Energia e conforto (Comfort and energy) NeutralidadeCarbono Carbon Neutral. LiderA.

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1 Energia e conforto (Comfort and energy) NeutralidadeCarbono Carbon Neutral Ph.D., Engº do Ambiente (DECivil) manuel.pinheiro@civil.ist.utl.pt ou manuel.pinheiro@lidera.info

2 Energia e conforto / Comfort and energy 1. Conforto \ Comfort 2. Energia, abordagens passivas e quase zero de energia \ Passive Solutions and Nearly Zero Energy 3. Exemplo de Soluções Solar XXIe Torre Verde \Examples 4. Concluindo / Conclusions

3 1 to 10 Performance and Management Building Project x 2? x 2,5 x 5 modelling System Users Energy Performance CO 2 x 2 Urban Context and Climatic x 2 estimated Ratti, C.; Baker, N.; Steemers, K. (2005). Energy consumption and urban texture, Energy and Buildings, Volume 37, Issue 7, 1 July 2005, Pages

4 Conforto Comfort

5 Conforto função de multiplicidades de aspectos Os ambientes construídos devem assegurar condições adequadas de conforto De cada pessoa (subjectividade), das condições de vestuário e da actividade que executa Comfort Have also a Subjective Dimension Condições de ambiente Outros aspectos, com reflexo nas condições de conforto térmico, humidade e de ventilação, incluindo também a qualidade do ar e até condições de iluminação e aspectos visuais thermal comfort, humidityand ventilation,also includingair qualityand evenlighting and visual aspects

6 Create good construction and operations conditions In Green Vitruvius

7 In different aspects In Green Vitruvius

8 In different aspects In Green Vitruvius

9 aa Also risk control O radão(222rn) é um gás radioactivo que ocorre nas rochas, nos solos, no ar e na água. É gerado por decaimento do urânio (238U), elemento químico presente em quantidades variáveis nas rochas, sendo incolor e inodoro; daí que não se torne óbvio o risco a ele associado, em particular nas casas de habitação, onde, aliás, tende a concentrar-se. Por exemplo zonas graníticas. radon

10 Appropriate measures Refira-se ainda que, não obstante o principal mecanismo de transmissão do radãopara espaços confinados resultar da introdução deste gás nas habitações a partir do subsolo (através de fissuras e juntas mal seladas nas fundações), pode tornar-se ocasionalmente importante a comparticipação dos materiais de construção (quando ricos em urânio, facto para o qual não existe legislação nacional que imponha qualquer controlo), ou ainda a utilização de água enriquecida em radão proveniente de captações próprias (também sem legislação a nível nacional), caso em que parte do gás se pode libertar para o ar interior durante a utilização dessa água.

11 Others AMIANTO asbestos It was necessary a complete refurbishment

12 Conforto: Capacidade de Controlo Comfort: CapacityControl

13 Importância da Capacidade de Controlo Important have capacity to control comfort conditions Escola do Crato

14 Conforto adaptativo adaptivecomfort

15 Conforto adaptativo \Adaptive comfort Adaptive comfort builds on the principle that people experience differently and adapt, up to a certain extent, to a variety of indoor conditions, depending on their clothing, their activity and general physical condition. Therefore, contrary to the conventional cooling which is based on precalculated temperatures and humidity levels, the adaptive approach is based on a non fixed set of conditions, taking into account thermal perception and behavior of the user, requiring him to take an active role in controlling his indoor environment. When refurbishing office buildings adaptive opportunities can be classified as either active (where building occupants intervene to change their thermal environment) or passive (where a building s environment or fabric is adapted without active occupant intervention).

16 Energia, Conforto e abordagens bioclimáticas

17 Impacts 29,6 % PT Edificado +4,7 % ->34,3% 46 % Lisboa Construção Edificado 50% Energia final Electricidade mais de 50 % Indústria 32% Reduce 30% consumption Habitação e Serviços 30% Transporte 38% 90 % do Tempo no Edificado

18 Potencialidade dos princípios bioclimáticos e casas passivas Bioclimaticprinciplesand potential ofpassive Houses

19 Ganhos Balance and reduce losses Perdas

20 High potential Bioclimatic approaches Guedes, e Alves (2009)

21 Helder Goncalves Mariz Graça ESTRATÉGIA BIOCLIMÁTICAS

22 PassiveHouse

23 What is a Passive House? A passive house is a building in which a comfortable interior climate can be maintained without active heating and cooling systems (Adamson 1987 and Feist1988). The house heats and cools itself, hence "passive". For European passive construction, prerequisite to this capability is an annual heating requirement that is less than 15 kwh/(m²a) (4755 Btu/ft²/yr),notto be attained at the cost of an increase in use of energy for other purposes (e.g., electricity). Furthermore, thecombined primary energyconsumption of living area of a European passive house may not exceed 120 kwh/(m²a) (38039 Btu/ft²/yr) for heat, hot water and household electricity. With this as a starting point, additional energy requirements may be completely covered using renewable energy sources. A passive house is cost-effective when the combined capitalized costs (construction, including design and installed equipment, plus operating costs for 30 years) do not exceed those of an average new home.

24 Passive house basic features Compact form and good insulation: Southern orientation and shade considerations: Energy-efficient window glazing and frames: Building envelope airtightness: Passive preheating of fresh air: Highly efficient heat recovery from exhaust air using an air-to-air heat exchanger: Hot water supply using regenerative energy sources: Energy-saving household appliances: All components of the exterior shell of the house are insulated to achieve a U-factor that does not exceed 0.15 W/(m²K) (0.026 Btu/h/ft²/ F). Passive use of solar energy is a significant factor in passive house design. Windows (glazing and frames, combined) should have U-factors not exceeding 0.80 W/(m²K) (0.14 Btu/h/ft²/ F), with solar heatgain coefficients around 50%. Air leakage through unsealed joints must be less than 0.6 times the house volume per hour. Fresh air may be brought into the house through underground ducts that exchange heat with the soil. This preheats fresh air to a temperature above 5 C(41 F), even on cold winter days. Most of the perceptible heat in the exhaust air is transferred to the incoming fresh air (heat recovery rate over 80%). Solar collectors or heat pumps provide energy for hot water. Low energy refrigerators, stoves, freezers, lamps, washers, dryers, etc. are indispensable in a passive house.

25 ExamplePassiveHouse (Weizsacker, 2009:72)

26 Passivehouse Qppliedto existing buildings with energy savings of 75 per cent to over 90 per cent. Renovated buildings usually have an existing heat distribution system and there is no reason not to use the very same system after renovation. With the renovation the heat requirement is reduced, then the system temperatures can also be reduced. Therefore, high-efficiency boilers and heat pumps can then be used. Good thermal insulation and high-efficiency mechanical equipment go hand in hand. (Weizsacker, 2009:77)

27 Improve performance (Weizsacker, 2009:78)

28 Passivas, abordagens bioclimáticas Abordagens Activas, necessidade de climatização mecânica (HVAC),... Passive House to warm climatic region Responder ao clima e abordagens bioclimáticas

29 Estimativa das necessidades anuais de aquecimento (vermelho) e de arrefecimento (azul) para uma casa típica e uma casa Passivhaus Tal como proposto pela norma Passivhaus, a capacidade do sistema de aquecimento e arrefecimento é limitada a 10 W/m2. O custo extra da proposta Passivhausem Portugal é de 57 /m2com um período de retorno do investimento de 12 anos.

30 Níveis interessantes de conforto adaptativo Temperatura resultante durante uma semana de muito calor, sem um sistema activo de arrefecimento

31 Searchbetterenergy Performance

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33 ExºTorre Verde Parque das Nações

34 Desempenho passivo do edificado isolamento responder à orientação e clima Aspectos bioclimáticos Torre Sul e Torre Verde Arqtª Livia Tirone

35 Torre Sul 1/2

36 (antigo) Torre Sul 2/2

37 Exºde Soluções Solar XXI, Ineti, Lumiar Fonte: Doutor Helder Goncalves, Arqtº MarizGraça, DrºAntonio Joyce

38 Solar XXI, INETI, Lumiar

39 Fachada Sul Nascente, Norte

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42 a fan to ensure air intake

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44 Aproveitamento Térmico do PV

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46 Goncalvez, 2011

47 Tendências Directiva de certificação energética dos edifícios (recast) Thefuture EnergyPerformance BuildingDirective(EPBD)

48 EPBDRecast(Directive2010/31/EU) Major Highlights of the Recast Directive include: As of 31 December 2020 new buildings in the EU will have to consume 'nearly zero' energy and the energy will be 'to a very large extent' from renewable sources. Public authorities that own or occupy a new building should set an example by building, buying or renting such 'nearly zero energy building' as of 31 December The definition of very low energy building was agreed to: "nearly zero energy building means a building that has a very high energy performance, determined in accordance with Annex I. The nearly zero or very low amount of energy required should to a very significant level be covered by energy from renewable source, including renewable energy produced on-site or nearby" There is no specific target be set for the renovation of existing building, but Member States shall following the leading example of the public sector by developing policies and take measures such as targets in order to stimulate the transformation of buildings that are refurbished into very low energy buildings, and inform the Commission thereof in their national plans referred to in paragraph 1. The 1000 m2threshold for major renovation has been deleted and this will take effect when the national regulations have been implemented and applied, probably at the beginning of

49 EPBDRecast(Directive2010/31/EU) Major Highlights of the Recast Directive include: Minimum requirements for components are introduced for all replacements and renovations, although for major renovations, the holistic calculation methodology is the preferred method with performance calculations based on component requirements allowed as a complement or alternatively A harmonisedcalculation methodology to push-up MS minimum energy performance requirements towards a cost-optimal level is set out in the Directive in a definition and an annex, and will also be refined in a comitology process. MS will have to justify to the COM if the gap between current requirements and cost optimal requirements is more than 15 % A more detailed and rigorous procedure for issuing energy performance certificates will be required in MS. Control systems will be required by MS to check the correctness of performance certification. MS will be required to introduce penalties for non-compliance. Member States shall lay down the rules on penalties applicable to infringements of the national provisions adopted pursuant to this Directive and shall take all measures necessary to ensure that they are implemented. The penalties provided for must be effective, proportionate and dissuasive. Member States shall communicate those provisions to the Commission.

50 Certificação Energética Quase Zero de Energia Nearly Zero Energy

51 Searchbetterenergy Performance

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53 TENDÊNCIAS EFICIÊNCIA VS ZERO (EXEMPLO ENERGIA)

54 Por exemplos dois tipos de comunidades sustentáveis Empreendimentos com Programas Eficientes em Energia Foconossistemasintegradasa médio prazo Esforço para, pelo menos ter normasminimasde eficiência nos edificios Objectivosincluem: reduçãode resíduose poluição, conservaçãode água, conservaçãode energiae desenvolvimento sustentável Assegurapaisagem/ vegetação tolerante às secas Asseguraum centrode reciclagem Todasas juntas das condutas de ar são seladas com mastic Construções com niveis elevados de isolamento (P.Exº R11) What are the different types of communities? Desenvolvimentos assentes em Zero Energia (acréscimo) Nãoutilizamaisenergiaquea que produz Reduza utilizaçãode águae captae utilizaa águadachuva Reduzas necessidadesde viajare assegura transportes públicos funcionais Educa os residentes como viver Todosmateriaisusadossãolocais, renovaveis ou reciclados Edificios projectados são energeticamente eficientes Caixotesparaefectuara reciclagem em cada casa Por vezes o local foi recuperado (zona degradada) Centro de cuidados infantis

55 Empreendimentos com Programas Eficientes em Energia vs Desenvolvimentos assentes em Zero Energia (acréscimo) Empreendimentos com Programas Eficientes em Energiasão melhores porque: integram as ideias práticas sem obrigar a mudar para uma nova comunidade. podem envolver as cidades e mudar as população e as necessidades os meios são mais práticos requere menos custos iniciais e reduz a probabilidade de insucesso Desenvolvimentos assentes em Zero Energiasão melhores porque: actualmente são 100 % sustentaveis não dependem de qualquer recurso exterior para viver dispõe de um grande efeito positivo na área e no mundo os edificiossão projectados desde logo para serem eficientes energeticamente ensinam cada um a viver sem produzir qualquer resíduo dão um melhor exemplo para todas as comunidades e pessoas como viver sem resíduo

56 Procura Equilíbrio de Energia, Carbono,... Armory, Texas, USA BEDZED, UK

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58 Belas Club de Campo A model to high performance: Energy, materials, water and comfort +

59 Exemplo de medidas e desempenho para chegar a uma situação quase zero de energia Achievingnearzero energy

60 ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Aumento do consumo de energia History Projections ASHRAE svision, as articulated in this report, is that the building community will produce marketviable net zero energy buildings (NZEBs) by the year 2030.

61 Metas normas (ASHRAE) 100 kwh/m²ano = 32 kbtu/ft y 10 kcal/cm kwh/m2 1 ft2 =0, m2 1 kwh = 3,412 kbtu

62 Exemplo (Cenário ASHRAE) Edifício de 2 andares Net-Zero-Energy Buildings Buildings which, on an annual basis, use no more energy than is provided by on-site renewable energy sources.

63 Medidas para Envelope Orientar o edifício para: Optimizar a luz natural; aquecimento passivo no inverno e minimizar os ganhos solares através das janelas. Aumentar o isolamento integrado, aumentando o valor R das paredes e telhados

64 Medidas para Envelope Utilizar sistemas externos de ensombramento para minimizar a radiação directa: Utilizar persianas verticais; plantar espécies que criem sombra (estação quente) usar sistemas de sombreamento (varandas,..) para controlo dos ganhos solares.

65 Medidas para Envelope Fomentar a Luz Natural Utilizar sistemas, clarabóias para luz natural: aberturas a norte para fomentar a entrada de luz para o interior Optimizar o desempenho da superfície envidraçada, incluindo: reduzir a área envidraçada (E/W) aumentar a área envidraçada (N/S)

66 Orientar o edifício; aumentar o isolamento; sistemas externos de ensombramento; fomentar a luz natural; optimizar o desempenho da superfície envidraçada. (-37,3 %) 62,7 %

67 AVAC, Sistemas de aquecimento da água e de iluminação Sistemas de iluminação de elevada eficiência com sensores de ocupação Redução do controlo de redução da energia para iluminação requisitos de arrefecimento Utilizar sistemas eficientes de aquecimento da água e minimizar as perdas em stand by

68 AVAC, Sistemas de aquecimento da água e de iluminação Maximizar o uso de ar exterior para ventilar o edifício quando a temperatura é amena

69 AVAC, Sistemas de aquecimento da água e de iluminação Através da monitorização da ocupação do edifício controlar a quantidade de ar que é necessário ser condicionado A utilização de bombas de calor podem melhorar a eficiência do AVAC

70 AVAC, Sistemas de aquecimento da água e de iluminação Velocidades variáveis das ventoinhas e das bombas pode reduzir as cargas parciais e a energia Treino dos operadores/gestores e ocupantes do edifícios na operação energética do edifício

71 Sistemas de iluminação; sistemas eficientes de aquecimento da água e perdas. uso de ar exterior para ventilar e controlo associado à ocupação; utilização de bombas de calor geotérmico Velocidades variáveis das ventoinhas e das bombas; Treino dos operadores/gestores e ocupantes do edifícios. (-23, 6 %) 39, 1 %

72 Energias renováveis Colectores solares para os serviços de água e aquecimento do espaço Painéis fotovoltaicos para geração da electricidade durante o dia

73 Energias renováveis Geração de electricidade através de sistemas eólicas Geotérmica Biomassa

74 Colectores solares: Painéis fotovoltaicos; Geração eólica; Geotérmica; Biomassa. (-39,1 %) 0 %

75 Medidas: - Bioclimáticas -Sistemas -Energias renováveis Video on Achieving Net-Zero-Energy Design (ASHRAE)

76 Outros Exemplo Estradas Others ExampleRoads

77 Estradas es.com/2009/07/23/harv esting-clean-energyalong-the-road/ A few states are already dabbling in roadside energy production. Last year,oregonbegan a solar highway demonstration projectwith a 104-kilowatt ground-mounted solar array situated at the interchange of Interstates 5 and 205. The array powers about a third of the lights on the interchange. Massachusetts recently announced a plan to install a utility- scale wind turbine big enough to power 400 households on land adjacent to the Massachusetts Turnpike s Blandford Rest Area. Researchers and designers are also toying with ways to generate power along roads, includingthe use of piezoelectric materials,energy producing speed bumpsandintegrating wind turbines into road barriers.

78 harvesting-clean-energy-along-the-road/

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80 784/sizes/o/in/photostream/

81 Concluindo Conclusions

82 É possível assegurar casas e infra-estruturas de bom desempenho, com elevado conforto assegurando baixos consumos energéticos. As soluções passivas podem dar um importante contributo conjugando com o aproveitamento de várias formas de energias renováveis Reduce energy consumption Adaptive Comfort Use bioclimatic principles and renewable energy

83 Referência e Agradecimentos

84 Referências Bibliográficas Guedes, M.;, M.; Alves, L. (2009). Sustainable architecture and urban design in Portugal: An overview. Renewable Energy -(34) 2009, Elsevier Science A Green Vitruvius -Principles and Practice of Sustainable Architectural Design, James & James (Science Publishers) Ltd. For the European Commission, Directorate General XVII for Energy and the Architect s Council of Europe, London, 1999 (Versão Portuguesa da Ordem dos Arquitectos) Gonçalves, Helder; Graça, João Mariz: Conceitos Bioclimáticos para os Edifícios em Portugal, INETI, 2004 Outros RCCTE: Regulamento das Características de Comportamento Térmico em Edifícios, Decreto-Lei N. 80/06 de 4 de Abril RCESE: Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios, Decreto-Lei N. 79/06 de 4 de Abril SCE: Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior nos Edifícios, Decreto-Lei N 78/06 de 4 de Abril

85 Agradecimentos: Dados dos Consumos e do Edifício do INETI: EngºHelder Goncalvez, ArqtºMarizGraça, Drº António Joyce. Sugestões de Estratégias Bioclimáticas: Profº Correia Guedes