valores máximos das necessidades de
energia útil para aquecimento, arrefecimento e águas quentes
sanitárias.
•
o valor limite de Ni depende do Factor de Forma (FF – anexo II do
RCCTE) e dos Graus-Dias - base 20ºC1 (GD – anexo III do RCCTE)
da seguinte forma:
a) para FF ≤ 0,5 -> Ni = 4,5 + 0,0395 GD
b) para 0,5 < FF ≤ 1 -> Ni = 4,5 + (0,021 + 0,037 FF) GD
c) para 1 < FF ≤ 1,5 -> Ni = [4,5 + (0,021 + 0,037 FF) GD] (1,2 - 0,2 FF)
d) para FF > 1,5 -> Ni = 4,05 + 0,06885 GD
•
o valor limite de Nv apenas depende da localização:
a) Zona V1 (Norte) -> Nv = 16 kWh/m2.ano
b) Zona V1 (Sul) -> Nv = 22 kWh/m2.ano
c) Zona V2 (Norte) -> Nv = 18 kWh/m2.ano
d) Zona V2 (Sul) -> Nv = 32 kWh/m2.ano
e) Zona V3 (Norte) -> Nv = 26 kWh/m2.ano
f) Zona V3 (Sul) -> Nv = 32 kWh/m2.ano
g) Açores -> Nv = 21 kWh/m2.ano
h) Madeira -> Nv = 23 kWh/m2.ano
1
Valor que representa o somatório das diferenças positivas entre a temperatura base (20ºC) e a
temperatura exterior, para a estação de aquecimento.
PÁGINA 133
•
o valor limite de Na é obtido pelas Equações 5.1 e 5.2,
apresentadas posteriormente, ao ser definido o anexo VI do
RCCTE;
•
o valor das necessidades globais anuais nominais específicas de
energia primária, Ntc, é obtido pela Equação 4.3 definida no
Capítulo 4 desta dissertação;
•
o valor de Ntc não pode ultrapassar um valor de referência das
necessidades totais, Nt, o qual já foi definido pela Equação 4.4
do Capítulo 4;
18º Artigo - neste ponto é referido que o valor dos requisitos de qualidade
térmica previamente mencionados estão definidos no anexo IX do
RCCTE. Também se refere que, para espaços não-úteis, se o valor de τ
(definido no anexo IV do RCCTE) for superior a 0.7, o elemento de
separação entre o espaço útil e o não-útil têm os mesmos requisitos
que um elemento da envolvente exterior;
19º Artigo - aqui são definidos alguns valores limite referidos previamente
no regulamento, tal como a área útil de pavimento máxima que
isenta uma habitação unifamiliar da demonstração do cumprimento
do valor de Na;
20º Artigo - o último artigo apresenta os factores de conversão entre
energia útil e primária (Fpu), assim como o rendimento de alguns
equipamentos (η).
Relativamente
aos
anexos
deste
regulamento,
estes
apresentam-se
organizados da seguinte forma:
Anexo I -
neste ponto são definidos os espaços que podem ser
considerados como não-úteis, os quais não são incluídos no cálculo de
Nic, Nvc e Ntc;
Anexo II -
aqui são apresentadas todas as definições consideradas
significativas e com importância para uma melhor compreensão do
regulamento, além de apresentar a fórmula de cálculo do factor de
forma, como se pode observar na Equação 5.1;
PÁGINA 134
Equação 5.1
FF = (Aext + Σ (τ Aint)i) / V;
Anexo III -
este ponto apresenta o zonamento climático por concelhos e
zonas climáticas e os dados climáticos de referência, com correcções
consoante a altitude do local. Também é apresentada a energia solar
média incidente numa superfície vertical durante a estação de
aquecimento e os valores médios da temperatura exterior e a
intensidade da radiação solar durante a estação de arrefecimento;
Anexo IV - neste ponto é definido o método de cálculo das necessidades
de aquecimento. Este método está dividido em três parcelas: perdas de
calor pela envolvente; perdas de calor por renovação de ar; ganhos
úteis. Assim, é apresentado a forma para calcular estas três parcelas,
além de serem fornecidas várias folhas de cálculo, assim como várias
tabelas necessárias para o cálculo das necessidades de aquecimento.
Este ponto será referido mais extensivamente no Capítulo 5.1.2;
Anexo V -
aqui é definido o método de cálculo das necessidades de
arrefecimento. Este método está dividido em quatro parcelas: cargas
térmicas pela envolvente; cargas térmicas por renovação de ar;
ganhos térmicos devido à radiação solar pelos envidraçados; ganhos
térmicos internos. Assim, é apresentada a forma para calcular todas
estas parcelas, além de fornecer várias folhas de cálculo, assim como
tabelas necessárias para o cálculo das necessidades de arrefecimento.
Este ponto será referido mais extensivamente no Capítulo 5.1.2;
Anexo VI - neste ponto é definido o método de cálculo das necessidades
de energia para preparação de águas quentes sanitárias. Este método
é regido pelas Equações 5.2 e 5.3:
Equação 5.2
Nac = (Qa / ηa - Esolar - Eren) / Ap
Qa
–
energia
útil
(kWh/m2. ano)
dispendida
com
sistemas
com:
convencionais
de
preparação de AQS;
PÁGINA 135
ηa – eficiência de conversão desses sistemas de preparação de AQS;
Esolar – contribuição de sistemas de colectores solares para o
aquecimento de AQS;
Eren – contribuição de quaisquer outras formas de energias renováveis
(solar
fotovoltaica,
biomassa,
eólica,
geotérmica,
etc.)
para
a
preparação de AQS, bem como de quaisquer formas de recuperação
de calor de equipamentos ou de fluidos residuais;
Ap – área útil de pavimento;
Equação 5.3
Qa = 0,081 . MAQS . nd
(kWh/ano)
com:
MAQS – consumo médio diário de referência de AQS;
∆T – aumento de temperatura necessário para preparar as AQS:
nd – número anual de dias de consumo de AQS.
Anexo VII - este ponto apresenta os princípios de cálculo de dois
parâmetros térmicos necessários para a aplicação deste regulamento,
o Coeficiente de Transmissão Térmica (U) e a Inércia Térmica do Edifício;
Anexo VIII - aqui são apresentadas as fichas de preenchimento necessário
por forma a obter a licença de construção e utilização das habitações;
Anexo IX - neste ponto são definidos os requisitos mínimos que os edifícios
têm de respeitar de forma a cumprir este regulamento. Assim, são
apresentados
os
Coeficientes
de
transmissão
térmica
máximos
admissíveis para zonas correntes e não correntes, o factor solar máximo
admissível e os valores de referência para dispensa da verificação
detalhada do RCCTE.
5.1.2. METODOLOGIAS DE AVALIAÇÃO DA PERFORMANCE TÉRMICA DO
RCCTE
Em termos de performance térmica dos edifícios, o RCCTE apresenta dois
parâmetros fundamentais: necessidades de aquecimento e necessidades de
arrefecimento. Assim, vão ser apresentadas as metodologias utilizadas pelo
PÁGINA 136
RCCTE
para
a
determinação
das
necessidades
de
aquecimento
e
arrefecimento.
Cálculo das Necessidades de Aquecimento - Nic
O RCCTE considera que as necessidades de aquecimento são obtidas pelo
balanço de: 1 – perdas de calor pela envolvente (Qt); 2 – perdas de calor por
renovação de ar (Qv); 3 – os ganhos úteis (QGU). Como se pode observar na
equação 5.4.
Equação 5.4
Nic = (Qt + QV - QGU) / Ap (kWh/m2. ano)
1 – Qt – as perdas de calor pela envolvente, Equação 5.5, são consideradas
como sendo a soma das perdas por zonas correntes (paredes, envidraçados,
pavimento e cobertura) em contacto com o exterior (Qext) ou locais não
aquecidos (Qlna), perdas por paredes ou pavimentos em contacto com o solo
(Qpe) e perdas por pontes térmicas (Qpt).
Equação 5.5
Qt = Qext + Qlna + Qpe + Qpt
•
(kWh/ano)
Qext: para calcular este termo é necessário: seleccionar todos elementos
em contacto com o exterior; obter a área (Ai) de todos os elementos,
medida pelo interior; obter o valor de Graus-Dias (GD) do local (este
valor está tabelado no anexo III do RCCTE); calcular o coeficiente de
transmissão térmica (Ui) de cada elemento; e utilizar a equação 5.6;
Equação 5.6
N
Qext = GD ⋅ 0.024 ⋅ ∑ Ui ⋅ Ai
(kWh/ano)
i =1
•
Qlna: relativamente a este termo é necessário executar todos os passos
referidos para o Qext, mas para elementos em contacto com locais não
aquecidos. Por outro lado, é necessário obter um coeficiente que
PÁGINA 137
contabilize a razão de amplitude térmica entre o interior e o exterior e a
amplitude térmica entre o local não aquecido e o interior (τ) (este valor
pode ser obtido recorrendo à Tabela 5.1). Seguidamente, é necessário
aplicar a Equação 5.7;
Tabela 5.1 – Tempo e custo de um diagnóstico de eficiência energética de um edifício
Ai/Au (1)
Tipo de espaço não-útil
CIRCULAÇÃO COMUM
sem abertura directa para o exterior
com abertura
a) Área de aberturas permanentes
permanente para o
/volume total < 0,05 m2/m3
exterior (p.ex.,para
b) Área de aberturas permanentes
ventilação ou
/volume total ³ 0,05 m2/m3
desenfumagem)
ESPAÇOS COMERCIAIS
EDIFÍCIOS ADJACENTES
ARMAZÉNS
GARAGENS
a) Privada
b) Colectiva
c) Pública
VARANDAS, MARQUISES E SIMILARES
COBERTURAS SOBRE DESVÃO NÃO HABITADO (ACESSÍVEL OU
NÃO)
a) Desvão não ventilado
b) Desvão fracamente ventilado
c) Desvão fortemente ventilado
0a1
1 a 10
> 10
0.6
0.3
0
0.8
0.5
0.1
0.9
0.7
0.3
0.8
0.6
0.95
0.8
0.9
0.95
0.8
0.6
0.6
0.7
0.5
0.7
0.8
0.6
0.2
0.6
0.3
0.3
0.4
0.5
0.2
0.8
0.6
0.4
0.9
0.7
1
0.5
(1) Ai - área do elemento que separa o espaço útil interior do espaço não-útil
Au - área do elemento que separa o espaço não-útil do ambiente exterior
Equação 5.7
N
Qln a = GD ⋅ 0.024 ⋅ ∑ Ui ⋅ Ai ⋅τ (kWh/ano)
i =1
•
Qpe: para obter este termo é necessário: seleccionar todos os elementos
em contacto com o terreno; obter o perímetro (B) do(s) elemento(s) em
contacto com o terreno, medido pelo interior; obter o valor de GrausDias (GD) do local; obter o coeficiente de transmissão térmica linear ( ϕ )
de cada elemento (este valor está tabelado no anexo IV do RCCTE,
tabela IV.2, onde são apresentado alguns exemplos); e utilizar a
equação 5.8;
PÁGINA 138
Equação 5.8
N
Q pe = GD ⋅ 0.024 ⋅ ∑ ϕ i ⋅ B i
(kWh/ano)
i =1
•
Qpt: por último é necessário obter este termo, sendo necessário:
seleccionar todas as pontes térmicas (normalmente são ligações entre
elemento; obter o valor de Graus-Dias (GD) do local; obter o perímetro
(B) das pontes térmicas; obter o coeficiente de transmissão térmica
linear ( ϕ ) de cada ponte térmica (este valor está tabelado no anexo IV
do RCCTE, tabela IV.3, onde são apresentado os casos mais comuns),
na figura 5.1 é apresentado um exemplo de ponte térmica; e utilizar a
Equação 5.9.
Figura 5.1 – Exemplo do cálculo do coeficiente de transmissão térmica linear ( ϕ ) de
uma ponte térmica. Fonte: RCCTE, 2005.
Equação 5.9
N
Q pt = GD ⋅ 0.024 ⋅ ∑ ϕ i ⋅ B i
(kWh/ano)
i =1
2 – QV – as perdas de calor por renovação de ar por ventilação natural pode
ser obtida a partir de – cálculo da área útil de pavimento (AP); obtenção do
pé-direito (Pd); obtenção do valor de Graus-Dias (GD) do local; cálculo da
taxa de renovação do ar horária (Rph). Pode-se adoptar como valor de Rph
0.6 h-1, no caso do edifício estar conforme a norma NP 1037-1. Caso contrário,
é necessário utilizar o Quadro IV.1 do Anexo IV do RCCTE; e utilizar a
Equação 5.10.
PÁGINA 139
Equação 5.10
QV = GD ⋅ 0.024 ⋅ (AP ⋅ Pd ⋅ R ph ⋅ 0.34)
(kWh/ano)
Em edifícios que utilizem ventilação mecânica, a taxa de renovação horária
depende do valor mais alto entre a taxa de insuflação e a de extracção. Para
sistemas de caudal variável, utiliza-se o caudal médio diário.
3 – QGU – os ganhos úteis são obtidos através do produto dos ganhos brutos
(QG) com o factor de utilização dos ganhos (η), como mostra a Equação 5.11.
Para obter o termo QG é necessário calcular os ganhos internos (QGi) e os
ganhos solares (QS) – Equação 5.12. Enquanto que para obter o η é necessário
calcular a inércia térmica do edifício e aplicar o seu factor associado (a) e um
factor que relaciona os ganhos térmicos com as perdas térmicas do edifício (γ)
– Equação 5.13.
Equação 5.11
QGU = QG ⋅ η (kWh)
Equação 5.12
QG = Q S + QI (kWh)
Equação 5.13
1− γ a
η=
⇒ γ ≠1
1 − γ a+1
η=
•
a
⇒ γ =1
a +1
Qi: este termo pode ser calculado a partir de: obtenção da área útil de
pavimento (AP); duração média da estação de aquecimento (M), a
qual se encontra no Anexo III do RCCTE; ganhos térmicos internos
médios por área útil (qi) (este valor pode ser obtido pela consulta da
Tabela 5.2); e aplicação da Equação 5.14;
Tabela 5.2 – Ganhos térmicos internos médios por tipo de edifícios
TIPO DE EDIFÍCIO
Residencial
Escritórios; Comércio; Restauração; Consultórios; Serviços de
Saúde; etc
Hotéis
Outros edifícios com pequena carga de ocupação
qi
(W/m2)
4
7
4
2
Equação 5.14
QI = qi ⋅ M ⋅ AP ⋅ 0.720 (kWh)
PÁGINA 140
•
QS: de forma a calcular este termo, é necessário: conhecer o valor
médio mensal da energia solar média incidente numa superfície vertical
orientada a sul (Gsul – kWh/m2.mês) (este valor pode ser conhecido
através de consulta à Tabela 5.4); obter o factor de orientação (Xj), ver
Tabela 5.3; conhecer a duração média da estação de aquecimento
(M), a qual se encontra no Anexo III do RCCTE; determinar a área
efectiva da superfície n que recebe radiação solar na orientação j (Asnj)
(este valor pode ser obtido utilizando a Equação 5.16); e aplicação da
Equação 5.15;
Tabela 5.3 – Factor de orientação
ORIENTAÇÃO
N
NE e NW
Xj
0.27
0.33
EeW
0.56
SE e SW
0.84
S
1
Horizontal
0.89
Tabela 5.4 – Energia solar média incidente por zona climática
ENERGIA SOLAR MÉDIA INCIDENTE NUMA SUPERFÍCIE
ZONA
VERTICAL ORIENTADA A SUL - GSUL (kWh/m2.mês)
I1 - Continente
108
Açores
70
Madeira
100
I2 - Continente
93
Açores
50
Madeira
80
I3 - Continente
90
Açores
50
Madeira
80
Equação 5.15


Q S = Gsul ⋅ M ⋅ ∑  X j ∑ ASnj 
j 
n

Equação 5.16
ASnj = Ae ⋅ FS ⋅ Fg ⋅ Fw ⋅ g ⊥ (m2)
(kWh)
com:
Ae – área do envidraçado (m2);
FS – factor de obstrução – este factor contabiliza a redução da transmissão de
radiação solar devido a vários obstáculos, utilizar Equação 5.17;
PÁGINA 141
Fg – factor fracção envidraçada – este factor entra com a redução da
transmissão de radiação solar devido ao caixilho do envidraçado, ver
Tabela 5.5;
Fw – factor de correcção da selectividade angular dos envidraçados – este
factor é de 0.9 para vidro simples e duplos, enquanto que para vidros especiais
é necessário utilizar os valores fornecidos pelos fabricantes;
g┴ – factor solar da superfície – este valor pode ser obtido consultando a
Tabela IV.4.1 e IV.4.2 do RCCTE, relativamente a superfícies de vidro ou de
plástico, respectivamente.
Tabela 5.5 – Factor de fracção envidraçada
CAIXILHO
TIPO DE
CAIXILHARIA
S/ quadrícula
C/ quadrícula
Alumínio ou Aço
0.7
0.6
Madeira ou PVC
0.65
0.57
Fachada Cortina
0.9
Equação 5.17
com:
FS = Fh ⋅ F0 ⋅ Ff
Fh – factor obstrução por obstáculos exteriores ao edifício, utilizar Tabela IV.5 do
RCCTE, atentado para que o ângulo de horizonte (α) é o ângulo formado
entre o ponto médio do vão envidraçado e o obstáculo em questão;
F0 – factor obstrução por elemento horizontais sobrepostos ao envidraçado,
como palas e varandas, utilizar Tabela IV.6 do RCCTE, atentado para que o
ângulo da pala (α) é o ângulo formado entre o ponto médio do vão
envidraçado e a extremidade da pala;
Ff – factor obstrução por elemento verticais adjacentes ao envidraçado, como
palas e corpo do edifício, utilizar Tabela IV.7 do RCCTE, atentado para que o
ângulo da pala (α) é o ângulo formado entre o ponto médio do vão
envidraçado e a extremidade da pala.
Calculando os factores Xj, Fh, F0, e Ff, é necessário garantir que o produto de
todos estes factores é sempre igual ou superior a 0.27.
PÁGINA 142
•
γ : para obter este termo, apenas é necessário aplicar a Equação 5.18,
com todos os termos já previamente definidos;
Equação 5.18
Qg
Ganhos
=
γ=
Perdas Qt + QV
•
a: este termo depende da inércia térmica do edifício da seguinte forma
– inércia térmica fraca => a = 1.8; inércia térmica média => a = 2.6;
inércia térmica forte => a = 4.2.
De forma a obter a Inércia Térmica do edifício, o RCCTE sugere o seguinte
procedimento:
1. Calcular a massa dos elementos exteriores, em contacto com
outra fracção ou espaço não-útil, sabendo que se o elemento
não possuir isolamento térmico, a massa superficial útil (Msi) é
metade da massa total do elemento (mt); enquanto que se o
elemento possuir isolamento térmico Msi = mt , contabiliza-se a
massa a partir do isolamento para o interior. Mas em nenhum dos
casos a Msi pode ultrapassar os 150 Kg/m2;
2. Calcular a massa dos elementos em contacto com o solo,
sabendo que se o elemento não possuir isolamento térmico a
massa superficial útil (Msi) é 150 Kg/m2, enquanto que se o
elemento possuir isolamento térmico Msi = mt , contabiliza-se a
massa a partir do isolamento para o interior. Mas em nenhum dos
casos a Msi pode ultrapassar os 150 Kg/m2;
3. Calcular a massa dos elementos interiores, sabendo que Msi = mt,
mas a Msi não pode ultrapassar os 300 Kg/m2;
4. No caso dos elemento contemplados nos Pontos 1 e 2 possuírem
revestimentos
superficiais
com
uma
resistência
térmica
compreendida entre 0.14 ≤ R ≤ 0.5 m2.ºC/W, é necessário
multiplicar a Msi por uma factor correctivo r = 0.5;
PÁGINA 143
5.
No caso dos elemento contemplados no Pontos 3 possuírem
revestimentos superficiais com uma resistência térmica superior a
0.14, é necessário multiplicar a Msi por um factor correctivo
r = 0.75, quando o revestimento apenas se apresenta numa face
do elemento, ou r = 0.5 quando o revestimento se apresente nas
duas faces do elemento;
6. Por último é necessário aplicar a Equação 5.19, sabendo que Si é
a área superficial interior do elemento.
Equação 5.19
∑i Msi ⋅ Si
(Kg/m2);
I=
AP
Cálculo das Necessidades de Arrefecimento - Nic
A metodologia de cálculo proposta pelo RCCTE para as Necessidades de
Arrefecimento é muito semelhante à metodologia de cálculo para as
necessidades de arrefecimento, mas com algumas adaptações para o Verão.
Enquanto que para as necessidades de aquecimento são utilizados os GrausDia, para as necessidades de arrefecimento é utilizada a Temperatura ar-sol2.
Por outro lado, estas metodologias referidas são complementares, pois
enquanto que para o Inverno os ganhos diminuem as necessidades e as
perdas aumentam as necessidades, no Verão passa-se o contrário. A
Equação 5.20 é aquela que rege as necessidades de arrefecimento. O factor
de utilização dos ganhos (η) é calculado de forma semelhante à descrita para
o caso das necessidades de aquecimento.
Equação 5.20
Nvc = [Qg.(1- η)] / Ap
(kWh/m2. ano)
Os ganhos térmicos brutos (Qg) estão divididos em quatro componentes, como
se pode observar na Equação 5.21. Esta divisão é executada de forma muito
2 Temperatura fictícia que representa o efeito combinado da radiação solar incidente na envolvente e as
trocas de calor por radiação e convecção entre a superfície e o meio envolvente.
PÁGINA 144
semelhante ao caso das necessidades de aquecimento. Assim, o termo Qg é
composto por: cargas térmicas resultantes da diferença de temperatura entre
o interior e o exterior do edifícios e da incidência da radiação solar na
envolvente opaca exterior (Q1); cargas térmicas resultantes da incidência da
radiação solar na envolvente transparente (Q2); cargas térmicas resultantes da
renovação de ar (Q3); cargas térmicas resultantes de fontes internas ao
edifício (Q4), como equipamentos, pessoas, etc.
Equação 5.21
Qg = Q1 + Q2 + Q3+ Q4
1 – Q1 – de forma a calcular as cargas térmicas resultantes da envolvente
opaca é necessário: obter o coeficiente de transmissão térmica (Ui) de cada
elemento – este valor é semelhante ao utilizado no caso das necessidades de
aquecimento; obter a área (Ai) de todos os elementos, medida pelo interior;
conhecer o valor da temperatura interior de conforto para o Verão (Ti), a qual
está definida no artigo 16º do RCCTE (25 ºC); conhecer o valor da temperatura
média do ar exterior na estação convencional de arrefecimento (Tm) – este
valor pode ser consultado na Tabela 5.7; obter a intensidade média de
radiação total incidente (Irj) para cada orientação j – este valor encontra-se
na Tabela 5.7; conhecer o valor do coeficiente de absorção da superfície
exterior (α), este valor pode ser obtido consultando a Tabela 5.6; utilizar o valor
da condutância térmica superficial exterior da envolvente (h0), admite-se que
este valor é 25 W/m2.ºC; e utilizar a Equação 5.22.
Tabela 5.6 – Coeficiente de absorção de superfícies exteriores
Clara -> Branco,
Média -> Vermelho
Escura -> Castanho,
CÔR DA
Creme, Amarelo,
escuro, Verde claro, Verde escuro, azul vivo,
SUPERFICIE
Laranja, Vermelho
Azul claro
azul escuro, preto
claro
COEFICIENTE
0.4
0.5
0.8
DE ABSORÇÃO
Equação 5.22


α 
Q1 = 2.928 ⋅ (Tm − Ti ) ⋅ ∑ Ui ⋅ Ai ⋅ +  ⋅ ∑  Ui ⋅ Ai ⋅ ∑ Ir j 
i
j
 h0  i 

PÁGINA 145
Tabela 5.7 – Temperatura média (Tm) e intensidade da radiação solar (Ir) para a
estação de arrefecimento
ZONA
V1 N
V1 S
V2 N
V2 S
V3 N
V3 S
Açores
Madeira
Tm
19
21
19
23
22
23
21
21
N
200
200
200
200
200
210
190
200
NE
300
310
320
340
320
330
270
300
E
420
420
450
470
450
460
360
380
SE
430
430
470
460
460
460
370
380
S
380
380
420
380
400
400
340
320
SO
430
440
470
460
460
470
370
370
O
420
430
450
470
450
460
360
380
NO
300
320
320
340
320
330
270
300
HORIZ.
730
760
790
820
800
820
640
700
Observando a Equação 5.22 é simples verificar que a primeira parte da
equação diz respeito às cargas térmicas resultantes da diferença de
temperatura entre o interior e o exterior, enquanto que a segunda parte da
equação diz respeito às cargas térmicas resultantes da incidência da
radiação solar. Por outro lado, como a Temperatura média (Tm) é inferior à
Temperatura de conforto de verão (Ti), a primeira parte da equação vai
diminuir
as
necessidades
de
arrefecimento.
Nestes
termos
não
são
contabilizadas as trocas de calor dos elementos em contacto com o solo,
assim como das pontes térmicas.
2 – Q2 – de forma a calcular as cargas térmicas resultantes da incidência da
radiação solar na envolvente transparente é necessário: obter a intensidade
média de radiação total incidente (Irj) para cada orientação j – este valor
encontra-se no Anexo III do RCCTE; determinar a área efectiva da superfície n
que recebe radiação solar na orientação j (Asnj); e utilizar a Equação 5.23.
Equação 5.23


Q2 = ∑  Ir j ⋅ ∑ Asnj 
j 
j

Asnj: este valor é obtido de forma semelhante à descrita para o caso da
estação de aquecimento, mas com algumas correcções para a situação
de Verão. Assim, considerando a Equação 5.16 e 5.17 temos:
•
Fg – é o mesmo que para o caso de Inverno, obtido através da consulta
da Tabela 5.5;
PÁGINA 146
•
Fw – semelhante ao caso do Inverno, mas neste caso depende da
orientação do envidraçado, sendo necessário consultar a Tabela 5.8;
•
Fh – toma o valor de 1 para o caso de Verão;
•
F0 e Ff – semelhantes ao caso do Inverno, mas devido a diferentes
relações solares durante o Inverno e o Verão, as Tabelas a consultar são
diferentes, ou seja, nestes casos é necessário consultar o Quadro V.1 e
V.2, respectivamente;
•
g┴ – em relação a este factor, é necessário considerar que existem
protecções solares 70% activas, ou seja, o valor final do factor solar é a
soma de 30% do factor solar do vidro e 70% do factor solar do vidro com
protecção solar activa a 100%. O factor solar sem protecção é obtido
de forma semelhante ao caso de Inverno, através da consulta das
Tabelas IV.4.1 e IV.4.2. O factor solar com protecção pode ser obtido
através da consulta do Quadro V.4 do RCCTE, para vidros simples e
duplos comuns, mas para vidros especiais é necessário utilizar a
Equação 5.24 ou 5.25 consoante o vidro seja simples ou duplo,
respectivamente.
Tabela 5.8 – Factor correcção da selectividade angular, para o caso do Verão (Fw)
TIPO DE VIDRO
N
NE / NO E / O
SE / SO
S
Simples
0.85
0.9
0.9
0.9
0.8
Duplo
0.8
0.85
0.85
0.85
0.75
Equação 5.24
g⊥ =
g⊥ v ⋅ g ' ⊥
0.85
Equação 5.25
g⊥ =
g⊥ v ⋅ g ' ⊥
0.75
com:
g’┴ – factor solar com protecções 100% activas e vidro comum;
g┴v – factor solar do vidro especial.
3 – Q3 – o cálculo das cargas térmicas resultantes da renovação do ar é
executado de forma semelhante ao caso de Inverno. Assim é necessário:
obter a taxa de renovação do ar horária (Rph), de forma semelhante ao caso
PÁGINA 147
do Inverno; determinar a área útil de pavimento (Ap); obter do pé-direito (Pd);
utilizar o valor da temperatura interior de conforto para o Verão (Ti –> 25º C);
conhecer o valor da temperatura média do ar exterior na estação
convencional de arrefecimento (Tm –> Tabela 5.7); e utilizar a Equação 5.26.
Equação 5.26
Q3 = (Tm − Ti ) ⋅ 2.928 ⋅ (AP ⋅ Pd ⋅ R ph ⋅ 0.34)
(kWh/ano)
É necessário atentar que, como a Temperatura média (Tm) é inferior à
Temperatura de conforto de Verão (Ti), as cargas térmicas resultantes da
renovação do ar vão reduzir as necessidades de arrefecimento.
4 – Q4 – o cálculo das cargas térmicas resultantes de fontes internas é
executado de forma semelhante ao caso de Inverno, sendo assim necessário:
determinar a área útil de pavimento (Ap); obter os ganhos térmicos internos
médios por área útil (qi) (este valor pode ser obtido pela consulta da
Tabela 5.2); e aplicar a Equação 5.27;
Equação 5.27
QI = qi ⋅ AP ⋅ 2.928
(kWh)
5.2. VISUALDOE
O VisualDOE é uma aplicação em ambiente Windows que permite estimar a
performance energética dos edifícios. O motor de cálculo utilizado para a
simulação horária das cargas térmicas é o DOE-2.1E. A versão 3.1 do VisualDOE
já pode ser considerada como verdadeiramente gráfica, permitindo um maior
controlo, em tempo real, da introdução dos elementos geométricos do edifício
a partir de imagens que o programa produz, as quais podem ser actualizadas
a qualquer momento. Outra melhoria, em termos gráficos, desta versão é a
possibilidade de editar as peças desenhadas simplesmente com a utilização
do ponteiro do rato. Como tal, o VisualDOE pode ser utilizado sem
conhecimentos de programação, tornando mais simples a avaliação da
performance energética dos edifícios. Contudo, é necessário ter em atenção
PÁGINA 148
alguns pormenores que podem levar a conflitos do programa, tal como a
utilização da vírgula como separador decimal na configuração do Windows
(Figura 5.2) ou a gravação dos projectos em estudo no VisualDOE numa
directoria diferente daquela onde foi instalado o programa (por exemplo
C:\Programas\GDT\Visualdoe\). No entanto, para utilizações mais avançadas
é sempre necessário um conhecimento relativamente aprofundado do motor
DOE-2.1E.
Figura 5.2 – Configuração do separador decimal no Windows
Em termos gerais, a interface do VisualDOE cria uma interacção entre o
ficheiro do projecto que se pretende estudar e livrarias e bases de dados que
esta ferramenta possui, resultando na criação de um ficheiro de “Input” para o
motor DOE-2.1E. Este último utiliza o seu motor de cálculo para obter a
simulação pretendida, com recurso ao ficheiro de dados climáticos, assim
como à sua base de dados própria, resultando num ficheiro de “output”
contendo os resultados desejados com a simulação. De forma a uma melhor
interpretação dos resultados obtidos, tanto o VisualDOE como o próprio DOE2.1E criam relatórios com os resultados obtidos. Este processo pode ser
observado de forma esquemática no Figura 5.3.
PÁGINA 149
Interface do VisualDOE
Ficheiro do
Projecto
Base de dados
do VisualDOE
Ficheiro de
“Input” do DOE
Base de dados
do DOE
Motor de
Simulação
do DOE
Processador
de texto
Dados
climáticos
do DOE
Relatórios
e gráficos
do VisualDOE
Ficheiro de
“output” do DOE
Relatórios
do DOE
Figura 5.3 – Diagrama de fluxo de informação do VisualDOE
A metodologia utilizada pelo VisualDOE é bastante útil pois permite utilizar
todas as potencialidades já existentes do DOE-2.1E, mas simplificando o
processo de execução do seu ficheiro de “input”. Consegue assim simular, de
forma precisa, a performance energética de edifícios que sejam projectados
com soluções não convencionais. Para utilizadores mais avançados, torna-se
até possível a introdução de rotinas novas, de forma a simular soluções não
contempladas no DOE-2.1E.
De forma a simular a performance energética de um edifício utilizando o
VisualDOE, é necessário considerar três passos distintos: Introdução dos dados
do projecto; Execução da simulação; Análise dos resultados.
5.2.1. INTRODUÇÃO DOS DADOS DO PROJECTO
Ao iniciar a utilização do programa VisualDOE é sempre necessário escolher as
unidades a utilizar: SI ou IP. Por defeito, as unidades que o programa escolhe
PÁGINA 150
são as IP. Para escolher as unidades SI é necessário iniciar um novo projecto e
escolher o “template” destas unidades, como se pode observar na Figura 5.4.
Figura 5.4 – Definição das unidades a utilizar no VisualDOE
Antes de iniciar a utilização do programa é conveniente configurar as bases
de dados existentes no VisualDOE, de forma a introduzir soluções e materiais
que não estão pré-definidos no mesmo, através do sistema de definição de
bases de dados que o VisualDOE possui, como se pode observar na Figura 5.5.
Assim, as bases de dados existentes são: Vidros [Glazings] – definição de vidros
com as características iguais ou semelhantes ao caso em estudo; Vãos
[Openings] – definição das dimensões do vidro, do caixilho e dos
sombreadores, como se mostra na Figura 5.5; Materiais [Materials] – definição
das características dos materiais constituintes dos elementos de construção
(paredes, pavimentos, etc); Elementos de Construção [Constructions] –
definição dos materiais que constituem os elementos, assim como a sua
ordem; Tipo de Ocupação [Occupancy] – definição do tipo de ocupação do
edifício e suas características, tais como a densidade ocupacional, a
temperatura de conforto para a estação de aquecimento e arrefecimento,
etc; Horários [Schedule] – definição dos horários ao longo do dia, em termos
de fracções de um dado número, on/off, temperaturas, períodos temporais ou
qualquer outro número; Taxas de Utilização [utility rates] – definição dos custos
energéticos de vários tipos de fontes energéticas, tais como a electricidade,
gás natural, etc.
PÁGINA 151
Figura 5.5 – Definição das componentes da base de dados de vãos envidraçados do
VisualDOE
Seguidamente, é desencadeada a introdução dos elementos referentes ao
edifício em estudo. O VisualDOE está subdividido em 6 pastas contendo
diferentes elementos:
•
Pasta Projecto ------------------------->
•
Pasta Blocos ---------------------------->
•
Pasta Compartimentos ------------->
•
Pasta Envolvente --------------------->
•
Pasta Sistemas de climatização ->
•
Pasta Zonas ----------------------------->
Pasta Projecto
Esta pasta contém informações genéricas sobre o projecto em estudo, como o
nome, endereço, etc., tal como é possível observar na Figura 5.6. Por outro
lado é nesta pasta que se escolhe o ficheiro climático a utilizar – aqui é
possível empregar um ficheiro existente no VisualDOE ou adicionar um ficheiro
específico de outras localizações ou com características distintas (no
Capitulo 6 é apresentada uma forma de realizar um ficheiro climático para
este programa utilizando dados de um sistema de medição).
PÁGINA 152
Figura 5.6 – VisualDOE, pasta projecto
Convém notar que inicialmente apenas se pode aceder à pasta projecto e
blocos, mas ao serem introduzidos os dados necessários em cada uma destas
pastas, a próxima pasta torna-se acessível, sendo este processo repetido até
todas as pastas estarem acessíveis. Este sistema é muito útil, pois torna a
introdução dos elementos geométricos do edifício um processo sistemático,
evitando erros por omissão de dados.
Pasta Blocos
Nesta pasta é possível definir as características geométricas do edifício em
estudo de duas formas: podem-se utilizar as geometrias predefinidas do
programa ou utilizar uma geometria específica e inserir os dados geométricos,
como se pode observar na Figura 5.7; também é possível introduzir os dados
geométricos do edifício a partir de ficheiros em formato CAD já existentes, se
estes ficheiros obedecerem a algumas regras que são referidas no manual do
VisualDOE (Green Design Tools, 2001). Seguidamente, é necessário definir o tipo
de elemento construtivo do pavimento, tecto e partições do edifício, para
cada bloco. Também é possível definir o pé-direito e o número de andares do
edifício.
PÁGINA 153
Figura 5.7 – VisualDOE, pasta blocos
Pasta Compartimentos
Nesta pasta são definidos os parâmetros relativos aos diversos compartimentos
presentes no edifício, tal como a potência de iluminação e equipamentos, o
tipo de ocupação, se é um espaço útil ou não-útil e a taxa de infiltração,
como se pode observar na Figura 5.8. Enquanto se vai definindo os vários
compartimentos, aquele que está seleccionado aparece representado a
amarelo na planta esquemática do edifício, que aparece no lado esquerdo
da janela.
Figura 5.8 – VisualDOE, pasta compartimentos
PÁGINA 154
Pasta Envolvente
Esta pasta tem o intuito de definir os elementos construtivos das paredes da
envolvente, assim como a integração dos vãos envidraçados. Tendo sido
definidos os vários vãos na base de dados, aqui apenas é necessário indicar e
colocar os respectivos vãos. Enquanto se definem as várias paredes da
envolvente, aquela que está seleccionada aparece representado por um
traço vermelho, na planta esquemática do edifício, que aparece no lado
esquerdo da janela. E também apresentada uma vista frontal da parede, de
modo a ser possível verificar a correcta do vão envidraçado, como se pode
observar na Figura 5.9.
Figura 5.9 – VisualDOE, pasta envolvente
Pasta Sistemas de Climatização
Nesta pasta é possível configurar o(s) sistema(s) de climatização a utilizar. O
VisualDOE possui uma vasta gama de sistemas, desde painéis de pavimento
para aquecimento, até sistemas de ar-condicionado multi-zona. Em primeiro
lugar é fundamental escolher se o sistema a utilizar é comum a todo o edifício
ou se existe um sistema por bloco ou zona. Seguidamente é necessário
escolher e configurar o(s) sistema(s) de climatização. Este programa possui um
editor onde se podem modificar vários parâmetros específicos de cada
sistema, além de ser possível modificar as curvas específicas de todos os
PÁGINA 155
equipamentos de climatização. Na Figura 5.10 está apresentada a pasta
sistemas de climatização e o respectivo editor.
Figura 5.10 – VisualDOE, pasta sistemas de climatização
Pasta Zonas
Esta pasta tem como intuito a configuração do termóstato dos equipamentos
de aquecimento e/ou arrefecimento, assim como do caudal de ar de entrada
e de escape, como se pode observar na Figura 5.11. Nesta pasta, a zona que
está a ser configurada aparece a amarelo na planta esquemática
representada na parte esquerda do ecrã.
Figura 5.11 – VisualDOE, pasta zonas
5.2.2. EXECUÇÃO DA SIMULAÇÃO
Posteriormente à introdução de todos os dados relativos ao projecto, é
possível executar uma simulação inicial, de forma a avaliar a performance
energética do edifício. Para uma análise de resultados mais simples, é
PÁGINA 156
necessário escolher os relatórios que mais se adequam ao caso em estudo. No
VisualDOE a configuração da simulação está subdividida em 3 pastas
contendo diferentes elementos:
•
Pasta Simulação --------------->
•
Pasta Relatórios Padrão ----->
•
Pasta Relatórios Horários ---->
Pasta Simulação
Esta pasta serve apenas para ordenar a execução da simulação pretendida,
além de possuir duas opções:
1 - utilizar um ficheiro de “input” já existente – esta opção é apresentada para
que se possam editar os ficheiros de “input” criados pelo VisualDOE, de forma
a aproveitar as potencialidades do DOE-2.1E;
2 - não criar relatórios horários - esta última opção é útil para casos onde
apenas se está a testar várias opções e como a criação dos relatórios horários
pode ser um processo moroso, esta opção pode tornar o processo de
comparação de várias soluções mais rápido.
Pasta Relatórios Padrão
Esta pasta contém os relatórios padrão que podem ser seleccionados para
serem criados pelo VisualDOE. Estes relatórios contêm os resultados energéticos
em termos anuais ou mensais, além de detalhes do edifício ou ficheiro
climático utilizado. Assim, dependendo do tipo de análise, podem ser
seleccionados os relatórios mais convenientes.
Pasta Relatórios Horários
Esta pasta contém os relatórios horários que podem ser seleccionados para
serem criados pelo VisualDOE. Adicionalmente é possível utilizar um editor
onde se escolhem os parâmetros necessários para o estudo. É conveniente
atentar que quantos mais parâmetros forem escolhidos para analisar em
termos horários, mais pesada fica a simulação, podendo resultar num processo
moroso.
PÁGINA 157
Depois de executar a simulação é criado um ficheiro “input” o qual é utilizado
pelo motor do DOE-2.1E. Assim, antes de executar a análise de resultados,
pode ser necessário editar este
ficheiro, para casos que não estão
previstos pelo VisualDOE, sendo
necessário modificar certas linhas
de comando do ficheiro “input” de
forma a aproximar o modelo à
realidade. Um caso muito simples
em que tal pode ocorrer é em
relação às estufas, neste caso o
VisualDOE não possui nenhuma
opção, mas com a introdução de
uma simples linha de comando
pode-se
definir
que
um
certo
espaço é uma estufa, como se
pode observar na Figura 5.12.
Figura 5.12 – Ficheiro de “Input“ do DOE-2.1E
5.2.3. ANÁLISE DE RESULTADOS
A análise dos resultados obtidos pelo VisualDOE pode ser executada de várias
formas. Em termos gerais esta ferramenta produz dois grandes grupos de
resultados, como se pode observar no esquema da Figura 5.3:
•
Relatórios e gráficos realizados pelo VisualDOE;
•
Relatórios realizados pelo DOE-2.1E.
A causa da diferença destes dois grupos de resultados é que, enquanto os
relatórios executados pelo VisualDOE são direccionados para a plataforma
Windows, com possibilidade de exportar os resultados em ficheiros de rich text
format (*.rtf), compatíveis com os processadores de texto mais utilizados; os
relatórios executados pelo DOE-2.1E são direccionados para o sistema
PÁGINA 158
operativo DOS, embora o acesso aos relatórios horários apenas se possa fazer
com recurso aos relatórios do DOE-2.1E. Uma inovação do VisualDOE é a
possibilidade de criar e editar uma grande quantidade de gráficos,
possibilitando a exportação destes como imagens em formatos compatíveis
com a maioria dos processadores de imagem (*.JPG, *.BMP, etc).
Relatórios e gráficos do VisualDOE
Depois de executada a simulação, o VisualDOE apresenta três tipos de
resultados – diagnóstico, relatórios e gráficos. Analisando cada um destes tipos
de resultados, temos:
•
Diagnóstico – apresenta duas pastas, uma relativa às zonas do edifício,
apresentando as temperatura máximas e mínimas, as horas com
temperatura abaixo da temperatura de conforto de Inverno e as horas
com temperatura acima da temperatura de conforto de Verão, por
cada zona do edifício, a segunda respectiva ao sistema de
climatização, apresentando a carga de pico e a capacidade de
aquecimento e arrefecimento, como se pode observar na Figura 5.13;
Figura 5.13 – VisualDOE – diagnóstico. Pasta zonas e sistemas de climatização
•
Relatórios – podem ser consultados os relatórios relativos aos detalhes
de arquitectura do edifício, detalhes das várias zonas, detalhes do
sistema de climatização e performance energética do edifício. Nestes
PÁGINA 159
relatórios também é possível consultar os consumos energéticos totais
por tipo de consumo (aquecimento, arrefecimento, etc.);
•
Gráficos – aqui é possível trabalhar os resultados obtidos de forma
gráfica,
desde
as
temperaturas
exteriores
aos
dados
horários
seleccionadas anteriormente à simulação. Em todos os gráficos é
possível definir variados parâmetros, como se pode observar na
Figura 5.13.
Figura 5.14 – VisualDOE – gráficos
Relatórios do DOE-2.1E
Depois de executada a simulação, o DOE-2.1E produz três ficheiros contendo
diferentes tipos de resultado – ficheiro de “output”, ficheiro de dados horários e
ficheiro de estatísticas climáticas. Resumidamente, temos;
•
Ficheiro de “Output” – neste ficheiro são apresentados todos os
relatórios padrão seleccionados antes da execução da simulação;
•
Ficheiro de dados horários – neste ficheiro são apresentados os
relatórios horários seleccionados antes da execução da simulação;
•
Ficheiro de estatísticas climáticas – neste ficheiro são apresentados, de
forma resumida, vários dados climáticos presentes no ficheiro climático
utilizado para a simulação. Estes dados vão desde as temperaturas
médias, Graus-Dia, até à radiação solar incidente.
Com base em todos os relatórios e gráficos resultantes da simulação
executada no VisualDOE, é relativamente simples proceder à análise da
PÁGINA 160
performance energética do edifício. Adicionalmente, o VisualDOE permite
criar várias alternativas ao caso base simulado, onde, a partir de pequenas
modificações, como a espessura do isolamento em algumas paredes, é
possível verificar de forma expedita a consequência, em termos energéticos,
destas pequenas alterações. O VisualDOE permite utilizar até 99 alternativas ao
caso base. Este procedimento é de grande utilidade na fase de projecto,
permitindo escolher dentro das várias opções disponíveis aquela com uma
melhor performance energética.
PÁGINA 161
6. CAPÍTULO 6 – CASO DE ESTUDO
6.1. INTRODUÇÃO AO CASO DE ESTUDO
O Caso de Estudo proposto é a análise da performance térmica das Células
de Teste construídas na Universidade do Minho, Escola de Engenharia, em
Guimarães – na Figura 6.1 é possível identificar as Células de Teste no Pólo de
Azurém. Uma Célula de Teste pode ser definida como um protótipo à escala
real, construído com o intuito de aplicar elementos ou sistemas construtivos de
edifícios, submetendo-os a condições reais e testando assim a sua
performance. As Células de Teste (CT) em questão foram projectadas pelo
Arquitecto Paulo Mendonça, com o apoio do Laboratório de Física e
Tecnologia das Construções. O pressuposto para a construção das CT foi a
possibilidade de comparar a performance de uma solução executada a partir
de soluções convencionais da construção Portuguesa, Célula de Teste
Convencional, com uma solução não-convencional construída com base em
princípios bioclimáticos. Adicionalmente, foi construída uma terceira CT com a
possibilidade de integrar diferentes componentes de diversos tipos para serem
submetidos a diferentes estratégias de ensaio em função das características
PÁGINA 162
CAPÍTULO 6 – Caso de Estudo
que se pretendem avaliar. Para tal, foi utilizada a metodologia seguida no
Projecto Europeu Passys para a construção desta terceira CT – Célula de Teste
tipo Passys (Maldonado e Afonso, 1994).
Figura 6.1 – Localização das Células de Teste na Escola de Engenharia, Universidade
do Minho. Fonte: Google Earth
De forma a comparar a performance energética das Células de Teste, foram
utilizadas três metodologias: medição da performance “in-situ”; aplicação da
metodologia de cálculo do RCCTE de forma a estimar as necessidades de
aquecimento e arrefecimento; e utilização da ferramenta de simulação da
performance energética – VisualDOE.
6.1.1. CÉLULAS DE TESTE
Como já foi referido previamente, as Células de Teste são divididas em três
Células independentes:
•
Célula de Teste Convencional (CTC) – esta é a célula com uma
construção semelhante à convencional Portuguesa, sendo as paredes
exteriores duplas constituídas por (do exterior para o interior) tijolo
furado de 11 cm, caixa de ar de 4 cm, isolamento de poliestireno
extrudido (PXS) de 4 cm e tijolo furado de 15 cm, além de uma camada
de 2 cm de reboco em ambas as faces. As paredes interiores são
simples e constituídas por um pano de tijolo furado de 11 cm e com
uma camada de 2 cm de reboco em ambas as faces. O pavimento é
PÁGINA 163
constituído por uma laje de betão aligeirada de 25 cm, uma camada
de regularização de 4 cm e o revestimento em placas de lamparquet.
A cobertura é composta por uma laje de betão aligeirada de 25 cm. A
CTC é composta por três divisões, a primeira pretende simular um
quarto de dormir, a segunda uma casa de banho e a terceira um hall,
como é possível observar na Figura 6.2.
3
2
Norte
1
Figura 6.2 – Planta, alçado e foto da fachada sul da Célula de Teste Convencional.
•
Célula de Teste não Convencional (CTnC) – esta Célula é dividida em
dois compartimentos, como é possível observar na Figura 6.3. O
compartimento 1 possui uma massa térmica elevada e pretende simular
um quarto de dormir, enquanto que o compartimento 2 tem baixa
massa térmica e pretende simular um escritório. A CTnC foi construída
segundo princípios bioclimáticos, ou seja, o compartimento 1 tem
elevada massa de forma a aproveitar o efeito da inércia térmica; possui
uma fachada a sul com envidraçado de forma a tirar proveito da
energia solar passiva, mas com a aplicação de sombreadores
horizontais e verticais, de forma a não provocar sobreaquecimento
durante o Verão; é utilizado um material disponível localmente –
a
terra, de forma a construir a parede sul e oeste do compartimento 1; foi
construída uma estufa como uma estratégia de ganho indirecto; para o
compartimento 2 foi utilizado um envidraçado de grandes dimensões
de forma a aproveitar a iluminação natural que este proporciona. Os
PÁGINA 164
elementos construtivos da CTnC podem ser observados na Tabela 6.1,
atentando para o facto de estarem identificados do exterior para o
interior.
Tabela 6.1 – Elementos construtivos da CTnC
Compartimento 1
Compartimento 2
Oeste - parede dupla com
Oeste - parede tripla com uma placa de
uma placa de aglomerado
aglomerado madeira / cimento de 12
madeira / cimento de 12 mm,
mm, espaço de ar de 6 cm, uma placa
espaço de ar de 4 cm,
de aglomerado madeira/ cimento com
isolamento de aglomerado
19 mm, isolamento de aglomerado negro
negro de cortiça com 5 cm,
de cortiça com 8 cm, isolamento de
parede de terra compactada
fibras de côco com 2 cm, uma placa de
Paredes
(adobe) com 15 cm, caiada
gesso cartonado com 13 mm
pelo interior
Sul - parede simples de terra
Norte - parede simples constituída por
compactada (adobe) com 15
uma placa de policarbonato alveolar
cm de espessura e caiada de
com 10 mm
ambos os lados
Divisória - Placa de contraplacado com 1 cm
Placa de aglomerado madeira / cimento
com 12 mm, isolamento de aglomerado
Laje de betão alveolar com 20
negro de cortiça com 8 cm, espaço de
cm, camada de regularização
Pavimento
ar de 10 cm, isolamento de fibras de
com 4 cm, revestimento em
côco com 2 cm, placa de aglomerado
placas de lamparquet
madeira / cimento com 19 mm,
revestimento em placas de lamparquet
Cobertura Isolamento de aglomerado Placa de aglomerado madeira / cimento
negro de cortiça com 8 cm, com 12 mm, isolamento de aglomerado
placa de aglomerado madeira negro de cortiça com 8 cm, isolamento
/ cimento com 12 mm, espaço de fibra de côco de 2 cm, placa de
de ar de 15 cm, laje de betão aglomerado madeira / cimento com
19 mm.
alveolar com 20 cm.
2
Norte
1
Figura 6.3 – Planta, alçado e foto da fachada sul da Célula de Teste não
Convencional.
PÁGINA 165
•
Célula de Teste tipo Passys (CTP) – esta célula é dividida em dois
compartimentos, como se pode observar na Figura 6.4, onde o
compartimento 1 é o espaço de teste a elementos construtivos,
enquanto que o compartimento 2, também chamado de zona de
serviço, tem como função alojar equipamentos do sistema de medição,
como o computador, data-logger, etc. Os elementos construtivos da
CTP podem ser observados na Tabela 6.2, atentando para o facto de
estarem identificados do exterior para o interior.
Tabela 6.2 – Elementos construtivos da CTP
Compartimento 1
Compartimento 2
Sul - parede simples constituída por uma Norte - parede simples com
placa de policarbonato alveolar com 10 uma placa de aglomerado
mm
madeira / cimento de 19 mm.
Este (divisória com CTC) Este (divisória com CTC) - parede simples
parede simples com camada
com camada de reboco de 2 cm, tijolo
de reboco de 2 cm, tijolo
furado com 11 cm, camada de reboco
furado com 110 cm, placa
de 2 cm, isolamento de poliestireno
de aglomerado madeira /
extrudido (PXS) com 20 cm.
cimento de 12 mm.
Paredes
Oeste 1 (divisória com compartimento 1
da CTnC) - parede simples com camada
de
terra
compactada
(adobe),
Oeste
(divisória
com
isolamento de poliestireno extrudido (PXS)
compartimento 2 da CTnC) com 20 cm.
parede dupla com placa de
Oeste 2 (divisória com compartimento 2 gesso cartonado com 13
da CTnC) - parede dupla com placa de mm, espaço de ar com 5 cm,
de
aglomerado
gesso cartonado com 13 mm, espaço de placa
ar com 5 cm, placa de aglomerado madeira / cimento de 12 mm.
madeira / cimento de 12 mm, isolamento
de poliestireno extrudido (PXS) com 20 cm.
Divisória - parede simples com uma placa de aglomerado madeira /
cimento de 12 mm, isolamento de poliestireno extrudido (PXS) com 10 cm.
Placa de aglomerado madeira / cimento
com 12 mm, espaço de ar de 10 cm,
placa de aglomerado madeira / cimento
Pavimento com 19 mm, isolamento de poliestireno
extrudido (PXS) com 25 cm, camada de
óleo de côco com 5 cm, revestimento em
lamparquet.
Placa
de
aglomerado
madeira / cimento com 12
mm, espaço de ar de 10 cm,
placa
de
aglomerado
madeira / cimento com
19 mm
Placa de contraplacado com 5 cm, placa
de aglomerado madeira / cimento com
Cobertura
12 mm, isolamento de poliestireno
extrudido (PXS) com 30 cm.
Placa de contraplacado
com 5 cm, placa de
aglomerado
madeira
/
cimento com 12 mm.
PÁGINA 166
2
1
Norte
Figura 6.4 – Planta, alçado e foto da fachada sul da Célula de Teste tipo Passys.
6.1.2. INSTRUMENTAÇÃO DAS CÉLULAS DE TESTE
De forma a avaliar a performance “in-situ” das Células de Teste, assim como
proceder à comparação entre as soluções escolhidas, foi necessário instalar
um sistema de medição nas Células de Teste. O sistema de medição pode ser
dividido em três componentes base:
•
Estação
meteorológica
–
este
componente
alberga todos os sensores configurados para medir
parâmetros climáticos considerados relevantes.
Assim, a estação meteorológica (Figura 6.5) é
composta
por
1
sensor
de
temperatura
e
humidade relativa; 1 sensor de velocidade e
direcção do vento; 1 sensor de luminosidade;
1 sensor de precipitação.
•
Sistema de medição das Células de Teste - este
componente
alberga
todos
os
sensores
Figura 6.5 – Estação
meteorológica.
configurados para medir parâmetros interiores considerados relevantes.
Assim, este sistema é composto por 7 sensores de temperatura interior,
um por cada compartimento, onde para os casos do compartimento 1
da CTC e da CTP e os dois compartimentos da CTnC, estes sensores
também possuem a capacidade de medir a humidade relativa; 33
PÁGINA 167
sensores de temperatura superficial, distribuídos pela 3 Células de Teste,
como se pode ver na Figura 6.6; 4 sensores de fluxo de calor, parede
oeste do compartimento 1 da CTnC, parede sul do compartimento 1 da
CTnC, parede oeste do compartimento 2 da CTnC e parede este do
compartimento 1 da CTC; 2 sensores de luminosidade, compartimento 1
da CTC e compartimento 2 da CTnC; 2 sensores de fluxo de ar,
compartimento 1 da CTC e compartimento 1 da CTnC.
•
Sistema de armazenamento de dados – este componente alberga o
data-logger (Figura 6.7) com dois multiplexadores (de forma a obter
todas as entradas necessárias) e um computador de apoio.
Figura 6.6 – Planta com a disposição dos sensores de temperatura superficial.
Figura 6.7 – Data-Logger das Células de Teste.
PÁGINA 168
Com o sistema de instrumentação em funcionamento foi possível obter os
dados necessários de forma a possibilitar a comparação da performance das
Células de Teste (estes valores serão apresentados e comentados no
Capítulo 7), a obtenção de um ficheiro climático e o cálculo do coeficiente
de condutibilidade térmica “in-situ” de várias paredes, entre outros.
6.2. APLICAÇÃO DO RCCTE AO CASO DE ESTUDO
Uma das metodologias utilizadas para proceder à avaliação da performance
da Células de Teste foi, como referido anteriormente, o novo Regulamento das
Características de Comportamento Térmico dos Edifícios (RCCTE). Assim, foi
seguida a metodologia apresentada no Capítulo 5, de forma a obter o valor
das Necessidades de Aquecimento e as Necessidades de Arrefecimento para
a CTC, CTnC e CTP antes e depois da aplicação da estufa na fachada Sul
(Figura 6.8). Em termos gerais, para a aplicação do RCCTE a este caso, é
necessário identificar o concelho onde foram construídas as Células de Teste –
Guimarães – de forma a conhecer a sua zona climática – I2, V2.
Figura 6.8 – Células de Teste com estufa (foto da esquerda) e sem estufa (foto da
direita).
Por outro lado, no caso dos parâmetros - Graus-Dia (GD), Energia solar média
mensal incidente numa superfície vertical orientada a sul (Gsul) e Temperatura
média na estação de Verão (Tm) – o valor utilizado não foi o apresentado no
Anexo III do RCCTE. Foram utilizado os valores obtidos “in-situ”, de forma a
calcular os parâmetros necessários, de modo a obter como que uma
PÁGINA 169
“calibração” do modelo, aumentando a precisão da metodologia ao caso de
estudo.
Adicionalmente, para os casos das paredes instrumentadas com sensores de
fluxo de calor, o coeficiente de transmissão térmica foi calculado a partir dos
valores de fluxo de calor e temperatura superficial (interior e exterior) das
paredes, medidos “in-situ”, o que irá resultar na utilização dos valores reais do
valor U, em vez de valores tabelados. Este procedimento foi baseado na
NORMA ASTM C1155 – 95 (no Anexo II é apresentado o método de cálculo
para obtenção do coeficiente de transmissão térmica a partir de valores
medidos “in-situ”).
Com o intuito de tornar o processo de cálculo do coeficiente de transmissão
térmica (U) das parede mais célere, foi criada uma folha de cálculo em Excel
(Figura 6.9), onde apenas é necessário seleccionar os materiais que compõem
as várias camadas da parede, de forma a obter o valor de U, peso específico
(útil no cálculo da inércia térmica) e custo energético.
Figura 6.9 – Folha de cálculo de Excel para obtenção do coeficiente de
condutibilidade térmica.
PÁGINA 170
6.2.1. CÁLCULO DAS NECESSIDADES DE AQUECIMENTO
Para o cálculo das Necessidades de Aquecimento anuais das Células de
Teste, o primeiro passo realizado foi a medição do pé-direito e da área útil do
pavimento de todas as Células, valores esses apresentados na Tabela 6.3:
Tabela 6.3 – Área útil e pé-direito das Células de Teste
CTC
CTnC
Área útil de Pavimento [m2] 14.3
18.3
Pé Direito [m]
3.2
2.8
Seguidamente foi necessário obter as perdas térmicas das Células de Teste,
através da envolvente exterior, pontes térmicas, pavimento, cobertura,
paredes em contacto com áreas não-úteis, envidraçados e renovação do ar,
utilizando para tal os valores calculados de U, medindo as áreas das paredes,
pavimento, coberturas e envidraçados e medindo o perímetro das pontes
térmicas lineares. Os valores das perdas térmicos para cada Célula de Teste
são apresentados na Tabela 6.4:
Tabela 6.4 – Perdas térmicas das Células de Teste no Inverno
PERDAS TÉRMICAS (W/ºC)
Com
Sem
Com
Sem
Estufa
Estufa
Estufa
Estufa
Paredes Exteriores
25.1
45.5
14.4
17.6
Pontes Térmicas
0.84
0.96
Pavimento
18.6
21.63
Cobertura
8
20.8
Paredes em contacto
25.2
8.91
10.37
7.86
com zonas não úteis
Envidraçados
20.1
22.95
10.3
22.79
Renovação do ar
10.5
9.3
CTnC
CTC
Posteriormente foi necessário calcular a inércia térmica das Células de Teste a
partir dos pesos específicos dos elementos construtivos e obedecendo a regras
referidas no Capítulo 5. Para o RCCTE, a inércia térmica do compartimento é
utilizada de forma a obter o factor de utilização dos ganhos solares. Assim
temos a CTnC e CTC com inércia forte.
PÁGINA 171
Para o cálculo dos ganhos térmicos apenas temos os ganhos solares, pois as
Células de Teste não estão apetrechadas com equipamentos eléctricos ou
iluminação. Assim, a partir dos valores tabelados apresentados no RCCTE e
calculando o factor de sombreamento das várias palas existentes obtiveramse os valores apresentados na Tabela 6.5:
Tabela 6.5 – Ganhos térmicos das Células de Teste no Inverno
Ganhos Solares
Factor de
brutos
utilização
S/ Estufa
0.99
CTnC
1137.5
C/ Estufa
0.97
S/ Estufa
0.98
CTC
1412.3
C/ Estufa
0.97
Ganhos
úteis
1126.1
1103.4
1384.0
1369.6
Obtendo os valores dos ganhos e perdas térmicas das Células de Teste, foi
possível calcular as Necessidades de Aquecimento para cada caso – estes
valores serão apresentados e comentados no Capítulo 7.
6.2.2. CÁLCULO DAS NECESSIDADES DE ARREFECIMENTO
O cálculo das necessidades de arrefecimento é executado de forma
semelhante ao das necessidades de aquecimento, ou seja, realizando um
balanço entre as perdas e os ganhos térmicos, sendo que neste caso os
ganhos aumentam as necessidades. De forma a calcular as perdas térmicas, o
procedimento é muito simples, uma vez que os valores das perdas pela
envolvente exterior, envidraçados e renovação de ar, foram já previamente
calculados aquando das necessidades de aquecimento. A única diferença
será a utilização da diferença entre a temperatura de conforto para o Verão
(25 ºC) e a temperatura média, ao invés do valor de Graus-Dia. Os valores
obtidos são apresentados na Tabela 6.6:
Tabela 6.6 – Perdas térmicas das Células de Teste no Verão
PERDAS TÉRMICAS (kWh)
CTnC
CTC
Com Estufa
773
856
Sem Estufa
1056
1055
PÁGINA 172
O passo seguinte será o cálculo dos ganhos térmicos. Nas Células de Teste os
ganhos térmicos presentes são os ganhos solares pelos envidraçados
(calculados de forma semelhante ao caso de Inverno mas com as tabelas a
utilizar adaptadas para o Verão) e os ganhos solares pela envolvente opaca
(este caso também é calculado de forma semelhante ao Inverno mas é
utilizado um factor de absorção da parede e a radiação solar incidente ao
invés de utilizar os Graus-Dia). Aplicando a metodologia apresentada no
Capítulo 5, atingiu-se os valores apresentados na Tabela 6.7:
Tabela 6.7 – Perdas térmicas das Células de Teste no Verão
GANHOS TÉRMICOS (kWh)
CTnC
CTC
Ganhos solares
Com
Sem
Com
Sem
através de:
Estufa
Estufa
Estufa
Estufa
Envidraçados
786
807
450
582
Envolvente opaca
877
1151
596
638
TOTAIS
1663
1958
1046
1220
Obtendo os valores dos ganhos e perdas térmicas das Células de Teste foi
possível calcular as Necessidades de Arrefecimento para cada caso –> estes
valores serão apresentados e comentados no Capítulo 7.
6.3. APLICAÇÃO DO VISUALDOE AO CASO DE ESTUDO
De forma a estudar a performance energética das Células de Teste no
VisualDOE, o primeiro passo executado foi a obtenção de um ficheiro
climático apropriado ao caso em estudo. Em situações correntes e para as
principais cidades de Portugal, existem já vários ficheiros disponíveis na página
de Internet do Departamento de Energia dos Estados Unidos (U.S. Department
of Energy, 2005), mas para situações experimentais é habitual obter um ficheiro
climático com base em parâmetros medidos “in-situ”. Assim, para este caso de
estudo, a partir dos parâmetros medidos pela estação meteorológica das
Células de Teste, calcularam-se os parâmetros necessários para obter um
ficheiro climático compatível com o VisualDOE, como se pode observar na
Tabela 6.8. Mas, atentando para o facto de o ficheiro climático necessário
para o VisualDOE ter os parâmetros em unidades IP, enquanto que o sistema
PÁGINA 173
de medição utilizado nas Células de Teste apresenta os parâmetros em
unidades SI, foi necessário converter as unidades de todos os parâmetros. A
metodologia seguida para obtenção do ficheiro climático está descrita
detalhadamente no Anexo I.
Tabela 6.8 – Parâmetros do ficheiro climático para o VisualDOE.
Parâmetros Medidos
Parâmetros Necessários
"In-Situ"
1) Temperatura
Temperatura de bolbo seco
Calculados a
partir de:
1)
2) Humidade Relativa
Temperatura de bolbo húmido
1); 2)
3) Precipitação
Razão de humidade
1; 2)
4) Direcção do Vento
Entalpia
1); 2)
5) Velocidade do Vento
Precipitação
3)
6) Radiação solar total horizontal
Direcção do Vento
4)
Velocidade do vento
5)
Radiação solar total horizontal
6)
Radiação solar directa
6)
6.3.1. INTRODUÇÃO DOS DADOS DAS CÉLULAS DE TESTE
De forma a possibilitar uma introdução de dados sistemática no VisualDOE, foi
necessário inserir nas bases de dados desta ferramenta os elementos existentes
nas Células de Teste:
•
Envidraçados – vidro simples, vidros duplo e policarbonato;
•
Vãos – CTC (1 vão na fachada sul e 2 vãos na fachada norte), CTP (1
vão na fachada sul), CTnC (1 vão na fachada sul e 2 vãos na fachada
norte);
•
Materiais de Construção – tijolo, aglomerado madeira / cimento, gesso
cartonado, fibra de côco, etc;
•
Paredes exteriores – parede dupla de tijolo, parede simples de adobe,
parede dupla de adobe e aglomerado madeira / cimento com
isolamento, etc;
•
Paredes interiores – parede simples de tijolo, parede simples de adobe
com isolamento, etc;
PÁGINA 174
•
Pavimentos – CTC, CTP (compartimento 1 e 2), CTnC (compartimento 1
e 2);
•
Coberturas – CTC, CTP (compartimento 1 e 2), CTnC (compartimento 1
e 2).
Com todas as bases de dados definidas, foi criado um novo projecto no
VisualDOE e iniciada a introdução dos dados de forma semelhante à referida
no Capítulo 5, preenchendo as várias pastas constituintes da ferramenta:
•
Pasta Projecto – aqui foi definido o nome do projecto – “Células de
Teste”,
e
introduzido
o
ficheiro
climático
adequado
–
“Guimarães04_UM”, entre outros aspectos;
•
Pasta blocos – nesta pasta foi utilizado o editor de blocos do VisualDOE
para definir a planta das Células de Teste e seguidamente foram
escolhidos os elementos construtivos para o pavimento, cobertura e
paredes interiores, já introduzidos na base de dados. Como os
elementos construtivos do pavimento e cobertura das Células de Teste
diferem entre os vários compartimentos e o VisualDOE apenas permite
escolher 1 cobertura, 1 pavimento e 1 parede interior por bloco, foi
necessário editar o ficheiro de “Input” criado posteriormente pelo
VisualDOE (este procedimento é desenvolvido no ponto 6.3.2);
•
Pasta Compartimentos – aqui foi definido que os compartimentos 2 e 3
da CTC, o compartimento 2 da CTP e as estufas, são espaços não-úteis.
Também foi definido que não existem pessoas, equipamentos e
iluminação em nenhum dos compartimentos;
•
Pasta Envolvente – nesta pasta foram introduzidos todos os vãos,
previamente definidos nas bases de dados do VisualDOE, nas fachadas
correspondentes, como se pode observar na Figura 6.10. Seguidamente
foi seleccionado o elemento construtivo de cada fachada.
•
Pasta Sistemas de Climatização – aqui foi escolhido um sistema de
climatização com aquecimento e arrefecimento com capacidade de
manter a temperatura nos espaços úteis em 20 ºC, para a estação de
aquecimento e 25 ºC, para a estação de arrefecimento;
PÁGINA 175
•
Pasta Zonas – nesta pasta apenas foi necessário escolher a sensibilidade
do termóstato – 2 ºC.
Norte
Figura 6.10 – Definição da “envolvente” das Células de Teste.
6.3.2. EXECUÇÃO DA SIMULAÇÃO DAS CÉLULAS DE TESTE
Com todos os dados das Células de Teste introduzidos foi executada uma
primeira simulação, onde o único intento era a geração de um ficheiro de
“Input” caracterizando as Células de Teste. Assim, para uma maior
aproximação do modelo criado à situação real, foram necessárias algumas
alterações no ficheiro de “Input” inicial:
•
Introdução de todos os materiais e elementos construtivos em falta no
ficheiro “Input”. Para se realizar esta tarefa de forma rápida e utilizar as
potencialidades do VisualDOE, pode ser executada a simulação várias
vezes, alterando os elementos utilizados e copiando os materiais e
elementos adicionais para o ficheiro de “input”, como se pode observar
na Figura 6.11;
PÁGINA 176
Figura 6.11 – Adição de materiais no ficheiro de “Input” do VisualDOE.
•
Alteração dos elementos construtivos das paredes interiores, coberturas
e pavimentos. Para tal pode ser utilizado o editor próprio do VisualDOE e
alterar directamente o nome da construção utilizado numa primeira
instância pelo VisualDOE, pelo elemento realmente utilizado nas Célula
de Teste, como se pode observar na Figura 6.12;
Figura 6.12 – Alteração de elementos construtivos no ficheiro de “Input” do VisualDOE.
•
Definição
de
espaços
como
estufas
(este
procedimento
foi
exemplificado no Capítulo 5.2.2);
PÁGINA 177
•
Alteração da inércia térmica dos compartimentos. Este procedimento
pode ser necessário se identificado na calibração algo que possa
indicar um problema na inércia térmica calculada automaticamente
pelo VisualDOE. Assim, para mudar a inércia térmica do compartimento
é necessário modificar o valor apresentado na linha de comandos do
ficheiro de “Input” – FLOOR-WEIGHT, do valor zero (neste caso o
VisualDOE calcula automaticamente o valor da inércia térmica), para o
valor calculado analiticamente, como se pode observar na Figura 6.13.
Figura 6.13 – Definição da inércia térmica dos compartimentos.
6.3.3. CALIBRAÇÃO DO MODELO DAS CÉLULAS DE TESTE
Em qualquer modelo a utilizar nas ferramentas computacionais é necessário
proceder sempre à sua calibração, de forma a ajustar, com a maior precisão
possível, o modelo à realidade e assim diminuir o erro sistemático do modelo.
Como tal, neste caso de estudo também foi executada a calibração do
modelo a utilizar nas simulações, a partir de:
•
Utilização de um ficheiro climático que represente as condições
climáticas a que as Células de Teste estiveram realmente expostas
(apresentado no Anexo II);
PÁGINA 178
•
Cálculo do coeficiente de condutibilidade térmica “real” de algumas
paredes exteriores, a partir da medição do fluxo de calor e temperatura
superficial das paredes em questão (apresentado no Anexo II);
•
Comparação da temperatura interior dos compartimentos medida
“in-situ”. Com a temperatura calculada pela ferramenta de cálculo e
execução dos devidos ajustes, através por exemplo da inércia térmica.
A utilização de um ficheiro climático obtido a partir do sistema de medição
existente nas Células de Teste vai garantir que a ferramenta de simulação
utilize, nos seus cálculos, temperaturas exteriores e intensidades de radiação
iguais às que as CT foram expostas. Este facto é muito importante para o
aumento da aproximação da simulação ao caso real.
A obtenção do coeficiente de condutibilidade térmico “in-situ” das paredes
exteriores também é bastante importante, pois é através destas que se
processam uma grande percentagem das trocas de calor entre o interior e o
exterior. Como tal, introduzindo no VisualDOE os valores “reais” de U das
paredes exteriores, faz com que a precisão da simulação também aumente
significativamente.
Por último, o recurso à comparação das temperaturas interiores medidas
“in-situ” com as calculadas pelo VisualDOE, através do modelo realizado, é
importante para executar os ajustes finais do modelo e impedir erros
significativos. Por exemplo, no caso de estudo, a partir desta comparação foi
detectado um problema no cálculo automático da inércia térmica realizado
pelo VisualDOE, assim como erros na caracterização geométrica de
sombreadores. Estes problemas podem ser observados na Figura 6.14, pois as
oscilações de temperatura são amortecidas na simulação do VisualDOE
(problemas devido à inércia térmica), assim como a temperatura máxima é
bastante inferior na simulação do VisualDOE (problemas na definição dos
sombreadores e valor da inércia térmica). Detectados estes problemas, foram
sucessivamente corrigidos até se obter uma versão do modelo que,
PÁGINA 179
provavelmente, não possui nenhum erro, como se pode observar na
Temperatura (ºC)
Figura 6.15.
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10
Célula Convencional
Janeiro
"in-Situ"
VisualDOE_ver1
Temperatura (ºC)
Figura 6.14 – Gráfico comparando a temperatura interior medida “in-situ” e a obtida
pelo VisualDOE na 1ª versão da simulação.
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10 13 16 19 22 1 4 7 10
Célula Convencional
Janeiro
"in-Situ"
VisualDOE_ver26
Figura 6.15 – Gráfico comparando a temperatura interior medida “in-situ” e a obtida
pelo VisualDOE na 26ª versão da simulação.
Em qualquer caso, o perfeito ajuste do modelo à realidade será sempre algo
intangível, pois as Células de Teste foram utilizadas para várias experiências e
sofreram várias obras, que mesmo com a máxima cautela em todas as
intervenções, têm alguma repercussão nas temperaturas medidas “in-situ”.
Como não é possível representar estes eventos no modelo, tal resulta em
pequenos desvios entre os dados obtidos por simulação e os obtidos “in-situ”.
PÁGINA 180
Com o modelo calibrado foram executadas várias simulações, com o intuito
de:
•
Calcular o erro com que é possível simular o caso de estudo no
VisualDOE;
•
Testar a performance das Células de Teste, com maior ênfase na
comparação entre a Célula de Teste Convencional e a Célula de Teste
não Convencional;
•
Comparar os resultados atingidos pela metodologia do Regulamento
das Características do Comportamento Térmico dos Edifícios com os
resultados atingidos pelo VisualDOE;
•
Verificar o aumento de eficiência energética que pode ser atingindo
com a aplicação de estufas;
Os resultados obtidos com as simulações referidos e seus respectivos
comentários serão apresentados no Capítulo 7.
PÁGINA 181
7. CAPÍTULO 7 – RESULTADOS
7.1. RESULTADOS PRETENDIDOS
Com esta dissertação pretendeu-se estudar a performance energética de
algumas soluções inovadoras com vista à redução dos consumos energéticos
no sector dos Edifícios e assim promover o desenvolvimento sustentável. Deste
modo, podemos agrupar os resultados obtidos da seguinte forma:
•
Recolha e análise de dados obtidos a partir do sistema de medição
instalado nas Células de Teste (Caso de Estudo);
•
Implementação de um modelo das Células de Teste com boa
aproximação à realidade, de forma a garantir elevada precisão da
simulação em VisualDOE;
•
Análise da performance de algumas soluções construtivas não
convencionais através de dados “in-situ”, simulação em VisualDOE,
aplicação da metodologia de cálculo do RCCTE;
•
Verificação da eficiência da metodologia de cálculo do RCCTE.
Assim, a base do trabalho desta dissertação assenta na análise da
performance energética das soluções propostas na Células de Teste (CT), com
PÁGINA 182
CAPÍTULO 7 – Resultados
o recurso a dados “in-situ”, além da utilização de ferramentas de simulação
para
prever
o
desempenho
energético
de
edifícios,
depois
de
adequadamente calibrado o modelo a utilizar.
7.2. ANÁLISE DE DADOS OBTIDOS “IN-SITU”
Com recurso ao sistema de medição instalado nas Células de Teste foi
confrontado a performance higrotérmica da Célula de Teste Convencional
(CTC) com a da Célula de Teste não Convencional (CTnC), através da
comparação entre a temperatura resultante1 (Tr) e a humidade relativa (HR)
de ambas as Células de Teste, em períodos de Primavera, Verão, Outono e
Inverno. A humidade relativa foi obtida directamente do sistema medição,
mas a temperatura resultante foi calculada a partir das equações 7.1 e 7.2:
Equação 7.1
Tr =
Equação 7.2
n
α r × TS + α c × Ti
; TS = ∑ TSI × Fpi
αr + αc
i =1
com:
α r – Coeficiente de transferência de calor por radiação (4.9 w/m2.ºK);
α c – Coeficiente de transferência de calor por convenção (2.9 w/m2.ºK);
TSI – Temperatura superficial interior (ºC);
FPI – Factor de posição.
7.2.1. ANÁLISE DE DADOS – PRIMAVERA
O período de Primavera escolhido foi entre 14 a 20 de Maio de 2004, devido às
altas temperaturas verificadas neste mês, assim como ao facto de ter sido um
período muito estável. Para além disso, nesta data as CT já possuíam Estufa e
neste período a divisória entre a parte Sul e Norte da CTnC esteve fechada.
1
Esta temperatura entra em consideração com a temperatura interior (Ti) e a temperatura média radiante
( TS ) devido às superfícies circundantes
PÁGINA 183
Assim, a partir das Figuras 7.1 e 7.2 é possível verificar as humidades relativas e
temperaturas resultantes sentidas nas Células e no exterior.
Humidade Relativa (%)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
1
11
21
7
17
3
13
23
9
19
5
CTnC - Sul
CTnC - Norte
CTC
Exterior
15
1
11
21
7
17
Hora
Figura 7.1 – Humidade relativa entre 14 a 20 de Maio, divisória fechada.
Temperatura Resultante(ºC)
40
35
30
25
20
15
10
5
0
1
11 21
7
17
CTnC - Sul
CTC
3
13 23
9
19
5
15
1
11 21
CTnC - Norte
Exterior
7
17
Hora
Figura 7.2 – Temperatura resultante entre 14 a 20 de Maio, divisória fechada.
PÁGINA 184
Analisando este período, é possível concluir que a CTC vai apresentar sempre
maiores HR. Relativamente a temperatura interiores, o compartimento norte da
CTnC apresenta maior oscilação térmica, com as maiores temperaturas
máximas assim como as menores temperaturas mínimas. No entanto, o
compartimento Sul da CTnC possui temperaturas interiores inferiores às da CTC.
7.2.2. ANÁLISE DE DADOS – VERÃO
O período de Verão escolhido foi entre 15 a 20 de Setembro de 2003, devido a
serem verificadas temperaturas normais para uma estação de Verão, assim
como ao facto de ter sido o período mais estável observado para esta
estação. Nesta data as CT ainda não possuíam Estufa e neste período a
divisória entre a parte Sul e Norte da CTnC esteve aberta. Assim, a partir das
Figuras 7.3 e 7.4 é possível verificar as humidades relativas e temperaturas
resultantes sentidas nas Células e no exterior.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
1
11
21
7
17
3
13
23
9
CTnC - Sul
CTnC - Norte
CTC
Exterior
19
5
15
1
11
21
Hora
Figura 7.3 – Humidade relativa entre 15 a 20 de Setembro, divisória aberta.
PÁGINA 185
40
35
30
25
20
15
10
5
0
1
11
21
7
17
3
13
CTnC - Sul
CTC
23
9
19
5
15
1
11
CTnC - Norte
Exterior
21
Hora
Figura 7.4 – Temperatura resultante entre 15 a 20 de Setembro, divisória aberta.
Analisando este período, é possível concluir que a CTC vai apresentar sempre
maiores HR. Relativamente a temperatura interiores, o compartimento norte da
CTnC apresenta maior oscilação térmica, ou seja, as temperaturas máximas
mais elevadas e as menores temperaturas mínimas mais baixas. No entanto, o
compartimento Sul da CTnC possui temperaturas interiores semelhantes às da
CTC, embora um pouco mais baixas.
7.2.3. ANÁLISE DE DADOS – OUTONO
O período de Outono escolhido foi entre 12 a 16 de Novembro de 2004,
devido à verificação de temperaturas normais para a estação de Outono,
assim como ao facto de ter sido o período mais estável observado para esta
estação. Nesta data as CT já possuíam Estufa e neste período a divisória entre
a parte Sul e Norte da CTnC esteve fechada. Assim, a partir das Figuras 7.5 e
7.6 é possível verificar as humidades relativas e temperaturas resultantes
sentidas nas Células e no exterior.
PÁGINA 186
100
90
80
70
60
50
40
30
20
1
11
21
7
17
3
13
23
CTnC - Sul
CTnC - Norte
CTC
Exterior
9
19
5
15
Hora
Figura 7.5 – Humidade relativa entre 12 a 16 de Novembro, divisória fechada.
40
35
30
25
20
15
10
5
0
1
11
21
7
CTnC - Sul
CTC
17
3
13
23
CTnC - Norte
Exterior
9
19
5
15
Hora
Figura 7.6 – Temperatura resultante entre 12 a 16 de Novembro, divisória fechada.
Analisando este período, é possível concluir que o compartimento sul da CTnC
vai apresentar sempre menores HR. Relativamente a temperaturas interiores, o
compartimento norte da CTnC apresenta as menores temperaturas máximas
assim como as menores temperaturas mínimas. No entanto, o compartimento
Sul da CTnC possui temperaturas interiores semelhantes à da CTC, embora as
temperaturas máximas sejam um pouco mais baixas.
PÁGINA 187
7.2.4. ANÁLISE DE DADOS – INVERNO
O período de Inverno escolhido foi entre 17 a 23 de Janeiro de 2004, devido à
verificação de temperaturas normais para a estação de Inverno, assim como
ao facto de ter sido o período mais estável observado para esta estação.
Nesta data as CT ainda não possuíam Estufa e neste período a divisória entre a
parte Sul e Norte da CTnC esteve aberta. Assim, a partir das Figuras 7.7 e 7.8 é
possível verificar as humidades relativas e temperaturas resultantes sentidas nas
Células e no exterior.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
1
11
21
7
17
3
CTnC - Sul
CTC
13
23
9
19
5
15
1
11
21
7
17
Hora
CTnC - Norte
Exterior
Figura 7.7 – Humidade relativa entre 17 a 23 de Janeiro, divisória aberta.
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1
11
21
7
17
CTnC - Sul
CTC
3
13
23
9
19
5
15
1
11
21
CTnC - Norte
Exterior
7
17
Hora
Figura 7.8 – Temperatura resultante entre 17 a 23 de Janeiro, divisória aberta.
PÁGINA 188
Analisando este período, é possível concluir que os três compartimentos têm
comportamentos muito semelhantes relativamente à HR, embora um pouco
mais baixas na CTC. Relativamente a temperaturas interiores, a CTnC
apresenta as menores temperaturas máximas assim como as menores
temperaturas mínimas, com um comportamento muito semelhante na parte
Norte e a Sul.
7.2.5. COMPARAÇÃO DA PERFORMANCE DOS COMPARTIMENTOS
Em termos gerais, é possível concluir que durante a estação de arrefecimento,
a CTnC, compartimento Sul, apresenta um comportamento Higrotérmico
semelhante ao da CTC, apresentando temperaturas interiores semelhantes,
mas com menores humidades relativas. Este comportamento apenas é
possível, relativamente a temperaturas interiores semelhantes, no caso da
divisória entre o compartimento Sul e o Norte da CTnC se encontrar fechado.
De outro modo, o compartimento Sul da CTnC apresenta performances
inferiores às da CTC.
Relativamente à estação de aquecimento, é possível verificar um melhor
comportamento da CTC no que toca a maiores temperaturas interiores,
principalmente no caso de a divisória entre o compartimento Sul da CTnC e o
Norte estar aberta. No entanto, a CTC tem normalmente maiores HR. Este
melhor comportamento da CTC pode ser explicado pelo facto desta Célula
possuir um envidraçado de maiores dimensões, aumentando assim os ganhos
solares directos.
As altas humidades relativas da CTC durante a estação de arrefecimento
podem ser um factor de desconforto, principalmente durante os períodos de
temperaturas altas. Durante a estação de aquecimento, a HR não tem um
peso significativo para o conforto. No entanto, altas humidades relativas são
mais propícias para danificar os elementos de construção.
PÁGINA 189
Com base nos dados recolhidos “in-situ”, é possível concluir que as
performances térmicas da CTC e do compartimento Sul da CTnC são
semelhantes, o que faz com que o compartimento Sul da CTnC seja viável pois
apresenta menor energia incorporada e menor custo de construção. O
compartimento Norte da CTnC apresenta uma performance térmica inferior;
porém, este compartimento foi projectado para o aproveitamento da
iluminação natural e não tinha como prioridade o comportamento térmico.
7.3. ANÁLISE DE DADOS OBTIDOS COM A APLICAÇÃO DO NOVO RCCTE
A aplicação da metodologia do novo RCCTE ao caso de estudo resultou na
obtenção das Necessidades nominais de energia útil por estação de
aquecimento e arrefecimento, por área útil de pavimento. Para a aplicação
desta metodologia às Células de Teste, concluiu-se que seria mais eficiente
considerar a CTnC apenas como uma zona independente, pois no caso de
serem consideradas duas zonas (compartimento Norte e Sul), as trocas de
calor entre elas não seriam convenientemente estimadas.
7.3.1. NECESSIDADES DE AQUECIMENTO
O cálculo das necessidades de aquecimento foi executado para a Célula de
Teste Convencional e Célula de Teste não Convencional, com a introdução
de estufa e sem introdução de estufa. Assim, obtiveram-se os resultados
apresentados na Tabela 7.1:
Tabela 7.1 – Necessidades de aquecimento para as CT
Necessidades nominais de
energia útil para a estação
de aquecimento:
Totais [kwh/ano]
Por área útil de pavimento
[kwh/m2.ano]
CTnC
CTC
Com
Estufa
Sem
Estufa
Com
Estufa
Sem
Estufa
2341
2564
1440
1846
127.7
139.8
100.9
129.4
Observando a tabela anterior é possível concluir que a CTC apresenta
menores necessidades energéticas de aquecimento por área útil de
PÁGINA 190
pavimento, comparativamente à CTnC, algo que já seria previsível pela
análise dos dados medidos “in-situ”, principalmente considerando que os
resultados apresentados pelo RCCTE vêem a CTnC como um todo, resultando
na penalização do compartimento Sul, devido às performances inferiores do
compartimento Norte.
7.3.2. NECESSIDADES DE ARREFECIMENTO
O cálculo das necessidades de arrefecimento foi executado para a Célula de
Teste Convencional e Célula de Teste não Convencional, com a introdução
de estufa e sem introdução de estufa. Assim, obtiveram-se os resultados
Tabela 7.2 – Necessidades de arrefecimento para as CT
energia útil para a estação
de arrefecimento:
Totais [kwh/ano]
[kwh/m2.ano]
CTnC
CTC
Com
Estufa
Sem
Estufa
Com
Estufa
Sem
Estufa
907.5
940.4
197.6
432.6
49.5
51.3
13.8
30.3
Observando a tabela anterior, é possível concluir que a CTC apresenta
menores necessidades energéticas de arrefecimento por área útil de
pavimento, comparativamente à CTnC, algo que já seria previsível pela
análise dos dados medidos “in-situ”, principalmente considerando que os
resultados apresentados pelo RCCTE consideram a CTnC como um todo,
resultando na penalização do compartimento Sul, que apresenta melhores
performances, devido ao compartimento Norte, que possui performances
inferiores.
7.3.2. COMPARAÇÃO DA PERFORMANCE DOS COMPARTIMENTOS
Com a aplicação do RCCTE às CT, obtiveram-se menores necessidades
energéticas anuais na CTC, como se pode observar na Tabela 7.3. Estes
resultados vieram confirmar as conclusões retiradas a partir da análise dos
dados recolhidos “in-situ”, os quais mostravam que a CTC tem um
performance térmica ligeiramente superior.
PÁGINA 191
Tabela 7.3 – Necessidades energéticas anuais para as CT
CTnC
CTC
Com
Sem
Com
Sem
energia útil anuais
Estufa
Estufa
Estufa
Estufa
Totais [kwh/ano]
3248.5
3504.4
1637.6
2278.6
177.2
191.1
114.7
159.7
[kwh/m2.ano]
Por outro lado, é possível concluir que, para qualquer caso, a aplicação de
um estufa na fachada Sul das CT é uma solução eficiente, resultando em
reduções das necessidades energéticas anuais no ordem dos 7% para a CTnC,
28% para a CTC e 53% para a CTP. O aumento da eficiência energética é mais
significativa na CTC, comparativamente à CTnC, pois uma vez que a CTC não
segue um design bioclimático a margem de aumento de performance com a
aplicação de soluções solares passivas é superior.
7.4. ANÁLISE DE DADOS OBTIDOS COM A APLICAÇÃO DO VISUALDOE
De forma a garantir que os resultados obtidos com a simulação efectuada no
VisualDOE fossem representativos, foram comparadas as temperaturas
interiores das Células de Teste medidas “in-situ” com as obtidas no VisualDOE.
Para a obtenção do ficheiro climático foram utilizados dados recolhidos entre
Outubro de 2003 e Setembro de 2004, pois no período entre Outubro de 2003 a
Fevereiro de 2004 as Células de Teste ainda não possuíam estufa (construídas
em Março de 2004), possibilitando assim a calibração das CT com e sem
estufa. Assim, a partir das Figuras 7.9 a 7.12 é possível observar os desvios entre
a simulação e os dados medidos “in-situ” e na Tabela 7.4 são esquematizados
os erros obtidos em todas as CT sem estufa.
PÁGINA 192
CTnC - Sul
Temperatura (ºC)
Novembro
25
20
15
10
5
0
1
13
1
13
1
VisualDOE
13
1
13
1
13
1
13
1
13
"in-situ"
Hora
Figura 7.9 – Temperatura interior da CTnC – Sul, entre 10 a 16 de Novembro.
CTnC - Norte
Janeiro
Temperatura (ºC)
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1
13
1
13
1
VisualDOE
13
1
13
1
13
1
13
1
13
Hora
"in-situ"
Figura 7.10 – Temperatura interior da CTnC – Norte, entre 1 a 7 de Janeiro.
CTC
Temperatura (ºC)
Fevereiro
32
28
24
20
16
12
8
4
0
1
13
1
VisualDOE
13
1
13
1
13
1
13
"in-situ"
1
13
Hora
Figura 7.11 – Temperatura interior da CTC entre 9 a 14 de Fevereiro.
PÁGINA 193
CTP
Temperatura (ºC)
Outubro
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
1
13
1
13
1
VisualDOE
13
1
13
1
13
1
13
1
13
Hora
"in-situ"
Figura 7.12 – Temperatura interior da CTP entre 11 a 17 de Outubro.
Tabela 7.4 – Erros obtidos com a simulação no VisualDOE das CT sem estufa
Erro médio
Erro médio
Célula de
Meses utilizados do
(temperatura)
(percentual)
Estufa
Teste
Ficheiro Climático
ºC
%
CTnC - Sul
Não
Jan; Fev; Out; Nov; Dez
1.3
7.9
CTnC - Norte
Não
1.1
7.2
CTC
Não
Jan; Fev; Nov; Dez
1.1
6.9
CTP
Não
2.4
10
A partir das Figuras 7.13 a 7.16 é possível observar os desvios entre a simulação
e os dados medidos “in-situ” e na Tabela 7.5 são esquematizados os erros
obtidos em todas as CT com estufa.
CTnC - Sul
Temperatura (ºC)
Setembro
31
26
21
16
11
6
1
-4
1
13
VisualDOE
1
13
1
13
1
13
1
13
1
13
"in-situ"
1
13
Hora
Figura 7.13 – Temperatura interior da CTnC – Sul, entre 8 a 14 de Setembro.
PÁGINA 194
CTnC - Norte
Temperatura (ºC)
Junho
40
35
30
25
20
15
10
5
0
1
13
1
13
VisualDOE
1
13
1
13
1
13
1
13
1
"in-situ"
13
Hora
Figura 7.14 – Temperatura interior da CTnC – Norte, entre 18 a 24 de Junho.
CTC
Temperatura (ºC)
Agosto
30
25
20
15
10
5
0
1
13
1
13
VisualDOE
1
13
1
13
1
13
1
13
1
13
"in-situ"
Hora
Figura 7.15 – Temperatura interior da CTC entre 21 a 27 de Agosto.
CTP
Temperatura (ºC)
Junho
35
30
25
20
15
10
5
0
1
13
VisualDOE
1
13
1
13
1
13
1
13
"in-situ"
1
13
1
13
Hora
Figura 7.16 – Temperatura interior da CTP entre 6 a 12 de Junho.
PÁGINA 195
Tabela 7.5 – Erros obtidos com a simulação no VisualDOE das CT com estufa
Célula de
Teste
Estufa
Meses utilizados do
Ficheiro Climático
Erro médio
(temperatura)
ºC
Erro médio
(percentual)
%
CTnC - Sul
Sim
Ago; Set; Out
1.1
4.3
CTnC - Norte
Sim
Ago; Set
1.5
6.4
CTC
Sim
Abr; Mai; Jun; Jul; Ago; Set
0.8
3.5
CTP
Sim
Jun; Jul; Ago; Set
1.5
5
Analisando os dados apresentados pelas Figura 7.9 a 7.16 e pelas Tabelas 7.4 e
7.5, é possível concluir que os erros obtidos são inferiores quando se simulou as
CT com estufa, o que pode resultar do facto de o período em estudo para
este caso ser durante o Verão, quando as oscilações térmicas são mais
reduzidas e com temperaturas superiores. Em qualquer caso, tendo em
consideração que os erros obtidos dizem respeito a 1 ano de medições, os
erros obtidos conseguem assegurar-nos que os resultados obtidos com
aplicação do VisualDOE são representativos, sendo possível testar a
performance energética das Células de Teste.
7.4.1. ANÁLISE DA PERFORMANCE DAS CÉLULAS DE TESTE
Caso Base – com os modelos das CT calibrados (com e sem estufa), foi
introduzido no VisualDOE um sistema de climatização com temperatura de
conforto para a estação de Aquecimento de 20º C e para a estação de
Arrefecimento de 25º C e simulou-se o caso base das CT –> situação real. Os
resultados obtidos são apresentados na Tabela 7.6:
Tabela 7.6 – Energia consumida pelas Células de Teste, caso base.
CTnC
Energia consumida
Compartimento
Compartimento
(kwh/m2.ano) por:
Total*
Sul
Norte
73.3
187.9
130.7
Aquecimento
Com
15.7
81.9
48.8
Arrefecimento
Estufa
89
269.8
179.5
Total
103.6
186.9
141.7
Aquecimento
Sem
Arrefecimento
23.8
83.7
48.9
Estufa
Total
127.4
270.6
199
*O valor total da energia para aquecimento/arrefecimento, não é a soma dos dois
sim uma simulação diferente considerando apenas um compartimento na CTnC.
CTC
126.8
15.1
141.9
158.2
37.1
195.4
compartimentos, mas
Analisando os dados da Tabela 7.6, é possível concluir que o compartimento
Sul da CTnC vai apresentar sempre a melhor performance energética. No
PÁGINA 196
entanto, se considerarmos a performance global da CTnC, esta é sempre
inferior que a da CTC, embora para o caso sem estufa a diferença seja
insignificante e para o aquecimento a CTnC até apresente uma melhor
performance. Por outro lado confirma-se que a aplicação de uma estufa em
cada CT resulta numa melhoria da performance energética em todos os
casos.
Primeira Alternativa – para este caso corrigiu-se a espessura da folha de
Policarbonato utilizado na fachada Norte do compartimento Norte da CTnC.
Este foi projectado para utilizar duas folhas de Policarbonato, mas, por motivos
alheios à Universidade do Minho, apenas foi utilizada uma folha de
Policarbonato. Com esta modificação, o VisualDOE obteve os resultados
Tabela 7.7 – Energia consumida pelas Células de Teste, primeira alternativa.
CTnC
Energia consumida
CTC
Compartimento
Compartimento
(kwh/m2.ano) por:
Total*
Sul
Norte
73.6
163.7
118.7
126.8
Aquecimento
Com
15.9
58.8
37.4
15.1
Arrefecimento
Estufa
89.6
222.5
156.0
141.9
Total
107.3
161.3
134.3
158.2
Aquecimento
Sem
Arrefecimento
24.9
60.1
42.5
37.1
Estufa
Total
132.2
221.4
176.8
195.4
*O valor total da energia para aquecimento/arrefecimento, não é a soma dos dois compartimentos,
mas
Com a adição da segunda folha de policarbonato no compartimento Norte
da CTnC, a performance energética da CTnC melhorou bastante, mantendo
um alto grau de iluminação natural. Assim, considerando as CT sem estufa,
antes da adição do Policarbonato, a CTC era 2% energeticamente mais
eficiente que a CTnC. Depois da modificação, a CTnC passa a ser 10% mais
eficiente que a CTC. No caso das CT com estufa, antes da adição do
Policarbonato a CTC era 21% energeticamente mais eficiente que a CTnC;
depois da modificação a CTC passa a ser apenas 9% mais eficiente que a
CTnC.
PÁGINA 197
Segunda Alternativa – neste caso foi testada a influência da diminuição do
vão da fachada Norte (2.4 X 1.8m => 1.4 X 0.4m) e substituição do
Policarbonato por Vidro duplo, de forma a tornar o compartimento Norte da
CTnC propício para ser utilizado como Quarto de dormir ou Sala de estar, ao
contrário da intenção com que esta foi projectada – Escritório. Os resultados
obtidos são apresentados na Tabela 7.8:
Tabela 7.8 – Energia consumida pelas Células de Teste, segunda alternativa.
CTnC
Energia consumida
CTC
Compartimento Compartimento
2
(kwh/m .ano) por:
Total*
Sul
Norte
74.5
129.7
102.1
126.8
Aquecimento
Com
16.2
36.9
26.6
15.1
Arrefecimento
Estufa
90.7
166.7
128.7
141.9
Total
107.5
129.1
118.3
158.2
Aquecimento
Sem
Arrefecimento
24.8
37.7
31.3
37.1
Estufa
Total
132.3
166.8
149.6
195.4
*O valor total da energia para aquecimento/arrefecimento, não é a soma dos dois compartimentos,
mas
Com a redução do vão envidraçado e substituição do Policarbonato por
Vidro duplo, no compartimento Norte da CTnC, a performance energética da
CTnC melhorou bastante, mas reduzindo o grau de iluminação natural. Assim,
considerando que no caso base das CT sem estufa a CTC era 2%
energeticamente mais eficiente que a CTnC, depois da modificação a CTnC
passa a ser 23% mais eficiente que a CTC. Considerando o caso base das CT
com estufa, a CTC era 21% energeticamente mais eficiente que a CTnC.
Depois da modificação a CTnC passa a ser 9% mais eficiente que a CTC.
Assim, a CTnC adquire uma performance energética mais eficiente que a CTC
em qualquer caso e para as CT sem estufa, a CTnC até possui menores
consumos para a estação de aquecimento, assim como para a estação de
arrefecimento.
Terceira Alternativa – considerando que foram utilizados três sistemas
construtivos distintos nas CT:
1. CTC – sistema convencional com paredes duplas de tijolo e isolamento
na caixa-de-ar;
PÁGINA 198
2. Compartimento Sul da CTnC – utilização de paredes de adobe;
3. Compartimento Norte da CTnC – utilização de paredes duplas leves
com isolamento na caixa-de-ar.
Foi simulada a performance energética das Células de Teste para o caso de
as três Células apresentarem o mesmo sistema construtivo. Os resultados são
Tabela 7.9 – Energia total consumida pelas Células de Teste, terceira alternativa.
CTnC
Energia total consumida
CTC
(kwh/m2.ano)
Compartimento Sul Compartimento Norte Total*
142.0
255.6
198.8 143.4
1 – Tijolo
Com
69.9
241.4
155.7 72.0
2 – Parede Leve
Estufa
90.8
195.4
143.1 98.0
3 - Adobe
161.0
255.2
208.1 194.1
1 – Tijolo
Sem
2 – Parede Leve
92.4
242.2
167.3 115.2
Estufa
3 - Adobe
128.3
194.4
161.4 153.9
*O valor total da energia para aquecimento/arrefecimento, não é a soma dos dois compartimentos, mas
Observando a Tabela 7.9 é possível concluir que a CTC e o compartimento Sul,
para
o
caso
com
estufa,
possuem
performances
energéticas
muito
semelhantes, enquanto que para o caso sem estufa, a performance
energética do compartimento Sul da CTnC é um pouco superior que a da
CTC. O compartimento Norte da CTnC apresenta sempre performances
energéticas inferiores. Relativamente aos sistemas, é possível observar que o
sistema de paredes duplas de tijolo apresenta sempre performances inferiores,
o sistema de paredes de adobe tem uma performance ligeiramente superior
quando aplicada na CTnC, enquanto que o sistema de Parede duplas leves
tem uma performance ligeiramente superior quando aplicada na CTC.
7.4.2. COMPARAÇÃO COM OS RESULTADOS OBTIDOS NO RCCTE
De forma a testar a prestação da metodologia do RCCTE, para previsão das
necessidades de aquecimento e arrefecimento, foram comparados os
resultados obtidos com a aplicação da metodologia do RCCTE às CT, com os
obtidos
com
a
aplicação
do
VisualDOE
(apenas
para
os
períodos
PÁGINA 199
considerados pelo RCCTE como estação de aquecimento e estação de
arrefecimento). Assim a Tabela 7.10 mostra o resultado desta comparação:
Tabela 7.10 – Comparativo entre necessidades energéticas das CT obtidas pelo RCCTE
e pelo VisualDOE.
Necessidades de
Necessidades de
Células de
Erro
Erro
Aquecimento (kwh/m2.ano)
Arrefecimento (kwh/m2.ano)
Teste
(%)
(%)
VisualDOE
RCCTE
VisualDOE
RCCTE
CTnC
124.7
127.7
2
41.9
49.5
15
Com
CTP
35.3
25.8
27
30.0
21.6
28
Estufa
CTC
120.5
100.9
16
13.6
13.8
2
CTnC
135.2
139.8
3
42.5
51.3
17
Sem
CTP
78.3
52.0
34
68.4
48.4
29
Estufa
CTC
149.8
129.4
14
32.3
30.3
6
A partir da Tabela 7.10 foi possível concluir que o RCCTE apresenta resultados
com erros reduzidos, embora para a CTP o erro seja já significativo (erro médio
de 29.5%). Como a CTP possui inércia térmica quase nula, um vão de grandes
dimensões, grande espessura de isolamento (20 a 25 cm) e aplicação de
materiais não convencionais (PCM – óleo de côco), pode prever-se que o
RCCTE não consiga simular eficazmente o comportamento da CTP. A CTnC é,
estranhamente, aquela cujas necessidades energéticas o RCCTE consegue
prever com maior rigor (erro médio de 6.5%). Tal pode dever-se ao facto de a
CTC possuir um vão de maiores dimensões na fachada Sul e tal implicar um
menor rigor na previsão das necessidades para a CTC (erro médio de 13.4%).
PÁGINA 200
CAPÍTULO 8 – Conclusões e Expectativas Futuras
8. CAPITULO 8 – CONCLUSÕES E EXPECTATIVAS FUTURAS
8.1. CONCLUSÕES
Apresentando como ponto de partida as Células de Teste (CT) construídas na
Escola de Engenharia da Universidade do Minho, foram realizadas várias
experiências com o intuito principal de aferir a performance energética das
soluções não convencionais apresentadas nas CT. Assim, pela análise dos
dados obtidos “in-situ” através do sistema de medição instalado nas CT, foi
possível concluir que o compartimento Sul da Célula de Teste não
Convencional (CTnC) apresenta uma performance higrotérmica semelhante à
da Célula de Teste Convencional (CTC), enquanto que o compartimento
Norte
da
CTnC
apresenta
uma
performance
ligeiramente
inferior.
Relativamente à prestação da introdução de uma estufa, não foi possível tirar
conclusões com bom grau de segurança, através da análise dos dados “insitu”, pois os parâmetros climáticos, durante os períodos de medição com e
sem estufa, não seguiram os mesmos padrões, impossibilitando uma
adequada comparação da performance das CT com e sem estufa.
PÁGINA 201
Complementarmente às análises dos dados recolhidos “in-situ”, foi estudado o
desempenho térmico das CT através da aplicação da metodologia proposta
pelo RCCTE, verificando-se que a CTC apresenta melhores performances
energéticas que a CTnC. No entanto, o RCCTE apenas permite simular a CTnC
como um todo, ou seja, não permite simular em separado o compartimento
norte e o sul da CTnC, tendo sido penalizado o compartimento Sul da CTnC
pelas performances inferiores do Compartimento Norte. Adicionalmente, os
resultados obtidos com o RCCTE mostram que a aplicação de uma estufa
aumenta a performance energética de ambas as CT.
Comparando os resultados obtidos com o RCCTE com os obtidos com a
simulação dinâmica em VisualDOE, concluiu-se que o RCCTE não apresenta
grandes desvios no cálculo da performance para a CTnC (6.5%). Porém, para
a CTC os desvios são um pouco mais significativos (13.4%) e para a CTP os
desvios são muito significativos (29.5%). Assim, o RCCTE apresenta bons
resultados
na
previsão
do
comportamento
energético
de
edifícios,
principalmente para situações com vãos de médias dimensões.
Para a aplicação do VisualDOE ao caso de estudo das CT, foi necessária a
obtenção de um ficheiro climático, assim como a calibração do modelo, de
forma a garantir que os resultados obtidos com esta ferramenta de simulação
fossem válidos. Por outro lado, também foram comparadas as temperaturas
interiores das CT medidas “in-situ” com as obtidas pelo VisualDOE e verificou-se
que os erros apresentados pelo VisualDOE são aceitáveis – entre 0.8 a 1.5 ºC.
Com o modelo calibrado foi verificada a performance do caso base (situação
real) e concluiu-se que o compartimento Sul da CTnC apresenta performances
energéticas semelhantes às da CTC, mas com uma ligeira vantagem na
estação de aquecimento. Considerando a CTnC como um todo, esta já
apresenta piores performances, principalmente na estação de arrefecimento.
Contudo, para o case base sem estufa, a CTnC tem uma performance final
muito semelhante à da CTC, apresentando melhores resultados para a
estação de aquecimento, mas piores para a estação de arrefecimento.
PÁGINA 202
Seguidamente, foi utilizado o VisualDOE de forma a prever a performance da
CTnC com algumas modificação no modelo base:
Primeira Alternativa – adição de um pano de policarbonato na fachada Norte
do compartimento Norte da CTnC;
Segunda Alternativa – redução do vão e substituição do Policarbonato por
Vidro duplo na fachada Norte do compartimento Norte da CTnC;
Terceiro Alternativa – análise da performance das CT se estas apresentassem
todas o mesmo sistema construtivo (1 – paredes duplas de tijolo com
isolamento na caixa de ar; 2 – paredes em adobe; 3 – paredes leves com
isolamento).
A partir das modificações efectuadas concluiu-se que:
•
Com a aplicação de uma segunda folha de policarbonato na
fachada norte do compartimento norte da CTnC, a performance
energética da CTnC é superior à da CTC em 10%, quando estas não
possuem estufa. Para o caso da CT com estufa a performance
energética da CTC ainda é 9% superior à da CTnC;
•
No caso de se alterar a fachada norte da CTnC, com a diminuição do
vão e substituição do Policarbonato por vidro duplo, a performance
energética da CTnC é 23% ou 9% mais eficiente que a CTC, para o
caso sem estufa ou com estufa, respectivamente;
•
Com a aplicação de paredes duplas de tijolo com isolamento na
caixa-de-ar em todas as CT confirmou-se que estas apresentam as
piores performances energéticas, quando comparadas com as
mesmas Células mas construídas com paredes em adobe ou paredes
leves com isolamento. Por outro lado o sistema de parede de adobe
apresenta a melhor performance quando aplicado à CTnC e o sistema
de paredes duplas leves com isolamento na caixa-de-ar apresenta a
melhor performance quando aplicado à CTC.
A partir do estudo realizado nesta dissertação foi concluiu-se que a utilização
de soluções com preocupações bioclimáticas e a utilização de materiais com
PÁGINA 203
menor energia incorporada e de disponibilidade local, podem ser soluções
com performances energéticas semelhantes ou superiores às soluções
convencionais utilizadas em Portugal. Como tal, a utilização de soluções
inovadoras podem ser benéficas quer a nível ambiental, como a nível
energético, resultando assim em soluções que impulsionem o Desenvolvimento
Sustentável.
8.2. EXPECTATIVAS FUTURAS
Com o intuito de apresentar uma solução não convencional com boa
performance energética, projectada com considerações bioclimáticas e
possuindo materiais com baixa energia incorporada e de disponibilidade local,
é proposto que se altere a fachada Norte da Célula de Teste não
Convencional, de uma forma faseada:
1º – Adição de um pano adicional de Policarbonato de forma a confirmar o
bom desempenho energético da solução;
2º – Redução do vão e alteração do Policarbonato para vidro duplo, de forma
a obter-se uma solução com uma performance energética superior à
convencional.
Com o objectivo de aumentar o rigor das simulações e medir o consumo
energético das Células de Teste “in-situ”, é necessário que seja implementado
um sistema de climatização nas CT e assim demonstrar que os sistemas
construtivos
ecológicos
propostos,
também
possam
apresentar
boas
performances energéticas, quando são utilizados sistemas de climatização
activos.
Por outro lado, será útil aproveitar as potencialidades das Células de Teste de
forma a testar a implementação de outras soluções inovadoras nas fachadas,
tal como fachadas que potenciem o aproveitamento da energia solar. Para
tal, podem ser utilizadas fundamentalmente a:
PÁGINA 204
•
Célula de Teste tipo Passys – esta Célula é ideal para o estudo da
performance de fachadas inovadoras pois toda a restante envolvente
possui grandes quantidades de isolamento, possibilitando assim a
identificação da eficiência energética da fachada a estudar;
•
Célula de Teste Convencional – como esta Célula representa a
construção típica Portuguesa, com a implementação de fachadas
inovadoras nesta Célula é possível estudar a eficiência da integração
de fachadas inovadoras nas soluções típicas Portuguesas, tal será
importante, principalmente, para soluções de reabilitação.
PÁGINA 205
AI. ANEXO I – FICHEIRO CLIMÁTICO DO VISUALDOE
AI.1. PREPARAÇÃO DO FICHEIRO CLIMÁTICO
Por forma a obter um ficheiro climático para qualquer ferramenta de
simulação é necessário conhecer: 1 - as variáveis climáticas que a ferramenta
requer para o ficheiro climático; 2 - unidades das variáveis; 3 - periodicidade
das variáveis (horários, mensais, etc). Assim, a partir da consulta do Manual
Climático do DOE-2 (Buhl, 1999) foi possível saber os parâmetros referidos,
como se pode observar na Tabela AI.1:
Tabela AI.1 – Parâmetros necessários do ficheiro climático para o VisualDOE.
Unidade
Periodicidade
Temperatura de bolbo seco
ºF
Horária
Temperatura de bolbo húmido
ºF
Horária
lb água / lb ar seco
Horária
Btu/lb
Horária
sim / não
Horária
16 pontos da rosa dos ventos
Horária
nós
Horária
Btu/hr.pé2
Horária
Razão de humidade
Entalpia
Precipitação
Direcção do Vento
Velocidade do vento
Radiação solar total horizontal
PÁGINA 206
ANEXO I – Obtenção do Ficheiro Climático
Unidade
Periodicidade
Btu/hr.pé2
Horária
Índice de claridade
-
Mensal
Temperatura do solo
Rankine
Mensal
Radiação solar directa
Como se pode observar na Tabela AI.1, todas as unidades dos parâmetros são
baseadas no sistema IP. Atentando para o facto do sistema de medição
utilizado no caso de estudo registar os valores em unidades SI, é necessário
converter
os
valores
medidos.
Assim,
foram
utilizadas
as
conversões
apresentadas na Tabela AI.2:
Tabela AI.2 – Conversão de unidades.
Parâmetro
Conversão IP/SI
ºF = ºC*(9/5) + 32
Temperatura
ºR = ºF + 459.67
Pressão
1 inHG = 3.3772 kPa
Massa
1 lb = 0.45356 kg
Entalpia
1 Btu/lb = 2.3266 kJ/kg
Velocidade
Fluxo de calor
1 nó = 0.515 m/s
1 Btu/hr.pé2 = 3.155 W/m2
AI.1.1. OBTENÇÃO DOS PARÂMETROS
Os parâmetros a empregar no ficheiro climático podem ser obtidos através da
sua medição “in-situ” ou através da combinação de outros parâmetros. Assim,
para o caso de estudo, os parâmetros medidos “in-situ” foram:
1. Temperatura de bolbo seco;
2. Precipitação;
3. Direcção do vento;
4. Velocidade do vento;
5. Radiação solar total horizontal.
Por outro lado, os parâmetros obtidos por combinação dos dados medidos
“in-situ” foram:
PÁGINA 207
1. Razão de humidade;
2. Temperatura de bolbo húmido;
3. Entalpia;
4. Radiação solar directa;
5. Índice de claridade.
O único parâmetro onde foram utilizados valores tabelados foi a temperatura
do solo, pois este elemento é muito estável, não sofrendo grandes alterações
com as diferentes condições atmosféricas, além de ser muito semelhante ao
longo dos anos.
1. Razão de humidade (W) – para o cálculo deste parâmetro foi necessário
obter a pressão de saturação (Ps) e a pressão de vapor (Pv), através das
Equação AI.1 e AI.2. Seguidamente, é possível obter a razão de humidade
aplicando a Equação AI.3:
Equação AI.1
Ps =
Equação AI.2
610.5 ⋅ e(17.26⋅Text )/(Text + 237.3)
1000
(kPa);
Pv = Ps ⋅
HR
(kPa);
100
Equação AI.3
W = 0.62198 ⋅
Pv
(kgH2o/kgas) com:
100.332 − Pv
Text – Temperatura exterior (ºC);
HR – Humidade relativa (%).
2. Temperatura de bolbo húmido (TBH) – para o cálculo deste parâmetro foi
necessário utilizar o Método Iterativo Composto1, pois a equação utilizada
para calcular a TBH necessita do valor da razão de humidade (W*s) à
temperatura de bolbo húmido, que necessita do valor da TBH para o seu
cálculo. Assim, na primeira iteração é utilizado o valor da temperatura
exterior de bolbo seco para calcular o parâmetros W*s. Seguidamente é
utilizada a Equação AI.4 para calcular a TBH. Para a segunda iteração, é
1
O Método Iterativo Simples (MIS) foi preterido em relação ao composto pelo facto do MIS aplicado a este
caso resultava em valores que não convergiam para um valor estável.
PÁGINA 208
utilizada a média entre o valor inicial e o final da primeira iteração
[(TBH(i)+TBH(i-1))/2]. Este processo será repetido até se chegar a erros
insignificantes, entre iterações.
Equação AI.4
TBH =
W ⋅ (2501+ 1.805 ⋅ Text ) − 2501⋅ W * s + Text
(ºC)
1− 2.381⋅ W * s + 4.186 ⋅ W
3. Entalpia (E) – para o cálculo deste parâmetro foi necessário utilizar a
temperatura exterior (Text) em ºF, de forma a obter o valor da Entalpia
directamente nas unidades requeridas pelo VisualDOE (Btu/lb), como se
pode observar na Equação AI.5:
Equação AI.5
E = 0.24 ⋅ Text + (1061+ 0.444 ⋅ Text ) ⋅ W (Btu/lb)
4. Radiação Solar Directa normal (Idis_N) – para o cálculo deste parâmetro foi
necessário obter a declinação solar (δ), a equação do tempo (Et), o tempo
solar (tsol), a altura solar (H), o ângulo solar horários (θS), por forma a definir
geometricamente o movimento do sol. Por outro lado também foi
necessário obter a constante solar (I0), o índice de claridade (KT), a
radiação difusa horizontal (Idif_H) e a radiação directa horizontal (Idif_H). Para
tal foram utilizadas as Equações AI.6 a AI.11 e AI.12 a AI.16:
Equação AI.6
Equação AI.7
 360 ⋅ (n + 10 )   (º);
 
 365.25  

n − 81;
364
δ = a sin⋅  − sin 23.45 ⋅ cos
B = 360 ⋅
Equação AI.8
Equação AI.9

Et = 9.87 ⋅ sin(2 B) − 7.53 ⋅ cos(B) − 1.5 ⋅ sin( B) (min);
H=
(TSOL − 12) ⋅ 360
24
Equação AI.10
Equação AI.11
θ S = a cos⋅ (cos(λ ) ⋅ cos(δ ) ⋅ cos(H) + sin(λ ) ⋅ sin(δ )) (º);
TSOL = TLoc +
Et λ
+
60 15
(º);
com:
PÁGINA 209
n – dia do ano;
TLoc – hora local;
λ – longitude (º);
Equação AI.12
Equação AI.13
360 ⋅ n 

2
I0 = 1 + 0.033 ⋅ cos
 ⋅ 1373 (w/m );
365
.
25


KT =
Equação AI.14
I dif _ H
I glo
I 0 ⋅ cos θ S
;
Equação AI.15
 I glo ⋅ (1 − 0.249 ⋅ K T ) → 0 ≤ K T ≤ 0.35
2

= I glo ⋅ (1.557 − 1.84 ⋅ K T ) → 0.35 ≤ K T ≤ 0.75 (w/m );

I glo ⋅ 0.177 → K T ≥ 0.75

Idir_ H = Iglo − Idif_ H (w/m2);
Equação AI.16
I dis _ N =
I dir _ H
sin(θ S)
(w/m2)
com:
Iglo – radiação solar total horizontal (w/m2).
5. Índice de Claridade (KT) – para o cálculo deste parâmetro foi necessário
obter a radiação solar total horizontal (Iglo), a constante solar (I0) e o ângulo
solar (θS), em termos de médias mensais, de forma a aplicar a
Equação AI.13.
Para o cálculo dos parâmetros 1 a 4, referidos anteriormente, e dado que estes
têm uma periodicidade horária, foi necessário utilizar o Microsoft Excel para
aplicar as Equações apresentadas às 8760 horas que perfazem um ano, como
se pode observar na Figura AI.1. Relativamente ao parâmetro 5, a folha de
cálculo do Excel foi utilizada para o cálculo das médias mensais necessárias.
PÁGINA 210
Figura AI.1 – Folha de cálculo utilizada para obter os parâmetros necessários para o
ficheiro climático.
AI.2. GERAÇÃO DO FICHEIRO CLIMÁTICO
Com todos os parâmetro necessários para o ficheiro climático definidos, o
passo seguinte será a geração do ficheiro climático. Para tal, é imprescindível
organizar os parâmetros da forma requerida pelo VisualDOE, em termos da
ordem de introdução dos parâmetros, casas decimais a apresentar e
espaçamento de colunas, como se pode observar na Figura AI.2.
Figura AI.2 – Organização de parâmetros de forma a gerar um ficheiro climático.
Seguidamente é necessário gravar o ficheiro de Excel com o formato *.prn –
Formatted text (space delimited). O passo seguinte será mudar a extensão do
ficheiro criado de *.prn => *.fmt, de forma a ser reconhecido pelo VisualDOE.
Depois de criado o ficheiro *.fmt é necessário introduzir o nome, latitude,
PÁGINA 211
longitude e zona horária do local, assim como assinalar se o ficheiro contém
dados de radiação solar, como se pode observar na Figura AI.3.
Figura AI.3 – Ultimação do ficheiro climático para o VisualDOE.
Por último é necessário utilizar a ferramenta de conversão que o VisualDOE
possui (Figura AI.4) e transformar o ficheiro de texto criado (*.fmt) num ficheiro
binário (*.bin), o qual pode então ser utilizado pelo VisualDOE como ficheiro
climático.
Figura AI.4 – Ferramenta de conversão do VisualDOE para o ficheiro climático.
PÁGINA 212
ANEXO II – Coeficiente de Condutibilidade Térmica “In-Situ”
AII. ANEXO II – COEFICIENTE DE CONDUTIBILIDADE TÉRMICA “IN-SITU”
AII.1. JUSTIFICAÇÃO
O conhecimento da resistência térmica real dos componentes da envolvente
do edifício1 é muito importante, quer em edifícios novos, como em edifícios
antigos, pois:
•
Edifícios novos – de forma a determinar se a qualidade da construção
corresponde à que foi proposta pelo projecto. A utilização de material
ou mão-de-obra de baixa qualidade pode levar a que componentes
do edifício não tenham a performance inicialmente projectada;
•
Edifícios antigos – o conhecimento da resistência térmica da envolvente
é importante para determinar se o edifício necessita da aplicação, ou
não, de isolamento térmico ou outras medidas para baixar o consumo
energético. Assim, através da medição “in-situ”, é possível justificar um
1
Um componente da envolvente do edifício é uma porção da envolvente do edifício que tem uma
construção consistente, tal como uma parede, cobertura, pavimento, janela, porta.
PÁGINA 213
investimento em medidas de redução do consumo energético que não
seria possível através de cálculos a partir de dados publicados;
•
Edifícios de teste – com o conhecimento da resistência térmica real dos
componentes dos edifícios é possível testar materiais novos, que não
possuem valores tabelados para a resistência térmica, assim como
aumentar
o
rigor
das
simulações
da
performance
energética
efectuadas.
AII.2. MÉTODO UTILIZADO
O método utilizado para o cálculo da resistência térmica “in-situ”, de
elementos da envolvente, foi a técnica do Somatório ASTM (Norma C1155 –
95), que dita o cumprimento de certos requisitos para que seja possível obter a
resistência térmica “in-situ” dos elementos da envolvente com um alto grau de
confiança:
•
O percurso do fluxo de calor tem de ser perpendicular à superfície em
questão, ou seja, não podem existir fenómenos que perturbem o fluxo
de calor, tais como pontes térmicas, entre outros;
•
Tem de haver um gradiente térmico significativo entre o exterior e o
interior;
•
Têm de ser escolhidos intervalos de tempo que não provoquem
diferenças na resistência térmica calculada em mais de 10%.
A partir desta técnica, é possível obter a resistência térmica de elementos da
envolvente com a colocação de sensores de temperatura2 na superfície
exterior e interior e com a colocação de sensores de fluxo de calor3 no
elemento da envolvente, que necessita obter a resistência térmica. Assim, os
dados recolhidos “in-situ” são:
2
Um sensor de temperatura é um aparelho que produz um sinal contínuo, função da
temperatura, como por exemplo um termopar.
3
Um sensor de fluxo de calor é um aparelho que produz um sinal contínuo, função do fluxo de
calor, como por exemplo um transdutor de fluxo de calor.
PÁGINA 214
•
Temperatura superficial interior do elemento i – TiS (Figura AII.1);
•
Temperatura superficial exterior do elemento i – TeS (Figura AII.2);
•
Fluxo de calor através do elemento i – qi (Figura AII.1);
Figura AII.1 – Sensor de fluxo de calor e temperatura superficial interior instalados na
Célula de Teste Convencional.
Figura AII.2 – Sensor de temperatura superficial exterior instalado na Célula de Teste
não Convencional.
Assim, para cada intervalo de tempo escolhido (cada intervalo de tempo terá
de ser múltiplo de 24h), a resistência térmica estimada (Re) é calculada a partir
das Equações AII.1 e AII.2:
PÁGINA 215
Equação AII.1
Equação AII.2
M
Re =
∑ ∆T
k =1
M
∑q
k =1
Sk
;
∆TS = TiS − TeS com:
ik
M – intervalo de tempo escolhido.
Com o intuito de atestar uma boa performance desta técnica, é necessário
executar o teste da convergência (CRn), entre a Re de dois intervalos de
tempo consecutivos, pelo qual a convergência terá de ser < 0.1 e o intervalo
de tempo do teste de convergência recomendado (n) é de 12h. Assim, o teste
de convergência é executado aplicando a Equação AII.3:
Equação AII.3
CRn =
Re (t ) − Re (t − n )
Re (t )
Além de teste da convergência, também será necessário verificar a variância
do valor da resistência térmica [V(Re)], de forma a garantir bons resultados,
aplicando a Equação AII.4:
Equação AII.4
V (Re ) = [s(Re ) / Média(Re )] ∗ 100
com:
S(Re) – é a variância de Re calculado com N-1 graus de liberdade;
N – número de valores de Re (N≥3).
Assim se a variância for menor que 10%, o valor a utilizar para a resistência
térmica do elemento da envolvente é o valor médio de todos os Re
calculados.
PÁGINA 216
AII.3. APLICAÇÃO ÀS CÉLULAS DE TESTE
Para o caso de estudo – Células de Teste, existem quatro componentes da
envolvente convenientemente equipados para a realização deste método de
cálculo da resistência térmica, como se pode observar na Figura AII.3:
1. Parede
Sul
do
compartimento
Sul
da
Célula
de
Teste
não
Convencional (CTnC);
2. Parede Oeste do compartimento Sul da Célula de Teste não
3. Parede Oeste do compartimento Norte da Célula de Teste não
4. Parede Este da Célula de Teste Convencional (CTC);
1
3
2
4
Figura AII.3 – Distribuição dos sensores de fluxo de calor nas Células de Teste.
De forma a aplicar este método de cálculo da resistência térmica “in-situ” foi
necessário cumprir os requisitos impostos pela Norma ASTM C1155-95, pelo que:
•
Para garantir que os fluxos de calor são perpendiculares à superfície, os
sensores de fluxo de calor foram instalados a meio das paredes e em
locais onde não existiam pontes térmicas;
PÁGINA 217
•
Foram escolhidos intervalos de dados (Tabela AII.1) que se situavam no
Verão ou Inverno, para promover maiores gradientes térmicos;
•
Com os dados escolhidos, foi calculada a Resistência térmica através
da Equação AII.1 e AII.2 e confirmado que esta não varia mais de 10%
entre os vários intervalos escolhidos, como mostra a Tabela AII.2.
Tabela AII.1 – Intervalos de dados utilizados para o cálculo da resistência térmica
“in-situ”
Intervalo de dados
Parede
1
2
3
1
1 a 4 de Junho
9 a 12 de Junho
14 a 17 de Junho
2
1 a 4 de Junho
9 a 12 de Junho
14 a 17 de Junho
3
1 a 4 de Junho
9 a 12 de Junho
14 a 17 de Junho
4
1 a 4 de Junho
9 a 12 de Junho
14 a 17 de Junho
Tabela AII.2 – Verificação da variação da Resistência térmica por intervalo de dados
Resistência Térmica (m2.ºC/w) por
Variação entre Intervalos de dados
intervalo de dados
Parede
1
2
3
1 -> 2
2 -> 3
3 -> 1
1
0.32
0.36
0.33
10%
7%
4%
2
3.03
2.95
2.93
3%
1%
3%
3
1.04
1.01
1.07
3%
5%
2%
4
2.28
2.10
2.22
8%
5%
3%
Por último, é necessário confirmar a boa performance dos valores da
Resistência Térmica calculados. Como tal, foi aplicada a Equação AII.3 e AII.4
de forma a executar o teste da variância e o teste da convergência aos
valores obtidos. Na Tabela AII.3 são apresentados os resultados obtidos com a
aplicação dos testes referidos à Resistência Térmica calculada para as quatro
paredes seleccionadas das Células de Teste:
Tabela AII.3 – Teste de variância e convergência para os valores calculados da
resistência térmica “in-situ”
Teste de Variância
Teste de Convergência
Re (t-n); n=12h
< 0.1
Parede
Variância Média
< 10%
1
2
3
1
2
3
1
0.000393
0.34
0.12%
0.32
0.37
0.32
0.01
0.02
0.03
2
0.002942
2.97
0.10%
2.98
2.97
2.80
0.02
0.01
0.04
3
0.000809
1.04
0.08%
1.02
0.99
1.06
0.02
0.02
0.01
4
0.008521
2.20
0.39%
2.24
1.91
2.11
0.02
0.09
0.05
Com todos os testes aplicados e sendo o resultado favorável, é possível afirmar
com um alto grau de confiança que a resistência térmica das paredes
PÁGINA 218
seleccionadas das Células de Teste é a média da resistência térmica
calculada para os três intervalos de tempo, ou seja:
1. Parede
Sul
do
compartimento
Sul
da
Célula
de
Teste
não
Convencional (CTnC) – 0.34 m2.ºC/W;
2. Parede Oeste do compartimento Sul da Célula de Teste não
3. Parede Oeste do compartimento Norte da Célula de Teste não
4. Parede Este da Célula de Teste Convencional (CTC) – 2.2 m2.ºC/W.
PÁGINA 219
AI. BIBLIOGRAFIA
• Allard, F.: Natural Ventilation in Buildings. James & James Ltd, London, 1998.
• Adelard, L.; Boyer, H.; Garde, F.; Gatina, J.C.: A detailed weather data
generator for building simulations. Energy and Buildings 31: 75-88, 2000.
• Adelard, L.; Thierry, M.; Boyer, H.; Gatina, J.C.: Elaboration of a New Tool For
Weather Data Sequences Generation. Building Simulation '99. Proceedings of
the 6th International IBPSA Conference, Volume 2: 861-86, Kyoto, 1999.
• ASHRAE:
Handbook
of
Fundamentals,
American
Society
of
Heating,
Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Inc. Atlanta, 1997.
• ASHRAE: Ventilation for Acceptable indoor air quality. ANSI/ASHRAE Standard
62, 1989.
• ASTM:
Standard
Practice
for
Thermographic
Inspection
of
Insulation
Installations in Envelope Cavities of Frame Buildings. Standard C 1060 - 90.
Annual Book of ASTM Standards, Volume 04.06, West Conshohocken, 1999.
• ASTM: Standard Test Method for Determining Air Change in a Single Zone by
Means of a Tracer Gas Dilution. Standard E 741 - 00. Annual Book of ASTM
Standards, Volume 04.11, West Conshohocken, 2005.
PÁGINA 220
BIBLIOGRAFIA
• ASTM: Standard Test Methods for Determining Airtightness of Buildings Using an
orifice Blower Door. Standard E 1827 - 96. Annual Book of ASTM Standards,
Volume 04.11, West Conshohocken, 1999.
• ASTM: Standard Practice for Determining Thermal Resistance of Building
Envelope Components from the In-Situ Data. Standard C 1155 - 95. Annual
Book of ASTM Standards, Volume 04.11, West Conshohocken, 1999.
• Augenbroe, G.: Trends in building simulation. Building and Environment 37:
891-902, 2002.
• Baker, N.; Fanchiotti, A.; Steemers, K.: Daylighting in Architecture: A European
Reference Book. James & James Ltd, London, 1993.
• Balaras, C.A.; Droutsa, K.; Dascalaki, E.; Kontoyiannidis, S.: Deterioration of
European apartment buildings, Energy and Building 37, pag. 515-527, 2005.
• Balaras, C.A.; Droutsa, K.; Dascalaki, E.; Kontoyiannidis, S.: Heating energy
consumption and resulting environmental impact of European apartment
buildings. Energy and Buildings 37: 429-442, 2005.
• Beausoleil-Morrison, I.; Calla, R.; Mottillo, M.; Purdy, J.; Wyndham-Wheeler, P.;
Lopez, P.; Dubrous, F.; Lubun, M.: Using Building Simulation to Support an
Energy-Efficient
Incentive
Programme.
Seventh
International
IBPSA
Conference, Rio de Janeiro, Brazil, August 2001.
• Ben-Nakhi, A.: Development of an integrated dynamic thermal bridging
assessment environment. Energy and Buildings 35: 375-382, 2003.
• Bruntland, G.: Our common future: The World Commission on Environment
and Development. Oxford University Press, Oxford, 1987.
• Buhl: DOE-2 Weather Processor. LBNL Simulation Research Group. 1999.
• Carlo, J.; Ghisi, E.; Lamberts, R.: The use of Computer Simulation to establish
Energy Efficient parameters for a Building Code of a city in Brazil. Eighth
International IBPSA Conference, Eindhoven, Netherlands, August 2003.
• Carrilho da Graça, G.; Chen, Q.; Glicksman, L.R.; Norford, L.K.: Simulation of
wind-driven ventilative cooling systems for an apartment building in Beijing
and Shangai. Energy and Buildings 34: 1-11, 2001.
• Cetiner, I.; Ozkan, E.: An approach for the evaluation of energy and cost
efficiency of glass façades. Energy and Buildings 37(6): 673-684, 2005.
221
• Citherlet, S.; Hand, J.: Assessing energy, lighting, room acoustics, occupant
comfort and environmental impacts performance of building with a single
simulation program. Energy and Environment 37: 845 - 856, 2002.
• Clarke, J.A.; Conner, S.; Fujii, G.; Geros, V.; Jóhannesson, G.; Johnstone, C.M.;
Karatasou, S.; Kim, J.; Santamouris, M.; Strachan, P.A.: The role of simulation in
support of Internet-based energy services. Energy and Buildings 36: 837-846,
2004.
• Dear, R.; Brager, G.S.: Thermal comfort in naturally ventilated buildings:
revisions to ASHRAE Standard 55. Energy and Buildings 34(6): 549-563, 2002.
• DGGE: A Energia, os Recursos Geológicos e a Economia - Balanços
Energéticos 1990 - 2003, Direcção Geral de Geologia e Energia, Publicação
On-Line, ver URL: http://www.dgge.pt.
• Dias de Castro, M.: Resumo Teórico de Térmica de Edifícios, Apontamentos
da Disciplina de Térmica de Edifícios, Curso de Eng.ª Mecânica, FEUP, 2000.
• Donn, M.: Tools for quality control in simulation. Building and Environment 36:
673-680, 2001.
• Ecobuild Version 1.0: Fundamentals of Building Physics. Horsens Polytechnic,
Horsens, Denmark, 2001.
• Educadores por la sostinibilidade: Compromiso por unha educación para a
sostinibilidade. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias,
Volume 1, número 3, Setembro 2004.
• Energy efficiency policies and indicators: World Energy Council, London, UK,
October 2001.
• European Commission: On the Energy Performance of Buildings, Directive
2002/91/EC of the European Parliament and of the Council, Official Journal of
the European Communities, December 2002.
• European Commission: Directorate General XVII for Energy, A Green Vitruvius:
Principles and Practice of Sustainable Architectural Design, James & James,
London, 1999.
• Eyckmans, J.; Cornillie, J.: Efficiency and Equity in the EU Burden Sharing
Agreement; Katholieke Universiteit Leuven, Centrum voor Economische
Studiën, Energy, Transport and Environment, 2002.
PÁGINA 222
BIBLIOGRAFIA
• Ezzati, M.; Kammen, D.: Household Energy, Indoor Air Pollution, and Health in
Developing Countries: Knowledge Base for Effective Interventions. Annual
Review Energy and Environment 27: 233-270, 2002.
• Fanger, P.O.; Ipsen, B.M.; Langkilde, G.; Olessen, B.W.; Christensen, N.K.;
Tanabe, S.: Comfort limits for asymmetric thermal radiation. Energy and
Buildings 8: 225-236, 1985.
• Fanger, P.O.; Toftum, J.: Extension of the PMV model to non-air-conditioned
buildings in warm climates. Energy and Buildings 34: 533-536, 2002.
• Fanger, P.O.; Banhidi, L.; Olesen, B.W.; Langkilde, G.: Comfort limits for heated
ceilings. ASHRAE Trans. 86(2): 141-156, 1980.
• Fanger, P.O.: Thermal Comfort. Robert E. Krieger Publishing Company,
Malabar, Finland, 1982.
• Freitas, V.: Isolamento Térmico de Fachadas pelo Exterior - Reboco Delgado
Armado sobre Poliestireno Expandido - ETICS. Relatório - HT 191A/02, Optiroc
Portugal - Cimentos e Argamassas, Lda., Porto, 2002.
• Freitas, V.; Pinto, M.: Metodologia para a Selecção Exigencial de Isolantes
Térmicos. Nota de Informação Técnica - NIT.001 - LFC/FEUP, Porto, 2000.
• Freitas, V.; Pinto, P.: Permeabilidade ao Vapor de Materiais de Construção.
Nota de Informação Técnica - NIT.002 - LFC/FEUP, Porto, 2000.
• Ghisi, E.; Tinkerb, J.: An Ideal Window Area concept for energy efficient
integration of daylight and artificial light in buildings. Building and Environment
40: 51-61, 2005.
• Givoni, B.: Climate considerations in building and urban design. Van Nostrand
Reinhold, New York, 1998.
• Glicksman, L.R.; Norford, L.K.; Greden, L.V.: Energy Conservation in Chinese
Residential Buildings: Progress and Opportunities in Design and Policy, Annual
Review. Energy Environment, 26 pag. 83-115, 2001.
• Gonçalves, H.;. Joyce, A; Silva, L.: FORUM – Energias Renováveis em Portugal Uma Contribuição para os Objectivos de Política Energética e Ambiental.
ADENE / INETI, Lisboa, 2002.
• Goodhew, S.; Griffiths, G.: Sustainable earth walls to meet the building
regulations, Energy and Building 37 pag. 451-459, 2005.
223
• Green Design Tools: VisualDOE 3.0 Program Documentation. Eley Associates,
San Francisco, 2001
• Heim, D.; Clarke, J.A.: Numerical modeling and thermal simulation of PCMgypsum composites with ESP-r. Energy and Buildings 36: 795-805, 2004.
• Hensen, J.; Nakahara, N.: Energy and building performance simulation:
current state and future issues, Energy and Building 33, 2001.
• Huang, J.; Deringer, J.; Krarti, M.; Masud, J.: The Development of Residential
and Commercial Building Energy Standards for Egypt. Proceedings of Energy
Conservation in Buildings Workshop, Kuwait, December 2003.
• Hui, S.; Cheung, K.P.: Multi-year (MY) simulation: is it useful and practical?. In
Proceedings of the Building Simulation '97 Conference, Prague, Czech
Republic, September 8-10, 1997.
• Humphreys, M.A.; Nicol, J.F.: The Validity of ISO-PMV for predicting comfort
votes in every-day thermal environments. Energy and Buildings 34: 667-684,
2002.
• IEA 2002 Energy Balances: IEA Energy Statistics, International Energy Agency,
Publicação On-Line, ver URL: http://www.iea.org/Textbase/stats/.
• ISO Standard 7730: Moderate Thermal Environments - Determination of the
PMV and PPD Indices and Specifications of the Conditions for Thermal
Comfort, International Organization for Standardization, Geneva, 1994.
• ISQ: Térmica dos Edifícios. Instituto de Soldadura e Qualidade, Oeiras, 2000.
• John, G.; Clements-Croome, D.; Jeronimidis, G.: Sustainable building solutions:
a review of lessons from the natural world. Building and Environment 40: 319328, 2005.
• Judkoff, R.; Neymark, J.: International Energy Agency Building Energy
Simulation Test (BESTEST) and Diagnostic Method. National Renewable Energy
Laboratory, Colorado, 1995.
• Kalogirou, S.A.: Generation of typical meteorological year (TMY-2) for Nicosia,
Cyprus. Renewable Energy 28: 2317-2334, 2003.
• Karlsson, J.; Roos, A.; Karlsson, B.: Energy performance indoor environmental
quality retrofit - a European diagnosis and decision making method for
building refurbishment. Energy and Buildings 31: 97-101, 2000.
• Khedari, J.; Yamtraipat, N.; Pratintong, N.; Hirunlabh, J.: Thailand ventilation
comfort chart. Energy and Buildings 32: 245-249, 2000.
PÁGINA 224
BIBLIOGRAFIA
• Kindangen, J.I.: Window and roof configurations for comfort ventilation: A
study modeling the Influence of design elements and passive design to
improve ventilation in tropical conditions. Buildings Research and Information,
25(4), 1997.
• Koinakis, C.J.: Combined thermal and natural ventilation modeling for longterm energy assessment: validation with experimental measurements. Energy
and Buildings, 37: 311 - 323, 2005.
• Krieder, J.; Rabl. A.: Heating and Cooling of Buildings - Design for Efficiency,
Mechanical Engineering Series. McGraw-Hill International Editions, 1994.
• Laine, T.; Reinikainen, E.; Liljeström, K.; Karola, A.; Granlund O.; Oy: Integrated
LCA-Tool for Ecological Design. Seventh International IBPSA Conference, Rio
de Janeiro, Brazil, August 2001.
• Lanham, A.; Gama, P.; Braz, R.: Arquitectura Bioclimática – Perspectivas de
inovação e futuro. Seminários de Inovação, Instituto Superior Técnico,
Universidade Técnica de Lisboa, 2004.
• Leandro, M.: Arquitectura bioclimática. Publicação disponível na Internet em:
http://www.arquitecturabioclimatica.info/.
• Liebich, T.: Highlights of the Development Process of Industry Foundation
Classes. International Alliance for Interoperability - Industry Day, Old Town,
Alexandria, May 2003.
• Lundin, M.; Andersson, S.; Östin, R.: Further validation of a method aimed to
estimate building performance parameters, Energy and Building, 2005.
• Majoros, A.; Habil, Dr.: Basic Artificial Lightning for Architects. Lecture note,
Technical University of Budapest, Faculty of Architecture, Department of
Building Energetics and Service System, Budapest, 1997.
• Majoros, A.; Habil, Dr.: Basic Daylighting for Architects. Lecture note, Technical
University of Budapest, Faculty of Architecture, Department of Building
Energetics and Service System, Budapest, 1998.
• Maldonado, E.; Afonso, C.: Projecto Passys: Um Laboratório de Ensaio Térmico
de Componentes de Edifícios. VI Congresso Ibérico de Energia Solar: 158-166.
Lisboa, 1994..
• Martínez, P.J.; Velázquez, A.; Viedma, A.: Performance analysis of a solar
energy driven heating system. Energy and Buildings, in press, 2005.
225
• McCullough, E.; Jones, B.W.: A comprehensive data base for estimating
clothing insulation. IER Technical Report 84-01, Institute for Environment
Research, Kansas State University, Manhattan, Kanas, 1984.
• Mendonça, P.J.: Habitar sob uma Segunda Pele: Estratégias para a Redução
do Impacto Ambiental de Construções Solares Passivas em Climas
Temperados.
Dissertação
de
Doutoramento.
Universidade
do
Minho.
Guimarães, 2005.
• Mitjá, A.; Esteve, J.; Escobar, J.: Estalvi d'energia en el desseny d'edificis.
Generalitat de Catalunya / Departament d'Indústria e Energia, Barcelona,
1986.
• Monteiro, A.: Da Serra do Pilar com vista para o aquecimento global. UPorto Revista dos Antigos Alunos da Universidade do Porto 16 pag. 22-25, 2005.
• Natural Resources of Canada – NRC: Commercial Building Incentive Program,
Screening
Tool.
Ferramenta
disponível
na
Internet
em:
http://cbipscreen.nrcan.gc.ca/.
• Ngowi, A.B.: A hybrid approach to house construction - a case study in
Botswana. Building Research & Information 25(3), 1997.
• Nicol, J.F.; Parsons, K.: Special issue on thermal comfort standards. Energy and
Buildings 34: 529-532, 2002.
• Nicol, J.F.; Humphreys, M.A.: Adaptive thermal comfort and sustainable
thermal standards for buildings. Energy and Buildings 34: 563-572, 2002.
• Papamichael, K.: Green building performance prediction / assessment.
Building Research & Information 28(5/6): 394-402, 2000.
• Parris,
T.M.;
Kates,
R.W.:
Characterizing
and
Measuring
Sustainable
Development. Annual Review Energy and Environment, 28: 559 - 586, 2003.
• Pedrini, A.; Lamberts, R.: Methodology For Building Modeling and Calibration
For Warm Climates. Seventh International IBPSA Conference, Rio de Janeiro,
Brazil, August 2001.
• Pedrini, A.; Lamberts, R.: Treinamento para o Programa VisualDOE 3.
Laboratório de Eficiência Energética das Edificações, Universidade Federal
de Santa Catarina, Florianópolis, Brazil, 2003.
• Pfafferott, J.; Herkel, S.; Jäschke, M.: Design of passive cooling by night
ventilation: evaluation of a parametric model and building simulation with
measurements. Energy and Buildings 35: 1129-1143, 2003.
PÁGINA 226
BIBLIOGRAFIA
• Pina dos Santos, C.A.; Vasconcelos de Paiva, J.A.: Coeficientes de
Transmissão Térmica de Elementos da Envolvente dos Edifícios. Laboratório
Nacional de Engenharia Civil. Lisboa, 1990.
• PNAC - Plano Nacional para as Alterações Climáticas. Comissão para as
Alterações Climáticas, Versão 2001.
• RCCTE - Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos
Edifícios, Fevereiro, 2005.
• Resolução do Conselho de Ministros n.º 119/2004, Aprova o Programa
Nacional para as Alterações Climáticas.
Presidência do Conselho de
Ministros, Diário da República I Série B, 2004
• Roulet, C. A. : " Role of ventilation ". LESO-PB, Ecole Polytechnique Fédérale de
Lausanne, CH 1015 Lausanne, Switzerland.
• RSA - Regulamento de Segurança e Acções para Estruturas de Edifícios e
Pontes. Decreto-Lei Nº 235/83 de 31 de Maio.
• RSECE - Regulamento dos Sistemas Energéticos e de Climatização dos
Edifícios, Fevereiro, 2005.
• Sabady, P.: The Solar House. Helion Verlag, Zurique, 1979.
• Santos, A.: A iluminação Natural na Perspectiva da Reabilitação das
Construções. Curso de Mestrado em Engenharia Civil, Universidade do Minho,
Guimarães, 2000.
• Santos, A.: A iluminação Natural na Perspectiva da Reabilitação dos Edifícios.
Curso de Mestrado em Engenharia Civil, Universidade do Minho, Guimarães,
2004.
• SCE - Sistema Nacional da Certificação Energética e da Qualidade do Ar
Interior nos Edifícios, Janeiro, 2005.
• Silva, P.; Godinho, N.: Soluções de Reabilitação para Pavimentos de Madeira.
Trabalho integrado na Disciplina de Coordenação de Projecto, Mestrado de
Engenharia Civil, Universidade do Minho, Guimarães, 2004
• Stritih, U.; Butala, V.: Technical note: Optimization of a thermal storage unit
combined with a biomass boiler for heating buildings. Renewable Energy 29:
2011-2022, 2004.
• Teixeira, A.: Energia Solar Passiva – Princípios básicos; Cálculos; Tabelas.
Plátano Editora, Lisboa, 1984.
227
• Tzikopoulos, A.F.; Karatza, M.C.; Paravantis, J.A.: Modeling energy efficiency
of bioclimatic buildings, Energy and Building 37 pag. 529-544, 2005.
• U.S. Department of Energy: EnergyPlus Energy Simulation Software, 2005.
Ficheiros Climáticos de Portugal disponíveis em:
http://www.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data3.cfm/r
egion=6_europe_wmo_region_6/country=PRT/cname=Portugal.
• United Nations: Issues arising in the context of the entry into force of the Kyoto
Protocol. UNFCC Framework Convention on Climate Change, Buenos Aires 617 December 2004.
• West, S.: Improving the sustainable development of building stock by the
implementation of energy efficient, climate control technologies. Energy and
Environment 35: 281-289, 2001.
• Westphal, F.S.; Lamberts, R.: The use of simplified weather data to estimate
thermal loads of non-residential buildings. Energy and Buildings 36: 847-854,
2004.
• de Wilde, P.; van der Voorden, M.: Providing computational support for the
selection of energy saving building components. Energy and Buildings 36: 749758, 2004.
• Wit, S.; Augenbroe, G.: Analysis of uncertainty in building design evaluations
and its implications. Energy and Buildings 34: 951-958, 2002.
• Zmeureanu, R.; Fazio, P.; DePani, S.; Calla, R.: Development of an energy
rating system for existing houses. Energy and Buildings 29: 107-119, 1999.
• Zweifel, G.; Achermann, M.; Duerig, M.: Building Simulation - some Swiss
experiences. Seventh International IBPSA Conference, Rio de Janeiro, Brazil,
August 2001.
PÁGINA 228

Pedro Correia Pereira da Silva Análise do Comportamento Térmico

Transcrição

Documentos relacionados

Mestre Arquitecta Aline Delgado

Certificação Energéti Edifícios de HABI Certificação

O que podemos mover para si?

Arquitetura do cenário, do espetáculo, do silencio

1. História do PVsyst 2. Visão Geral do Software 3

Terremoto na Colômbia danificou cerca de 200

Historia - Arte Terra - Arquitetura Ecológica

Descrição Geral Serviços Oferecidos Trabalhos mais

Fábrica do Airbus A380

Este texto é uma contribuição ao debate colocado pelo DA sobre a